Modeling of the process of functioning of the digester of a biogas plant during methane fermentation of сow manure

Abstract

Ensuring high and stable biogas output during digester operation is ensured by regulating and monitoring values of control parameters. The purpose of article is to develop model of process of functioning of digester during methane mono-fermentation of cow manure with establishment of values of control parameters. A solution to model was found to obtain dynamics of biogas yield, while experimental and simulated dynamics of biogas yield were as close as possible. The developed model is system of differential equations that describe changes in concentrations of substrate nutrients Ns, methanogen biomass Mb and dynamics of biogas output in digester B. The system of differential equations was solved in Simulink package Mb=f(t), obtaining dependencies Ns= f(t) and B= f(t). The dependence B= f(t) was compared with results of studies conducted on laboratory biogas plant with digester with useful volume of 30 liters at temperature of 37°C with periodic substrate loading system. By selecting parameters of model, resulting function B= f(t) was compared with similar one obtained experimentally. It has been established that in model of digester functioning process during methane mono-fermentation of cow manure, following coefficients have following meaning: bacterial growth rate K=0.038 m3/(kg day); substrate assimilation ak=0.3; bacterial growth rate bv=0.0045 m3/(kg day); rate of conversion of nutrients into biogas yconv=0.00085 m6/kg. The obtained values of coefficients make it possible to carry out modeling of process of methane mono-digestion of cow manure and predict biogas yield at different initial values of concentration of methanogen biomass, concentration of substrate nutrients, digester volume, which is used in industrial biogas plants.

Asigurarea unui randament ridicat și stabil de biogaz în timpul funcționării fermentatorului este asigurată prin reglarea și monitorizarea valorilor parametrilor de control. Scopul articolului este de a elabora un model matematic al procesului de funcționare a unui fermentator în timpul monofermentării cu metan a gunoiului de grajd de vacă cu stabilirea valorilor parametrilor de control. Scopul articolului este de a elabora un model matematic al procesului de funcționare a unui fermentator în timpul monofermentării cu metan a gunoiului de grajd de vacă cu stabilirea valorilor parametrilor de control. Scopul a fost atins printr-un studio experimental al dinamicii producției de biogaz în timpul monofermentării cu metan a gunoiului de grajd de vacă. S-a găsit o soluție la model pentru a obține dinamica randamentului biogazului, în timp ce dinamica experimentală și simulată a fost cât mai apropiată. Modelul dezvoltat este un sistem de ecuații diferențiale care descriu modificările concentrațiilor de nutrienți Ns din substrat, biomasa metanogenului Mb și dinamica producției de biogaz în digestor B. Sistemul de ecuații diferențiale a fost rezolvat în pachetul Simulink Mb=f(t), obținându-se dependențe Ns= f(t) și B= f(t). Dependența a fost comparată cu rezultatele studiilor efectuate pe instalație de biogaz de laborator cu digestor cu volum util de 30 litri la temperatura de 37°C cu sistem de încărcare periodică a substratului. Prin selectarea parametrilor modelului, funcția rezultată a fost comparată cu una similară obținută experimental. Sa stabilit că, în modelul procesului de funcționare a digestorului în timpul monofermentării metanului a gunoiului de grajd de vacă, următorii coeficienți au următoarele semnificații: rata de creștere bacteriană K=0.038 m3/(kg zi); asimilarea substratului ak=0.3; rata de creștere bacteriană bv=0.0045 m3/(kg zi); rata de conversie a nutrienților în biogas yconv=0.00085 m6/kg. Valorile coeficienților obținute permit realizarea modelării procesului de monodigestie a metanului a gunoiului de grajd de vacă și prezicerea randamentului de biogaz la diferite valori inițiale ale concentrației biomasei metanogenului, concentrația nutrienților substratului, volumul digestorului, care este utilizat în biogazul industrial. plantelor.

Обеспечение высокого и стабильного выхода биогаза при работе ферментера обеспечивается регулированием и контролем значения управляющих параметров. Целью статьи является разработка математической модели процесса функционирования ферментера при метановом моносбраживании коровьего навоза с установлением значения управляющих параметров. Цель достигнута экспериментальным исследованием динамики выхода биогаза при метановом моносбраживании коровьего навоза. Найдено решение модели с получением динамики выхода биогаза, при этом экспериментальная и смоделированная динамики были максимально близкими. Разработанная математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих изменение в ферментере концентраций питательных веществ субстрата Ns, биомассы метаногенов Mb и динамики выхода биогаза B. Система дифференциальных уравнений была решена в пакете Simulink с получением зависимостей Mb=f(t), Ns= f(t) и B= f(t). Зависимость B= f(t) сравнивалась с результатами экспериментальных исследований, проведенных на лабораторной биогазовой установке с ферментером полезным объемом 30 л при температуре 37°С с периодической системой загрузки субстрата. Путем подбора параметров математической модели полученная функция B= f(t) сравнивалась с аналогичной, полученной экспериментальным путем. Установлено, что в математической модели процесса функционирования ферментера при метановом моносбраживании коровьего навоза имеют следующее значение коэффициенты: скорости роста бактерий K=0.038 (м3/(кг·сутки); усвоения субстрата ak=0.3; скорости роста бактерий bv=0.0045 м3/(кг·сутки); скорости превращения питательных веществ в биогаз yconv=0.00085 м6/кг. Полученные значения коэффициентов позволяют проводить математическое моделирование процесса метанового моносбраживания коровьего навоза и прогнозировать выход биогаза при разных начальных значениях концентрации биомассы метаногенов, концентрации питательных веществ субстрата, объема ферментера, а также при квазинепрерывной загрузке субстратом ферментера, которая используется во всех промышленных биогазовых установках.