CC BY
23
Effectiveness of Adding Extruded Wheat Straw to Poultry Manure to Increase the Rate of Biogas Yield
Polishchuk V.M.1, Shvorov S.A.1, Zablodskiy M.M.1, Kucheruk P.P.2, Davidenko T.S.1, and Dvornyk Ye.O.1
1 National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine
2 Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv,
Ukraine
Abstract. The work is aimed at increasing the biogas yield rate at biogas plants by means of co-digestion poultry manure in combination with extruded wheat straw. To achieve this goal a series of batch tests were performed to study the yields of biogas and CH4 in anaerobic fermentation of mixtures of manure with extruded wheat straw. The working hypothesis of the study was that the wheat straw addition would allow optimizing carbon to nitrogen ratio reducing thus the inhibitory effect of ammonium nitrogen contained in poultry manure on the digestion process. The most important result of the study consisted in the development of a methodology for determining the efficient ratios of extruded straw to poultry manure, at which the highest rate of methane yield was ensured. The two series of the batch assays at 36°C were performed to study the effect of the straw addition to chicken manure at high and low initial volatile solids concentrations. In each series, three types of mixtures were prepared - with 100%, 65% and 35% of poultry manure by volatile solids content in the combination with wheat straw pellets. The significance of the research results was in the fact that the use of extruded straw together with chicken manure could increase the rate of methane yield by almost two times, compared to the fermentation of only poultry manure. The positive effect of wheat straw addition to poultry manure was found in mixtures with a high initial volatile solids concentration, and hence, a high concentration of nitrogen.
Keywords: biogas, substrate, chicken droppings, straw, dry organic matter, digester, biogas plant, methane fermentation.
DOI: https://doi.org/10.52254/1857-0070.2021.3-51.10 UDC: 662.763.3.2
Eficienta adaugarii paiului de grau extrudat la gunoiul de pasare pentru cresterea ratei de productie a
biogazului
1Polisciuk V.N., 1Svorov S.A., 1Sablodski N.N., 2Kuceruk P.P., 1Davidenko T.S., 1Dvornik E.A.
1Universutatea Nationala a resurselor bioligice li utilizarea naturii Ucrainei, Kyev, Ucraina 2Institutl de termofizica tehnica Academiei Nationala a stiintei Ucrainei, Kyev, Ucraina Rezumat. Scopul lucrarii este de a creste randamentul de biogaz in plantele de biogaz datorita fermentarii comune a gunoiului de pasare cu paie de grau extrudata. Pentru a atinge acest obiectiv, au fost rezolvate urmatoarele sarcini: a fost dezvoltata o abordare metodologica pentru efectuarea cercetarilor; analiza compozitiei fizice si chimice a inoculului si a probelor de materiale organice; modelarea compozitiei componente a unui amestec de inocul si probe de testare a materialelor organice; au fost investigati experimental indicatorii productiei de biogaz si CH4 in procesul de fermentare anaeroba periodica a amestecurilo r de gunoi de grajd cu paie de grau extrudata. Ipoteza de lucru a studiului este ca adaugarea paiului de grau va optimiza raportul C: N, reducand astfel efectul inhibitor al azotului de amoniac din gunoiul de pasare asupra fermentatiei. Cel mai important rezultat al studiului este dezvoltarea unei metodologii pentru determinarea raporturilor rationale ale paiului extras si a gunoiului de grajd, la care se asigura cea mai mare rata de eliberare de metan. Semnificatia rezultatelor cercetarii consta in faptul ca utilizarea paiului extrudat impreuna cu excrementele de pui poate creste rata de eliberare a metanului de aproape 2 ori, comparativ cu fermentarea numai a excrementelor de pasare. Avantajul utilizarii peletelor din paie de grau extrudat este, de asemenea, ca astfel de materii prime sunt mai bine transportate si depozitate intr-un depozit, ceea ce este necesar pentru functionarea continua a instalatiilor de biogaz, deoarece deseurile agricole sunt sezoniere.
Cuvinte-cheie: biogaz, substrat, gunoi de grajd, paie, materie organica uscata, fermentator, planta de biogaz, fermentare cu metan.
© no^H^yK B. H., fflBopoB C. A., 3a6^ogcKHH H. H., KynepyK n. n. ^aBHgeHKO T. C., ABOPHHK E. A., 2021
Эффективность добавления экструдированной соломы пшеницы к куриному помету для
увеличения скорости выхода биогаза 1Полищук В.Н., 1Шворов С.А., 1Заблодский Н.Н., 2Кучерук П.П., 1Давиденко Т.С., 1Дворник Е.А.
Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, Киев, Украина 2Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины, Киев, Украина Аннотация. Целью работы является повышение выхода биогаза на биогазовых установках за счет совместного сбраживания птичьего помета с экструдированной соломой пшеницы. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: разработан методический подход для проведения исследований; проведен анализ физико-химического состава инокулята и образцов органических материалов; произведено моделирование компонентного состава смеси инокулята и исследуемых образцов органических материалов; экспериментально исследованы показатели выхода биогаза и СН4 в процессе периодического анаэробного сбраживания смесей помета с экструдированной соломой пшеницы. Рабочая гипотеза исследования заключается в том, что добавление пшеничной соломы позволит оптимизировать соотношение уменьшив таким образом ингибирующее воздействие
аммонийного азота, содержащегося в птичьем помете, на процесс сбраживания. Наиболее важный результат исследования заключается в разработке методики определения рациональных соотношений экструдированной соломы и помета, при которых обеспечивается наибольшая скорость выхода метана. Для изучения эффекта добавления соломы в куриный помет были проведены две серии экспериментов в периодическом режиме при температуре 36^ - с высокой и низкой исходной концентрации органического вещества. В каждой серии испытывались три вида смесей - 100%, 65% и 35% птичьего помета (по сухому органическому веществу) в сочетании с гранулами из пшеничной соломы. Значимость результатов исследования состоит в том, что использование экструдированной соломы совместно с куриным пометом позволяет увеличить скорость выхода метана почти в 2 раза, по сравнению со сбраживанием только птичьего помета. Преимущество использования гранул из экструдированной пшеничной соломы состоит также в том, что такое сырье лучше транспортировать и хранить на складе, что необходимо для непрерывной работы биогазовых установок, так как сельскохозяйственные отходы являются сезонными.
