Mokslo, inovacijų ir technologijų agentūra · El. paštas: [email protected] 3 partneris...

Mokslo, inovacijų ir technologijų agentūra

Vilniaus Gedimino technikos universiteto

Aplinkos apsaugos institutas

Žmogiškųjų išteklių plėtros programa

„Programos „Eureka“ mokslinių tyrimų ir technologinės plėtros

projektų įgyvendinimas“

Projekto Nr.:VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003

1.2.13 poveiklė „Mažų gabaritų bioreaktorius“

(„E!4528 BIOREACTOR)

Lėšų skyrimo sutarties su Agentūra data ir numeris

2011 liepos 11 d. Nr. 10V-61/7028

Baigiamoji ataskaita

Projekto vadovas: Prof. habil. dr. Pranas Baltrėnas

Vilnius, 2012

1

PROJEKTO PARTNERIAI

1 partneris (Lietuva)

Pavadinimas: UAB „Senasis Akvedukas“

Atsakingo vykdytojo Algimantas Paškevičius

Pareigos: direktorius

Adresas: Justiniškių g. 16, LT-05100 Vilnius, Lietuva

Tel.: +370 52400989; faks.: +370 52129981

El. paštas: [email protected]

2 partneris (Ukraina)

Pavadinimas: Ukrainos Nacionalinės mokslų akademijos Inžinerinės termofizikos instituto

Bioenergijos termofizikos problemų katedra

Atsakingo vykdytojo Matveev Yuri

Pareigos: vyriausias tyrėjas

Adresas: Zhelyabova g, 2-a, Kijevas, Ukraina

Tel.: +380 (44) 456-62-82

Fax.: +380 (44) 456-60-91


3 partneris (Ukraina)

Pavadinimas: Scientific Engineering Center „Biomass“ (Mokslinis inžinerinis centras “Biomasė”)

Atsakingo vykdytojo Petr Kucheruk

Pareigos: konsultantas

Adresas: p/o Box 66, Kijevas, Ukraina

Tel./Faks: +380 (44) 456-94-62, +380 (44) 453-28-56

Mobilus: +380 (44) 456-94-62


Internetinis puslapis: www.biomass.kiev.ua

mailto:[email protected]





http://www.biomass.kiev.ua/

2

PROJEKTO KOORDINATORIUS

Atsakingas vykdytojas Pranas Baltrėnas

Pedagoginis vardas: profesorius

Mokslo laipsnis: profesorius habilituotas daktaras

Pareigos: Aplinkos apsaugos instituto direktorius

Adresas: Vilniaus Gedimino technikos universiteto Aplinkos apsaugos institutas,

Saulėtekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lietuva

Tel.: +370 5 2744723, faks.: +370 2744726


PROJEKTO VYKDYTOJAI

Vilniaus Gedimino technikos universitetas, aplinkos apsaugos institutas

Prof. habil. dr. Pranas Baltrėnas

Prof. habil. dr. Donatas Butkus

Doc. dr. Edita Baltrėnaitė

Doc. dr. Dainius Paliulis

Dr. Violeta Bolutienė

Dr. Alvydas Zagorskis

Asist. Antonas Misevičius

Asist. Žilvinas Venckus

Asist. Aleksandras Chlebnikovas

Mgr. Justas Samosionokas

UAB „Senasis Akvedukas“

Algimantas Paškevičius

Nijolė Paškevičienė

Povilas Žuromskas

Algerdas Laužikas

Jadvyga Staruk

Aurelijus Idzelis

Ukrainos Nacionalinės mokslų akademijos Inžinerinės termofizikos instituto Bioenergijos

termofizikos problemų katedra

Matveev Yuri

R. O. Gelfand

S.V. Račenko

S.M. Čapligin

Scientific Engineering Center „Biomass“ (Mokslinis inžinerinis centras “Biomasė”)

Petr Kucheruk

Tatjana Chodakovska

I.M. Myšinska


3

PROJEKTO SANTRAUKA

Tyrimai buvo atliekami vykdant Europos Sąjungos ir Lietuvos Respublikos remiamo

projekto „Programos „Eureka“ mokslinių tyrimų ir technologinės plėtros projektų įgyvendinimas“

(Nr. VP1-3.1-ŠMM-06-V-01-003) 1.2.1.13 „Eureka“ projekto poveiklę „Mažų gabaritų

bioreaktorius“ („E! 4528 BIOREACTOR“). Projektas finansuojamas iš Europos socialinio fondo

lėšų.

Projekto tikslas – sukurti organinių atliekų perdirbimo įrenginį, kuris skirtas smulkiems

ūkiams ir maisto gamybos ar perdirbimo įmonėms.

Projekto metu buvo atliekami tyrimai apie biodujų kiekį ir sudėtį bei perdirbtos biomasės

tinkamumą dirvožemiui tręšti skirtingą biomasę perdirbant mažų gabaritų bioreaktoriuose. Vilniaus

Gedimino technikos universiteto Aplinkos apsaugos institutui bendradarbiaujant su Lietuvos (UAB

„Senasis Akvedukas“) bei užsienio partneriais iš Ukrainos (Moksliniu inžineriniu centru

“Biomasė” ir Ukrainos Nacionalinės mokslų akademijos Inžinerinės termofizikos instituto

Bioenergijos termofizikos problemų katedra) buvo nustatomas išsiskiriančių biodujų kiekis

naudojant skirtingas organines atliekas ir jų mišinius, biodujų sudėtis naudojant skirtingas organines

atliekas ir jų mišinius. Remiantis tyrimų metu gautais rezultatais buvo parinkti optimalūs

bioreaktoriaus parametrai, nustatyta optimali organinių atliekų mišinių sudėtis bei ištirtas perdirbtų

organinių atliekų tinkamumas dirvožemiui tręšti.

Atlikus biodujų ir dirvožemio tinkamumui tręšti eksperimentinius tyrimus su bioskaidžiomis

atliekomis ir jų mišiniais nustatyta, kad didesnė biodujų išeiga gaunama perdirbant kiaulių mėšlą

perdirbant su mėsos atliekomis, karvių mėšlą su sodo-daržo atliekomis tam tikrais santykiais.

Anaerobiškai perdirbant organinių atliekų mišinį biodujų išeiga padidėja iki 2-jų kartų.

Rezultate bendradarbiaujant mokslo ir verslo partneriams sukurtas bandomasis

bioreaktoriaus prototipas, kuris išsiskiria tobulesnėmis substrato maišymo, šildymo, tiekimo

sistemomis bei platesnėmis ir paprastesnėmis valdymo galimybėmis.

Dėl bioreaktoriaus konstrukcinių savybių bei substrato mišinio sudėties ypatumų iš 1m3

organinių atliekų galima išgauti didesnį biodujų kiekį per parą, kuriose metano koncentracija siekia

iki 65%. Mažų gabaritų bioreaktorius kainuoja bent 2-3 kartus pigiau už vidutinio pajėgumo

analogą, o efektyvumu (naudojant jį mažam atliekų kiekiui perdirbti) lenkia vidutinio ar didelio

našumo įrenginius, nepritaikytus mažiems atliekų kiekiams.

Sukurtas prototipas taps svarbiu moksliniu ir technologiniu potencialu, kuris paskatins mažo

našumo bioreaktorių rinkos atsiradimą, naujus mokslinius tyrimus ir plėtrą (siekiant tobulinti

įrenginio konstrukciją), taip pat technologinės plėtros projektus kitose srityse (pritaikant projekto

metu atliktų tyrimų rezultatus kitokių įrenginių konstravimui).

4

TURINYS

Įvadas ................................................................................................................................................... 7

1. Projekto koordinatoriaus ir kiekvieno projekto partnerio indėlis ............................................... 8

2. Pagrindinių eksperimentinių tyrimų atlikimo metodika ir gauti rezultatai ................................. 9

2.1. Eksperimentinių tyrimų atlikimo metodikos ....................................................................... 9

2.1.1. Biodujų kiekio ir sudėties tyrimų metodika, naudojant periodinio veikimo

laboratorinį bioreaktorių ....................................................................................................... 9

2.1.2. Perdirbtų skirtingų organinių atliekų rūšių ir jų mišinių tinkamumo dirvožemiui

tręšti tyrimų atlikimo metodika .......................................................................................... 11

2.1.3. Biodujų kiekio ir sudėties tyrimų metodika, naudojant bioreaktoriaus prototipą ... 12

2.2. Biodujų kiekio ir sudėties laboratorinių tyrimų rezultatai ............................................... 13

2.2.1. Tyrimų rezultatai anaerobiškai periodiniame bioreaktoriuje perdirbus kiaulių mėšlą

ir sodo-daržo atliekų mišinius skirtingais santykiais .......................................................... 13

2.2.2. Tyrimų rezultatai anaerobiškai periodiniame bioreaktoriuje perdirbus vištų mėšlą ir

sodo-daržo atliekų mišinius skirtingais santykiais ............................................................. 15

2.3. Laboratoriniuose bioreaktoriuose perdirbtų organinių atliekų tinkamumo dirvožemiui

tręšti tyrimų rezultatai .............................................................................................................. 16

2.3.1. Bendrojo fosforo, azoto ir bendrosios organinės anglies kiekiai perdirbtuose

organinių atliekų mišiniuose ............................................................................................... 16

2.3.2. Sunkiųjų metalų kiekiai perdirbtuose organinių atliekų mišiniuose ........................ 17

2.3.3. Ph perdirbtuose organinių atliekų mišiniuose .......................................................... 17

2.4. Biodujų kiekis anaerobiškai Periodiniame bioreaktoriuje perdirbus kiaulių mėšlo ir sodo-

daržo atliekų mišinį (santykiu 90%:10%) 25ºc, 30ºc ir 35ºc temperatūroje ............................. 18

2.5. Biodujų kiekio ir sudėties tyrimų rezultatai bioreaktoriaus prototipe perdirbant organinių

atliekų mišinius ......................................................................................................................... 21

2.6. Sukurto ir pagaminto organinių atliekų perdirbimo įrenginio – mažų gabaritų

bioreaktoriaus aprašymas ......................................................................................................... 22

Išvados ............................................................................................................................................... 25

Rekomendacijos ................................................................................................................................ 26

Literatūra ........................................................................................................................................... 27

MTEP rezultatai ................................................................................................................................. 29

Rengiamų ir apgintų magistrinių darbų, disertacijų sąrašas .............................................................. 30

Gautų eksperimentinių tyrimų rezultatų sklaidos būdai ir priemonės ............................................... 31

Priedai ............................................................................................................................................... 33

1 priedas – Tyrimų rezultatų ataskaita „Gyvulininkystės, paukštininkystės ir daržo-sodo

organinių atliekų mišinių potencialo biodujoms gaminti tyrimai”………………………………34

2 priedas – Tyrimų rezultatų ataskaita „Gyvulininkystės, paukštininkystės ir daržo-sodo

organinių atliekų mišinių tinkamumo dirvožemiui tręšti tyrimai“………………………………69

3 priedas – Tyrimų rezultatų ataskaita „Būtinų sąlygų bioreaktoriuje užtikrinimo tyrimai“…....87

4 priedas – Tyrimų rezultatų ataskaita „Bioreaktoriuje išsiskiriančio biodujų ir metano kiekio

tyrimai panaudojant maisto perdirbimo bei žemės ir gyvulininkystės ūkiuose susidarančių atliekų

mišinius“………………………………………………………………………..………………111

5 priedas – Straipsnio „Research on anaerobically treated organic waste suitability for soil

fertilization“ kopija......................................................................................................................145

5

6 priedas – Straipsnio „Experimental investigation of biogas production using biodegradable

municipal waste “ kopija..............................................................................................................155

7 priedas – Straipsnio „Biogas production by anaerobic treatment of waste mixture consisting of

cattle manure and vegetable remains” kopija..............................................................................169

