agronaukaАграрная наука Евро-Северо-ВостокаAgricultural Science Euro-North-East2072-90812500-1396FARC North-East10.30766/2072-9081.2024.25.1.134-150agronauka-1542Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ: МЕХАНИЗАЦИЯ, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯОRIGINAL SCIENTIFIC ARTICLES: MECHANIZATION, ELECTRIFICATION, AUTOMATIONПодбор мешалки и оптимизация процесса перемешивания субстрата в ферментере биогазовой установкиSelecting a stirrer and optimizing the process of mixing the substrate in the fermenter of biogas unithttps://orcid.org/0009-0008-5989-8165РубцовА. А.RubcovA. A.

Рубцов Александр Алексеевич, аспирант

д. 6, ул. Красная, г. Кемерово, 650000

Aleksandr A. Rubcov, post-graduate student

6, st. Krasnaya, Kemerovo, 650000

rector@kemsu.ruhttps://orcid.org/0009-0000-8262-237XНемущенкоД. А.NemuschenkoD. A.

Немущенко Дмитрий Андреевич, старший преподаватель кафедры инженерных проблем экологии

д. 20, пр-т Карла Маркса, г. Новосибирск, 630087

Dmitriy A. Nemuschenko, senior lecturer, the Department of Engineering Problems of Ecology

20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073

nemuschenko@corp.nstu.ruФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университетРоссияKemerovo State UniversityRussian FederationФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет»РоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation202428022024251134150Copyright © Рубцов А.А., Немущенко Д.А., 20242024Рубцов А.А., Немущенко Д.А.Rubcov A.A., Nemuschenko D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.agronauka-sv.ru/jour/article/view/1542

Актуальность работы связана с проблемой деградации почвенного покрова в результате загрязнения отходами животноводства и необходимостью своевременной их утилизации в эффективное органическое удобрение и биогаз. Увеличение доли использования органических удобрений позволяет развивать технологии органического земледелия, а соответственно приводит к получению здоровой растениеводческой продукции. В работе исследовался процесс перемешивания субстрата в ферментерах действующей опытной биогазовой установки. Технологическая линия предназначена для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, методом анаэробного сбраживания с получением инновационных экологически чистых органических удобрений в промышленных масштабах. Цель исследования – подбор мешалки и оптимизация условий перемешивания субстрата в ферментерах биогазовой установки. Физико-химические свойства субстрата исследовались лабораторными методами. Математическая модель процесса перемешивания основана на полуэмпирическом описании гидродинамики потоков в реакторе, модернизирована с учетом современного состояния вопроса под условия ферментера с конкретными геометрическими характеристиками. В результате проведенной работы определены оптимальные варианты геометрических размеров мешалок (три варианта трехлопастных мешалок периодического действия с углом наклона лопастей 30°, отличающиеся размером рабочего колеса и частотой вращения) и рассчитаны параметры процесса перемешивания. На основе лабораторного эксперимента и результатов расчета скорости осаждения определена периодичность включения мешалки (1 раз в сутки) и время ее непрерывной работы для гомогенизации суспензии. Результаты работы могут быть использованы при проектировании смесительных устройств и режимов перемешивания субстрата в биореакторах.

The relevance of the work is related to the problem of soil degradation as a result of pollution by livestock waste and the need for timely disposal of waste into effective organic fertilizer and biogas. Increasing the share of the use of organic fertilizers makes it possible to develop organic farming technologies, and accordingly leads to the production of healthy crop products. The work investigated the process of substrate mixing in the fermenters of an operating pilot biogas plant. The technological line is designed for processing liquid organic waste, mainly manure or litter, by anaerobic digestion to produce innovative environmentally friendly organic fertilizers on an industrial scale. The purpose of the study was to select a stirrer and optimize the conditions for mixing the substrate in the fermenters of a biogas plant. The physicochemical properties of the substrate were studied by laboratory methods. The mathematical model of the mixing process is based on a semi-empirical description of the hydrodynamics of flows in the reactor, modernized taking into account the current state of the issue under the conditions of a fermenter with specific geometric characteristics. As a result of the work carried out, the optimal options for the geometric dimensions of the stirrers were determined (three variants for three-blade stirrers intermittent with a blade angle of 30°, differing in the size of the impeller and rotation speed) and the parameters of the mixing process were calculated. Based on a laboratory experiment and the results of calculating the sedimentation rate, the frequency of turning on the stirrer (once a day) and the time of its continuous operation to homogenize the suspension were determined. The results of the work can be used in the design of mixing devices and substrate mixing modes in bioreactors.

