CC BY
11
ММУМУУМММ ТРУПП ППГ1111 МЛ ШИНЫ И ПКПРУ/ТПКД
lZAnUJlUi ИИ, МАШППШ И иоигудивлпиг,
'^VWWVV^V ППЯ ЛГРППРПМЫШПРННПГП КПМППРКГА V¥WW¥¥¥¥¥
Научная статья УДК 628.336.6
Б01: 10.24412/2227-9407-2023-7-19-31
Исследования анаэробного сбраживания отходов животноводства с применением активатора в биореакторе для интенсификации процесса
Марианна Викторовна Паршикова
Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова, Ижевск, Россия, тапаппа[email protected], ИПрз://orcid.org/0009-0001 -4151-8119
Аннотация
Введение. Статья посвящена исследованию анаэробного сбраживания отходов животноводства в биогазовой установке и интенсификации процесса с применением активатора для ускорения и более полной и качественной их обработки.
Материалы и методы. Рассматривается методика обработки отходов животноводства предприятий АПК. Приведены агрохимические показатели отходов животноводства ввиду наличия в их составе экологически опасных загрязнителей, соединений тяжёлых металлов, патогенной микрофлоры, яиц гельминтов и антибиотиков, анализируются общие требования, предъявляемые к технологии и оборудованию по обработке органических отходов. Приведена методика проведения эксперимента по анаэробному сбраживанию отходов животноводства в биореакторе с применением активатора для интенсификации процесса. Рассмотрена конструкция и основные элементы экспериментальной биогазовой установки. Приведена нормативная документация по оценке степени эпидемической опасности и химического загрязнения почвы согласно СанПин 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы и грунтов».
Результаты. В лаборатории «Биотехнологий» проведены эксперименты и получены результаты исследований влияния активатора процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства на выработку биогаза и агрохимические показатели обеззараженной биомассы. По результатам агрохимического анализа снизилась концентрация содержания ионов тяжелых металлов в биомассе, наблюдается положительная динамика влияния активатора процесса при анаэробном сбраживании в биореакторе. По результатам исследований показатель среды рН уменьшился, но остается в пределах нормы жизнедеятельности метанобразующих бактерий. Реакция среды рН влияет на микробиологические показатели почвы и сельскохозяйственных культур. Исследованы агрохимические показатели азота и фосфора, необходимые сельскохозяйственным культурам для нормального роста, развития и повышенной урожайности.
Обсуждение. Проведение экспериментов, агрохимических анализов, обследования почв, направленные на выявление загрязнения тяжелыми металлами, остаточным содержанием антибиотиков, является перспективными научными исследованиями для предприятий АПК. Применение активатора процесса при анаэробном сбраживании в биореакторе позволяет уменьшить содержание ионов тяжелых металлов в обработанных отходах животноводства. По плану научно-исследовательских испытаний в лаборатории «Биотехнологий» ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» получены результаты экспериментов по применению активатора процесса для интенсификации процесса анаэробного сбраживания. Оптимальная выработка биогаза при добавлении активатора процесса в биореактор наблюдалась при термофильном режиме работы, и ее показатель достиг значения 85,1 г/м3.
Заключение. Обоснована научная предпосылка применения активатора при анаэробном сбраживании отходов животноводства в биореакторе для интенсификации процесса. При мезофильном режиме работы биогазовой
(© Паршикова М. В., 2023
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 7 (146). C. 19-31. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 7 (146). P. 19-31. ISSN 2227-9407 (Print)
тггнмп i nnrc мл гтыгс л лгп рп hidмс Jliyiiy^yiiiy^y^ lZLmVULUUlZb, LVLAbmwZb EQUlrmENl
^^^WWWWVW F/ll? THF IMTWIGTBIAI ГПМШ FY V^^^WWWWW
^run 1 nc Aun°-1NDUS1 ьитгьсл
установки оптимальная температура в период опыта поддерживалась 33-35 °С и продолжительность исследований составляла 5 дней. Выработка биогаза в период опыта при мезофильном режиме работы биореактора варьировалась от 45,3 до 78,6 г/м3. При термофильном режиме работы биогазовой установки оптимальная температура поддерживалась 53-55 °С и продолжительность опыта составила 8 дней. Выработка биогаза в период опыта при термофильном режиме работы биореактора варьировалась от 85,1 до 35,2 г/м3.
