CC BY
0
XXXXXXXXXXXX TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT XXXXXXXXXXXX
"WWWW^^WWWW^^WW FflR THF AGR/l-INDUSTRIAI ГПМР1 ГУ^^лйлллл^тллй^
Научная статья УДК 628.336.6
Б01: 10.24412/2227-9407-2024-7-28-40
Исследование энергоэффективной технологии обработки отходов животноводства в биореакторе с использованием солнечной энергии
Марианна Викторовна ПаршиковаВладимир Вениаминович Касаткин2, Алексей Юрьевич Закиров3, Рамис Зульфатович Ахатов4, Станислав Геннадьвич Паршиков5
1 5Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова, Ижевск, Россия
2 3 '4 Удмуртский Государственный аграрный университет, Ижевск, Россия
1 marianna.svalova@yandex.rU' https://orcid.org/0009-0001-4151-8H9
2 kasww @тоИ. ти
3 alekseyzakirov@yandex. т, https://orcid. org/0009-0000-0105-1174 4ramis.ahatov@gmail.com, https://orcid.org/0009-0003-0472-9229 5stas199373@yandex.т, https://orcid.org/0009-0003-9477-3935
Аннотация
Введение. Использование солнечной энергетики оправдано в тепличном хозяйстве. Особую популярность имеет гибридная система сбора солнечной энергии, позволяющая сократить расходы на электроэнергию при обслуживании тепличных хозяйств.
Материалы и методы. В статье рассмотрено проведение исследований анаэробного сбраживания отходов животноводства в биогазовой установке с применением возобновляемых источников энергии, солнечных панелей. Рассмотрен технологический процесс обработки отходов животноводства в биореакторе и возможность использования солнечных панелей в биогазовой установке и в теплицах, в которых планируется применять органическое удобрение. Предложенный технологический процесс анаэробного сбраживания биомассы объединяет три режима обработки органических отходов в биогазовой установке. Рассмотрена возможность использования солнечных панелей для снижения эксплуатационных расходов на электроэнергию. Результаты. Энергоэффективность технологического процесса обработки отходов животноводства достигается за счет применения возобновляемых источников энергии, солнечных панелей и трехстадийного режима анаэробного сбраживания органических отходов. Высокоэффективное органическое удобрение, получаемое в результате анаэробного сбраживания отходов животноводства, предлагается применять в теплицах, где возможно использование солнечных панелей.
Обсуждение. Исследование современного АПК Удмуртской Республики, проведенное Институтом энергетики, показало, что согласно реестра сельскохозяйственных потребителей в регионе сосредоточено 403 крестьянских (фермерских) хозяйства и индивидуальных предпринимателей, которые производят до 50 % основной продукции. Крупные сельскохозяйственные предприятия Удмуртской Республики составляют 33 предприятия. Поэтому развитие биогазовой промышленности возможно по двум направлениям: создание крупных биоэнергетических станций и создание биогазовых установок малого объема для фермерских и крестьянских хозяйств.
Заключение. По результатам исследований рекомендовано в процессе анаэробного сбраживания отходов животноводства применять единую технологию анаэробного сбраживания, объединяющую три режима: психро-фильный, мезофильный и термофильный в биогазовой установке с использованием возобновляемых источни-
© Паршикова М. В., Касаткин В. В., Закиров А. Ю., Ахатов Р. З., Паршиков С. Г., 2024 Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
28
Вестник НГИЭИ. 2024. № 7 (158). C. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 7 (158). P. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print)
^y^yPWWWW^yf ТРУПП ППГИИ MA ШИНЫ И ПКПРУППЛй
V^VWVWVW ППЯ ЛГРППРПМЫШПРННПГП КПМППРКГА V¥WW¥¥¥¥¥
ков энергии, солнечных панелей. Гибридные системы сбора солнечной энергии являются эффективным источником энергоснабжения теплиц, позволяющие снизить эксплуатационные расходы на электроэнергию сельскохозяйственного предприятия.
Ключевые слова: биогазовая установка, биогаз, гибридная система, отходы животноводства, органическое удобрение, солнечная энергия, тепличное хозяйство, экспериментальные исследования
Финансирование: Исследования проводились в рамках Программы развития научных и научно-педагогических кадров ИжГТУ имени М. Т. Калашникова «Научное обоснование технологии утилизации отходов животноводства и осадков сточных вод в едином цикле на биогазовой установке» (шифр ПМВ-24), приказ ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» от 27.12.2023 г. № 1565.
Для цитирования: Паршикова М. В., Касаткин В. В., Закиров А. Ю., Ахатов Р. З., Паршиков С. Г. Исследование энергоэффективной технологии обработки отходов животноводства в биореакторе с использованием солнечной энергии // Вестник НГИЭИ. 2024. № 7 (158). С. 28-40. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-7-28-40. EDN: DJDIOS
Reserch of energy efficiency of application of livestock effluents in greenhouses using solar energy in agriculture
Marianna V. ParshikovaVladimir V. Kasatkin2, Alexey Yu. Zakirov3, Ramis Z. Akhatov4, Stanislav G. Parshikov5
1 5 Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia 23' 4 Udmurt state agricultural university, Izhevsk, Russia
1 marianna.svalova@yandex.ru, https://orcid.org/0009-0001 -4151-8119
2 kasww @mail.ru
3alekseyzakirov@yandex.ru, https://orcid.org/0009-0000-0105-1174 4ramis.ahatov@gmail.com, https://orcid.org/0009-0003-0472-9229 5stas199373@yandex.ru; https://orcid.org/0009-0003-9477-3935
Abstract
Introduction. The use of solar energy is justified in greenhouse farming. The hybrid solar energy harvesting system is particularly popular for reducing energy costs in greenhouse farming services.
