Физическая имитационная модель для исследования компостирования
PHYSICAL SIMULATION MODEL FOR COMPOSTING RESEARCH

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано при натурных исследованиях тепло-массообменных, микробиологических, физико-химических, биохимических процессов, определяющих биотехнологию получения биокомпостов из органического сырья методом твердофазного экзотермического биоокисления (компостирования). Устройство может быть также использовано для оценки качества биокомпостов и проведения исследований скорости биоразложения органического сырья в аэробных условиях путем замера динамического индекса респирации.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности исследований и достоверности полученных результатов при компостировании сильно гетерогенных органических материалов с содержанием сухого вещества более 20% (мас.) за счет достаточно высокой точности поддержания режима самонагревания и исключения необходимости увеличения объема исследуемого материала и размеров установки.
В работе производственных объектов основным критерием, характеризующим эффективность их функционирования, является срок компостирования, определяемый как время достижения стабильности органического вещества отходов. Стабильность обычно относится к устойчивости органического вещества к биоразложению. Высокое содержание легко разлагаемых органических соединений означает низкую биологическую стабильность. Стабильность можно оценить путем измерения потребления кислорода и образования углекислого газа, а также изменения температуры при испытании на самонагревание. Такие испытания позволяют косвенно оценить потенциальный риск микробиологического самонагревания, образования запаха, привлечения переносчиков инфекционных болезней и т.д.
В исследовательской практике, а также при проектировании и эксплуатации объектов компостирования биоорганических отходов (например, пищевых и агроотходов, механически сортированной органической фракции твердых коммунальных отходов, обезвоженного осадка сточных вод) существует необходимость в физическом моделировании технологических условий переработки биоорганических отходов и получения компостов с заданными свойствами в установках сравнительно небольших размеров, что позволяет экономить материальные и трудовые ресурсы. Вместе с тем, на таких моделях возможно проведение натурных экспериментов для исследования кинетики роста микроорганизмов и материально-энергетического баланса с целью прогнозирования сроков переработки, материальных затрат и качества готового продукта.
3
3
Сложность физического моделирования компостирования заключается в необходимости использования больших объемов субстрата (не менее 1,3 м) для воспроизведения схожих для промышленных объемов тепло-массообменных процессов, обусловленных самонагреванием субстрата. При небольших объемах (10-30 дм) воспроизвести в точности явление самонагревания достаточно проблематично из-за сложно прогнозируемых теплопотерь в окружающую среду, которые необходимо в точности компенсировать за счет принудительного нагревания образца материала. Вследствие серьезного различия в температуре самонагревания в лабораторной и производственной установке или бурте наблюдается существенное отличие и в микробном сообществе, являющемся основной движущей силой биодеградации, что, в свою очередь, обусловливает различия в биохимических и физико-химических реакциях. Вместе с тем, использование малых объемов исследуемого материала дает возможность увеличить количество параллельных экспериментов, повысить точность измерений исследуемых величин и в целом повысить производительность работ и качество результатов.
Известна лабораторная установка (патент на полезную модель РФ RU 174038 U1) для исследования способности к биоразложению органических материалов в анаэробных условиях, включающая инкубационную камеру с герметичной крышкой, газоизмерительную систему, содержащую напорный сосуд с жидкостью.
Известна лабораторная установка для испытания образцов строительных материалов на биостойкость в модельных средах (патент на полезную модель RU 151772 U1), включающая в себя испытательную емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию микроорганизмов с установленными в донной части установки образцами, погруженными в модельную среду, при этом испытательная емкость выполнена с теплозащитным кожухом и снабжена кассетой, установленной в ее донной части и выполненной в виде емкости с двойным дном, в испытательной емкости установлены датчик температуры и рН-электрод, погруженные в модельную среду, установка снабжена электронным блоком управления, осуществляющим запись и регулирование основных параметров среды.
Известна также установка для определения показателей самовозгорания твердых дисперсных материалов (патент на изобретение RU 2 633 653 C2) содержащая многокамерный термостат, в камеры которого помещаются образцы испытуемого материала, контрольно-измерительная автоматическая система термостатирования камер обеспечивает проведение опыта при заданной температуре и измерение величины разогрева, при этом осуществляется контроль газового состава в слое дисперсного материала и в свободном пространстве каждой камеры, причем все камеры обеспечены штуцерами для отбора пробы их атмосферы по теплоизолированным линиям, содержащим фильтр-ловушку, газоанализатор и микрокомпрессор для возврата пробы газа в камеру.