Ключевые слова: биогаз, субстрат, куриный помет, солома, сухое органическое вещество, ферментер, завод по производству биогаза, метановое брожение.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ПК - помет куриный; СВ - сухое вещество; СОВ - сухое органическое вещество; ПСП -пеллеты соломы пшеницы; ХПК - химическое потребление кислорода; - летучее твердое вещество.
ВВЕДЕНИЕ
Современное птицеводство сталкивается с огромным количеством энергетических и экологических проблем. Птичий помет, в результате его накапливания, является потенциальным источником возникновения экологического неблагополучия не только на птицефабриках, но и для экосистемы. При хранении помета может выделяться как метан, так и окись азота, имеющие влияние на парниковый эффект в десятки раз сильнее, чем СО2. С другой стороны, птичий помет совместно с другими отходами сельского хозяйства можно эффективно утилизировать путем анаэробного сбраживания в биогазовых установках, получая при этом биогаз, электрическую и тепловую энергию, ценное органическое удобрение, а также снижать при этом выбросы парниковых газов.
Эффективная технология производства биогаза из отходов животноводства и птицеводства предусматривает
использование дополнительных видов сырья, что позволяет увеличивать мощность отдельных биогазовых заводов, а также оптимизировать и стабилизировать технологический процесс выработки биогаза. Одним из самых перспективных видов такого дополнительного сырья является побочная продукция растениеводства (солома и стебли колосовых культур, кукурузы, и тому подобное). Однако, на сегодняшний день не достаточно полно изучены вопросы эффективной совместной переработки отходов птицеводства и растениеводства путем их сбраживания в биогазовых установках с целью повышения выхода биогаза и производных энергоресурсов (тепла, электроэнергии, биометана), снижения выбросов парниковых газов, что является актуальной научно-технической задачей.
I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
При кормлении птицы энергия
растительных кормов не полностью усваивается, и большая ее часть переходит в помет. Органическое вещество сырого помета нестабильно и склонно разлагаться в естественных условиях с выделением метана и окиси азота. Для помета характерно значительное содержание белка, который является источником N. При этом отношение С^ меньше оптимального, что приводит к образованию аммиака, при определенной концентрации которого наблюдается ингибирование процесса метанового сбраживания.
Вследствие высокой концентрации азота и низкого соотношения С^, помет, как моносубстрат, не очень хорошо подходит для анаэробного сбраживания. Оптимизация процесса сбраживания помета
предусматривает либо удаление избыточного азота, либо снижения его концентрации путем добавления веществ с более высоким соотношением С^. Это позволяет стабилизировать процесс брожения за счет снижения вредного воздействия аммиака на метанобразующие бактерии.
Одним из наиболее значимых органических материалов как по объемам образования, так и по географическому распространению, для стабилизации процесса брожения может использоваться солома пшеницы. Остатки растительной биомассы после сбраживания возвращаются на поля как ценное органическое удобрение.
Рабочая гипотеза исследования может быть сформирована следующим образом: добавление соломы пшеницы позволяет оптимизировать соотношение С^ в курином помете и снизить ингибирующее влияние аммонийного азота в технологическом процессе биоконверсии органического вещества.
Идея исследования основывается на выявлении закономерности процесса анаэробного сбраживания в периодическом режиме в условиях с низкой и высокой начальной концентрацией органического вещества смесей куриного помета и соломы пшеницы в их различных массовых пропорциях.
Целью работы является повышение выхода биогаза на биогазовых установках за счет совместного сбраживания куриного помета с экструдированной соломой пшеницы. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработан методический подход для проведения исследований; проведен анализ физико-химического состава инокулята и образцов органических материалов; произведено моделирование компонентного состава смеси инокулята и исследуемых образцов органических материалов; экспериментально исследованы показатели выхода биогаза и СН4 в процессе периодического анаэробного сбраживания смесей помета с экструдированной соломой пшеницы.
II. АНАЛИЗ ПОСЛЕДНИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе [1] выход биогаза при моносбраживании куриного помета оценивается как низкий из-за высокого содержания азота и наличия лигноцеллюлозного материала с подстилки. В работе [2] выход биометана из куриного помета оценивается как 173,18 л/кг VS, что ниже выхода биометана из свиного и коровьего навоза (177,36 л/кг VS и 222 л/кг VS соответственно). В работе [3] выход биометана при сбраживании куриного помета оценивается в 508 мл/г VS, в работе [4] - 694,6 мл/г VS, в работе [5] - 183 мл/г VS, а в работе [6] - выход биометана при сбраживании подстилки после содержания бройлеров составил 540 мл/г VS. В работе [7] выход биогаза при сбраживании куриного помета составлял 554 мл/г VS при содержании метана 74%, в работах [8, 9] - 0,53 м3/сут при содержании метана 60%. Как указано в работе [10], выход биогаза при одностадийном сбраживании составляет 517, 551 и 459 мл/г VS при времени гидравлического удерживания 16, 12 и 8 суток соответственно, что превышает выход биогаза при двухстадийном сбраживании (356, 359 и 386 мл/г VS соответственно). Вместе с тем, содержание метана в биогазе при двухстадийном сбраживании выше. В работе [11 ] утверждается, что чрезвычайно длинная адаптация метаногенов к сбраживанию куриного помета создала уникальные микробные сообщества, в которых метаногены МеШапоЬгеуЛаСег (76%) и МеШапосиПеш (18%) были доминирующими.
