CC BY
11
TFYHfl ППГИИ MA ШИНЫ И ПКПРУППЛй
ММУМУУМММ п rja Д ГРППРПММШПРННПГП 1СПМП ПРКГй
дл1я а! гопгомшшлеппо! о комплекса
4.3.1 ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Научная статья УДК 628.336.6
Б01: 10.24412/2227-9407-2022-11-7-18
К оценке азотного баланса при утилизации осадков сточных вод и животноводческих стоков методом анаэробного сбраживания, используемых в качестве удобрения
Марианна Викторовна Свалова
Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова, Ижевск, Россия, тапаппа. svalova@yandex.ru
Аннотация
Введение. Статья посвящена исследованию технологического процесса переработки органических отходов сельскохозяйственного производства и оценке азотного баланса при утилизации осадков сточных вод и животноводческих стоков в биогазовой установке методом анаэробного сбраживания.
Материалы и методы. Рассматриваются микробиологические закономерности процессов анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства, в том числе сформулированные российскими учеными, анализируются общие требования, предъявляемые к методике и составу оборудования по обработке осадков и животноводческих стоков. Приведена методика обработки осадка сточных вод согласно СП 32.13330.2018. Приведен состав оросительной системы с использованием сточных вод и животноводческих стоков, регламентирующийся СП 100.13330.2016 «Мелиоративные системы и сооружения». Результаты. В лаборатории «Биотехнологии» проведены опыты и исследовано влияние параметров процесса переработки органических отходов сельскохозяйственного производства на выработку биогаза для оценки азотного баланса при утилизации осадков сточных вод и животноводческих стоков. Получены экспериментальные зависимости выработки биогаза и температуры в биореакторе от продолжительности процесса анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков. Приведены результаты анализа химического состава биомассы по определению влажности, плотности, зольности и рН, полученных почвенных растворов, которые возможно использовать в качестве удобрения.
Обсуждение. Недостаточная теоретическая и практическая изученность технологического процесса утилизации осадков сточных вод и животноводческих стоков представляет экологическую опасность. При утилизации осадков и животноводческих стоков в биогазовой установке происходит развитие мезофильных и термофильных бактерий, в результате анаэробного сбраживания азот превращается в сложные азотистые органические соединения. Предложена модель азотного баланса при анаэробном сбраживании осадков сточных вод и животноводческих стоков.
Заключение. Разработана методика оценки объединения в единый цикл трех стадий технологии сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков в биогазовой установке для агропромышленного комплекса. Обоснована оценка азотного баланса при утилизации осадков сточных вод и животноводческих стоков, используемых в качестве удобрения.
Ключевые слова: азотный баланс, анаэробное сбраживание, животноводческие стоки, обоснование, осадки сточных вод, сельскохозяйственные культуры, удобрение, утилизация
© Свалова М. В., 2022
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
XXX technologies, machines and equipment for the agro-industrial complex XXX
Для цитирования: Свалова М. В. К оценке азотного баланса при утилизации осадков сточных вод и животноводческих стоков методом анаэробного сбраживания, используемых в качестве удобрения // Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). С. 7-18. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-11-7-18
To assess the nitrogen balance in the utilization of sewage sludge and livestock effluents by anaerobic digestion used as fertilizer
Marianna V. Svalova
Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia, marianna.svalova@yandex.ru
Abstract
Introduction. The article is devoted to the study of the technological process of processing organic waste from agricultural production and the assessment of the nitrogen balance during the utilization of sewage sludge and livestock effluents in a biogas plant by anaerobic digestion.
Materials and methods. The microbiological regularities of the processes of anaerobic digestion of organic waste of agricultural production, including those formulated by Russian scientists, are considered, the general requirements for the methodology and composition of equipment for the treatment of sediments and livestock effluents are analyzed. The method of treatment of sewage sludge according to SP 32.13330.2018 is given. The composition of the irrigation system with the use of wastewater and livestock effluents regulated by SP 100.13330.2016 «Reclamation systems and structures» is given.