Недостатками указанных конструкций является невозможность динамичного поддержания температуры самонагревания образца материала, а также отсутствие технической возможности для аэрации.
Наилучшим образом отвечают поставленным условиям существующие конструкции установок компостирования. Так, наиболее близким к заявляемому устройству является корпус установки компостирования с возможностью контроля и поддержания режимов работы (патент на полезную модель RU №193511 U1), содержащая корпус, сообщенный посредством воздуховода с воздуходувкой и снабженный рубашкой обогрева, двойным дном, электронное устройство ввода, обработки, вывода и хранения информации, измеритель-регулятор температуры, измеритель-регулятор скорости потока воздуха и газоанализатор, снабженный датчиками кислорода, углекислого газа, аммиака, сероводорода и метана, причем измеритель-регулятор температуры соединен с датчиком для измерения температуры, воздуходувка имеет электропривод с частотным преобразователем и снабжена датчиком скорости потока воздуха, соединенным с измерителем-регулятором скорости потока воздуха.
Основным недостатком данного устройства является невозможность уменьшения размеров ее корпуса до лабораторных масштабов, и связанная с этим необходимость производить испытания большого объема материала для точного воспроизведения самонагревания.
Целью настоящего изобретения является повышение точности замеров и достоверности полученных результатов при исследовании биодеградации сильно гетерогенных органических материалов с высоким содержанием сухого вещества (более 20% мас.) за счет высокой точности поддержания режима самонагревания и исключения необходимости увеличения объема испытуемого отхода и размеров установки.
Поставленная цель достигается тем, что физическая имитационная модель для исследования компостирования, согласно изобретению,  дополнительно  содержит съемную реакционную камеру цилиндрической формы из теплопроводного материала с двойным перфорированным дном и подключенным к полости двойного дна воздуховодом, а в внутри реакционной камеры установлен датчик температуры, соединенный с измерителем-регулятором температуры, обладающим функцией выравнивания температуры рубашки обогрева с температурой внутри реакционной камеры, при этом воздуховод снабжен съемным устройством твердофазной микроэкстракции и фильтром-влагоотделителем, подключенным к устройству возврата конденсата в реакционную камеру.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 – общий вид устройства, фиг. 2 – динамика температуры реакционной камеры и рубашки обогрева.
Физическая имитационная модель для исследования компостирования, фиг. 1, содержащая корпус 1, установленный на электронных весах 2, снабженный рубашкой обогрева 3 и съемной реакционной камерой 4 цилиндрической формы из теплопроводного материала с двойным перфорированным дном 5 и подключенным к полости двойного дна воздуховодом 6 соединенным со стороной разряжения воздуходувки 7, электронное устройство ввода, обработки, вывода и хранения информации 8, измеритель-регулятор температуры 9, измеритель-регулятор скорости потока воздуха 10 и газоанализатор 11, снабженный датчиками 12 кислорода, углекислого газа, аммиака, сероводорода и метана. Измеритель-регулятор температуры, обладающий функцией выравнивания температуры рубашки обогрева с температурой внутри реакционной камеры, соединен с датчиком измерения температуры рубашки обогрева 13, датчиком температуры внутри реакционной камеры 14 и рубашкой обогрева корпуса. Воздуходувка имеет электропривод с частотным преобразователем 15 и снабжена датчиком скорости потока воздуха 16, соединенным с измерителем-регулятором скорости потока воздуха. Воздуховод снабжен съемным устройством твердофазной микроэкстракции 17 и фильтром-влагоотделителем 18, подключенным к устройству 19 возврата конденсата в реакционную камеру. Электронное устройство ввода, обработки, вывода и хранения информации снабжено электронными каналами связи с измерителем-регулятором температуры, измерителем-регулятором скорости потока воздуха, газоанализатором и электронными весами.
