Подбор мешалки и оптимизация процесса перемешивания субстрата в ферментере биогазовой установки

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.

1. Руководство 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.pdf

2. Шаяхметов 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: RBVFMX

3. Веденев 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=lpl488nbcd833612647

4. Rico 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.201100010

5. Суслов 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: VKMIHV

6. Караева 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: PTUICZ

7. Караева 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_servlet

8. Lindmark 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.2014.07.182

9. Качан 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: TMCFAV

10. Conti 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.201900650

11. Karim 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.2005.01.020

12. Шаяхметов 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.

13. 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: SNEGKN

14. Wiedemann 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.201800083

15. Рубцов 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.

16. 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.20323

17. Vavilin 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.21239

18. Keshtkar 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)00104-9

19. Huber 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.202300241

20. Kress 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.2020.3230

21. Кононов 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_servlet

22. Брагинский 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=lpl49sgvv4707714778

23. Барабаш 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: XWLKMX

24. Барабаш 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: HFAFQM

25. Карпушкин 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: KAJCYT