Results. Experiments were conducted in the laboratory of Biotechnologies and the influence of the parameters of the processing of organic waste from agricultural production on the production of biogas was studied to assess the nitrogen balance during the disposal of sewage sludge and livestock effluents. Experimental dependences of biogas production and temperature in the bioreactor on the duration of the process of anaerobic digestion of sewage sludge and livestock effluents were obtained. The results of the analysis of the chemical composition of biomass to determine the humidity, density, ash content and pH of the obtained soil solutions that can be used as fertilizer are presented. Discussion. Insufficient theoretical and practical knowledge of the technological process of utilization of sewage sludge and livestock effluents is an environmental hazard. During the utilization of sediments and livestock effluents in a biogas plant, mesophilic and thermophilic bacteria develop, as a result of anaerobic digestion, nitrogen turns into complex nitrogenous organic compounds. A model of nitrogen balance in anaerobic digestion of sewage sludge and livestock effluents is proposed.
Conclusion. A methodology has been developed for evaluating the integration into a single cycle of three stages of the technology of fermentation of sewage sludge and livestock effluents in a biogas plant for the agro-industrial complex. The assessment of the nitrogen balance in the utilization of sewage sludge and livestock effluents used as fertilizer is substantiated.
Keywords: nitrogen balance, anaerobic fermentation, livestock wastes, justification, sewage sludge, agricultural crops, fertilizer, utilization
For citation: Svalova M. V. To assess the nitrogen balance in the utilization of sewage sludge and livestock effluents by anaerobic digestion used as fertilizer // Bulletin NGIEI. 2022. № 11 (138). P. 7-18. DOI: 10.24412/2227-94072022-11-7-18
Введение
За последние 30 лет отмечается рост внимания российской и международной общественности к проблеме снижения отрицательного воздействия на окружающую среду химически активного азота N1, выделяющегося в атмосферу на очистных сооружениях канализации, животноводческих и птицеводческих комплексах. Азот является важнейшим условием существования жизни на земле. Вместе с
тем возросшее накопление химически активного азота приводит к различным негативным последствиям, среди которых: ухудшение здоровья людей, эвтрофикация поверхностных источников водоснабжения, снижение биоразнообразия флоры и фауны, загрязнение грунтовых вод и питьевой воды [1; 2]. Повышенное поступление в водные объекты Удмуртской Республики азота и фосфора с животноводческими стоками, хозяйственно-бытовыми
технологии, машины и оборудование ] для агропромышленного комплекса ]
сточными водами, стоками с сельскохозяйственных угодий приводит к антропогенному эвтрофирова-нию поверхностных источников водоснабжения. В Российской Федерации со стоками с сельскохозяйственных угодий поступает до 30-40 % азота, внесенного с удобрениями, и до 1-1,5 % фосфора. Сложная ситуация с водными ресурсами в Европе и Российской Федерации и прогноз водопотребления на ближайшие 5 лет свидетельствует, что возможно увеличение водопотребления в мировом хозяйстве к 2023 году, соответственно возрастет объем сточных вод. Источниками загрязнения водных объектов в Удмуртской Республике являются животноводческие и птицеводческие комплексы, которые предусматривают большое количество поголовья скота и птицы, бесподстилочное их содержание. Таким образом, в данных условиях содержания скота и птицы на территории животноводческих и птицеводческих хозяйств Удмуртской Республики образуется жидкий навоз и помет, влажностью 90-95 %, который не способен к самонагреванию. Жизнедеятельность патогенных бактерий и яиц гельминтов в составе жидкого навоза и помета значительно увеличивается и процессы анаэробного сбраживания и минерализации в биомассе замедляются. В результате внедрения энергоэффективных технологий очистки сточных вод и животноводческих стоков решается проблема утилизации органических отходов сельскохозяйственного производства и охраны окружающей среды от негативных выбросов в атмосферу и сбросов загрязняющих веществ в водные объекты.
На очистных сооружениях канализации непрерывно образуются осадки сточных вод, которые относятся к группе отходов «отходы от водо-подготовки, обработки сточных вод и использования воды». Состав и свойства отходов различны и зависят от качества исходной сточной воды, технологии ее очистки и технологии обработки образующихся отходов. При отсутствии альтернативных методов их использования в качестве вторичных ресурсов и удобрений осадки сточных вод размещаются на иловых площадках, полигонах, специализированных полигонах твердых бытовых отходов и промышленных отходов в целях захоронения и временного хранения. Использование отходов в качестве вторичных ресурсов и удобрений в соответствии с государственными принципами по обращению с отходами является более приоритетным, чем их захоронение.
Актуальность проблемы уменьшения выбросов азота в атмосферу
Химически активный азот определяется как биологические, фотохимические и лучисто активные соединения азота (К) в биосфере и атмосфере. Практически это весь азот за исключением газообразного (N2): соединения с кислородом: К0х, К20, N03; соединения с водородом: аммоний (МН+), аммиак (КН3); органический азот: протеины, амины и другие [2; 3].
В рамках Конвенции о Трансграничном Загрязнении Воздуха на Большие Расстояния создана целевая группа по химически активному азоту в составе рабочей группы по стратегиям и обзорам, опорный пункт при Институте агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства. В качестве экспертов сети, инициативная группа ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» анализирует информацию для подготовки программ и проектов по теме «Разработка методов эффективного использования азота при утилизации осадков сточных вод и животноводческих стоков, обеспечивающих снижение негативного воздействия на основные компоненты природной среды при использовании его в качестве удобрения». Это сотрудничество должно служить задачам координации работ в данном направлении. В лаборатории «Биотехнологий» ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» проведены экспериментальные исследования технологического процесса анаэробного сбраживания органических отходов в естественных условиях для оценки азотного баланса при утилизации осадков сточных вод и животноводческих стоков в биогазовой установке, используемых в качестве удобрения.
Актуальность проблемы с её недостаточной теоретической изученностью предопределила выбор темы исследования статьи. Необходимость и целесообразность проведения исследований обусловлена возрастающим риском разрастания зон экологического бедствия, связанных с отсутствием оборудования и технологии экологически чистой утилизации осадков сточных вод, животноводческих стоков и использование их в качестве удобрения [4].
Материалы и методы Микробиологические закономерности процессов анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков Процессы, происходящие при анаэробном сбраживании осадков сточных вод и животноводче-
XXX technologies, machines and equipment for the agro-industrial complex XXX
ских стоков, обусловлены жизнедеятельностью ме-зофильных и термофильных бактерий [6]. В процессе сбраживания азот из аммиачной и нитратной формы превращается в белковую. Уменьшение выбросов азота в аммиачной и нитратной форме -один из методов решения проблемы трансграничного загрязнения воздуха.
В агропромышленном комплексе существуют предприятия повышенной экологической опасности, птицефабрики, животноводческие комплексы, специфической характеристикой которых в настоящее время является то, что с наращиванием мощностей, увеличением объемов товарооборота пропорционально возрастает их опасность для окружающей среды [7].
С учетом огромного количества существующих на территории Российской Федерации крупных, средних птицеводческих и животноводческих хозяйств и очистных сооружений, соответственно, объемов отходов сельскохозяйственного производства, непрерывно образующихся на их площадях, очевидным становится обострение проблемы утилизации осадков сточных вод и животноводческих стоков, необходимость производства удобрения с целью переработки отходов. Осадок сточных вод биологической очистки смеси ливневых и промышленных сточных вод, не содержащих специфические загрязнители, относится к отходам V класса опасности; осадок сточных вод биологической очистки хозяйственно-бытовых и смешанных сточных вод - к отходам IV класса опасности. По составу и происхождению сточные воды классифицируют на производственные, хозяйственно-бытовые и животноводческие стоки, например, последние образуются при содержании животных на комплексах [8].
Развитие технологий микробиологической анаэробной переработки биомасс можно связать с этапом начала анализа запасов энергетических ресурсов Земли [9]. Сырьевые ресурсы Земли использовались на протяжении многих столетий, и только в последние десятилетия многие страны столкнулись с реальным и подчас критическим дефицитом газа и других видов полезных ископаемых.
Эта ситуация натолкнула ученых на возможность использования в экономике ресурсов биосферы и, в частности, биомассы. Одной из весьма эффективных возможностей использования биомассы в указанных целях и является микробиологическая анаэробная конверсия ее в биогаз.
Биомасса - самая дешевая и крупномасштабная форма аккумулируемой и возобновляемой энер-
гии. Под биомассой можно подразумевать любые материалы биологического происхождения, продукты жизнедеятельности и органические отходы, образующиеся в процессе их переработки, осадки сточных вод и животноводческие стоки. Ежегодный прирост биомассы на Земле составляет 200 млрд тонн, что эквивалентно 3 1011 Дж энергии. Эта величина примерно в 10 раз превышает годовое потребление энергии всем человечеством на Земле [10].
Системы преобразования энергии биомассы для получения биотоплива достаточно разнообразны. Потенциальным сырьем для производства биотоплива могут служить осадки сточных вод и животноводческие стоки.
В соответствии с требованиями федерального закона № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» сельскохозяйственные предприятия обеспечивают соблюдение нормативов качества окружающей среды на основе применения экологически безопасных технических средств и технологий производства сельскохозяйственной продукции, обезвреживания и безопасного размещения отходов производства и потребления, обезвреживания выбросов и сбросов загрязняющих веществ.
Методика анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков
Согласно СП 32.13330.2018 осадки сточных вод, образующиеся в результате очистки сточных вод, необходимо обеззараживать для улучшения физико-механических свойств, устранения запаха и обеспечения возможности их экологически безопасной утилизации. На сооружениях механической, биологической очистки сточных вод различных категорий, хозяйственно-бытовых, производственных, животноводческих стоков возможно проектирование биогазовых установок.
Методика обработки осадков сточных вод и животноводческих стоков подразумевает первоначально проведение технико-экономического расчета и разработку технологического процесса анаэробного сбраживания с учетом состава, свойств, физико-химических и теплофизических характеристик органических отходов и возможность их использования в агропромышленном комплексе [11].
При проведении технико-экономического расчета и проектировании сооружений возможно предусмотреть биогазовые установки, сооружения локальной очистки осадка сточных вод и животноводческих стоков от взвешенных веществ, аммонийного азота или фосфатов методами нитро-денитрифи-кации, окисления аммония, регенерации азота и
технологии, машины и оборудование ] для агропромышленного комплекса ]
фосфора из сточных вод осаждением ионов в форме струвита и анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства.
На основе теоретических и практических исследований в статье рассматривается методика оценки объединения в единый цикл трех стадий анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков.
В соответствии с предложенной методикой при анаэробном сбраживании осадков сточных вод и животноводческих стоков имеет место ступенчатость освобождения химической энергии окисляемого субстрата, так как процесс окисления связан с прохождением различных промежуточных этапов. Три стадии анаэробного превращения - мезофиль-ную до 35 °С, промежуточную 35...45 °С и термофильную 45...55 °С предлагается объединить в единый цикл на биогазовой установке непрерывного действия.
К обоснованию методики оценки объединения в единый цикл трех стадий технологии сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков представлены теоретические исследования технологического процесса анаэробного сбраживания [15]. В анаэробном разложении клетчатки принимают участие два вида бактерий, форма, предложенная русским ученым Омелянским, «Вас. cellulosae hydro-genicus», представляющая собой длинные (10-12 ц) палочки, и «Вас. cellulosae methanicus», которая представляет форму барабанной палочки и образует большое количество метана.
Подобного типа культуры термофильных бактерий, сбраживающих клетчатку, исследовались В. В. Первозванским.
Многие из перечисленных работ по изучению сбраживания клетчатки были проведены только с очищенными культурами термофильных бактерий. Чистые культуры их были получены А. А. Имше-нецким, которому удалось уточнить морфологическую характеристику целлюлозоразлагающих бактерий, а также дать более подробные сведения об их физиологии [16].
Для водородного и метанового сбраживания клетчатки общая схема представляется в следующем виде:
(QHwO5 )n + nH2O = nC6H12O6; (1) C6H12O6 ^ CH3CH2CH2COOH + + CHCCOOH + H2 + CO + xCal; (2)
С6И1206 ^ СИ3СИ2СИ2СООИ + + СИССООИ + СИА + СО + хСа1. (3)
В результате анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков имеет место ступенчатость освобождения химической энергии окисляемого субстрата, так как процесс окисления связан с прохождением различных промежуточных этапов. В реакциях, освобождающих энергию и потребляющих ее, принимает участие химический посредник аденозинтрифосфат. Каждая макроэргическая фосфатная часть равноценна 40...48 кДж энергии [17].
Дальнейшее участие энергии, аккумулированной в фосфатных связях, может происходить различными путями. В результате этих взаимодействий термодинамические невозможные реакции становятся возможными и совершаются самопроизвольно. Сбраживанию клетчатки предшествует ее гидролиз до глюкозы. Накопление глюкозы наблюдается не всегда, а только после умерщвления бактерий. Это связано с тем, что фермент целлюлоза сохраняет еще свою активность при этой обработке, а ферменты, участвующие в разложении глюкозы, становятся неактивными.
Сопутствующая микрофлора снижает окислительно-восстановительный потенциал среды и обогащает ее сложными азотистыми соединениями, необходимыми для развития анаэробных бактерий.
Сооружения оросительной системы с использованием сточных вод
Методика применения оросительной системы с использованием сточных вод, в том числе животноводческих стоков, регламентируется СП 100.13330.2016 «Мелиоративные системы и сооружения». В комплексе сооружений могут быть предусмотрены сооружения по предварительной подготовке сточных вод: накопители очищенных сточных вод, резервные площадки, буферные пруды, оборудование по эксплуатационному контролю работы оросительной системы с возможностью использования сточных вод различных категорий [18]. Предварительная подготовка и доочистка хозяйственно-бытовых сточных вод, которые образуются в городах, на территории населенных мест численностью до 5000 человек, производственных сточных вод предприятий и животноводческих стоков, предусматривает их использование для полива сельскохозяйственных культур. Доочистка животноводческих стоков на полях орошения происходит
XXX technologies, machines and equipment for the agro-industrial complex XXX
под воздействием оптимальных факторов: кислорода, солнечных лучей и жизнедеятельности бактерий. На животноводческих и птицеводческих хозяйствах Европы годовой объем органических отходов сельскохозяйственного производства достигает объема до 1,25 млрд тонн, возможность внесения 100 кг/га азота позволит утилизировать животноводческие стоки на 60 млн га площади. Экологическая проблема охраны окружающей среды от негативного воздействия выбросов и сбросов загрязняющих веществ решается в результате утилизации осадков сточных вод и орошения полей обезвреженными животноводческими стоками. В условиях Удмуртской Республики рекомендуется при орошении сельскохозяйственных угодий животноводческими стоками и хозяйственно-бытовыми сточными водами, не содержащими тяжелые металлы, выращивать зерновые и силосные культуры, многолетние и однолетние травы. В результате проведения экспериментальных исследований в лаборатории «Биотехнологии» разработаны практические рекомендации для климатических условий Удмуртской Республи-
ки, которые предлагают применять животноводческие стоки, обеззараженные в биогазовой установке, для орошения сельскохозяйственных культур, например многолетних трав.
Результаты
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова». В лаборатории «Биотехнологии» на первом этапе опытов исследовано влияние параметров процесса анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков на выработку биогаза в естественных условиях без подогрева в биогазовой установке. В результате исследований были получены экспериментальные зависимости выработки биогаза и температуры в биореакторе от продолжительности процесса анаэробного сбраживания осадков сточных вод, животноводческих стоков и температуры окружающей среды (рисунок 1).
Обобщенные данные исследований в естественных условиях представлены на рисунке 2.
Рис. 1. Зависимость изменения температуры в реакторе и выработки биогаза от времени Fig. 1. Dependence of temperature changes in the reactor and biogas production on time Источник: составлено автором на основании экспериментальных исследований
технологии, машины и оборудование ] для агропромышленного комплекса ]
Рис. 2. Изменение выработки биогаза по дням исследований Fig. 2. Change in biogas production by research days Источник: составлено автором на основании экспериментальных исследований
Температура в биореакторе непрерывно, но незначительно повышалась в течение цикла. Повышение температуры происходило даже при понижении температуры окружающей среды. Кроме того, биореактор не имел теплоизоляции, поэтому происходили потери тепла в окружающую среду. Непрерывное увеличение температуры процесса объясняется тем, что при сбраживании биомассы освобождается энергия за счет физиологической деятельности мезо-фильных бактерий. Термофильные бактерии прорастают только в симбиозе с другими бактериями, когда развитие мезофильных бактерий еще не угасло, и микрофлора среды благоприятна для их развития.
В лаборатории «Биотехнологии» ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» проведены опыты в естественных условиях с применением биогазовой установки, исследовано влияние параметров процесса анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков на выработку биогаза и химический состав биомассы, почвенных растворов, которые возможно использовать в качестве удобрения. Результаты анализа первого этапа опыта по определению влажности, плотности, зольности и рН загружаемого осадка сточных вод до сбраживания и полученной биомассы из биогазовой установки после анаэробного сбраживания представлены в таблице 1. Метод определения влажности осадка сточных вод и животноводческих стоков заключается в определении потери влаги при высушивании биомассы. Методика определения
плотности осадка сточных вод и животноводческих стоков предусматривает взвешивание пустого мерного цилиндра объемом 1 л. В мерный цилиндр помещают осадок сточных вод или животноводческие стоки, встряхивают цилиндр на ладони, каждый раз после добавления новой порции биомассы объемом 100 мл. Далее цилиндр, наполненный до отметки осадком сточных вод или животноводческих стоков, взвешивают и сравнивают его массу с массой пустого цилиндра. Данная разница составляет среднюю плотность органических отходов. Метод определения величины рН проб осадка сточных вод и животноводческих стоков основан на измерении ЭДС электродной системы, состоящей из стеклянного электрода, потенциал которого определяется активностью водородных ионов, и вспомогательного электрода сравнения с известным потенциалом. В зависимости от величины рН может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности сточной воды, токсичность загрязняющих веществ [19]. Методика определения зольности предусматривает отслеживание одного из основных параметров технологического процесса анаэробного сбраживания осадка сточных вод и животноводческих стоков - выхода биогаза, проведены анализы по определению зольности пробы биомассы. Данная методика основана на определении зольности проб биомассы (почв) при проведении почвенного, агрохимического, мелиоративного обследования и контроля состояния почв.
XXX technologies, machines and equipment for the agro-industrial complex
Таблица 1. Результат анализа по определению влажности, плотности, зольности и рН загружаемого осадка сточных вод и полученной биомассы
Table 1. The result of the analysis to determine the humidity, density, ash content and pH of the loaded sewage sludge and the resulting biomass
Наименование методики / Name of the method
Загружаемый осадок / Downloadable sediment
Полученная биомасса / The resulting biomass
Результат / Result
Определение влажности / Determination of humidity Определение плотности / Determination of density Определение рН / Determination of pH Определение зольности / Determination of ash content
97,2±4,9 % 0,97 % 6,2 ед. 28,4 %
94,2±4,9 % 0,95 % 6,5 ед. 30,5 %
Источник: составлено автором на основании экспериментальных исследований
Обсуждение Модель азотного баланса при анаэробном сбраживании осадков сточных вод и животноводческих стоков
Продуктом анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков является
не только биогаз, но и выработанный субстрат, представляющий собой высококачественное многокомпонентное удобрение. В процессе анаэробного сбраживания азот из аммиачной и нитратной формы переходит в белковую. Модель такого превращения представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Модель азотного превращения при анаэробном сбраживании осадков сточных вод Fig. 3. Model of nitrogen transformation during anaerobic digestion of sewage sludge Источник: составлено автором на основании теоретических исследований
Для синтеза белка требуются различного типа аминокислоты, которые, в свою очередь, образуются в клетках микроорганизмов при взаимодействии аммиака с соответствующими кетокислотами. Процесс аминирования идет по следующей схеме: R—СО СООН+МНз+2Н ^ ^R—СН (NH2) СООН+Н2О . (4)
Особенно легко происходит аминирование дикарбоновых кетокислот типа щавелевоуксусной и а-кетоглютаровой кислот.
В ходе аминирования и переаминирования образуются а-аминокислоты. В белковых же веществах наряду с ними всегда содержатся и аминокислоты, включающие в свой состав дополнительные атомы азота или серы [20]. Взаимодействие между различными аминокислотами осуществляется через амин-ные и карбоксильные группы. В результате этого взаимодействия получаются белковые вещества: я - сими2 + соон • сн - я, ^ я - стн • со • сн - я, + Н2О I I I I
2
2
технологии, машины и оборудование ] для агропромышленного комплекса ]
Различные радикалы И, Я], Я2, находясь в боковых цепях, придают им соответствующую реактивную способность.
Заключение
1. Обоснованы параметры процесса утилизации - температура и продолжительность процесса на основе микробиологических закономерностей процесса анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков.
2. Разработана модель азотного цикла с учетом форм существования азота до анаэробного сбраживания в биореакторе и после него.
3. В лаборатории «Биотехнологии» Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова проведены экспериментальные исследования технологического процесса анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков в естественных условиях, при проведении опытов применялась методика согласно СП 32.13330.2018, СП 100.13330.2016. В результате проведения экспериментальных исследований технологического процесса анаэробного сбраживания осадков сточных вод в естественных условиях в биореакторе максимальный выход биогаза наблюдался при температуре 25 °С и составил 9 граммов с 1 литра осадка сточных вод. В результате проведения первого этапа опытов анаэробного сбраживания животноводческих стоков в естественных условиях в биореакторе максимальный выход биогаза зафиксирован газоанализатором при температуре 22 °С и составил 11 граммов с 1 литра животноводческих стоков на десятый день исследований.
4. Приведена методика проведения и результаты анализа по определению химического состава биомассы, влажности, плотности, зольности и рН
загружаемого осадка сточных вод и животноводческих стоков до сбраживания и почвенных растворов, которые возможно использовать в качестве удобрения из биогазовой установки после анаэробного сбраживания. Согласно результатам анализа по определению химического состава биомассы процент влажности уменьшился на 3 %, что соответствует нормальной работе биореактора. Уменьшение процента плотности органических отходов на 0,02 % и увеличение процента зольности на 2,1 % говорит о том, что субстрат сбраживался по времени достаточно для того, чтобы произошел должный распад органического вещества, рН увеличился на 0,3 ед., но остается в пределах нормы жизнедеятельности метанобразующих бактерий.
5. Выполненные исследования являются научной предпосылкой для разработки баланса по азоту при утилизации органических отходов методом анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков в биогазовой установке, используемых в качестве удобрения в агропромышленном комплексе.
6. В результате исследований разработаны практические рекомендации по применению обеззараженных в процессе анаэробного сбраживания осадков сточных вод и животноводческих стоков в биогазовой установке для орошения сельскохозяйственных угодий на территории Удмуртской Республики и внесения их в почву в качестве удобрения. Оптимальный сельскохозяйственный эффект от применения органических отходов достигается при использовании схемы водопользования, рекомендующей удобрительный полив животноводческими стоками с последующим орошением хозяйственно-бытовыми сточными водами, не содержащими тяжелые металлы.
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.
XXX technologies, machines and equipment for the agro-industrial complex XXX
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.
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. Антипов С. Т., Панфилов В. А. Технологии АПК будущего и продовольственная безопасность в опережающем инженерном образовании // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2021. Т. 83. № 2. С. 23-28. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-2-23-28
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 18.09.2022; одобрена после рецензирования 19.09. 2022;
принята к публикации 21.09.2022
Информация об авторе:
М. В. Свалова - к.т.н., доцент кафедры «Водоснабжение и водоподготовка», Spin-код: 9159-1802.
Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). C. 7-18. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 11 (138). P. 7-18. ISSN 2227-9407 (Print)
VWWWW^V ТРУНП ППГИИ MA ШИНЫ И ПКПРУПППА f/urVWWWWW
XXXXXXXXXXX для агропромышленного комплекса XXXXXXXXXXX
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 de-watering of urban sewage sludge], ucheb. posobie. Moscow: Lan', 2014. 208 p.
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 metanten-ke [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-e ed., reprint. and additional, Moscow: Ag-ropromizdat, 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) diss.], 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-
17
XXX technologies, machines and equipment for the agro-industrial complex XXX
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], 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. Antipov S. T., Panfilov V. A. Tekhnologii APK budushchego i prodovol'stvennaya bezopasnost' v ope-rezhayushchem inzhenernom obrazovanii [Future agro-industrial technologies and food security in advanced engineering education], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2021, 83, No. 2, pp. 23-28. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-2-23-28
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 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 18.08.2022; approved after reviewing 19.09.2022; accepted for publication 21.09.2022.
Information about the author: M. V. Svalova - Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the Department «Water Supply and water Treatment», Spin-code: 9159-1802.