Materials and Methods. The article deals with the research of anaerobic digestion of livestock waste in a biogas plant with the use of renewable energy sources, solar panels. The technological process of livestock waste treatment in a bioreactor and the possibility of using solar panels in a biogas plant and in greenhouses, where it is planned to use organic fertilizer. The proposed technological process of anaerobic digestion of biomass combines three modes of organic waste treatment in a biogas plant. The possibility of using solar panels to reduce the operating costs of electricity is considered.
Results. Energy efficiency of the technological process of livestock waste treatment is achieved through the use of renewable energy sources, solar panels and three-stage mode of anaerobic digestion of organic waste. Highly efficient organic fertilizer obtained as a result of anaerobic digestion of livestock waste is proposed to be used in greenhouses, where the use of solar panels is possible.
Discussion. The study of the modern agro-industrial complex of the Udmurt Republic conducted by the Institute of Energy showed that according to the register of agricultural consumers in the region there are 403 peasant (farmer) farms and individual entrepreneurs, which produce up to 50 % of the main products. Large agricultural enterprises of the Udmurt Republic make up 33 enterprises. Therefore, the development of biogas industry is possible in two directions: creation of large bioenergy stations and creation of small volume biogas plants for farms and peasant farms.
Вестник НГИЭИ. 2024. № 7 (158). C. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 7 (158). P. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print)
V^W^VWW^V ТРГНМП! nniFS МЛГШМРЯ ЛМП FflIIIPMFNT WWW^^WW
TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT
WVW^^WWV^^ FOR THF ЛПРП.1МПИЯТР1Л I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
rOR 1 HE AGRO lNDUSiniAL complex
Conclusion. According to the results of research it is recommended to apply a single technology of anaerobic digestion in the process of anaerobic digestion of livestock waste, combining three modes, psychrophilic, mesophilic and thermophilic in a biogas plant using renewable energy sources, solar panels. Hybrid solar energy collection systems are an effective source of energy supply for greenhouses, allowing to reduce the operating costs of the agricultural enterprise electricity.
Keywords: biogas plant, biogas, hybrid system, animal waste, organic fertilizer, solar energy, greenhouse farming, experimental research
Funding: The research was carried out within the framework of the Program of development of scientific and scientific-pedagogical personnel of Izhevsk State Technical University «Scientific substantiation of the technology of utilization of animal waste and sewage sludge in a single cycle in a biogas plant» (code PMV -24), order of Izhevsk State Technical University from 27.12.2023 № 1565.
For citation: Parshikova M. V., Kasatkin V. V., Zakirov A. Yu., Akhatov R. Z., Parshikov S. G. Reserch of energy efficiency of application of livestock effluents in greenhouses using solar energy in agriculture // Bulletin NGIEI. 2024. № 7 (158). P. 28-40. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-7-28-40. EDN: DJDIOS
Введение
Солнечная энергия - возобновляемый и неисчерпаемый источник энергии, который используется для получения как тепловой, так и электрической энергии [1].
Сельскохозяйственный комплекс в процессе своего функционирования потребляет огромное количество энергии, что в будущем может привести к уменьшению топливных ресурсов. Для снижения нагрузки на окружающую среду и уменьшения потребления традиционных ресурсов возможно использование удобрения из отходов животноводства, переработанных в биогазовой установке, с использованием возобновляемых источников энергии, например, солнечной энергии [2].
В настоящее время источником солнечной энергии выступают солнечные панели. Солнечные панели представляют собой приспособления, преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток за счёт фотоэлектрического эффекта, который возникает при нагревании полупроводниковой поверхности, вследствие чего происходит высвобождение и движение электронов, которые и образуют электрическую энергию. В качестве возобновляемых источников энергии возможно применение солнечных панелей в конструкции биогазовой установки, которые не требуют дополнительного подогрева при анаэробном сбраживании отходов животноводства [3; 4].
Свое развитие солнечные панели получили в XIX веке. Предпосылкой к этому стали революционные исследования о преобразовании энергии
Солнца в электрическую энергию таких ученых, как А. Беккерель, У. Смит, Ч. Фриттс. Первые солнечные панели имели КПД всего 1 % и не могли обеспечить бесперебойное электрическое питание. В 1954 году Г. Пирсоном была изобретена кремневая солнечная батарея с КПД 4 %, впоследствии ее КПД было увеличено до 20 %.
Согласно классификатору отходов 2024 года к одним из составляющих отходов животноводства относится навоз крупного рогатого скота, навоз свиней, осадок навозных стоков от свинарников при отстаивании в навозонакопителях, который пагубно воздействует на окружающую среду, в первую очередь на почву и грунтовые воды. Содержание большого количества органических веществ и питательных элементов в отходах животноводства определяет целесообразность их применения в качестве удобрения.
Согласно методическим рекомендациям по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета РД-АПК 1.10.15.02-17 подвергают разделению на твердую и жидкую фракции жидкий навоз и навозные стоки на свиноводческих фермах, комплексах мощностью 6 тыс. свиней и более в год. Необходимость разделять жидкий навоз и навозные стоки на фракции определяется с учетом их влажности и требований к обработке органических отходов. Анаэробной обработке подвергают бесподстилочный навоз, осадок отстойников и продуктов очистки навозных стоков. В биогазовых установках рекомендовано проводить анаэробное сбраживание ор-
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
ганических отходов с получением удобрения и выработкой биогаза [5; 6]. Оптимально выбранная технология обработки отходов животноводства с применением биогазовой установки, сочетающей в своей конструкции солнечные панели, позволит достичь энергоэффективности технологического процесса.
