Kazan, Kazan, Russian Federation
The relevance of research on the processing of organic agricultural waste with the addition of various impurities in order to increase the yield of biogas is due to the growing need for efficient and sustainable energy sources. In the context of global climate change and the depletion of traditional resources, biogas is becoming an important alternative that helps reduce greenhouse gas emissions and recycle organic waste. This study examines the processes of anaerobic digestion of organic waste generated in agriculture using a small-volume biogas plant developed at Kazan State Agrarian University. The aim of the work is to increase the efficiency of biogas output through optimization of the parameters and operating modes of the biogas plant. Various types of organic substrates were used in the studies. The operation of the plant depends on an alternating current network (220 V) and consumes no more than 0.8 kW∙h of electricity. In the thermophilic mode (40-55 °C) of processing various substrates, the following amount of biogas was produced: 9 m3 from pig manure, 7.6 m3 from chicken manure, 4.96 m3 from horse manure and 8.3 m3 from cattle manure. The greatest increase in biogas is observed when using horse manure in the thermophilic mode. The experimental results show that the use of additives such as Mephosphon and various plant materials significantly increases the output of biogas, which is confirmed by the data obtained, where when using Mephosphon - 11.4 m3, crushed corn - 10.5 m3, birch sawdust - 9.4 m3 and crushed straw - 9.1 m3. These results emphasize the potential of using new additives in the substrate to optimize biogas production processes and contribute to the development of more efficient renewable energy technologies.
energy supply, organic waste, biogas, fermentation, biofertilizers, ecology
Введение
Низкая энергообеспеченность представляет собой одну из ключевых проблем, стоящих перед современным сельским хозяйством. С учетом постоянного увеличения цен на традиционные источники энергии, развитие альтернативных источников энергии в сельском хозяйстве становится все более актуальным в современном мире [1,2,3]. В условиях нарастающих вызовов глобальной энергетической безопасности становится необходимым проведение антикризисной энергетической политики. Использование возобновляемых источников энергии способствует снижению негативного воздействия на окружающую среду, помогает справляться с вызовами изменения климата и обеспечивает безопасное энергетическое будущее, что обусловлено их экологическими преимуществами и возможностью снижать углеродный след [4,5]. Одним из наиболее перспективных направлений в сфере возобновляемых источников энергии является переработка органических отходов в биогаз и высококачественные органические удобрения [6,7]. Массовое производство и внедрение технологии переработки органических отходов сельского хозяйства в биогаз создаст возможность применения его вместо традиционных источников энергии. При помощи биогазовых установок также возможно стабилизировать уровень накопления углекислого газа (CO2) и метана (CH4) в атмосфере и предотвратить его дальнейший рост [8,9]. В качестве субстрата для производства биогаза в основном служат органические отходы животноводства и птицеводства [10], включая жидкие и твердые отходы, а также отходы ТБО [11], отходы лесопромышленного производства и сточных вод [12]. Для повышения выработки биогаза можно использовать солому злаковых культур, ботву свёклы, картофеля и другие. Выход биогаза зависит от качества подготовленного субстрата, определяемого его химическим и биологическим составом. При переработке растительных отходов иногда требуется оптимизировать соотношение углерода и азота (C:N) для ускорения метаногенеза. Это достигается добавлением в субстрат азотосодержащих отходов, таких как птичий помёт или свиной навоз. Процесс ферментации субстрата в термофильных условиях длится не менее 10 дней. В среднем из 1 кг сухого вещества (СВ) навоза крупного рогатого скота (КРС) можно получить от 0,4 до 0,8 м³ биогаза. С целью освобождения газовых пузырьков и разрушения образующейся корки в реакторах применяют механические или гидравлические мешалки. Скорость перемешивания не должна превышать 50-70 мин -1, чтобы избежать повреждения микробных клеток [13].
