Environmentally safe utilisation of waste for energy purposes in environmental protection technologies
Year: 2023
Type: dissertation
Abstract: Дисертаційна робота присвячена розробленню технологічних рішень утилізації відходів в анаеробних системах отримання енергетичних ресурсів та корисних біопродуктів із зменшенням техногенного впливу на довкілля. Виконано аналіз техногенного впливу на екосистему під час поводження з відходами різного генезису. Проведена оцінка вибору інтегрованих процесів утилізації відходів для потреб зеленої енергетики на підставі вивчення складу, властивостей і методів їх обробки з розробкою експериментально-методичного комплексу реалізації процесів утилізації відходів в енергетичних цілях. Для реалізації експериментальних досліджень було розроблено кільках установок моделювання процесу інтенсифікації анаеробної конверсії органічних відходів з використанням фосфогіпсу під час електроферментації та з використанням ультразвукової попередньої обробки відходів. Встановлена оптимальна концентрація фосфогіпсу під час анаеробного зброджування кількох типів органічних відходів рослинного та тваринного походження, та була розроблена узагальнююча типологія органічних відходів, які можуть використовуватися для потреб зеленої енергетики. Досліджено вплив різних доз мінерального навантаження з відношеннями 5% та 15% добавки фосфогіпсу до маси сухої речовини рослинного субстрату на виробництво біогазу, вихід метану, якість і концентрацію елементів в дігестаті до та після процесу анаеробного зброджування. У комплексному біопрепараті на основі дігестату (органічного добрива) із фосфогіпсом порівняно з дігестатом без добавки були визначені значні збільшення концентрації калію, кальцію, кремнію, сірки та алюмінію, що дозволяє використання біопрепаратів на ґрунтах, що потребують відновлення родючості та біостимулювання розвитку корисної ґрунтової біоти. У процесі інтенсифікації електроферментації органічних відходів із фосфогіпсом як мінеральною добавкою визначено механізми компенсаторної дії на газо-рідинну та тверду фази зброджуваних відходів із зв'язуванням токсичних компонентів в біогазі та дігестаті. Науково та експериментально обгрунтовано, що біоелектрохімічні реакції дозволяють скоротити період стабілізації процесу виходу біогазу і збільшити кількість виділеного біометану. Загальний вихід біогазу з біореактора-електролізера збільшився на 30-35%, продуктивність на 28 добу становила 1525 мл, з яких 640,5 мл метану, порівняно із стандартними умовами на 28 добу вихід біогазу становив 50 мл (з яких 33,4 мл метан). Визначено оптимальний режим проведення електроферментації з постійним електричним струмом силою 20 А протягом 5 хвилин один раз на добу. При цьому вміст сірководню в біогазі з біореактора-електролізера значно нижчий, ніж при стандартних умовах анаеробного збородження. Так, в процесі електро ферментації з добавкою фосфогіпсу концентрація сірководню знизилася на 14-й день до 487 ppm, під час стандартних умов концентрація цієї шкідливої домішки становила понад 5000 ppm. Для моделювання нелінійних процесів конверсії органічних відходів під час сумісної дії фосфогіпсу як мінеральної добавки та різних видів фізико-хімічної обробки було використано нейромережеве моделювання в програмному середовищі STATISTICA Automated Neural Networks. Використовувався Data Mining для аналізу даних, призначений для пошуку раніше невідомих закономірностей у великих масивах інформації, що дає можливість ухвалювати ефективні рішення під час аналізу та прогнозування різних процесів. Сумісну дію електролізу разом з фосфогіпсом на біоконверсію органічних відходів (електроферментація) продемонстровано в процесі автоматизованого нейромережевого пошуку. Було змодельовано досягнення пікових значень виходу біометану до 80 000 мл за рН = 7.4-7.6 під час підвищення мінералізованості субстрату у порівнянні зі стандартними умовами до 1 000 мл метану за добу. Ця екстраполяція на значні об'єми виходу метану дала змогу змоделювати прояв синергії в процесі електроферментації з додаванням фосфогіпсу до органічних відходів. Показаний ефект є не простою сумацією впливу електролізної обробки та фосфогіпсу на процес виробництва біогазу, вони детерміновані саморегуляцією в анаеробній біосистемі, яка відображена в автоколиваннях ОВП під час дезінтеграції субстрату та впровадженні додаткових донорів електронів (водню) з їхньою конверсією разом з СО2 в біометан, з трансформацією локацій іонів металів при дії сульфатної компоненти фосфогіпсу, що спричинила формування