Визначення теплового режиму процесу компостування біосировини в камері обертового типу
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.230211Ключові слова:
коефіцієнт теплопередачі, питоме активне тепловиділення, субстрат, компостування, ферментація, обертова камераАнотація
Одним з перспективних методів утилізації сільськогосподарської біосировини є виробництво компостів шляхом аеробної ферментації в обертових камерах. Висока ефективність процесу компостування досягається при умові забезпечення належного температурного режиму на кожній з фаз процесу. Зміни температури напряму пов’язані з ефективністю трансформації мікроорганізмами органічних субстратів і є причиною низької якості виробленого компосту за агрохімічними та мікробіологічними показниками.
Встановлено, що високий температурний режим досягається при умові, що кількість теплоти, виділена під час біодеградації сировини мікроорганізмами, є більшою за втрати теплоти, пов’язані з аерацією та поверхневим охолодженням субстрату. Тому час, упродовж якого ферментована маса буде залишатися розігрітою, цілковито залежить від фізико-хімічних характеристик субстрату, параметрів обладнання та режимів його функціонування.
Для опису встановлених умов, виходячи з рівняння теплового балансу, створено математичну модель. Модель поєднує теплові витрати, необхідні для підтримання оптимального температурного режиму процесу з вологістю і питомим активним тепловиділенням субстрату, а також з важливим теплофізичним параметром камери – коефіцієнтом теплопередачі матеріалу стінки.
Для проведення досліджень теплового режиму процесу компостування біосировини виготовлено обертову камеру. Експериментально встановлено: при коефіцієнті теплопередачі стінки камери 1,6 Вт/(м2·°C), величині питомого активного тепловиділення субстрату 9,2 Вт/кг вологістю 58 % забезпечуються теплові потреби на процес з виділенням 140 МДж надлишкової теплоти.
Дослідження можуть бути покладені в основу осучасненої методології теплових розрахунків процесу компостування біосировини в закритих камерах ферментації
Посилання
Hemati, A., Aliasgharzad, N., Khakvar, R., Khoshmanzar, E., Asgari Lajayer, B., van Hullebusch, E. D. (2021). Role of lignin and thermophilic lignocellulolytic bacteria in the evolution of humification indices and enzymatic activities during compost production. Waste Management, 119, 122–134. doi: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.09.042
Arora, S., Rani, R., Ghosh, S. (2018). Bioreactors in solid state fermentation technology: Design, applications and engineering aspects. Journal of Biotechnology, 269, 16–34. doi: https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2018.01.010
Jaramillo, A. C., Cobas, M., Hormaza, A., Sanromán, M. Á. (2017). Degradation of Adsorbed Azo Dye by Solid-State Fermentation: Improvement of Culture Conditions, a Kinetic Study, and Rotating Drum Bioreactor Performance. Water, Air, & Soil Pollution, 228 (6). doi: https://doi.org/10.1007/s11270-017-3389-2
Kauser, H., Pal, S., Haq, I., Khwairakpam, M. (2020). Evaluation of rotary drum composting for the management of invasive weed Mikania micrantha Kunth and its toxicity assessment. Bioresource Technology, 313, 123678. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123678
Shikata, A., Sermsathanaswadi, J., Thianheng, P., Baramee, S., Tachaapaikoon, C., Waeonukul, R. et. al. (2018). Characterization of an Anaerobic, Thermophilic, Alkaliphilic, High Lignocellulosic Biomass-Degrading Bacterial Community, ISHI-3, Isolated from Biocompost. Enzyme and Microbial Technology, 118, 66–75. doi: https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2018.07.001
Radziemska, M., Mazur, Z. (2015). Effect of compost from by-product of the fishing industry on crop yield and microelement content in maize. Journal of Ecological Engineering, 16, 168–175. doi: https://doi.org/10.12911/22998993/59378
Jiang, Z., Li, X., Li, M., Zhu, Q., Li, G., Ma, C. et. al. (2021). Impacts of red mud on lignin depolymerization and humic substance formation mediated by laccase-producing bacterial community during composting. Journal of Hazardous Materials, 410, 124557. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124557
Duan, Y., Awasthi, S. K., Liu, T., Verma, S., Wang, Q., Chen, H. et. al. (2019). Positive impact of biochar alone and combined with bacterial consortium amendment on improvement of bacterial community during cow manure composting. Bioresource Technology, 280, 79–87. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.02.026
