11.4 Моделирование анаэробного сбраживания

Рис. 11.10 Моделирование ТАН (xSubNHX-N,1/sub) в [мг/л] в течение 2 дней = 2880 мин при Q = 300 л/мин (синий) и Q = 200 л/мин (оранжевый)

Рис. 11.11 Моделирование нитрата-N (xSubNO3-n,1/sub) в [мг/л] в течение 50 дней = 72 000 мин при QSubexc/sub = 300 л/сут (желтый), QSubexc/sub = 480 л/сут (оранжевый) и QSubexc/sub = 600 л/суб (синий)

Анаэробное сбраживание органического материала — это процесс, который включает последовательные этапы гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза (Batstone et al. 2002). Анаэробное сбраживание смеси белков, углеводов и липидов показано на рисунке 11.11. Чаще всего гидролиз рассматривается как скоролимитирующий шаг в анаэробном сбраживании сложного органического вещества (Павлостатис и Гиральдогомез 1991). Таким образом, увеличение скорости реакции гидролиза, скорее всего, приведет к более высокой скорости реакции анаэробного сбраживания. Вместе с тем повышение темпов реакции требует дальнейшего понимания связанного с этим процесса. Дальнейшее понимание может быть достигнуто с помощью экспериментов и/или математического моделирования. Поскольку существует множество факторов, влияющих, например, на процесс гидролиза, таких как концентрация аммиака; температура; состав субстрата; размер частиц; рН; промежуточные вещества; степень гидролиза; т.е. потенциал гидролизированного содержания; и время пребывания, практически невозможно оценить общую величину влияние факторов на скорость реакции гидролиза путем экспериментов. Таким образом, математическое моделирование может быть альтернативой, однако в результате всех неопределенностей в формулировании моделей, коэффициентах скорости и исходных условиях невозможно ожидать каких-либо уникальных ответов. Однако система математического моделирования позволит проводить анализ чувствительности и неопределенности для облегчения процесса моделирования. Как уже упоминалось, гидролиз — это лишь один из этапов анаэробного сбраживания. Следовательно, понимание и оптимизация полного процесса анаэробного сбраживания требует связей от гидролиза к другим процессам, происходящим во время анаэробного сбраживания, и взаимодействия между всеми этими шагами.

Известная и широко используемая ADM1 (анаэробная модель сбраживания\ #1) представляет собой структурированную модель, включающую этапы распада и гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. Распад и гидролиз — это два внеклеточных шага. На этапе распада композитные субстраты твердых частиц преобразуются в инертный материал, углеводы твердых частиц, белки и липиды. Впоследствии ферментативный гидролиз разлагает твердые углеводы, белки и липиды до моносахаридов, аминокислот и длинноцепных жирных кислот (LCFA) соответственно (Batstone et al. 2002) (см. рис. 11.12).

ADM1 — математическая модель, описывающая биологические процессы и физико-химические процессы анаэробного сбраживания как совокупность дифференциальных и алгебраических уравнений (DAE). Модель содержит 26 переменных динамического состояния с точки зрения концентраций, 19 биохимических кинетических процессов, 3 кинетических процесса переноса газа и жидкости и 8 неявных алгебраических переменных для каждой технологической единицы. В качестве альтернативы в работе Galí et al. (2009) описали анаэробный процесс как набор дифференциальных уравнений с 32 переменными динамического состояния с точки зрения концентраций и еще 6 кинетических процессов кислотно-щелочной на единицу технологического процесса. Обзор моделирования процессов анаэробного сбраживания приведен в документе Ficara et al. (2012). Тем не менее, в следующем и для некоторых первых представлений о процессе АД мы представим простую модель баланса питательных веществ АД в последовательном реакторе партии (SBR).

11.4.1 Минерализация питательных веществ

Минерализация питательных веществ может быть рассчитана с помощью следующего уравнения (Delaide et al. 2018):

$NR=100%\ раз (\ гидроразрыва {DN_ {out} -DN {in}} {TN_ {in} -DN_ {in}}) $ (11.15a)

Рис. 11.12 Упрощенная схема анаэробного сбраживания сложных органических частиц (на основе «Эль-Машад 2003»)

где NR - восстановление питательных веществ в конце эксперимента в процентах, DNsubout/Sub - общая масса растворенного питательного вещества в оттоке, DNsubin/sub - общая масса растворенного питательного вещества в притоке, а Tnsubin/sub - общая масса растворенных и нерастворенных питательных веществ в притоке (см. также рис. 11.13).

11.4.2 Органическое сокращение

Эффективность органического восстановления реактора можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

$η_ {OM} =1-\ гидроразрыва {\ дельта OM+T_ {OM\ out}} {T_ {OM\ in}} $ (11.15b)

где ΔOM - органическое вещество (т.е. ХПК, ТС, ТСС и т.д.) внутри реактора в конце эксперимента минус вещество в начале эксперимента, TsUBOM out/sub - общий отток ОМ, а TsUBOM in/sub - общий приток ОМ (см. также рис. 11.14).

** Рис. 11.13** Общая схема реактора для определения потенциала минерализации, где DN - растворенные питательные вещества в воде, ООН - нерастворенные питательные вещества в осадке (т.е. TN-DN) и TN - общее количество питательных веществ

Рис. 11.14 Общая схема реактора для определения потенциала восстановления органического материала, где Tsubom/Sub - общее органическое вещество, а ΔOM - изменение органического вещества внутри реактора