Автореферат: Повышение эффективности очистки газов при переработке навоза крупного рогатого скота с разработкой биофильтра

. (10)

Проницаемость пористой среды зависит от потерь давления газового потока, физических свойств пористого материала и скорости фильтрации.

Коэффициент проницаемости определяется из выражения (3)

. (11)

В расчетах учитывается, что использование закона Дарси возможно только при ламинарном потоке движения газа, характеристикой при этом может служить число Рейнольдса (Re), которое не должно превышать некоторого критического значения Re_кр>Re.

Для определения критического значение числа Рейнольдса, может быть использована формула, предложенная В.Н. Щелкачевым

, (12)

где - критическая скорость потока, м/с; m - пористость.

Определяя экспериментально, пористость фильтрующего материала и значения потерь давления, а также рассчитав коэффициент проницаемости, критическая скорость движения газа в порах определяется согласно выражению

. (13)

После установления минимального времени фильтрации и критической скорости газового потока в порах, определяем минимальную высоту фильтрующего материала для обеспечения минимально заданного уровня эффективности, по формуле

. (14)

Следующим этапом работы биофильтра является процесс сорбции газа, который включает в себя процесс адсорбции пористым фильтрующим материалом и абсорбции жидкостной пленкой на поверхности твердых частиц.

Механизм процесса адсорбции газов, пористым фильтрующим материалом, представляется следующим образом. Газы, с начальной концентрацией с поглощаемого вещества, поступают в фильтрующий материал высотой , рисунок 1 а, по мере движения через материал, газы частично поглощаются и их концентрация снижается рисунок 1 б.

а) б)

Рисунок 1. Зависимость концентрации от высоты фильтрующего материала в процессе адсорбции

Количество вещества, поглощаемого в процессе адсорбции, определяется из выражения

, (15)

где а_d - удельная площадь поверхности диффузии, м^-1; J - плотность диффузионного потока, моль/м²·с; - объем фильтрующего материала, используемого как адсорбента, м³; - время контакта газа с порами фильтрующего материала, с.

Удельная площадь поверхности диффузии а_d, которая зависит от пористости фильтрующего материала и размера его частиц, определяется по формуле

, (16)

где ц - отношение эквивалентной площади поверхности сферы к ее фактической площади; R - эквивалентный радиус сферы, м.

Плотность диффузионного потока в формуле (15) представляет собой значение количества вещества, переносимого путем диффузии в единицу времени через единицу площади поверхности в направлении максимального градиента концентрации .

Данная величина определяется в соответствии с законом Фика

, (17)

где D - коэффициент диффузии, м²/с.

Знак «-» в выражении (17) показывает, что перенос происходит в направлении уменьшения градиента концентрации.

В виду того, что в пористой структуре газы движутся в свободных полостях - поровых каналах, расстояние, которое преодолевают молекулы газа, больше высоты фильтрующего материала, тогда выражение (17) запишется в виде

, (18)

где D_П - коэффициент диффузии газов в порах фильтрующего материала, м²/с; - площадь поперечного сечения диффузионного потока на единице сечения материала; - истинная длина поровых каналов, м, определяемая соотношением, где k - коэффициент извилистости пор.

Площадь поперечного сечения диффузионного потока прямопропорционально зависит от пористости и обратно пропорциональна коэффициенту извилистости пор , тогда выражение (18) запишется в виде

. (19)

Коэффициент диффузии газов в порах D_П, определяется согласно выражению

, (20)

где - средний радиус пор, м; - средняя скорость молекулы, м/с; D₀ - коэффициент диффузии газа при давлении P₀ = 0,1 МПа, температуре Т₀=273 К. При изменении температуры и давления, коэффициент диффузии газа определяется по формуле

. (21)

Таким образом, подставляя выражения (16), (19), (20), в выражение (15) получаем

. (22)

Следующим этапом сорбционного процесса является абсорбция, при которой количество поглощаемого вещества, определяется аналогично выражению (15)

, (23)

где а - удельная поверхность абсорбционного слоя, м^-1; J_абс - плотность диффузионного потока при абсорбции, моль/м²·с; - объем абсорбционного слоя, м³; - время фильтрации при абсорбции, с.

Плотность диффузионного потока при абсорбции определяется с использованием закона Фика, аналогично выражению (18)

, (24)

где D_a - коэффициент диффузии при абсорбции м₂/с; F - площадь поверхности абсорбции к единицы сечения абсорбционного слоя; - высота абсорбционного слоя, м.

Для определения коэффициента диффузии газа в жидкости при нормальных условиях используется формулу Арнольда

, (25)

где м - вязкость жидкости, мПа·с; А и В-поправочные коэффициенты для диффундирующего газа и жидкости (для газов А=1, воды В=4,7); v_А и v_В - мольные объемы вещества А и В в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см³/моль; М_А и М_В - мольные массы веществ А и В, г/моль.

С увеличением температуры коэффициент диффузии в жидкости увеличивается и рассчитывается из выражения

, (26)

где с - плотность жидкости, кг/м³.

Таким образом, подставляя выражения (24) и (25) в формулу (23) количество вещества, поглощаемого в процессе абсорбции, определяется выражением

. (27)

Следующим этапом работы биологического фильтра является микробиологическое разложение, при котором количество поглощенного вещества, зависит от скорости реакции в биопленке и скорости абсорбционного процесса.

В процессе биологической фильтрации происходит рост числа микроорганизмов биопленки, описываемый кривой роста, рисунок 2.

