CC BY
36
Научная статья УДК:628.3
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА И ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД С ПРИМЕНЕНИЕМ
БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
Марианна Викторовна Паршикова1н, marianna.svalova@yandex.ш,ORCГО 0009-0001-41518119
Владимир Вениаминович Касаткин , [email protected]
о
Надежда Юрьевна Касаткина , [email protected]
о
Анастасия Андреевна Литвинюк , [email protected]
1Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова, Ижевск,
Россия,
2
2Удмуртский государственный аграрный университет, Ижевск, Россия
Аннотация. Целью исследований было повышение эффективности процесса утилизации отходов животноводства и осадков сточных вод, позволяющего достичь максимальной выработки биогаза с помощью метода анаэробного сбраживания в биогазовой установке в климатических условиях Удмуртской Республики в зависимости от различных видов сырья при разных режимах работы биогазовой установки. Была разработана программа проведения экспериментальных исследований процесса при психрофильном, мезофильном и термофильном режимах работы биореактора с применением активатора процесса и без него. Представлены конструктивные особенности биогазовой установки, технологические процессы анаэробного сбраживания, этапы экспериментальных исследований. Был выполнен анализ результатов научных трудов российских ученых по утилизации навоза и оптимизации обработки отходов животноводства и осадков сточных вод для максимальной выработки биогаза. Рассмотрены соответствующие основные нормативные документы и методические рекомендации. По результатам экспериментальных исследований анаэробного сбраживания осадков сточных вод в мезофильном режиме без применения активатора, максимальный объем выработанного биогаза составил 11,45 г/м . При использовании навоза крупного рогатого скота, при добавлении активатора в мезофильном режиме максимальный объем выработанного биогаза составил -79,7 г/м , а в
3 ц
термофильном режиме -
192,5 г/м3. По
результатам экспериментальных исследований можно сделать вывод, что активатор процесса позволяет достичь максимальной выработки биогаза и повысить эффективность процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства в термофильном режиме.
Ключевые слова: биогазовая установка, особенности эксплуатации, критерии оптимизации, отходы животноводства, осадки сточных вод, экспериментальные исследования, биогаз, активатор процесса.
Для цитирования: Пашикова М.В., Касаткин В В., Касаткина Н.Ю., Литвинюк А. А. Результаты исследований процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства и осадков сточных вод с применением биогазовой установки // АгроЭкоИнженерия. 2023. №2(115). С. 140-158
Research article
Universal Decimal Code: 628.3
STUDY RESULTS OF ANAEROBIC DIGESTION OF ANIMAL WASTE AND SEWAGE SLUDGE ON A BIOGAS PLANT
Marianna V. Parshikova1H, [email protected],ORCID 0009-0001-4151-8119
2
Vladimir V. Kasatkin , [email protected]
о
Nadezhda Yu. Kasatkina , [email protected] Anastasia A. Litvinyuk , [email protected]
1Izhevsk State Technical University named after M. T. Kalashnikov, Izhevsk, Russia,
9
Udmurt State Agrarian University, Izhevsk, Russia,
Abstract. The research aimed to improve the efficiency of livestock waste and sewage sludge recycling. The goal was the peak output of biogas under climatic conditions of the Udmurt Republic. The research method was anaerobic digestion of different type of raw materials under various operating modes of the biogas plant. The research program provided for the psychrophilic, mesophilic and thermophilic operating modes of the bioreactor with and without the process activator. The paper describes the design features of the biogas plant, technological processes of anaerobic digestion, and stages of experiments. The study reviewed the research outcomes of Russian scientists associated with manure use and optimal livestock waste and sewage sludge treatment. The relevant main normative documents and methodical recommendations passed analysis. In the experiments on the anaerobic digestion of sewage sludge in mesophilic mode without an activator, the biggest volume of produced biogas was 11.45 g/m . The cattle manure with an activator in the mesophilic mode produced maximum 79.7 g/m of biogas, and in the thermophilic mode - 192.5 g/m of biogas. The conclusion of experiment results is that the process activator contributes to maximum biogas production and increases the efficiency of the anaerobic digestion of livestock waste in the thermophilic operation mode on the biogas plant.
Keywords: biogas plant, operation features, optimization criteria, libestock waste, sewage sludge, experimental study, biogas, process activator.
For citation: Parshikova M.V., Kasatkin V. V., Kasatkina N. Yu., Litvinyuk A. A. Study results of anaerobic digestion of animal waste and sewage sludge on a biogas plant. AgroEcoEngineering. 2023;2(115): 140-158. (In Russ.)
Введение
Основные направления развития отрасли сельского хозяйства, животноводства направлены на интенсификацию технологии, которая позволит обеспечить экологическую безопасность, энергоэффективность и экономичность. Интенсификация отрасли сельского хозяйства, животноводства влечет за собой увеличение антропогенной нагрузки на окружающую среду. В категорию рисков попадает утилизация отходов животноводства и осадков сточных вод, в результате хозяйственной деятельности человека. Экологическую проблему составляют иловые площадки, значительных размеров, вызывающие загрязнение почвы, поверхностных и подземных источников водоснабжения, а также площадки и пруды
накопители для хранения отходов животноводства, являющиеся источником патогенных микроорганизмов и гельминтов. Следует учесть, что эти объекты являются источниками значительных выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ (С02), метан (СН4). Актуальность обозначенной проблемы определила выбор темы исследования статьи.
