Вплив іонів важких металів на процес утворення біогазу
| dc.contributor.advisor | Голуб, Наталія Борисівна | |
| dc.contributor.author | Шинкарчук, Андрій Володимирович | |
| dc.date.accessioned | 2026-08-18T07:35:28Z | |
| dc.date.available | 2026-08-18T07:35:28Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Shynkarchuk A. The influence of heavy metal ions on the process of biogas formation. – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 16 Chemical Engineering and Bioengineering in the specialty 162 Biotechnology and Bioengineering. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. The urgent need to reduce fossil fuel consumption in Ukraine stimulates a faster transition to renewable energy sources from various types of biomass (including agricultural waste), which is one of the main prerequisites for the successful development of bioenergy in Ukraine. Research into the production of biogas and biomethane as renewable energy sources is a relevant scientific and technical task related to the reduction of greenhouse gas emissions into the atmosphere and the containment of global warming (United Nations Framework Convention on Climate Change, Paris Agreement, 2015). Of particular importance in the production of biomethane is the use of cattle manure as a raw material, since in accordance with Annex IX of the RED II/III Directive (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), manure is classified as an “advanced feedstock”, which provides priority support and increased energy value of such biofuel. Biomethane obtained from manure is characterized by a significant potential for reducing greenhouse gas emissions by preventing methane emissions during traditional manure storage, which meets the climate goals of the European Union. At the same time, the lack of control of heavy metals in raw materials for biogas production may negatively affect its production, especially considering the increase in biomass containing heavy metals as a result of military operations in Ukraine. The topic of the dissertation is aimed at improving chemical and biotechnological methods of waste processing and rational use of secondary raw materials, which allows solving current environmental problems and fully coincides with the priorities defined by the Law of Ukraine "On Priority Areas of Development of Science and Technology" (No. 2623-III) and the Strategy of Innovative Development until 2030. The purpose of the work and the objectives of the research. The purpose of the research is to substantiate and develop biotechnological solutions for obtaining biogas from raw materials containing heavy metal ions. The objectives of the research are: - to investigate the process of obtaining biogas at different concentrations of heavy metal ions and to determine the rational content of ions that give the maximum methane yield; - to determine the effect of the simultaneous action of two heavy metal ions Fe3+, Cu2+, Zn2+, Cr3+ on the process of obtaining biogas and the content of methane in it; - to determine the effect of the simultaneous action of three heavy metal ions on the process of obtaining biogas and the content of methane in it; - to determine the effect of digestate enriched with heavy metal ions on the cultivation of agricultural plants; - to develop a technological and instrumental scheme for processing biomass with the addition of heavy metal ions in order to increase the production of biogas and biomethane; - to develop recommendations for increasing methane yield using raw materials enriched simultaneously with three heavy metal ions. The object of research is the biotechnology of biogas production from biomass containing heavy metal ions. The subject of research is the parameters of biogas production during fermentation of biomass containing heavy metal ions. Research methods. To fulfill the tasks set in the research process, the following were used: electrochemical analysis methods (pH-metry) were used to determine the characteristics of the process; the gravimetric method was used to determine the amount of dry organic matter and ash content; the non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR) method was used to determine the qualitative composition of biogas; graph theory methods (MSExcel and AutoCAD) were used to process the research results and develop technological and hardware schemes. The following scientific results were obtained for the first time in the dissertation: - the regularities of the influence of Fe3+, Cu2+, Zn2+ and Cr3+ ions on anaerobic fermentation of cattle manure depending on their concentration were established, and scientifically substantiated ranges of ion concentrations were obtained, at which an increase in biogas yield and methane content is achieved without manifestations of inhibition of the anaerobic microbial consortium; - the synergism and antagonism of the combined action of heavy metal ions (Fe3+– Cu2+, Fe3+–Zn2+, Fe3+–Cr3+, Cu2+–Zn2+, Cu2+–Cr3+, Zn2+–Cr3+ and their three-component systems) on the yield of biogas and methane were determined; - the role of metal ions in the regulation of the hydrogenotrophic pathway of methanogenesis has been further developed, with a rational microelement composition (Fe, Cu, Zn and Cr), which contributes to more efficient utilization of hydrogen, stabilization of syntrophic interactions and an increase in the proportion of biomethane in biogas. The practical significance of the dissertation work lies in establishing rational concentrations of Fe3+, Cu2+, Zn2+ and Cr3+ ions, at which biogas production and the content of biomethane in biogas increase under mesophilic conditions. The influence of Fe3+, Cu2++, Zn2+ and Cr3+ ions has been determined and rational concentrations