Технические науки/Энергетика

Баранова И. Г.

Национальный технический университет Украины «КПИ»

Анализ гидродинамических процессов в метантенке с иммобилизированной микрофлорой

Интенсивное увеличение количества промышленных, коммунальных и хозяйственных стоков, а также проблема недостатка чистой воды требуют внедрения новых, более эффективных методов ее очистки. Важными требованиями к разработкам в этой отрасли является экономичность и высокая скорость переработки. Анаэробная очистка сточных вод не нуждается в значительных расходах энергии. Дополнительным преимуществом является выделение в ходе процесса биогаза, общее количество которого позволяет полностью удовлетворить потребность в энергии не только самой очистительной установки, но и, в некоторой степени, предприятия, на котором установка функционирует. Проблему интенсификации процесса и уменьшения размеров установки позволяет решить технология иммобилизации активного ила на инертных носителях, которая дает возможность проводить процесс в несколько раз быстрее, чем на очистительных станциях других конструкций.

Сравнение работы установок с иммобилизированным активным илом позволяет отдать преимущество конструкции с неподвижным носителем, поскольку подобная установка лишена таких недостатков в работе, как заиливание и засорение реактора, вынос гранул активного ила. Предложенная ниже конструкция позволяет зонировать пространство биореактора для улучшения качества переработки воды и получения биогаза с большим содержанием метана, а применение в качестве носителя отходов полимерной промышленности, уменьшает стоимость самой установки.

Существующие модели процесса обработки сточных вод на инертных носителях касаются, по большей части, биореакторов с гранулированной, свободно плавающей или псевдоожиженной насадкой, а, следовательно, не учитывают гидродинамических особенностей процесса, следовательно, особое внимание следует уделить физическому и математическому моделированию.

Рассматриваемый проточный метантенк, изображенный на рис. 1, представляет собой вертикальный резервуар, в котором установлены полимерные листы, таким образом, чтобы сточные воды проходили вдоль листов снизу вверх, контактируя с иммобилизированными на полимерных листах метаногенными микроорганизмами.

Рис. 1 Анаэробный биореактор с неподвижными полимерными носителями.

Для всестороннего описания процесса метаногенеза иммобилизированными на неподвижной насадке микроорганизмами следует рассмотреть три составляющие процесса: гидродинамическую, микробиологическую и газожидкостную и установить между ними связи.

Процесс протекания воды в метантенке можно описать системой уравнений для стационарного движения жидкости вдоль пластины. При таком движении рассматривают две области – тонкий слой непосредственно вокруг поверхности тела и течение за пределами пограничного слоя [4]. Следует отметить, что расстояние между пластинами полимера избрано таким образом, чтобы поток сточных вод не нарушал ламинарных пограничных слоев вокруг смежных пластин, не образовывая, при этом среднюю зону, не контактирующую с микроорганизмами.

На режим движения жидкости между пластинами значительное влияние оказывает газообразование с поверхности биопленки, для учета этого явления следует ввести параметр, характеризующий свойства протекающей газожидкостной системы. Процесс выделения газа вызывает образование динамической пены в объеме метантенка[3]. Естественно, свойства такой системы напрямую зависят от количества газа. Метан мало растворим в воде, однако, некоторое его количество поглощается и выносится с жидкостью. Углекислый газ, являющийся второй, наиболее значительной составляющей биогаза, напротив, хорошо растворим в воде. Удельная концентрация растворимости газа будет зависеть от температурного режима в метантенке. После того, как при данных условиях концентрация биогаза превысит предельную концентрацию его растворимости, начинается процесс образования пузырьков биогаза в объеме реактора. Разница растворимостей СН₄ и СО₂ позволяет сделать выводы о соотношении концентраций этих газов в пузырьках, очевидно, что концентрация метана будет значительно выше. Охарактеризовать эту динамическую систему можно, связав интенсивность газообразования из единицы сырья, которая, в свою очередь, зависит от дозы загрузки [1] со скоростью роста микроорганизмов на поверхности насадки. Скорость роста микроорганизмов можно определить, пользуясь моделями Моно, Иерусалимского и др., основным требованием к используемой модели является наличие таких управляющих параметров, как температура и режим перемешивания, с одной стороны, и динамики роста и отмирания микрофлоры – с другой.

Известно, что сточные воды содержат разнообразные органические соединения, следовательно, и состав биомассы будет иметь сложную структуру, которая будет изменяться даже по длине биореактора. Кроме того, обычно невозможно точно определить концентрации веществ в сточных водах, поскольку их состав постоянно изменяется, потому при описании процессов очистки сточных вод определяют общие концентрации микроорганизмов и загрязнений в сточных водах, полагая, что эти величины пропорциональны. [2].

Следует отметить, что моделирование данного процесса является чрезвычайно важным этапом разработки, поскольку экспериментальное исследование зависит от многих объективных и субъективных факторов, соблюдения ряда требований, как к конструкции аппарата, так и к ходу процесса, и нуждается в больших материальных расходах и значительном времени. Разработанная математическая модель процесса позволит изначально верно подобрать технологические параметры, оптимизировать биохимические показатели процесса, спрогнозировать скорость и качество очистки.

Литература:

1. Бадмаев Ю.Ц. Интенсивная технология анаэробной переработки навозных стоков свиноводства в условиях республики Бурятия: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук.: спец. 05.20.01.«Технология и средства механизации сельского хозяйства» / Бадмаев Ю.Ц. – Улан-Удэ, 2006.

2. Биологическая очистка сточных вод и отходов сельского хозяйства: Динамические модели и оптимальное управление / [Гарнаев А. Ю., Седых Л. Г., и др.]; под ред. М. Ж. Кристапсонса. – Рига: Зинатне, 1991. – 173 с.

3. Соколов В. Н. Аппаратура микробиологической промышленности / [Соколов В. Н., Яблокова М. А.] / — Л.: Машиностроение, 1988.— 278 с.

4. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. – М.:Наука, 1969. – 744 с.