8 priedas – Straipsnio „Experimental biogas reserch by anaerobic digestion of waste of animal

origin and biodegradable garden waste“ rankraštis.....................................................................178

9 priedas – Straipsnio „Mezofilinės temperatūros įtaka biodujų gamybai anaerobiškai perdirbant

kiaulių mėšlą ir bioskaidžias sodo-daržo atliekas“ rankraštis.....................................................188

10 priedas – Stendinio parnešimo „Mezofilinės temperatūros įtaka biodujų gamybai anaerobiškai

perdirbant kiaulių mėšlą ir bioskaidžias sodo-daržo atliekas“ medžiaga....................................196

11 priedas – Žodinio parnešimo „Eureka projekto „Mažų gabaritų bioreaktorius“ įgyvendinimas“

medžiaga......................................................................................................................................197

12 priedas – Kronikos „ Aplinkos apsaugos katedros mokslininkai kurs bioreaktorių“ kopija..202

13 priedas – Kronikos „ Tarptautinis projektas „Mažų gabaritų bioreaktorius““ kopija.............205

14 priedas – Patento „Bioreaktorius“ aprašymas.........................................................................208

15 priedas – Patento „Bioreaktorius ir biodujų gamybos būdas” aprašymas..............................217

16 priedas – Bioreaktoriaus prototipo nuotrauka.........................................................................228

17 priedas – Bioreaktoriaus prototipo brėžinys...........................................................................229

6

SANTRUMPOS SM – sausa masė;

KM – kiaulių mėšlas;

VM – Vištų mėšlas;

SDA – sodo ir daržo atliekos;

KMMA – kiaulių mėšlas ir mėsos atliekos;

PPA – pieno produktų atliekos;

VMVDA – vištų mėšlas, vaisių ir daržovių atliekos;

KMSDA* – karvių mėšlas ir sodo-daržo atliekos;

KMSDA – kiaulių mėšlas ir sodo-daržo atliekos;

VMSDA – vištų mėšlas ir sodo-daržo atliekos.

Biologiškai skaidžios atliekos – bet kokios atliekos, kurios gali būti suskaidytos aerobiniu ar

anaerobiniu būdu, pvz., sodo, maisto, gyvulinės kilmės atliekos, popierius ar kartonas.

Anaerobinis perdirbimas – tai biologiškai skaidžių atliekų perdirbimo būdas anaerobinėmis

sąlygomis (be sąlyčio su oru).

Bioreaktorius – tai įrenginys skirtas biodujų gamybai, kuriame mikroorganizmai organines

medžiagas skaido anaerobinėse sąlygose.

7

ĮVADAS

Daugelyje pasaulio šalių didėjant vartojimui didėja ir susidarančių organinių atliekų kiekiai.

Ypač dideli organinių atliekų kiekiai susidaro žemės ūkyje bei maisto pramonės įmonėse. Jų

tinkamai neapdorojant, kyla rimtų problemų, kurios ir paskatino projekto atsiradimą: teršiami

paviršiniai ir gruntiniai vandenys, ligų sukėlėjai kelia pavojų žmonių ir gyvūnijos sveikatai,

atsiranda šiltnamio efektas, yrant atliekoms išsiskiria blogi kvapai.

Apdorojant organines atliekas bioreaktoriuose, ir sprendžiamos ekologinės problemos, ir

gaunama energijos (biodujų). Ir nors didelių gabaritų bioreaktorių sistemos yra gerai žinomos ir

ištobulintos, efektyvių mažo našumo įrenginių, skirtų nedideliems ūkiams ir maisto pramonės

įmonėms, rinkoje nėra. Tai paskatino atlikti išsamius tyrimus siekiant sukurti tokio mažų gabaritų

bioreaktorių.

Bendri „Eureka“ projekto tikslai ir uždaviniai už 2008/2012 metus:

Projekto tikslas – sukurti organinių atliekų perdirbimo įrenginį, kuris skirtas smulkiems ūkiams ir

maisto gamybos ar perdirbimo įmonėms.

Projekto uždaviniai:

1. Gauti naujų žinių apie biodujų kiekį ir sudėtį bei perdirbtos biomasės tinkamumą dirvožemiui

tręšti skirtingą biomasę perdirbant mažų gabaritų bioreaktoriuose:

1.1. Nustatyti išsiskiriančių biodujų kiekį naudojant skirtingas organines atliekas ir jų

mišinius;

1.2. Nustatyti išsiskiriančių biodujų sudėtį naudojant skirtingas organines atliekas ir jų

mišinius;

1.3. Nustatyti bioreaktorių optimalius parametrus;

1.4. Nustatyti optimalią organinių atliekų mišinių sudėtį;

1.5. Ištirti perdirbtų organinių atliekų tinkamumą dirvožemiui tręšti.

2. Sukurti bioreaktoriaus bandomąjį pavyzdį.

3. Užtikrinti moksliškai pagrįsto bioreaktoriaus kūrimo rezultatų sklaidą.

Pareiškėjo tikslai ir uždaviniai „Eureka“ projekto etapo už 2011/2012 metus:

Pareiškėjo tikslas – atlikti gyvulininkystės, paukštininkystės ir daržo–sodo organinių atliekų

potencialo biodujoms gaminti tyrimus ir nustatyti jų tinkamumo galimybes dirvožemiui tręšti.

Projekto uždaviniai:

1.1. Nustatyti išsiskiriančių biodujų kiekį ir sudėtį naudojant gyvulininkystės ir daržo–sodo

atliekų mišinius;

1.2. Nustatyti išsiskiriančių biodujų kiekį ir sudėtį naudojant paukštininkystės ir daržo–sodo

atliekų mišinius;

1.3. Ištirti aukščiau paminėtų perdirbtų organinių atliekų mišinių tinkamumą dirvožemiui

tręšti;

1.4. Organinių atliekų perdirbimo įrenginio (bioreaktoriaus) efektyvumo bei būtinų sąlygų

užtikrinimo ir palaikymo tyrimai;

1.5. Bioreaktoriaus testavimas (dujų ir metano kiekio tyrimai) įrenginyje palaikant

optimalias veikimo sąlygas.

8

1. PROJEKTO KOORDINATORIAUS IR KIEKVIENO PROJEKTO

PARTNERIO INDĖLIS

Projekto koordinatorius Vilniaus Gedimino technikos universiteto Aplinkos apsaugos institutas

atliko dalį organinių atliekų perdirbimo įrenginių, jų efektyvumo ir tobulinimo bei įrenginiuose

naudojamų organinių atliekų ir jų mišinių panaudojimo biodujų gamybai tyrimų. Projekto metu

buvo atliekami šie tyrimai:

Gyvulininkystės ir paukštininkystės ūkinės veiklos organinių atliekų tyrimai;

Maisto pramonės (skerdyklų, mėsos gamybos) atliekų tyrimai;

Aukščiau minėtų organinių atliekų mišinių tyrimai;

Organinių atliekų perdirbimo įrenginio (bioreaktoriaus) efektyvumo bei būtinų sąlygų

užtikrinimo ir palaikymo tyrimai;

Perdirbtų (aukščiau minėtų) organinių atliekų tinkamumo dirvožemiui tręšti tyrimai

(bendrasis fosforas, bendrasis azotas, bendroji anglis, patogeniniai organizmai);

Bioreaktoriaus prototipe išsiskiriančių dujų ir metano kiekio tyrimai.

Užsienio projekto mokslo partneris Ukrainos Nacionalinės mokslų akademijos Inžinerinės

termofizikos instituto Bioenergijos termofizikos problemų katedra (Ukraina) atliko dalį organinių

atliekų perdirbimo įrenginių, jų efektyvumo ir tobulinimo bei įrenginiuose naudojamų organinių

atliekų ir jų mišinių panaudojimo biodujų gamybai tyrimų. Projekto metu buvo atliekami šie

tyrimai:

Galvininkystės ūkinės veiklos organinių atliekų tyrimai;

Sodo ir daržo žaliųjų atliekų tyrimai;

Aukščiau minėtų organinių atliekų mišinių tyrimai;

Perdirbtų (aukščiau minėtų) organinių atliekų tinkamumo dirvožemiui tręšti tyrimai

(bendrasis fosforas, bendrasis azotas, bendroji anglis, patogeniniai organizmai).

Užsienio projekto gamybos partneris Mokslinis inžinerinis centras “Biomasė” (Ukraina)

suprojektavo ir ištestavo dalį laboratorinio bioreaktoriaus mazgų – maišymo sistemas, organinių

atliekų padavimo sistemos mazgus:

Biomasės paruošimo ir darbinio maišymo maišyklės;

Paruoštos biomasės paėmimo ir tiekimo į darbinį reaktorių mazgai.

Lietuvos projekto gamybos partneris UAB „Senasis Akvedukas“ bendradarbiaujant su mokslo

partneriais atliko dalį organinių atliekų ir jų mišinių panaudojimo biodujų gamybai tyrimų,

suprojektavo ir ištestavo organinių atliekų perdirbimo įrenginio korpusą ir dalį mazgų ir valdymo

sistemą bei surinko visą bioreaktoriaus prototipą. Projekto metu buvo atliekami šie darbai:

Organinių atliekų ir jų mišinių panaudojimo biodujų gamybai tyrimai;

Korpuso konstrukcinių sprendimų, šildymo sistemos įtakos dujų išeigai ir metano kiekiui

jose tyrimai;

Korpuso projektavimas ir atsparumo testavimas;

Apšiltinimo sistemos parinkimas ir pritaikymas;

Šildymo ir maišymo sistemų projektavimas ir testavimas;

Valdymo sistemos (kompiuterinis visų parametrų valdymas) projektavimas ir testavimas bei

įdiegimas.

9

2. PAGRINDINIŲ EKSPERIMENTINIŲ TYRIMŲ ATLIKIMO METODIKA

IR GAUTI REZULTATAI

2.1. EKSPERIMENTINIŲ TYRIMŲ ATLIKIMO METODIKOS

Organinių atliekų ir jų mišinių panaudojimo biodujų gamybai ir tinkamumo dirvožemiui tręšti

tyrimai buvo atliekami naudojant periodinio veikimo laboratorinius bioreaktorius.

Viso projekto metu VGTU Aplinkos apsaugos instituto mokslininkai atliko skirtingų

organinių atliekų ir jų mišinių biodujų kiekio ir sudėties bei anaerobiniu būdu perdirbtų atliekų

tinkamumo dirvožemiui tręšti tyrimus. Nuo projekto pradžios iki paskutinio projekto etapo (2011

m. liepos) buvo atlikti tyrimai su šiomis organinėmis atliekomis: kiaulių mėšlu, vištų mėšlu, mėsos

atliekomis, kiaulių mėšlo ir mėsos atliekų bei vištų mėšlo ir mėsos atliekų mišiniais. Paskutinio

etapo metu (nuo 2011 m. liepos iki 2012 m. rugpjūčio) buvo atliekami tyrimai naudojant šias

organines atliekas: kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekas (3 skirtingi mišinių santykiai), vištų mėšlo ir

sodo-daržo atliekas (3 skirtingi mišinių santykiai), kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekas santykiu

90%:10% prie 3-jų skirtingų temperatūrų. Taip pat tyrimai buvo atliekami naudojant bioreaktoriaus

prototipą su kuriuo biodujų kiekio ir sudėties tyrimai buvo atlikti naudojant šiuos atliekų mišinius:

pieno perdirbimo atliekas (100 %), vištų mėšlo, vaisių ir daržovių atliekas (50%:25%:25%), kiaulių

mėšlo ir mėsos atliekas (90%:10%), karvių mėšlo ir sodo-daržo atliekas (90%:10%). Priklausomai

nuo substrato sudėties, eksperimentinių tyrimų trukmė su kiekvienu substratu truko nuo 15 iki 46

parų. Tyrimų metu kiekvieną dieną (3 kartus dienoje) buvo matuojami šie parametrai: biodujų

kiekis, biodujose esančių komponentų (metano, sieros vandenilio, deguonies) koncentracijos bei

substrato pH. Siekiant nustatyti substratų tinkamumą dirvožemiui tręšti buvo nustatytos bendrojo

azoto, fosforo, bendrosios organinės anglies, sunkiųjų metalų (Pb, Zn, Mn, Cu, Ni, Cr)

koncentracijos. Siekiant gauti didesnį rezultatų patikimumą tyrimai buvo kartojami tris kartus.

