Перемешивание биомассы в биореакторе получения биогаза

УДК 66-931

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ БИОМАССЫ В БИОРЕАКТОРЕ ПОЛУЧЕНИЯ

БИОГАЗА*

Суслов Денис Юрьевич

к.т.н., доцент кафедры Теплогазоснабжения и вентиляции Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Россия, город Белгород

Аннотация: Работа посвящена анализу систем перемешивания биомассы в биогазовых установках. Рассмотрены конструктивные особенности и область применения систем перемешивания различных видов. Установлено, что применение комбинированных систем перемешивания позволяет добиться более равномерного распределения частиц биомассы и температуры по всему объему биореактора и значительно повысить эффективность удельный выход биогаза.

Ключевые слова: биогаз, биореактор, биомасса, перемешивание.

MIXING THE BIOMASS IN THE BIOREACTOR BIOGAS*

Denis Yu. Suslov

Docent Department of Gas Heating Supply and Ventilation Belgorod Shukhov State Technological University Belgorod, Russia

Abstract: This paper is devoted to the analysis of systems of mixing biomass in biogas plants. Design features and scope of various types of mixing systems. It was found that the use of combined systems mixing allows for a more uniform particle distribution of biomass and temperature throughout the volume of the bioreactor and significantly increases the effectiveness of the specific yield of biogas.

Keywords: biogas, bioreactor, biomass, mixing.

Важным условием активного анаэробного сбраживания органического субстрата в биореакторе является перемешивание, обеспечивающее постоянный контакт микрофлоры с питательной средой [1, 2]. При этом выравнивание распределений взвешенных органических частиц, концентрации питательных веществ и температуры способствует интенсификации биохимических процессов образования биогаза.

В биогазовых установках применяют следующие системы перемешивания [3...5]:

- гидравлический;

- механический;

- барботажный;

- комбинированный.

Гидравлический метод перемешивания заключается в рециркуляции бродильной массы из одной части биореактора в другую (рис.1). Преимуществом данной системы является отсутствие внутри реактора движущихся частей, что упрощает условия эксплуатации. Но гидравлические системы эффективны лишь в установках, работающих на очень жидких субстратах, не склонных к образованию корки и скоплению осадка.

Рис. 1. Гидравлическая система перемешивания Механическое перемешивание производится с помощью применения мешалок, рабочими органами которых являются шнеки и лопасти, приводимые в действие от двигателя или вручную. Для перемешивания биомассы применяют следующие системы: многолопастная; пропеллерная погружная и лопастная системы (рис. 2).

в

Рис. 2. Механические системы перемешивания: а - мешалка со многими лопастями; б - пропеллерная погружная; в - лопастная.

Мешалка со многими лопастями (рис. 2, а) используется чаще всего для перемешивания в горизонтальных реакторах [4]. Конструктивно они представляют собой горизонтальный вал с лопастями или загнутыми трубами, расположенный по всей длине реактора. При вращении вала сырье перемешивается, предотвращая образование корки, при этом происходит продвижение биомассы к выходному патрубку в виде пробки (идеального вытеснения), что эффективно для гигиенизации процесса. Применение в качестве рабочих органов трубок, по которым протекает горячая вода, позволяет также производить подогрев бродильной массы.

Погружная пропеллерная система перемешивания (рис. 2, б) применяется в основном в вертикальных цилиндрических реакторах [6]. Представляет собой пропеллер с двигателем, находящимся в водонепроницаемой оболочке и установленным на штатив. При работе осуществляется вертикальное движение биомассы, а изменение высоты расположения мешалки позволяет избежать образования корки. Недостатком данной системы является малый объем перемешивания, что требует установки двух и более перемешивающих устройств, при этом область применения погружных двигателей ограничивается температурным режимом до 40 0С.

Лопастная система перемешивания (рис. 2, в) состоит из двигателя, размещенного снаружи реактора и удлиненного вала с лопастями. Данная система может быть вертикальной, закрепленной на верхнем основании реактора, но чаще применяется диагонально расположенная мешалка, входящая через верхнюю часть боковой стенки реактора. При этом вал мешалки может изменять угол наклона, что позволяет перемешивать больший, по сравнению с погружной системой, объем биомассы.

Существенным недостатком механических перемешивающих систем является ограниченная зона перемешивания, что требует установки двух и более мешалок.

Барботажное перемешивание осуществляется путем подачи получаемого биогаза в биореактор с помощью побудителя тяги и системы трубопроводов, расположенных в нижней части биореактора (рис. 3).

При барботажном перемешивании происходит отделение мелких пузырьков газа от метаногенных микроорганизмов, что облегчает их контакт с питательным субстратом [6]. Кроме того, согласно работе [3], при барботажном перемешивании в биореакторе повышается концентрация растворенного углекислого газа, который, являясь акцептором водорода, снижает его парциальное давление и тем самым улучшает условия жизнедеятельности

Комбинированные системы перемешивания содержат два и более способа перемешивания, которые работают одновременно, что ведет к повышению энергетических затрат. Однако применение комбинированных систем перемешивания позволяет добиться более равномерного распределения частиц биомассы и температуры по всему объему биореактора и значительно повысить эффективность удельный выход биогаза.

*Работа выполнена в рамках реализации стипендии Президента Российской Федерации СП -1716.2015.1.

Список литературы:

1. Костромин, Д.В. Анаэробная переработка органических отходов живтноводства в биореакторе с барботажным перемешиванием: дис... канд. техн. наук:05.20.01/ Костромин Денис Владимирович. - Йошкар-Ола, 2010. - 183 с.

2. Веденеев, А.Г., Веденева, Т.А. - Б.: Руководство по биогазовым технологиям. - «ДЭМИ», 2011. - 84 с.

3. Гюнтер, Л.И. Метантенки / Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфраб - М.: Стройиздат, 1991. - 128 с.,

ил.

4. Эдер Б., Шульц Х. Биогазовые установки / перевод с нем. компании «Zorg Biogas»: 2008. 268 с.

5. Karim, K., Klasson, K. T., Hoffmann, R., Drescher, S. R., DePaoli, D. W., and Al-Dahhan, M. H., 2005. Anaerobic digestion of animal waste: Effect of mixing. Bioresource Technology, 96(14): 16071612.

6. Суслов Д.Ю., Темников Д.О. Тепловой баланс биореактора с барботажным перемешиванием биомассы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. №1. С.182-185.