Ложевич Світлана Вікторівна
Магістр,
Дніпровський державний технічний університет,
м. Кам′янське, Україна
Баранник Катерина Валеріївна
Аспірант
Дніпровський державний технічний університет,
м. Кам′янське, Україна
Волошин Микола Дритрович
Професор, доктор технічних наук
Дніпровський державний технічний університет,
м. Кам′янське, Україна
Анотація: Спосіб переробки харчових відходів та отримання біодобрива екологічно безпечний, не вимагає значних витрат енергії та коштів, тому що базується на використанні вже відомих виробничих ліній, які працюють в інших сферах вітчизняної промисловості. Досліджено технологію отримання біогазу із харчових відходів(суміш картоплі, капусти, буряку, моркви, цибулі) з активними домішками(курячого посліду, гнію та сечі ВРХ) та експериментально встановлено склад вихідної сировини: 100% подрібненої суміші овочів, вода, 10% сеча та гній ВРХ, що забезпечує максимальний вихід газу.
Ключові слова: біогаз, метан, органічні відходи, анаеробне бродіння.
Зміст наукової роботи. Впровадження біогазових технологій – перспективний напрям, що потрібно розвивати для досягнення енергонезалежності України. Одним з напрямків досягнення цієї мети є диверсифікація постачання природного газу, загальне зменшення та заміщення його споживання шляхом впровадження комплексу заходів з енергоефективності та енергозбереження. Напрямком такого підходу є використання відновлювальних джерел енергії[1,2].
Біогаз – суміш метану та вуглекислого газу, що утворюється в результаті анаеробного розкладання органічних речовин, в процесі життєдіяльності мікроорганізмів. Його отримують різними шляхами: в метантенках та на сміттєзвалищах спеціальної конструкції. Окрім бодування метану біогазові установки (БГУ) виконують роль очисних споруд, зменшуючи хімічне і бактеріальне забруднення води, повітря, ґрунту, і переробляють відходи в нейтральні мінералізовані продукти [3,4].
Методика одержання комплексного добрива та біогазу включала процес метанового бродіння. Біогаз, що виділявся в процесі метанового бродіння, збирався в спеціальні газозбірники. [5]. Відомо, що для бактерій метанового бродіння необхідно підтримувати постійну температуру розчину. Для одних, термофільних, потрібно підтримувати температуру близько 328 К, для інших, мезофільних – біля 306 К[6]. В дослідах використовували мезофільний режим бродіння, який є технологічно спрощеним та більш дешевим. Для утворення біогазу та органо-мінерального субстрату використовували дисперговані і ущільнені органічні відходи, а саме суміш картоплі, капусти, буряку, моркви цибулі, курячий послід, гній ВРХ[7,8].
Дослідження процесу одержання біогазу та комплексного добрива з харчових відходів проводили на лабораторній установці, що наведена на малюнку 1.1
1 – футерований корпус апарата,
2 – термометр,
3 – температурний датчик,
4 – терморегулятор,
5 – джерело енергії,
6 – реактори,
7 – ємність з висушувачем газу,
8 – дрексель з лужним розчином для вловлювання кислих газів,
9 – дрексель для збирання біогазу, очищеного від кислих домішок,
10 – збірник витісненої води
Малюнок 1.1- Схема лабораторної уставки для проведення процесу метанового бродіння
В скляну колбу, що виконувала роль біореактора, об’ємом 0,75 дм3(6) завантажували досліджувану суміш, та герметично закривали ємність. Реактор для метанового бродіння поміщали в корпус з внутрішньою теплоізоляцією (1), та закривали кришкою. Реактор (6) має газовідвідну трубку, яка з’єднана з дрекселями (7). Дрекселі (8) заповнений 10% лужним розчином для вловлювання кислих газів. Дрекселі (9) заповнювали водою. На шляху до газозбірника встановлювали поглиначі вологи та СО2 (7). В корпус (1) встановлювали електричний нагрівач з терморегулятором (4) під’єднаний до струму. Після цього всі з’єднання перевіряли на герметичність.
Для проведення процесу було обрано мезофільний режим з постійною температурою 38˚С та вологістю зброджувальної суміші 92%. Після досягнення заданої температури, виконували заміри об’єму виділеного біогазу. Виділення біогазу контролювали кожен день за допомогою мірного циліндра (10), в який витіснялась вода з дрекселів (9). За температурним режимом в біореакторі спостерігали за допомогою лабораторного ртутного термометра.
Досліджувану суміш після бродіння розміщували в порцелянові чашки та просушували в сушильній шафі, до постійної температури. Після кожного разу сушіння проби зважували. Після того, як проби досягали постійної температури, переміщували їх в тиглі та прожарювали в муфельній печі, до повного згорання органічної частини. Після цього збирали рештки проб та досліджували їх на елементний склад.
