Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭМИССИИ БИОГАЗА И ФИЛЬТРАТА В ПРОЦЕССЕ ИНТЕНСИВНОГО АНАЭРОБНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ В БИОРЕАКТОРЕ

Джамалова Г.А. 1
1 Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева

В статье показаны результаты по изучению влияния независимых факторов, таких как рН, ХПК (мгО/л), HCO3-(мг/л), SO42- (мг/л), РО43- (мг/л), на процесс образования продуктов биоразложения  твердых бытовых отходов. Выявлены закономерности влияния независимых факторов на степень эмиссии биогаза и фильтрата с прогнозированием процесса разложения твердых бытовых отходов в биореакторе. При оптимизации исследуемых независимых факторов анаэробного процесса (рН (8,5), ХПК (1100 мгО/л), НСО3- (2750 мг/л), SO42- (10 мг/л), РО43- (2,8 мг/л)) метанобразование находится в пределах максимума - 98 %, а фильтратообразование - в пределах 30 % от добавленной воды. Анализ результатов моделирования процессов образования метана в присутствии различных компонентов во влажной среде выявил однотипность взаимодействия в условиях анаэробного разложения ТБО. Крутизна закономерностей зависит от интенсивности газообразования и сложного взаимодействия в окислительно-восстановительных условиях.

твердые бытовые отходы (ТБО)
биореактор
анаэробное разложение
биогаз
метан
фильтрат
1. Баадер В. Биогаз: теория и практика / Баадер В., Доне Е., Брендоорфер М.: Пер. с нем. М.И. Серебряного. М., 1982. – 148 с.
2. Джамалова Г.А. Математическое планирование выхода продуктов биоразложения твердых бытовых отходов в зависимости от протокола загрузки биореактора // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 4; URL: www.science-education.ru/127-21293 (дата обращения: 15.08.2015).
3. Дубровский В.С. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов/ Дубровский В.С., Виестур У.Э. - Рига: Знание,1988. – 204 с.
4. Зайнуллин Х.Н., Абдрахманов Р.Ф., Савичев Н.А. Монография. Утилизация промышленных и бытовых отходов (на примере Уфимской городской свалки). Уфа, УНЦ РАН. 1997. – 235 с.
5. Казова Р.А. Моделирование обезвреживания техногенных материалов // Материалы XI международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности. Экология». Алматы: КазНТУ имени К.И.Сатпаева. 2008. – С.56–59.
6. Малышев В.П. Математическое планирование металлургического и химического эксперимента. Алма-Ата: Наука, 1977. – 35 с.
7. Малышевский А.Ф. Обоснование выбора оптимального способа обезвреживания твердых бытовых отходов жилого фонда в городах России. МПРиЭ РФ. Федеральная служба по надзору в сфере природопользования. Общественный совет при Росприроднадзоре Комиссия научного совета РАН по экологии и чрезвычайным ситуациям. – М., 2012. – 48с. URL:http://rpn.gov.ru/sites/all/files/users. (дата обращения: 29.08.2013).
8. Мирный А.Н., Скворцов Л.С., Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Коммунальная экология. Энциклопедический справочник. Москва: Прима-Пресс-М, 2007. – 806с.
9. Project No.516732. Project acronym: NISMIST. Project title: Management of environmental risks associated with landfills in seismically active regions in the New Independent States (NIS) of Central Asia. 2008. 91р. URL: http://www.ist-world.org (дата обращения: 3.02.2010).

Увеличение численности населения планеты и урбанизированных территорий сопровождаются обострением проблем, связанных с твердыми бытовыми отходами (ТБО). На сегодня эти проблемы можно условно разделить на три составляющие: «мощность» образования ТБО: производство ТБО населением ежегодно увеличивается в расчете на человека примерно на 0,5–1,5 % – 1–4 % по объему или на 0,2–0,4 %– 0,3–0,5 % по массе [8, с.396; 4, с. 56]; урбанизированное обогащение ТБО вредными веществами и компонентами: содержание в ТБО опасных отходов составляет на сегодня от 6,0 до 7,2 % [7]; усиление техногенного давления ТБО на окружающую среду, как результат количественного и качественного развития ТБО, что проявляется в отчуждении больших территорий земель и загрязнении окружающей среды.