Remiantis tyrimų rezultatais gautos tirtų parametrų priklausomybės nuo eksperimento laiko,

leidžiančios daryti išvadas apie substratų tinkamumą biodujoms išgauti, dirvožemiui tręšti bei

optimaliems bioreaktoriaus darbo parametrams nustatyti.

Tyrimų metodika ir pagrindiniai rezultatai pateikti ataskaitos 2.1.1, 2.2.1, 2.2.2, 2.3.1, 2.3.2,

2.3.3, 2.4 skyriuose, bioreaktoriaus prototipo tyrimų metodika ir rezultatai pateikti ataskaitos 2.1.3,

2.5 skyriuose. Išsamesnė informacija apie tyrimuose taikomus metodus bei gautus rezultatus

pateikta 1-4 prieduose.

2.1.1. BIODUJŲ KIEKIO IR SUDĖTIES TYRIMŲ METODIKA, NAUDOJANT

PERIODINIO VEIKIMO LABORATORINĮ BIOREAKTORIŲ

Tyrimai buvo atliekami VGTU Aplinkos apsaugos instituto laboratorijoje 2011/2012 m. etapo

metu. Į periodinio veikimo laboratorinį bioreaktorių (žr. 1 pav.), kurio tūris 5 L, per biomasės

tiekimo angą užpildomas biologiškai skaidžiomis atliekomis ir jų mišiniais, kurie nurodyti žemiau.

Bioreaktoriuje sukuriamos anaerobinės sąlygos.

Bioreaktorius veikė mezofiliniu režimu. Jame buvo palaikoma numatyta temperatūra.

Viso eksperimento metu kasdien buvo stebimas biodujų kiekio išsiskyrimas, metano, sieros

vandenilio ir deguonies koncentracijos ir jų kitimas, eksperimento pradžioje ir jo pabaigoje

matuotas substrato pH.

Bioreaktorius, jo pagrindiniai elementai ir veikimo principas:

Biomasės tiekimo ir šalinimo atvamzdžiai:

Į periodinio veikimo bioreaktorių biomasė buvo įkraunama per tam skirtą angą ir per tą pačią

angą buvo pašalinta eksperimentui pasibaigus.

10

Biomasės pašildymo įranga ir temperatūros daviklis:

Periodinio veikimo bioreaktoriai buvo įstatyti į specialų indą su vandenių, kurioje kaitinimo

elemento pagalba buvo palaikoma numatyta temperatūra. Jei temperatūra pakildavo ar sumažėdavo,

būdavo galima ją padidinti arba sumažinti, nes į vandenį buvo įmerktas temperatūros daviklis, kurio

pagalba galima žinoti esamą temperatūrą.

1 pav. Laboratorinio bioreaktoriaus stendo schema ir vaizdas:

1 – talpa su vandeniu, 2 – biomasės šildymo elementas, 3 – termometras, 4 – bioreaktorius,

5 – atvamzdis žarnai tvirtinti, 6 – lanksti žarnelė, 7 – talpa su vandeniu, 8 – dujų kaupimo talpa (PVC

vamzdis), 9 – ventilis, 10 – atvamzdis dujoms išeiti, 11 – lanksti žarnelė, 12 – trišakis, 13 – stalas, 14 – dujų

analizatorius.

Biomasės maišyklė ir biomasės maišyklės variklis

Šio tipo veikimo bioreaktoriuje nebuvo maišymo įrangos, nes bioreaktorius yra mažo tūrio ir

maišymas nėra būtinas. Tačiau kartas nuo karto substratas buvo sumaišomas rankiniu būdu.

Dujų kiekio matavimas

Dujų kiekiui nustatyti reikalinga 0,0045 m3 dujų kaupimo talpa, talpa su vandeniu,

atvamzdžiai žarnoms tvirtinti, žarnelės (žr. 1 pav.) ir liniuotė.

Dujų sudėties (metano, sieros vandenilio ir deguonies koncentracija) matavimas

Matavimai atliekami analizatoriumi INCA 4000, kuris pateikia metano, anglies dvideginio ir

deguonies kiekį %, o sieros vandenilio koncentraciją ppm.

2 pav. Dujų analizatorius INCA 4000

11

Prietaiso matavimo ribos: deguonis – 0-25 % (paklaida – ±1 %), sieros vandenilis – 0-100 ppm

(paklaida – ±5 %), metanas – 0-100 % (paklaida – ±1 %), anglies dvideginio – 0-100 (paklaida – ±1 %),.

Prietaiso darbo sąlygos: aplinkos temperatūra nuo –5 ºC iki +40 ºC, santykinis drėgnis iki 95 %.

pH nustatymas

pH nustatyti naudojamas pH-metras, (paklaida – ±0,01).

3 pav. pH-metras

Eksperimentiniams tyrimams buvo pasirinkti šie organinės kilmės atliekų mišiniai:

Kiaulių mėšlas 95 % ir sodo-daržo atliekos 5 %;

Kiaulių mėšlas 90 % ir sodo-daržo atliekos 10 %;

Kiaulių mėšlas 85 % ir sodo-daržo atliekos 15 %.

Vištų mėšlas 95 % ir sodo-daržo atliekos 5 %;

Vištų mėšlas 90 % ir sodo-daržo atliekos 10 %;

Vištų mėšlas 85 % ir sodo-daržo atliekos 15 %.

Kiaulių mėšlas 90 % ir sodo-daržo atliekos 10 % prie trijų skirtingų temperatūrų (25°C, 30°C

ir 35 °C).

Pagal pateiktus statistikos departamento duomenis kiaulių skaičius Lietuvoje nuo 2009 metų

turėjo didėjimo tendenciją, todėl galima teigti, kad didėja ir susidarančių atliekų kiekiai, kuriuos

reikia tvarkyti.

Kiaulių mėšlas eksperimentiniams tyrimams pasirinktas dėlto, kad jo kiekiai Lietuvoje sudaro

14 % viso susidarančio mėšlo kiekio ir pagal šį kiekį jis užima antrą vietą. Sodo-daržo atliekos, kaip

mišinio priemaišos, pasirinktos norint pagerinti mišinio C:N santykį nes biodujų gamyba yra

efektyviausia kai C:N santykis yra 25:1 (Lehtomäki ir kt. 2007; Alvarez it kt. 2008; Kanu 1988;

Garba ir kt. 1996) ir dar viena priežastis yra ta, kad šių atliekų kiekiai susidaro taip pat nemaži ir jų

yra paprasta ir nesunku gauti (surinkti) ir tuo pačiu jos nereikalauja papildomo apdirbimo jas

maišant su kitomis atliekomis.

Vištų mėšlas biodujų gamybai pasirinktos, nes jų kiekiai Lietuvoje susidaro taip pat nemaži ir

dar viena svarbi priežastis yra ta, kad po perdirbimo šias atliekas galima būtų panaudoti dirvožemio

tręšimui, nes vištų mėšlas priskiriamas prie penkių geriausių natūralių ir organinių trąšų.

2.1.2. PERDIRBTŲ SKIRTINGŲ ORGANINIŲ ATLIEKŲ RŪŠIŲ IR JŲ MIŠINIŲ

TINKAMUMO DIRVOŽEMIUI TRĘŠTI TYRIMŲ ATLIKIMO METODIKA

Tyrimai buvo atliekami VGTU Aplinkos apsaugos instituto laboratorijoje. Tyrimų tikslas,

nustatyti iš bioreaktoriaus pašalinamos perdirbtos biomasės tinkamumą dirvožemiui tręšti.

Laboratorinių tyrimų metu biomasė šalinama į talpą, kuri uždengiama dangčiu. Pašalinta biomasėse

talpoje permaišoma, ir paimamas kiekvienam nustatomam parametrui reikalingas biomasės kiekis.

Visiems tyrimams imami nemažiau kaip 5 mėginiai, tam, kad kuo tiksliau įvertintume tyrimų

parametrų vertes.

Bendrasis azotas nustatomas remiantis LAND 59:2003 (LST EN ISO 11905-1:2000

Vandens kokybė. Azoto nustatymas. 1 dalis. Oksidacinio mineralinimo peroksodisulfatu metodas

(ISO 11905-1:1997).).

12

Bendrasis fosforas nustatomas remiantis LAND 58:2003 (LST EN 1189:2000 Vandens

kokybė. Fosforo nustatymas. Spektrometrinis metodas, vartojant amonio molibdatą).

Bendroji organinė anglis (BOA) gali būti nustatyta remiantis BS EN 13137:2001 (Atliekų

apibūdinimas. Bendrosios organinės anglies (BOA) nustatymas atliekose, dumble ir nuosėdose)

standarte nurodyta metodika tiesioginiu metodu.

Sunkieji metalai nustatomi remiantis LST ISO 11047:2004 atominės absorbcinės

spektrometrijos metodu.

pH nustatoma potenciometriniu metodu, kuris yra standartizuotas. Matuojama remiantis

LST ISO 10523:1994.

2.1.3. BIODUJŲ KIEKIO IR SUDĖTIES TYRIMŲ METODIKA, NAUDOJANT

BIOREAKTORIAUS PROTOTIPĄ

Tyrimai buvo atliekami naudojant sukurtą bioreaktoriaus prototipą. Į bioreaktorių (žr. 4 pav.),

kurio tūris 0,7 m3, per biomasės tiekimo angą užpildomas biologiškai skaidžiomis atliekomis ir jų

mišiniais, kurie nurodyti žemiau. Bioreaktoriuje sukuriamos anaerobinės sąlygos.

Bioreaktorius veikė mezofiliniu režimu. Jame buvo palaikoma 35±1°C temperatūra.

Eksperimento trukmė – 15 dienų.

Viso eksperimento metu kasdien buvo stebimas biodujų kiekio išsiskyrimas, metano, sieros

vandenilio ir deguonies koncentracijos ir jų kitimas bei pH.

1. 0,7 m³ pagrindinis rezervuaras;

2. anga substrato įtekėjimui;

3. sklendė (reguliuojanti substrato

įtekėjimą);

4. anga substrato ištekėjimui;

5. sklendė (reguliuojanti substrato

ištekėjimą);

6. rezervuaro dangtis;

7. biodujų ištekėjimo anga;

8. atbulinis vožtuvas;

9. apsauginis vožtuvas;

10. temperatūros daviklis;

11. viršutinio lygio daviklis;

12. vidurinis lygio daviklis;

13. apatinio lygio daviklis;

14. maišyklė;

15. riebokšlis;

16. nugremžtuvas;

17. elektriniai kaitinimo elementai;

18. strypai plutos suardymui;

19. maišyklės variklis;

20. maišyklės ašis. 4 pav. Bioreaktoriaus prototipo (pagrindinio rezervuaro) schema

Bioreaktoriaus pagrindinius elementus sudaro: biomasės tiekimo ir šalinimo atvamzdžiai,

biomasės pašildymo įranga ir temperatūros daviklis, biomasės maišyklė ir biomasės maišyklės

variklis.

Biomasės tiekimo ir šalinimo atvamzdžiai:

Į bioreaktorių biomasė buvo įkraunama per biomasės padavimo angą, o pašalinama per

biomasės pašalinimo angą.

13

Biomasės pašildymo įranga ir temperatūros daviklis:

Bioreaktoriuje kaitinimo elemento pagalba buvo palaikoma 35±1°C temperatūra. Jei

temperatūra pakildavo ar sumažėdavo, būdavo galima ją padidinti arba sumažinti, nes

bioreaktoriuje buvo įmontuotas temperatūros daviklis, kurio pagalba galima žinoti esamą

temperatūrą.