Соответственно, выход биометана составил 310 +/- 43 мл/г VS, был высокостабильным при уровне аммония 6,2 +/- 0,1 г/л и органической загрузке 2,5 г VS /(л-сутки).
В работе [12] осуществлено сравнение результатов исследования выхода биогаза
при сбраживании различных субстратов: сыворотки, навоза КРС и свиней, птичьего помета, картофельной шелухи и сточных вод от переработки картофеля. Наибольший выход биометана был получен при сбраживании птичьего помета и отходов картофеля (0,34 л CH4/r ХПК) и навоза КРС (0,33 л CH4/r ХПК). В работе [13] утверждается, что при смешивании куриного помета с кукурузным силосом наибольший выход биогаза составил 46,7 м3/т субстрата при содержании метана 53,2% был зафиксирован при соотношении куриного помета к силосу 2:1, в работе [14] - выход биометана при смешивании куриного помета и биомассы Pennisetum purpureum в соотношении 1:1 - 0,27 л/т VS, работе [15] -выход биометана при смешивании куриного помета и луговой травы в соотношении 70%:30% - 0,33 л/т VS, а куриного помета и соломы пшеницы в соотношении 50%:50% -0,34 л/т VS, в работе [16] - при сбраживании смеси куриного помета и рисовой соломы в соотношении 1:4 - 0,5738 м3/кг VS. Добавление сыворотки в куриный помет, как сказано в работе [17], обеспечивает выход биогаза на уровне 582,0 л/кг VS, биометана -381,2 л/кг VS, хотя при этом возникали проблемы с пенообразованием. В работе [18] сравнивался выход биогаза и биометана при сбраживании куриного помета (590 дм3/кг VS и 423 дм3/кг VS соответственно) и жома сахарной свеклы (434 дм3/кг VS и 300 дм3/кг VS соответственно). При этом отмечалось торможение брожения в субстрате с куриным пометом вследствие высокого уровня аммиака. Смесь этих компонентов обеспечивала выход биометана 346 дм3/кг VS, при этом торможение брожения не наблюдалось. В работе [19] для общего сбраживании рисовой соломы и куриного помета рекомендуется придерживаться скорости органической загрузки 4,8 кг VS/м3, при этом выход биогаза составляет 380 л/кг VS. В работе [20] указывается, что общее сбраживание сточных вод тайской рисовой лапши с куриным пометом, рисовой шелухой и 6 г зольной добавки обеспечивает выход биометана на уровне 311,2 мл/г VS при температуре брожения 28-30°С, а в работе [21] - совместное сбраживание рапсовой соломы с кухонными отходами и утиным пометом в соотношении 50:40:10 при двухфазном анаэробном сбраживании
обеспечивало выход биогаза 374,5 л/кг VS при содержании метана 49,7%.
В работе [22] утверждается, что ферментативная предварительная обработка куриного помета увеличивает выход биогаза примерно на 35%, в работе [23] - на 6,3-10,4% (при этом содержание в биогазе сероводорода уменьшается в 1,1-17,4 раза), в работе [1] -составляет 835,2 л/кг VS, а в работе [24] -добавление к куриному навозу до 10% древесного биоугля повышает выход биогаза на 42,3%, а концентрацию метана в биогазе на 14,3%, при этом содержание сероводорода уменьшается на 45,6%. В работе [25] была исследована гипертермическая (70°С) предварительная обработка куриного помета. В результате выход биометана достигал 518 мл/г VS, что было на 54,6% выше, чем при контрольном опыте.
Анализ проведенных исследований показывает, что требуется дальнейшее изучение вопроса интенсификации выхода биогаза из субстрата на основе куриного помета, что может быть достигнуто добавлением к нему экструдированной соломы. При этом необходимо определить рациональные граничные соотношения экструдированной соломы и помета, при которых обеспечивается максимальный выход биогаза.
III. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследования процесса метанового брожения образцов органических материалов в работе использовался метод периодического сбраживания.
Процесс метанового брожения
инициировался на основе смешивания порции образца органического материала с инокулятом (суспензия, содержащая стартовую популяцию жизнеспособных метанообразующих бактерий) в
биореакторах, герметизации биореакторов, и поддерживался путем последующего выдерживания образованных смесей в биореакторах при постоянной температуре 36±1° С. Для анализа воспроизводимости результатов исследований смеси готовились и сбраживались в 3-х повторах.
Отбор и анализ выделенного биогаза обеспечивался на опытной установке (рис.1), которая включает в себя биореактор и эвдиометр для накопления биогаза. В качестве биореактора использовано стеклянную емкость общим объемом 3 дм3. Для
герметизации газового пространства в верхней части емкости использовано капроновую крышку с штуцером для отвода газа. Штуцер соединен с помощью гибкой трубки из прозрачного ПВХ с алюминиевой трубкой, герметично встроенной в днище неподвижной части эвдиометра - пластикового патрубка диаметром 100 мм с заглушкой. Алюминиевая трубка выходит за край патрубка на 5 мм для предотвращения попадания воды в систему газоотведения. Неподвижную часть эвдиометра установлено стационарно на горизонтальной поверхности и заполнено 5% водным раствором №С1, который позволяет избегать потерь биогаза путем абсорбции.
Отбор биогаза на анализ и его отвод выполняется с помощью дополнительной отводной гибкой трубки, на конце которой вмонтирован пробковый газовый кран. Нагрев и контроль температуры воды в емкости, где находится биореактор, организовано с помощью электрического обогревателя, оборудованного терморегулятором. Для интенсивного отвода и равномерного распределения тепла от обогревателя использовано насос погруженного типа, работающий в непрерывном режиме. Измерение температуры производится с помощью лабораторного ртутного термометра.
