Кінетика процесу сушіння композиційних біогранул на конвективному сушильному стенді

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2025.03.023
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 28, № 3, 2025 (вересень)
Сторінки 23–33

 

Автори

Ж. О. Петрова, Інститут технічної теплофізики НАН України (03057, Україна, м. Київ, вул. Марії Капніст, 2а), e-mail: bergelzhanna@ukr.net, ORCID: 0000-0001-7385-8495

В. М. Пазюк, Інститут технічної теплофізики НАН України (03057, Україна, м. Київ, вул. Марії Капніст, 2а), e-mail: vadim_pazuk@ukr.net, ORCID: 0000-0002-4955-1941

Ю. П. Новикова, Інститут технічної теплофізики НАН України (03057, Україна, м. Київ, вул. Марії Капніст, 2а), e-mail: yuliianovikova3@gmail.com, ORCID: 0000-0002-6705-1000

А. І. Петров, Інститут технічної теплофізики НАН України (03057, Україна, м. Київ, вул. Марії Капніст, 2а), e-mail: monoton10@gmail.com, ORCID: 0000-0003-4851-3115

 

Анотація

На сьогодні в Україні існує така проблема, як переповнення мулових карт, до яких постійно додають активний мул, що з часом перетворюється на мулові відкладення. Крім того, накопичені мулові відкладення застарілі, через що вони втратили переважну кількість біогенних речовин, стали занадто мінералізованими й майже непридатними до безпосереднього одержання з них біопалива. Їх ліквідація потрібна для ефективної та безперебійної експлуатації очисних споруд, а також для рекультивації земель. Однак для розв’язання цієї проблеми можна використовувати застарілі мулові відкладення при створенні палива на основі торфу та біомаси, що набуває актуальності через енергетичну кризу у всьому світі. Тому нині нагальним завданням є розробка технології переробки застарілих мулових відкладень на паливні гранули, які можуть використовуватися як паливо для, наприклад, міні-ТЕЦ, що одночасно виробляють теплову й електричну енергію. Зауважимо, що застарілі мулові відкладення мають малий вміст органічної складової, з огляду на це для кращої їх утилізації запропоновано створювати композитні гранули, а отримана при подальшому їх сушінні й спалюванні зола застосовуватиметься для виготовлення будівельних матеріалів. Метою роботи було проведення дослідження процесу сушіння композитних гранул на конвективному стенді й узагальнення результатів теоретичним розрахунком. У роботі вивчені процеси сушіння композиційних гранул на основі застарілих мулових відкладень, торфу й біомаси і визначені ефективні режими сушіння. Виявлено вплив температури теплоносія на тривалість сушіння мулоторфяної композиції: підвищення температури зменшує тривалість сушіння гранул у 1,4 раза. Крім того, при порівнянні кінетики сушіння дво- і трикомпонентних гранул при температурі 80 °С та 120 °С встановлено, що тривалість сушіння трикомпонентних гранул в 1,1–1,4 раза менша, ніж у двокомпонентних, тобто підвищення температури теплоносія зменшує тривалість сушіння трикомпонентних гранул приблизно у 1,5 раза. Теоретичні дослідження, за підсумками яких побудовані узагальнені криві сушіння композиційних гранул, розраховані за до допомогою методу В. В. Краснікова, показали збіг з експериментальними даними. З узагальнених кривих сушіння і швидкості сушіння розраховані відносні й кінетичні коефіцієнти сушіння, отримані формули тривалості сушіння дво- і трикомпонентних гранул.

 

