analiza proceselor de fermentare anaerobã metanogenã

8/10/2019 Analiza Proceselor de Fermentare Anaerob Metanogen

1/7


2/7

2

Rata de producere a biogazului se consider ca fiindproporional cu concentraia n masa biologic

metanic x, cu volumul digestorului i cu rata de transformare a substratului, potrivit relaiei:

Lbb rVxkr (1)

Substituind rbi rLprin relaiile de definiie :

;dt

dVr bb ;

dt

dLrL (2)

rezult :

dt

dLVxk

dt

dVb

b (3)

unde :

kbfactor de proporionalitate, specific condiiilor de lucru.

2. Parametrii procesului de fermentare anaerob metanogen

Studiul procesului de fermentare anaerob, implic urmrirea urmtorilor parametrii :

producia zilnic de biogaz i volumul cumulat n timp. Din curba integrate a produciei de

biogas (fig. 2,a) rezult viteza de producere a biogazului, Vb:

dt

dVtgr bb (4)

reducerea substratului, exprimat prin evoluia parametrului substan volatile, determinat n

procente de substan uscat, respectiv n mg/l (fig. 2, b), potrivit relaiei :

dt

dLtgrL (5)

Fig. 2. Curbele de variaie ale indicatorilor :

Acurba de volum integrat de biogas, Vb=f(t) ; bcurba de variaie a concentraiei substratului,

L=f(t) ; ccurba de variaie a randamentului de transformare ; d curba coeficientului global de

transformare kT=Vb/[V(Lo-L)], pentru regim static, sau kT=Vb/(Lo-L1), pentru regim dynamic.


3/7

3

Pe baza elementelor de mai sus se poate exprima :

raportul dintre raza (viteza) de producere a biogazului i rata (viteza) de reducere a

substratului, raport care poate fi interpretat ca un randament momentan de transformare a substartului n

biogaz, pentru unitatea de timp dt (fig. 2, c), potrivit relaiei :

bT

L

b

b

kxr

r

dt

dLdt

dV

(6)

raportul dintre volumul integral debiogaz, din momentul de referin To, pn la timpul T1i

cantitatea de substan volatil redus n intervalul analizat (ToT1), (fig. 2, d), potrivit relaiei :

)( 1LLV

Vk

o

b

T

(7)

exprimat n [Nm3/kg s.v.redus), unde kTeste denumit coefficient total de transformare a substratului n

biogaz.

Analiznd graficele din figura 2 rezult c :

viteza specific de producere a biogazului (tg = dVb/dt), potrivit teoriei lui Monod, are ocretere lent la nceputul procesului, apoi o cretere accentuat, corespunztoare fazei de dezvoltare

logaritmic a metanogenelor, dup care, ca urmare a reducerii substratului, are loc o reducere a vitezei

(fig. 2, a) ;

viteza de reducere a substratului dL/dt (fig. 2, b) pune, din nou, n eviden, trei zonespecifice : prima, cu o vitez de reducere mic (tg = dL/dt), a doua, cu o vitez mare, iar a treia, din

nou cu vitez redus. Cele de mai sus scot n eviden relaia direct care exist ntre viteza de producere

a biogazului i cea de dezvoltare a metanogenelor, respective de reducere a substratului, relaie marcat

n ipoteza iniial, prin relaia Lbb rVxkr ;

raportul rb/rL= Tarat c viteza de transformare a substratului are loc la o vitez maxim, la

un timp T bine determinat, corespunztor fazei de cretere logaritmic a biocenozei (fig. 2, c) ;

coeficientul total de transformare urmrete o curb ascendent n timp, pn la o valoarelimit determinate de epuizarea reaciei. Panta maxima se nregistreaz n zona creterii logaritmice

(fig. 2, d) ;

Coeficientul global de transformare a substratului, kT,are dou valori importante :

kT max care d o imagine asupra produciei maxime de biogas, posibil prin digestia

anaerob ;

kT eccare exprim valoarea economic (practic) a coeficientului.Pentru procedeele uzuale de fermentare n regim mezofil, coeficientul de transformare, kT, are valori

de 0,6-0,9 Nm3/kg s.v. red., pentru un timp de fermentare de 15-20 zile.