1 - емкость биореактора; 2 - неподвижная часть эвдиометра; 3 - подвижная часть эвдиометра; 4 - емкость с теплоносителем; 5 - трубка ПВХ; 6 - газовый кран; 7 -газоанализатор; 8 - рабочая среда биореактора; 9 - внутреннее пространство эвдиометра с биогазом; 10 - теплоноситель (вода); 11 - 5% водный раствор НаС1; 12 - ртутный термометр; 13 - терморегулятор (ЛТ= ± 1° С).
Рис. 1. Схема опытной установки для периодического метанового брожения.1
При выделении биогаза за счет повышения давления газа в герметичной системе биореактор-эвдиометр, подвижная часть эвдиометра подымается на высоту, соответствующую определенному значению объема газа на градуированной шкале. Фиксация объема выделенного биогаза осущга&ьксь дискретно, путем
визуального считывания с градуированной шкалы эвдиометра. Измеренный объем
биогаза приводился к нормальным условиям (273,15 К; 101,3 кPa). Содержание СН4 в биогазе определялось с помощью портативного цифрового газоанализатора типа Landtec GEM-500.
Для экспериментального исследования в работе использованы следующие виды органических материалов:
- помет куриный (получен из цехов взрослой птицы бройлеров Белоцерковской птицефабрики);
- гранулы из соломы пшеницы (изготовлены в Национальном университете биоресурсов и природопользования Украины);
- инокулят (получен в лаборатории Института технической теплофизики НАН
Украины).
Согласно результатам анализа химического состава органического вещества предоставленного образца куриного помета,
массовое соотношение С^ в нем составляет 6,9, C:P - 29,1, C:S - 59,5. Принято считать, что оптимальным значением для роста популяции микроорганизмов является соотношение С:№Р 150:5:1. Соотношение в исследуемом образце куриного помета составляет 29,1:4,2:1 и, таким образом, не является оптимальным, в частности по соотношению С^.
Результаты анализа физико-химического состава образцов органических материалов приведены в табл. 1.
Таблица I2
Результаты анализа физико-химического состава образцов органических материалов
Органический Содержание Содержание Содержание Содержание C:N
материал Organic material сухих веществ (СВ), % свежей массы сухого органического вещества (СОВ), % СВ органического углерода (СоргХ % СОВ общего азота (Кбщ), % СОВ Total
Total solids Volatile solids Organic carbon nitrogen
(TS) content, (VS) content, % (Corg) content, (Not)
% to raw to TS % to VS content, % to
matter VS
Помет куриный (ПК) 31,78 72,08 50,90 7,36 6,9
Poultry manure
Гранулы соломы пшеницы (ПСП) 91,21 90,65 50,35 0,41 122,8
Wheat straw pellets
Инокулят Inoculum 1,99 55,00 - - -
Для исследования эффективности добавления соломы в куриный помет образованы две группы смесей.
Первая группа смесей создавалась таким образом, чтобы концентрация органического вещества в ней была с одной стороны максимально возможной, и биологически безопасной - с другой. Идея заключалась в образовании такой начальной концентрации азота в смеси инокулята с пометом, которая была бы приближенной к критической, с точки зрения аммонийного ингибирования. При этом концентрация органического вещества и азота не должна быть настолько высокой, что могло бы привести к полному прекращению процесса метанового брожения.
Вторая группа смесей формировалась на
основе принципа минимального воздействия на популяции бактерий инокулята с тем, чтобы максимально быстро и полно произвести биодеструкцию входного сырья. Данный принцип положен в основу известных методов исследования биодоступного потенциала выхода СН из различных видов сырья, например, в немецком стандарте 4630, где рекомендуется стартовое соотношение массы органического вещества субстрата к органическому веществу инокулята не выше 0,5. В данной работе на основе этих двух подходов образованы: а) смеси инокулята и 100% помета; б) инокулята, помета 65% (по массе СОВ) и гранул соломы пшеницы 35% (по массе СОВ); в) инокулята, помета 35% (по массе СОВ) и гранул соломы пшеницы 65% (по массе СОВ) (табл. 2).
Таблица 23
Результаты моделирования состава исследовательских смесей по СОВ и C:N
Показатель Indicator 2 Appendix 1 Опытная Experimenta смесь, № mixture, №
1 2 3 4 5 6
Куриный помет, доля СОВ в смеси исследуемых органических материалов,% Poultry manure, VS share in the mixture of test materials, % 100% 65% 35% 100% 65% 35%
Гранула из соломы пшеницы, доля СОВ в смеси исследуемых органических материалов,% Wheat straw pellets, VS share in the mixture of test materials, % 0% 35% 65% 0% 35% 65%
Начальная концентрация СОВ смеси исследуемых органических материалов в биореакторе, гСОВ/кг Initial concentration of volatile solids of the mixture of test materials in bioreactor, gVS/Kg 59 58 57 5 5 5
Начальная концентрация N<^ исследуемых органических материалов в биореакторе, rN/кг Initial concentration of Ntot of the mixture of test materials in bioreactor, gN/Kg 4,34 2,86 1,67 0,40 0,26 0,15
C:N 6,9 10,3 17,3 6,9 10,3 17,2
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Представленные исследования отличаются от изложенных в разделе II (Анализ последних исследований) тем, что для увеличения выхода биогаза к куриному помету добавлялись гранулы
экструдированной соломы пшеницы.
В результате проведенных
экспериментальных исследований удалось подтвердить гипотезу о позитивном влиянии на показатели выхода биогаза добавления соломы к куриному помету. Основным результатом исследований является тот факт, что при начальной высокой концентрации органического вещества в реакторе 58-59 гСОВ/кг, наибольшая достигнутая скорость выделения СН4 из смесей помета с соломой повышается до 2 раз, в сравнении с моносбраживанием помета. Данный результат получен впервые и указывает на перспективность добавления пеллетов соломы пшеницы в процессе анаэробного сбраживания куриного помета, в особенности для высоконагружаемых биореакторов.
