КИНЕТИКА МЕТАНОВОГО СБРАЖИВАНИЯ В РЕАКТОРАХ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКОЙ Жумагажинов А.Т. – аспирант, Федянин В. Я. – д.т.н., профессор Республика Казахстан, г. Семей, Государственный университет им. Шакарима РФ, Алтайский край, г. Барнаул ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» Для описания микробиологических процессов наиболее часто приводится система уравнений, основанных на зависимостях Михаэлиса-Ментен и Моно [1–4]. Скорость роста общей (недифференцированной по микроорганизмам) биомассы определяется уравнением: , (1) где X – концентрация активной биомассы, кг (БВБ)/м3 (БВБ – беззольное вещество биомассы); μ – удельная скорость роста, сут.-1; b – удельная скорость отмирания биомассы, сут.-1 Удельная скорость роста зависит от концентрации субстрата по уравнению Моно: , (2) где μm – максимальная удельная скорость роста, сут.-1; S – концентрация субстрата, кг ХПК/м3 (ХПК – величина химического потребления кислорода); Ks – константа сродства субстрата S к биомассе X, кг ХПК/м3. Скорость убыли субстрата: , (3) где – экономический коэффициент, кг БВБ/кг ХПК. Этот коэффициент показывает, какая часть разложившегося субстрата непосредственно превращается в клеточную биомассу. Система уравнений (1), (2), (3) не учитывает полисубстратность органических веществ (ОВ) и многовидовой состав микрофлоры. Введем безразмерные переменные и параметры: , (4) где Sвх – концентрация субстрата, загружаемого в метантенк. Тогда исходные уравнения могут быть представлены в следующем виде: , (5) . (6) Несмотря на сложность компонентного состава сбраживаемых органических веществ, который часто неизвестен, существует достаточно простое соотношение между количеством распавшегося органического вещества и количеством метана, который может при этом образоваться. Это связано с тем, что процесс метанового брожения протекает в отсутствии свободного кислорода, а значит при неизменной общей массе ХПК системы, распределяющейся на ХПК метана и ХПК образовавшейся биомассы микроорганизмов. Из этого следует: , (7) где – объем образовавшегося метана (при нормальных условиях) в расчете на 1 м3 исходного субстрата, м3 CH4/м3; Хпкб – ХПК от массы беззольного органического вещества микроорганизмов; – выход метана в расчете на один кг ХПК, м3 CH4/кг ХПК, – суммарная концентрация биомассы (активная + отмершая). Исходя из эмпирической брутто-формулы анаэробной биомассы C5H9O3N [8] легко получить величину . Образование одного моля метана соответствует уменьшению ХПК на 64 г. Отсюда м3 CH4/кг ХПК. Используя результаты решения системы дифференциальных уравнений (5), (6) и уравнения (7) получим теоретическую зависимость выхода метана в условиях, для которых проводились соответствующие эксперименты по определению практического предела сбраживания отходов КРС (линия 1) и свиней (линия 2) (рисунок 1). Из данного рисунка видно, что расчетные зависимости хорошо согласуются с результатами экспериментов [5]. Условия проведения процессов: КРС: Хпкs=1.4 [7], Sвх = 63 кг ХПК/м3, T=30˚C; Свиньи: Хпкs=1.2 [7], Sвх = 36 кг ХПК/м3, T=30˚C. Кинетические параметры выбирались в соответствии с рекомендациями, изложенными в технической литературе: b=0.03 сут-1, =0.18 кг БВБ/кг ХПК, [8], μm =0.261 сут-1 [6]. В связи с тем, что часть исходного органического вещества представляет собой лигнино-гумусовый комплекс, который в газообразовании не участвует, практический предел сбраживания выбирался с учетом рекомендаций [6]: - для отходов КРС Rl = 0.656; - для отходов свиней Rl = 0.761. Константы Ks уточнялись из условия наилучшего согласования с результатами экспериментов и составили: - для отходов КРС Ks = 270 кг ХПК/м3; - для отходов свиней Ks = 130 кг ХПК/м3. Рисунок 1 - Выход метана при длительном сбраживании отходов КРС (1) и свиней (2) Выводы. Хорошее согласование теоретических кривых с результатами экспериментов свидетельствует о том, что простая моносубстратная кинетическая модель может удовлетворительно описывать выход метана в анаэробных процессах. Список использованных источников: 1. Заварзин Г. А. Трофические связи в метаногенном сообществе // Известия АН СССР. Сер. : Биология. – 1986. – №3. – С. 341–360. 2. Гюнтер Л. И. Метантенки / Л. И. Гюнтер, Л. Л. Гольдфарб – М. : Стройиздат, 1991. – 128 с. 3. Васильев В. Б. Имитационная модель анаэробного разложения органических веществ сообществом микроорганизмов. Основные уравнения / В. Б. Васильев, В. А. Вавилин, С. В. Рытов, А. В. Пономарев // Водные ресурсы. – 1993. – Т. 20. – № 6. – С. 714–725. 4. Заварзин Г. А. Моделирование метаногенного сообщества / Г. А. Заварзин, В. В. Калашников, В. В. Кевбрин, С.Т. Петров // Известия академии наук СССР. Серия биологическая. – 1990. – № 1. 5. Баадер И. Биогаз: теория и практика / И. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер ; пер. с нем. с пред. М. И. Серебрянного. – М. : Колос, 1982. – 148 с. 6. Гюнтер Л. И. Метантенки / Л. И. Гюнтер, Л. Л. Гольдфарб. – М. : Стройиздат, 1991. – 128 с. 7. Маринин В. Д. Экономические проблемы использования безотходных технологий. – М. : НИИУ, 1992 8. Калюжный С. В. Анаэробная биологическая очистка сточных вод / С. В. Калюжный, Д. А. Данилович, А. Н. Ноженкова // Итоги науки и техники. Сер.: Биотехнология. – М. : ВИНИТИ, 1991. – Т. 29. – С. 156. |