Вихід біогазу залежить від розміру часток сировини, чим менше частинки біомаси, тим краще. Розмір частинок впливає на здатність бактерій «поглинати» їх, втягуючи в процес життєдіяльності. Також дрібні частинки дозволять отримувати на виході набагато більший обсяг біогазу, ніж великі шматки. На малюнку 1.2 представлено залежність виходу біогазу від розміру часток
Малюнок 1.2- Залежність виходу біогазу від розміру часток
Для проведення першого експерименту в якості субстрату для метанового зброджування використовували 2 проби сумішей твердих побутових відходів, які складались з овочевих відходів. Склад кожної проби в перерахунку на суху речовину, % :
1) Суміш картоплі, капусти, бурку, моркви, цибулі 100% , 10% курячий посдід з попереднім подрібненням на дробарці ЕКМУ-50 (220 В), потужність 2000 об/хв (проба 1);
2) Суміш картоплі, капусти, бурку, моркви, цибулі 100% , 10% гній ВРХ з попереднім подрібненням на дробарці ЕКМУ-50 (220 В), потужність 2000 об/хв (проба 2);
Менше виділення газу спостерігалось в першій пробі з додаванням курячого посліду (1). В іншій пробі (2) з додававнням гнію ВРХ виділення газу проходило швидше. Інтенсивне виділення біогазу спостерігалось з 4 по 17 добу. На 18-ту добу вихід біогазу стає незначним, що свідчить про подальшу недоцільність ведення процесу бродіння. На малюнку 1.3 представлена кінетика накопичення біогазу з харчових відходів від часу в перерахунку на 1 кг сухої речовини
f(x)– проба 1 з додаванням курячого посдіду; f1(x)–проба 2 з додаванням гнію ВРХ;
Малюнок 1.3 - Кінетика накопичення біогазу з харчових відходів від часу (перший експеримент)
В ході другого експерименту в якості субстрату для метанового зброджування використовували 2 проби сумішей харчових відходів, з додаванням 10% подрібненого соняшникового лушпиння. В якості активних домішок (ферментів) для прискорення процесу бродіння використовували гній ВРХ. Склад кожної проби в перерахунку на суху речовину, % :
1) Суміш картоплі, капусти, бурку, моркви, цибулі 100% , сеча ВРХ 10%, з попереднім подрібненням на дробарці ЕКМУ-50 (220 В), потужність 2000 об/хв (проба 1);
2) Суміш картоплі, капусти, бурку, моркви, цибулі 80% , соняшникове лушпиння 20% сеча та гній ВРХ 10% з попереднім подрібненням на дробарці ЕКМУ-50 (220 В), потужність 2000 об/хв (проба 2);
В ході експерименту було виявлено, що процес зброджування харчових віходів другого досліду в першій пробі проходив активніше, ніж в другій. Інтенсивне виділення біогазу спостерігалось з 6 по 18 добу. Найбільше виділення біогазу спостерігалось з 8 по 16 добу. На 18 добу вихід біогазу стає незначним, що свідчить про подальшу недоцільність ведення процесу. На малюнку 1.4 представлена кінетика накопичення біогазу харчових відходів від часу в перерахунку на 1 кг сухої речовини
ряд1 – проба 2; ряд2 – проба 1
Малюнок 1.4 - Кінетика накопичення біогазу з харчових відходів від часу (другий експеримент)
Метанове бродіння біомаси вирішує проблему утилізації відходів, а також є альтернативним джерелом енергії. Встановлені залежності значення утворення біогазу в анаеробних умовах дозволяє прогнозувати вихід біогазу залежно від виду субстрату та періоду збродження. Експериментально встановлено оптимальний склад, який забезпечує максрмальний вихід біогазу: 100% подрібненої суміші овочів, вода, 10% сеча та гній ВРХ.
Встановлені залежності значення утворення біогазу в анаеробних умовах дозволяють прогнозувати вихід біогазу залежно від періоду збродження.
Література:
1. Півняк Г.Г. Альтернативна енергетика в Україні : монографія / Г. Г. Півняк, Ф.П. Шкрабець // Нац. гірн. Ун-т. Д.: НГУ, 2013. – 109 с.
2.Калетнік Г. М. Енергозабезпечення України та можливості за діяння потенційних джерел відтворювальної енергії / Г.М. Калетнік // Вісник аграрної науки. – 2008. – № 10. – С. 52-55.
3.Гелетуха Г. Г. Перспективи виробництва і використання біогазу в Україні [Електронний ресурс]/ Гелетуха Г. Г., Кучерук П.П., Матвеєєв Ю.Б, аналітична записка №4, від 31.05.2013. - Режим доступу : http://www.uabio.org/img/files/docs/position-paper-uabio-4-ua.pdf
4.Кучерук П.П., Матвєєв Ю.Б., Ходаківська Т.В., Грабовський М.Б.
Перспективи виробництва біогазу з сумішей гнойових відходів тваринництва та рослинної сировини в Україні // Пром. теплотехніка. – 2013. – 35, №1. – 107-113 с.
5.Сатьянов С.В. Повышение эффективности биоустановок путем получения альтернативной энергии и биоудобрений: дис. ... канд. тех. наук: 05.20.01. - М., 2011. - 158 с. - 04201158468
6.Тихонравов В. С.Т Ресурсосберегающие биотехнологии производства альтернативных видов топлива в животноводстве: науч. аналит. обзор. – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. – 52 с.
7.Веденев А.Г., Веденеева Т.А. Руководство по биогазовым технологиям.–Бишкек: ДЭМИ, 2011. –84 с.
8.Биогаз: основные характеристики и технология получения // URL: http://biogas-energy.ru/biogas (дата обращения: 15.03.2013).