Длительность периода наблюдений за ходом процесса метанового брожения первой группы опытных смесей составила 66,62 сутокррЗляхвторой группы смесей - 32,69
суток. Сравнение кривых зависимости изменения общего выхода биогаза во времени для смесей №1-№3 (рис. 2) показывает, что первые 7-8 суток накопление биогаза происходило тем интенсивнее, чем больше в составе смеси было куриного помета. После 7-8 суток наблюдений, наоборот, накопление биогаза происходило тем быстрее, чем меньше была доля СОВ куриного помета в смеси. При этом объемы накопленного биогаза для всех опытных смесей №1 -№3 начали выравниваться, начиная с 42-43 суток наблюдений, а для смесей помета с соломой №2 и №3 - начиная с 34-35 суток.
Сравнение кривых зависимостей изменения общего выхода биогаза по времени для опытных смесей №4-№6 (рис. 3) показывает, что накопление биогаза происходило тем быстрее, чем больше была доля СОВ куриного помета в смеси в течение всего периода наблюдений.
Сравнивая кривые зависимости скорости выхода биогаза для опытных смесей №1 -№3 (рис. 4) можно увидеть, что характер их взаимного развития подобен накопительным кривым выхода биогаза, с теми же временными промежутками характерных изменений.
« -a
--1
я ш
0 ^ a &
ю a
Ч О
1 s
3 <D И ъ>
a —
t i ю g
Об
45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 4 0
лпОСЙ Bft^ -o
/ У
J /
f
■) J
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Время удержания, суток Retention period, days
-о-СМЕСЬ №3 - РМЗ5%+WSP65%_5 7 гСОВ/кг (MIX №3 - PM35W-WSP65%_57 gVS/Kg) СМЕСЬ №2 - PM65 %+WSP3 5 %_5 8 гСОВ/кг (MIX №2 - РМб 5 %+WSP3 5 %_5 8 gVS/Kg) СМЕСЬ №1- PM100% 59 гСОВ/кг (MIX №1 - PM100% 59 gVS/Kg) PM- птичий помет; WSP - гранулы пшеничной соломы Рис. 2. Общий выход биогаза по времени при сбраживании смесей №1-№3. 4
3500
3000
5 2 2500 к ш
0 ^ в ю
10 Sj Ч о
1 £
и >
«
В —
a д
ю з
о я
2000
1500 1000 500
-O-O-O-O— -o-o—о
-o-o—o-o— -o-o—о
Jp
J /
10 15 20
Время удержания, суток Retention period, days
25
30
35
-О-СМЕСЬ №6 - РМЗ 5 %+WSPб5 %_5 гСОВ/кг (MIX №6 - PM35%+WSP65%_5 gVS/Kg) -О-СМЕСЬ №5 - РМ65 %+WSP3 5 %_5 гСОВ/кг (MIX №5 - PM65%+WSP35%_5 gVS/Kg) СМЕСЬ №4- РМ100%_5 гСОВ/кг (MIX №4 - РМ100%_5 gVS/Kg)
1 Appendix 1
PM - птичий помет; WSP - гранулы из пшеничной соломы
Рис. 3. Общий выход биогаза по времени при сбраживании смесей №4-№6.
5
3000
о
2 <o к
XD 2
a ti ft 3
1 °
it Г
О
2500 -
2000 -
1500
1000
500
1
1
1
к у aoiSbfc ооооо
©э-е ■■Ов,
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Время удержания, суток Retention period, days
-о-СМЕСЬ №3 - РМЗ5%+WSP65%_57 гСОВ/кг (MIX №3 - PM35%+WSP65%_57 gVS/Kg) -о-СМЕСЬ №2 - PM65%+WSP35%_58 гСОВ/кг (MIX №2 - PM65%+WSP35%_58 gVS/Kg) СМЕСЬ №1- PM100%_59 гСОВ/кг (MIX №1 - PM100%_59 gVS/Kg)
Рис. 4. Скорость выхода биогаза по времени при сбраживании смесей №1-№3.6
Из рис. 4 видно, что первые 7-8 суток наиболее стремительно росла скорость выхода биогаза из опытной смеси со 100% содержанием куриного помета, а наименее интенсивно - с содержанием СОВ помета в смеси 35%. За этот же период были зафиксированы максимальные значения скорости выхода биогаза в течение всего периода наблюдений для всех опытных смесей, у которых была большая доля СОВ помета в смеси.
Аналогично, значения кумулятивной скорости биогаза из всех опытных смесей №1-№3 выровнялись за период 42-43 суток.
Скорость выхода биогаза по времени при сбраживании опытных смесей №4-№6 была тем больше, чем больше была доля СОВ куриного помета, как видно из рис. 5.
Удельный выход биогаза за периоды наблюдений 66,6 суток и 32,7 суток, соответственно для опытных смесей первой группы №1-№3 и второй группы №4-№6, составил от 279,1 до 507,4 нл/кгСОВ (рис. 6).
Для смеси №1 со 100% содержанием куриного помета данный показатель составил 426,9-438,5 нл/кгСОВ, для смеси №2 - 446,1-507,4 нл/кгСОВ, для смеси №3 -483,2-495,7 нл/кгСОВ, для смеси №4 - 397,0433,9 нл/кгСОВ, для смеси №5 - 400,2-403,1
нл/кгСОВ, для смеси №6 - 279,1-406,7 нл/кгСОВ.
Общим выводом по результатам сопоставления данного показателя для различных смесей является то, что удельный выход биогаза из смесей с высокой начальной концентрацией СОВ в биореакторе заметно выше, чем для смесей с аналогичной пропорцией СОВ различных субстратов и низкой начальной концентрацией СОВ в биореакторе.