Материалы и методы
Большинство солнечных панелей состоят из слоев проводящих и отражающих материалов. В традиционном солнечном элементе есть слой стекла, отрицательно заряженный кремний, положительно заряженный кремний и еще одна стеклянная панель (рис. 1).
Рис. 1. Фотоэлектрический эффект солнечных панелей Fig. 1. Photovoltaic effect of solar panels Источник: составлено автором на основании данных3
Наиболее перспективным в сельском хозяйстве представляется комбинированное использование солнечной энергии в гибридных системах, способных вырабатывать как электричество, так и тепловую энергию одновременно.
При этом существует несколько видов таких установок, наиболее простыми из которых являются гибридные системы, представляющие собой объединение солнечной панели и теплового коллектора. Такая конструкция не только позволяет сократить площадь, занимаемую системой солнечной генерации энергии, но и повышает эффективность работы и долговечность системы за счет снижения
температуры фотоэлементов за счет теплоносителя, используемого в тепловой части коллектора.
Энергоэффективность солнечной панели во многом зависит от ее температуры и резко снижается при температуре на поверхности солнечной батареи выше 50 °С. Использование теплоносителя с целью охлаждения системы позволяет снизить температуру на поверхности солнечной панели и повысить ее производительность в среднем на 15 % [7].
Для поддержания заданной температуры теплоноситель должен активно отдавать теплоту, однако ее температура составляет 40-45 °С, что делает такие системы непривлекательными для объектов промышленности, но они активно могут быть использованы в сельском хозяйстве [8].
Солнечная энергетика хорошо зарекомендовала себя при использовании совместно с биогазовыми установками применительно к тепличному хозяйству.
При помощи солнечной электростанции можно решить вопрос дополнительного освещения растений в сезонные периоды и использовать варианты солнечного воздушного коллектора, с помощью которого в солнечный день можно быстро повышать температуру воздуха в теплице и регулировать влажность в ней. С помощью сплит-систем на базе жидкостных солнечных коллекторов можно организовать подогрев почвы и воздуха в теплице и полив подогретой водой, а солнечные панели могут обеспечить необходимое количество энергии для освещения растений. Все эти мероприятия позволяют расширить вегетативный период с марта по октябрь. Если к сплит-системе кроме «теплого пола» подключить водяные инфракрасные тепловые панели, то возможно обеспечить быстрый нагрев воздуха в теплице [9].
Заведующим лабораторией химии белка кафедры органической химии химического факультета МГУ Н. И. Гавриловым была разработана конструкция теплицы, в которой аккумулирование солнечной энергии достигается путем циркуляции теплового воздуха по асбоцементным трубам диаметром 10-20 см, уложенным в слое глины на глубине 40-50 см. Движение воздуха осуществляется благодаря электровентилятору мощностью 25-30 Вт (рис. 2) [4; 10].
Данная система представляет движение жидкости (воды) под действием двух факторов: силы тяжести и нагревания жидкости солнечным излучением. При нагревании вода расширяется, а затем ее плотность уменьшается, поэтому при попадании в
Вестник НГИЭИ. 2024. № 7 (158). C. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 7 (158). P. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print)
V^W^VWW^V ТРГНМП! nniFS МЛГШМРЯ ANIÏ FHI IIPMFNT WWW^^WW
WVW^^WWV^^ РПР THF ДПРП-ШППЯТШД I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
систему она становится более плотной. При посто- тепличному грунту, а ночью более холодный воздух янной циркуляции днём тёплый воздух, проходя по в теплице нагревается за счёт аккумулированного трубам, отдаёт тепло слою глины толщиной 20 см и тепла [11].
Рис. 2. Схема теплицы с аккумуляцией солнечного тепла в почве: 1 - приямки; 2 - почвенные трубы; 3 - соединительный канал; 4 - вентилятор Fig. 2. Diagram of a greenhouse with solar heat accumulation in the soil: 1 - pits; 2 - soil pipes; 3 - connecting channel; 4 - fan Источник: составлено автором на основании данных
Солнечные тепловые, фотоэлектрические системы могут быть использованы совместно с биогазовой установкой и в деятельности сельскохозяйственных предприятий, включая тепличные хозяйства, молочные заводы, скотобойни, упаковочные цеха и перерабатывающие предприятия с целью снижения затрат на электроэнергию.
Технические решения, использованные при разработке конструкции биореактора, позволили создать энергоэффективную биогазовую установку, не требующую дополнительных традиционных источников энергии с применением солнечной тепловой и фотоэлектрической системы. Размещение теплообменника внутри биореактора повышает эффективность использования тепловой энергии. Основным преимуществом биогазовой установки является непрерывный процесс эксплуатации, позволяющий повысить ее производительность за счет отсутствия простоев при загрузке, выгрузке и времени выхода на технологический режим.
Технологический процесс работы биогазовой установки представлен следующим алгоритмом [12; 13]:
1. Исходная биомасса, отходы животноводства подаются в загрузочный трубопровод.
2. Биомасса попадает в камеру биореактора, где происходит сбраживание исходного сырья с образованием биогаза и органических удобрений.
3. Анаэробное сбраживание происходит в ме-зофильном режиме в биореакторе при поддержании температуры органической биомассы в пределах 30-35 °С и термофильном режиме при температуре 50-55 °С. В качестве вспомогательного/основного источника энергоснабжения возможно применение солнечных панелей.
4. Заливка системы теплоносителя водой осуществляется через расширительный бак.
