Визначення теплового режиму процесу компостування біосировини в камері обертового типу

Автор(и)

  • Геннадій Анатолійович Голуб Національний університет біоресурсів і природокористування України, Україна https://orcid.org/0000-0002-2388-0405
  • Іван Григорович Грабар Поліський національний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-7193-6960
  • Дмитро Аксентійович Дерев’янко Поліський національний університет, Україна https://orcid.org/0000-0003-1408-6274
  • Анна Анатоліївна Голубенко Поліський національний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-5018-5312
  • Олександр Васильович Медведський Поліський національний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-7458-5337
  • В’ячеслав Володимирович Чуба Національний університет біоресурсів і природокористування України, Україна https://orcid.org/0000-0002-4119-0520
  • Олександр Олексійович Соларьов Сумський національний аграрний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-1485-0685
  • Тамара Олександрівна Білько Національний університет біоресурсів і природокористування України, Україна https://orcid.org/0000-0003-3164-3298
  • Максим Юрійович Павленко Національний університет біоресурсів і природокористування України, Україна https://orcid.org/0000-0002-9344-4895
  • Анатолій Васильович Саєнко Сумський національний аграрний університет, Україна https://orcid.org/0000-0003-1272-5298

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.230211

Ключові слова:

коефіцієнт теплопередачі, питоме активне тепловиділення, субстрат, компостування, ферментація, обертова камера

Анотація

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

Біографії авторів

Геннадій Анатолійович Голуб, Національний університет біоресурсів і природокористування України

Доктор технічних наук, професор

Кафедра тракторів, автомобілів та біоенергоресурсів

Іван Григорович Грабар, Поліський національний університет

Доктор технічних наук, професор

Кафедра процесів, машин і обладнання в агроінженерії

Дмитро Аксентійович Дерев’янко, Поліський національний університет

Доктор технічних наук

Кафедра процесів, машин і обладнання в агроінженерії

Анна Анатоліївна Голубенко, Поліський національний університет

Асистентка

Кафедра електрифікації, автоматизації виробництва та інженерної екології

Олександр Васильович Медведський, Поліський національний університет

Кандидат технічних наук

Кафедра процесів, машин і обладнання в агроінженерії

В’ячеслав Володимирович Чуба, Національний університет біоресурсів і природокористування України

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра тракторів, автомобілів та біоенергоресурсів

Олександр Олексійович Соларьов, Сумський національний аграрний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра тракторів, сільськогосподарських машин та транспортних технологій

Тамара Олександрівна Білько, Національний університет біоресурсів і природокористування України

Кандидатка біологічних наук, доцентка

Кафедра охорони праці та інженерії середовища

Максим Юрійович Павленко, Національний університет біоресурсів і природокористування України

Кандидат технічних наук, старший викладач

Кафедра тракторів, автомобілів та біоенергоресурсів

Анатолій Васильович Саєнко, Сумський національний аграрний університет

Старший викладач

Кафедра тракторів, сільськогосподарських машин та транспортних технологій

Посилання

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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.
  17. 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
  18. 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
  19. 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.
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. Hryshchuk, Yu. S. (2008). Osnovy naukovykh doslidzhen. Kharkiv: NTU «KhPI», 232.
  25. Mel'nikov, S. V., Atselkin, V. R., Roschin, P. M. (1980). Planirovanie eksperimenta v issledovaniyah sel'skohozyaystvennyh protsessov. Leningrad: Kolos, 168.
  26. 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

2021-04-30

Як цитувати

Голуб, Г. А., Грабар, І. Г., Дерев’янко, Д. А., Голубенко, А. А., Медведський, О. В., Чуба, В. В., Соларьов, О. О., Білько, Т. О., Павленко, М. Ю., & Саєнко, А. В. (2021). Визначення теплового режиму процесу компостування біосировини в камері обертового типу. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(8 (110), 41–52. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.230211

Номер

Том 2 № 8 (110) (2021): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

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

Creative Commons License

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.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.