биореакторрежим перемешиваниясмесительное устройствоорганическое удобрениеотходы животноводстваутилизация отходовbioreactorprocess of mixingstirrerorganic fertilizeranimal wastewaste disposalРабота выполнена в рамках инициативной научно-исследовательской темы ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет».The study was carried out within the initiative research theme of Kemerovo State University.ReferencesРуководство по биогазу. От получения до использования: проект. Агентство по возобновляемым ресурсам (FNR), перев. с немецкого, 5-е издание, перераб. Германия, Гюльцов, 2010. 213 с. Режим доступа: https://rnei.de/wp-content/uploads/2013/09/handreichungbiogasru2012.pdfA guide to biogas. From receipt to use: the project. Renewable Resources Agency (FNR), transl. from the German, 5th edition, revised. Germaniya, Gyul'tsov, 2010. 213 p. URL: https://rnei.de/wp-content/uploads/2013/09/handreichungbiogasru2012.pdfШаяхметов Р. Г., Исаков В. Г., Ефремов С. М. Опыт применения программного комплекса ANSYS WORKBENCH для моделирования процессов перемешивания в метантенках. Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2013;(3(59)):127–131. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20281318 EDN: RBVFMXShayakhmetov R. G., Isakov V. G., Efremov S. M. Experience of software ANSYS WORKBENCH application for simulation of mixing processes in digesters. Vestnik IzhGTU imeni M. T. Kalashnikova. 2013;(3(59)):127–131. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20281318Веденев А. Г., Маслов А. Н. Строительство биогазовых установок: краткое руководство. Бишкек: «Евро», 2006. 28 с. Режим доступа: https://www.studmed.ru/view/vedenev-ag-maslov-an-stroitelstvo-biogazovyhustanovok_bc5b8a6d035.html?ysclid=lpl488nbcd833612647Vedenev A. G., Maslov A. N. Construction of biogas plants: a quick guide. Bishkek: «Evro», 2006. 28 p. URL: https://www.studmed.ru/view/vedenev-ag-maslov-an-stroitelstvo-biogazovyhustanovok_bc5b8a6d035.html?ysclid=lpl488nbcd833612647Rico C., Rico J. L., Muñoz N., Gómez B., Tejero I. Effect of mixing on biogas production during mesophilic anaerobic digestion of screened dairy manure in a pilot plant. Engineering in Life Sciences. 2011;11(5):476–481. DOI: https://doi.org/10.1002/elsc.201100010Rico C., Rico J. L., Muñoz N., Gómez B., Tejero I. Effect of mixing on biogas production during mesophilic anaerobic digestion of screened dairy manure in a pilot plant. Engineering in Life Sciences. 2011;11(5):476–481. DOI: https://doi.org/10.1002/elsc.201100010Суслов Д. Ю. Перемешивание биомассы в биореакторе получения биогаза. Эпоха науки. 2015;(4):444–447. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25429518 EDN: VKMIHVSuslov D. Yu. Mixing the biomass in the bioreactor biogas. Epokha nauki. 2015;(4):444–447. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25429518Караева Ю. В. Модифицированная система гидравлического перемешивания в метантенке биогазовой установки. Вестник Казанского технологического университета. 2013;(1):199–201. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=18726019 EDN: PTUICZKaraeva Yu. V. Modified hydraulic mixing system in the methane tank of a biogas plant. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2013;(1):199–201. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=18726019Караева Ю. В., Халитова Г. Р., Трахунова И. А. Установка анаэробной переработки органических отходов: Полезная модель к пат. №115350 Российская Федерация. № 2011124487/05; заявл. 16.06.2011; опубл. 27.04.2012. Бюл. 12. 2 с. Режим доступа: https://fips.ru/registers-doc-view/fips_servletKaraeva Yu. V., Khalitova G. R., Trakhunova I. A. Installation of anaerobic processing of organic waste: Utility model for patent RF no. 115350. 2012. URL: https://fips.ru/registers-doc-view/fips_servletLindmark J., Thorin E., Fdhila R. B., Dahlquist E. Effects of mixing on the result of anaerobic digestion: Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;40:1030–1047. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.182Lindmark J., Thorin E., Fdhila R. B., Dahlquist E. Effects of mixing on the result of anaerobic digestion: Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;40:1030–1047. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.182Качан Ю. Г., Курис Ю. В., Левицкая И. Н. Процессы перемешивания субстрата в реакторе биогазовой установки. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2009;2(4(38)):4–8. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23126841 EDN: TMCFAVKachan Yu. G., Kuris Yu. V., Levitskaya I. N. Substrate mixing processes in a biogas plant reactor. Vostochno-Evropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy = Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2009;2(4(38)):4–8. (In Ukraine). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23126841Conti F., Saidi A., Goldbrunner M. Numeric simulation-based analysis of the mixing process in anaerobic digesters of biogas plants. Chemical Engineering & Technology. 2020;43(8):1522–1529. DOI: https://doi.org/10.1002/ceat.201900650Conti F., Saidi A., Goldbrunner M. Numeric simulation-based analysis of the mixing process in anaerobic digesters of biogas plants. Chemical Engineering & Technology. 2020;43(8):1522–1529. DOI: https://doi.org/10.1002/ceat.201900650Karim K., Hoffmann R., Klasson T., Al-Dahhan M. H. Anaerobic digestion of animal waste: waste strength versus impact of mixing. Bioresourse Technology. 2005;96(16):1771–1781. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.01.020Karim K., Hoffmann R., Klasson T., Al-Dahhan M. H. Anaerobic digestion of animal waste: waste strength versus impact of mixing. Bioresourse Technology. 2005;96(16):1771–1781. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.01.020Шаяхметов Р. Г. Опыт применения программного комплекса ANSYS для моделирования процессов перемешивания животноводческих стоков в биореакторах. Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2016;(4(24)):176–180.Shayakhmetov R. G. Experience of ANSYS software using for livestock runoff’s mixing processes modeling. Vestnik Vserossiyskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizatsii zhivotnovodstva. 2016;(4(24)):176–180. (In Russ.).Ямпилов С. С., Кобякова Е. Н., Друзьянова В. П. Обоснование применения перемешивающего устройства в биогазовой установке для малых животноводческих хозяйств. Вестник ВСГУТУ. 2014;(4):13–19. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21988009 EDN: SNEGKNYampilov S. S., Kobyakova E. N., Druzyanova V. P. A rationale for the mixer in biogas plants for small livestock farms. Vestnik VSGUTU = The Bulletin of ESSTUM. 2014;(4):13–19. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21988009Wiedemann L., Conti F., Saidi A., Sonnleitner M., Goldbrunner M. Modeling mixing in anaerobic digesters with computational fluid dynamics validated by experiments. Chemical Engineering Technology. 2018;41(11):2101–2110. DOI: https://doi.org/10.1002/ceat.201800083Wiedemann L., Conti F., Saidi A., Sonnleitner M., Goldbrunner M. Modeling mixing in anaerobic digesters with computational fluid dynamics validated by experiments. Chemical Engineering Technology. 2018;41(11):2101–2110. DOI: https://doi.org/10.1002/ceat.201800083Рубцов А. А., Заушинцена А. В. Технология получения органического удобрения из отходов животноводства. Аграрная наука –сельскохозяйственному производству Сибири, Монголии, стран СНГ и BRICS: сб. научн. докл. XXV юбилейного международного научно-практического форума (г. Новосибирск, 29 ноября 2022 г.). Новосибирск: СФНЦА РАН, 2023. C. 62–64.Rubtsov A. A., Zaushintsena A. V. The technology of obtaining organic fertilizer from animal husbandry waste. Agricultural Science to agricultural production of Siberia, Mongolia, CIS countries and BRICS: collection of scientific reports of the XXV anniversary International Scientific and Practical Forum (Novosibirsk, November 29, 2022). Novosibirsk: SFNTsA RAN, 2023. pp. 62–64.Vavilin V. A., Angelidaki I. Anaerobic degradation of solid material: importance of initiation centers for methanogenesis, mixing intensity, and 2D distributed model. Biotechnology and Bioengineering. 2005;89(1):113–122. DOI: https://doi.org/10.1002/bit.20323Vavilin V. A., Angelidaki I. Anaerobic degradation of solid material: importance of initiation centers for methanogenesis, mixing intensity, and 2D distributed model. Biotechnology and Bioengineering. 2005;89(1):113–122. DOI: https://doi.org/10.1002/bit.20323Vavilin V. A., Lokshina L. Y., Flotats X., Angelidaki I. Anaerobic digestion of solid material: multidimensional modeling of continuous-flow reactor with nonuniform influent concentration distributions. Biotechnology and Bioengineering. 