якісних відмінностей від стандартної системи анаеробного зброджування з можливістю вироблення більш екологічно безпечних біопродуктів. Досліджено процес інтенсифікації анаеробного зброджування органічних відходів під час сумісної дії фосфогіпсу як мінеральної добавки та ультразвукової обробки на основі визначення механізмів сумісної дії на газо-рідинну та тверду фази зброджуваних відходів. Експериментально підтверджено підвищення виходу біогазу та покращення біодоступності компонентів мінерального живлення за еколого-трофічними ланками анаеробної системи. Визначено оптимальні параметри обробки, зокрема, 3 хвилинна обробка з досягненням розміру частинок фосфогіпсу 10 мкм в узгодженні з обробкою органічних відходів на прикладі пташиного посліду. Ефекти розміру часток субстрату на якісний вміст метану досягають 65-68% в об'ємі газу за оптимального при заданих умовах режиму роботи біореактора. Покращення показників виробництва біогазу детерміноване модифікацією фізико-хімічних властивостей вихідного розчину для зброджування. Це відбувається частково за рахунок зміни параметрів рН, ОВП та TDS, а також за рахунок зміни структури субстрату з вивільненням у рідку фазу розчину біогенних речовин. Обрані фактори інтенсивності ультразвукової кавітації призводять до зміни в'язкості, швидкості дифузії розчинених газових компонентів у рідині тощо. Також була отримана нейромережева реалізація процесу Data Mining для інтенсифікації анаеробного зброджування за допомогою ультразвукової попередньої обробки пташиного посліду та розчину фосфогіпсу. Синергетична дія ультразвукової обробки та фосфогіпсу як мінеральної добавки в процесі анаеробного зброджування прослідковується в наступних отриманих емерджентних властивостях анаеробної біосистеми: підвищення динамічної стійкості біосистеми, що спричиняє продукування екологічно безпечної композиції суміші дигестату та збільшення виходу біогазу і метану в ньому. Розроблено зведену модель біохімічних шляхів метаногенезу під час процесів інтенсифікації анаеробного зброджування, а також розроблено технологічну систему рішень захисту навколишнього середовища в замкнутому циклі генерації зеленої енергії та переробки відходів в двох варіантах технологічних рішень оброки, що дозволяє знизити рівень техногенного навантаження від різних типів відходів та емісію парникових газів у напрямку досягнення цілей сталого розвитку. Практична значущість роботи підтверджена результатами впровадженими в рамках спільного українсько-чеського науково-дослідного проєкту "Біоенергетичні інновації в рециклінгу відходів та раціональному використанні природних ресурсів" (2021-2022 рр.), а також у рамках проєкту "AgriSciences Platform for Scientific Enhancement of HEIs in Ukraine"(2020-2022). Розроблено практичні рекомендації щодо впровадження у виробництво технології отримання твердофазного продукту ферментації органо-мінерального добрива із анаеробного дигестату в поєднанні з фосфогіпсом, як відходом хімічного виробництва, проведеними на базі Сумського НДІ «МІНДІП» (підтверджено актом впровадження від 15 вересня 2022 року) у м. Суми та СП «ТЕХНОПОЛІС» (підтверджено актом впровадження від 1 жовтня 2022 року). Крім того, отримано патент на корисну модель (патент України №149860, 2021). Впроваджено в навчальний процес кафедри прикладної екології Сумського державного університету методичний підхід щодо реалізації концепції “зеленої” енергетики в процесах утилізації органічних відходів з отриманням біогазу та біокомпозитів, спосіб інтенсифікація виробництва біогазу в технологіях адаптації до змін клімату, для досягнення стабільного розвитку екосистеми в умовах високого рівня техногенного навантаження в навчальному процесі дисциплін «Техноекологія», «Біотехнології в промисловості» та «Інноваційні підхо ди до розроблення технологій захисту довкілля» (акт від 7 квітня 2022 року). Крім того, впроваджено у межах проекту "Біоенергетичні інновації в управлінні відходами: Європейський досвід впровадження циркулярної економіки" програми ЄС Еразмус+ Жан Моне (BIOINWASTE, № 101085172) в 2022. Також у межах спільного освітнього проекту "Екомайнінг: Development of Integrated Ph.D. Program for Sustainable Mining & Environmental Activities" під час досліджень технології утилізації відходів в енергетичних цілях в Технічному університеті "Bergakademie Freiberg" (Німеччина).
Authors: Чубур, Вікторія Сергіївна, Чубур, Виктория Сергеевна, Chubur, Viktoriia Serhiivna
Language: Ukrainian
Field: Energy
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7094714824