CC BY
13
УДК 614(470+571)(091)+368.9.06
http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2686-6838-2019-21 -7-61 -64
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕТОДА ПЕРЕРАБОТКИ ФИТОМАТЕРИАЛА, ПОЗВОЛЯЮЩЕГО СОХРАНЯТЬ ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ
Ткаченко1 А.В., Дробышева1 О.В., Слинькова2 Т.А.
1МАОУ ВО «Краснодарский муниципальный медицинский институт высшего сестринского образования», г. Краснодар, Российская Федерация 2НОЧУ ВО ««Кубанский медицинский институт», г. Краснодар, Российская Федерация
RESEARCH OF PARAMETERS OF PHYTOMATERIAL PROCESSING METHOD, ALLOWING TO PRESERVE THE POPULATION
HEALTH
Tkachenko1 A.V., Drobysheva1 O.M., Slinkova2 T.A.
1Krasnodar Medical Institute of Higher Nursing Education, Krasnodar, Russian Federation 2Krasnodar Medical Institute, Krasnodar, Russian Federation
Аннотация. Проанализированы факторы загрязнения атмосферы, влияющие на здоровье населения. Одним из источников загрязнения окружающей среды является опавшая листва зеленых насаждений больших городов. В результате горения фитоматериала выделяются угарный газ, тяжелые металлы, диоксины, бенз-а-пирен и другие вредные вещества. Попадание таких веществ в воздух городов негативно влияет на здоровье человека, в том числе ухудшает статистику онкологических заболеваний. Проблему утилизации фитоматериала предложено решать с помощью технологии его биологической деструкции с образованием биогаза. Исследованы параметры метода переработки фитоматериала в анаэробных условиях с образованием биогаза, который используется, как альтернативный источник энергии. Найдены оптимальные параметры проведения процесса, обеспечивающие максимальный выход биогаза. Предложенный метод является экологичным и экономически выгодным. Ключевые слова: здоровье населения, фитома-териал, газовая хроматография, метан, биогаз. Annotation. The factors of air pollution affecting public health are analyzed. One of the sources of environmental pollution is the fallen leaves of green spaces of large cities. As a result of burning of the phytomaterial, carbon monoxide, heavy metals, dioxins, benz-a-pyrene and other harmful substances are released. The release of such substances into the air of cities adversely affects human health, including worsening cancer statistics. The problem of phytomaterial utilization has been proposed to be solved using the technology of its biological destruction with the formation of biogas. The parameters of the method of processing phytomaterial in anaerobic conditions with the formation of biogas, which is used as an alternative source of energy, are investigated. The optimal parameters of the process that provide the maximum biogas yield are found. The proposed method is environmentally friendly and cost-effective. Keywords: public health, phytomaterial, gas chromatography, methane, biogas.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК [1] Millennium Ecosystem Assessment. Ecosystems and Human Wellbeing: Synthesis. Island Press, Washington, DC. 2005. (http://www .maweb.org/en/Reports.as px#; http://www.millenniumassessment.org/en/Re-ports.aspx#). REFERENCES [1] Millennium Ecosystem Assessment. Ecosystems and Human Wellbeing: Synthesis. Island Press, Washington, DC. 2005. (http://www.maweb.org/en/Reports.aspx#; http://www.millenniumassessment.org/en/Re-ports.aspx#).
[2] Global Biodiversity Outlook 1. Secretariat of the Convention on Biological Diversity. Montreal. 2001. (http://www.biodiv.org/gbo1/gbo-pdf.asp#).
[3] Ткаченко А.В., Ильченко Г.В. Здоровье населения в условиях загрязнённой ландшафтной экологии, Журнал научных статей «Здоровье и образование в XXI веке», 20172том 19 № 6. С. 98-100.
[4] Ткаченко А.В., Ананич А.Ю. Здоровье человека и вредные факторы антропогенного происхождения, влияющие на него. Содержание оксида углерода (11) в воздухе// ХХ юбилейная НПК студентов и молодых ученых, Краснодар, 2017., С. 250-251.
[5] A.V.Tkachenko. Monitoring the content of toxicants in the air. Journal of International Scientific Publications Ecology & Safety, Volume 9, 2015, р. 232-236.
[6] Заборский А., Соуфера Б.С. Биомасса как источник энергии/ Под ред. Б.С.Соуфера, А.За-борский. - М.: Мир, 1985 - 368 с.