Biomasės maišyklė ir biomasės maišyklės variklis

Biomasė bioreaktoriuje buvo maišoma nustatytu laiku ir tam tikrą laiką t.y. kas valandą po 10

minučių. Maišymas buvo vykdomas automatiškai nustačius maišymo režimą valdymo bloke.

Dujų kiekio matavimas

Dujų kiekiui nustatyti reikalinga dujų kaupimo talpa, talpa su vandeniu, atvamzdžiai žarnoms

tvirtinti, žarnelės ir liniuotė.

Dujų sudėties (metano, sieros vandenilio ir deguonies koncentracija) matavimas

Matavimai atliekami analizatoriumi INCA 4000, tokiu pat kaip ir prieš tai pateiktoje

metodikoje.

pH nustatymas

pH nustatyti naudojamas pH-metras, (paklaida – ±0,01). pH buvo nustatomas tokiu pat

principu, kaip prieš tai pateiktoje metodikoje.

Eksperimentiniams tyrimams buvo pasirinkti šios organinės atliekos ir jų mišiniai:

Pieno perdirbimo atliekos (100 %);

Vištų mėšlas, vaisių ir daržovių atliekos (50%:25%:25%);

Kiaulių mėšlas ir mėsos atliekos (90%:10%);

Karvių mėšlas ir sodo-daržo atliekos (90%:10%).

Šių mišinių tyrimus atliko VGTU Aplinkos apsaugos instituto mokslininkai.

2.2. BIODUJŲ KIEKIO IR SUDĖTIES LABORATORINIŲ TYRIMŲ

REZULTATAI

Tyrimų pagrindu, bendradarbiaujant Lietuvos ir Ukrainos partneriams, sukurtas ir

pagamintas organinių atliekų perdirbimo įrenginio prototipas, kuris ištestuotas, nustatyti

pagrindiniai bioreaktoriaus darbo parametrai.

Projekto metu buvo atlikti nauji ir išsamūs tyrimai, siekiant nustatyti: 1) iš įvairių organinių

atliekų rūšių ir jų mišinių išsiskiriančių biodujų išeigą ir sudėtį, 2) optimalius organinių atliekų

mišinius, kuriems esant pasiekiami geriausi biodujų išeigos ir sudėties (metano koncentracijos)

rezultatai; 3) būtinas sąlygas mažų gabaritų bioreaktoriaus veikimui; 4) perdirbtos biomasės

tinkamumą toliau naudoti (dirvožemiui tręšti). Pagrindiniai tyrimų rezultatai pateikti 2.2.1, 2.2.2,

2.3.1, 2.3.2, 2.3.3, 2.4 skyriuose.

Atlikus tyrimus, buvo pagamintas ir išbandytas bandomasis bioreaktoriaus prototipas. Tyrimų

rezultatai pateikti 2.5 skyriuje.

2.2.1. TYRIMŲ REZULTATAI ANAEROBIŠKAI PERIODINIAME BIOREAKTORIUJE

PERDIRBUS KIAULIŲ MĖŠLĄ IR SODO-DARŽO ATLIEKŲ MIŠINIUS SKIRTINGAIS

SANTYKIAIS

Ištyrus tris organinių atliekų mišinius (kiaulių mėšlas 95 % ir sodo-daržo atliekos 5 %; kiaulių

mėšlas 90 % ir sodo-daržo atliekos 10 %; kiaulių mėšlas 85 % ir sodo-daržo atliekos 15 %)

eksperimentinių tyrimų rezultatai pateikti tik vieno geriausio tyrimo t.y. kiaulių mėšlas 85 % ir

sodo-daržo atliekos 15 %. Grafike pateikti 2 svarbiausi siektini elementai – biodujų kiekis ir metano

koncentracija.

14

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46

Eksperimento laikas, d

Bio

du

jų iše

iga

, m

3/m

3d

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Meta

no

ko

ncen

tra

cij

a,

%

Biodujų kiekis Metanas

5 pav. Metano (CH4) (%) koncentracija dujose ir jų kiekis (m³/m³d), anaerobiškai skaidant kiaulių mėšlo 85

% ir sodo- daržo atliekų 15 % mišinį bioreaktoriuje

Perdirbant kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinį santykiu 85%:15% eksperimento

pradžioje stebimas staigus biodujų kiekio išsiskyrimas nuo 1 iki 4 eksperimento dienos (5 pav.).

Biodujų kiekis nuo eksperimento pradžios iki 4 dienos padidėjo nuo 0,035 m³/m³d iki 0,697

m³/m³d. Po šios dienos stebimas biodujų kiekio kritimas, kuris tęsėsi iki 11 eksperimento dienos.

Vėliau vėl stebimas biodujų išeigos didėjimas iki 24 dienos, kuris siekė 0,784 m³/m³d. Šis biodujų

išsiskyrimas buvo stabilus 3 dienas ir per visą eksperimento laikotarpį biodujų išeiga šiomis

dienomis buvo pasiekusi didžiausią piką. Vėliau nuo 26 eksperimento dienos iki eksperimento

pabaigos biodujų kiekis mažėjo ir pabaigoje pasiekė 0,139 m³/m³d ribą.

Metano koncentracija biodujose taip pat turėjo staigų pakilimą per pirmąsias eksperimento

dienas, kuri per 10 eksperimento dienų pakilo virš 50 %. 12 dieną metano koncentracija

stabilizavosi ir visą laikotarpį išliko beveik pastovi ir siekė vidutiniškai 61 %. Tokią metano

koncentracijas turinčios biodujos galėtų būti laikomos vertingu kuru.

Palyginimui pateikiami visų trijų eksperimentų gauti duomenys (rezultatuose yra pateiktas

gautų eksperimentinių duomenų vidurkis).

0,39

54,4

0,311

52

0,413

56,3

0

10

20

30

40

50

60


Bio

du

jų k

iekis

m3/m

3d

, m

eta

no

(%

) ko

ncen

tracija

KMSDA (95%:5%) KMSDA (90%:10%) KMSDA (85%:15%)

6 pav. Biodujų kiekis (m3/m3d), metano (%) koncentracija anaerobiškai perdirbant organinių atliekų mišinius

Iš 6 paveikslo matyti, kad didžiausias išsiskyręs biodujų kiekis iš tirtų trijų substratų mišinių

buvo anaerobiškai perdirbant kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekas santykiu 85%:15% ir jis siekė

0,413 m3/m3d. Didžiausias vidutinis metano kiekis išsiskyrė biologiškai skaidantis taip pat KMSDA

atliekų mišiniui santykiu 95%:5% ir biodujose šis kiekis sudarė 56,3 %.

15

2.2.2. TYRIMŲ REZULTATAI ANAEROBIŠKAI PERIODINIAME BIOREAKTORIUJE

PERDIRBUS VIŠTŲ MĖŠLĄ IR SODO-DARŽO ATLIEKŲ MIŠINIUS SKIRTINGAIS

SANTYKIAIS

Ištyrus tris organinių atliekų mišinius (vištų mėšlas 95 % ir sodo-daržo atliekos 5 %; vištų

mėšlas 90 % ir sodo-daržo atliekos 10 %; vištų mėšlas 85 % ir sodo-daržo atliekos 15 %)

eksperimentinių tyrimų rezultatai pateikti tik vieno geriausio tyrimo t.y. vištų mėšlas 85 % ir sodo-

daržo atliekos 15 %. Grafike pateikti 2 svarbiausi siektini elementai – biodujų kiekis ir metano

koncentracija.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25


Bio

du

jų iše

iga

, m

3/m

3d

0

10

20

30

40

50

60

Meta

no

ko

ncen

tra

cij

a,

%


7 pav. Metano (CH4) (%) koncentracija dujose ir jų kiekis (m³/m³d), anaerobiškai skaidant vištų mėšlo 85 %

ir sodo-daržo atliekų 15 % mišinį bioreaktoriuje

7 paveiksle pateikta gauti tyrimų rezultatai anaerobiškai perdirbus vištų mėšlo ir sodo-daržo

atliekas bioreaktoriuje (santykiu 85 %:15 %). Biologiškai skaidantis vištų mėšlui (VM) ir sodo-

daržo atliekoms (SDA) (santykis 19:1) išsiskyrusių dujų kiekis – staigiai didėjo, o pasiekus

maksimalią reikšmę palaipsniui iki eksperimento pabaigos mažėjo. Eksperimento pradžioje

biodujų buvo 0,105 m3/m3d, iki 4 eksperimento dienos pasiekė 1,132 m3/m3d. Toliau išsiskyrusių

dujų kiekis pradėjo mažėti ir eksperimento pabaigoje siekė 0,105 m3/m3d (7 pav.).

0,489 0,39 0,463

25,526,7

29,5

0

5

10

15

20

25

30

35


Bio

du

jų k

iekis

m3/m

3d

, m

eta

no

(%

) ko

ncen

tracija VMSDA (95%:5%) VMSDA (90%:10%) VMSDA (85%:15%)

8 pav. Bioduju kiekis (m3/m3d), metano (%) ir sieros vandenilio (ppm) koncentracija anaerobiškai perdirbant

organinių atliekų mišinius

16

Atliekant šį eksperimentą pastebima ta pati tendencija kaip ir ankstesniais atvejais, kad

biodujų kiekis pasiekęs maksimumą pradeda palaipsniui mažėti, o tokį mažėjimas galimas dėl

maistinių medžiagų trūkumo.

Žemiau pateikiami visų trijų eksperimentų gauti rezultatai tik išvestos vidutinės reikšmės.

Iš 8 paveikslo matyti, kad didžiausias išsiskyręs biodujų kiekis iš tirtų trijų substratų mišinių

buvo anaerobiškai perdirbant vištų mėšlo ir sodo-daržo atliekas santykiu 95%:5% ir jis siekė 0,489

m3/m3d. Tačiau žvelgiant į metano koncentraciją šiose biodujose ji buvo mažiausia ir metanas

sudarė tik 25,5 % biodujų kiekio. Didžiausias vidutinis metano kiekis išsiskyrė biologiškai

skaidantis VMSDA atliekų mišiniui santykiu 85%:15% ir biodujose šis kiekis sudarė 29,5 %.

2.3. LABORATORINIUOSE BIOREAKTORIUOSE PERDIRBTŲ ORGANINIŲ

ATLIEKŲ TINKAMUMO DIRVOŽEMIUI TRĘŠTI TYRIMŲ REZULTATAI

Tinkamumo dirvožemiui tręšti eksperimentiniai tyrimai buvo atlikti su 6 perdirbtų

periodiniame bioreaktoriuje organinių atliekų mišiniais. Tirti šie atliekų mišiniai ir parametrai:

Perdirbtų organinių atliekų mišiniai:

Kiaulių mėšlas 95 % su sodo-daržo atliekomis 5 %;



Vištų mėšlas 95 % su sodo-daržo atliekomis 5 %;

Vištų mėšlas 90 % su sodo-daržo atliekomis 10 %;

Vištų mėšlas 85 % su sodo-daržo atliekomis 15 %.

Tirti parametrai: bendras fosforas; bendras azotas; bendroji organinė anglis; sunkieji metalai

(chromas, cinkas, manganas, švinas, varis ir nikelis); pH prieš ir po perdirbimo.

2.3.1. BENDROJO FOSFORO, AZOTO IR BENDROSIOS ORGANINĖS ANGLIES

KIEKIAI PERDIRBTUOSE ORGANINIŲ ATLIEKŲ MIŠINIUOSE

Pateiktas vienas geriausias mišinys ir tirtų kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinių ir

vienas iš vištų mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinių.