В Удмуртской Республике на предприятиях АПК и очистных сооружениях канализации образуется большое количество отходов животноводства и осадков сточных вод. В результате концентрации органических отходов на предприятиях АПК на территории Удмуртской Республики возникает проблема их утилизации и охраны окружающей среды, в связи с загрязнением почв, поверхностных и подземных источников водоснабжения. При утилизации стоков доильных залов, происходит значительное разбавление их водой, которая используется на технологические нужды, в результате увеличивается период жизнедеятельности патогенной микрофлоры, вирусы, бактерии, токсикоинфекции, вызванные патогенными сальмонеллами, микроорганизмы, кишечная палочка, устойчивы к внешней среде и выживают в воде, почве в течении нескольких месяцев [1]. Применяя новые технологии и средства автоматизации процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства и осадков сточных вод в биогазовой установке можно решить проблему распространения возбудителей патогенных микроорганизмов и их токсинов в объектах окружающей среды, а также снизить трудозатраты и человеческий ресурс.
Анализ эффективности применения технологии утилизации органических отходов, в том числе отходов животноводства и осадков сточных вод, проводился на основе научно-исследовательских работ [2,4,5,6]. Степень повышения эффективности процесса утилизации биомассы на основе органических отходов, в том числе навоза, осадков сточных вод оценивалась по данным работ российских и зарубежных учёных [2,4,5,6,7,8,14].
Цель исследования
Повышение эффективности [Ш]утилизации отходов животноводства и осадков сточных вод с помощью метода анаэробного сбраживания в биогазовой установке, позволяющего, достичь максимального объёма выработанного биогаза климатических условиях Удмуртской республики.
Материалы и методы
Согласно исследованиям, д.т.н, профессора Брюханова А.Ю, экономическая эффективность и обеспечение экологической безопасности технологий утилизации навоза, помета являются одними из основных факторов, влияющих на функционирование и развитие интенсивного животноводства [2,3,11].
Одним из основных факторов, влияющих на выбор технологического процесса переработки навоза является его влажность. Поэтому при проведении экспериментальных исследований определяли влажность загружаемого навоза и выгружаемой биомассы.
Выбор технологических процессов обработки органических отходов должен определяться на основе критериев, которые обеспечат экономическую эффективность и экологическую безопасность всей технологии в целом [2].
Основным критерием в технологии анаэробного сбраживания является удельный показатель - объем выработанного биогаза1[Ц2], измеряемый в м3, в зависимости от состава перерабатываемого сырья [3].
Проведен анализ научных работ д.т.н, профессора Друзьяновой В.П. по разработке энергосберегающей технологии и технических средств для переработки навоза, которые обеспечивают устойчивую работу биоэнергетической установки в психрофильном и мезофильном режимах в Якутии. В своих исследованиях по переработке навоза в психрофильном и мезофильном режимах работы метантенка, д.т.н, профессор Друзьянова В.П. рекомендует применять закваску, содержащую мезофильные микроорганизмы для интенсификации процесса анаэробного сбраживания навоза КРС. Согласно технико-
экономическим расчетам, с целью удешевления стоимости конструкции и эксплуатации
«-» 3
биогазовой установки рекомендовано применять метантенки малого объема Vм <1 м . Использовать периодический режим работы и заполнять на 2/3 рабочий объем биогазовой установки, с ежедневным перемешиванием биомассы, состоящей из навоза, адаптированной мезофильной добавки, в установленное время. В завершении процесса анаэробного сбраживания рекомендует, оставлять часть сброженного навоза в качестве закваски для следующего запуска биогазовой установки. Использование закваски способствует интенсификации процесса, происходит ускорение биохимических, метанногенных процессов, что приводит к уменьшению времени анаэробного сбраживания навоза и увеличению выработки биогаза в 1,6 раз [4].
На основании анализа научных трудов, ведущих ученых проведена структурная оптимизация процесса и разработана программа проведения экспериментальных исследований анаэробного сбраживания отходов животноводства и осадков сточных вод.
Для структурной оптимизации процесса анаэробного сбраживания применена логическая система правил, которая моделирует технологические процессы анаэробного сбраживания из исходной биомассы и анализирует структуру процесса выработки биогаза [7]. Приемлемой теорией разработки трехстадийной технологии анаэробного сбраживания осадков сточных вод и отходов животноводства является логическая система правил и исчисления высказываний.