Ключові слова: мулові відкладення, торф, біомаса, гранулювання, біогранули, сушіння.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. Муловий майданчик: пат. 27951 Україна: МПК (2006) C02F 11/00. u200705576, заяв. 21.05.2007, опубл. 26.11.2007.
  2. Снєжкін Ю. Ф., Петрова Ж. О., Пазюк В. М., Новикова Ю. П. Стан технологій очищення стічних вод в Україні та світі. Теплофізика та теплоенергетика. 2021. Т. 43. № 1. С. 5–12. https://doi.org/10.31472/ttpe.1.2021.1.
  3. Kamyab Moghadas B., Fallah Fard H., Ghasemi M. Analyzing and reusing industrial wastewater sludge in cement production: Environmental and economic implications. Results in Chemistry. 2025. Vol. 16. Article 102299. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2025.102299.
  4. Salazar-Batres K. J., Moreno-Andrade I. Review of the effects of trace metal concentrations on the anaerobic digestion of organic solid waste. BioEnergy Research. 2025. Vol. 18. Article 24. https://doi.org/10.1007/s12155-025-10826-y.
  5. Zandvoort M. H., van Hullebusch E. D., Gieteling J., Lens P. N. L. Granular sludge in full-scale anaerobic bioreactors: trace element content and deficiencies. Enzyme and Microbial Technology. 2006. Vol. 39. Iss. 2. P. 337–346. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2006.03.034.
  6. Zhang Y., Feng Y., Yu Q., Xu Z., Quan X. Enhanced high-solids anaerobic digestion of waste activated sludge by the addition of scrap iron. Bioresours Technology. 2014. Vol. 159. P. 297–304. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.02.114.
  7. Agani I. C., Suanon F., Biaou D., Yovo F., Tomètin L. A. S., Mama D., Azandegbe E. C. Biogas recovery from sewage sludge during anaerobic digestion process: effect of iron powder on methane yield. International Research Journal of Environment Science. 2016. Vol. 5 (1). P. 7–12.
  8. Gran S, Motiee H, Mehrdadi N, Tizghadam M. Impact of metal oxide nanoparticles (NiO, CoO and Fe3O4) on the anaerobic digestion of sewage sludge. Waste and Biomass Valorization. 2022. Vol. 13. P. 4549–4563. https://doi.org/10.1007/s12649-022-01816-8.
  9. Linville J. L., Shen Y., Schoene R. P., Nguyen M., Urgun-Demirtas M., Snyder S. W. Impact of trace element additives on anaerobic digestion of sewage sludge with in-situ carbon dioxide sequestration. Process Biochemistry. 2016. Vol. 51. Iss. 9. P. 1283–1289. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2016.06.003.
  10. An J., Yun S., Wang W., Wang K., Ke T., Liu J., Liu L., Gao Y., Zhang X. Enhanced methane production in anaerobic co-digestion systems with modified black phosphorus. Bioresource Technology. 2023. Vol. 368. Article 128311. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.128311.
  11. Liu L., Yun S., Ke T., Wang K., An J., Liu J. Dual utilization of aloe peel: aloe peel-derived carbon quantum dots enhanced anaerobic co-digestion of aloe peel. Waste Management. 2023. Vol. 159. P. 163–173. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2023.01.036.
  12. Núñez D., Oulego P., Collado S., Riera F. A., Díaz M. Separation and purification techniques for the recovery of added-value biocompounds from waste activated sludge. A review. Resources, Conservation and Recycling. 2022. Vol. 182. Article 106327. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106327.
  13. Geissdoerfer M., Savaget P., Bocken N. M. P., Hultink E. J. The circular economy – A new sustainability paradigm? Journal of Cleaner Production. 2017. Vol. 143. P. 757–768. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.12.048.
  14. Bharathiraja B., Yogendran D., Ranjith Kumar R., Chakravarthy M., Palani S. Biofuels from sewage sludge – A review. International Journal of ChemTech Research. 2014. Vol. 6. No. 9. P. 4417–4427.
  15. Zhao P., Shen Y., Ge S., Yoshikawa K. Energy recycling from sewage sludge by producing solid biofuel with hydrothermal carbonization. Energy Conversion and Management. 2014. Vol. 78. P. 815–821. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.11.026.
  16. Raheem A., Sikarwar V. S., He J., Dastyar W., Dionysiou D. D., Wang W., Zhao M. Opportunities and challenges in sustainable treatment and resource reuse of sewage sludge: A review. Chemical Engineering Journal. 2018. Vol. 337. P. 616–641. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.12.149.
  17. García M., Urrea J. L., Collado S., Oulego P., Díaz M. Protein recovery from solubilized sludge by hydrothermal treatments. Waste Management. 2017. Vol. 67. P. 278–287. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.05.051.
  18. Li H., Li Y., Li C. Characterization of humic acids and fulvic acids derived from sewage sludge. Asian Journal of Chemistry. 2013. Vol. 25. No. 18. P. 10087–10091. https://doi.org/10.14233/ajchem.2013.15162.
