Технічні
науки/ 5. Енергетика
І. Г. Баранова
Національний технічний
університет України «КПІ»
Фізичне моделювання процесу очищення стічних вод у метантенках із
іммобілізованою мікрофлорою
Інтенсивне збільшення кількості промислових, комунальних та господарських
стоків, а також проблема нестачі чистої води вимагають впровадження нових,
більш ефективних методів її очищення. Важливою вимогою до розробок в цій галузі
є економічність та висока швидкість переробки. Анаеробне очищення стічних вод
не потребує значних витрат енергії. Додатковою перевагою є виділення в ході
процесу біогазу, загальна кількість якого дозволяє повністю забезпечити потреби
у енергії не тільки самої очисної установки, але й , деякою мірою, підприємства
на якому установку встановлено. Проблему інтенсифікації процесу та зменшення
розмірів установки дозволяє вирішити технологія іммобілізації активного мулу на
інертних носіях, яка дає змогу проводити процес в декілька разів швидше, ніж на
існуючих очисних станціях.
Порівняння роботи установок із іммобілізованим активним мулом дозволяє
віддати перевагу конструкції із нерухомим носієм, оскільки така установка
позбавлена ряду ускладнень в роботі, таких як замулювання та засмічення
реактора, винос гранул активного мулу. Запропонована конструкція дозволяє
зонувати простір біореактора для покращення якості переробки води та отримання
біогазу з більшим вмістом метану, а застосування в якості носія відходів
полімерної промисловості, зменшує вартість самої установки.
Існуючі моделі процесу обробки стічних вод на інертних носіях
стосуються, здебільшого біореакторів із гранульованою вільно плаваючою або
псевдозрідженою насадкою, а отже, не враховують гідродинамічних особливостей,
отже, вагомою частиною розробки є формулювання математичної і фізичної моделей.
Розглянемо проточний метантенк для очищення стічних вод, зображений на
Рис. 1. Апарат являє собою горизонтальний резервуар 1, в якому встановлено
полімерні листи 2 таким чином, щоб стічні води, проходили якнайдовший
лабіринтоподібний шлях, контактуючи із іммобілізованими на полімерних листах
метаногенними мікроорганізмами.
Рисунок 1 – Схема руху рідини в метантенку.
1 - горизонтальний резервуар; 2 – полімерні
пластини.
Відстань між пластинами полімеру обрано таким чином, щоб потік стічних вод
не порушував пограничних ламінарних шарів навколо суміжних пластин, не
утворюючи, при цьому середню зону, що не контактує із мікроорганізмами.
Процес протікання води в метантенку можна описати системою рівнянь для
стаціонарного руху рідини вздовж пластини. При такому русі розглядають дві
області – тонкий шар безпосередньо навколо поверхні тіла та течію поза межами
пограничного шару[[1]].
Відомо, що стічні води містять різноманітні органічні сполуки, отже і
склад біомаси буде мати складну структуру, що змінюватиметься навіть по довжині
біореактора. Крім того, зазвичай неможливо точно визначити концентрації речовин
у стічних водах, оскільки їх склад постійно змінюється, тому при описі процесів
очищення стічних вод визначають загальні концентрації мікроорганізмів і стічних
вод.
Метаногенез відбувається на поверхні біоплівки. Метан є мало розчинним
у воді, проте, деяка його кількість поглинається і виноситься із рідиною.
Питома концентрація розчинності газу залежатиме від температурного режиму у
метантенку. Після того, як за даних умов концентрація біогазу перевищить
граничну концентрацію розчинності, починається процес утворення пухирців
біогазу в об’ємі реактора. Процес виділення газу спричиняє утворення динамічної
піни в об'ємі метантенка [[2]].
Характеризувати цю динамічну систему можна, пов’язавши інтенсивність
газоутворення з одиниці сировини, що залежить від дози завантаження [[3]]
зі швидкістю руху рідини та швидкістю росту мікроорганізмів на поверхні
насадки.
Отже, для всебічного опису процесу метаногенезу іммобілізованими на
нерухомій насадці мікроорганізмами слід розглянути три складові процесу: гідродинамічну,
мікробіологічну та газорідинну. Та встановити між ними зв’язки:
Слід зазначити, що моделювання даного процесу є надзвичайно важливим,
оскільки експериментальне дослідження залежить від багатьох об’єктивних та суб’єктивних
факторів, вимагає дотримання ряду вимог, як до конструкції апарату, так і до
ходу процесу, і потребує великих матеріальних витрат та значного часу.