5. Привод устройства для перемешивания сбраживаемой биомассы и размельчения исходного сырья осуществляется от двух раздельных электродвигателей.
6. Перемешивающие устройства осуществляют зигзагообразное движение биомассы вверх и вниз, тем самым способствуют интенсификации процесса сбраживания.
7. Образующийся в результате сбраживания биогаз поступает в газгольдер.
8. Расположенные на разной высоте загрузочный люк и люк выгрузки позволяют создать гидро-
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
статический подпор для выгрузки органического удобрения.
Успешная эксплуатация биореакторов в различных районах Российской Федерации способствовала переходу к разработке и созданию более совершенных биогазовых установок большей мощности с автономным энергообеспечением. Энергоэффективность биогазовых установок может быть достигнута при применении возобновляемых источников энергии - солнечных панелей и ежеднев-
ной обработки не менее 500 литров отходов животноводства с влажностью 92-98 % [14; 15].
Результаты Пример использования солнечных панелей в тепличном хозяйстве, при проведении экспериментальных исследований, показал достаточно высокую эффективность в плане энергосбережения.
Экспериментальные исследования показали, что расход электроэнергии за сезон эксплуатации теплицы в мае-августе составляет 80-90 кВтч.
Таблица 1. Температура окружающей среды и температура, достигаемая в обогреваемой теплице на примере города Казани с марта по октябрь 2023 г.
Table 1. Ambient temperature and temperature reached by a hybrid greenhouse on the example of Kazan from March to October 2023
Месяц / Month Температура окружающей среды среднесуточная (°C) / Average daily ambient temperature (°C) Температура в обогреваемой теплице среднесуточная (°C) / Average daily temperature in the heated greenhouse (°C)
Март / March +5 +15
Апрель / April +7 +18
Май / May +10 +23
Июнь / June +18 +25
Июль / July +22 +27
Август / August +23 +27
Сентябрь / September +13 +25
Октябрь / October +7 +17
Источник: составлено автором на основании исследований
При использовании солнечных панелей получено 211 кВтч солнечной энергии, максимальная выработка которой составила 49,31 кВтч/день в августе, в то время как в октябре производство солнечной энергии составило 2,71 кВтч/день. Таким образом, система смогла самостоятельно обеспечить потребность в энергии, необходимую для различных операций тепличного хозяйства в июне, июле, августе, сентябре.
Энергетический потенциал возобновляемых источников энергии позволяет в полной мере совместно использовать биогазовые установки и теплицы с аккумуляцией солнечного тепла в Удмуртской Республике и Республике Татарстан. Число часов солнечного сияния в течение года колеблется от 1763 (Бугульма) до 2066 Мдж/м2 (Мензелинск). Наиболее солнечный период в Республике Татарстан с апреля по август. Суммарная солнечная радиация за год составляет примерно 3900 Мдж/м2. Общегодовая генерация солнечной панели мощностью 1 кВт составит 1000-1200 кВтч электроэнергии в Республике Татарстан. Параметры, влияющие на
генерацию энергии: географическое положение, угол наклона, азимут установки, температурный режим, качество оборудования, время суток, время года [16].
Для эффективного распространения биогазовой технологии с применением возобновляемых источников энергии - солнечных панелей, важное значение имеют следующие факторы:
- возможность применения солнечных панелей в конструкции биогазовой установки;
- стоимость солнечных панелей и их характеристики;
- стоимость биогазовой установки;
- полнота обработки сброженной биомассы;
- удельная производительность системы в целом;
- эффективность в решении задач, связанных с охраной окружающей среды;
- высокая эксплуатационная надежность и простота обслуживания биогазовой установки.
Удмуртская Республика находится в зоне рискованного земледелия и по климатическим условиям,
[ TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT : FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
и по характеристике почв, большая часть - малоурожайные подзолистые почвы, требующие постоянного внесения органических удобрений. Поэтому в средних и северных регионах Удмуртской Республики в земледельческих районах потребность в органических удобрениях является постоянной, и она определяющая в развитии биогазовых технологий [18].
По результатам анализа современных технологий утилизации отходов животноводства на основе выявленных факторов, определяющих выбор энергоэффективной технологии, предложены метод и оборудование обработки органических отходов для предприятий АПК с учетом особенностей Удмуртской Республики и Республики Татарстан.
Использование биогазовых технологий и созданного на их основе оборудования позволит в ближайшие годы решить актуальную проблему недостаточности производимых высокоэффективных органических удобрений из отходов животноводства и повышения энергоэффективности в сельской местности [19]. На рисунке 3 представлена экспериментальная биогазовая установка, предназначен-
ная для проведения исследований технологического процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства, расположенная на базовой кафедре «Инженерные системы ЖКХ» ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова». Опыты проводились с июня по июль 2023 года на экспериментальной биогазовой установке с применением активатора процесса в периодическом психрофильном, мезофиль-ном, термофильном режиме анаэробного сбраживания отходов животноводства. С фермерского хозяйства в биореактор подавались отходы животноводства, для контроля технологических параметров процесса предусмотрены датчики температуры, давления, для перемешивания биомассы предусмотрено перемешивающее устройство. Выработанный в процессе анаэробного сбраживания биогаз поступал в газгольдер. Сброженная биомасса через выгрузной люк сливалась и распределялась для отправки в качестве органического удобрения в теплицы сельскохозяйственных предприятий, а для технологического контроля направлялась в лабораторию «Биотехнологий».