Pentru exprimarea matematic a procesului de fermentare anaerob de contact, transformrile

substratului i biomasei din reactor sunt prezentate n figura 3:


4/7

4

Fig. 3. Schema sistemului de descompunere a substratului organic din nmol, prin procedeul de contactVivolumul reactorului ; Xiconcentraia biomasei metanogene ;Qidebitul de nmol brut influent ;

QR debitul de nmol ngroat recirculat ; Qw debitul de nmol ngroat evacuate n exces ;XE concentraia de nmol activ n supernatant; Lo concentraia substratului n influent ;

L1concentraia substratului n efluent, egal cu conc. substratului n reactor ;Yfactorul de cretere a

nmolului, egal cu raportul:Y=rx/rL ; Rxcreterea biomasei (dX/dt); VBvolumul de biogaz produs

3. Modelul mathematic al procesului de fermentare anaerob metanogen

Modelul matematic pentru descrierea global a procesului de fermentare anaerob metanogen, se

bazeaz pe urmtoarele ipoteze simplificatoare :

1. reducerea substratului n reactor, att pe seama creterii biomasei, ct i pe seama

producerii biogazului, exclusiv pe cale enzimatic, potrivit relaiilor :

b

bx

LkVx

r

Y

rr

(8)

r

bx

Lk

r

Y

rr (9)

unde :

rLrata de reducere a substratului ;

rxrata de cretere a biomasei ;

Yfactorul de cretere = (dx/dt)/(dL/dt) ;

Vvolumul digestorului.n calcule se folosete, de obicei, cea de-a doua relaie, deoarece metodologia de lucru n laborator

permite determinarea coeficientului kT n regim de fermentare static a nmolului, considerndu-se

valoarea economic corespunztoare vitezei maxime de transformare a substratului.

2. biomasa din reactor se dezvolt pe seama transformrii substratului i se reduce

simultan prin respiraie endogen. Bacteriile metanogene epuizate trec n stare de liz, fr s

influeneze producia de biogas.

Rata de cretere a celulei, (potrivit teoriei lui Monod) este :

xdtdxrx (10)


5/7

5

unde este viteza specific de cretere :

1 h

x

dt

dx

(11)

Viteza specific de cretere, ,se exprim prin relaia lui Monod, conform relaiei :

Lk

L

s max (12)

unde :maxviteza specific maxima de cretere (h

-1) ;

ksconstanta de saturaie.

Dac se ia n considerare respiraia endogen, ecuaia de bilan de mas biologic este :

D

s

ef

x kLk

L

x

r

max (13)

unde kDeste coeficientul de vitez al ratei de cdere sau coeficientul respiraiei endogene.

3. nmolul recirculat, QR-QW, i nmolul evacuate n exces, QW, nu conin substrat.

Ipoteza poate fi susinut dac ngroarea nmolului fermentat are loc astfel nct supernatantul s

prezinte o ncrcare organic redus (CCO < 2000 mg/l). ns, n aceste condiii se poate considera c

substana volatile din sediment reprezint masa biologic metanic, XR, care se poate accepta ca fiind

egal cu substana organic cuprins n nmolul ngroat i recirculat sau evacuate n exces.

Cunoscnd valoarea XR, rezult implicit, valoarea Xidin ecuaia de bilan :

RRwRii XQQQQX )( (14)

sau

wRi

RR

iQQQ

XQX

(15)

4.

nmolul proaspt nu conine biomas metanogen (X=0), iar substana volatil,

coninut de acesta, reprezint exclusive substratul;

5. supernatantul, Qi-QW, separate prin decantare cu polielectrolit sau prin centrifugare nu

conine nmol active (XE=0).

Indicatorul L1se exprim prin CCO sau substan organic i se exprim n mg/l. Indicatorul Lose

determin prin substana volatil i se exprim n procente de substan uscat sau n mg/l.

Modelul mathematic al procesului de fermentare anaerob metanogen cuprinde ecuaiile de bilan

pentru substrat i respectiv, biomas.

Descreterea substratului din influent, exprimat prin termenul VC(dL/dt), rezult din :- cantitatea de substrat influent - oi LQ , din care se scade ;

- cantitatea de substrat ndeprtat prin metabolizare i prin producie debiogaz :

Vk

r

Y

rVr

T

bx

L )( (16)

- cantitatea de substrat evacuat n efluent(Qi-QW) 1L , sau :

iwiLoi LQQVrLQdt

dLV )()( (17)

Prin explicitarea termenilor, ecuaia ia forma :

iwi

T

bi

oi LQQk

V

dt

dV

Y

VXLQ

dt

dLV

)()(

(18)


6/7

6

iar prin regrupare :

