Екологічно безпечна утилізація відходів в енергетичних цілях в технологіях захисту довкілля

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).

The dissertation is dedicated to the development of technological solutions for waste utilization in anaerobic systems for energy resource and useful bioproducts production with a reduction of environmental impact. The study analyzes the anthropogenic impact on ecosystems during the management of waste of various genesis. An assessment of the selection of integrated waste utilization processes for the purposes of green energy was carried out based on the study of their composition, properties, and processing methods, with the development of an experimental and methodological complex for implementing waste utilization processes for energy purposes. Several experimental setups were developed for modeling the process of intensifying anaerobic conversion of organic waste using phosphogypsum during electrofermentation and ultrasonic pre-treatment of waste. Optimal phosphogypsum concentration during anaerobic digestion of various types of organic waste of plant and animal origin was determined and a generalized typology of organic waste that can be used for green energy needs was developed. The effect of different doses of mineral loadings with ratios of 5% and 15% of phosphogypsum additive to the dry matter mass of plant substrate on biogas production, methane yield, quality, and concentration of elements in digestate before and after the anaerobic fermentation process was investigated. Significant increases in potassium, calcium, silicon, sulfur, and aluminum concentrations were identified in the complex bioproduct based on digestate (organic fertilizer) with phosphogypsum compared to digestate without additives, allowing to use bioproduct on soils that require fertility restoration and bio-stimulation of beneficial soil biota. During the electro-fermentation intensification of organic waste with phosphogypsum as a mineral additive, the mechanisms of compensatory action on the gas-liquid and solid phases of fermented waste with the binding of toxic components in biogas and digestate were determined. It was scientifically and experimentally substantiated that bioelectrochemical reactions can reduce the stabilization period of the biogas production process and increase the amount of biomethane produced. The overall biogas output from the electro-lysis bioreactor increased by 30-35%, and the productivity over 28 days was 1525 ml, with 640.5 ml of methane, compared to the standard conditions on the 28th day the biogas yield was 50 ml (33.4 ml of methane). The optimal mode of electrofermentation with a constant electric current of 20 A for 5 minutes once a day was determined. The hydrogen sulfide content in the biogas from the bioreactor electrolyzer was significantly lower than under standard anaerobic fermentation conditions. During electro-fermentation with the addition of phosphogypsum, the concentration of hydrogen sulfide decreased on the 14th day to 487 ppm, while under standard conditions the concentration of this harmful impurity was more than 5000 ppm. To model the nonlinear processes of conversion of organic waste during the simultaneous action of phosphogypsum as a mineral additive and different types of physicochemical treatment, neural network modeling was used in the STATISTICA Automated Neural Networks software environment. Data mining was used for data analysis, which is designed to search for previously unknown patterns in large amounts of information, allowing effective decisions during the analysis and forecasting of various processes. The combined effect of electrolysis with phosphogypsum on the bioconversion of organic waste (electrofermentation) was demonstrated in the process of automated neural network search. Peak values of biogas yield up to 80,000 ml were modeled at pH = 7.4-7.6, with an increase in substrate mineralization compared to standard conditions of up to 1,000 ml of methane per day. This extrapolation to significant volumes of methane yield made it possible to model the manifestation of synergy in the electrofermentation process with the addition of phosphogypsum to organic waste. The observed effect is not simply the sum of the influence of electrolysis treatment and phosphogypsum on the biogas production process, but is determined by self-regulation in the anaerobic biosystem, which is reflected in the autocorrelation of the ORP during substrate disintegration and the introduction of additional electron donors (hydrogen) with their conversion together with CO2 into biomethane. This process also involves the transformation of metal ion locations under the action of the sulfate component of phosphogypsum, which leads to the formation of qualitative differences from the standard anaerobic fermentation system, with the possibility of producing more environmentally friendly bioproducts. The process of intensifying anaerobic digestion of organic waste was investigated by the combined action of phosphogypsum as a mineral additive and ultrasonic treatment. . This was achieved by determining the mechanisms of the combined action on the gas-liquid and solid phases of the digested waste. Experimental results confirmed an increase in biogas yield and improvement in the bioavailability of mineral nutrients along ecological-trophic links of the anaerobic system. Optimal treatment parameters were determined, including a 3-minute treatment to achieve a phosphogypsum particle size of 10 μm in combination with the treatment of organic waste, using poultry manure as an example. The effect of substrate particle size on the methane content reached 65- 68% of the gas volume under optimal operating conditions of the bioreactor. The improvement in biogas production was determined by the modification of the physicochemical properties of the initial digestion solution, partially through changes in pH, COD, TDS parameters, and substrate structure with the release of biogenic substances into the liquid phase of the solution. The selected factors of ultrasound cavitation intensity lead to changes in viscosity, diffusion rate of dissolved gas components in the liquid, and other effects. Furthermore, a neural network-based Data Mining approach was obtained to intensify anaerobic digestion using ultrasonic pretreatment of poultry manure and phosphogypsum solution. The synergistic effect of ultrasound treatment and phosphogypsum as a mineral additive in the anaerobic digestion process is reflected in the following emergent properties of the anaerobic biosystem: increased dynamic stability of the biosystem, resulting in the production of an environmentally safe composition of the digestate mixture and an increase in biogas and methane yields. A comprehensive model of the biochemical pathways of methanogenesis during intensified anaerobic fermentation processes has been developed. Furthermore, a technological decision system has been designed for environmental protection in a closed cycle of green energy generation and waste processing in two variations of technological solutions. This system enables a reduction in the level of technological load from various types of waste and greenhouse gas emissions towards achieving sustainable development goals. The practical significance of the work is confirmed by the results implemented within the framework of the joint Ukrainian-Czech research project "Bioenergy Innovations in Waste Recycling and Rational Use of Natural Resources" (2021-2022), as well as within the framework of the project "AgriSciences Platform for Scientific Enhancement of HEIs in Ukraine" (2020-2022). Practical recommendations have been developed for the implementation of a technology for obtaining a solid-phase product of fermentation of organo-mineral fertilizer from anaerobic digestate in combination with phosphogypsum, a waste of chemical production, carried out at the Sumy Research Institute "MINDIP" (confirmed by the implementation act of September 15, 2022) in Sumy city and SP "TECHNOPOLIS" (confirmed by the implementation act of October 1, 2022). In addition, a patent for a utility model has been obtained (Ukrainian patent No. 149860, 2021). A methodological approach for the implementation of the "green" energy concept in the processes of organic waste utilization to produce biogas and biocomposites has been introduced into the educational process of the Department of Applied Ecology at Sumy State University. This approach includes the intensification of biogas production technologies in adaptation to climate change, to achieve sustainable development of ecosystems in conditions of high levels of technology is implemented in the disciplines "Technoecology", "Biotechnology in Industry", and "Innovative Approaches to Environmental Protection Technologies" (Act of April 7, 2022). Additionally, it has been implemented within the framework of the European Union Erasmus+ Jean Monnet program project "Bioenergy Innovations in Waste Management: European Experience in Circular Economy" (BIOINWASTE, No. 101085172) in 2022. Furthermore, research on waste utilization technology for energy purposes is being conducted at the Technical University "Bergakademie Freiberg" (Germany) as part of the joint educational project "Eco-mining: Development of an Integrated Ph.D. Program for Sustainable Mining and Environmental Activities."