Результаты опытных лабораторных исследований «Влияние ультразвуковой предобработки субстрата на биометаногенез»
Чугунов А.Д., кафедра «Атомная энергетика» УрФУ им. Б.Н. Ельцина
Исходные данные для эксперимента
Для эксперимента был взят свежий навоз КРС, влажностью 85%. Влажность полученного из него субстрата - 92%. Субстрат перемешивался с водой до однородной массы в блендере, и был помещен в 400 мл медицинские колбы, предварительно обеззараженные.
Был выбран мезофильный режим сбраживания (температура 39 °С). Установки для проведения эксперимента приведены на рис. 3.1. и рис 3.2. Для измерения объема выделившегося биогаза использованы газгольдеры.
Качественно важно было поддерживать однородную температуру 39°С проб на протяжении всего цикла анаэробного сбраживания. Поэтому необходимо было использование термостатических установок, в которые погружаются пробы, использующих воду в качестве термоаккумулирующей
среды.
В ходе эксперимента было установлено 3 термостатических установки: две серийных установки LOIP L1-100, погруженных в ванну, и одна установка собственной разработки, выполненная в корпусе рисоварки.
Установка LOIP LT-100 погружается в ванну объемом 11 литров и поддерживает температуру воды в районе 39 С с дискретностью ±0,ГС. Возможно подключение внешнего охлаждения.
Режим работы установки:
Пробы погружаются в установку и заливаются водой, после включения установки начинает работу нагревательный элемент и система циркуляции воды. По достижении температуры воды в 39°С логика отключает нагрев. Гак как установка не была подключена к системе охлаждения, то при превышении заданной температуры, после отключения нагрева, вода внутри установки остывала за счет теплообмена с окружающей средой. При понижении температуры ниже заданной включался нагрев.
Установка LOIP LT-100
Рис.3.1. Установка LOIP LT-100
Таблица 3.1
Технические характеристики Установка LOIP LT-100
| Температурный режим |
|
| без внешнего охлаждения, ºС |
Токр +10...+100 |
| с охлаждением водопроводной водой, ºС |
Тводы +5...+100 |
| Точность поддержания температуры, ºС |
±0,1 |
| Погрешность установления заданной температуры, не более ºС |
±0,2 |
| Мощность нагревателя, Вт |
1900 |
| Насос: |
|
| максимальный расход, л/мин |
7,5 |
| давление, бар |
0,17 |
| Объем ванны, л |
11 |
| Рабочая жидкость |
вода, водно-глицериновая смесь |
| Открытая часть ванны глубина, мм |
160х240/200 |
| Габаритные размеры, мм |
268х335х420 |
| Масса, кг |
10 В качестве учебно-исследовательской работы студента, была разработана лабораторная опытная термостатическая установка, которая была использована при проведении данного опыта. |
Был использован корпус китайской рисоварки, дополнительно были установлены:
- пластинчатые нагревательные элементы мощность 65 Ban в количестве - 3 шт.;
- однодатчиковый электронный контроллер Eli well ID 961для контроля температуры нагреваемой воды;
- датчик температуры;
- кнопка включения/выключения.
Режим работы установки:
Пробы погружаются в кастрюлю, которая устанавливается в установку, и заливаются водой. При закрытии крышки установки, датчик температуры погружается в воду, включаются нагревательные элементы. Данные по датчику отслеживаются контроллером. Контроллер работает с дискретностью ± 1 ºС. То есть при нагреве достигается температура на 1 градус выше расчетной (в данном случает 40 С). Подогрев включается, когда температура достигла значения на 1 градус ниже установленной температуры (в данном случае 38 ºС). Однако за счет термоинерции воды и температуры в помещении в среднем около 21 ºС, подогрев включается не более 4х раз в день.
Рис. 3.2. Установка собственной разработки
Таблица 3.2
Технические характеристики установки собственной разработки
| Температурный диапазон |
Токр +99 |
| Точность поддержания температуры, ºС |
±1 |
| Погрешность установления заданной температуры, не более ºС |
±0,5 |
| Мощность нагревателя, Вт |
190 |
| Объем ванны, л |
20 |
| Рабочая жидкость |
вода |
| Габаритные размеры, мм |
445х445х420 |
В крышке каждой пробы устанавливалась гибкая газоотводящая трубка, выполненная из систем для капельниц. Крышка герметизировалась как внутри пробы, так и снаружи нейтральным по pH-составу герметиком.
Рис. 3.3. Конструкция стеклянной колбы-реатора с отводящей трубкой
Выделяющийся газ накапливался в газгольдерах купольного типа с гидрозатвором. Купол и емкость для воды гольдера были выполнены из пластиковых бутылок 0,5 литра и литр соответственно. Конец газоотводящей трубки заводился иод купол газгольдера и крепился скотчем к его низу. Водная емкость заполнялась водой так, чтобы купол лежал на дне гольдера. 1 идрозатвор нс позволяет воздуху, находящемуся под куполом поступать в пробу и влиять на процесс анаэробного сбраживания. Вода в емкость заливалась до нулевой отметки на куполе газгольдера, относительно которой проводились все измерения объема выходящего биогаза.
Рис.3.4. Система колба-реактор и газгольдер в сборе
Обработка ультразвуком проводилась в ультразвуковой ванне «Сапфир».
Ультразвуковая ванна Сапфир состоит из корпуса и ванны (нержавеющая сталь), ультразвукового генератора, блока управления, включающего в себя таймер и термостат. Па дне ванны установлены ультразвуковые преобразователи, собранные на элементах фирмы АРС International Ltd. (США), преобразующие электрическую энергию в ультразвуковые колебания. 1$ ультразвуковых ваннах применена защита от перегрузки (падение уровня моющей жидкости) и бросков напряжения в электрической сети.
Рис. 3.5. Ультразвуковая ванна "Сапфир"
Таблица 3.3
Технические характеристики установки собственной разработки
| Температурный диапазон |
15...65 |
| Точность поддержания температуры,ºС |
±1 |
| Таймер цифровой, мин |
1-99±1 |
| Мощность УЗ-нагревателя, Вт |
190 |
| Объем ванны, л |
5,7 |
| Рабочая жидкость |
вода |
| Габаритные размеры, мм |
325х175х330
|
Выводы
Из данного анализа можно сказать, что ультразвуковое облучении имеет следующие эффекты на процесс биомеганогенеза:
• слабо влияет на продолжительность процесса сбраживания;
• повышает выход горючей составляющей газа до 43%.
• При большой дозе происходит обеззараживание субстрата и подавление брожения;
• оптимальное влияние имеет место при дозе ультразвукового облучения в диапазоне 8-11 Вт•ч:
• характер, который оказывает ультразвуковая дезинтеграния на процесс биометаногнеза, зависит от дозы ультразвуковой обработки.