Верхнее значение установленного показателя для смесей №4-№6 является наибольшим для смеси с 100% помета, на 6,37,1% большим показателя для смесей №5 и №6 с добавлением соломы пшеницы, что указывает на относительно больший потенциал образования биогаза из помета, по сравнению с соломой пшеницы. Данный результат согласуется с исследованиями других авторов и табличными данными, приведенными в различных литературных источниках.
При сбраживании смесей №1-№3 общий выход биогаза за 66,6 суток с опытной смеси №1 из 100% помета, наоборот, на 13-15% меньший, по сравнению со смесями с добавлением соломы пшеницы. С учетом того, что на 67 сутки наблюдений
6 Appendix 1
119
осуществлялось дальнейшее накопление биогаза для первой группы
исследовательских смесей, можно
предположить, что за указанный период
развития процесса в заданных условиях органическое вещество помета не успело разложиться с образованием биогаза в полной мере.
-СМЕСЬ №6 - РМЗ5%+WSP65%_5 гСОВ/кг (MIX №6 - PM35%+WSP65%_5 gVS/Kg] ■СМЕСЬ №5 - PM65%+WSP35%_5 гСОВ/кг (MIX №5 - PM65%+WSP35%_5 gVS/Kg) СМЕСЬ №4- PM100%_5 гСОВ/кг (MIX №4 - PM100%_5 gVS/Kg) Рис. 5. Скорость выхода биогаза по времени при сбраживании смесей №4-№6. 7
Рис. 6. Удельный выход биогаза за период наблюдений.
Я 8
Накопленный выход СН4 за весь период наблюдений для опытных смесей №1 составил 262,8-267,9 нлСЩ/кгСОВ, смесей №2 - 269,3-306,6 нлСЩ/кгСОВ, смесей №3 -
286,9-292,6 нлСЩ/кгСОВ, смесей №4
251,8-320,2 нлСЩ/кгСОВ, смесей №5
275,4-291,2 нлСЩ/кгСОВ, смесей №6 208,0-297,7 нлСЩ/кгСОВ (рис. 7).
7, 8 Appendix 1
120
Рис. 7. Удельный выход СН4 за период наблюдений.
Наивысшие значения удельного выхода СН4 для всех типов смесей составили 267,9320,2 нлСЩ/кгСОВ. Заметно, что удельный выход СН4 (по максимальным установленным значениям) из куриного помета в смесях №4-№6 выше, чем для соломы пшеницы, что коррелируется с данными в литературных источниках. В проведенном исследовании такая разница составила 7-9%. Напротив, уменьшение доли СОВ куриного помета в смесях №1-№3 привело к увеличению величины удельного накопленного выхода СН4 за период 66,6 суток на 9-14%.
При дневной загрузке метантенка 20,5 т куриного помета и 3,1 т гранул соломы в полученном биогазе 60,5% метана, период окупаемости биогазового комплекса будет составлять 4,4 года (рис. 8).
V. ВЫВОДЫ
1. Разработана новая методика определения рациональных граничных соотношений экструдированной соломы и помета, при которых обеспечивается максимальный выход биогаза. Смешивание помета с соломой в пропорциях 65%: 35% и 35%:65% по массе СОВ при начальной концентрации СОВ 57-59 гСОВ/кг, позволило увеличить значение наибольшей достигнутой скорости выхода СН4 в перлрршерком процессе анаэробного сбраживания в 1,6 и 2 раза соответственно
по сравнению с контрольным образцом со 100% содержанием помета.
2. Экспериментально подтверждено, что добавление соломы пшеницы к куриному помету позволяет снизить ингибирующее влияние аммонийного азота в технологическом процессе биоконверсии органического вещества, что обосновывается оптимальным соотношением С^ в смеси.
3. Положительный эффект от добавления соломы пшеницы к помету наблюдается в смесях с высокой стартовой концентрацией органического вещества, а следовательно, и высокой стартовой концентрацией азота.
4. На основе экспериментально
установленных
сравнительного
рекомендовать
гранулированном
дополнительного
зависимостей и
анализа можно
солому пшеницы в виде в качестве субстрата к помету, что позволяет стабилизировать процессы метанового брожения, в частности в высоконагруженных биореакторах, и увеличивать удельную скорость образования биогаза и СН4.
5. В рамках продолжения данной работы на основе предлагаемого научно -методического аппарата целесообразно в зависимости от условий эксплуатации для конкретной биогазовой установки проводить обоснование технологического оптимума доли соломы пшеницы в смеси с пометом.
020002090102000211020000020002090102000211
0210010200021101020002092702090102000200020901020002
0102000211010200021001020053090002000200020901020002
Рис. 8. Схема производства биогаза из куриного помета и гранулированной соломы с выработкой тепловой и электрической энергии. 10
Appendix 1
1Fig. 1. Scheme of an experimental plant for batch
methane fermentation: 1 - capacity of the bioreactor;
2 - fixed part of the eudiometer; 3 - moving part of
the eudiometer; 4 - container with coolant; 5 - PVC
tube; 6 - gas cock; 7 - gas analyzer; 8 - working
environment of the bioreactor; 9 - internal space of
the eudiometer with biogas; 10 - coolant (water); 11
- 5% aqueous NaCl solution; 12 - mercury
thermometer; 13 - thermostat (ДТ = ± 1 ° C).
4Fig. 2. Cumulative time yield of biogas during
fermentation of mixtures No. 1-No. 3.
5Fig. 3. Cumulative time yield of biogas during
fermentation of mixtures No. 4-No. 6.
6Fig. 4. Cumulative time velocity of biogas during
fermentation of mixtures No. 1-No. 3.
7Fig. 5. Cumulative time velocity of biogas during
fermentation of mixtures No. 4-No. 6.