В процессе разложения ТБО на полигонах образуется: фильтрат, представляющий особую опасность для окружающей среды вследствие своей «химической ядовитости», т.к. распространяясь в пространстве он дестабилизирует природную среду из-за интеграции ксенобиотиков в малый биологический круговорот веществ; биогаз, являющийся, с одной стороны, загрязнителем атмосферы, с другой – возобновляемым энергоносителем вследствие наличия в своем составе метана.

Цель исследования – Изучение закономерности влияния независимых факторов на степень эмиссии биогаза и фильтрата с прогнозированием процесса интенсивного разложения твердых бытовых отходов в биореакторе.

Методика исследования. Планирование многофакторного эксперимента с учетом физико-химических процессов анаэробного разложения ТБО (десяти факторный эксперимент) позволяет раскрыть эмпирическую зависимость эмиссии биогаза и образования фильтрата от влияния этих факторов. Исследование основано на применении метода нелинейной множественной корреляции [5, 6], когда на основе латинских квадратов составляется многофакторная матрица планирования, в которой заданы уровни (р=5) изучаемых факторов (n = p2=25), определяемые областью факторного пространства.

В эксперименте были приняты такие важные для анаэробного процесса разложения ТБО факторы, как рН (фактор Х1), ХПК (фактор Х2), НСО3- (фактор Х3), SO42- (фактор Х4), РО43- (фактор Х5). В таблице 1 показаны области исследуемого факторного пространства.

Таблица 1

Область факторного пространства

Факторы

Уровни факторов

1

2

3

4

5

Х1

рН

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

Х2

ХПК, мгО/л

1100

4600

8100

11600

15100

Х3

НСО3-, мг/л

2750

3300

3850

4400

4950

Х4

SO42-, мг/л

10

90

170

250

330

Х5

РО43-, мг/л

0,4

1,0

1,6

2,2

2,8

Критерием полноты протекания анаэробного процесса разложения ТБО (функция Ур, как зависимая величина) является степень превращения исходных веществ в конечный продукт – Н2О и СН4 (таблица 2).

Таблица 2

Степень превращения исходных веществ ТБО в конечный продукт – Н2О и СН4

% образования фильтрата

Содержание СН4 в биогазе, %

25

28

35

29

37

71

68

71

71

73

49

31

57

32

42

73

69

73

73

69

27

51

30

50

60

70

67

70

70

67

55

39

45

41

47

68

66

68

68

72

43

40

53

59

33

72

74

72

72

74

По результатам опытов [9] из полученных экспериментальных значений степени превращения вещества (Y, %) составляется выборка (многофакторная матрица планирования эксперимента) по методике, изложенной в работе [2]. После определения закономерностей для выявления значимости частных функций методом наименьших квадратов производится аппроксимация и далее – выводится обобщенное уравнение Уоб, которое по величине коэффициента корреляции R и значимости tR, анализируется на адекватность в целях определения оптимальных условий для процесса ускоренного анаэробного разложения ТБО, направленных как на исключение антропогенного влияния «ядовитого» фильтрата на окружающую среду, так и на максимальное производство биогаза с обогащенным содержанием метана.

Результаты и обсуждение. Для упрощения технологических приемов и ведения технологического контроля при биогазогенезе рекомендуется различать две доминирующие фазы микробиологической анаэробной активности [3, с.34] - сапрофитное (активные при рН 4,5-7) и метанобразующее (активные при рН 7,2-8,5). Первые обеспечивают кислое (водородное) биоразложение (образуются кислоты - это уксусная, масляная, пропионовая и др., газы - это СО2, Н2, H2S, NH3), аминокислоты, глицерин и др) и сопровождаются появлением неприятного запаха, вторые обеспечивают щелочное (метановое) биоразложение в результате которого образуется биогаз (основные компоненты СН4, СО2, Н2 и N2).

Проведенный методом наименьших квадратов анализ моделей позволил определить теоретические алгебраические значения частных функций (таблица 3).