2007;97(2):354–366. DOI: https://doi.org/10.1002/bit.21239Vavilin V. A., Lokshina L. Y., Flotats X., Angelidaki I. Anaerobic digestion of solid material: multidimensional modeling of continuous-flow reactor with nonuniform influent concentration distributions. Biotechnology and Bioengineering. 2007;97(2):354–366. DOI: https://doi.org/10.1002/bit.21239Keshtkar A., Meyssami B., Abolhamd G., Ghaforian H., Khalagi Asadi M. Mathematical modeling of nonideal mixing continuous flow reactors for anaerobic digestion of cattle manure. Bioresource Technology. 2003;87(1):113–124. DOI: https://doi.org/10.1016/s0960-8524(02)00104-9Keshtkar A., Meyssami B., Abolhamd G., Ghaforian H., Khalagi Asadi M. Mathematical modeling of nonideal mixing continuous flow reactors for anaerobic digestion of cattle manure. Bioresource Technology. 2003;87(1):113–124. DOI: https://doi.org/10.1016/s0960-8524(02)00104-9Huber B., Krebs G. J., Putra L. A., Gaderer M. Positioning a measurement system for determining the mixing quality in biogas digesters. Chemical Engineering & Technology. 2023;46(10):2154–2166. DOI: https://doi.org/10.1002/ceat.202300241Huber B., Krebs G. J., Putra L. A., Gaderer M. Positioning a measurement system for determining the mixing quality in biogas digesters. Chemical Engineering & Technology. 2023;46(10):2154–2166. DOI: https://doi.org/10.1002/ceat.202300241Kress P., Nagele H.-J., Lemmer A., Kolb B. Flow velocities and flow profiles in a thoroughly mixed biogas fermenter. LANDTECHNIK. 2020;75(2):35–50. DOI: https://doi.org/10.15150/lt.2020.3230Kress P., Nagele H.-J., Lemmer A., Kolb B. Flow velocities and flow profiles in a thoroughly mixed biogas fermenter. LANDTECHNIK. 2020;75(2):35–50. DOI: https://doi.org/10.15150/lt.2020.3230Кононов В. Н., Рубцов А. А. Биореактор модульный: пат. № 2747414 Российская Федерация. № 2020122799: заяв. 03.07.2020; опубл. 04.05.2021. Бюл. № 13. 9 с. Режим доступа: https://fips.ru/registers-doc-view/fips_servletKononov V. N., Rubtsov A. A. Modular bioreactor: Patent RF no. 2747414. 2021. URL: https://fips.ru/registers-doc-view/fips_servletБрагинский Л. Н., Бегачёв В. И., Барабаш В. М. Перемешивание в жидких средах: физические основы и инженерные методы расчета. Л.: Химия, 1984. 336 с. Режим доступа: https://www.studmed.ru/braginskiy-lnperemeshivanie-v-zhidkih-sredah_1736bb6c817.html?ysclid=lpl49sgvv4707714778Braginskiy L. N., Begachev V. I., Barabash V. M. Mixing in liquid media: physical foundations and engineering calculation methods. Leningrad: Khimiya, 1984. 336 p. URL: https://www.studmed.ru/braginskiy-lnperemeshivanie-v-zhidkih-sredah_1736bb6c817.html?ysclid=lpl49sgvv4707714778Барабаш В. М., Абиев Р. Ш., Кулов Н. Н. Обзор работ по теории и практике перемешивания. Теоретические основы химической технологии. 2018;52(4):367–383. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040357118040024 EDN: XWLKMXBarabash V. M., Abiev R. Sh., Kulov N. N. Theory and practice of mixing: a review. Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii. 2018;52(4):367–383. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.1134/S0040357118040024Барабаш В. М., Бегичев В. И., Белевицкая М. А., Смирнов Н. Н. Проблемы и тенденции развития теории и практики перемешивания жидких сред. Теоретические основы химической технологии. 2007;41(2):140–147. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9495369 EDN: HFAFQMBarabash V. M., Begichev V. I., Belevitskaya M. A., Smirnov N. N. Problems and trends in the development of the theory and practice of mixing of fluid media. Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii. 2007;41(2):140–147. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9495369Карпушкин С. В., Краснянский М. Н., Афанасьева Н. Н. Система выбора конструкции механического перемешивающего устройства вертикального емкостного аппарата. Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2005;11(2):423–231. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11897394EDN: KAJCYTKarpushkin S. V., Krasnyanskiy M. N., Afanas'eva N. N. The system of selecting design of a mechanical mixing unit of a vertical vessels. Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2005;11(2):423–231. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11897394

The authors declare that there are no conflicts of interest present.