T

bi

woik

V

dt

dV

Y

VXLQLLQ

dt

dLV

11)()( (19)

Creterea de biomas din reactor, exprimat prin termenul V(dX/dt), rezult din :

- creterea de biomas format din degradarea substratului, VXVr ix din care se scade ;

- cantitatea de biomas pierdut prin respiraie endogen, VXk iD ;

-

cantitaea de biomas evacuate din reactor, RREwi XQXQQ

)( , cu XE=0 ;- cantitatea de biomas din nmolul recirculat, (QR-Qw)*XR, respective :

RwRRRiDi XQQXQVXkVXdt

dXV )( (20)

Prin regrupare, ecuaia devine :

RwiDi XQVXkVXdt

dXV (21)

Din acest ecuaie, la limit, pentru (dX/dt)=0, rezult :

D

Rw kVX

XQ

1

(22)

Deoarece vrsta nmolului este reprezentat de relaia :

Rw XQ

VX

1 (23)

rezult :

Dk

1

(24)

Din expresia final a substratului, la limit pentru dL/dt=0, rezult :

Y

VX

k

VVLQLLQ i

T

b

wo

11)( (25)

sau

YkX

dVY

VX

LQLLQ

T

b

i

woi

1

11)( (26)

Considernd cele dou expresii ale lui , rezult :

YkX

dVY

VX

LQLLQk

T

b

i

woi

D

1

11)(1

(27)

sau

T

b

i

woiD

kX

dV

VX

LQLLQ

Y

k

Y

1

11)(1

(28)

Prin definiie :

t

X

X

1

1 sauTX

X

1

11

(29)

Considernd c timpul hidraulic

1Q

VTh (30)

i exprimnd debitul de nmol ngroat n exces ca fracie a din debitul Qi, respectiv :

iw QaQ (31)

rezult ;


7/7

7

T

b

i

ii

o

i

D

i

i

kX

dV

X

LV

QaL

V

QL

V

Q

Y

k

YtX

X

1

111

T

b

ih

oD

i

i

kX

dV

XT

LaLL

Y

k

YtX

X

1

111

D

T

b

o

ihi

i kYkX

dVaLL

XT

Y

tX

X

1

1 )]1([

D

T

b

h

o

ii

i kk

dV

T

aLL

X

Y

tX

X

]

)1([ 1 (32)

Exprimnd viteza specific de cretere a biomasei , n funcie de concentraia substratului din

efluent L1, rezult :

1

1max

Lk

L

s

(33)

sau, prin inversarea termenilor :

1

1

max

11

L

Lks

(34)

Exprimat n funcie de , raportul 1/ devine :

Dk1

1 (35)

Prin echvalarea ecuaiilor anterioare, rezult :

D

s

kL

Lk

1

1

max1

1 (36)

sau

D

s

k

k

L 1

11

maxmax1

(37)

4. Concluzii

n cadrul modelului matematic al procesului de fermentare anaerob metanogen, s-a propus

acceptarea unui parametru specific metanogenezei, denumit coeficient de transformare, kT, care exprim

volumul specific de biogaz, rezultat din descompunerea unitii de substan volatil coninut n

substrat.

n scopul eliminrii dificultilor generate de reprezentarea substratului i a biomasei n anaerobioz,

prin acelai parametru, substana volatile, s-au formulat unele ipoteze simplificatoare i, n acest cadru s-

au utilizat ecuaiile de bilan pentru substrat i biomas.Modelul matematic, procedeele i metodele de analiz propuse, constitue un instrument util pentru

studiul fermentrii anaerobe metanogene precum i a proceselor de epurare anaerob a apelor uzate cu

ncrcare organic n instalaiile locale de epurare.

5. Bibliografie

1. Ovidiu Ianculescu, Gheorghe Ionescu, Raluca Racovieanu Epurarea apelor uzate, EdituraMatrix Rom, Bucureti, 2001.

2. Dan Ovidiu Ianculescu, Arpad Molnar, Csaba David Staii de epurare de capacitate mic,Editura Matrix Rom, Bucureti, 2002.

3.

Meglei V. Fermentarea anaerob de contact, Conferina Instalaii pentru construcii ieconomia de energie , Iai, 1996.4. Mirel I. Consideraii privind epurarea apelor uzate de la gospodrii i uniti izolate,

Conferina Instalaii pentru construcii i confortul ambiental, Timioara, 1993.

analiza proceselor de fermentare anaerobã metanogenã

Documents