Визначення впливу гідродинаміки стічної води в біореакторах на процес масообміну

Автор(и)

  • Ольга Володимирівна Воробйова Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-2735-5904

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.266015

Ключові слова:

одержання біогазу, вплив гідродинаміки на масообмін, стічна вода, пласкі носії

Анотація

Анаеробний метод очищення стічних вод біотехнологічних та господарчих виробництв має великі перспективи для розвитку відновлювального джерела енергії. Біогаз, що виділяється в процесі роботи біореактора, можна використовувати в якості джерела енергії для виробництва електрики і тепла.

Розроблена конструкція апарату для очищення стічних вод з іммобілізованими на інертних носіях мікроорганізмами. Обігрів вихідного субстрату, що подається до біореактора, відбувався за допомогою термостаткування. Контроль температури вихідного субстрату проводиться за допомогою електронного вимірювача температур. Також проводиться контроль температури в біореакторі, для підтримки метанового росту мікроорганізмів в межах 35–37 °С, забезпечується датчиком температур. Газ, який виділяється в процесі експерименту, збирається в газозбірнику, де вимірюється його об’єм, завдяки під’єднаного до газозбірника проторованого циліндру. Додатково в газозбірнику було встановлено датчик температури для визначення маси, зібраного в дослідах біогазу. Завдяки високошвидкісної камери, що підключена до комп’ютера, було зафіксовано процес утворення та відриву газових бульбашок з біоплівки, а також товщину біоплівки на пласких носіях. Для визначення впливу гідродинаміки при ламінарному режимі подачі стічної води в каналах біореактора використовується в експериментальній установці перистатичний дозуючий насос. В дослідах змінювалась товщина біоплівки в межах від 10-3 м до 4,8·10-3 м і, через це, відповідно, змінювалась ширина каналу по якому рухався потік субстрату.

Експериментально було зафіксовано, що кількість виділеного біогазу зростає разом із збільшенням швидкості стічної води в каналах біореактора. За підсумком експериментів отримано критеріальне рівняння, за допомогою якого можна визначити коефіцієнт масовіддачі

Біографія автора

Ольга Володимирівна Воробйова, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант, асистент