1 - индукционный период; 2 - фаза экспоненциального роста; 3 - фаза линейного роста; 5 - стационарная фаза; 6 - фаза отмирания

Рисунок 2. Кинетическая кривая роста микроорганизмов в процессе фильтрации

Увеличение количества микро-организмов при потреблении газов определяется по формуле

, (28)

где X - концентрация микроорганизмов в биопленке, кг/м³; м - удельная скорость роста числа микроорганизмов, с^-1; X₀ - начальная концентрация микроорганизмов, кг/м³, ф_m - время роста, с.

При достижении концентрации газов в биопленке критического значения, скорость разложения регулируется только скоростью химических реакций ферментативного распада. В таком случае, скорость снижения количества газа в биопленке от времени фильтрации определяется согласно дифференциальному уравнению

, (29)

где - изменение количества поглощенного биопленкой вещества от времени, моль/м³·с; k - константа скорости реакции, с^-1; E₀ - количество фермента на единицу биомассы, моль/кг; c - концентрация газа в биопленке, моль/м³; K_m - константа сродства (полунасыщения), равная концентрации газа, при которой удельная скорость роста микроорганизмов составляет половину от максимальной, моль/м³.

Подставляя выражение (28) в формулу (29), учитывая объем биопленки и время нахождения в ней газа, количество вещества, поглощенного в процессе микробиологического разложения, при условии ограничения только скоростью ферментативного распада v_расп>v_абс определяется по выражению

, (30)

где - объем биопленки, м³.

В случае если концентрация газов в биопленке ограничена скоростью диффузии в порах, количество поглощенного вещества находится по формуле

, (31)

где с₀ - концентрация газов поступающих в биопленку, моль/м³; k_f - кинетический коэффициент реакции разложения, определяемый по формуле

, (32)

где К - константа скорости реакции, моль/м³·с; n - коэффициент распределения; д - толщина биопленки, м.

Следовательно, выражение количества вещества, поглощенного в процессе микробиологического разложения (31) примет вид

. (33)

Таким образом, полученные зависимости (22), (27), (30), (33) позволяют определить общее количество вещества, поглощенного в процессе фильтрации, а их подстановка в выражение (1), обеспечивает определение количества вещества после фильтрации, при известном значении количества поступающего вещества.

Критерием оптимизации работы биофильтра может служить эффективность очистки газов, определяемая выражением

. (34)

В общем виде эффективность очистки Э, как критерия оптимизации параметров биофильтра, представляет собой функцию множества переменных

. (35)

Математическая модель процесса биологической фильтрации газов представляет собой систему уравнений (1; 13; 14; 22; 27; 30; 33), решая которую в среде MathCAD выявлены основные факторы, влияющие на критерий оптимизации: высота фильтрующего материала h, пористость фильтрующего материала m, объем материала V, время фильтрации ф_фил. На пористость значительное влияние оказывает влажность W и состав фильтрующего материала.

В третьей главе «Программа и методики проведения экспериментальных исследований» изложены программа и методика исследований: концентрации газов при компостировании соломонавозной смеси; температуры, влажности газов; физических свойств пористых фильтрующих материалов; процесса биологической фильтрации газов.

В качестве фильтрующих материалов использовались смеси компоста из навоза КРС и древесной стружки сосны в различных массовых соотношениях, в качестве исследуемых материалов также использовали, смесь навоза и пшеничной соломы, газы при биоферментации соломонавозной смеси.

Зависимость концентрации газов от интенсивности процесса компостирования, в установке камерного типа, определяли с помощью индикаторных трубок по установленным методикам.

Для проведения многофакторного эксперимента по изучению процесса биологической фильтрации была изготовлена экспериментальная лабораторная установка, представленная на рисунке 3.

а) б)

1 - термоизолированная емкость; 2 - соломонавозная смесь; 3 - газоотводные трубки; 4 - воздуховод; 5 - фильтрующий материал; 6 - биофильтр с нагревательными элементами; 7 - блок управления; 8 - вытяжной вентилятор; 9 - металлическая сетка

Рисунок 3. Схема (а) и общий вид (б) лабораторной установки для исследования процесса биологической фильтрации

Установка работает следующим образом, соломонавозная смесь 2 влажностью 65…70%, объемом 1 м³ предварительно доводилась до температуры 35…40°С, путем естественного саморазогрева, и загружалась в термоизолированную емкость 1.

Газы, посредством применения вытяжного вентилятора 8 поступали в корпус биофильтра 6, в котором равномерно распределялся по поверхности фильтрующего материала 5.

Управление работой установки осуществлялось при помощи блока управления 7, включающем в себя терморегулятор, магнитный пускатель и реле времени.

Эффективность очистки определялась исходя из анализа концентрации газов на входе и на выходе из биофильтра.

Оптимальные параметры работы биофильтра определяли для трех факторов, при которых изучение влияния исследуемых параметров осуществляли на трех уровнях, таблица1, при этом получали независимые оценки коэффициентов регрессии.

Таблица 1. Уровни и интервалы варьирования факторов

Повторность опытов принята трехкратной, доверительная вероятность 0,95. Однородность дисперсий определяли по критерию Кохрена.

Адекватность полученных регрессионных моделей проверяли согласно F-критерию Фишера.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований изменения концентрации аммиака и сероводорода, выделяющихся при компостировании соломонавозной смеси, температуры и влажности газов, физических свойств пористых фильтрующих материалов, а также результаты проведения многофакторного эксперимента. Результаты исследований представлены в таблице 2.