а1- осадок сточных вод или отходы животноводства а6-вторая секция биореактора
а2- активатор процесса а7-биогаз
а3- источник подвода тепла а8-биомасса
а4- первая секция биореактора а9-органическое удобрение
а5- перемешивающая система
а10-почвогрунт или компост
Ti-температура во внутренней секции биореактора; T2 температура в наружной секции биореактора; T3 температура в переходной зоне между наружной и внутренней секцией биореактора, Q-энергия, вырабатываемая в процессе жизнедеятельности метанобразующих бактерий, кДж/моль
Рис. 1. Модель структурной оптимизации процесса анаэробного сбраживания в форме
графа сети Петри
Fig. 1. A model of structural optimization of the anaerobic digestion process in the form of a
Petri net graph
al- sewage sludge or livestock waste
a2- Process activator
a3- heal supply source
a4- first section of the bioreactor
a5- mixing system
a6-second section of the bioreactor
a7-biogas
a8-biomass
a9-organic fertiliser
a10-soil or compost
T1- temperature in the inner section of the bioreactor; T2 temperature in the outer section of the bioreactor; T3 temperature in the transition zone between the outer and inner sections of the bioreactor, Q - energy generated during the life activity of methane-producing bacteria, kJ/mol
В модели структурной оптимизации (рисунок 1) отражены три этапа процесса анаэробного сбраживания осадков сточных вод и отходов животноводства. Рассмотрен цикл процесса выработки биогаза. Разрабатываемый технологический процесс утилизации осадков сточных вод и отходов животноводства должен соответствовать экономически оправданной минимизации потерь и расхода энергии, то есть требованиям энергосбережения [5].
Программа проведения экспериментальных исследований и конструктивных особенностей биогазовой установки направлена на повышение эффективности работы биореактора для утилизации отходов животноводства и осадков сточных вод. Конструкция биогазовой установки предполагает совершенствование технологичности за счет двухсекционного биореактора, применения автоматизированного модуля управления и обеспечение энергосбережения [6].
На основе патентного поиска по биогазовым реакторам разработан экспериментальный биореактор с сообщающимися между собой секциями, с устройствами для перемешивания биомассы в мезофильном и термофильном режимах в наружной и внутренней секциях, а для поддержания температурного режима, в конструкции установки предусмотрены ТЭНы [8]. Биогазовая установка содержит отделения загрузки и выгрузки биомассы и газгольдер. Каждая секция содержит закладные стаканы, в которых установлены датчики температуры и манометры. Узел загрузки выполнен в виде емкости (бункера) в
который из накопителя при помощи шнека подаются отходы животноводства и осадок сточных вод. Обработанная биомасса выгружается через разгрузочный трубопровод биореактора.
Используя экспериментальную биогазовую установку (рисунок 2) лаборатория «Биотехнологий» проводит экспериментальные исследования в рамках научно-исследовательских работ по изучению отходов животноводства и осадков сточных вод и разработки новых технологий для предприятий АПК.
Рис. 2. Экспериментальная биогазовая установка
1 - биореактор; 2 - шнек; 3 -бункер; 4- накопитель; 5 - крыльчатка; 6,7 -электродвигатель; 8 - ременная передача; 9 - датчик давления; 10 - датчик температуры;
11 - задвижка; 12 - счетчик газовый; 13 - сливное отверстие; 14 - система обогрева.
Fig. 2. Experimental biogas plant
1 - bioreactor; 2 - auger; 3 -hopper; 4 - storage; 5 - impeller; 6,7 - electric motor; 8 - belt drive; 9 - pressure sensor; 10 - temperature sensor; 11 - valve; 12 - gas meter; 13 - drain hole; 14 - heating
system.
Основные нормативные документы и методические рекомендации, применяемые при проведении экспериментальных исследований представлены для практического руководства при составлении программы экспериментальных исследований.
Согласно «ГОСТ Р.115.13.01-2019. Наилучшие доступные технологии. Рекомендации по обработке, утилизации и обезвреживанию органических отходов сельскохозяйственного производства» для переработки навоза в хозяйстве возможно применение в качестве одного из способов обеззараживания, анаэробную ферментацию навоза в биогазовой установке.
Согласно РД -АПК.3.10.15.01-17 - «Методические рекомендаций по проектированию систем удаления, обработки, обеззараживанию, хранению и утилизации навоза и помета» анаэробной переработке в биоэнергетических установках (метантенках) подвергают навоз,
145
смесь осадков отстойников, продукты переработки, очистки навозных стоков. В результате анаэробного сбраживания обеспечивается дегельминтизация, повышается удобрительная ценность субстрата и вырабатывается биогаз.
Необходимые требования, предъявляемые к процессу анаэробного сбраживания навоза, продуктов переработки навозных стоков:
1.Необходимая влажность должна быть в пределах 90-96%.
2.Необходимая величина рН должна быть в пределах 6,9-8,0.
Необходимый режим анаэробного сбраживания определяется по результатам технико-экономических расчетов, при этом учитываются природно-климатические условия местности, качественные параметры навоза, санитарно-гигиенические характеристики к использованию сброженного навоза, наличие площадей и т.п. Рекомендуемая продолжительность процесса анаэробного сбраживания в метантенках принимается в диапазоне от 5 до 20 суток, при этом учитывают объём загрузки, выбранный температурный диапазон сбраживаемой биомассы, скорость протекания реакции, которая в свою очередь зависит от качества и вида применяемого субстрата.
