Оптимизация управления периодическим процессом компостирования в биореакторе

• Автор: Московец, Андрей Леонидович
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 153 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И УСТАНОВОК КОМПОСТИРОВАНИЯ

1.1 Актуальность компостирования органических отходов

9 1.2 Основные аспекты компостирования органических отходов

1.2.1 Экологические аспекты компостирования

1.2.2 Микробиологические аспекты компостирования

1.2.3 Стадии процесса компостирования

1.3 Основные параметры процесса компостирования и методы

управления

1.3.1 Основные параметры процесса компостирования

1.3.2 Управление температурой субстрата

1.3.3 Управление влажностью субстрата
1.3.4 Управление концентрацией кислорода
1.3.5 Однородность параметров процесса компостирования
9 1.4 Анализ существующих технологий, установок и систем управления
процессом компостирования
1.4.1 Анализ технологий компостирования
1.4.2 Анализ конструкций и систем управления биореакторами для проведения компостирования
И
1.5 Постановка задачи исследования Выводы по 1 главе
2 ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ПРИ КОМПОСТИРОВАНИИ
2.1 Постановка и решение задачи оптимального управления процессом компостирования
2.2 Оптимальное управление системой вентиляции биореактора
2.3 Разработка алгоритма квазиоптимального управления системой вентиляции в режиме полной рециркуляции
2.4 Математическая модель биореактора НЕЯНОР
2.5 Апробация разработанного алгоритма квазиоптимального управления системой вентиляции на примере биореактора НЕЯНОР Выводы по 2 главе
3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОМАССООБМЕНА СУБСТРАТА КОМПОСТИРОВАНИЯ С ВОЗДУХОМ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ
3.1 Разработка математической модели тепломассообмена субстрата компостирования с воздухом системы вентиляции
3.1.1 Постановка задачи моделирования
3.1.2 Функциональное представление потока воздуха системы
вентиляции вдоль вертикальной оси биореактора
3.1.3 Уравнение модели изменения влагосодержания газовой фазы
3.1.4 Уравнение модели изменения влагосодержания субстрата
3.1.5 Уравнение модели изменения температуры газовой фазы
3.1.6 Уравнение модели изменения температуры субстрата
3.1.7 Уравнения состояния математической модели тепломассообмена
3.2 Необходимые параметры модели и эмпирические соотношения
Выводы по 3 главе
4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИ
ТЕПЛОМАССООБМЕНА СУБСТРАТА КОМПОСТИРОВАНИЯ С ВОЗДУХОМ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ
4.1 Экспериментальное исследование тепломассообмена при
компостировании
4.2 Идентификация параметров регрессионной модели
4.3 Проверка адекватности модели
Выводы по 4 главе
5 СНИЖЕНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
КОМПОСТИРОВАНИЯ В БИОРЕАКТОРЕ
5.1 Постановка задачи оптимизации профиля подачи воздуха вдоль оси
биореактора для разработанной системы вентиляции
5.2 Решение задачи оптимизации профиля подачи воздуха и анализ
полученных результатов
5.3 Описание предложенной конструкции биореактора
Выводы по 5 главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ВВЕДЕНИЕ


В навоз семена сорняков попадают при скармливании сельскохозяйственным животным кормовых культур с примесью сорной растительности, скошенной в фазе плодоношения, а также вместе с соломой . Степень засоренности удобрений жизнеспособными семенами сорняков не менее важный показатель качества удобрений, чем содержание органического вещества, азота, фосфора, калия и других элементов. При компостировании органических отходов семена сорных растений погибают от действия высокой температуры, влаги и других факторов, сопутствующих процессу разложения органических веществ. При компостировании органических отходов погибают также патогенные микроорганизмы, яйца и личинки гельминтов. Этому способствует несколько факторов, и в первую очередь воздействие температуры порядка С в течение интервала времени от нескольких минут до нескольких дней . Отсюда следует, что при компостировании органических отходов животноводства и растениеводства необходимо учитывать экологический аспект подготовки органических удобрений. Компостирование это экзотермический с выделением теплоты процесс биологического окисления, в котором органическое вещество подвергается аэробной деструкции смешанной популяцией микроорганизмов в условиях определенной температуры и влажности . Получаемый продукт компост представляет ценность как органическое удобрение и средство, улучшающее структуру почвы. Процесс компостирования представляет собой сложное взаимодействие между органическими отходами, микроорганизмами, влагой и кислородом. Кроме кислорода и воды микроорганизмы для роста и размножения нуждаются в источниках углерода, азота, фосфора, калия и определенных микроэлементах. Эти потребности обеспечиваются веществами, содержащимися в отходах. Потребляя органические отходы как пищевой субстрат, микроорганизмы размножаются и продуцируют воду, диоксид углерода, органические соединения и энергию. Часть энергии, получаемой при биологическом окислении углерода, расходуется в метаболических процессах, остальная выделяется в виде теплоты. Конечный продукт компост содержит наиболее стабильные органические соединения, продукты распада, биомассу мертвых и живых микроорганизмов, а также продукты химического взаимодействия этих компонентов . Компостирование представляет собой динамический микробный процесс, протекающий благодаря активности сообщества микроорганизмов различных групп. Основные группы организмов, участвующих в процессе компостирования, приведены в приложении А рисунок А. Эти виды можно подразделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая из них активна. Хотя количество бактерий в компосте очень велико, 8 клеток на грамм влажного компоста, изза малых размеров мкм они составляют меньше половины общей микробной биомассы. Некоторые виды образуют эндоспоры, которые выдерживают значительную температуру и высушивание. Актиномицеты растут гораздо медленнее, чем бактерии и грибы, и на ранних стадиях компостирования не составляют им конкуренции. Они более заметны на последующих стадиях процесса, когда их становится очень много, и налег белого или серого цвета, типичный для актиномицетов, отчетливо виден на глубине см от поверхности компостируемой массы. Их численность ниже численности бактерий и составляет величину порядка 5 8 клеток на грамм влажного компоста. Грибы играют важную роль в деструкции целлюлозы, и состояние компостируемой массы должно регулироваться таким образом, чтобы оптимизировать активность этих микроорганизмов. Важным фактором является температура, так как грибы погибают, если она поднимается выше С. После понижения температуры они вновь распространяются из более холодных зон по всему объему. В связи с тем, что наиболее благоприятные условия для представителей макрофауны создаются при внесении компоста в почву, при рассмотрении основных групп организмов, участвующих в активной фазе компостирования в промышленных условиях, можно ограничиться бактериями, актиномицетами и грибами . Процесс компостирования можно разделить на четыре стадии мезофильную I, термофильную II, остывания III и созревания IV рисунок 1.