Рис. 3. Схема экспериментальной биогазовой установки: 1 - наружная секция; 2 - средняя секция; 3 - центральная секция; 4 - люк подачи активатора процесса; 5, 6, 7 - перепускные клапаны; 8 - газгольдер;
9 - выпускной кран; 10 - загрузочный люк; 11 - насосная станция; 12 - ферма; 13 - теплоизоляция; 14 - аварийный выгрузной люк; 15 - выгрузной люк; 16 - теплообменник; 17 - перемешивающее устройство Fig. 3. Scheme of an experimental biogas plant: 1 - outer section; 2 - middle section; 3 - central section; 4 - process activator supply hatch; 5, 6, 7 - bypass valves; 8 - gas tank; 9 - exhaust valve; 10 - loading hatch; 11 - pumping station; 12 - truss; 13 - thermal insulation; 14 - emergency discharge hatch; 15 - discharge hatch; 16 - heat exchanger; 17 - mixing device Источник: составлено авторами на основании экспериментальных исследований
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
Экспериментальная биогазовая установка пе- экспериментальных исследований зависимости вы-
рерабатывала до 120 кг отходов животноводства и работки концентрации метана от времени при ме-
производила в сутки до 5-6 м3 биогаза и до 100 кг зофильном режиме анаэробного сбраживания отхо-
биоудобрений. На рисунке 4 представлены данные дов животноводства.
Рис. 4. Зависимость выработки концентрации метана от времени при мезофильном режиме Fig. 4. The dependence of the production of methane concentration on time in the mesophilic mode Источник: составлено авторами на основании экспериментальных исследований
Рис. 5. Зависимость выработки концентрации метана в биогазе от времени при термофильном режиме Fig. 5. The dependence of the production of methane concentration in biogas on time in thermophilic mode Источник: составлено авторами на основании экспериментальных исследований
V^W^VWW^V ТРГНМП! nniFS МЛГШМРЯ ЛМП FflIIIPMFNT WWW^^WW
TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT
WVW^^WWV^^ FHP TUP AiZRn.INnilSTItlA I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
На рисунке 5 представлены данные экспериментальных исследований зависимости выработки концентрации метана от времени при термофильном режиме анаэробного сбраживания отходов животноводства.
Обсуждение
По результатам литературных данных 51 % солнечной радиации достигает Земли, из которых 26 % рассеивается атмосферой в виде рассеянного излучения и только 25 % проникает непосредственно на поверхность планеты. Часть солнечной энергии, которая напрямую достигает Земли, может использоваться для нагрева воды через солнечные панели для производства электроэнергии с помощью фотогальванических элементов. Согласно литературным источникам [17; 18; 19], технология получения биогаза ограничивалась применением биореактора, без учета фотогальванических элементов. В биореакторе происходило многоступенчатое анаэробное сбраживание при трех режимах: психро-фильном, мезофильном, термофильном. Психро-фильный режим характеризовался инкубационным процессом при росте и развитии психрофильных бактерий при температуре от 0 до 25 °С на протяжении 25-35 суток. Психрофильный режим затухал по истечении 35 суток, объем выработанного биогаза снижался и возникала необходимость поддерживать мезофильный режим при температуре от 25 до 40 °С, с новыми группами мезофильных бактерий для наибольшей выработки метана. При мезофиль-ном режиме анаэробного сбраживания в биореакторе длительность процесса составляла 10-15 суток. При уменьшении объема вырабатываемого биогаза рекомендовано повышать температуру от 40 до 58 °С в биореакторе и переходить на термофильный режим анаэробного сбраживания. При данном температурном диапазоне происходил процесс размножения новых групп термофильных бактерий. Процесс выработки биогаза при термофильном режиме протекал от 5-7 суток при максимальном объеме выработанного метана. Для получения из органических отходов максимального объема биогаза, в зависимости от режима сбраживания, необходимо от 15 до 57 суток обрабатывать биомассу в биогазовой установке [20]. На протяжении всего цикла работы биогазовой установки, особенно в холодный период, требуется значительное количество электроэнергии, при этом, несомненно, важным фактором являются конструктивные решения самой установки.
Таким образом, три этапа анаэробного сбраживания отходов животноводства: психрофильный до 25 °С, мезофильный до 40 °С, термофильный 4058 °С предлагается объединить в единую технологию, с учетом температурных переходных зон между данными режимами с применением конструктивных решений в биогазовой установке, с рекомендацией по использованию возобновляемых источников энергии - солнечных панелей.
Заключение
1. По результатам экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации, учитывающие температурный режим в переходных зонах при психрофильном, мезофильном, термофильном режимах в процессе анаэробного сбраживания отходов животноводства с применением биогазовой установки, в которой возможно применение возобновляемых источников энергии.
2. Гибридные системы сбора солнечной энергии являются экологическим и экономически эффективным источником энергоснабжения теплиц, позволяющие снизить эксплуатационные расходы на электроэнергию сельскохозяйственного предприятия. Экологическая безопасность достигается при правильно выбранной методике расчета коэффициентов выбросов энергосистемы и парниковых газов для различного вида сырья. Снижение выбросов парниковых газов решает экологическую проблему в АПК.
3. На основании результатов экспериментальных исследований возможно предопределить коэффициенты выбросов энергосистемы для парниковых газов с учетом экологической безопасности предприятий АПК. Применяя перспективный технологический процесс утилизации отходов животноводства с использованием биогазовой установки, возможно получить максимальную выработку метана при объединии в единую технологию трех режимов анаэробного сбраживания, психрофильного, мезо-фильного и термофильного, и учитывающую количество выбросов парниковых газов в результате работы биореактора.
4. По результатам экспериментальных исследований при мезофильном режиме анаэробного сбраживания отходов животноводства выработка метана составила 12 г/м3, а при термофильном режиме обработки отходов животноводства выработка биогаза составила 18 г/м3.