  19. Suárez-Iglesias O., Urrea J. L., Oulego P., Collado S., Díaz M. Valuable compounds from sewage sludge by thermal hydrolysis and wet oxidation. A review. Science of the Total Environment. 2017. Vol. 584–585. P. 921–934. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.01.140.
  20. Karn S. K., Kumar A. Protease, lipase and amylase extraction and optimization from activated sludge of pulp and paper industry. Indian Journal of Experimental Biology. 2019. Vol. 57. P. 201–205.
  21. Nabarlatz D., Stüber F., Font J., Fortuny A., Fabregat A., Bengoa C. Activated sludge characterization: Extraction and identification of hydrolytic enzymes. Water Production and Wastewater Treatment. Nova Science Publishers, Inc., 2011. P. 11–26.
  22. Nabarlatz D., Vondrysova J., Jenicek P., Stüber F., Font J., Fortuny A., Fabregat A., Bengoa C. Hydrolytic enzymes in activated sludge: Extraction of protease and lipase by stirring and ultrasonication. Ultrasonics sonochemistry. 2010. Vol. 17. Iss. 5. P. 923–931. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2010.02.006.
  23. Ni H., Fan X. M., Guo H. N., Liang J. H., Li Q. R., Yang L., Li H., Li H. H. Comprehensive utilization of activated sludge for the preparation of hydrolytic enzymes, polyhydroxyalkanoates, and water-retaining organic fertilizer. Preparative Biochemistry and Biotechnology. 2017. Vol. 47. Iss. 6. P. 611–618. https://doi.org/10.1080/10826068.2017.1286599.
  24. Chen J. From waste to treasure: turning activated sludge into bioplastic poly-3-hydroxybutyrate. Chinese Journal of Biotechnology. 2017. Vol. 33. Iss. 12. P. 1934–1944. https://doi.org/10.13345/j.cjb.170391.
  25. Pittmann T. U., Steinmetz H. Polyhydroxyalkanoate production as a side stream process on a municipal waste water treatment plant. Bioresource Technology. 2014. Vol. 167. P. 297–302. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.06.037.
  26. Jimenez J., Vedrenne F., Denis C., Mottet A., Déléris S., Steyer J. P., Rivero J. A. C. A statistical comparison of protein and carbohydrate characterisation methodology applied on sewage sludge samples. Water Research. 2013. Vol. 47. Iss. 5. P. 1751–1762. https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.11.052.
  27. Wei L., Wang K., Kong X., Liu G., Cui S., Zhao Q., Cui F. Application of ultra-sonication, acid precipitation and membrane filtration for co-recovery of protein and humic acid from sewage sludge. Frontiers of Environmental Science & Engineering. 2016. Vol. 10. P. 327–335. https://doi.org/10.1007/s11783-014-0763-9.
  28. Li H., Li Y., Jin Y., Zou S., Li C. Recovery of sludge humic acids with alkaline pretreatment and its impact on subsequent anaerobic digestion. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 2014. Vol. 89. Iss. 5. P. 707–713. https://doi.org/10.1002/jctb.4173.
  29. Dong Y., Zhu F. F., Zhang R. Y., Zhang D. R., Wang P., Chen B. L. Preliminary study on extraction and purification of ceramide in sewage sludge. China Environmental Science. 2019. Vol. 39. Iss. 5. P. 2063–2070.
  30. Olkiewicz M., Caporgno M. P., Fortuny A., Stüber F., Fabregat A., Font J., Bengoa C. Direct liquid–liquid extraction of lipid from municipal sewage sludge for biodiesel production. Fuel Processing Technology. 2014. Vol. 128. P. 331–338. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.07.041.
  31. Revellame E. D., Hernandez R., French W., Holmes W. E., Benson T. J., Pham P. J., Forks A., Callahan II R. Lipid storage compounds in raw activated sludge microorganisms for biofuels and oleochemicals production. RSC Advances. 2012. Vol. 2. Iss. 5. P. 2015–2031. https://doi.org/10.1039/C2RA01078J.
  32. Петрова Ж. О., Новикова Ю. П. Підготовка сировини, створення композицій та гранулоутворення з застарілих мулових відкладень, торфу та біомаси. Кераміка: наука і життя. 2021. Т. 50. № 1. С. 14–18. https://doi.org/10.26909/csl.1.2021.2.
  33. Петрова Ж. А., Слободянюк Е. С. Энергоэффективные режимы сушки коллоидных капиллярно-пористых материалов. Инженерно-физический журнал. 2019. Т. 92. № 5. С. 2269–2276.
  34. Petrova Zh. A., Slobodyanyuk E .S. Energy-efficient modes of drying of colloidal capillary-porous materials. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2019. Vol. 92. Iss. 5. P. 1231–1238. https://doi.org/10.1007/s10891-019-02038-x.
  35. Петрова Ж. О., Снєжкін Ю. Ф. Енергоефективні теплотехнології переробки функціональної сировини. Київ: Наукова думка, 2018. 192 с.
  36. Снєжкін Ю. Ф., Пазюк В. М., Петрова Ж. О., Чалаєв Д. М. Теплонасосна зерносушарка для насіннєвого зерна. Київ: ТОВ «Поліграф-Сервіс», 2012. 154 с.
  37. Ткаченко С. Й., Співак О. Ю. Сушильні процеси та установки: навчальний посібник. Вінниця: ВНТУ, 2007. 76 с.
  38. Погожих М. І., Потапов В. О., Пак А. О., Жеребкін М. В. Енергоефективні технології та техніка сушіння харчової сировини: навчальний посібник. Харків: ХДУХТ, 2016. 234 с.

 

Надійшла до редакції 14.05.2025

Прийнята 31.05.2025