При проведении процесса анаэробного сбраживания навоза в метантенках рекомендуемы следующие технологические параметры биоэнергетической установки:
1.Оптимальная температура анаэробного сбраживания должна быть в пределах 33-38 °С для мезофильного режима.
2.Оптимальная температура анаэробного сбраживания должна быть в пределах 53-55°С для термофильного режима.
Оптимальный объем метантенков определяют с учетом влажности сбраживаемой биомассы, в зависимости от суточного объема загружаемых органических отходов согласно СП 32.13330.2018. Дозу загрузки жидкого навоза определяют экспериментальным путем.
Согласно РД - АПК.3.10.15.01-17, были приняты оптимальные технологические параметры анаэробного сбраживания отходов животноводства, продолжительность экспериментальных исследований составила 15 дней.
На основании «Ветеринарно-санитарные правила подготовки к использованию в качестве органических удобрений навоза, помета и стоков при инфекционных и инвазионных болезнях животных и птицы» (утв. Минсельхозпродом РФ 04.08.1997 N 13-72/1027) рекомендовано внесение в метантенк микробной "закваски" из культур термофилов при оптимальном режиме термофильного сбраживания, что позволяет сократить сроки обеззараживания от аспорогенной микрофлоры до 1 суток.
Необходимые требования, предъявляемые к процессу анаэробного сбраживания навоза, продуктов переработки, очистки навозных стоков:
- необходимая температура процесса - 52 - 54 °С;
- необходимая влажность обрабатываемой массы - 92 - 96%;
- необходимая концентрация гидроксильных ионов, рН, - 7,0 - 8,0;
- необходимое количество термофилов - 0,6 - 1,0 млн./мл;
- необходимая продолжительность каждого перемешивания - 15 - 20 мин.
На основании сравнительного анализа исследований российских ученых и методических рекомендаций, нормативной документации разработана программа экспериментальных исследований [9,10,11,12].
Экспериментальные исследования анаэробного сбраживания осадков сточных вод при периодическом психрофильном и мезофильном режиме в биореакторе проводились в летний период 2020 года.
Согласно программе экспериментальных исследований, добавление активатора процесса в биореактор не предусмотрено.
Представлена программа экспериментальных исследований анаэробного сбраживания осадков сточных вод.
Программа экспериментальных исследований:
1. Для запуска и юстировки контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), а также для проверки герметичности установки, в биореактор заливали 80 литров чистой воды.
2. После проверки биогазовой установки на работоспособность, в биореактор залили осадки сточных вод в объеме 40 литров и активный ил в объеме 40 литров влажностью 97-98%, что соответствует заполнению 2/3 части объема биогазовой установки. Анаэробное сбраживание происходило в психрофильном режиме, температурный диапазон 20-25°С. При данном температурном диапазоне благоприятная среда для развития метаногенных микроорганизмов, подогрев сбраживаемой биомассы в летний период при психрофильном режиме не требуется. Исследования проводились 16 дней при работе биогазовой установки в психрофильном режиме.
3. Исследования проводились 10 дней при работе биогазовой установки в мезофильном режиме. При данном режиме необходимо проводить подогрев биомассы, температурный диапазон 33-35°С.
4. Ежедневно с 08:00 до 19:00, запускали перемешивающее устройство 8 раз в день продолжительностью 20 минут, что бы не возникла биокорка и не произошло расслоение сбраживаемой биомассы.
5. Каждый час проводили замеры показаний температуры на 3 термометрах, расположенных в двух рабочих секциях биогазовой установки - наружной, внутренней и переходной зоне. С помощью газоанализатора «СГГ-4М-4» ежедневно, четыре раза в день проводили замеры содержания метана и углекислого газа в газгольдере. Все данные эксперимента ежедневно заносили в протокол испытаний.
Экспериментальные исследования анаэробного сбраживания отходов животноводства, в частности навоза крупного рогатого скота (КРС), при периодическом мезофильном и термофильном режиме в биореакторе проводились в летний период 2021 года. Представлена программа экспериментальных исследований анаэробного сбраживания
отходов животноводства. Для интенсификации процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства предусмотрено добавление активатора процесса.
Программа экспериментальных исследований 1 этапа опыта:
1. Для запуска и юстировки контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), а также для проверки герметичности установки, в биореактор заливали 80 литров чистой воды.
2. После проверки биогазовой установки на работоспособность, в биореактор залили 60 литров свежего навоза крупного рогатого скота (КРС) и 20 литров уплотненного активного ила. Установили температуру в пределах диапазона 33-35°С, позволяющего создать оптимальные условия для мезофильного режима сбраживания.
3. Исследования проводили 7 дней при работе биогазовой установки в мезофильном режиме. Ежедневно с 08:00 до 19:00, запускали перемешивающее устройство в режиме перемешивания с частотой 1 раз в час, продолжительностью 20 минут, что бы не возникла биокорка и не произошло расслоение сбраживаемой биомассы.