5. Энергоэффективность технологического процесса обработки отходов животноводства обу-
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
словлена применением трехстадийного режима сокоэффективное органическое удобрение, полуанаэробного сбраживания отходов животновод- чаемое в результате анаэробного сбраживания от-ства, а также применением возобновляемых источ- ходов животноводства, предлагается применять в ников энергии, солнечных панелей, при этом вы- теплицах.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Абрамова А. А., Мезрин Н. М., Дягелев М. Ю., Исаков В. Г. Оценка специфических загрязнений в составе городских сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2022. № 7. С. 34-41. D0I: 10.35776ZVST.2022.07.05. ББ№ MZBRVA.
2. Абрамова А. А., Исаков В. Г., Непогодин А. М. Зеленые технологии в очистке поверхностных и сточных вод объектов ЖКХ // Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования. Т. 1. Ижевск : Изд-во ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2019. С. 460-465. EDN: ZIXZFZ.
3. Амерханов Р. А, Кириченко А. С., Донсков А. П., Муртазаева Ю. Л. Перспективы использования фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии для освещения теплиц в ночное время суток в климатических условиях Краснодарского края // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 4 (14). С. 194-197. EDN: VJKDPL.
4. Белов В. В. Исследование обогрева теплиц с использованием солнечной энергии // Техническое обеспечение сельского хозяйства. 2019. № 1. С. 11-19. EDN: XNGXFJ.
5. Благоразумова А. М. Обработка и обезвоживание осадков городских сточных вод : учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. Санкт-Петербург : Лань, 2014. 208 с. EDN: TXPJOT.
6. Борисов Б. Н., Рыбаков В. А. Использование газа метантенков // Приднепровский научный вестник. 2017. № 3. С. 37-41. EDN: УРСХ^.
7. Вендин С. В., Мамонтов А. Ю. Автоматизация механических и тепловых процессов в многокамерном биогазовом реакторе непрерывной загрузки сырья // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина. 2016. № 4 (74). С. 55-60. EDN: WGBJKB.
8. Григорьев В. С., Ковалев А. А. Система предварительной подготовки субстратов метантенков в аппарате вихревого слоя с рекуперацией теплоты // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. № 2 (39). С. 8-13. D0I: 10.22314/2658-4859-2020-67-2-8-13. EDN: АРОВРУ.
9. Диденко В. Н., Свалова М. В., Исаев А. В., Узаков Н. Д. Метод сравнительной оценки тепловых потерь биореакторов на этапе аванпроекта биогазовой установки // Энергосбережение и водоподготовка. 2019. № 5 (121). С. 61-65. EDN: QFK0RS.
10. Колосова Н. В., Монах С. И. Математическая модель тепломассообмена при получении биогаза в метантенке // Современное промышленное и гражданское строительство. 2019. № 2. С. 67-74. EDN: WFEPNX.
11. Караева Ю. В., Варлавова И. А. Эффективность гидравлического перемешивания в метантенке с перегородками // Энергосбережение и водоподготовка. 2017. № 1 (105). С. 27-32. EDN: XWVUDF.
12. Микрюкова Е. М., ВасюткинаМ. Н., ТаскаевМ. В. Обзор основных методов очистки сточных вод от нефтепродуктов // Сборник докладов XVI Международной научно-технической конференции, посвященной памяти академика РАН С. В. Яковлева. Москва. 2021. С. 42-47. EDN: НИ№ЧКУ.
13. Мишустин Е. Н., Емцев В. Т. Микробиология / 3-е изд., перераб. и доп. М. : Агропромиздат, 1987. 368 с. EDN: ELAYVT.
14. Оковитая К. О. Повышение эффективности работы метантенков // Эффективные технологии в области водоподготовки и очистки в системах водоснабжения и водоотведения. 2021. № 1. С. 54-56. EDN: MNWLYQ.
15. Провоторова А. А. Сравнительный анализ использования аэротенков и метантенков при очистке сточных вод // Современная наука и ее ресурсное обеспечение: Инновационная парадигма. 2021. С. 97-102. EDN: WVZFMP.
16. Свалова М. В., Белоусов Р. С., Галимьянов Р. Г. Применение принципа самоокупаемости по энергосбережению на предприятиях Удмуртии // Проблемы региональной экологии и географии. 2019. № 1. С. 66-68. EDN: GEKYCI.
Вестник НГИЭИ. 2024. № 7 (158). C. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 7 (158). P. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print)
V^W^VWW^V ТРГНМП! nniFS МДГШМРЯ ДМП FflIIIPMFNT WWW^^WW
FHP THF ДПРП-1ЫП11ЯТШД I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
17. Смирнова А. Р. Пути повышении эффективности работы метантенков // Научный форум: технические и физико-математические науки. 2020. С. 23-30. EDN: VMNPHB.
18. Суворова Е. В., Микрюкова Е. М. Преодоление проблем с очисткой сточных вод от плотных эмульсий в нефтеперерабатывающей промышленности // Строительство и застройка: Жизненный цикл - 2020. 2020. С. 415-422. EDN: JPWITR
19. Ханова Е. Л., Сахарова А. А., Геращенко А. А. Способ интенсификации работы метантенков с разделением фаз брожения // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2019. № 1 (74). С. 72-79. EDN: BTTGJA.
20. Юхин Д. П. К вопросу повышения эффективности функционирования метантенка биогазовой установки // Наука молодых - инновационному развитию АПК. 2019. С. 168-172. EDN: FYVWLQ.
Дата поступления статьи в редакцию 18.04.2024; одобрена после рецензирования 21.05.2024;
принята к публикации 23.05.2024.