Физическая имитационная модель для исследования компостирования работает следующим образом. Компостируемый материал с содержанием сухого вещества более 20% (мас.) (далее – субстрат), например, биоорганические отходы такие как: сельскохозяйственные отходы, пищевые отходы, механически сортированная органическая фракция твердых коммунальных отходов, обезвоженный осадок сточных вод и углеродосодержащий наполнитель смешиваются, измельчаются до размеров не более 10 мм и помещаются в реакционную камеру 4. В геометрический центр субстрата помещается датчик температуры 14. Реакционная камера с субстратом устанавливается в корпус 1, имеющий отверстие в боковой стенке для впуска атмосферного воздуха внутрь корпуса. Воздуходувка 7 включается в работу либо периодически, либо непрерывно, в зависимости от установленной программы с помощью электронного устройства ввода, обработки, вывода и хранения информации 8 и измерителя-регулятора скорости потока воздуха 10 в зависимости от температуры субстрата, газового состава его атмосферы, измеряемой с помощью газоанализатора 11, снабженного датчиками 12 кислорода, углекислого газа, аммиака, сероводорода и метана. Воздуходувка 7 создает разряжение в полости второго дна 5, атмосферный воздух под действием разряжения, поступает через отверстие в стенке внутрь корпуса 1 и проходит между корпусом и реакционной камерой 4, при этом нагревается до температуры субстрата в реакционной камере. Далее, нагретый воздух поступает внутрь реакционной камеры через отверстие в ее крышке и затем фильтруется в вертикальном направлении через пористый субстрат в полость двойного дна 5. Таким образом, предотвращаются теплопотери на нагрев аэрирующего воздуха.
2
3
4
2
Поступая в субстрат воздух смешивается с газообразными веществами, такими как СО, NH, CH, HS, летучими органическими соединениями (ЛОС), а также насыщается водяными парами. В результате микробного дыхания из воздуха частично или полностью поглощается кислород. Воздушно-газовая смесь из пространства двойного дна 5 поступает через воздуховод 6 в фильтр-влагоотделитель 18 в котором влага конденсируется и далее осушенная воздушно-газовая смесь проходит по воздуховоду через датчики 12 кислорода, углекислого газа, аммиака, сероводорода и метана, а также через съемное устройство твердофазной микроэкстракции 17, далее проходит через датчик скорости потока воздуха 16 поступает на сторону разряжения воздуходувки 7 и выпускается в атмосферу или направляется на очистку.
В полость второго дна 5 также поступает фильтрат из субстрата, выделяющийся в результате гравитационного отжима. Фильтрат под действием разряжения по воздуховоду 6 поступает в фильтр-влагоотделитель 18 из которого вместе с конденсатом возвращается в реакционную камеру 4 с помощью устройства 19, например, представленного перистальтическим насосом.
Сигналы с датчиков газов 12 передаются на газоанализатор 11, обрабатываются и в виде электронных данных значений концентрации измеряемых газов передаются по электронной линии связи на электронное устройство ввода, обработки, вывода и хранения информации 8.
В субстрате при компостировании последовательно развивается мезофильная и термофильная микробиота, активная жизнедеятельность которой приводит к разложению органических соединений на углекислый газ и воду при этом выделяется тепловая энергия и температура субстрата повышается с начальных 15-20 ºС до 60-80 ºС за 4-7 сут. Повышение температуры субстрата в реакционной камере на установленное значение, например, на 1 ºС, приводит к отличию ее от температуры в рубашке обогрева 3, вследствие чего измеритель-регулятор температуры 9 включает рубашку обогрева до выравнивания температуры в корпусе и субстрате, рис. 2. Далее, температура в рубашке обогрева повышается еще на 1-2 ºС за счет тепловой инертности рубашки обогрева, а затем опускается до значения температуры субстрата. При дальнейшем понижении температуры в рубашке обогрева за счет теплопроводности в окружающую среду, цикл включения-выключения рубашки обогрева повторяется. Таким образом, компенсируются потери тепла из субстрата на конвекцию, испарение влаги, теплопроводность стенок реакционной камеры и корпуса.
Съемное устройство твердофазной микроэкстракции 17, например, в виде волоконного аппликатора на основе полидиметилсилоксана, используется для отбора проб воздушно-газовой смеси для адсорбции летучих органических соединений и последующей десорбции в испарителе газового хроматографа с целью определения состава и концентрации ЛОС.
Потеря массы субстрата, обусловленная оттоком фильтрата, испарением влаги и разложением органического вещества, непрерывно контролируется с помощью электронных весов 2, на которые установлен корпус 1 устройства. Данные измерений массы передаются по электронному каналу связи на электронное устройство ввода, обработки, вывода и хранения информации 8.
По завершению компостирования субстрат выгружается из реакционной камеры.
3
3
Таким образом, предлагаемое устройство, позволяет с высокой точностью физически моделировать компостирование органического сырья в производственной установке или бурте. При этом объем исследуемого материала может быть уменьшен с 1,3-1,5 м до 8-12 дм при сохранении температурных условий для микробиологической деятельности.