Ištyrus tris anaerobiškai perdirtus organinių atliekų mišinius buvo nustatyta, kad daugiausiai

fosforo yra perdirbtame kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinyje santykiu 85 %:15 %. Kituose

organinių atliekų mišiniuose fosforo kiekis buvo mažesnis atitinkamai KMSDA (95 %:5 %) 42 % ir

KMSDA (90 %:10 %) 87 %, azoto kiekis šiose atliekose siekė 53 mg/L.

334

390

74

586,67

53

641,67

0

100

200

300

400

500

600

700

Fosforas (P) Azotas (N) Bendroji anglisBed

rojo

azo

to,

fosfo

ro (

mg

/L)

ir b

en

do

sio

s

org

an

inės a

ng

lies (

g/k

g)

kie

kis

Kiaulių mėšlas 85 % su sodo-daržo atliekomis 15 %

Vištų mėšlas 85 % su sodo-daržo atliekomis 15 %

9 pav. Bendrojo azoto, fosforo ir organinės anglies kiekiai perdirbtame KMSDA (85 %:15 %) ir VMSDA

(85 %:15 %) atliekų mišinyje

17

KMSDA mišinyje (85 %:15 %) esantį didesnį kiekį fosforo ir azoto galėjo įtakoti didesnis

substrate esantis žaliųjų atliekų kiekis. Taip pat įtakos galėjo turėti ir naudojamų pašarų sudėtis,

prieš anaerobinį perdirbimą laikomo mėšlo būdas, nes jei mėšlas laikomas atvirai vyksta

išgaravimas, kurio metu azoto nuostoliai gali būti 15–60 proc., o skysto mėšlo – net iki 80 proc.

Azoto nuostoliai (išgaruojant) iškračius mėšlą, priklauso nuo laiko.

Iš ištirtų vištų mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinių galima išskirti tokį pat santykį turintį mišinį

t.y. 85%:15%. Šiuo atveju bendrasis fosforo kiekis siekė 390 mg/L, o azotas 74 mg/L (9 pav.)

Mėšle yra įvairių augalams reikalingų makro ir mikroelementų. Jų kiekis priklauso nuo

gyvulių ir paukščių rūšies, šėrimo raciono, kraiko rūšies bei kiekio. Kuo pašaras yra labiau

koncentruotas, tuo daugiau į mėšlą patenka fosforo ir azoto. Kietosios ir skystosios išmatų dalies

cheminė sudėtis, taip pat jų tręšiamoji vertė yra nevienoda. Beveik visas fosforas, pusė kiekio azoto

yra kietose išmatose, o skystose – beveik visas kalis ir nuo pusės iki dviejų trečdalių azoto.

Bendrosios organinės anglies kiekiai skyrėsi nedaug KMSDA mišinyje buvo 641,67 g/kg, o

VMSDA mišinyje 55 g/kg mažiau. Kuo didesnis BOA kiekis perdirbtose organinėse atliekose tuo

jos yra geresnė ir vertingesnė trąša.

2.3.2. SUNKIŲJŲ METALŲ KIEKIAI PERDIRBTUOSE ORGANINIŲ ATLIEKŲ

MIŠINIUOSE

Labai svarbi yra sunkiųjų metalų koncentracija perdirtose atliekose, nes vykstant metalų

migracijai jie patekę su perdirbtu substratu į dirvožemį gali patekti į augalus, o iš augalų į gyvūnų ar

žmogaus organizmą ir sukelti neigiamą poveikį.

0,12

0,2

0,55

0,09

0,02

0,1

0,02

0,114 0,11 0,123

0,265

0,055

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Cr Zn Mn Pb Cu Ni

Siu

nkių

jų m

eta

lų k

iekis

, (m

g/L

)



10 pav. Sunkiųjų metalų kiekiai perdirbtame KMSDA (85 %:15 %) ir VMSDA (85 %:15 %) atliekų

mišinyje

Daugiausia ir viename ir kitame atliekų mišinyje buvo aptikta mangano (Mn), o mažiausiai

vario (Cu). Kitų sunkiųjų metalų kiekis neviršijo 0,2 mg/L (10 pav.). Sunkiųjų metalų kiekis

biomasėje po anaerobinio perdirbimo buvo nedidelis, nustatytų normų neviršijo.

2.3.3. pH PERDIRBTUOSE ORGANINIŲ ATLIEKŲ MIŠINIUOSE

Atlikti pH nustatymo tyrimai rodo, kad pH rodiklis prieš atliekų perdirbimą KMSDA

mišinyje siekė 6,4, o VMSDA mišinyje 6,22. Šiuo atveju esant tokiam pH rodikliui šias atliekas

butų galima ir neperdirbus naudoti dirvožemio tręšimui. Po anaerobinio perdirbimo pH rodiklis

kiekvienu tirtu atveju padidėjo. Po anaerobinio perdirbimo KMSDA mišinyje pH siekė 7,1, o

VMSDA atliekų mišinyje 6,92 (11 pav.).

18

6,4

6,22

7,16,92

5,6

5,8

6

6,2

6,4

6,6

6,8

7

7,2

pH prieš perdirbimą pH po perdirbimo

pH



11 pav. pH perdirbtuose KMSDA (85 %:15 %) ir VMSDA (85 %:15 %) atliekų mišiniuose

Atsižvelgiant į LAND 20-2005 reikalavimus, kuriuose nustatyta, kad pH vertė turi būti

didesnė nei 5,5 tam, kad būtų galima atliekas naudoti dirvožemio tręšimui, tokiu atveju vertinant

perdirbtus atliekų mišinius pagal pH rodiklį visas šias perdirbtas atliekas būtų galima naudoti

dirvožemio tręšti.

2.4. BIODUJŲ KIEKIS ANAEROBIŠKAI PERIODINIAME BIOREAKTORIUJE

PERDIRBUS KIAULIŲ MĖŠLO IR SODO-DARŽO ATLIEKŲ MIŠINĮ (SANTYKIU

90%:10%) 25ºC, 30ºC IR 35ºC TEMPERATŪROJE

Atlikti 3 eksperimentiniai tyrimai naudojant bioskaidžių atliekų mišinį kiaulių mėšlą

sumaišyta su sodo-daržo atliekomis santykiu 9:1 ir jį perdirbant trijuose skirtinguose temperatūrose

t.y. 25ºC, 30ºC ir 35ºC. Toks atliekų mišinys buvo pasirinktas todėl, kad ankstesnių tyrimu metu iš

šio mišinio buvo gauta didžiausia biodujų ir metano išeiga.

Bioreaktoriuje perdirbant KMSDA mišinį pastebimas staigus biodujų kiekio didėjimas jau

nuo 1 eksperimento dienos. Iki 6 eksperimento dienos biodujų išsiskyrimas skaidant atliekų mišinį

trijuose skirtinguose temperatūrose buvo beveik vienodas ir siekė vidutiniškai 0,272 m3/m3d-1. Tokį

staigų biodujų kiekio didėjimą darant prielaidą galima paaiškinti tuo, kad kiaulių ir sodo -daržo

atliekose yra dideli kiekiai angliavandenių, kurie skaidosi greičiau ir lengviau nei baltymai ar

riebalai. Kiaulių mėšlo sausoje masėje angliavandenių kiekis gali svyruoti nuo 31,1 iki 53,8 %, o

sodo-daržo atliekose nuo 54,9 iki 79,3 % (Savickas ir Vrubliauskas 1997).

Eksperimentui tęsiantis biodujų kiekis ir toliau didėjo iki 12 dienos kai substratas

perdirbamas 25ºC temperatūroje. Biodujų kiekis siekė 0,424 m3/m3d-1. Substratą perdirbant 30ºC

temperatūroje biodujų kiekio didėjimas stebimas iki 26 eksperimento dienos ir siekė 0,469 m3/m3d-

1, prie 35ºC didėjimas fiksuojamas iki 28 dienos ir nustatytas biodujų kiekis buvo 0,482 m3/m3d-1.

Tačiau nuo 12 eksperimento dienos biodujų gamybą sulėtėja, nes iki šios dienos suskaidoma

didžioji dalis angliavandenių ir mikroorganizmai pradedama intensyviau skaidyti baltymus ir

riebalus, tačiau jų skaidymas vyksta lėtesnis.

Pagrindiniai cheminiai elementai, iš kurių sudaryti mikroorganizmai yra anglis (C),

vandenilis (H2), deguonis (O2) ir azotas (N2). Pavyzdžiui, anglis sudaro apie 50 % mikroorganizmų

sausosios masės. Kad biodegradacijos procesas vyktų gerai, būtina, kad bioreaktoriuje būtų

reikalingų maistinių medžiagų bakterijoms. Tai tokie cheminiai elementai kaip anglis, azotas,

fosforas ir siera.

Todėl galima teigti, kad mažėjant šių maistinių medžiagų kiekiui substrate mažėja ir biodujų

gamyba, tai matyti iš mūsų atliktų tyrimų.

19

R2 = 0,9268

R2 = 0,8987

R2 = 0,7683

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46


Bio

du

jų k

iekis

, m

3/m

3d

25ºC

30ºC

35ºC

12 pav. Biojųjų kiekis (m3/m3d-1) anaerobiškai skaidant kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinį santykiu

9:1 25ºC, 30ºC ir 35ºC temperatūroje

Substratą perdirbant 25ºC temperatūroje biodujų kiekis palaipsniui mažėjo iki 23

eksperimento dienos ir jo kiekis siekė 0,223 m3/m3d-1. Tačiau po šios dienos pastebėtas staigus

biodujų kiekio padidėjimas, kuris tęsėsi 6 dienas ir vidutinis biodujų kiekis siekė 0,337 m3/m3d-1. 30

dieną biodujų kiekis nukrito iki tos pačios ribos kaip ir 23 eksperimento diena 0,223 m3/m3d-1. Toks

staigus biodujų kiekio padidėjimas ir sumažėjimas gali būti siejamas su susikaupusių lakiųjų riebalų

rūgščių staigiu suskaidymu metanogenezės proceso metu. Po 32 dienos užfiksuotas staigesnis

biodujų kiekio sumažėjas, tačiau vėliau iki eksperimento pabaigos biodujų kiekis mažėjo

palaipsniui ir pabaigoje siekė 0,089 m3/m3d-1 (12 pav.).

Kaip jau buvo minėta biodujų kiekio išsiskyrimas palaikant 35ºC temperatūrinį režimą

turėjo didėjimo tendenciją iki 28 eksperimento dienos. Vėliau biodujų išsikyrimas įgavo mažėjimo

tendenciją ir iki eksperimento pabaigos mažėjo palaipsniui ir pabaigoje siekė 0,08 m3/m3d-1 (12

pav.) Mažėjimas siejamas su angliavandenių, baltymų ir riebalų mažėjimu substrate.

Alvarez et al. (2008), kuris perdirbdamas karvių ir avių mėšlo mišinius 25 ir 35ºC

temperatūroje gavo, kad perdirbant tokį atliekų mišinį 35ºC temperatūroje išgaunama 30 % daugiau

biodujų.

Uzodima et al. (2007) perdirbo 25ºC, 30ºC, 35ºC ir 40ºC temperatūroje kiaulių mėšlo ir

nuotekų dumblo atliekų mišinį santykiu 2:3. Perdirbant substratą 30ºC temperatūroje biodujų kiekis

gaunamas 1,7 karto didesnis, 35ºC temperatūroje 7 kartus.

Palyginus mūsų duomenis su prieš tai paminėtų autorių duomenimis biodujų kiekio kitimo

tendencija nuo temperatūros buvo beveik panaši.

Analizuojant metano susidarymo priklausomybę nuo temperatūros režimo pastebima didėjimo

tendencija. Jau pirmosiomis eksperimento dienomis metano koncentracija svyruoja nuo 12 iki 20 %.

Didžiausios metano koncentracijos visų trijų eksperimentų metu užfiksuotos 24, 29 ir 22 dienomis

atitinkamai prie 25ºC, 30ºC ir 35ºC temperatūrų (13 pav.).