4. Каждый час проводили замеры показаний температуры на 3 термометрах, расположенных в двух рабочих секциях биогазовой установки - наружной, внутренней и переходной зоне. С помощью газоанализатора «СГГ-4М-4» ежедневно, четыре раза в день проводили замеры содержания метана и углекислого газа в газгольдере. Все данные эксперимента ежедневно заносили в протокол испытаний.
Программа экспериментальных исследований 2 этапа опыта:
1. Для запуска и юстировки контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), а также для проверки герметичности установки, в биореактор заливали 80 литров чистой воды.
2. После проверки биогазовой установки на работоспособность, в биореактор залили 60 литров свежего навоза крупного рогатого скота (КРС) и 20 литров уплотненного активного ила. Установили температуру в пределах диапазона 50-53°С, позволяющего создать оптимальные условия для термофильного режима сбраживания.
3. Исследования проводили 7 дней при работе биогазовой установки в термофильном режиме. Ежедневно с 08:00 до 19:00, запускали перемешивающее устройство в режиме перемешивания с частотой 1 раз в час, продолжительностью 20 минут.
4. Каждый час проводили замеры показаний температуры на 3 термометрах, расположенных в двух рабочих секциях биогазовой установки - наружной, внутренней и переходной зоне. С помощью газоанализатора «СГГ-4М-4» ежедневно, четыре раза в день проводили замеры содержания метана и углекислого газа в газгольдере. Все данные эксперимента ежедневно заносили в протокол испытаний.
Частота отбора проб биомассы осуществлялась однократно, перед началом и по окончании каждого этапа опыта, в лаборатории «Биотехнологий» проводился анализ по определению качества состава биомассы с применением стандартных методик. Определяли показатели качества, загружаемой и сброженной биомассы: влажность, зольность, рН.
Каждый этап опытов проводился с трёхкратным количеством повторности с использованием биогазовой установки.
Результаты
Получены результаты исследований в периодическом психрофильном и мезофильном режиме анаэробного сбраживания осадков сточных вод, без добавления активатора процесса в биомассу. Итоговые данные выработки биогаза и его метановой составляющей представлены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований биогазовой установки в периодическом психрофильном и мезофильном режиме сбраживания с использованием
осадков сточных вод
Table 1. Results of experimental studies of the biogas plant in periodic psychrophilic and mesophilic fermentation modes using the sewage sludge
№ Время Показания температуры Выход биогаза, г/м3
Т 1 Т 2 Т 3
1 8:00 56,10 33,00 40,00 7,92
2 9:00 55,40 33,00 42,00
3 10:00 55,10 34,00 40,00
4 11:00 55,30 35,00 42,00
5 12:00 55,30 35,00 43,00 9,98
6 13:00 55,10 31,00 43,00
7 14:00 55,10 36,00 43,00
8 15:00 55,00 36,50 44,50
9 16:00 55,20 37,00 45,00 10,47
10 17:00 54,90 36,50 45,50
11 18:00 55,10 36,00 45,50
12 19:00 55,10 36,00 46,00 11,45
По результатам экспериментальных исследований, предусмотрена доработка технологического процесса утилизации органических отходов и предложено введение активатора процесса для увеличения объема выработки биогаза.
По результатам опытов проведены исследования в периодическом мезофильном и термофильном режиме анаэробного сбраживания отходов животноводства, в частности навоза крупного рогатого скота (КРС) при добавлении активатора процесса в биомассу.
Итоговые данные выработки биогаза и его метановой составляющей представлены в таблице 2.
Таблица 2. Количество выхода биогаза и его метановая составляющая Table 2. The amount of biogas output and its methane component
День Выход биогаза, гр/м3 Выход метана гр/м3
1 23,9 14,34
2 49,4 29,64
3 58,1 34,86
4 63,7 38,22
5 73,2 43,92
6 79,7 47,82
7 77,2 46,32
8 82,4 49,44
9 88,1 52,86
10 192,5 115,5
11 62,6 37,56
12 48 28,8
13 26,7 16,02
14 15,8 9,48
По результатам экспериментальных исследований проведены анализы исследуемой пробы биомассы в лаборатории «Биотехнологий». Для определения состава биомассы
применены химические методы, использованы методики по определению: влажности, плотности, рН в отходах животноводства и получены следующие результаты, представленные в таблице 3.
Таблица 3. Динамика изменения влажности, плотности и кислотности исследуемой
биомассы
Table 3. Dynamics of changes in humidity, density and acidity of the studied biomass
Наименование методики Загружаемый навоз КРС Полученная биомасса
Результат
Определение влажности 94,1±4,9 % 89,1±4,9 %
Определение плотности 0,97 % 0,95 %
Определение рН 6,2 ед. 6,5 ед.
Результаты экспериментальных исследований по выработке биогаза в зависимости от температуры представлены в таблице 4,5.