Таблица 3

Аппроксимация исследуемых функций

 

Фактор

Продукты разложения

Фактор

Продукты разложения

Х3

Н2О

33,12+1,12∙ Хn

Х6

Н2О

38,3+0,0008∙Хn

СН4

69,84+0,08∙ Хn

СН4

70,3-0,00004∙Хn

Х4

Н2О

0,0009+34,3∙Хn

Х7

Н2О

34,89+0,039∙Хn

СН4

70,63-0,00002∙Хn

СН4

70,61-0,001∙Хn

Х9

Н2О

36,01+0,19∙Хn

Х9

СН4

70,44+0∙Хn

 

а)  б)

в)  г)

д)  е)

 ж)  з)

и)  к)

Рис. 1. Выборка на точечные графики. Влияние независимых факторов на образование продуктов разложения ТБО (%) – процент образования фильтрата от добавленной воды (а, в, д, ж, и) и содержание метана метана в составе биогаза (б, г, е, з, к)

Как видим, на рисунке 1 показаны закономерности изменения получения фильтрата (%) и метана (%) в процессе интенсивного анаэробного разложения ТБО при влиянии таких независимых факторов, как рН; ХПК, мгО/л; НСО3-, мг/л; SO42-, мг/л; РО43-, мг/л.

Важным показателем для образования биогаза при биоразложении ТБО является рН (6,5 - 8,5). График зависимости образования фильтрационных вод и содержания метана в биогазе от рН, согласно нашим экспериментам и расчетам, представлен на рисунке 1 (а, б). Из графиков видим, что процент образования фильтрата из добавленной за весь период разложения воды и процент содержания метана в биогазе пропорционально увеличиваются с повышением рН и на уровне 8,5 достигают соответственно 42,64 % (рис.1, а) и 70,52 % (рис.1, б). Как видим, влияние изучаемого фактора симбатно, что свидетельствует об аналогии механизма образования метана. Повышение степени генерации метана можно путем управления значения рН в установке, например, путем добавления бикарбоната натрия. Доказано, что при добавлении Na2CO3 в биоразлагаемую массу ТБО, синтез метана увеличивается примерно в 5 раз, скорость загрузки - в 7 раз [1].

Как показали расчетные данные теоретических значений, функция У1, независимо влияющая на фактор Х1, сильнодействующая как для процесса образования фильтрационных вод, так и для образования метана в составе биогаза, поскольку характеризуется существенной крутизной при изменении в интервале для фильтрата 40,4 - 42,64 % (рис.1, а) и метана 70,36-70,52 % (рис.1, б). При этом следует отметить, что ощутимость изменения степени образования фильтрата и генерации метана для рассматриваемых функций находятся в интервале сотых долей, следовательно, эксперимент характеризуется высокой чувствительностью к выявлению закономерностей в системе анаэробного разложения ТБО в биореакторах.

Биологически зависимыми показателями фильтрата наравне с рН, как известно, является ХПК. Как видно из рисунка 1 (в, г), с повышением ХПК с 1100 до 15100 мгО/л повышается и процент образования фильтрата с 35,28 % до 47,76 % (рис. 2, в), тогда как процент содержания метана в биогазе, наоборот, снижается с 70,6 до 70,28 % (рис. 2, г).

Отсюда следует, что влияние фактора Х2 - химического показателя кислорода в системе «фильтрат-метан» противоположно: с увеличением количества образования фильтрата возрастает ХПК (рис.1, в), в то время как содержание метана, наоборот, снижается с увеличением ХПК, т.е. с увеличением количества кислорода метан удаляется из системы за счет экзотермического восстановительного процесса по реакции:

2 NO2 + CH4= СО2 + 2Н2О +N2 (1)

Одинаковую изменчивость как по проценту образования фильтрата от добавленной воды, так и по проценту содержания в составе биогаза метана, показали расчетные данные теоретических значений, функции У2, независимо влияющие на фактор Х2. Функция У2 является весьма действующим, поскольку характеризуется значительной крутизной при изменении в интервале для фильтрата 40,16-42,72 % (рис. 1, в) и метана 70,36-70,52 % (рис.1, г).

Закономерности влияния изучаемых функций от содержания НСО3- (рисунок 1; д, е) противоположны относительно друг друга. Это обусловлено в первом случае (рисунок 1; д) превалированием окислительных реакций за счет присутствия кислотных остатков НСО3- и оксидов азота, в частности, триоксида азота, который обнаруживается в нормальных условиях в присутствии оксида азота и кислорода:

4NO + O2 = 2N2O3 (2)

Карбонатный остаток НСО3- «поставляет» в системы карбоксид СО, который участвует в реакциях восстановления и удалению метана в виде продуктов реакции (1) или (3):

4NO + CH4 =СО2 + 2Н2О +2N2 (3)

Анализ данных рисунка 1 (ж,з) показал и подтвердил идентичность протекания окислительно-восстановительных процессов в изучаемых системах. Присутствие кислотного остатка SO42- способствует образованию в водной среде серной кислоты и выделению кислорода по реакциям:

SO42- + Н2О = Н2 SO4 + 1/2О2 (4)

Снижение содержания метана протекает по реакции:

СН4 + 1/2О2 = 2 Н2О+ СО (5)

Как видим, образование метана связано с окислительной средой.