Liu, H., Wang, L., Lei, M. (2019). Positive impact of biochar amendment on thermal balance during swine manure composting at relatively low ambient temperature. Bioresource Technology, 273, 25–33. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.10.033
Wang, Y., Pang, L., Liu, X., Wang, Y., Zhou, K., Luo, F. (2016). Using thermal balance model to determine optimal reactor volume and insulation material needed in a laboratory-scale composting reactor. Bioresource Technology, 206, 164–172. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.01.097
Ahn, H. K., Richard, T. L., Choi, H. L. (2007). Mass and thermal balance during composting of a poultry manure – Wood shavings mixture at different aeration rates. Process Biochemistry, 42(2), 215–223. doi: https://doi.org/10.1016/j.procbio.2006.08.005
Smith, B. A. M., Eudoxie, G., Stein, R., Ramnarine, R., Raghavan, V. (2020). Effect of neem leaf inclusion rates on compost physico-chemical, thermal and spectroscopic stability. Waste Management, 114, 136–147. doi: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.06.026
He, X., Han, L., Huang, G. (2020). Analysis of regulative variables on greenhouse gas emissions and spatial pore gas concentrations with modeling during large-scale trough composting. Journal of Cleaner Production, 277, 124066. doi: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124066
Korolev, S. A., Maykov, D. V. (2012). Identification of a mathematical model and research of the various modes of methanogenesis in mesophilic environments. Computer Research and Modeling, 4 (1), 131–141. doi: https://doi.org/10.20537/2076-7633-2012-4-1-131-141
Uvarov, R., Briukhanov, A., Spesivtsev, A., Spesivtsev, V. (2017). Mathematical model and operation modes of drum-type biofermenter. Proceedings of 16th International Scientific Conference “Engineering for Rural Development”. Jelgava, 1006–1011. doi: https://doi.org/10.22616/erdev2017.16.n212
Malakov, Yu. F., Sokolov, A. V. (2008). Model' protsessa raboty ustroystva dlya pererabotki organicheskih othodov. Aktual'nye problemy nauki v APK: Materialy 59-y mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii: Vol. 3. Kostroma: Izd. KGSHA, 166–169.
Irvine, G., Lamont, E. R., Antizar-Ladislao, B. (2010). Energy from Waste: Reuse of Compost Heat as a Source of Renewable Energy. International Journal of Chemical Engineering, 2010, 1–10. doi: https://doi.org/10.1155/2010/627930
Kaya, K., Ak, E., Yaslan, Y., Oktug, S. F. (2021). Waste-to-Energy Framework: An intelligent energy recycling management. Sustainable Computing: Informatics and Systems, 30, 100548. doi: https://doi.org/10.1016/j.suscom.2021.100548
Ghaly, A. E., Alkoaik, F., Snow, A. (2006). Thermal balance of invessel composting of tomato plant residues. Canadian Biosystems Engineering, 48, 6.1–6.11.
Bach, P. D., Nakasaki, K., Shoda, M., Kubota, H. (1987). Thermal balance in composting operations. Journal of Fermentation Technology, 65 (2), 199–209. doi: https://doi.org/10.1016/0385-6380(87)90165-8
Alkoaik, F., Abdel-Ghany, A., Rashwan, M., Fulleros, R., Ibrahim, M. (2018). Energy Analysis of a Rotary Drum Bioreactor for Composting Tomato Plant Residues. Energies, 11 (2), 449. doi: https://doi.org/10.3390/en11020449
Santos, D. A., Dadalto, F. O., Scatena, R., Duarte, C. R., Barrozo, M. A. S. (2015). A hydrodynamic analysis of a rotating drum operating in the rolling regime. Chemical Engineering Research and Design, 94, 204–212. doi: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2014.07.028
Toundou, O., Pallier, V., Feuillade-Cathalifaud, G., Tozo, K. (2021). Impact of agronomic and organic characteristics of waste composts from Togo on Zea mays L. nutrients contents under water stress. Journal of Environmental Management, 285, 112158. doi: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112158
Hryshchuk, Yu. S. (2008). Osnovy naukovykh doslidzhen. Kharkiv: NTU «KhPI», 232.
Mel'nikov, S. V., Atselkin, V. R., Roschin, P. M. (1980). Planirovanie eksperimenta v issledovaniyah sel'skohozyaystvennyh protsessov. Leningrad: Kolos, 168.
Krishna, C. (2005). Solid-State Fermentation Systems – An Overview. Critical Reviews in Biotechnology, 25 (1-2), 1–30. doi: https://doi.org/10.1080/07388550590925383
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Геннадий Анатольевич Голуб, Иван Григорович Грабар, Дмитрий Аксентиевич Деревянко, Анна Анатолиевна Голубенко, Александр Васильевич Медведский, Вячеслав Владимирович Чуба, Александр Алексеевич Соларев, Тамара Александровна Билько, Максим Юрьеович Павленко, Анатолий Васильевич Саенко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