[7] Эфендиев А.М. Принципы создания типоразмеров БГУ и возможности оптимизации их параметров / А.М.Эфендиев, А.А.Кожевников, В.С.Седов // Энергосбережение в Саратовской области. - 2005 г. - № 3. - С. 19-25.
[8] Ратушняк Г.С. Энергосберегающие возобновляемые источники теплоснабжения / Г.С. Ратушняк, В.В. Джеджула, К.В. Анохина; Винница: ВНТУ, 2010 - 178 с.
[9] Дубровский В.С. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов / В.С.Дубровский, У.Э.Виестур. - Рига: Зинатне, 1988,204 с.
[2] Global Biodiversity Outlook 1. Secretariat of the Convention on Biological Diversity. Montreal. 2001. (http://www.biodiv.org/gbo1/gbo-pdf.asp#).
[3] Tkachenko A.V., Ilchenko G.V. Public health in a polluted landscape ecology// Journal of Scientific Articles "Health and Education in the XXI Century", 2017, volume 19 No. 6. P. 98-100.
[4] Tkachenko A.V. Ananich A.Yu. Human health and harmful anthropogenic factors affecting it. Carbon monoxide content in the air // XX anniversary NPK of students and young scientists, Krasnodar, 2017., p. 250-251.
[5] A.V. Tkachenko. Monitoring the content of toxicants in the air. Journal of International Scientific Publications Ecology & Safety, Volume 9, 2015, p. 232-236.
[6] Zaborsky A., Soufera B. S. Biomass as a source of energy / Ed. B.S. Soufera, A. Zaborsky. - M .: Mir, 1985 - 368 p.
[7] Efendiyev, A. M. Principles of creating sizes of BSU and the possibility of optimizing their parameters / A. M. Efendiyev, A. A. Kozhevnikov, V. S. Sedov // Energy Saving in the Saratov Region. -2005 - № 3. - p. 19-25.
[8] Ratushnyak G. S. Energy-saving renewable sources of heat supply / G.S. Ratushnyak, V.V. Dzhedzhula, K.V. Anokhin; Vinnitsa: VNTU, 2010 - 178
[9] Dubrovsky, V.S. Methanovoe fermentation of agricultural waste / V.S. Dubrovsky, U. E. Viestur. -Riga: Zinatne, 1988, 204 p.
Введение. Вторая половина двадцатого века и начало ХХ века ознаменованы не только торжеством научно-технической революции, но и самым сильным ударом по экологии планеты Земля за всю историю человечества. Антропогенное вмешательство в природные экосистемы оказывают влияние на климатическую систему Земли двумя основными путями: за счет сдвига газового баланса атмосферы и в результате изменения физических характеристик земной поверхности. На сегодняшний день практически все наземные экосистемы Земли претерпели глубокие изменения в результате деятельности человека [1].
Наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят процессы горения и термической переработки. В последнем отчете рабочей группы МГЭИК констатируется, что основное влияние на изменение климата оказывает углекислый газ, затем идут метан, галогенуглероды и закись азота [2]. В результате этих процессов за последние десятилетия в атмосферу было выброшено больше углерода, чем всей промышленностью за всю предыдущую историю человечества.
Одним из источников загрязнения окружающей среды является опавшая листва многочисленных парков и скверов больших городов. Листья деревьев в городах активно аккумулируют тяжелые металлы [3]. Традиционные способы утилизации фитоматериала - вывоз на городскую свалку или сжигание на месте, не дают оптимального решения этой проблемы. Вывоз является затратным для небольших городских бюджетов, а сжигание противоречит закону, так как загрязняет атмосферу (Статья 8.2 КоАП РФ). Тем не менее тонны листьев и
травы ежегодно сжигаются в больших городах, хотя существует безопасный и экономичный метод их утилизации.
Сжигание фитоматериала несет с собой разноплановый вред. Утилизация 1 тонны остатков растительности таким способом поднимает в атмосферу до 9 кг веществ, опасных для здоровья человека. К ним следует отнести сажу, оксиды азота, угарный газ, тяжелые металлы, влияние которых на здоровье описано нами ранее [3-5]. Такие инъекции в атмосферу увеличивают парниковый эффект.
Одновременно при сжигании фитоматериала, выделяются канцерогенные вещества -диоксиды, бенз-а-пирен и другие, способные значительно повысить статистику онкологических заболеваний.
Следует отметить, что сжигание фитоматериала разрушает поверхностный покров почвы, приводит к гибели насекомых, корневой системы растений и их семян, повреждает кусты и деревья, представляет собой потенциальную угрозу возникновения пожаров.