Воздействие фосфорной кислоты аналогично для кислой среды в присутствии воды в системе на рисунке 1 (и). На рисунке 1 (к) взаимодействие отсутствует, т.к. фосфорная кислота относится к слабым кислотам и активность ее соответственноне проявляется.

Объединяя частные функции в обобщенное уравнение получаем:

1) по фильтрату:

2) по метану:

Так как процесс анаэробного разложения ТБО направлен на производство обогащенного метаном биогаза, поэтому показатель эмиссии фильтрата для каждого рассматриваемого независимого фактора учитывается по отношению к максимальному выходу метана.

Анализ обобщенных уравнений показал, что при оптимальных технологических параметрах степень образования метана достигает 98 %, фильтрата – 30 %. Как видим, обобщенное уравнение процесса позволяет прогнозировать и оптимизировать процесс анаэробного разложения ТБО. Оптимизация процесса выполняется при анализе обобщенного уравнения методом иттерации и подбора оптимума с учетом значимости частных функций.

Например, максимум выделения метана достигается при рН 8,5. Это значит, что для выявления оптимума в обобщенном уравнении используется значение пятого уровня фактора (8,5), при этом содержание метана в биореакторе составляет 70,52 %, а эмиссия фильтрата от добавленной воды – 42,64 %. Эти(и другие, подобранные по такому принципу) значения и будут находиться в составе обобщенной функции:

Как уже было отмечено, при оптимизации анаэробного процесса метанобразование находится в пределах максимума – 98 %, а фильтратообразование от добавленной воды – в пределах 30 % при значении независимых факторов: Х1= 8,5; Х2 = 1100 мгО/л; Х3 = 2750 мг/л; Х4 = 10 мг/л; Х5 = 2,8 мг/л. Таким образом, выявлены оптимальные условия метанобразования в зависимости от изменения изучаемых факторов: рН, ХПК (мгО/л), НСО3- (мг/л), SO42- (мг/л), РО43- (мг/л).

Как видим, изучение процесса метанобразования в анаэробных условиях методом множественной корреляции позволяет не только выявить закономерности влияния независимых факторов на содержание метана в биогазе и на образование фильтрата в % от добавленной воды, но и методологически разработать подход для оптимизации физико-химических параметров процесса метанобразования.

Заключение. Изучение закономерности влияния независимых факторов на степень эмиссии биогаза и фильтрата с прогнозированием процесса интенсивного разложения твердых бытовых отходов в биореакторе показал, что при оптимизации исследуемых независимых факторов анаэробного процессаметанобразование находится в пределах максимума 98 %, а фильтратообразование – в пределах 30 % от добавленной воды.

Выводы:

1. Анализ результатов моделирования процессов образования метана в присутствии различных компонентов во влажной среде выявил однотипность взаимодействия в условиях анаэробного разложения ТБО.

2. Крутизна закономерностей зависит от интенсивности газообразования и сложного взаимодействия в окислительно-восстановительных условиях.

3. Выявлены оптимальные условия метанобразования (98 %) в зависимости от изменения изучаемых факторов: рН (8,5), ХПК (1100 мгО/л), НСО3- (2750 мг/л), SO42- (10 мг/л), РО43- (2,8 мг/л).

Рецензенты:

Казова Р.А., д.х.н., профессор, профессор кафедры Прикладной экологии НАО «КазНИТУ имени К.И. Сатпаева», г. Алматы;

Еликбаев Б.К., д.б.н., профессор КазНАУ , г. Алматы.


Библиографическая ссылка

Джамалова Г.А. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭМИССИИ БИОГАЗА И ФИЛЬТРАТА В ПРОЦЕССЕ ИНТЕНСИВНОГО АНАЭРОБНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ В БИОРЕАКТОРЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21861 (дата обращения: 23.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074