Технические науки/12. Автоматизированные системы управления на производстве

Тажиева Р. Н. , Айтбаева З.К.

Таразский Государственный университет им.М.Х.Дулати, Тараз

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ БИОГАЗА НА ПОЛИГОНАХ ТБО

Существуют различные методы обезвреживания отходов помимо их захоронения в грунте на свалках: предварительная сортировка; санитарная земляная засыпка; компостирование: аэробное и анаэробное компостирование; термические методы утилизации отходов. Однако основная масса твердых бытовых отходов, все таки оказывается на свалках.

В результате жизнедеятельности метанообразующих бактерий в толще свалки образуется биогаз. Этот процесс сопровождается выделением теплоты, поддерживающей в слое отходов сравнительно невысокую (30-40°С) температуру.

Процесс биохимических реакций, протекающий в анаэробных условиях, приводит к 50% окислению целлюлозы до углекислого газа и 50% восстановлению ее до метана, выделяя 238,6 кДж на 1 моль глюкозы. Разложение целлюлозы в анаэробных условиях протекает сравнительно медленно. Поэтому при захоронении отходов на свалках и полигонах отмечается высокая концентрация метана или биогаза и непрекращающееся оседание анаэробной зоны грунта свалки.

Биогаз, проникая в подвалы домов, шахты, колодцы, вытесняет имевшийся там воздух создавая взрывоопасную зону.

Состав и свойства биогаза

В биогазе выделяют две группы составляющих: макрокомпоненты и микрокомпоненты, или следовые газы. К макрокомпонентам относятся метан и диоксид углерода, азот, водород. Составы биогаза различных полигонов существенно отличаются в зависимости от объема и качества депонированных отходов, географических условий района расположения полигона, конструкции основания и покрытия полигона, возможности доступа кислорода воздуха к отходам, высоты складирования отходов, условий их уплотнения, интенсивности процессов разложения. Биогаз, содержит компоненты, вредно действующие на здоровье человека, которые могут значительно превышать установленные для них в атмосферном воздухе ПДК (раз): Присутствующие в биогазе аммиак и сероводород, оксид углерода и гексан, циклогексан и бензол, этилен, пропилен и бутилен обладают эффектом суммированного воздействия.

Состав биогаза меняется в зависимости от возраста полигона. Для оперативной оценки состояния систем дегазации полигонов состав биогаза можно принимать по табл.1[2].

Таб.1

Состав биогаза на полигонах ТБО

Тип Биогаза	Метан,%	Диоксид углерода,%	Кислород,%	Азот,%
1	55	45	-	-
2	40	30	6	24
3	45	35	1	18
4	35	30	5	30

Примечание: Тип 1 - чистый биогаз, полученный в анаэробных условиях, тип 2 - в биогазе присутствуют кислород и азот в соотношении, свойственном атмосферному воздуху. Воздух поступает за счет неплотностей во всасывающем трубопроводе; тип 3 -над поверхностью свалки засасывается воздух, кислород которого используется в микробиологическом процессе; тип 4 - комбинация типов 2 и 3.

Расчет образования биогаза с полигонов ТБО

Методика расчета базируется на модели процесса анаэробной деструкции целлюлозосодержащих отходов.

Процесс разложения отходов подчиняется кинетическому уравнению первого порядка[1]

где,С - концентрация реактивной материи, k–коэффициент пропорциональности.

Процессы образования биогаза могут быть описаны следующим уравнением:

nC₆H₁₂O₆(t)®nC₆H₁₂O₆(j)®nC₂H₄O₂(j) + nбиомасса ®nCO₂(r)+nCH₄(r)

гидролиз ацетогенез метаногенез

Формирование эмиссий биогаза может быть описано двумя последовательно протекающими реакциями:

A B C

¯

nC₆H₁₂O₆(j)®nC₂H₄O₂(j)®nCO₂(r)+nCH₄(r)

Скорость образования биогаза определяется на основе кинетического уравнения последовательной реакции первого порядка:

;

где k₁- константа скорости реакции в фазе ацетогенеза, k₂ – константа скорости реакции в фазе метаногенеза.

Для полигонов на стадии рекультивации k>>>k_iи величиной kможно пренебречь. Для полигонов на стадии эксплуатации учитываются обе константы.Расчет основан на следующих допущениях:

-Общее время разложения отходов определяется временем распада средне- и медленно разлагаемых фракций;

-Температура и рН среды рассматриваются в диапазоне значений, оптимальных для метаногенеза;

-Содержание метана в биогазе составляет 50%;

-Активная фаза метаногенеза наступает через 2 года после формирования анаэробных условий;

- При деградации отходов 1% от общего содержания биоразлагаемого углерода переходит в фильтрат.