Информация об авторе:
М. В. Паршикова - к.т.н., доцент кафедры «Водоснабжение и водоподготовка», Spin-код: 9159-1802;
B. В. Касаткин - д.т.н., профессор кафедры «Пищевая инженерия и биотехносферная безопасность», Spin-код: 5677-8089;
А. Ю. Закиров - аспирант, Spin-код: 4976-0599; Р. З. Ахатов - аспирант, Spin-код: 4733-2129;
C. Г. Паршиков - магистр.
Заявленный вклад авторов:
Паршикова М. В. - общее руководство проектом, формулирование основной концепции исследования, проведение критического анализа материалов и формирование выводов.
Касаткин В. В. - координация и планирование исследования, проверка результатов исследования. Закиров А. Ю. - сбор и обработка материалов, проведение экспериментов, применение математических и статистических методов.
Ахатов Р. З. - сбор и обработка материалов, применение математических и статистических методов. Паршиков С. Г. - сбор и обработка материалов, проведение экспериментов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Abramova A. A., Mezrin N. M., Diagelev M. Y., Isakov V. G. Ocenka specificheskix zagryaznenij v sostave gorodskix stochnyx vod [Estimation of the specific pollutants in municipal wasterwaer], Vodosnabzhenie i sanitarnaya texnika [Water supply and sanitary technique], 2022, No. 7, pp. 34-41. DOI: 10.35776/VST.2022.07.05. EDN: MZBRVA.
2. Abramova A. A., Isakov V. G., Nepogodin A. M. Zelenye tekhnologii v ochistke poverhnostnyh i stochnyh vod ob'ektov ZHKKH [Green technologies in surface and wastewater treatment of housing and communal services facilities], Tekhnicheskie universitety: integraciya s evropejskimi i mirovymi sistemami obrazovaniya [Technical Universities: integration with European and world education systems], Vol. 1, Izhevsk: Publishing House of Kalashnikov ISTU, 2019, pp. 460-465. EDN: ZIXZFZ.
3. Amerxanov R. A., Kirichenko A. S., Donskov A. P., Murtazaeva Yu. L. Perspektivy ispol'zovaniya foto-elektricheskih preobrazovatelej solnechnoj energii dlya osveshcheniya teplic v nochnoe vremya sutok v klimaticheskih usloviyah Krasnodarskogo kraya [Prospects of using photovoltaic solar energy converters for lighting greenhouses at night in the climatic conditions of the Krasnodar Territory], Innovacii v seTskom xozyajstve [Innovations in agriculture], 2015, No. 4 (14), pp. 194-197, EDN: VJKDPL.
VWWWW^V TFYHH ППГИИ МЛ ШИНЫ И ПКПРУПППй f/urVWWWWW
VWWVWVW ППЯ ЛГРППРПМЫШПРННПГП КПМППРКГА
4. Belov V. V. Issledovanie obogreva teplicz s ispol'zovaniem solnechnoj e'nergii [Heating of greenhouses with use of solar energy], Texnicheskoe obespechenie seTskogo xozyajstva [Technical support of agriculture], 2019, No. 1, pp. 11-19. EDN: XNGXFJ.
5. Blagorazumova A. M. Obrabotka i obezvozhivanie osadkov gorodskih stochnyh vod [Processing and dehydration of urban wastewater sediments], textbook. 2nd ed., revised and supplemented, St. Petersburg: Lan, 2014, 208 p. EDN: TXPJOT.
6. Borisov B. N., Rybakov V. A. Ispol'zovanie gaza metantenkov [The use of metantenkov gas], Pridneprovskij nauchnyj vestnik [Pridneprovsky Scientific Bulletin], 2017, No. 3, pp. 37-41. EDN: YPCXYV.
7. Vendin S. V., Mamontov A. Yu. Avtomatizaciya mexanicheskix i teplovy'x processov v mnogokamernom biogazovom reaktore neprery'vnoj zagruzki sy'r'ya [Automation of mechanical and thermal processes in a multi-chamber biogas reactor of continuous loading of raw materials], Vestnik FederaTnogo gosudarstvennogo obra-zovateTnogo uchrezhdeniya vy'sshego professionaTnogo obrazovaniya Moskovskij gosudarstvennyj agroinzhe-nerny j universitet im. V. P. Goryachkina [Bulletin of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education. V. P. Goryachkina], 2016, No. 4 (74), pp. 55-60, EDN: WGBJKB.
8. Grigor'ev V. S., Kovalev A. A. Sistema predvaritel'noj podgotovki substratov metantenkov v apparate vixrevogo sloya s rekuperaciej teploty' [The system of preliminary preparation of substrates for digesters in the apparatus of the vortex layer with heat recovery], Elektrotexnologii i e lektrooborudovanie v APK [Electrical technologies and electrical equipment in the agro-industrial complex], 2020, No. 2 (39), pp. 8-13, DOI: 10.22314/2658-48592020-67-2-8-13, EDN: APQBPY.
9. Didenko V. N., Svalova M.V., Isaev A. V., Uzakov N. D. Metod sravnitel'noj ocenki teplovy'x poter' bio-reaktorov na e'tape avanproekta biogazovoj ustanovki [Comparative assessment of thermal losses of bioreactors at the stage of biogas plant pilot project], E'nergosberezhenie i vodopodgotovka [Energy saving and water treatment], 2019, No. 5 (121), pp. 61-65, EDN: QFKORS.