Кафедра біотехніки та інженерії

Посилання

  1. Zaher, U., Cheong, D.-Y., Wu, B., Chen, S. (2007). Producing energy and fertilizer from organic municipal solid waste. Wachington State University.
  2. Osman, M. (2014). Waste Water Treatment in Chemical Industries: The Concept and Current Technologies. Journal of Waste Water Treatment & Analysis, 05 (01). doi: https://doi.org/10.4172/2157-7587.1000164
  3. Shair, J., Li, H., Hu, J., Xie, X. (2021). Power system stability issues, classifications and research prospects in the context of high-penetration of renewables and power electronics. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 145, 111111. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111111
  4. Mel’nick, V., Rhuzinska, L., Vorobiova, O. (2019). Analysis of existing bioreactors with immobilized microorganisms. Municipal Economy of Cities, 3 (149), 51–57. doi: https://doi.org/10.33042/2522-1809-2019-3-149-51-57
  5. Tchobanoglous, G., Burton, F., Tsuchihashi, R., Stensel, H. (2013). Wastewater engineering: Treatment and resource recovery: Treatment and Reuse. McGraw Hill, 2048.
  6. Hoffstadt, K., Pohen, G. D., Dicke, M. D., Paulsen, S., Krafft, S., Zang, J. W. et al. (2020). Challenges and Prospects of Biogas from Energy Cane as Supplement to Bioethanol Production. Agronomy, 10 (6), 821. doi: https://doi.org/10.3390/agronomy10060821
  7. Poeschl, M., Ward, S., Owende, P. (2010). Prospects for expanded utilization of biogas in Germany. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14 (7), 1782–1797. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.04.010
  8. Appels, L., Baeyens, J., Degrève, J., Dewil, R. (2008). Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge. Progress in Energy and Combustion Science, 34 (6), 755–781. doi: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2008.06.002
  9. Manyi-Loh, C., Mamphweli, S., Meyer, E., Okoh, A., Makaka, G., Simon, M. (2014). Inactivation of Selected Bacterial Pathogens in Dairy Cattle Manure by Mesophilic Anaerobic Digestion (Balloon Type Digester). International Journal of Environmental Research and Public Health, 11 (7), 7184–7194. doi: https://doi.org/10.3390/ijerph110707184
  10. Wu, N., M. Moreira, C., Zhang, Y., Doan, N., Yang, S., J. Phlips, E., A. Svoronos, S., C. Pullammanappallil, P. (2019). Techno-Economic Analysis of Biogas Production from Microalgae through Anaerobic Digestion. Anaerobic Digestion. doi: https://doi.org/10.5772/intechopen.86090
  11. Shafarenko, M., Vorobyova, O. (2021). Research of methane production process from biogas and pyrolysis gas. Series: Engineering Science and Architecture, 1 (161), 280–283. doi: https://doi.org/10.33042/2522-1809-2021-1-161-280-283
  12. Salomoni, C., Petazzoni, E. (2006). Pat. No. WO2006108532A1. CO2 capture and use in organic matter digestion for methane production. Available at: https://patents.google.com/patent/WO2006108532A1/zh
  13. Wellinger, A., Murphy, J., Baxter, D. (2013). The biogas handbook. Science, Production and Applications. Woodhead Publishing. doi: https://doi.org/10.1533/9780857097415
  14. Moletta, R. (1986). Dynamic modelling of anaerobic digestion. Water Research, 20 (4), 427–434. doi: https://doi.org/10.1016/0043-1354(86)90189-2
  15. Kiely, G., Tayfur, G., Dolan, C., Tanji, K. (1997). Physical and mathematical modelling of anaerobic digestion of organic wastes. Water Research, 31 (3), 534–540. doi: https://doi.org/10.1016/s0043-1354(96)00175-3
  16. Ramaraj, R., Dussadee, N. (2015). Biological Purification Processes for Biogas Using Algae Cultures: A Review. International Journal of Sustainable and Green Energy, 4 (1-1), 20–32. doi: https://doi.org/10.11648/j.ijrse.s.2015040101.14
  17. Bolle, W. L., van Breugel, J., van Eybergen, G. C., Kossen, N. W. F., van Gils, W. (1986). Kinetics of anaerobic purification of industrial wastewater. Biotechnology and Bioengineering, 28 (4), 542–548. doi: https://doi.org/10.1002/bit.260280410
  18. Pörtner, R., Faschian, R. (2019). Design and Operation of Fixed-Bed Bioreactors for Immobilized Bacterial Culture. Growing and Handling of Bacterial Cultures. doi: https://doi.org/10.5772/intechopen.87944
  19. Fang, H. H. P. (2010). Environmental Anaerobic Technology: Applications and New Developments. World Scientific Publishing, 420. doi: https://doi.org/10.1142/p706
  20. Rao, L. N. (2013). Immobilized bioreactors for the treatment of industrial wastewater - a comparative study. International Journal of Engineering Sciences & Research Technology, 2 (10), 3021–3027. Available at: https://www.academia.edu/5718366/Immobilized_Bioreactors_for_the_Treatment_Of_Industrial_Wastewater_A_Comparative_Study
