Вплив іонів важких металів на процес утворення біогазу
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Шинкарчук А.В. Вплив іонів важких металів на процес утворення біогазу. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії з галузі знань 16 Хімічна та біоінженерія за спеціальністю 162 Біотехнології та біоінженерія. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Нагальна необхідність скорочення споживання викопних палив в Україні стимулює до швидшого переходу на відновлювальні джерела енергії з різних видів біомаси (в тому числі аграрні відходи), що є одним із основних передумов успішного розвитку біоенергетики України. Дослідження виробнитцва біогазу та біометану як відновлювальних джерел енергії є актуальним науково-технічним завданням, яке пов’язане із скороченням викидів парникових газів в атмосферу та стриманням глобального потепління (United Nations Framework Convention on Climate Change, Paris Agreement, 2015). Особливого значення у виробництві біометану набуває використання гною великої рогатої худоби як сировини, оскільки відповідно до додатку IX Директиви RED II/ІІІ (Directive (EU) 2018/2001 of the European Parliament and of the Council, 2018, Directive (EU) 2023/2413 of the European Parliament and of the Council, 2023) гній віднесений до категорії «advanced feedstocks», що забезпечує пріоритетну підтримку та підвищену енергетичну цінність такого біопалива. Біометан, отриманий з гною великої рогатої худоби (ВРХ), характеризується значним потенціалом скорочення викидів парникових газів за рахунок запобігання емісіям метану під час традиційного зберігання гною, що відповідає кліматичним цілям Європейського Союзу. Одночасно відсутність контролю важких металів в сировині для виробництва біогазу може негативно впливати на його виробництво, особливо якщо врахувати збільшення біомаси, що містить важкі метали, внаслідок військових дій в Україні. Тема дисертаційної роботи спрямована на вдосконалення хімічних та біотехнологічних методів переробки відходів і раціонального використання вторинної сировини, що дозволяє вирішити актуальні екологічні проблеми та повністю збігається з пріоритетами, визначеними Законом України «Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки» (№ 2623-III) та стратегією інноваційного розвитку до 2030 року. Мета роботи і завдання дослідження Метою дослідження було обґрунтування та розробка біотехнологічних рішень отримання біогазу з сировини, що містить іони важких металів. Завданнями дослідження є: - дослідити процес отримання біогазу за різних концентрацій іонів важких металів та визначити раціональний вміст іонів, що дають максимальний вихід метану; - визначити вплив одночасної дії двох іонів важких металів Fe3+, Cu2+, Zn2+, Cr3+ на процес одержання біогазу та вміст метану в ньому; - визначити вплив одночасної дії трьох іонів важких металів Fe3+, Cu2+, Zn2+, Cr3+ на процес одержання біогазу та вміст метану в ньому; - визначити вплив дигестату збагаченого іонами важких металів на вирощування сільськогосподарських рослин; - розробити технологічну та апаратурну схеми переробки біомаси з додаванням іонів важких металів з метою підвищеного виробництва біогазу та біометану. Об’єктом досліджень є біотехнологія отримання біогазу із біомаси, що містить іони важких металів. Предметом досліджень є параметри одержання біогазу при ферментації біомаси, що містить іони важких металів. Методи дослідження. Для виконання поставлених завдань у процесі дослідження використано: для визначення характеристик процесу – електрохімічні методи аналізу (pH-метрія); для визначення кількості сухої органічної речовини та зольності – гравіметричний метод; для визначення якісного складу біогазу – метод недиcперсійної інфрачервоної спектроскопії (NDIR); для обробки результатів досліджень та розробки технологічної та апаратурної схем – методи теорії графів (MSExcel та AutoCAD). У дисертації вперше отримано такі наукові результати: - встановлено закономірності впливу іонів Fe3+, Cu2+, Zn2+ та Cr3+ на анаеробне зброджування гною ВРХ в залежності від їхньої концентрації, та отримано науково обґрунтовані діапазони концентрацій іонів, за яких досягається підвищення виходу біогазу та вмісту метану без проявів інгібування анаеробного мікробного консорціуму; - визначено синергізм та антагонізм сумісної комбінованої дії іонів важких металів (Fe3+–Cu2+, Fe3+–Zn2+, Fe3+–Cr3+, Cu2+–Zn2+, Cu2+–Cr3+, Zn2+–Cr3+ та їх трикомпонентних систем) на вихід біогазу та біометану; - дістало подальший розвиток визначення ролі іонів металів у регуляції гідрогенотрофного шляху метаногенезу за раціонального мікроелементного складу (Fe3+, Cu2+, Zn2+ та Cr3+), що сприяє ефективнішій утилізації водню, стабілізації синтрофних взаємодій та збільшенню частки біометану в