Metano koncentracija biodujose KMSDA mišinį perdirbant 25ºC temperatūroje didėjo iki 24

eksperimento dienos ir šią dieną sudarė 60,9 %. Metano didėjimas kas diena buvo fiksuojamas nuo

1,01 iki 1,17 karto didesnis, nei prieš tai esančią dieną. Tačiau po 24 dienos metano koncentracija

biodujose mažėjo iki eksperimento pabaigos ir siekė 30,2 % (13 pav.) Metano kiekio mažėjimas

galimas dėl substrate sumažėjusios anglies ir azoto, nes anglis reikalinga kaip elementas, kuris kartu

su vandeniliu sudaro metano dujas. Azotas reikalingas baltymų gamybai. Jei jo nebus pakankamai,

bakterijos nesugebės suskaidyti visos anglies ir metano išsiskyrimas bus labai mažas (Savickas ir

Vrubliauskas 1997).

Bioskaidžių atliekų mišinį anaerobiškai skaidant 30ºC temperatūroje didžiausia metano

koncentracija buvo užfiksuota 29 dieną ir siekė 69,8 %. Iki 21 eksperimento dienos metano

20

koncentracija palaipsniui didėjo, vėliau tęsiantis tyrimui metano koncentracija biodujose

stabilizavosi ir iki eksperimento pabaigos svyravo ribose nuo 66,5 iki 69,8 %.

R2 = 0,9495

R2 = 0,9673

R2 = 0,9553

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46


Meta

no

ko

ncen

tracij

a,

%

25ºC

30ºC

35ºC

13 pav. Metano (%) koncentracija anaerobiškai skaidant kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinį santykiu

9:1 25ºC, 30ºC ir 35ºC temperatūroje

Chae et al. (2008) perdirbdami vien tik kiaulių mėšlą pastebėjo, kad jį perdirbant 30ºC

temperatūroje vidutinė metano koncentracija gaunama 53,6 %, o 25ºC temperatūroje – 49,3 %, t.y.

skirtumas 4,3 %.

Mūsų atveju palyginus vidutinę metano koncentraciją prie 25ºC ir 30 ºC temperatūrų

gauname, kad prie 30ºC vidutinė metano koncentracija yra 14,3 % didesnė.

Tiriant metano išsiskyrimą prie 35ºC temperatūros pastebima ta pati didėjimo ir

stabilizavimosi tendencija kaip ir prie 30ºC temperatūros. Didžiausia metano koncentracija 71,9 %

nustatyta 22 eksperimento dieną, o stabilus metano išsikyrimas galima teigti buvo nuo 23 dienos iki

eksperimento pabaigos ir vidutinė koncentracija buvo 65,7 % (13 pav.) Todėl gavus tokius

rezultatus galima teigti, kad metanogeninių bakterijų darbas buvo gerai subalansuotas.

Eksperimentinių rezultatų apibendrinimas

Biodujų kiekis ir galimas pasigaminti elektros ir šilumos energijos kiekis sudeginus

pagamintas biodujas pateikti 14 paveiksle.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

En

erg

ijo

s k

iekis

kW

h/d

Biodujų kiekis

Elektros energija

Šilumos energija

Biodujų kiekis 0,214 0,294 0,324

Elektros energija 0,428 0,588 0,649

Šilumos energija 0,728 0,999 1,103

25ºC 30ºC 35ºC

14 pav. Vidutinis biodujų kiekis (m3/m3d-1) ir metano (%) koncentracija anaerobiškai skaidant kiaulių

mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinį santykiu 9:1 25ºC, 30ºC ir 35ºC temperatūroje ir galimas gauti šilumos ir

elektros energijos kiekis (kWh/d) sudeginus išgautas biodujas

21

Kaip matyti iš 14 paveikslo didžiausias vidutinis išsiskyręs biodujų kiekis skaidant kiaulių

mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinį santykiu 9:1 yra prie 35ºC temperatūros ir siekė 0,324 m3/m3d-1

(14 pav.) Skaidant šį atliekų mišinį prie kitų temperatūrų biodujų kiekis buvo mažesnis atitinkamai

prie 30ºC – 0,294 m3/m3d-1 ir prie 25ºC – 0,214 m3/m3d-1, o vidutinės metano koncentracijos siekė

atitinkamai prie 25ºC, 30ºC ir 30ºC – 45,1%, 59,4 % ir 59,6 %.

Išanalizavus literatūrą, kitų mokslininkų straipsnius, pasidomėjus energetikos sektoriuje

esama situacija, galima teigti, kad biodujos yra laikomos vertingu kuru, kai metano koncentracija

jose yra ne mažesnė nei 60 % (Kalpokas 2011).

14 paveiksle taip pat pateiktas galimas gauti elektros ir šilumos energijos kiekis sudeginus

pagamintas biodujas per dieną. Tačiau pateiktas energijos kiekis nėra skirtas tik savoms reikmėms,

norint žinoti tiksliai kiek elektros ir šilumos energijos liktų savoms reikmėms reikėtų iš pagamintos

šilumos energijos atimti 30 %, o nuo elektros 20 %, kurį reikalinga optimaliam bioreaktoriaus

darbui užtikrinti.

2.5. BIODUJŲ KIEKIO IR SUDĖTIES TYRIMŲ REZULTATAI

BIOREAKTORIAUS PROTOTIPE PERDIRBANT ORGANINIŲ ATLIEKŲ

MIŠINIUS

Atlikus eksperimentinius tyrimus naudojant bioreaktoriaus prototipą, kurio nuotrauka pateikta

16 priede, o brėžinys 17 priede, ir iš tirtų 4 organinių atliekų mišinių (PPA-pieno produktų atliekos; VMVDA-vištų mėšlas ir vaisių ir daržovių atliekos; KMMA-kiaulių mėšlas ir mėsos atliekos; KMSDA*-

karvių mėšlas ir sodo-daržo atliekos) pateiktas geriausias variantas, įvertinus biodujų kiekį ir metano

koncentraciją.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15


Bio

du

jų k

ieki

s, m

3/m

3 d

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Me

tan

o k

on

cen

trac

ija

(CH

4)

%

Q dujų CH4

15 pav. Biodujų kiekis (m3/ m3d), metano (%) koncentracija anaerobiškai skaidant kiaulių mėšlą ir mėsos

atliekas 35ºC temperatūroje

Išsiskyrusių dujų kiekis biologiškai skaidant KMMA nuo eksperimento pradžios iki 9

eksperimento dienos stebimas biodujų kiekio didėjimas, kuris 9 dieną siekė 1,35 m3/m3d. Vėliau

stebimas biodujų kiekio nedidelis mažėjimas. 12 eksperimento dieną biodujų kiekis pakilo iki 1,39

m3/m3d. Ir nuo 12 dienos iki eksperimento pabaigos biodujų kiekio išsiskyrimas sumažėjo ir

pabaigoje siekė 1,26 m3/m3d. Tokį gerą biodujų kiekio išsiskirimą lėmė tai, kad mėsos atliekų

sudėtyje didžiąją dalį sudaro riebalai ir baltymai iš kurių gaunama didžiausia stechiometrinė biodujų

išeiga. Biodujų kiekio sumažėjimas eksperimento pabaigoje gali būti siejamas su azoto

koncentracijos biomasėje padidėjimu skaidant baltymus (Lindorfer et al. 2008). Didelę dalį

biomasėje sudarančios skerdyklos atliekos dėl didelės baltymų (amoniako) koncentracijos slopina

biodujų išsiskyrimą.

Riebalų ir baltymų kiekis substrate taip pat labai įtakoja metano kiekį biodujose, nes iš šių

medžiagų yra išgaunama didžiausia metano koncentracija. Metano koncentracija biodujose taip pat

22

turėjo didėjimo tendenciją kaip ir pats biodujų kiekio išsiskyrimas. Didžiausia metano koncentracija

buvo užfiksuota eksperimento pabaigoje ir siekė 63,5 %. Metano koncentracijos stabilizavimasis

pastebimas jau nuo 9 eksperimento dienos.

Eksperimentinių rezultatų apibendrinimas perdirbus 4 organinių atliekų mišinius

16 paveiksle pateikta biodujų kiekis ir metano koncentracijos anaerobiškai perdirbant

bioskaidžių atliekų mišinius bioreaktoriuje. Kaip matyti iš pateikto paveikslo vidutinė biodujų

išeiga kito nuo 0,7 iki 1,03 m3/ m3d-1, o vidutinis metano kiekis nuo 0,19 iki 0,47 m3/ m3d-1 (t.y. nuo

26,7 iki 47 %).

0,70

1,00 1,01 1,03

0,19

0,47

0,330,35

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

PPA VMVDA KMMA KMSDA

Atliekų mišiniai

Bio

du

jų i

r m

eta

no

kie

kis

, m

3/m

3d

-1

Biodujos Metanas

16 pav. Biodujų kiekis ir metano (m3/ m3d-1) anaerobiškai perdirbus bioskaidžių atliekų mišinius (PPA-

pieno produktų atliekos; VMVDA-vištų mėšlas ir vaisių ir daržovių atliekos; KMMA-kiaulių mėšlas ir

mėsos atliekos; KMSDA*-karvių mėšlas ir sodo-daržo atliekos) bioreaktoriuje 35ºC temperatūroje

Atsižvelgiant į biodujų kiekį galima teigti, kad jo išsiskyrimas buvo gan aukštas, tačiau

žvelgiant į metano kiekį ir koncentraciją sakyti, kad ji buvo per žema ir tokias biodujas su tokia

metano koncentracija naudoti kaip kurą nėra tikslinga. Tačiau čia pateiktos tik vidutinės metano ir

biodujų kiekio reikšmės, ners eksperimentų metu biodujų kiekis kai kuriais atvejais siekia net apie

1,5 m3/ m3d-1, o metano koncentracija pasiekdavo 55-60 % ribą. Biodujų šiluminė vertė šiuo atveju

svyravo nuo 20 iki 24 MJ/m3, atsižvelgiant į metano koncentraciją biodujose.

2.6. SUKURTO IR PAGAMINTO ORGANINIŲ ATLIEKŲ PERDIRBIMO

ĮRENGINIO – MAŽŲ GABARITŲ BIOREAKTORIAUS APRAŠYMAS

Sukurtas mažų gabaritų bioreaktorius išsiskiria mažesniais gabaritais, užima nedaug vietos ir

gali būti taikomas smulkiuose ūkiuose ir maisto perdirbimo įmonėse, kur atliekų kiekiai nėra dideli.

Siekiant kompensuoti biodujų išeigą esant mažam substrato kiekiui bioreaktoriuje, būtina

naudoti tik tam tikros sudėties substratą. Todėl kuriant bioreaktoriaus prototipą ir projektuojant jo

gabaritus, buvo atsižvelgta į atliekas (atliekų rūšis) ir jų mišinius, kuriuos anaerobiškai perdirbus,

gaunami didžiausi biodjų ir metano kiekiai.

Bioreaktorius išsiskiria substrato šildymo, tiekimo ir šalinimo, maišymo bei valdymo

sistemomis.

Atsižvelgus į atliktų eksperimentinių tyrimų metu gautus rezultatus bioreaktoriuje įrengta

substrato pašildymo kamera tam, kad nesukelti bioreaktoriuje jau esančioms bakterijoms

temperatūrinio šoko, nuo kurio bakterijos gali žūti arba gali susilpnėti biodujų gamyba. Ši kamera

23

yra atskirta nuo pagrindinio rezervuaro tam, kad būtų galima ją atidaryti ir išvalyti užsikimšimo

atveju.

Kamera nuo kitų išsiskiria savo konstrukcija bei tuo, kad įrengta viršutinėje bioreaktoriaus

dalyje. Siekiant sumažinti ūkiuose taikomo bioreaktoriaus įrengimo ir eksploatacijos kaštus kamera

įrengtai virš pagrindinės talpos į kurią substratas teka savitaka. Substrato tiekimą į bioreaktorių ir jo

pagrindinę talpą reguliuoja bioreaktoriaus lygio davikliai bei valdymo sistema. Šildymo tenai

bioreaktoriuje išdėstyti taip, kad užtikrintų tolygų šilumos pasiskirstymą per visą substrato tūrį.

Remiantis tyrimų rezultatais biomasė pagrindinėje talpoje gali būti pašildoma nuo 25 iki 35 ºC

temperatūros.

Naujos kartos bioreaktoriuje užtikrinamos būtinos anaerobinės sąlygos, temperatūrinis

skirtumas tarp ruošiamos ir perdirbamos (biologiškai degraduojamos) biomasės sumažintas iki

minimumo, užtikrinamas biomasės permaišymas per visą jos tūrį. Sukurtame įrenginyje galima

išgauti nuo 1,0 m3 biodujų per dieną, kuriose metano kiekis siekia daugiau kaip 65 %.

Pagrindinės bioreaktoriaus sudedamosios dalys: substrato paruošimo talpa, substrato

pašildymo kamera, bioreaktoriaus korpusas, tiekimo ir šalinimo, maišymo, šildymo sistemos,

biodujų nuvedimo, biodujų kaupimo talpa, apsauginiai vožtuvai, temperatūros ir lygio davikliai,

perdirbtų atliekų kaupimo rezervuaras.

17 pav. Mažų gabaritų bioreaktorius

Apžvelgus bioreaktorių tipus ir įvertinus kiekvieno iš jų teigiamas ir neigiamas puses

bioreaktoriaus prototipas yra cilindrinės formos ir vertikalios padėties. Tokia konstrukcija pasirinkta

siekiant optimizuoti substrato maišymo ir šildymo sistemų darbą ir montavimą.

Nors plastiko šilumos laidumo koeficientas yra mažiausias, o tai reiškia, kad ši medžiaga

pasižymi geresnėmis izoliacinėmis savybėmis nei gelžbetonis, plienas ar plytos, tačiau ši medžiaga

nėra tokia patvari, ilgaamžiška ir stipri. Todėl atsižvelgus į šiuos rodiklius bioreaktoriaus prototipas

pagamintas iš nerūdijančio plieno. Bioreaktorius apšildytas termoizoliacine medžiaga, kurios

šiluminė varža yra ne mažesnė nei 1,25 m2K/W, o apšildomos medžiagos storis yra 10 cm.

Bioreaktoriaus maišymo sistema išsiskiria ne tik maišymo intensyvumu, bet ir savo

konstrukcija bei valdymu. Specialios maišyklės mentys įrengtos tokiu kampu, kad biomasė, esanti

bioreaktoriuje, tolygiai susimaišo ir pasiskirsto per visą pagrindinės kameros tūrį. Maišyklės

viršutinėje dalyje sumontuotas elementas neleidžia susidaryti plutai, kuri mažina biodujų išeigą.

Tuo pačiu maišyklės apatinėje dalyje įrengti nugremžtuvai, kurie neleidžia substratui nusėsti.

Maišyklės darbo režimą (apsisukimų periodą bei dažnį) galima reguliuoti automatiniu bei rankiniu

būdais.

24

Bioreaktoriaus prototipe įrengta automatine biomasės tiekimo ir šalinimo sistema, kuri

visiškai neleidžia patekti deguoniui į bioreaktorių, todėl tokia sistema nekelia problemų dėl biodujų

ir metano kiekio svyravimų.

Manoma, kad produkto komercializavimas leis padidinti, kuriamą pridėtinę vertę bei

konkurencingumą. Naudojant sukurtus mažų gabaritų bioreaktorius ūkiai ir maisto pramonės

įmonės taps konkurencingesnės ir turės ekonominės naudos. Savarankiškai perdirbs atliekas, gaus

kokybiškas trąšas ir energetinius išteklius.

25

IŠVADOS

1. Atlikus biodujų kiekio ir sudėties tyrimus su gyvulininkystės ir daržo–sodo atliekų mišiniais

nustatyta, kad tinkamiausias biodujoms išgauti substratas yra sudarytas iš kiaulių mėšlo ir

sodo-daržo atliekų santykiu 85%:15%. Naudojant šį mišinį galima išgauti 0,8 m3/m3d.

biodujų. Perdirbant šias atliekas kitais santykiais (95%:5%, 90%:10%) biodujų kiekis

gaunamas atitinkamai 25% ir 37% mažesnis.

2. Ištyrus paukštininkystės ūkyje susidarančias atliekas t.y. vištų mėšlą sumaišytą su sodo-

daržo atliekomis skirtingais santykiais (95%:5%, 90%:10%, 85%:15%) nustatyta, kad

biodujų išeiga juose atitinkamai siekė 0,9 m3/m3d, 1,0 m3/m3d ir 1,2 m3/m3d. Atsižvelgiant į

tyrimų rezultatus galima teigti, kad didžiausia biodujų išeiga išgaunama perdirbant šias

atliekas santykiu 85%:15%.

3. Iš perdirbtų 3 kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinių tinkamiausias ir efektyviausias

metano gamybos požiūriu yra kiaulių mėšlo ir sodo-daržo mišinys santykiu 85%:15%.

Perdirbant šias atliekas išsiskyrusiose biodujose vidutinis metano kiekis siekė 56,3 %, o po

15-os eksperimento dienos viršijo 65 %.

4. Apžvelgus atliktų tyrimų metu gautus vidutinius biodujų kiekius perdirbant periodinio

veikimo bioreaktoriuje kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinius prie skirtingų substrato

temperatūrų nustatyta, kad 30ºC temperatūroje biodujų išgaunama 1,4 karto, o 35ºC

temperatūroje 1,5 karto daugiau, nei prie 25ºC temperatūros, todėl galima teigti, kad

palaikoma bioreaktoriuje temperatūra biodujų išsiskyrimui turi ženklią įtaką. Tačiau metano

koncentracija prie skirtingų temperatūrų išlieka panaši ir svyruoja tik 0,2 %.

5. Atlikus biodujų išeigos tyrimus bioreaktoriaus prototipe, nustatyta, kad didžiausia biodujų

išeiga gaunama perdirbant karvių mėšlo ir sodo-daržo atliekas. Naudojant šį mišinį, biodujų

išeiga siekė 1,03 m3/m3d-1. Didžiausia metano koncentracija nustatyta anaerobiškai

perdirbant kiaulių mėšlo ir mėsos atliekų mišinį santykiu 90%:10% ir siekė vidutiniškai 47

%, o didžiausia metano koncentracija buvo užfiksuota 65 %.

6. Sudeginus 1 m3 biodujų, gautų perdirbant kiaulių mėšlo ir mėsos atliekų mišinį santykiu

90%:10% galima išgauti apie 25 MJ/m3 energijos, arba 2 kWh elektros ir 3,6 kWh šilumos

energijos.

7. Atlikus biodujų kiekio ir sudėties tyrimus perdirbant skirtingus kiaulių mėšlo ir mėsos

atliekų mišinių tyrimus, nustatyta, kad perdirbti atliekų mišiniai santykiais 95%:5%,

90%:10%, 85%:15% yra tinkami biodujoms išgauti. Tyrimų metu išsiskyręs biodujų kiekis

siekė nuo 0,5 iki 0,6 m3/m3d-1, o metano koncentracija kito nuo 65 iki 72 %.

8. Atlikus tinkamumo dirvožemiui tręšti tyrimus nustatyta, kad visi tirti mišiniai atitinka

dirvožemiui tręšti reikalavimus, tačiau tinkamiausias dirvožemiui tręšti yra bioreaktoriuje

perdirbtas kiaulių mėšlo ir sodo-daržo atliekų mišinys santykiu 85 %:15 % bei vištų mėšlo ir

sodo-daržo atliekos santykiu 85%:15%, nes azoto, fosforo bei bendrosios anglies

koncentracijos juose yra didžiausios ir siekė atitinkamai 53 mg/l, 334 mg/l, 642 g/kg.

9. Atlikus kompleksinius biodujų kiekio, sudėties bei substrato tinkamumo tyrimus sukurtas ir

pagamintas mažų gabaritų bioreaktoriaus prototipas, kuriame galima išgauti virš 1 m3/m3d-1.

biodujų, kurias galima panaudoti maisto ar šilumos energijos gamybai.

26

REKOMENDACIJOS

1. Gyvulininkystės ūkiuose šildymui bei maisto gamybai rekomenduojama taikyti mažų gabaritų

biorekatorių, kuris gali pagaminti 1,03 m3/ m3d1 biodujų iš kurių galima išgauti 3,6 kWh

šilumos energijos.

2. Siekiant gauti didesnį biodujų kiekį ir didesnę metano koncentraciją perdirbant kiaulių mėšlą ir

vištų mėšlą rekomenduojama, šias atliekas maišyti su žaliosiomis atliekomis. Šių atliekų kiekis

mišinyje turėtų sudaryti ne mažiau 10 %. Tokiu būdu bus pagerintas anglies ir azoto santykis,

nuo kurio priklauso biodujų išeiga ir metano koncentracija.

3. Rekomenduojama kiaulių mėšlą maišyti su daugiau riebalų turinčiomis mėsos atliekomis.

Naudojant tokį mišinį gaunama didžiausia biodujų išeiga ir didžiausia metano koncentracija.

4. Perdirbant gyvulininkystės ūkiuose susidarančias atliekas, rekomenduojama mažų gabaritų

bioreaktoriuje palaikyti pastovią 351 °C temperatūrą.

5. Visi tirti anaerobiniu būdu perdirbti organinių atliekų mišiniai atitinka visus keliamus

reikalavimus dirvožemiui tręšti, nes juose nustatytos sunkiųjų metalų (Pb, Zn, Mn, Cu, Ni, Cr)

koncentracijos neviršija leistinų normų, bendrosios organinės anglies, bendrojo fosforo ir azoto

kiekiai yra dideli ir pH siekia daugiau nei 5,5. Todėl visus mišinius, išskyrus mišinius su mėsos

perdirbimo atliekomis, galima taikyti dirvožemio tręšimui.

27

LITERATŪRA

1. Lehtomäki, A.; Huttunen, S.; Rintala, J.A.. 2007. Laboratory investigations on co-digestion

of energy crops and residues with cow manure for methane production: Effect of crop to

manure ratio. Resources, Conservation and Recycling, 51: 591-609.

2. Garba, B.; Zuru, A.; Sambo, A.S. 1996. Effect pf slurry concentration on biogas production

from cattle dung. Renewable Energ, 7: 12-16.

3. Kanu, C. 1988. Studies on production of fuel solid waste. Biotechnology, 6: 90-96.

4. Alvarez, R.; Lidén, G. 2008. Semi-continuous co-digestion of solid slaughterhouse waste,

manure and fruit and vegetable waste. Renewable Energy, 33: 726-734.

5. Savickas, J.; Vrubliauskas, S. 1997. Biodujų gamybos ir panaudojimo galimybės Lietuvoje,

Technologija, 38 p.

6. Uzodinma, E.O.U.; Ofoefule, A.U.; Eze, J.I.; Onwuka, N.D. 2007. Optimum Mesophilic

Temperature of Biogas Production from Blends of Agro-Based Nastes, 2(1): 39-44.

7. Chae, K.J.; Jang, A.; Yim, S.K.; Kim, I.S. 2008. The effect of digestion temperature ant

temperature shock on the biogas yield from the mesophilic anaerobic digestion of swine

manure, Bioresource Technology, 99: 1-6.

8. Kalpokas, V. 2011. Experimental investigation on biogas production using pig manure and

slaughterhouse waste, of 8 th International Conference “Environmental Engineering”, held

in Vilnius 2011 m. May 19-20, collection of articles. Vilnius, 150-154.