  21. Choong, Y. Y., Chou, K. W., Norli, I. (2018). Strategies for improving biogas production of palm oil mill effluent (POME) anaerobic digestion: A critical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82, 2993–3006. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.036
  22. Stoodley, P., Jorgensen, F., Williams, P., Lappin-Scott, H. (1999). The role of hydrodynamics and AHL signalling molecules as determinants of the structure of pseudomonas aeruginosa biofilms. Biofilms: the good, the bad, and the ugly. BioLine Press, 323–330.
  23. Purevdorj, B., Costerton, J. W., Stoodley, P. (2002). Influence of Hydrodynamics and Cell Signaling on the Structure and Behavior of Pseudomonas aeruginosa Biofilms. Applied and Environmental Microbiology, 68 (9), 4457–4464. doi: https://doi.org/10.1128/aem.68.9.4457-4464.2002
  24. Gao, B., Zhu, X., Xu, C., Yue, Q., Li, W., Wei, J. (2008). Influence of extracellular polymeric substances on microbial activity and cell hydrophobicity in biofilms. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 83 (3), 227–232. doi: https://doi.org/10.1002/jctb.1792
  25. Horn, H., Morgenroth, E. (2006). Transport of oxygen, sodium chloride, and sodium nitrate in biofilms. Chemical Engineering Science, 61 (5), 1347–1356. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2005.08.027
  26. Langer, S., Schropp, D., Bengelsdorf, F. R., Othman, M., Kazda, M. (2014). Dynamics of biofilm formation during anaerobic digestion of organic waste. Anaerobe, 29, 44–51. doi: https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2013.11.013
  27. Saroha, A. K., Khera, R. (2006). Hydrodynamic study of fixed beds with cocurrent upflow and downflow. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 45 (6), 455–460. doi: https://doi.org/10.1016/j.cep.2005.11.005
  28. Velázquez-Martí, B., W. Meneses-Quelal, O., Gaibor-Chavez, J., Niño-Ruiz, Z. (2019). Review of Mathematical Models for the Anaerobic Digestion Process. Anaerobic Digestion. doi: https://doi.org/10.5772/intechopen.80815
  29. Pirsaheb, M., Mesdaghinia, A.-R., Shahtaheri, S. J., Zinatizadeh, A. A. (2009). Kinetic evaluation and process performance of a fixed film bioreactor removing phthalic acid and dimethyl phthalate. Journal of Hazardous Materials, 167 (1-3), 500–506. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.01.003
  30. Nor Faekah, I., Fatihah, S., Mohamed, Z. S. (2020). Kinetic evaluation of a partially packed upflow anaerobic fixed film reactor treating low-strength synthetic rubber wastewater. Heliyon, 6 (3), e03594. doi: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e03594
  31. Ahmadi, E., Yousefzadeh, S., Ansari, M., Ghaffari, H. R., Azari, A., Miri, M. et al. (2017). Performance, kinetic, and biodegradation pathway evaluation of anaerobic fixed film fixed bed reactor in removing phthalic acid esters from wastewater. Scientific Reports, 7 (1). doi: https://doi.org/10.1038/srep41020
  32. Kasatkin, A. G. (1971). Osnovnye protsessy i apparaty khimicheskoy tekhnologi. Moscow: Khimiya, 784.
  33. Pavlov K. F., Romankov P. G., Noskov A. A. (1987). Primery i zadachi po kursu protsessov i apparatov khimicheskoy tekhnologii. Leningrad: Khimiya, 576. Available at: https://www.ecomass.com.ua/wp-content/uploads/2021/01/Павлов-КФ-Романков-ПГ-Носков-АА-Примеры-и-задачи-по-курсу-ПАХТ-1987-.pdf
  34. Kolchunov, V. I. (2004). Teoretychna ta prykladna hidromekhanika. Kyiv: NAU, 336.
  35. Mel’nick, V., Vorobyova, O., Ostapenko, N. (2021). Modernization of Anaerobic Bioreactor for Waste Water Purification Plant. NTU “KhPI” Bulletin: Power and Heat Engineering Processes and Equipment, 3, 55–65. doi: https://doi.org/10.20998/2078-774x.2021.03.08
  36. Wilkie, A. C. (2005). Pat. No. US7297274B2. Fixed-film anaerobic digestion of flushed waste. Available at: https://patents.google.com/patent/US7297274B2/en
Визначення впливу гідродинаміки стічної води в біореакторах на процес масообміну

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-10-29

Як цитувати

Воробйова, О. В. (2022). Визначення впливу гідродинаміки стічної води в біореакторах на процес масообміну. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(10 (119), 14–22. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.266015

Номер

Том 5 № 10 (119) (2022): Екологія

Розділ

Екологія

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Olya Vorobyova

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.