біогазі. Практичне значення дисертаційної роботи полягає у встановленні раціональних концентрацій іонів Fe3+, Cu2+, Zn2+ та Cr3+, за яких збільшується виробництво біогазу та вміст біометану в біогазі за мезофільних умов. Визначено вплив іонів Fe3+, Cu2+, Zn2+ та Cr3+ та встановлено раціональні концентрації іонів важких металів, які інтенсифікують процес анаеробного зброджування гною ВРХ при наступних параметрах процесу: вміст субстрату 8 ± 0,5 % за сухої органічної речовини (СОР), рН середовища в діапазоні – 6,9-7,2; температура – 38 ± 1оС, перемішування періодичне. Встановлені концентрації іонів Fe3+, Cu2+, Zn2+ та Cr3+, за яких відбувається інгібування процесу анаеробного зброджування гною ВРХ. Досліджено вплив одночасної дії 2-х іонів важких металів та встановлено раціональні концентрації пар іонів Fe3+- Cu2+ та Fe3+- Cr3+, за яких відбувається інтенсифікація процесу ферментації гною; при дії Fe3+- Zn2+, Cu2+- Cr3+ вихід біогазу падає відносно контролю, але вихід біометану при цьому більший. Досліджено вплив одночасної дії 3-х іонів важких металів та встановлено раціональні концентрації Fe3+- Cu2+- Cr3+ та Fe3+- Zn2+- Cr3+, за яких відбувається інтенсифікація процесу ферментації гною. Досліджено вплив дигестату, збагаченого мікроелементами та стічної води з метантенку, на вирощування кукурудзи, пшениці та помідорів та встановлено можливість регулювання збільшення зростання зеленої біомаси рослин залежно від норми внесення та виду металу в дигестаті. Науково обґрунтовано та запропоновано технологічну та апаратурну схеми біотехнології переробки гною ВРХ з отриманням біогазу та підвищеного вмісту біометану за наявності вмісту важких металів. Розроблені технологічні рішення впроваджено у проєктну документацію ТОВ «Про-Енерджі» (розділ «Технологія виробництва»). В першому розділі проведено визначення впливу різних іонів важких металів на різні стадії виробництва біогазу. Описано джерела надходження важких металів у субстрати, що використовуються для виробництва біогазу. Визначено біохімічні механізми впливу іонів металів на різні стадії анаеробного процесу та механізми адаптації анаеробних мікроорганізмів до важких металів. Визначено доцільність застосування дигестату з іонами важких металів у рослинництві. В другому розділі викладено методи дослідження, опис установки, методику виконання експериментів, склад сировини, яку досліджували. В третьому розділі наведено результати досліджень вивчення дії окремого впливу іонів важких металів Fe3+, Cu2+, Zn2+ та Cr3+, впливу парної взаємодії цих іонів та за умов одночасної дії 3-х іонів; наведено математичний опис виходу біогазу при двокомпонентній дії іонів металів на процес анаеробного зброджування. В четвертому розділі наведено результати дослідження використання дигестату та стічної води з метантенку з підвищеним вмістом іонів важких металів як біодобрива. В п’ятому розділі наведено розроблену технологічну та апаратурну схеми біотехнології переробки гною ВРХ з отриманням біогазу та підвищеного вмісту біометану за наявності вмісту важких металів. Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, відображені в дисертаційній роботі, отримано здобувачем особисто. Планування роботи, обговорення напрямку досліджень та результатів проводили спільно із науковим керівником. Проведено: конструювання лабораторної установки для отримання біогазу в лабораторних умовах; дослідження різних концентрацій та різних комбінацій іонів важких металів на вихід біогазу; дослідження впливу дигестату на ріст рослин; створення апаратурної та технологічної схем отримання біогазу. Дисертаційну роботу виконано на кафедрі біоенергетики, біоінформатики та екобіотехнології Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», під керівництвом д.т.н., доц. Голуб Н.Б. Робота є результатом самостійних досліджень Шинкарчука А.В.. Аналіз результатів та підготовку публікацій за результатами досліджень виконано за участі співавторів. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, в тому числі: 4 наукові статті, з яких 3 статті опубліковано в періодичних виданнях, що входять до наукометричної бази Scopus, 1 стаття в іноземному фаховому періодичному виданні, 6 тез доповідей на всеукраїнських та міжнародних конференціях.
Опис
Ключові слова
біоенергетика, біогаз, біометан, стічна вода, мікроорганізми, біотехнологія, зброджування, важкі метали, залізо, мідь, цинк, хром, гній ВРХ, дигестат, bioenergy, biogas, biomethane, wastewater, microorganisms, biotechnology, fermentation, heavy metals, iron, copper, zinc, chromium, cattle manure, digestate
Бібліографічний опис
Шинкарчук, А. В. Вплив іонів важких металів на процес утворення біогазу : дис. … д-ра філософії : 162 Біотехнології та біоінженерія / Шинкарчук Андрій Володимирович. – Київ, 2026. – 170 с.