Порядок расчета эмиссий биогаза

Исходными данными для расчета являются морфологический состав биоразлагаемой части ТБО; зольность отходов А, начальнаявлажность ТБО.

Метановый потенциал L_oi(нм³/т сухих отходов) для каждой фракции отходов рассчитывается на основе морфологического состава ТБО с учетом коэффициента биоразложенияВ_fи зольностиА, по формуле[3]:

(нм³/т)

где п_с- число киломолей углерода, содержащееся в 1 тонне фракции, - молярная масса фракции (кг/кмоль) определяются по таб.2.; А— зольность фракции, кг/кмоль, коэффициент биоразложения В_f, определяется по таб.3.

Полный потенциал генерации метана L₀ (нм³/т сухих отходов) учитывает только органически разлагаемые фракции и определяется по формуле:

где x_i - доли биоразлагаемых фракций.

Масса захороненных отходов принимается с учетом массы отходов, сгоревших в результате пожаров в процессе эксплуатации полигона. Масса сгоревших отходов определяется в соответствии с Временными рекомендациями по расчету выбросов вредных веществ в атмосферу в результате сгорания на полигонах твердых бытовых отходов.

Для действующего полигона скорость образования метана (нм³/год) определяется с использованием зависимости:

Соответственно объем образующегося метана составляет:

где W – влажность отходов, поступающих на полигон, доли ед.;

L₀ – потенциал генерации метана (нм³/т сухих отходов), учитывающий только органические разлагаемые фракции;

M – масса отходов на текущий год эксплуатации полигона;

k₁ – константа разложения отходов в фазе ацетоногенеза;

k₂ – константа разложения отходов в фазе метаногенеза;

τ – время разложения ТБО.

Применение данной модели требует большого количества достаточно точных экспериментальных данных, в частности, по морфологическому составу каждой фракции бытовых отходов, что крайне затрудняет ее применение на практике.

Константа скорости реакции в фазе ацетогенезаk₁и константа разложения в фазе метаногенезаk₂определяются по таб.3.

Объем образования биогаза принимается в два раза выше скорости образования метана.

Таб.2.

Морфологический и химический состав биоразлагаемых ТБО

типичного полигона

Фракция отходов	Молярная масса, кг/кмоль
Пищевые отходы	7606,5
Бумага	15051,9
Садово-парковые отходы	9916,04
Дерево	31542
Ткань, текстиль	20825,2
Кожа	7202,1
Резина	5574
Пластик	63,075

Таб.3.

Значения констант разложения k₁и k₂

Тип отходов	Константа разложения k1, если условия			Константа разложения k2, если условия
	влажные	средние	сухие	влажные	средние	сухие
Быстро разлагаемые	0,4	0,25	0,05	-	-	-
Средне разлагаемые	0,1	0,05	-	0,098	0,046	0,0276
Медленно разлагаемые	-	-	-	0,046	0,0276	0,0138

Эксперименты проводились в течение 250 суток. Расчетные и экспериментальные значения объемов выделившегося газа представлены на рисунке 1.

Количество образующегося биогаза в мл/сут.:

1 - полученный в результате эксперимента при влажности отходов 80 %;
2 - рассчитанный с использованием усовершенствованнойматематической модели АКХ

Рисунок 1 – Количество образующегося биогаза

Решение поставленной задачи будем выполнять в Delphi в соответствии с разработанным алгоритмом

Анализ полученных результатов

В результате проведенных расчетов для заданных исходных данных были получены следующие результаты: объем образования биогаза от полигонов ТБО составляет 291,102 тыс.тонн в 250 дней.

В процессе выполнения данного исследования нами были рассмотрены процессы превращения органического вещества в биогаз на полигонах твердых бытовых отходов.

Нами были рассмотрены особенности данных технологических процессов, изучены численные методы решения математических моделей, и на их основе спроектированы блок-схемы решения задач. На основании разработанных алгоритмов решения была выполнена программная реализация поставленных задач при помощи среды программирования Delphi.

Литература

1. Благутина В.В. Биоресурсы // Химия и жизнь – 2007. - №1. – С. 36-39

2. Малофеев В.М. Биотехнология и охрана окружающей среды: Учебное пособие. – М.: Издательство Арктос, 1998. – 188 с.