Ключевые слова: активатор процесса, анаэробное сбраживание, антибиотики, биореактор, выработка биогаза, ионы тяжелых металлов, исследования, мезофильный режим, отходы животноводства, термофильный режим, эксперименты
Для цитирования: Паршикова М. В. Исследования анаэробного сбраживания отходов животноводства с применением активатора в биореакторе для интенсификации процесса // Вестник НГИЭИ. 2023. № 7 (146). С. 19-31. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-7-19-31
Studies of anaerobic digestion of animal waste using an activator in a bioreactor to intensify the process
Marianna V. Parshikova
Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia, [email protected], https://orcid.org/0009-0001 -4151 -8119
Abstract
Introduction. The article is devoted to the study of anaerobic digestion of animal waste in a biogas plant and the intensification of the process with the use of an activator to accelerate and more complete and high-quality processing. Materials and methods. The method of processing animal husbandry waste of agricultural enterprises is considered. Agrochemical indicators of animal husbandry waste are given, in view of the presence of environmentally hazardous pollutants, heavy metal compounds, pathogenic microflora, helminth eggs and antibiotics in their composition, the general requirements for technology and equipment for processing organic waste are analyzed. The method of conducting an experiment on anaerobic digestion of animal waste in a bioreactor using an activator to intensify the process is given. The design and basic elements of an experimental biogas plant are considered. The normative documentation on the assessment of the degree of epidemic danger and chemical contamination of the soil according to SanPiN 2.1.7.1287-03 «Sanitary and epidemiological requirements for the quality of soil and soils» is given. Results. Experiments were carried out in the laboratory of «Biotechnologies» and the results of studies of the effect of the activator of the process of anaerobic digestion of animal waste on the production of biogas and agrochemical indicators of decontaminated biomass were obtained. According to the results of agrochemical analysis, the concentration of heavy metal ions in the biomass decreased, there is a positive dynamics of the effect of the activator of the process during anaerobic fermentation in the bioreactor. According to the results of the studies, the pH of the medium has decreased, but remains within the limits of the normal activity of methane-producing bacteria. The reaction of the pH medium affects the microbiological parameters of the soil and crops. The agrochemical parameters of nitrogen and phosphorus necessary for agricultural crops for normal growth, development and increased productivity are investigated. Discussion. Conducting experiments, agrochemical analyses, soil surveys aimed at detecting contamination with heavy metals, residual content of antibiotics is promising scientific research for agricultural enterprises. The use of a process activator during anaerobic digestion in a bioreactor allows to reduce the content of heavy metal ions in treated animal waste. According to the plan of research tests in the laboratory of «Biotechnologies» of the Moscow State Technical University named after M. T. Kalashnikov, the results of experiments on the use of a process activator to intensify the process of anaerobic digestion were obtained. Optimal biogas production with the addition of the process activator to the bioreactor was observed in the thermophilic mode of operation and its indicator reached the value of 85,1 g/m3. Conclusion. The scientific premise of using an activator for anaerobic digestion of animal waste in a bioreactor to intensify the process in the mesophilic mode of operation of a biogas plant is substantiated, the optimal temperature dur-
Вестник НГИЭИ. 2023. № 7 (146). C. 19-31. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 7 (146). P. 19-31. ISSN 2227-9407 (Print)
VWWWW^V TFYHfi ППГИИ MA ШИНЫ И ПКПРУПППй f/urVWWWWW
VWWVWVW ППЯ ЛГРППРПМЫШПРННПГП КПМППРКГА
ing the experiment was maintained at 33-35 °C and the duration of the studies was 5 days. The production of biogas during the experiment with the mesophilic mode of operation of the bioreactor varied from 45.3 to 78.6 g/m3. In the thermophilic mode of operation of the biogas plant, the optimal temperature was maintained at 53-55 °C and the duration of the experiment was 8 days. The production of biogas during the experiment with the thermophilic mode of operation of the bioreactor varied from 85,1 to 35,2 g/m3.
Keywords: research, anaerobic digestion, animal waste, mesophilic regime, thermophilic regime, bioreactor, biogas production, process activator, heavy metal ions, antibiotics, experiments
For citation: Parshikova M. V. Studies of anaerobic digestion of animal waste using an activator in a bioreactor to intensify the process // Bulletin NGIEI. 2023. № 7 (146). P. 19-31. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-7-19-31
Введение
Среди проблем, связанных с предотвращением антропогенного загрязнения окружающей среды, одной из наиболее острых является обработка отходов животноводства предприятий АПК. Отходы животноводства являются органическими отходами, утилизация которых затруднена ввиду наличия в их составе экологически опасных загрязнителей, соединений тяжёлых металлов, патогенной микрофлоры, яиц гельминтов и антибиотиков [1]. Согласно Федерального классификатора отходов, отходы животноводства включают свежий и перепревший навоз крупного рогатого скота, отходы подстилки из древесных опилок, стоки навозные от содержания крупного рогатого скота, которые подверглись обеззараживанию и пригодны для применения и улучшения качества почвы [2]. Навозные стоки содержат техническую воду, которую применяют для мытья коров, где содержится шерсть и жир, отходы кормов, остаточное содержание антибиотиков, хозяйственно-бытовые сточные воды.
В настоящее время в Удмуртской Республике основная масса навозных стоков применяется на полях орошения. Условия их применения не исключают загрязнения ими поверхностных и подземных вод, почв, растительности. При применении навозных стоков на полях орошения необходимо проводить агрохимические анализы, направленные на выявление безопасной концентрации общего азота в поливной воде при орошении на сельскохозяйственных угодьях. Большое количество навозных стоков, их многокомпонентность и наличие в их составе соединений тяжелых металлов, антибиотиков, а также отсутствие соответствующих оптимальных технологий обеззараживания приводит к всё большему их накоплению и возникает проблема их утилизации.
Организация и содержание полей орошения навозных стоков требует постоянного контроля, проведения исследований и анализов по оценке почвы для определения ее качества, безопасности, возможного увеличения или снижения концентрации загрязнений и необходимости усовершенствования технологии обработки отходов животноводства [2].