8Fig. 6. Cumulative biogas yield during the
observation period.
9Fig. 7. Cumulative CH4 output during the observation period.
10Fig. 8. Scheme of biogas production from chicken manure and pelleted straw for the production of heat and electricity.
2Table 1. Results of the analysis of the physicochemical composition of samples of organic materials.
3Table 2. Results of modeling of the composition of the test mixtures for DOM and C : N.
Библиография (References)
[1] Bhatnagar, N., Ryan, D., Murphy, R., Enright, A.M. Trace Element Supplementation and
Enzyme Addition to Enhance Biogas Production by Anaerobic Digestion of Chicken Litter. Energies. 2020. Vol. 13, Iss. 13. AN. 3477. doi: 10.3390/en13133477.
[2] Thu, C.T.T., Sommer, S.G., Trach, N.X. Biogas Production from Chicken, Pig and Cow Manure: Influence of Biomass Composition on the Methane Yield. For results: International Conference on Frontiers of Environment, Energy and Bioscience (ICFEEB) (Oct 24-25, 2013, Beijing, China). 2013. P. 462-467.
[3] Jurgutis, L., Slepetiene, A., Volungevicius, J., Amaleviciute-Volunge, K. Biogas Production from Chicken Manure at Different Organic Loading Rates in a Mesophilic Full Scale Anaerobic Digestion Plant. Biomass & Bioenergy. 2020. Vol. 141. AN. 105693. doi: 10.1016/j.biombioe.2020.105693.
[4] Ware, A., Power, N. Potential of Energy Generation from the Biogas Transformation of Poultry Slaughterhouse By-Products. For results: 23rd European Biomass Conference and Exhibition (EU BC and E) (Jun 01-04 2015, Vienna, Austria), Papers Of The 23rd European Biomass Conference. 2015. P. 98103.
[5] Liu, X.Y., Wang, J.J., Nie, J.M., Wu, N., Yang, F., Yang, R.J. Biogas Production of Chicken Manure by Two-stage Fermentation Process. For results: fourth International Conference on Energy Materials and Environment Engineering (ICEMEE) (Apr 13-15, 2018, Kuala Lumpur, Malaysia). E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 38. AN. 01048. doi: 10.1051/e3sconf/20183801048.
[6] Victorin, M., Sanchis-Sebastia, M., Davidsson,
' Appendix 1
A., Wallberg, O. Production of Biofuels from Animal Bedding: Biogas or Bioethanol? Influence of Feedstock Composition on The Process Layout. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019. Vol. 58, Iss. 48. P. 21927-21935. doi: 10.1021/acs.iecr.9b04945.
[7] Dalkilic, K., Ugurlu, A. Biogas Production from
Chicken Manure at Different Organic Loading Rates in a Mesophilic-Thermopilic Two Stage Anaerobic System. Journal of Bioscience and Bioengineering. 2015. Vol. 120, Iss. 3. P. 315322. doi: 10.1016/j.jbiosc.2015.01.021.
[8] Garfi, M., Ferrer, M.L., Velo, E., Ferrer, I. Evaluating Benefits of Low-Cost Household Digesters for Rural Andean Communities. Renewable and sustainable energy reviews.
2012. Vol. 16. P. 575-581. doi: 10.1016/j.rser.2011.08.023.
[9] Krishania, M., Kumar, V., Kumar, V.V., Malik,
A. Analysis of Different Techniques Used for Improvement of Biomethanation Process: A Review. Fuel. 2013. Vol. 106. P. 1-9. doi: 10.1016/j.fuel.2012.12.007.
[10] Dalkilic, K., Ugurlu, A. Influence of Hydraulic Retention Time and Reactor Configuration During Fermentation of Diluted Chicken Manure. Applied Biochemistry and Biotechnology. 2017. Vol. 181, Iss. 1. P. 157176. doi: 10.1007/s12010-016-2205-6.
[11]. Bi, SJ., Westerholm, M., Hu, WR., Mahdy, A., Dong, TL., Sun, YC., Qiao, W., Dong, RJ. The Metabolic Performance and Microbial Communities of Anaerobic Digestion of Chicken Manure under Stressed Ammonia Condition: A Case Study of a 10-year Successful Biogas Plant. Renewable Energy. 2021. Vol. 167. P. 644-651. doi: 10.1016/j.renene.2020.11.133.
[12] Dareioti, M.A., Vgenis, T.T., Vavouraki, A.I., Kornaros, M. Assessment of Metane Production from Typical Western Greece Agro-Industrial Wastes. For results: 13th International Conference on Environmental Science and Technology (CEST) (Sep 05-07,
2013, Athens, Greece), Proceedings of the International Conference on Environmental Science and Technology. 2013.
[13] Johari, S.A.M., Aqsha, A., Osman, N.B., Shamsudin, M.R., Ameen, M., Dol, S.S. Enhancing Biogas Production in Anaerobic Co-Digestion of Fresh Chicken Manure with Corn Stover at Laboratory Scale. SN Applied Sciences. 2020. Vol. 2, Iss. 7. AN. 1260. doi: 10.1007/s42452-020-3063-y.
[14] Wilawan, W., Pholchan, P., Aggarangsi, P. Biogas Production from Co-digestion of Pennisetum Pururem cv. Pakchong 1 Grass and Layer Chicken Manure Using Completely Stirred Tank. For results: International Conference on Alternative Energy in Developing Countries and Emerging Economies (AEDCEE) (May 30-31, 2013, Bangkok, Thailand). Energy Procedia. 2014.
Vol. 52. P. 216-222. doi: 10.1016/j.egypro.2014.07.072.