of heavy metal ions have been established, which intensify the process of anaerobic fermentation of cattle manure at the following process parameters: substrate concentration 8 ± 0.5% by COP, medium pH in the range of 6.9-7.2; temperature – 38 ± 1°C, periodic mixing. The concentrations of Fe3+, Cu2+, Zn2+ and Cr3+ ions were determined, at which the process of anaerobic fermentation of cattle manure is inhibited. The effect of the simultaneous action of 2 heavy metal ions was studied and rational concentrations of Fe3+- Cu2+ and Fe3+- Cr3+ ion pairs were established, at which the process of manure fermentation is intensified; under the action of Fe3+- Zn2+, Cu2+- Cr3+ the biogas yield decreases relative to the control, but the biomethane yield remains higher. The effect of the simultaneous action of 3 heavy metal ions was studied and rational concentrations of Fe3+- Cu2+- Cr3+ and Fe3+- Zn2+- Cr3+ were established, at which the process of manure fermentation is intensified. The effect of digestate enriched with microelements on the cultivation of corn, wheat and tomatoes was studied and it was found that it is possible to regulate the increase in the growth of green biomass of plants depending on the rate of application and the type of metal in the digestate. A technological and hardware scheme for the biotechnology of cattle manure processing with the production of biogas and an increased content of biomethane in the presence of heavy metals was scientifically substantiated and proposed. The developed technological solutions were implemented in the design documentation of LLC "ProEnergy" (section "Production Technology"). In the first section, the influence of various heavy metal ions on different stages of biogas production was determined. The sources of heavy metals entering the substrates used for biogas production were described. The biochemical mechanisms of the influence of metal ions on different stages of the anaerobic process and the mechanisms of adaptation of anaerobic microorganisms to heavy metals were determined. The feasibility of using digestate with heavy metal ions in crop production has been determined. The second section presents the research methods, description of the installation, methodology for conducting experiments, and composition of the raw materials studied. In the third section presents the results of studies on the study of the effect of the separate effect of heavy metal ions Fe3+, Cu2+, Zn2+ and Cr3+, the effect of pair interaction of these ions and under the conditions of the simultaneous action of 3 ions; a mathematical description of the biogas yield under the two-component effect of metal ions on the process of anaerobic fermentation is given. The fourth section presents the results of research on the use of digestate with an increased content of heavy metal ions as a biofertilizer. The fifth section presents the developed technological and hardware scheme of the biotechnology of cattle manure processing with the production of biogas and an increased content of biomethane in the presence of heavy metals. Personal contribution of the applicant. All the main results reflected in the dissertation work were obtained by the applicant personally. Planning of work, discussion of the direction of research and results were carried out together with the scientific supervisor. A laboratory installation for obtaining biogas in laboratory conditions was designed. Studies of different concentrations and different combinations of heavy metal ions on the biogas yield were conducted, a study of the effect of digestate on plant growth was conducted, and a hardware and technological scheme for obtaining biogas was created. The dissertation work was carried out at the Department of Bioenergy, Bioinformatics and Ecobiotechnology of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", under the supervision of Doctor of Technical Sciences, Prof. Holub N.B. The work is the result of independent research by Shynkarchuk A.V.. Analysis of the results and preparation of publications based on the research results were carried out with the participation of co-authors. 11 scientific works have been published on the topic of the dissertation, including: 4 scientific articles, of which 3 articles are published in periodicals included in the Scopus scientometric database, 1 article in a foreign professional periodical, 7 abstracts of reports at all-Ukrainian and international conferences. | |
| dc.format.extent | 170 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/82544 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | біоенергетика | |
| dc.subject | біогаз | |
| dc.subject | біометан | |
| dc.subject | стічна вода | |
| dc.subject | мікроорганізми | |
| dc.subject | біотехнологія | |
| dc.subject | зброджування | |
| dc.subject | важкі метали | |
| dc.subject | залізо | |
| dc.subject | мідь | |
| dc.subject | цинк | |
| dc.subject | хром | |
| dc.subject | гній ВРХ | |
| dc.subject | дигестат | |
| dc.subject | bioenergy | |
| dc.subject | biogas | |
| dc.subject | biomethane | |
| dc.subject | wastewater | |
| dc.subject | microorganisms | |
| dc.subject | biotechnology | |
| dc.subject | fermentation | |
| dc.subject | heavy metals | |
| dc.subject | iron | |
| dc.subject | copper | |
| dc.subject | zinc | |
| dc.subject | chromium | |
| dc.subject | cattle manure | |
| dc.subject | digestate | |
| dc.subject.udc | 662.767:620.92;579.66 | |
| dc.title | Вплив іонів важких металів на процес утворення біогазу | |
| dc.title.alternative | The influence of heavy metal ions on the process of biogas formation | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Shynkarchuk_dys.pdf
- Розмір:
- 3.32 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: