ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА АНАЭРОБНОЕ СБРАЖИВАНИЕ КОРОВЬЕГО НАВОЗА

INFLUENCE OF ULTRASONIC TREATMENT ON ANAEROBIC DIGESTION OF DAIRY MANURE

Julia Karaeva

candidate of Science, Senior Researcher of Energy Systems and Technologies laboratory, Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences,

Russia, Kazan

Svetlana Timofeeva

candidate of Science, Junior Researcher of Energy Systems and Technologies laboratory, Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Целью исследования была оценка влияния ультразвуковой обработки на процесс анаэробного сбраживания коровьего навоза с использованием сухой биомассы листьев и стеблей растения Amaranthus cruentus L. При интенсивности ультразвукового воздействия 6,76 Вт/см², частоте 22 Гц и мощности 162 Вт выход биогаза из смеси коровьего навоза и растительной биомассы амаранта увеличился на 30%.

Ключевые слова: биогаз; ультразвуковая обработка; Amaranthus cruentus L.; эффективность.

Keywords: biogas; ultrasound treatment; Amaranthus cruentus L.; efficiency.

В настоящее время технологии анаэробного сбраживания коровьего навоза нерентабельны из-за низкого удельного выхода биогаза [1]. Для улучшения протекания процессов метаногенеза рад исследователей предлагает коферментацию [1, 2]. В Европе наиболее популярной растительной добавкой (косубстратом) на биогазовых установках является кукуруза [3].

Преимуществом амаранта перед другими кормовыми культурами является высокая биологическая продуктивность. Урожайность зеленой массы амаранта может доходить до 150 т/га, семян до 6 т/га, что значительно выше продуктивности кукурузы, наиболее часто используемой в Европе в качестве косубстрата [4, 5]. Например, в условиях Сибири при разных способах посева урожайность зеленой массы амаранта составляла от 31,9 до 60,4 т/га, а сухого вещества от 6,7 до 13,2 т/га соответственно [6].

Целью данной работы являлась оценка влияния ультразвукового воздействия на получение биогаза из коровьего навоза, сухой биомассы листьев и стеблей растения Amaranthus cruentus L.

Материалы и методика эксперимента

Коровий навоз с влажностью 86,02 %, хранили в течение одного дня в холодильнике при температуре +4°С. В эксперименте также использовался инокулят с содержанием сухого вещества (СВ) 2,9%.

Amaranthus сruentus L. – это растение высотой до 200 см. Стебель восходящий, листья крупные (длина достигает 12-18 см, ширина 7 - 12 см) [5]. В эксперименте использовались растения, выращенные в 2019 году. Влажность стеблей амаранта равна 7,02%, а листьев 7,28%. Сухая биомасса измельченных стеблей использовалась при анаэробном сбраживании с целью иммобилизации микроорганизмов.

Для эксперимента смешивали 167 г воды, 60 г навоза, 50 г инокулята, 2,09 г листьев и 0,5 г стеблей Amaranthus cruentus L. Эта же смесь для эксперимента №2 была обработана аппаратом УЗТА 1/22 ОМ серии «Волна-М» (вариант исполнения №2, Россия) в течение 7 минут при 50% мощности. Для оценки интенсивности и мощности акустического воздействия использовался калориметрический метод.

Эксперименты проводились в установке [7] при мезофильном режиме анаэробного сбраживания (37°С). Для оценки количества образующегося биогаза использовался объемный метод. Общая продолжительность исследований составила 44 дня. Выход биогаза нормировался по давлению (P=101,3 кПа) и температуре (T=25°С). Все эксперименты проводились в трех повторах.

Результаты

Сухая биомасса измельченных стеблей использовалась в экспериментах с целью иммобилизации микроорганизмов. Однако в ходе процесса наблюдалось значительное расслоение субстрата, особенно во время максимального выхода биогаза.

Обрабатывалось 0,84 кг водного раствора смеси с теплоемкостью 4183 Дж/кг·град. Температура субстрата увеличилась с 19,2°С до 38,6°С. Таким образом, интенсивность ультразвукового воздействия составила 6,76 Вт/см², а мощность обработки 162 Вт. На рис. 1 представлено влияние предварительной обработки на процесс образования биогаза.

Рисунок 1. Суммарное образование биогаза

Максимальный выход биогаза наблюдался в эксперименте №2, он составил 1339 мл. Для эксперимента №1 это значение равно 1023 мл, что на 30% меньше. Продолжительность лаг - фазы не изменилась вследствие обработки и составила 3 дня. С 14 по 22 день наблюдался максимум суточного выхода биогаза для двух экспериментов. Таким образом, обработка ультразвуком увеличила скорость процесса и суммарное количество образующегося газа.

Для описания кинетики образования биогаза в проведенных экспериментах была использована модифицированная модель Гомперца [8], параметры которой представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры модели Гомперца

Максимальная скорость выхода биогаза увеличилась после ультразвуковой обработки на 16% Таким образом, результаты кинетики выхода биогаза показали, что использование ультразвука эффективно для анаэробного сбраживания коровьего навоза.

Выводы

Экспериментальные исследования продемонстрировали стимулирующее влияние ультразвуковой обработки на процесс анаэробного сбраживания коровьего навоза с использованием сухой фитомассы листьев и стеблей растения Amaranthus cruentus L.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта № 18-48-160029.

Список литературы:

1. Esteves, E.M.M. Life cycle assessment of manure biogas production: A review / E.M.M. Esteves, A.M.N. Herrera, V.P.P. Esteves, C.D.V. Morgado / Journal of Cleaner Production. – 2019. – Vol. 219. – P. 411-423.
2. Andriamanohiarisoamanana, F.J. Anaerobic co-digestion of dairy manure, meat and bone meal, and crude glycerol under mesophilic conditions: Synergistic effect and kinetic studies / F.J. Andriamanohiarisoamanana, A. Saikawa, K. Tarukawa et al. / Energy for Sustainable Development.  – 2017. – Vol. 40. – P. 11-18.
3. Lansing, S. Food waste co-digestion in Germany and the United States: From lab to full-scale systems / S.  Lansing, B. Hulsemann, A. Choudhury, et al. / Resources, Conservation & Recycling. –2019. – Vol.149. – P. 104-113.
4. Шилов, В.Н. Научное обоснование и технологические основы повышения продуктивности животных при использовании амаранта в качестве корма и биологически активной добавки: дис. … д-ра с.-х. наук: 06.02.08 / В.Н.    Шилов. – Саранск, 2015. – 379 с.
5. Дегтярева, И.А. Специфика взаимодействия углеродного и азотного метаболизма у амаранта / И.А. Дегтярева, А.Х. Яппаров, И.А. Чернов – Казань: Центр инновационных технологий, 2006. – 208 с.
6. Ивченко, В.К. Продуктивность и питательная ценность кормовых культур в условиях Сибири/ В.К. Ивченко, В.Н. Романов, В.Л. Литау, С.А. Хмельницкий / Вестник КрасГАУ. – 2016. – №11. – С. 9-15.
7. Karaeva, J.V. Production of biogas from poultry waste using the biomass of plants from Amaranthaceae family / J.V. Karaeva,  R.F. Kamalov, A.I. Kadiyrov / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2019. – V. 288, conference 1, 012096.
8. Li, P. Evaluation of Biochemical Methane Potential and Kinetics on the Anaerobic Digestion of Vegetable Crop Residues / P. Li, W. Li, M. Sun, X. Xu, B. Zhang, Y. Sun / Energies. – 2019. – Vol. 12. – No.26.