[15] Rahman, M.A., Moller, H.B., Saha, C.K., Alam, M.M., Wahid, R., Feng, L. Optimal Ratio for Anaerobic Co-Digestion of Poultry Droppings and Lignocellulosic-rich Substrates for Enhanced Biogas Production. Energy for Sustainable Development. 2017. Vol. 39. P. 5966. doi: 10.1016/j.esd.2017.04.004.
[16] Srichat, A., Suntivarakorn, R., Winitchai, S. Biogas Production Fom Broiler Chicken Manure Using Continuous Stirred Tank Reactor System. For results: International Conference on Agricultural, Food and Biological Engineering (ICAFBE) (2012, Guangzhou, China), Journal of Biobased Materials and Bioenergy. 2013. Vol. 7, Iss. 2, SI. P. 247-251. doi: 10.1166/jbmb.2013.1321.
[17] Ramos-Suarez, J.L., Vargas-Avendano, C.L., Mata-Gonzalez, J., Camacho-Perez, A. Evaluation of Poultry Manure and Goat Cheese Whey Anaerobic Co-Digestion. Spanish Journal of Agricultural Research. 2019. Vol. 17, Iss. 2. e0302. doi: 10.5424/sjar/2019172-14577.
[18] Borowski, S., Kucner, M., Czyzowska, A., Berlowska, J. Co-Digestion of Poultry Manure and Residues from Enzymatic Saccharification and Dewatering of Sugar Beet Pulp. Renewable Energy. 2016. Vol. 99. P. 492-500. doi: 10.1016/j.renene.2016.07.046.
[19] Mei, ZL., Liu, XF., Huang, XB., Li, D., Yan, ZY., Yuan, YX., Huang, YJ. Anaerobic Mesophilic Codigestion of Rice Straw and Chicken Manure: Effects of Organic Loading Rate On Process Stability and Performance. Applied Biochemistry and Biotechnology. 2016. Vol. 179, Iss. 5. P. 846-862. doi: 10.1007/s12010-016-2035-6.
[20] Jijai, S., Muleng, S., Noynoo, L., Siripatana, C. Kinetic Model of Biogas Production From Co-Digestion of Thai Rice Noodle Wastewater with Rice Husk and Different Type of Manure with Ash Supplement. For results: International Conference on Sustainable Energy and Green Technology (SEGT) (Dec 11-14, 2019, Bangkok, Thailand). IOP Conference Series-Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 463. AN. 012008. doi: 10.1088/1755-1315/463/1/012008.
[21] Wang, CQ., Hong, F., Lu, Y., Li, XN., Liu, HM. Improved Biogas Production and Biodegradation of Oilseed Rape Straw by Using Kitchen Waste and Duck Droppings as Co-Substrates in Two-Phase Anaerobic Digestion. Plos One. 2017. Vol. 12, Iss. 8. AN. e0182361. doi: 10.1371/journal.pone.0182361.
[22] Kucuker, M.A., Demirel, B., Onay, T.T. Enhanced Biogas Production from Chicken Manure via Enzymatic Pretreatment. Journal Of Material Cycles And Waste Managenent. 2020. Vol. 22, Iss. 5. P. 1521-1528. doi: 10.1007/s10163-020-01039-w.
[23] Rubezius, M., Bleizgys, R., Venslauskas, K., Navickas, K. Influence Of Biological Pretreatment of Poultry Manure on Biochemical Methane Potential and Ammonia Emission. Biomass & Bioenergy. 2020. 142. AN. 105815. doi: 10.1016/j.biombioe.2020.105815.
[24] Kolodynskij, V., Baltrenas, P., Dobele, G. Experimental Research of Biogas Production by Using a Three-Stage Semi-Continuous Bioreactor with Modified Mixer. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and
Environmental Effects. 2020. doi: 10.1080/15567036.2020.1772909.
[25] Yin, D.-M., Qiao, W., Negri, C., Adani, F., Fan, R., Dong, R.-J. Enhancing Hyper-Thermophilic Hydrolysis Pre-Treatment of Chicken Manure for Biogas Production by In-Situ Gas Phase Ammonia Stripping. Bioresourse Technology. 2019. Vol. 287. AN. 121470. doi: 10.1016/j.biortech.2019.121470.
Сведения об авторах.
Полищук Виктор
Николаевич. Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, кафедра охраны труда и биотехнических систем в животноводстве, доктор
технических наук, профессор. Основная область
исследований: технологии и технические средства
производства биотоплива. E-mail:
Заблодский Николай
Николаевич. Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины. Заместитель директора
института энергетики,
автоматики и энергосбережения, доктор технических наук, профессор. Основная область исследований: технологии конверсии биомассы в высококачественный биогаз по сокращенной ферментации под воздействием электромагнитного поля, переработка побочных продуктов птицеводства в топливо, биологические корма и удобрения.
E-mail: [email protected] Давиденко Тарас Сергеевич.
Национальный университет биоресурсов и
природопользования Украины, кафедра автоматики и робототехнических систем имени академика И.И. Мартыненка, аспирант.
Основная область
исследований:
автоматизированный контроль технологических процессов. E-mail:
Шворов Сергей Андреевич.
Национальный университет биоресурсов и
природопользования Украины, кафедра автоматики и робототехнических систем имени академика И.И. Мартыненка, доктор
технических наук, профессор. Основная область
исследований: создание
робототехнических систем для сбора и переработки органического сырья. E-mail: [email protected] Кучерук Петр Петрович Институт технической теплофизики НАН Украины, старший научный сотрудник отдела теплофизических проблем биоэнергетики. Кандидат технических наук (PhD).
Основная область
исследований: технологии и экономика производства и энергетической утилизации биогаза, оценка воздействия парниковых газов на атмосферу, переработка отходов АПК. E-mail: [email protected]
Дворник Евгений
Алексеевич. Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, кафедра технического сервиса и инженерного менеджмента имени Н.П. Момотенка, аспирант. Основное
направление исследований: технологии и технические средства производства
биотоплива. E-mail:
