Устойчивое развитие экологических и энергетических аспектов ферментации метана на семейных фермах в Польше

Цель работы – изучить возможность утилизации вредных отходов в сельской местности для получения экологической энергии. Производство биогаза актуально с точки зрения охраны окружающей среды, особенно в случае перепроизводства отходов животноводства. Использование энергии, полученной из сельскохозяйственных отходов, приводит к диверсификации и росту доходов семейных ферм. Помимо энергетических и экологических выгод при утилизации отходов можно получить очень ценное удобрение, которое легко усваивается растениями. Экспериментальные исследования проводили с целью изучения влияния процесса перемешивания отходов свинарников и птичников на параметры ферментации метана: температуру внутри ферментационной камеры, рН ферментированного материала, окислительно-восстановительный потенциал и соотношение углерода к азоту (C:N). Для ферментации отходов в камере обеспечивали постоянную температуру 37 °C. После добавления свежего субстрата в реактор температура сырья снижалась на 1,0-1,5 °C в зависимости от расположения в резервуаре, и производство биогаза сокращалось. Процесс перемешивания положительно влиял на однородность распределения материала по всему объему реактора, при этом увеличивалось производство биогаза. Наилучшие результаты получены при значении рН 7,0. Результаты исследований, полученные при испытании биогазовой установки, состоящей из двух биореакторов общим объемом 410 м3, показали, что можно получить электрическую энергию стоимостью 34,52 € МВт-ч-1 и тепловую энергию стоимостью 62,54 € МВт-ч-1. При этом стоимость производства электроэнергии на профессиональной электростанции на основе бурого угля составляет 76,23 €МВт-ч-1. Произведенная энергия использовалась для деятельности фермы.

1. Czatzkowska M., Harnisz M., Korzeniewska E., Koniuszewska I. Inhibitors of the methane fermentation process with particular emphasis on the microbiological aspect: A review. Energy Science and Engineering. 2020;8(5):1880-1897. DOI: https://doi.org/10.1002/ese3.609

2. Koryś K. A., Latawiec A. E., Grotkiewicz K., Kuboń M. The review of biomass potential for agricultural biogas production in Poland. Sustainability. 2019;11(22):6515. DOI: https://doi.org/10.3390/su11226515

3. Matos J. S., Barberino A. T. M. S., de Araujo L. P., Lôbo I. P., de Almeida Neto J. A. Potentials and Limitations of the Bioconversion of Animal Manure Using Fly Larvae. Waste and Biomass Valorization. 2021;12:3497-3520. DOI: https://doi.org/10.1007/s12649-020-01141-y

4. Kostecka J., Koc-Jurczyk J., Brudzisz K. Waste management in Poland and European Union. Waste management. 2014;16(1):1-10. URL: https://www.researchgate.net/publication/311233169_Waste_management_in_Poland_and_European_Union

5. Silvestre B. S., Ţîrcă D. M. Innovations for sustainable development: Moving toward a sustainable future. Journal of Cleaner Production. 2019;208:325-332. DOI: https://doi.org/10.1016/J.JCLEPRO.2018.09.244

6. Kumar G., Lay C. H., Kim S. H., Ponnusamy V. K. Recent developments on alternative fuels, energy and environment for sustainability. Bioresource Technology. 2020;317:124010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124010

7. Kruk H., Waldziński D. Rozwój zrównoważony i konkurencyjność regionów-rozważania teoretyczne. Prace Naukowe Uniwersytetu Ekonomicznego we Wrocławiu. 2010;(110 Problemy rozwoju regionalnego):87-96.

8. Pandey P., Chiu C., Miao M., Wang Y., Settles M., Del Rio N. S., Castillo A., Souza A., Pereira R., Jeannotte R. 16S rRNA analysis of diversity of manure microbial community in dairy farm environment. PloS one. 2018;13(1):e0190126. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0190126

9. Kazimierowicz J. Depletion efficiency of selected expired food products in the process of methane fermentation. Journal of Ecological Engineering. 2019;20(1):132-137. DOI: https://doi.org/10.12911/22998993/93865

10. Zubair M., Wang S., Zhang P., Ye J., Liang J., Nabi M., Zhau Z., Tao X., Chen N., Sun R., Xiao Ju., Cai Y. Biological nutrient removal and recovery from solid and liquid livestock manure: Recent advance and perspective. Bioresource technology. 2020;301:122823. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122823

11. Owen J. J., Silver W. L. Greenhouse gas emissions from dairy manure management in a Mediterranean environment. Ecological applications. 2017;27(2):545-559. DOI: https://doi.org/10.1002/eap.1465

12. Broucek J. Nitrous oxide production from cattle and swine manure. Journal of Animal Behaviour and Biometeorology. 2016;5(1):13-19. DOI: https://doi.org/10.14269/2318-1265/jabb.v5n1p13-19

13. Yevstafiieva Y., Levytska V., Terenov D. Biogas Production as a Component of Green Energy Generation. In: Mudryk K., Werle S. (eds) Renewable Energy Sources: Engineering, Technology, Innovation. Springer Proceedings in Energy. Springer, Cham. 2018. pp. 755-764. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-72371-6_74

14. Apdini T., Al Zahra W., Oosting S. J., de Boer I. J., de Vries M., Engel B., van Middelaar C. E. Understanding variability in greenhouse gas emission estimates of smallholder dairy farms in Indonesia. The International Journal of Life Cycle Assessment. 2021;26:1160-1176. DOI: https://doi.org/10.1007/s11367-021-01923-z

15. Scarlat N., Dallemand J. F., Fahl F. Biogas: Developments and perspectives in Europe. Renewable energy. 2018;129(Part A):457-472. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.03.006

16. Romaniuk W., Głaszczka A., Domasiewicz T., Biskupska K., Barwicki J. Method of evaluation of biogas stations. Problems of animals production in the view of farm structure, environment protection and EU standards: monograph. Falenty: ITP, 2011. pp. 108–114.

17. Romaniuk W., Biskupska K. Tests results of biogas stations below 100 kW. Problems of intensification of animal production taking into account environment protection, EU standards and biogas production: monograph. Red. Romaniuk W., Falenty: ITP, 2012. pp. 132-143.

18. Podkówka W. Biogas from agriculture as renewable source of energy. Theory and practice. Warsaw: PWRiL, 2012. pp. 263.

19. Jankowska E., Chwialkowska J., Stodolny M., Oleskowicz-Popiel P. Volatile fatty acids production during mixed culture fermentation – The impact of substrate complexity and pH. Chemical Engineering Journal. 2017;326:901-910. DOI: https://doi.org/10.1016/J.CEJ.2017.06.021

20. Myczko A., Myczko R., Kołodziejczyk T., Golimowska R., Lenarczyk J., Janas Z., Kliber A., Karłowski J., Dolska M. Construction and exploitation of agriculture biogas stations. Handbook for investors. Wydawnictwo ITP Falenty, 2011. 142 p.

21. Romaniuk W., Głaszczka A., Biskupska K. Analysis of the biogas installation solutions for the family farms and farming enterprises: monograph. Engineering in Agriculture. Falenty: ITP, 2012. No 9. pp.94