Биогаз можно сжигать непосредственно в газовых горелках без изменения конструкции форсунок или использовать его для генерации электроэнергии (3-5 кВт∙ч) и тепла (5-7 кВт∙ч) в когенерационных установках в зависимости от теплоты сгорания (21-35 мДж). После удаления из биогаза углекислого газа (CO2) и сероводорода (H2S) он преобразуется в биометан, который является полным аналогом природного газа. В результате ферментации органических отходов получается дегазированные высококачественные органические биоудобрения [14].
Процесс ферментации с получением биогаза состоит из нескольких последовательных этапов: гидролиза, кислотогенной стадии, ацетогенной и метаногенной стадии, как показано на рисунке 1, который визуально напоминает химическую формулу метана (СН4). Наиболее важными стадиями являются кислотогенная стадия, в ходе которой образуются летучие жирные кислоты и метаногенная, в процессе которой полученные кислоты преобразуются в биометан (СН4), представляющий собой конечный продукт данного процесса.
Рисунок 1 – Стадии образования биогаза
В каждом этапе происходит сложный биохимический процесс, в котором участвуют группы микроорганизмов, таких как метаногены, ферментирующие бактерии, ацетогены и другие. Каждый из них выполняет свою роль на различных стадиях разложения субстрата. Для рационального функционирования этих микробных сообществ необходимо создать определенные условия, в том числе температура, влажность, кислотность, соотношение С:Н [15].
Несмотря на имеющиеся технологии анаэробного сбраживания, её практическое применение ограничено из-за низкой эффективности существующих установок: длительное время обработки и малый выход биогаза. Цель данного исследования заключается в повышении выхода биогаза через оптимизацию параметров и режимов функционирования биогазовой установки.
Условия, материалы и методы
Для проведения экспериментальных исследований на кафедре машин и оборудования в агробизнесе Казанского ГАУ была разработана специализированная малообъемная биогазовая установка (МБУ), которая предназначена для малых хозяйств. Экспериментальные исследования проводились в несколько этапов. В процессе работы были переработаны в биогаз и высококачественные органические удобрения отходы из навоза КРС, свиней, лошадей и птичий помет при мезофильном и термофильном режимах сбраживания. Дополнительные исследования проводились с применением навоза КРС различными добавками, такие как опилка березы, дробленая солома пшеницы, початков кукурузы в восковой спелости, которые вводились в пропорции 10% (различные добавки) к 90% (навоз КРС), и препарата Мефосфон. Исследования процессов анаэробного сбраживания органических отходов в биогазовой установке начинается с подготовки субстрата, загружаемого в реактор. Для точности экспериментов органические отходы, поступающие на переработку, взвешиваются на напольных электронных весах марки СмартВес ВП-100 (до 100 кг), а затем перемешиваются в емкости с теплой водой (25-35 °С). Для подготовки початков кукурузы к использованию их измельчают на установке КДУ-2, после чего измельченная масса смешивается с навозом в подготовительной емкости. Важно было добавить теплую воду, чтобы довести влажность смеси до 90%. Влажность определялась с помощью анализатора влажности ЭВЛАС-2М. Влияние препарата Мефосфон исследовалось при концентрации 10–4 г/л, а дозы вносимого препарата определялись согласно Технологическому регламенту № 05-9552 от 18.10.2017 и на основе предварительных лабораторных экспериментов, проведенных в Казанском ГАУ [16]. На рисунке 2а) представлен процесс измельчения початков кукурузы на КДУ-2, а также перемешивание дробленной массы с навозом КРС в подготовительной емкости с добавлением теплой воды доведением влажности до 90 % (рисунок 2б) [17,18].
|
|
|
|
а) процесс измельчения кукурузы |
б) подготовка субстрата |
Рисунок 2 – Заготовка субстрата
Установка подключается к электрической сети с напряжением 220 V. В процессе работы необходимо поддерживать заданную температуру для работы биогазовой установки. Температура варьировалась в пределах 25-35 °С для мезофильного температурного режима и 40-55 °С для термофильного температурного режима. Для нагрева служит теплоэлектронагреватель, потребление которого 0,8 кВт∙ч [18].
В первые же дни после запуска реактора начинается выработка биогаза. Объем выработанного биогаза фиксируется с помощью электронного газового счетчика. Удаление отработанного биоудобрения осуществляется самотеком или при помощи насоса посредством сливного патрубка, диаметр которого 50 мм.
Продолжительность технологического процесса термофильного режима сбраживания субстрата в реакторе составлял 14 суток, а при мезофильном режиме 24 сутки. Каждый эксперимент был проведен с 4–х кратным повторением на основе выше перечисленных органических отходов при термофильном и мезофильном режимах сбраживания.
Результаты и обсуждение
В ходе исследования, направленного на оптимизацию расчетных параметров и характеристик биогазовых установок, предназначенных для использования в крестьянских (фермерских) хозяйствах (КФХ) и личных подсобных хозяйствах (ЛПХ), были выполнены натурные испытания на сконструированной МБУ. Полученные данные (рисунок 3) иллюстрируют зависимость объема производимого биогаза (в м3) от длительности цикла ферментации продолжительностью 24 суток при мезофильном режиме брожения субстратов. В качестве исходных материалов для эксперимента использовались свиной навоз, куриный помет, а также навоз лошадей и КРС из КФХ и ЛПХ. Результаты позволяют более точно оценить эффективность работы биогазовых установок и их адаптацию к условиям малых хозяйств [19,20]. Усредненные данные представлены в виде диаграмм, что позволяет наглядно оценить влияние различных видов органических отходов и температурных режимов на процесс сбраживания.
Рисунок 3 – Выработка биогаза за 1 цикл мезофильного сбраживания субстрата
Цикл мезофильного сбраживания с доведением температуры до 35 °С длился 24 суток. Это позволило продемонстрировать практическую осуществимость процесса анаэробной переработки органических отходов сельскохозяйственного производства. В результате проведенных исследований был получен горючий биогаз, что подтверждает перспективность технологии с мезофильным режимом сбраживания.
С целью повышения качества получаемого биогаза и сокращения продолжительности цикла проводили аналогичные эксперименты при термофильном режиме сбраживания. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности данного режима, которые представлены на рисунке 4.
Рисунок 4 – Выработка биогаза за 1 цикл термофильного сбраживания субстрата
Длительность цикла при термофильном сбраживании (55 °С) сократился в два раза и составил 14 суток. Объем выработанного биогаза из различных видов субстрата при данном технологическом процессе следующий:
– свиной навоз: 9 м³ (увеличение на 5,5 % по сравнению с мезофильным процессом);
– куриный помет: 7,6 м³ (увеличение на 4,1 % по сравнению с мезофильным процессом);
– лошадиный навоз: 4,96 м³ (увеличение на 7,5 % по сравнению с мезофильным процессом);
– навоз КРС: 8,3 м³ (увеличение на 3,75 % по сравнению с мезофильным процессом).
При термофильном режиме сбраживания у субстрата с лошадиным навозом происходит набольший прирост выхода биогаза по сравнению других субстратов в мезофильном режиме. Наибольший выход биогаза дал свиной навоз.
В ходе анализа экспериментальных зависимостей, полученных в результате исследований, установлено, что термофильный режим обеспечивает более высокий выход биогаза. Это связано с повышенной активностью микроорганизмов и бактерий, участвующих в процессе анаэробного сбраживания. Учитывая полученные результаты, были проведены дополнительные эксперименты, направленные на улучшение характеристик термофильного режима путем введения различных добавок. Результаты данных исследований представлены на примере навоза КРС на рисунке 5.
Рисунок 5 – Выработка биогаза за 1 цикл термофильного сбраживания субстрата с различными добавками
Диаграмма демонстрирует выход биогаза в кубических метрах в разные дни с добавлением различных примесей в навоз крупного рогатого скота. Результаты показывают, что максимальный выход биогаза наблюдается при добавлении препарата Мефосфон – 11,4 м3 и измельченной кукурузы – 10,5 м3, в то время как контрольная группа демонстрирует минимальные значения. На 8 день все добавки показали общий рост. Сравнительный анализ указывает на то, что опилка березы – 9,4 м3 и дробленная солома – 9,1 м3 оказывают положительные влияния на выход биогаза, в то время они менее эффективны, но все же превосходят контрольную группу.
Выводы
Применение термофильного сбраживания позволило сократить длительность процесса в два раза, до 14 суток. Это привело к значительному увеличению выхода биогаза по сравнению с мезофильным режимом: на 5,5% для свиного навоза (9 м³), на 4,1% для куриного помета (7,6 м³), на 7,5% для лошадиного навоза (4,96 м³), и на 3,75% для навоза крупного рогатого скота (8,3 м³). Наибольший объем биогаза получен из свиного навоза (9 м³), при этом наибольший процентный прирост показал конский навоз (7,5%). Термофильный режим является более эффективным для фермерских хозяйств (КФХ) по нескольким причинам:
– во-первых, термофильные микроорганизмы, которые работают при температурах от 50 до 60 °C, обладают более высокой скоростью разложения органических веществ, что приводит к более быстрому производству биогаза.
–во-вторых, термофильные условия способствуют более полному разрушению патогенных микроорганизмов и семян сорняков, что делает конечный продукт более безопасным для использования в сельском хозяйстве.
В отличие от мезофильного режима, который работает при более низких температурах и имеет более длительные сроки разложения, термофильный процесс позволяет значительно сократить время обработки и повысить выход биогаза, что особенно важно для КФХ, стремящихся к максимальной эффективности и рентабельности.
Исследования с добавлением различных примесей подчеркивают новизну подхода к повышению выхода биогаза при термофильном режиме сбраживания. Наибольший выход биогаза достигается при использовании препарата Мефосфон (11,4 м³) и измельченной кукурузы (10,5 м³), опилки березы (9,4 м³) и измельченная солома (9,1 м³). Контрольная группа без добавок продемонстрировала минимальные значения (8,3 м³).
Полученные результаты подтверждают актуальность термофильного сбраживания как эффективного метода увеличения производства биогаза из различных видов органических отходов сельского хозяйства.
1. Arsanukaev DL, Zaynalabdieeva KhM, Shidaeva AA. [Microelement induction of oxidoreductive aerobic transformations of substrates]. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2024; 2 (66). 163-169 p. doihttps://doi.org/10.18286/1816-4501-2024-2-163-169.
2. Zablodskiy M, Klendiy P, Dudar O, Babak D. Energy efficiency of the extrusion process and its effect on output of biogas during the fermentation of maize and rape straw. Problems of the Regional Energetics. 2024; 1(61). 127-139 p. doihttps://doi.org/10.52254/1857-0070.2024.1-61.11.
3. Kovalev AA, Mikheeva ER, Katraeva IV. Bioenergy recovery from two-stage mesophilic-thermophilic anaerobic digestion of cheese whey. International Journal of Hydrogen Energy. 2023; Vol.48. 12. 4676-4685 p. doihttps://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.11.003.
4. Osepchuk DV, Danilova AA, Vlasov AB. [Effect of feeding a feed additive based on logging waste on meat productivity indicators of quails]. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2025; 1(69). 112-116 p. doi:https://doi.org/10.18286/1816-4501-2025-1-112-116.
5. Shogenov YuKh, Dudarov ZI, Zanilov AKh. [Assessment of the contribution of root carbon nutrition to the formation of plant biomass in a model experiment]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2024; Vol.19. 4(76). 88-94 p. doihttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2024-88-94.
6. Druzyanova VP, Kokieva GE, Savvateeva IA. Livestock enterprises waste utilization for heat system supply to rural buildings in Yakutia. IOP conference series: materials science and engineering. Barnaul: Institute of Physics Publishing, 2020; 012018 p. doihttps://doi.org/10.1088/1757-899X/941/1/012018.
7. Apazhev AK, Shekhikachev YuA, Fiapshev AG. [Development and study of a bioreactor for producing biofertilizer and biogas]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2016; Vol.11. 2(40). 60-63 p. doihttps://doi.org/10.12737/20637.
8. Lakhonin PD, Kolesnik NS, Zelenchenkova AA. [Effect of concentrate levels on nutrient digestibility and amount of methanogens in sheep]. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2024; 3(67). 174-181 p. doi:https://doi.org/10.18286/1816-4501-2024-3-174-181.
9. Gorbenko AD, Kaplan MA, Kvitko AV, Sevostyanov MA. [Use of organic waste as raw materials for various methods of producing biofuels (review)]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2023; Vol.37. 4. 61-68 p. doi:https://doi.org/10.53859/02352451_2023_37_4_61.
10. Druzyanova VP, Sergeev YuA. [Technology of anaerobic digestion of beddingless cattle manure]. Agrarnaya nauka. 2015; 5. 24-26 p.
11. Fiapshev AG, Khamokov MM, Kilchukova OKh. Mathematical model of heat transfer in the reactor of a biogas plant. Journal of Physics: Conference Series, Krasnoyarsk, Russian Federation. Vol.1679. Krasnoyarsk, Russian Federation: Institute of Physics and IOP Publishing Limited. 2020; 52074 p. doihttps://doi.org/10.1088/1742-6596/1679/5/052074.
12. Gaydar SM, Pikina AM, Lapsar OM. [Technology of processing fat-containing waste from meat processing plants into surfactants]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2023; Vol.37. 12. 77-81 p. – DOIhttps://doi.org/10.53859/02352451_2023_37_12_77.
13. Tehnologicheskoe i tehnicheskoe obespechenie povysheniya effektivnosti intensivnogo gornogo i predgornogo sadovodstva / A. L. Hazhmetova, A. K. Apazhev, Yu. A. Shekihachev, i dr. // Tehnika i oborudovanie dlya sela. 2019. № 6(264). S. 23-28. doihttps://doi.org/10.33267/2072-9642-2019-6-23-28.
14. Hung CH, Chang YT, Chang YJ. Roles of microorganisms other than Clostridium and Enterobacter in anaerobic fermentative biohydrogen production systems - a review. Bioresource technology. 2011; Vol.102. 18. 8437-8444 p.
15. Ratti RP. Thermophilic hydrogen production from sugarcane bagasse pretreated by steam explosion and alkaline delignification. International Journal of Hydrogen Energy. 2015; Vol.40. 19. 6296-6306 p.
16. Khaliullina Z, Shogenov Yu, Gayfullin I. The use of the Mephosphon drug to accelerate the process of biogas output and ripening of organic wastes. Bio web of conferences: International Scientific-Practical Conference “Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources” (FIES 2020). EDP Sciences: EDP Sciences. 2020; 00127 p. doihttps://doi.org/10.1051/bioconf/20202700127.
17. Dai NH. Hydrogen production from acidic, alkaline, and steam-exploded Bambusa stenostachya hydrolysates in dark fermentation process. Biomass Conversion and Biorefinery. 2021; 1-12 p.
18. Ziganshin BG, Kashapov II, Gayfullin IKh. [Relevance of the use of biogas plants in Russia and abroad]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2017; Vol.12. 2(44). 71-74 p. doihttps://doi.org/10.12737/article_59ad07085075f5.79036838.
19. Ziganshin BG, Gayfullin IKh, Rudakov AI. [Calculation of heat balance and justification of parameters of a small-sized biogas plant with mesophilic fermentation of substrate]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2016; Vol.11. 3(41). 63-67 p. doihttps://doi.org/10.12737/22678.
20. Ganiev AS, Sibagatullin FS, Ziganshin BG. [Use of fertilizers from chicken manure for growing organic products]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2022; Vol.17. 1(65). 9-14 p. doihttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-9-14.
21. Khazhmetova AL, Apazhev AK, Shekikhachev YuA. [Technological and technical support for increasing the efficiency of intensive mountain and foothill horticulture]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2019; 6(264). 23-28 p. doihttps://doi.org/10.33267/2072-9642-2019-6-23-28.