Таблица 4. Результаты экспериментальных исследований биогазовой установки в мезофильном режиме сбраживания отходов животноводства Table 4. Results of experimental studies of the biogas plant in the mesophilic fermentation mode of
livestock waste
t, час Выход биогаза, гр/м3 Показания температуры
Т1 Т2 Тэ
8:00 0 0 0
9:00 23,2 22,1 23,1
10:00 31,5 27,5 31,1
11:00 3,2 32,1 30,1 31,9
12:00 33,2 30,2 32,9
13:00 34,1 30,5 33,7
14:00 4,7 34,3 30,2 34
15:00 34,5 30,3 34,1
16:00 34,2 30,7 33,7
17:00 6,9 34,1 31,5 33,7
18:00 33,8 31,2 32,3
19:00 9,1 33,5 30,4 32,1
Таблица 5. Результаты экспериментальных исследований биогазовой установки, при работе в
термофильном режиме сбраживания Table 5. Results of experimental studies of the biogas plant in the thermophilic fermentation mode
t, час Выход биогаза, гр/м3 Показания температуры
Т1 Т2 Тэ
8:00 37,3 36,2 37,1
9:00 50,1 48,3 49,6
10:00 50,2 48,5 49,8
11:00 20,2 51,5 50,1 51
12:00 52,3 51,3 51,7
13:00 52,5 51,3 51
14:00 20,4 52,6 51,4 52,3
15:00 52,4 51,1 52,1
16:00 52,1 50,8 51,6
17:00 20,8 51,7 50,2 51,3
18:00 51,4 50,1 50,9
19:00 21 51,1 49,5 50,4
Обсуждения
В отличии от результатов научных исследований д.т.н, профессора Друзьяновой В.П., которые обеспечивают устойчивую работу биоэнергетической установки в психрофильном и мезофильном режимах в Якутии, наши эксперименты направлены на получение максимального объема выработанного биогаза при использовании различных видов органических отходов в Удмуртской Республике. Согласно программе проведения экспериментальных исследований по повышению эффективности процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства и осадков сточных вод, применение термофильного режима наиболее эффективно для получения максимального объема вырабатываемого биогаза. В отличии от результатов научных исследований д.т.н, профессора Друзьяновой В.П., которые рекомендует применять закваску, содержащую мезофильные микроорганизмы, мы в своих исследованиях для повышения эффективности процесса анаэробного сбраживания органических отходов при загрузке в биореактор добавляли активатор на основе микроорганизмов, общего азота, фосфора и калия, органических и гуминовых веществ. Применение активатора процесса направлено на повышение эффективности процесса и ускорения разложения органических отходов с возможностью получения максимального объема выработанного биогаза [13].
Факторами оптимизации анаэробного сбраживания отходов животноводства и осадков сточных вод являются: температура, влажность, микробиологические и биохимические закономерности, кислотность, частота перемешиваний биомассы, продолжительность процесса, режим анаэробного сбраживания. Критерием оптимизации процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства и осадков сточных вод в биореакторе является удельный показатель - объём выработанного биогаза.
Экспериментальные исследования анаэробного сбраживания осадков сточных вод в биореакторе проводились 26 дней, в периодическом психрофильном и мезофильном режиме без добавления активатора процесса.
Экспериментальные исследования анаэробного сбраживания отходов животноводства в биореакторе проводились 14 дней, в периодическом мезофильном и термофильном режиме, с добавлением активатора для интенсификации процесса.
Биогазовая установка работала в мезофильном режиме 7 дней, при температуре анаэробного сбраживания- 30-35°С. На протяжении всего времени исследований в течение каждого дня отслеживались показания выработки биогаза. Замеры содержания метана и углекислого газа в газгольдере проводились с помощью газоанализатора.
Биогазовая установка работала в термофильном режиме 7 дней, при температуре - 50-53°С в биореакторе. При термофильном режиме поддерживалось развитие устойчивой колонии метаногенных микроорганизмов и не происходило истощение биомассы . В процессе экспериментальных исследований проводился анализ состава биомассы, до и после сбраживания по влажности, плотности и рН загружаемого субстрата, отходов животноводства и исследуемой биомассы. Химические анализы были выполнены в лаборатории «Биотехнологий».
Выводы.
1) По результатам экспериментальных исследований анаэробного сбраживания осадков сточных вод в психрофильном режиме без применения активатора процесса и подогрева биомассы, выработка биогаза не наблюдалась.
2) По результатам экспериментальных исследований анаэробного сбраживания осадков сточных вод в мезофильном режиме без применения активатора, максимальный объем выработанного биогаза зафиксирован на 8 день опыта и составил 11,45 г/м .
3) По результатам экспериментальных исследований анаэробного сбраживания отходов животноводства, в частности навоза крупного рогатого скота, при мезофильном режиме процесс сбраживания протекает равномерно, максимальный объем выработанного метана при добавлении активатора, наблюдался на 6 день исследований и составил 47,82
г/м3.
4) По результатам экспериментальных исследований анаэробного сбраживания отходов животноводства, в частности навоза крупного рогатого скота, оптимальным по выработке биогаза является процесс термофильного сбраживания, максимальный объем выработанного метана наблюдался на 10 день исследований и составил 115,5 г/м , а выработка биогаза составила 192,5 г/м .
5) На основании экспериментальных исследований наблюдали увеличение объема выработанного метана с отходов животноводства в 16,81 раз по сравнению с осадками сточных вод. Наиболее эффективным сырьем для получения максимального объема выработанного метана является навоз крупного рогатого скота (КРС) по сравнению с осадками сточных вод.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. 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.
2. Афанасьев В.Н., Брюханов А.Ю. Сельскохозяйственные отходы: от ликвидации до эффективного безопасного использования // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 3. С. 30-33.
3. Брюханов А. Ю. Методы расчета вредных выбросов животноводческих ферм // Сельский механизатор. 2008. №7. С. 35-36.
4. Друзьянова, В. П., Сергеев Ю. А. Технология анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза крупного рогатого скота // Аграрная наука. 2015. № 5. С. 24-26.
5. Диденко В.Н., Свалова М.В., Исаев А.В., Узаков Н.Д. Метод сравнительной оценки тепловых потерь биореакторов на этапе аванпроекта биогазовой установки // Энергосбережение и водоподготовка. 2019. № 5 (121). С. 61-65.
6. Касаткин В.В., Литвинюк Н.Ю., Бурлакова Ф.М., Свалова М.В., Ильин А.П. К модели процесса утилизации отходов продукции птицеводства // Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. № 2. С. 70-71.
7. Колосова Н.В., Монах С.И. Математическая модель тепломассообмена при получении биогаза в метантенке // Современное промышленное и гражданское строительство. 2019. Т. 15, № 2. С. 67-74.
8. Оковитая К.О. Повышение эффективности работы метантенков // Эффективные технологии в области водоподготовки и очистки в системах водоснабжения и водоотведения: сб. мат. Всеросс. студ. науч.-практ. конф. Вологда: ВГТУ. 2021. С. 54-56.
9. Провоторова А.А. Сравнительный анализ использования аэротенков и метантенков при очистке сточных вод // Современная наука и ее ресурсное обеспечение: Инновационная парадигма: сб. мат. VI международной научно-практической конференции. 2021. С. 97-102.
10. Смирнова А.Р. Пути повышении эффективности работы метантенков // Научный форум: Технические и физико-математические науки: сб. ст. по материалам XXXI междунар. науч.-практ. конф. М.: МЦНО, 2020. № 2 (31). С. 23-30. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_42433585_45385262.pdf
11. Уваров Р.А., Брюханов А.Ю. Перспективные технологии биоферментации навоза/помета для Северо - Запада России // Научное обозрение. 2015. № 16. С. 26-31.
12. Хворенков ДА., 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. Материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти проф. Данилова Н. И. (1945-2015) - Даниловских чтений. Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. 2018. С. 65-69.
13. Юхин Д.П. К вопросу повышения эффективности функционирования метантенка биогазовой установки // Наука молодых - инновационному развитию АПК: материалы XII национальной научно-практической конференции молодых ученых. Уфа:Башкирский государственный аграрный университет. 2019. С. 168-172.
14. Baowei Wang, Zhiwen Wang, Tao Chen, Xueming Zhao. Development of novel bioreactor control systems based on smart sensors and actuators // Front Bioeng. Biotechnol. Sec. Bioprocess Engineering. 2020. Vol. 8. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00007
REFERENCES
1. Andreev A. V., Panov D. A. Svalova M. V. 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; 1: 215-219 (In Russ.)
2. Afanasiev V.N., Briukhanov A.Yu. Agricultural waste: from disposal to effective safe use. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaistva = Mechanization and Electrification of Agriculture. 2012; 3: 30-33 (In Russ.)
3. Briukhanov A. Yu. Calculcation methods of harmful emissions from livestock farms. Sel'skii mekhanizator = Agricultural Machine Operator. 2008;7: 35-36 (In Russ.)
4. Druzyanova V.P., Sergeev Y.A. Technology of anaerobic fermentation of without litter cattle manure. Agrarnaya nauka = Agrarian Science. 2015; 5; 24-26 (In Russ.)
5. Didenko V.N., Svalova M.V., Isaev A.V., Uzakov N.D. Method for comparative evaluation of heat losses of the reactors at the stage of preliminary design of a biogas plant. Energosberezhenie i Vodopodgotovka = Energy Saving and Water Treatment. 2019; 5 (121):61-65 (In Russ.)
6. Kasatkin V.V., Litvinyuk N.Y., Burlakova F.M., Svalova M.V., Ilyin A.P. To a model for poultry waste management. Khranenie i Pererabotka Sel''khozsyr''ya = Storage and Processing of Farm Products. 2009;2: 70-71. (In Russ.)
7. Kolosova N.V., Monakh S.N. A mathematical model of heat and mass exchange in biogas producing in a digester. Sovremennoe promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo = Modern Industrial and Civil Construction. 2019; 15(2): 67-74 (In Russ.)
8. Okovitaya K.O. Increasing efficiency of digesters // Effective technologies in water treatment and purification in water supply and wastewater disposal systems: Proc. All-Russian Student Sci. Prac. Conf. Vologda: VGTU. 2021: 54-56 (In Russ.)
9. Provotorova A.A. Comparative analysis of the use of aerotanks and digesters in wastewater treatment // Modern science and its resource support: An innovation paradigm: Proc. VI Int. Sci. Prac. Conf. 2021: 97-102 (In Russ.)
10. Smirnova A.R. Ways to increase the efficiency of methane tanks operation // Scientific forum: Technical and physical-mathematical sciences: Proc. XXXI Int. Sci. Prac. Conf. Moscow: ICNO, 2020; 2 (31): 23-30 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_42433585_45385262.pdf
11. Uvarov R. A. Bryukhanov A. Yu. Advanced technologies of biofermentation manure / litter for North-West Russia. Nauchnoe obozrenie = Scientific Review (Science of Education Publishing House). 2015;16: 26-31 (In Russ.)
12. Khvorenkov D. A., Alekseeva L. V., Varfolomeeva O. I., Popov D. N. To calculate the distribution parameters of the carbon monoxide gas from private house individual heating system boiler // Energy and resource conservation. Energy supply. Non-traditional and renewable energy sources. Nuclear energy: Proc. Int. Sci. Prac. Conf. dedicated to the memory of Professor Danilov N. I. (1945-2015) - Danilov Readings (Yekaterinburg, December 10-14, 2018). Yekaterinburg : UrFU, 2018: 65-69 (In Russ.) URL: http://hdl.handle.net/10995/74714
13. Yukhin D.P. To the issue of improving the efficiency of biogas digester functioning // Science of the young - innovative development of agroindustrial complex: Proc. XII Nat. Sci.-Prac. Conf. young scientists. Ufa:Bashkir State Agrarian University. 2019: 168-172 (In Russ.)
14. Baowei Wang, Zhiwen Wang, Tao Chen, Xueming Zhao. Development of novel bioreactor control systems based on smart sensors and actuators. Front Bioeng. Biotechnol. Sec. Bioprocess Engineering. 2020; 8. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00007
156
Об авторах
Марианна Викторовна Паршикова,
канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Водоснабжение и водоподготовка», Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова, Ижевск, ул. Студенческая, 07, Россия, [email protected]
ОЯСГО 0009-0001-4151-8119
Владимир Вениаминович Касаткин, докт. техн. наук, профессор, профессор кафедры пищевой инженерии и биотехносферной безопассности, Удмуртский государственный аграрный университет, Ижевск, ул. Студенческая, 11, Россия
About the authors
Marianna V. Parshikova, Cand. Sci. (Engineeering), Assistant Professor, assistant profess of the chair "Water Supply and Water Treatment". Izhevsk State Technical University named after M. T. Kalashnikov, Izhevsk, Studencheskaya St., 07, Russia, [email protected]
ORCID 0009-0001-4151-8119
Vladimir V. Kasatkin, DSc (Engineering), professor, Professor of the chair of food engineering and biotechnospheric security, Udmurt State Agrarian University, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, Russia,
Надежда Юрьевна Касаткина, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры пищевой инженерии и биотехносферной безопассности, Удмуртский государственный аграрный университет, Ижевск, ул. Студенческая, 11, Россия
Анастасия Андреевна Литвинюк,
аспирант Института гражданской защиты, Удмуртский государственный университет, Ижевск, ул. Университетская, 1, Россия
Заявленный вклад авторов
М.В. Паршикова - разработка методики и этапов проведения экспериментальных исследований, администрирование данных, создание черновика рукописи.
Касаткин В.В. - руководство исследованием, концептуализация, администрирование данных создание окончательной версии (доработка).
Nadezhda Yu. Kasatkina, Cand. Sci. (Engineeering), Assistant Professor, assistant profess of the chair of food engineering and biotechnospheric security, Udmurt State Agrarian University, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, Russia,
Anastasia A. Litvinyuk, post-graduate student, Institute for Civil Protection, Udmurt State University, Izhevsk, Universitetskaya St., 1, Russia
Authors'contribution
Marianna V. Parshikova - development of methods and stages of experimental research, data administration, creation of a draft manuscript.
Vladimir V. Kasatkin - research management, conceptualization, data administration creation of the final version (revision).
Nadezhda Yu. Kasatkina - formal analysis,
Касаткина Н.Ю. - формальный анализ, ресурсы, редактирование
Литвинюк А.А. - программное обеспечение, визуализация, верификация данных.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи к публикации
Статья поступила в редакцию: 29.05.2023
Одобрена после рецензирования:
26.06.2023
resources, editing.
Anastasia A. Litvinyuk - software application, visualization, data verification
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper
All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
Received: 29.05.2023
Approved after reviewing: 26.06.2023
Принята к публикации: 30.06.2023
Accepted for publication: 30.06.2023