10. Kolosova N. V., Monakh S. I. Matematicheskaya model' teplomassoobmena pri poluchenii biogaza v me-tantenke [Mathematical model of heat and mass transfer during biogas production in a methane tank], Sovremennoe promy'shlennoe i grazhdanskoe stroiteTstvo [Modern industrial and civil construction], 2019, No. 2, pp. 67-74, EDN: WFEPNX.
11. Karaeva Yu. V., Varlavova I. A. E'ffektivnost' gidravlicheskogo peremeshivaniya v metantenke s pe-regorodkami [Efficiency of hydraulic mixing in a digester with baffles], E'nergosberezhenie i vodopodgotovka [Energy saving and water treatment], 2017, No. 1 (105), pp. 27-32, EDN: XWVUDF.
12. Mikryukova E. M., Vasyutkina M. N., Taskaev M. V. Obzor osnovny'x metodov ochistki stochny'x vod ot nefteproduktov [Review of the main methods of wastewater treatment from oil products], Sbornik dokladov XVI Mezhdunarodnoj nauchno-texnicheskoj konferencii, posvyashhennoj pamyati akademika RAN S. V. Yakovleva [Collection of reports of the XV International Scientific and Technical Conference dedicated to the memory of Academician S. V. Yakovlev], 2021, pp. 42-47, EDN: HRNNKY.
13. Mishustin E. N., Emcev V. T. Mikrobiologiya [Microbiology], 3rd ed., Moscow: Agropromizdat, 1987, 368 p. EDN: ELAYVT.
14. Okovitaya K. O. Povy'shenie e'ffektivnosti raboty' metantenkov [Improving the efficiency of methane tanks], Effektivny'e texnologii v oblasti vodopodgotovki i ochistki v sistemax vodosnabzheniya i vodootvedeniya [Effective technologies in the field of water treatment and purification in water supply and sanitation systems], 2021, No. 1, pp. 54-56, EDN: MNWLYQ.
15. Provotorova A. A. Sravnitel'ny'j analiz ispol'zovaniya ae'rotenkov i metantenkov pri ochistke stochny'x vod [Comparative analysis of the use of aerotanks and methane tanks in wastewater treatment], Sovremennaya nauka i ee resursnoe obespechenie: Innovacionnaya paradigma [Modern science and its resource provision: Innovative paradigm], 2021, pp. 97-102, EDN: WVZFMP.
16. Svalova M. V., Belousov R. S., Galim'yanov R. G. Primenenie principa samookupaemosti po energosbere-zheniyu na predpriyatiyah Udmurtii [Application of the principle of self-sufficiency in energy saving at the enterprises of Udmurtia], Problemy regional'noj ekologii i geografii [ Problems of regional ecology and geography], 2019, No. 1, 2019, pp. 66-68, EDN: GEKYCI.
Вестник НГИЭИ. 2024. № 7 (158). C. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 7 (158). P. 28-40. ISSN 2227-9407 (Print)
V^W^VWW^V ТРГНМП! nniFS МЛГШМРЯ ЛМП FflIIIPMFNT WWW^^WW
WVW^^WWV^^ FOR THF ЛПРП.1МПНЯТР1Л I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
17. Smirnova A. R. Puti povy'shenii e'ffektivnosti raboty' metantenkov [Ways to improve the efficiency of methane tanks], Nauchny'j forum: texnicheskie i fiziko-matematicheskie nauki [Scientific forum: technical and physical and mathematical sciences], 2020, pp. 23-30, EDN: VMNPHB.
18. Suvorova E. V., Mikryukova E. M. Preodolenie problem s ochistkoj stochnyh vod ot plotnyh emul'sij v neftepererabatyvayushchej promyshlennosti [Overcoming problems with wastewater treatment from dense emulsions in the oil refining industry], Stroitel'stvo i zastrojka: ZHiznennyj cikl - 2020 [Construction and development: Life cycle - 2020], 2019, No. 1, pp. 415-422, EDN: JPWITR.
19. Khanova E. L., Sakharova A. A., Gerashchenko A. A. Sposob intensifikatsii raboty metantenkov s razde-leniyem faz brozheniya [Method for intensifying the work of digesters with separation of the fermentation phases], Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitelnogo universiteta. Seriya: Stroitelstvo i arkhitekturav [Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Construction and architecture], 2019, No. 1 (74), pp. 72-79, EDN: BTTGJA.
20. Yuxin D. P. K voprosu povy'sheniya e'ffektivnosti funkcionirovaniya metantenka biogazovoj ustanovki [On the issue of improving the efficiency of the functioning of the digester of a biogas plant], Nauka molody'x - inno-vacionnomu razvitiyu APK [Science of the young - innovative development of the agro-industrial complex], 2019, pp. 168-172. EDN: FYVWLQ.
The article was submitted 18.04.2024; approved after reviewing 21.05.2024; accepted for publication 23.05.2024.
Information about the author: M. V. Parshikova - Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the Department «Water Supply and water Treatment», Spin-code: 9159-1802;
V. V. Kasatkin - Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Department of Food Engineering and Biotechnosphere Safety, Spin-code: 5677-8089;
A. Y. Zakirov - graduate student, Spin-code: 4976-0599; R. Z. Akhatov - graduate student, Spin-code: 4733-2129; S. G. Parshikov - master.
Contribution of the authors:
Parshikova M. V. - managed the research project, developed the theoretical framework, critical analysis of materials; formulated conclusions.
Kasatkin V. V. - coordination and planning of the study, verification of the results of the study. Zakirov A. Y. - collection and processing of materials, experiments, application of mathematical and statistical methods.
Akhatov R. Z. - collection and processing of materials, application of mathematical and statistical methods. Parshikov S. G. - collection and processing of materials, conducting experiments.
The authors declare no conflicts of interests.