В РФ ведущими учеными проводились исследования, направленные на поиск путей извлечения соединений тяжелых металлов и остаточного содержания антибиотиков из отходов животноводства. Определялось их влияние на растения и почву, разрабатывались методы утилизации отходов животноводства, содержащих токсичные ингредиенты и антибиотики. Данные мероприятия направлялись на решение задач по использованию отходов животноводства в качестве почвогрунта, удобрений или компоста для применения в сельском хозяйстве [3].
Тяжёлые металлы можно отнести к токсичным загрязняющим элементам, а антибиотики - к антибактериальным веществам. Исследования и проведение агрохимических и токсикологических анализов по определению соединений тяжелых металлов, антибиотиков и патогенной микрофлоры в отходах животноводства являются актуальной задачей для предприятий АПК в РФ [4]. Предприятия-нарушители, не имеющие локальных очистных сооружений и биогазовых установок, могут без очистки сбрасывать навозные стоки животноводческих комплексов в воды поверхностных источников. Поверхностные водные источники, в которые могут быть сброшены неочищенные навозные стоки, представлены реками, водоемами, имеющими ры-бохозяйственное значение. Токсичные соединения тяжелых металлов могут поступать и через атмосферу, через ливневые сточные воды, попадая в поверхностные водные источники.
I TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT [ FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Одной из актуальных задач, влияющих на применение отходов животноводства в качестве почвогрунта, удобрений и компостов, является оптимизация процесса и исследование технологии обработки навозных стоков с применением локальных очистных сооружений и биогазовой установки.
При проведении исследований процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства необходимо учитывать токсикологические и микробиологические показатели, химический состав биомассы до и после обработки в биореакторе. Отходы животноводства, сбраживаемые в биогазовой установке, возможно применять на полях орошения, предварительно необходимо их исследовать по агрохимическим, токсикологическим и микробиологическим показателям в лаборатории «Биотехнологии» ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова». Согласно исследований технологического процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства в биогазовой установке, проводимых в лаборатории «Биотехнологий», содержание питательных элементов для почвы и растений не уступает по химическому составу современным удобрениям, выпускаемым в промышленном масштабе. Программа исследований предусматривает для интенсификации анаэробного сбраживания рассмотреть возможность применения активатора процесса для ускорения и более полной обработки отходов животноводства.
Актуальность проблемы экологической
безопасности и оптимизации процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства в биореакторе
Обеспечение экологической безопасности поверхностных водных источников и атмосферы является одной из актуальных проблем при планировании и расчетах локальных очистных сооружений, биогазовых установок для животноводческих комплексов.
Возможное применение активатора процесса для ускорения и качественной обработки отходов животноводства в биогазовой установке является одной из актуальных проблем. Цель исследований, проводимых в лаборатории «Биотехнологии», -разработать предложения по оптимизации технологического процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства в биореакторе с применением активатора.
Применение отходов животноводства, сбраживаемых в биогазовой установке, в качестве поч-вогрунта, удобрения и компоста является эффектив-
ным методом утилизации для предприятий АПК. В обработанных в биореакторе отходах животноводства присутствуют микроэлементы, которые возможно использовать в качестве удобрения и компоста для оптимальной жизнедеятельности растений [5].
Согласно проведенным теоретическим исследованиям возможности применения отходов животноводства в качестве удобрения и на полях орошения в сельском хозяйстве, необходимо регламентировать применение обработанной биомассы в биогазовой установке по требуемым показателям ПДК, учитывая содержание ионов тяжёлых металлов и остаточных антибиотиков в органических отходах. В лаборатории «Биотехнологий» исследовали концентрацию ионов тяжёлых металлов с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра АА-7000 для определения показателей и сравнения с нормативом. Данные исследования проводились с целью определения содержания ионов тяжёлых металлов в обработанных отходах животноводства в биореакторе с применением активатора процесса и определения предельно допустимого их содержания в исследуемом образце и возможности их дальнейшего применения в качестве почвогрунта, удобрений или компоста для использования в сельском хозяйстве. Согласно нормативной документации СанПин 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы и грунтов» наличие соединений тяжелых металлов в органических отходах ограничивает их применение в качестве поч-вогрунта, удобрений или компоста в сельском хозяйстве, поэтому актуальность проблемы исследований обусловлена усовершенствованием технологического процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства в биореакторе с применением активатора процесса. Руководствуясь СанПин 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы и грунтов», оценка почвы должна проводиться для определения ее качества и безопасности с целью снижения загрязнений, поэтому проведение исследований по оптимизации процесса обеззараживания отходов животноводства в биореакторе и дальнейшее их применение на полях орошения является актуальной проблемой.
Материалы и методы Оборудование, применяемое в процессе анаэробного сбраживания отходов животноводства
При проведении опытов в лаборатории «Биотехнологии» необходимо определить оптимальный режим анаэробного сбраживания отходов животно-
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
водства в биогазовой установке, с применением активатора процесса. Отходы животноводства относятся к IV классу токсичности, степень опасности -малоопасные. Для проведения исследований необходимо провести сравнительный анализ работы биогазовой установки с применением активатора, выявить достоинства и недостатки и сделать вывод о целесообразности его применения для обработки органических отходов. Активатор рекомендовано применять на основе микроорганизмов, перерабатывающих отходы животноводства, фитобактерий, обеззараживающих органические отходы, общего
азота, фосфора, калия, природных витаминов, гумусовых и органических веществ, рекомендованных в хелатной форме, которая улучшает агрохимические показатели биомассы и снижает концентрацию ионов тяжелых металлов. Активатор процесса предназначен для ускорения и более полной и качественной обработки органических отходов.
Основные технико-экономические показатели:
- расход отходов животноводства - 60 кг;
- расход осадков сточных вод - 40 кг;
- расход активного ила - 20-40 литров;
- расход активатора - 0,5 литров.
Рис. 1. Биогазовая установка: 1 - биокорка загрузочного сырья; 2 - электродвигатель перемешивания термофильной секции; 3 - бункер загрузки сырья; 4 - загрузочная труба; 5 - манометр; 6 - разгрузочная труба; 7 - биореактор; 8 - электродвигатель перемешивания мезофильной секции; 9 - электронагревательный элемент ТЭН; 10 - крыльчатка перемешивания в мезофильной секции Fig. 1. Biogas plant: 1 - biocork of the loading raw materials; 2 - electric motor for mixing the thermophilic section; 3 - hopper for loading raw materials; 4 - loading pipe; 5 - pressure gauge; 6 - discharge pipe; 7 - bioreactor; 8 - electric motor for mixing the mesophilic section; 9 - electric heating element of the heating element; 10 - mixing impeller in the mesophilic section Источник: разработано автором на основании экспериментальных исследований
I TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT [ FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Применяемое оборудование:
- экспериментальная установка, биореактор;
- электрический щит с органами управления установкой, на котором можно установить температуру в мезофильной и термофильной секциях, индикаторы работы нагревательных приборов, а также таймеры устройств перемешивания биомассы;
- два электродвигателя с закреплёнными к ним шнеками и ножами для измельчения и перемешивания биомассы;
- манометры для измерения давления в секциях сбраживания;
- ТЭНы;
- газгольдер;
- трубопровод для загрузки и выгрузки биомассы.
Рис. 2. Основные элементы экспериментальной установки: 1 - загрузочный трубопровод; 2 - секции биореактора; 3 - электрический щит (таймеры перемешивающих устройств, регуляторы температуры); 4 - ТЭНы; 5 - манометры для измерения давления в секциях сбраживания; 6 - расширительный бак; 7 - смесительная камера; 8 - электродвигатель перемешивающего устройства; 9 - газгольдер; 10 - трубопровод выгрузки сброженной биомассы; 11 - сливной трубопровод; Т1 - термометр термофильной секции; Т2 - термометр мезофильной секции; Т3 - термометр, фиксирующий показания на переходном режиме работы установки Fig. 2. The main elements of the experimental device: 1 - loading pipeline; 2 - bioreactor sections; 3 - electric shield (timers of mixing devices, temperature regulators); 4 - heating elements; 5 - pressure gauges for measuring pressure in the fermentation sections; 6 - expansion tank; 7 - mixing chamber; 8 - electric motor of the mixing device; 9 - gas tank; 10 - pipeline discharge of fermented biomass; 11 - drain pipeline; T1 - thermophilic section thermometer; T2 - mesophilic section thermometer; T3 - thermometer that records readings in the transient mode of operation of the installation Источник: составлено автором на основании экспериментальных исследований
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
Методика проведения эксперимента с применением активатора процесса
1. В первый день эксперимента в биореактор залили 80 литров чистой воды для проверки герметичности установки и регулировки режимов работы.
2. В течение пяти дней эксперимента биореактор работает в мезофильном режиме.
3. Второй день эксперимента, в биореактор залили 60 кг отходов животноводства и 20 литров уплотненного активного ила и добавили 250 мл активатора. Отобрали пробы отходов животноводства для проведения агрохимических и токсикологических анализов в лаборатории «Биотехнологий». Установили температурный режим на 35 °С и поддерживали его в течение 5 дней и наблюдали за выработкой биогаза и фиксировали концентрацию метана по газоанализатору. Оптимальная выработка метана должна поддерживаться в течение 3-5 дней.
4. На второй день опыта в 08-00 отбирали пробы биомассы для проведения анализов в лаборатории «Биотехнологий». Лабораторный контроль: влажность, зольность, массовая доля общего азота, рН, массовая доля общего фосфора, массовая доля органического вещества, кадмий, медь, свинец, марганец, никель, хром, цинк загружаемой биомассы в биореактор.
5. На второй день опыта на регуляторе устанавливали 33 °С (летом), зимой (34-35 °С). Оптимальная температура для мезофильного режима сбраживания 33-35 °С.
6. При этом следует учитывать, что температура при мезофильном режиме не должна превышать 38 °С, а при термофильном - 58 °С. В случае превышения максимальной температуры заданного режима необходимо её понизить с помощью регулятора температуры.
7. Сливали 20 литров биомассы и заливали в биореактор 5 литров уплотнённого активного ила и 15 кг животноводческих отходов. Сливали из биореактора 20 литров биомассы через день в течение 13 дней в период проведения опыта.
8. Через день заливали в биореактор 5 литров уплотнённого активного ила и 15 кг отходов животноводства в течение 5 дней исследований работы биореактора на мезофильном режиме.
9. На шестой день на регуляторе устанавливали температуру 53 °С (летом), а зимой (55 °С). Оптимальная температура 53-55 °С для термофильного режима сбраживания.
10. С шестого по тринадцатый дней эксперимента биореактор работает в термофильном режиме.
11. Оптимальная выработка метана должна поддерживаться в течение 6-11 дней.
12. При термофильном режиме добавили в биореактор 250 мл активатора. После того как добавили активатор, залили в биореактор 5 литров уплотнённого активного ила и 15 кг отходов животноводства и продолжали процесс анаэробного сбраживания в термофильном режиме. В течение 8-и дней работы биореактора в термофильном режиме ежедневно сливали из биореактора 20 литров биомассы и заливали в биореактор 5 литров уплотнённого активного ила и 15 кг отходов животноводства.
13. На 13-й день испытаний устанавливали температурный режим на 58 °С и поддерживали его в течение дня.
14. Определяли по показаниям термометра температуру в трех секциях биогазовой установки.
15. Фиксировали показания температуры 1 во внутренней секции биореактора (1), производили замер и фотографировали через каждый час с 8-00 до 19-00.
16. Фиксировали показания температуры 2 в наружной секции биореактора (2), производили замер и фотографировали через каждый час с 8-00 до 19-00.
17. Фиксировали показания температуры 3 во внутренней секции биореактора (3) при переходном режиме работы, производили замер и фотографировали через каждый час с 8-00 до 19-00.
18. Фиксировали показания биогаза, концентрацию метана по газоанализатору в газгольдере.
19. На 13 день опыта в 16-00 отобрали пробы биомассы для проведения агрохимических и токсикологических анализов в лаборатории «Биотехнологии». Лабораторный контроль: влажность, зольность, массовая доля общего азота, рН, массовая доля общего фосфора, массовая доля органического вещества, кадмий, медь, свинец, марганец, никель, хром, цинк, обеззараженная биомасса в биореакторе, а также определение острой и хронической токсичности отходов.
Анализ экспериментальных исследований с применением активатора процесса в биореакторе
В процессе эксперимента проводился отбор проб загружаемой в биореактор биомассы. Пробы отбирались в начале и в конце экспериментального
I TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT [ FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
исследования и сравнивались с допустимым содержанием валовых форм тяжелых металлов в отходах, с учетом использования обеззараженных навозных стоков для полей орошения и выявления тем самым положительного или отрицательного эффекта сбраживания биомассы с помощью активатора процесса.
В ходе опыта фиксировались температуры ^ -во внутренней секции реактора, t2 - в наружной секции и tз - во внутренней секции при переходном режиме работы биореактора и показания газгольдера. Результаты заносились в протокол испытаний, представленный в таблице 1.
Таблица 1. Результат анализа по определению выработки биогаза от продолжительности процесса Table 1. The result of the analysis to determine the production of biogas from the duration of the process
Номер опыта / Experience number t, час / t, hour Показания счетчика газа / Gas meter readings Показания температуры / Temperature readings
НКПР, % / NKPR, % НКПР, гр. / NKPR , gr Т1 Т2 Т3
8:00 47,2 13,7 55,2 22 38
9:00 54,4 22 38
10:00 55,6 23 38
11:00 54,5 22 39
12:00 74,1 21,5 55,3 22 37
8 13:00 55,1 22 38
14:00 55,4 23 38
15:00 52,2 21 34
16:00 64,1 18,6 53 29 31
17:00 54,2 30 34
18:00 54,4 30 36
19:00 60,3 17,5 54,6 30 35
Источник: составлено автором на основании экспериментальных исследований
Результаты
Эксперименты проводились по плану научно-исследовательских испытаний в лаборатории «Биотехнологий» ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова». В период опыта исследовано влияние активатора процесса анаэробного сбраживания от-
ходов животноводства в биореакторе на выработку биогаза и агрохимические показатели обеззараженной биомассы.
На рисунке 3 представлена зависимость выработки биогаза от времени при добавлении активатора процесса.
Рис. 3. Зависимость выработки биогаза от времени при добавлении активатора процесса Fig. 3. The dependence of biogas production on time when adding a process activator Источник: составлено автором на основании экспериментальных исследований
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
В период опыта на шестой день исследований максимальный выход биогаза составил 85,1 г/ м3.
Обсуждение Агрохимические показатели применения активатора процесса при анаэробном сбраживании отходов животноводства Результаты исследования процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства в биореакторе с примененем активатора процесса приведены в таблице 1.
По полученным данным видно, что заметно сократилось содержание тяжелых металлов в биомассе, что говорит о положительном действии акти-
ватора процесса при анаэробном сбраживании в биогазовой установке. Процент влажности уменьшился, что соответствует нормальной работе биореактора. Уменьшение процента органического вещества и увеличение концентрации зольности говорит о том, что субстрат сбраживался достаточно для того, чтобы произошел должный распад, показатель рН уменьшился, но остается в пределах нормы жизнедеятельности метанобразующих бактерий. Реакция среды рН является одним из основных показателей при проведении агрохимических анализов. Реакция среды рН влияет на микробиологические показатели почвы и растений.
Таблица 1. Результат анализа по определению агрохимических показателей эксперимента Table 1. The results of the analysis to determine the agrochemical parameters of the experiment
№ п/п
Показатель / Indicator
Единицы измерения/
Units of measurement
Результат исследования / Result of investigation
Й о
a
я
Й Й
« <u
S g
Ü £ Л
ю sa
° <2
о ^
Й о
а с
О
о
п
а
л н о о
я «
s £
й Î+H
t« m
Норматив / Standard
и и
£ « «
ч s
S £ * й
И о
1> чн р
«
и
« «
Ö
^ ю
о
r
<D N
£
1 Массовая доля органического вещества / кг/т 66,9 68,2 1,3 Не менее 20 Не ме нее 20
Mass fraction of organic matter
2 Массовая доля азота общего / Mass fraction of total nitrogen кг/т 1,81 1,90 0,09 - -
3 Массовая доля фосфора общего / кг/т 1,69 1,51 0,18 3 1,5
Mass fraction of total phosphorus
4 pH ед. pH 6,75 6,50 0,25 5,5-8,5 5,5-8,
5 Влажность / Humidity % 86,9 86,5 0,4 - -
6 Зольность / Ash content % 19,3 20,8 1,5 - -
7 Калий / Potassium кг/т 0,58 0,39 0,19 0,6 0,6
8 Кадмий / Cadmium мг/кг 0,062 0,041 0,021 30 20
8 Медь / Медь мг/кг 37,1 30,2 6,9 1000 600
9 Марганец / Manganese мг/кг 59 48 11 1500 70
10 Мышьяк / Arsenic мг/кг 0,084 0,071 0,013 10 2
13 Цинк/Цинк мг/кг 148 102 46 3500 1500
Источник: составлено автором на основании экспериментальных исследований
При нейтральной или слабокислой реакции среды рН повышается урожайность сельскохозяйственных культур. Питательные элементы азот и фосфор необходимы растениям для нормального роста, развития и повышенной урожайности. Азот усваивается сельскохозяйственными культурами в аммонийной и нитратной форме соединений, ввиду
его недостатка в растениях может произойти нарушение процесса фотосинтеза. Поэтому проведение агрохимических анализов, обследования почв, направленные на выявление загрязнения тяжелыми металлами, является актуальной задачей в РФ. Применение активатора процесса при анаэробном сбраживании позволяет сократить содержание
I TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT [ FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
ионов тяжелых металлов в обеззараженных отходах животноводства и уменьшить антропогенное воздействие на поля орошения.
Заключение
1. Обоснована возможность применения активатора при анаэробном сбраживании отходов животноводства в биореакторе для интенсификации процесса.
2. По плану научно-исследовательских испытаний в лаборатории «Биотехнологий» ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» проведены эксперименты по применению активатора процесса для интенсификации анаэробного сбраживания отходов животноводства. При мезофильном режиме работы биогазовой установки температура поддерживалась 33-35 °С и продолжительность опыта составляла 5 дней. Выработка биогаза при мезофиль-ном режиме работы биореактора варьировалась от 45,3 до 78,6 г/м3.
3. При термофильном режиме работы биогазовой установки температура поддерживалась 53-55 °С и продолжительность опыта составила 8 дней. Выработка биогаза при термофильном режиме работы биореактора варьировалась от 85,1 до 35,2 г/м3. Максимальная выработка биогаза при термофиль-
ном режиме работы биореактора зафиксирована на 6 день опыта и составила 85,1 г/м3.
4. Приведена методика проведения эксперимента и результаты исследований анаэробного сбраживания отходов животноводства в биореакторе с применением активатора процесса. По результатам опыта видно, что уменьшилось содержание ионов тяжелых металлов в отходов животноводства, что говорит о положительном действии активатора процесса при анаэробном сбраживании в биореакторе.
5. В результате эксперимента разработаны методические рекомендации по применению отходов животноводства, обеззараженных в биореакторе в процессе анаэробного сбраживания в качестве почвогрунта, удобрения и компоста.
6. Приведенная методика проведения эксперимента, агрохимические анализы и результаты исследований анаэробного сбраживания отходов животноводства в биореакторе с применением активатора процесса позволяют уменьшить содержание ионов тяжелых металллов в биомассе и появляется возможность применения обеззараженных навозных стоков на полях орошения сельскохозяйственных угодий Удмуртской Республики.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. 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. В 2 т. Т. 1. Ижевск: Изд-во ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2019. С. 460-465.
2. Андреев А. В., Панов Д. А. Свалова М. В. К методике исследования процессов анаэробной очистки сточных вод с применением энергосберегающих технологий // Наука и инновации в современных условиях. 2016. № 1. С. 215-219.
3. Благоразумова А. М. Обработка и обезвоживание осадков городских сточных вод : учеб. пособие. М. : Лань, 2014. 208 с.
4. 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.
5. Диденко В. Н., Исаев А. В., Узаков Н. Д. Метод сравнительной оценки тепловых потерь биорекакторов на этапе аванпроекта биогазовой установки // Энергосбережение и водоподготовка. 2019. № 5 (121). С. 61-65.
6. Караева Ю. В., Варлавова И. А. Эффективность гидравлического перемешивания в метантенке с перегородками // Энергосбережение и водоподготовка. 2017. № 1 (105). С. 27-32.
7. Колосова Н. В., Монах С. И. Математическая модель тепломассообмена при получении биогаза в метантенке // Современное промышленное и гражданское строительство. 2019. № 2. С. 67-74.
8. Микрюкова Е. М., Васюткина М. Н., Таскаев М. 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.
9. Мишустин Е. Н., Емцев В. Т. Микробиология. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Агропромиздат, 1987.
368 с.
^y^yPWWWW^yf ТРУНП ППГИИ MA ШИНЫ И ПКПРУППЛА
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
V^VWVWVW ППЯ ЛГРППРПМЫШПРННПГП КПМППРКГА
10. Оковитая К. О. Повышение эффективности работы метантенков // Эффективные технологии в области водоподготовки и очистки в системах водоснабжения и водоотведения. 2021. № 1. С. 54-56.
11. 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.
12. Свалова М. В. Обоснование и разработка технологического процесса утилизации отходов птицеводства с использованием биогазовых установок : автореф. дис. канд. техн. наук. СПбГАУ. Санкт-Петербург, 2009. 20 с.
13. Смирнова А. Р. Пути повышении эффективности работы метантенков // Научный форум: технические и физико-математические науки. Москва, издательство «МЦНО». 2020. С. 23-30.
14. Свалова М. В., Ильминских Н. Г., Ильминских А. Н., Касаткин В. В. Исследование анаэробного сбраживания осадка сточных вод, проводимые в рамках экологической образовательной программы «ЭкоТех // Проблемы региональной экологии и географии. 2019. № 1. С. 18-21.
15. 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.
16. Свалова М. В., Касаткин В. В., Касаткина Н. Ю., Закиров А. Ю. Исследование солнечной энергии как одного из возобновляемых источников энергии, возможных к применению в сельском хозяйстве // АПК России. 2019. № 4. Том 26. С. 563-571.
17. 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.
18. Хворенков Д. А., Алексеева Л. В., Варфоломеева О. И., Попов Д. Н. К расчету параметров распространения угарного газа от котла индивидуальной системы отопления частного жилого дома // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина. 2018. С. 65-69.
19. Хворенков Д. А., Варфоломеева О. И., Пушкарев А. Э., Попов Д. Н. Аналитическое и численное моделирование диффузионных процессов в дымовых трубах теплогенерирующих установок // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2019. № 3. Т. 22. С. 82-89.
20. Юхин Д. П. К вопросу повышения эффективности функционирования метантенка биогазовой установки // Наука молодых - инновационному развитию АПК. Уфа, издательство «Башкирский государственный аграрный университет». 2019. С. 168-172.
Статья поступила в редакцию 18.04.2023; одобрена после рецензирования 22.05.2023;
принята к публикации 24.05.2023.
Информация об авторе:
М. В. Паршикова - к.т.н., доцент кафедры «Водоснабжение и водоподготовка», Spin-код: 9159-1802.
REFERENCES
1. 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], In 2 vols. Vol. 1. Izhevsk: Publishing House of Kalashnikov ISTU, 2019, pp. 460-465.
2. Andreev A. V., Panov D. A. Svalova M. V. K metodike issledovaniya processov anaerobnoj ochistki stochnyh vod s primeneniem energosberegayushchih tekhnologij [To the methodology of studying the processes of anaerobic wastewater treatment using energy-saving technologies], Nauka i innovacii v sovremennyh usloviyah [Science and innovation in modern conditions], 2016, No. 1, pp. 215-219.
3. Razdorazumova A.M. Obrabotka i obezvozhivanie osadkov gorodskih stochnyh vod [Treatment and dewater-ing of urban sewage sludge], textbook manual, Moscow: Lan', 2014, 208 p.
тггнмп i nrirc мл гтыгс л лгп рп hidмс Jliyiiy^yiiiy^y^ 1ECnNOLOGlES, РШ.ЬШМСЬ AND EQU1PMEN1
то тис дгоп imimigtdiai глмрг рг ^rOR T AGRO-1NDUST R1AL COMPLEX
4. Grigoriev V. S., Kovalev A. A. Sistema predvaritel'noj podgotovki substratov metantenkov v apparate vihrevogo sloya s rekuperaciej teploty [System of preliminary preparation of metantenkov substrates in a vortex layer apparatus with heat recovery], Elektrotekhnologii i elektrooborudovanie v APK [Electrotechnologies and electrical equipment in the agroindustrial complex], 2020, No. 2 (39), pp. 8-13.
5. Didenko V. N., Isaev A. V., Uzakov N. D. Metod sravnitel'noj ocenki teplovyh poter' biorekaktorov na etape avanproekta biogazovoj ustanovki [Method of comparative assessment of heat losses bioreactors at the stage of the advance project of a biogas plant], Energosberezhenie i vodopodgotovka [Energy saving and water treatment], 2019, No. 5 (121), pp. 61-65.
6. Karaeva Yu. V., Varlavova I. A. Effektivnost' gidravlicheskogo peremeshivaniya v metantenke s perego-rodkami [Efficiency of hydraulic mixing in a methane tank with partitions], Energosberezhenie i vodopodgotovka [Energy saving and water treatment], 2017, No. 1 (105), pp. 27-32.
7. Kolosova N. V., Monk S. I. Matematicheskaya model' teplomassoobmena pri poluchenii biogaza v metantenke [Mathematical model of heat and mass transfer during biogas production in a methane tank], Sovremennoe promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Modern industrial and civil construction], 2019, No. 2, pp. 67-74.
