Перемешивание содержимого метантенка необходимо проводить с целью обеспечения эффективного использования всего объёма метантенка, исключения образования мертвых зон, предотвращения расслоения осадка, отложения песка и образования корки, выравнивания температурного поля. Также перемешивание способствует выравниванию концентраций метаболитов, образующихся в процессе брожения и являющихся промежуточными субстратами для микроорганизмов или ингибиторами их жизнедеятельности, а также концентрации токсичных веществ, содержащихся в загружаемом осадке, поддержанию тесного контакта между бактериальными ферментами и их субстратами и т.д. Таким образом, перемешивание предназначено для поддерживания однородности среды.
В целях максимальной интенсификации перемешивания, необходимо определить наиболее эффективную конструкцию метантенка. Было рассмотрено три конструкции метантенка, отличающиеся между собой типами циркуляционных устройств (Рис.1): метантенк с цилиндрической циркуляционной трубой (Рис.1а), метантенк с цилиндрической трубой в форме усеченного конуса (расширяющейся частью вниз) (Рис. 1 б), метантенк с цилиндрической трубой в форме усеченного конуса (расширяющейся частью вверх) (Рис. 1 в).
Рис.1. Конструкции метантенков с циркуляционными устройствами различных форм
Для приведенных выше конструкций метантенков разрабатывается математическая модель циркуляционного перемешивания субстрата которая реализуется путем проведения численного эксперимента с помощью программы Flowvision.
Для разработки математической модели процесса циркуляционного перемешивания, установка разделена на области, для которых записаны законы сохранения, «сшиваемые» на границах областей с помощью граничных условий.
Расчетными областями установки (см. рис.3) являются:
стенка трубы;
поверхность резервуара (твердая стенка);
насосная установка;
система трубопроводов;
циркуляционное устройство
Рис.2 Схема обработки и утилизации осадка.
Предлагаемая схема обработки осадка (рис.2) представляет из себя следующее: исходный осадок предварительно нагревается во внешнем теплообменнике и поступает в метантенк, оборудованный циркуляционным устройством. В метантенке происходит процесс анаэробного сбраживания при постоянном перемешивании через циркуляционное устройство. После процесса сбраживания осадок с помощью циркуляционного насоса отправляется на теплообменник, и после нагрева вновь поступает в метантенк. Тепло от сброженного осадка направляется в другой теплообменник, в котором этим теплом будет подогреваться исходный осадок. Биогаз, полученный в результате сбраживания, отводится в газгольдеры, после чего поступает на когенерационную биогазовую установку и преобразуется в тепло или электрическую энергию.
Для решения задачи по определению технических показателей циркуляционного перемешивания осадка сточных вод и выбора оптимальной конструкции метантенков необходимо проведение математического моделирования процессов гидродинамики, переноса теплоты и концентрации компонентов на основе двухмерных дифференциальных уравнений Навье–Стокса, записанных в цилиндрической системе координат в общем виде:
где Q – обобщённая переменная, вектор зависимых переменных задачи;
Г – суммарные коэффициенты переноса, учитывающие конвекцию и диффузию;
S – источниковые члены, соответствующие компонентам вектора Q.
,
где u – проекция вектора
скорости на ось x; v
– проекция вектора скорости на ось y;
T – температура; µ –
коэффициент динамической вязкости; p
– давление; λ –
коэффициент теплопроводности среды; c
– теплоемкость среды; β –
коэффициент температурного расширения осадка;
– повышение температуры нагретой частицы жидкости по сравнению
с температурой частиц, оставшихся не нагретыми.
Также для проведения моделирования используется уравнение энергии
где: T - температура, К;
ср - удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг · К);
λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м · К);
λт - коэффициент турбулентной теплопроводности, Вт/(м · К);
λр - коэффициент радиационной теплопроводности, Вт/(м · К):
qv - интенсивность внутренних источников тепла, Вт/м3;
Для модели заданы следующие начальные условия:
В начальный момент времени осадок в резервуаре неподвижный, а температура одинаковая во всем объеме:
.
Граничные условия на границах расчетной области следующие:
на входной границе Г1.1 задается скорость истечения осадка из подающего трубопровода, которая зависит от производительности насосной установки, является переменной и определяется методом итераций при совместном решении систем уравнений, описывающих совместную работу резервуара, насоса и сети трубопроводов. Температура осадка на входной границе принимается 560С, т.к. автоматическое регулирование работы теплообменника позволяет поддерживать ее постоянной:
;
на оси симметрии резервуара Г1.2:
;
поверхность резервуара Г1.4, стенки циркуляционного устройства Г1.6., Г1.7., Г1.8., Г1.9. рассматриваются как твердая стенка, на которой задаются условия прилипания. Температура на внутренней поверхности стенки задается равной 40ºС:
,;
на выходной границе Г1.3 расчетной области задаются мягкие условия(?):
;
,
В целях ускорения расчета и получения большей точности, к расчету были приняты модели ¼ части метантенка с применением условий двойной симметрии.
Все начальные и граничные условия, принятые для конструкции с цилиндрической циркуляционной трубой, применяются и при рассмотрении следующих конструкций метантенков, так как принципиально конструкция не меняется, меняется только угол наклона стенок циркуляционного устройства, все физические параметры также остаются неизменны.
Рис. 3. Схема расчетной области
где Г1.1 – входная граница расчетной области;
Г1.2 – ось симметрии;
Г1.3 – выходная граница расчетной области;
Г1.4 – поверхность стенки резервуара;
Г1.5 – поверхность подающего осадок трубопровода (твердая стенка).
Г1.6 – нижняя поверхность стенки циркуляционного устройства;
Г1.7 – внутренняя поверхность стенки циркуляционного устройства;
Г1.8 – верхняя поверхность стенки циркуляционного устройства;
Г1.9 – наружная поверхность стенки циркуляционного устройства;
При конструкции метантенка с широкой цилиндрической трубой перемешивание происходит только через циркуляционную трубу и образуется большое число застойных зон.
При конструкции метантенка с узкой цилиндрической трубой перемешивание происходит через циркуляционную трубу и вдоль ее стенок, а число застойных зон заметно уменьшается.
В метантенке с конусообразной циркуляционной трубой расширением конуса вверх активное перемешивание происходит в верхних и нижних зонах, однако застойные зоны присутствуют
В метантенке с конусообразной циркуляционной трубой расширением конуса вниз активное перемешивание происходит во всех зонах, а застойные зоны практически отсутствуют
В результате данного исследования было выявлено, что наиболее эффективной для перемешивания конструкцией оказался метантенк с конусообразной циркуляционной трубой расширением вниз. Данную конструкцию можно рекомендовать для практического использования, в результате чего будет производиться максимальный выход биогаза.
Литература:
Л. И. Гюнтер, Л. Л. Гольдфарб . Метантенки.- М. : Стройиздат, 1991. - 128 с. : ил. ; 22см. - (Охрана окружающей природной среды). - ISBN 5274003230 : 1.90 р.
Баранова И.Г., Мелай Е.С - О перемешивании биомассы, как методе повышения продуктивности метантенка НТУУ «КПИ»
Баадер Б. - Биогаз. Теория и практика М: "Колос", 1982 - 148 с..