Применение технологии биологической деструкции растительных остатков, в том числе большой массы опавших листьев, в анаэробных условиях дает возможность эффективно решить проблему утилизации в городе.
Брожение органической массы дает два полезных продукта: метан, который можно использовать, как альтернативный источник энергии и перебродившую биомассу (шлам), как ценное средство для повышения плодородия почвы. Именно эти два фактора позволяют говорить о новом для нас способе утилизации, как о безальтернативном, экологичном и экономически выгодном.
Целью настоящей работы является разработка современного способа утилизации фитоматериала в городе, который может быть реально применен на практике.
В процессе брожения органическая структура листьев разлагается, при этом происходит синтез и выделение биологического газа. В зависимости от состава исходного органического сырья, его состав не стабилен, однако его основу составляют метан (СН4) и углекислый газ (С02). Остальными компонентами этой газовой смеси являются водород, сероводород, аммиак и другие в менее значительном количестве.
Чтобы быстрее запустить процесс метанового брожения и придать ему большую динамику, опавшие листья предварительно измельчались, паковались в реактор и послойно проливались горячей водой.
Основой органической структуры фитоматериала является целлюлоза и другие устойчивые компоненты, что и определяет сложность процесса биологической деструкции. Поэтому на первом этапе мы сначала добивались старта брожения, поливая массу измельченных листьев горячей водой. Предварительное измельчение позволило увеличить плотность укладки. Измельчение и полив дают возможность максимально приблизить условия брожения к анаэробным. Другими словами, позволяет максимально вытеснить из забродившего бурта кислород.
Очень важным условием успешного протекания процесса является соответствие технологическим условиям внутри реактора температуры, уровня кислорода (анаэробности), количества питательных веществ, уровня кислотности (рН) и концентрации токсичных веществ.
Различают три температурных режима метанового брожения [6]:
1) психрофильный - от 0 до 20 ° С;
2) мезофильный - от 20 до 40 ° С;
3) термофильный - от 40 до 60 ° С.
Процесс брожения проходил 7 суток в периодическом режиме [7] при температуре, которая соответствовала термофильному режиму +45С.
Оптимально уровень кислотности (рН) в биореакторе должен находиться в пределах 6.0 - 6.5. Понижение рН будет свидетельствовать о закисании процесса и о серьезном нарушении метановой ферментации [8].
Чтобы активизировать процесс брожения, был использован активный анаэробный ил, полученный на станции аэрации из метантенков. Деструкция происходила в герметично закрытой емкости (метантенке), которая, в свою очередь, была помещена в термостат. Биогаз через шланг выводился в газгольдер [9].
Количество газа определяли по количеству воды, которая была вытеснена из мерного цилиндра газгольдера.
Таблица
Основные показатели технологического процесса
Продолжительность брожения (суток) ХПК*, мг/дм3 Содержание аммонийного азота, мг/дмз Выход биогаза, дмз Содержание метана в био-газа,% рН Взвешенные вещества, мг/дмз
0 5 000 5,5 - - 5,8 320
1 4 500 6,5 1,0 76 6,0 302
2 4 000 6,8 1,0 76 6,0 280
3 3 300 7,2 1,4 76 6,2 258
4 2 700 8,0 1,2 75 6,5 224
5 2 200 8,7 0,9 75 6,5 200
6 2 000 9,5 0,5 75 6,5 190
7 1 900 9,7 0,3 74 6,5 185
* ХПК - химическое потребление кислорода
Метод Кьельдаля и модифицированный метод Дюма применялись для измерений содержания аммонийного азота в лиственной массе. Количественные показатели образующихся газов определяли методом газовой хроматографии на приборе CHROM 5 с пламенно-ионизационным детектором, твердый носитель Crom P, газ-носитель аргон.
По итогам исследования можно сделать вывод, что оптимальными параметрами проведения процесса являются его продолжительность трое суток при термофильном режиме +45С с ХПК 3300 мг/дм3. При этом выход биогаза достигает 1,4 дм3 с содержанием метана более 75%.
В настоящее время проблему утилизации фитоматериала в городах можно и необходимо решать с помощью технологии биологической деструкции. Биогаз и перебродивший шлам, как производные этого процесса, находят свое дальнейшее и логичное применение. Биогаз используется, как альтернативный источник энергии. Шлам - как удобрение для почвы. К перечисленным достоинствам такого способа утилизации следует добавить его экономическую эффективность.