8. Mikryukova E. M., Vasyutkina M. N., Taskaev M.V. Obzor osnovnyh metodov ochistki stochnyh vod ot nefteproduktov [Overview of the main methods of wastewater treatment from petroleum products], Sbornik dokladov XVI Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii, posvyashchennoj pamyati akademika RAN S. V. Yakovleva [Collection of reports of the XVI International Scientific and Technical Conference dedicated to the memory Academician of the RAS S. V. Yakovlev], Moscow, 2021, pp. 42-47.
9. Mishustin E. N., Emtsev V. T. Mikrobiologiya [Microbiology], 3-rd ed., Moscow: Agropromizdat, 1987,
368 p.
10. Okovitaya K. O. Povyshenie effektivnosti raboty metantenkov [Improving the efficiency of the work of metantenkov], Effektivnye tekhnologii v oblasti vodopodgotovki i ochistki v sistemah vodosnabzheniya i vodootvedeni-ya [Effective technologies in the field of water treatment and purification in water supply and sanitation systems], 2021, No. 1, pp. 54-56.
11. Provotorova A. A. Sravnitel'nyj analiz ispol'zovaniya aerotenkov i metantenkov pri ochistke stochnyh 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 support: An innovative paradigm], 2021, pp. 97-102.
12. Svalova M. V. Obosnovanie i razrabotka tekhnologicheskogo processa utilizacii othodov pticevodstva s ispol'zovaniem biogazovyh ustanovok [Justification and development of the technological process of poultry waste disposal using biogas plants. Ph. D. (Engineering) abstract], Saint Petersburg, 2009, 20 p.
13. Smirnova A. R. Puti povyshenii effektivnosti raboty metantenkov [Ways to improve the efficiency of metantenkov], Nauchnyj forum: tekhnicheskie i fiziko-matematicheskie nauki [Scientific Forum: technical, physical, and mathematical sciences], Moscow, Publ. «MCNO», 2020, pp. 23-30.
14. Svalova M. V., Ilminskikh N. G., Ilminskikh A. N., Kasatkin V. V. Issledovanie anaerobnogo sbrazhivaniya osadka stochnyh vod, provodimye v ramkah ekologicheskoj obrazovatel'noj programmy «EkoTekh» [Research of anaerobic digestion of sewage sludge carried out within the framework of the ecological educational program «Eco-tech»], Problemy regional'noj ekologii i geografii [Problems of regional ecology and geography], 2019, No. 1, pp.18-21.
15. 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.
16. Svalova M. V., Kasatkin V. V., Kasatkina N. Yu., Zakirov A. Yu. Issledovanie solnechnoj energii kak od-nogo iz vozobnovlyaemyh istochnikov energii, vozmozhnyh k primeneniyu v sel'skom hozyajstve [Research solaris industria, ut unus de renewable industria fontes, potest uti in agricultura], APK Rossii [Agroindustrial Complexus Russia], 2019, No. 4, Vol. 26, pp. 563-571.
17. Khanova E. L., Sakharova A. A., Gerashchenko A. A. Sposob intensifikacii raboty metantenkov s razdele-niem faz brozheniya [ Method of intensification of the work of methane tanks with separation of fermentation phases],
30
Вестник НГИЭИ. 2023. № 7 (146). C. 19-31. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 7 (146). P. 19-31. ISSN 2227-9407 (Print)
TFYHfl ППГИИ MA ШИНЫ И ПКПРУППЛй V^VWVWVW ППЯ ЛГРППРПМЫШПРННПГП КПМППГКГй
Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arhitektura [Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Construction and Architecture], 2019, No. 1 (74), pp. 72-79.
18. Hvorenkov D. A., Alekseeva L. V., Varfolomeeva O. I., Popov D. N. K raschetu parametrov rasprostraneni-ya ugarnogo gaza ot kotla individual'noj sistemy otopleniya chastnogo zhilogo doma [To calculate the parameters of carbon monoxide propagation from the boiler of an individual heating system of a private residential building], Ener-go- i resurso sberezhenie. Energoobespechenie.Netradicionnyei vozobnovlyaemye istochniki energii. Atomnaya ener-getika [Energy and resource conservation. Energy supply. Unconventional and renewable energy sources. Nuclear power engineering.], Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, Ural Federal University named after the First President of Russia Yeltsin, 2018, pp. 65-69.
19. Hvorenkov D. A., Varfolomeeva O. I., Pushkarev A. E., Popov D. N. Analiticheskoe i chislennoe modeliro-vanie diffuzionnyh processov v dymovyh trubah teplogeneriruyushchih ustanovok [Analytical and numerical modeling of diffusion processes in chimneys of heat generating plants], Vestnik IzhGTU imeni M. T. Kalashnikova [Bulletin of ISTUnamed after M. T. Kalashnikov], 2019. No. 3, Vol. 22, pp. 82-89.
20. Yukhin D. P. K voprosu povysheniya effektivnosti funkcionirovaniya metantenka biogazovoj ustanovki [On the issue of increasing the efficiency of the functioning of the biogas plant's methane tank], Nauka molodyh - inno-vacionnomu razvitiyu APK [Nauka molodykh - innovative development of the agroindustrial complex], Ufa, Publ. «Bashkir State Agrarian University», 2019, pp. 168-172.
The article was submitted 18.04.2023; approved after reviewing 22.05.2023; accepted for publication 24.05.2023.
Information about the author: M. V. Parshikova - Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the Department «Water Supply and water Treatment», Spin-code: 9159-1802.