9. Lindorfer, H.; Corcoba, A.; Vasilieva, V.; Braun, R.; Kirchmayr, R. 2008. Doubling the

organic loading rate in the co-digestion of energy crops and manure – a full scale study,

Bioresource technology, 99(5): 1148–1156.

10. Cecchi, F.; Pavan, P.; Musacco, A.; Mata-Alvarez, J.; Sans, C.; Ballin, E. 1992. Comparison

between thermophilic and mesophilic anaerobic digestion of sewage sludge coming from

urban wastewater plants, Ingegneria Sanitaria Ambientale, 40: 25–32.

11. Kavaliauskienė, I. 2008. Biologiškai skaidžių atliekų tvarkymo strategija Lietuvoje. 2008

gegužės 5 d. seminaro „Biologiškai skaidžių atliekų atliekų tvarkymas: esama patirtis ir

galimybės savivaldybėms“ pranešimo medžiaga.

12. Lietuvos vietinių energetinių išteklių apžvalga ir jų panaudojimo galimybės energetikos

tikslais. Lahmeyer International ir Cowiconsult, Vilnius, 1994, 36 p.

13. Schön, M.; 2009. Numerical modelling of anaerobic digestion processes in agricultural

biogas plants, Innsbruck, Austria: 139 p.

14. IEA Bioenergy Task 37. Country Reports of Member Countries, Istanbul, April 2011.

[interaktyvus]. [Žiūrėta 2011 spalio 3 d.]. Prieiga per internetą:<http://www.iea-

biogas.net/_content/publications/member-country-reports.html>.

15. Savickas, J.; Vrubliauskas, S. 1997. Biodujų gamybos ir panaudojimo galimybės Lietuvoje,

Technologija, 38 p.

http://www.iea-biogas.net/_content/publications/member-country-reports.html

28

16. Kvasauskas, M. 2009. Mažų gabaritų bioreaktoriaus tyrimas ir kūrimas [Research on and

design of small scale bioreaktor] Vilnius: Technika, 166 p.

17. Nacionalinė energetikos strategija. Lietuvos energetikos institutas, 2000, 51 p.

18. Baltrėnas, P.; Kvasauskas, M. 2009. Research on Anaerobically Treated Organic Waste

Suitability for Soil Fertilisation. IC Journals Master List, 17(4): 205-211 p.

19. Gujer, W.; Zehnder, A. 1983. Conversion processes in anaerobic digestion, Water Sci

Technol, 15:127-167.

20. Biogashandbuch Bayern – Materialienband. 2007. [interaktyvus]. [Žiūrėta 2012 kovo 2 d.].

Prieiga per internetą:<http://www.lfu.bayern.de/abfall/biogashandbuch/index.htm>.

21. Weiland, P., 2009. Biogas production: current state and perspectives, Applied Microbiology

and Biotechnology, 85(4):849–860.

22. Lemenžienė, N.; Kanapeckas, J.; Butkutė, B. 2009. Biodujų gamybai tinkamiausios

paprastos šunažolės (Dactylis glomerata L.) veislės, selekcinės linijos ir ekotipai,

Žemdirbystė-Agriculture, 3:36-46.

23. Bischoff, M. 2009. Erkenntnisse beim Einsatz von Zusatz - und Hilfsstoffen sowie von

Spurenelementen in Biogasanlagen. VDI-Ber 2057:111-123.

24. White, A. J.; Kirk, D. W.; Graydon, J. W. 2011. Analysis of small-scale biogas utilization

systems on Ontario cattle farms, Journal of Renewable energy, 36(3): 1019-1025.

25. Sala Lizarraga, J. M. 1994. Cogeneración: Aspectos termodinámicos, tecnológicos y

económicos; 2 Edición; Universidad del País Vasco, Bilbao, 163 p.

26. Vindis, P.; Mursec, B.; Janzekovic, M.; Cus, F. 2009. The impact of mesophilic and

thermophilic anaerobic digestion on biogas production, Journal of Achievements in

Materials and Manufacturing Engineering, 36(2): 192–198.

27. Yadvika.; Santosh.; Sreekrishnan, T.R.; Kohli, S.; Rana, V. 2004. Enhancement of biogas

production from solid substrates using different technique, Bioresource Technology, 95:1–

10.

28. Escobar, G.J.; Heikkilä, M.A. 1999. Biogas production in farms, through anaerobic

digestion of cattle and pig manure. Case Studies and research activities in Europe, TEKES,

OPET Finland: 39 p.

http://www.springerlink.com/content/100457/?p=e896f413ba774542a3aa5900ba041645&pi=0

http://www.springerlink.com/content/100457/?p=e896f413ba774542a3aa5900ba041645&pi=0

29

MTEP REZULTATAI

1. lentelė. MTEP rezultatai pasiekti viso projekto, vykusio 2008/2012 m., metu

Pavadinimas Skaičius

Sukurtų, paruoštų diegti ar įdiegtų naujų technologijų skaičius -

Sukurtų naujų gaminių skaičius 1

Pateiktų tarptautinių patentinių paraiškų pagal Patentinės kooperacijos sutartį ir

Europos patentų konvenciją skaičius -

Pateiktų nacionalinių patentinių paraiškų skaičius -

Įgytų patentų skaičius -

Publikacijų žurnaluose, įtrauktuose į Mokslinės informacijos instituto sąrašą,

skaičius 5

Apgintų disertacijų skaičius 2

Sukurtų naujų darbo vietų verslo įmonėse skaičius 5

Sukurtų naujų darbo vietų mokslininkams ir tyrėjams verslo įmonėse skaičius 2

2. lentelė. MTEP rezultatai pasiekti projekto etapo už 2011/2012 metus

Pavadinimas Skaičius

Sukurtų, paruoštų diegti ar įdiegtų naujų technologijų skaičius -

Sukurtų naujų gaminių skaičius 1

Pateiktų tarptautinių patentinių paraiškų pagal Patentinės kooperacijos sutartį ir

Europos patentų konvenciją skaičius -

Pateiktų nacionalinių patentinių paraiškų skaičius -

Įgytų patentų skaičius -

Publikacijų žurnaluose, įtrauktuose į Mokslinės informacijos instituto sąrašą,

skaičius 3

Apgintų disertacijų skaičius -

Sukurtų naujų darbo vietų verslo įmonėse skaičius 5

Sukurtų naujų darbo vietų mokslininkams ir tyrėjams verslo įmonėse skaičius 2

30

RENGIAMŲ IR APGINTŲ MAGISTRINIŲ DARBŲ, DISERTACIJŲ

SĄRAŠAS

Rezultatai pasiekti panaudojus projekto etapo, vykdyto 2008/2009 metais, tyrimų duomenis

Parengti/rengiami doktorantai

Rengiama viena doktorantė.

Darbo tema „Bioskaidžių žemės ūkio atliekų aplinkosauginiai-energetiniai tyrimai ir vertinimas “.

Apgintos disertacijos

Apginta dvi disertacijos.

Darbo tema „Mažų gabaritų bioreaktoriaus tyrimai ir vertinimas“. Disertacijos apgynimo data 2009

gegužės 29 d.

Darbo tema „Fermentuotų atliekų bei jų filtrato tyrimai ir panaudojimas“. Apginta disertacija 2010

birželio mėn.

Apginti magistro darbai

Apginti du magistro darbai.

Darbo tema „Žemės ūkio bioskaidžių atliekų tyrimai ir panaudojimas biodujų gamyboje“. Apgintas

magistro darbas 2011 gegužės mėn.

Darbo tema „Komunalinių bioskaidžių atliekų perdirbimo bioreaktoriuose tyrimai ir vertinimas“.

Apgintas magistro darbas 2011 gegužės mėn.

31

GAUTŲ EKSPERIMENTINIŲ TYRIMŲ REZULTATŲ SKLAIDOS BŪDAI

IR PRIEMONĖS


Straipsniai mokslo žurnaluose, referuojamuose ir turinčiuose citavimo indeksą Mokslinės

informacijos instituto duomenų bazėje „ISI Web of Science“

1. Kvasauskas, M.; Baltrėnas, P. 2009. Research on anaerobically treated organic waste suitability

for soil fertilization, Environmental Engineering and Management Journal 17 (4): 205–211.

ISSN 1582-9596 (print), ISSN 1843-3707 (online). IF=1,508. Straipsnio kopija pateikta 5

priede.


1. Misevičius, A.; Baltrėnas, P. 2011. Experimental investigation of biogas production using

biodegradable municipal waste, Environmental Engineering and Management Journal 19 (2):

167–177. ISSN 1582-9596 (print), ISSN 1843-3707 (online). IF=1,508. Straipsnio kopija

pateikta 6 priede.

2. Zagorskis, A.; Baltrėnas, P.; Misevičius, A.; Baltrėnaitė, E. 2012. Biogas production by

anaerobic treatment of waste mixture consisting of cattle manure and vegetable remains,

Environmental Engineering and Management Journal 11 (4): 847–855. ISSN 1582-9596

(print), ISSN 1843-3707 (online). IF=1,004. Straipsnio kopija pateikta 7 priede.

3. Baltrėnas, P.; Zagorskis, A.; Misevičius, A.; Матвеев, Ю. Б.; Кучерук, П. П.; Ходакiвска, Т.

В. 2012. Experimental biogas research by anaerobic digestion of waste of animal origin and

biodegradable garden waste, African Journal of Biotechnology. ISSN: 1684-5315. IF=0,565,

(pateiktas spaudai). Straipsnio rankraštis pateiktas 8 priede.

Straipsniai kituose recenzuojamuose mokslo leidiniuose

1. Misevičius, A.; Baltrėnas, P. ; Zagorskis, A; Petraitis, E. 2012. Mezofilinės temperatūros įtaka

biodujų gamybai anaerobiškai perdirbant kiaulių mėšlą ir bioskaidžias sodo-daržo atliekas. 15-

osios Lietuvos jaunųjų mokslininkų konferencijos „Mokslas – Lietuvos ateitis“, 2012 metų

teminės konferencijos „Aplinkos apsaugos inžinerija“ įvykusios 2012 m. balandžio 12 d.

Vilniuje, pranešimų medžiaga. Vilnius: Technika. ISBN 978-9955-28-162-7, (pateiktas

spaudai). Straipsnio rankraštis pateiktas 9 priede.

http://www.academicjournals.org/ajb

http://www.academicjournals.org/ajb

32

PROJEKTO VIEŠINIMAS MOKSLO KONFERENCIJOSE


1. Misevičius, A.; Baltrėnas, P. ; Zagorskis, A; Petraitis, E. 2012. Mezofilinės temperatūros įtaka

biodujų gamybai anaerobiškai perdirbant kiaulių mėšlą ir bioskaidžias sodo-daržo atliekas. 15-

osios Lietuvos jaunųjų mokslininkų konferencijos „Mokslas – Lietuvos ateitis“, 2012 metų


Vilniuje, (stendinis pranešimas). Stendinio pranešimo kopija pateikta 10 priede.

2. Zagorskis, A; Petraitis, E. 2012. Eureka projekto „Mažų gabaritų bioreaktorius“ įgyvendinimas.

15-osios Lietuvos jaunųjų mokslininkų konferencijos „Mokslas – Lietuvos ateitis“, 2012 metų


Vilniuje, (žodinis pranešimas). Žodinio pranešimo medžiaga pateikta 11 priede.

PROJEKTO VIEŠINIMAS MOKSLINIO ŽURNALO, TURINČIO CITAVIMO INDEKSĄ,

KRONIKOJE

Rezultatai pasiekti projekto etapo, vykdyto 2008/2009 m., metu

1. Kvasauskas, M. 2009. Aplinkos apsaugos katedros mokslininkai kurs bioreaktorių.

Environmental Engineering and Management Journal 17 (1). ISSN 1582-9596 (print), ISSN

1843-3707 (online). IF=1,508. Straipsnio kopija pateikta 12 priede.

2. Zagorskis, A.; Kvasauskas, M. 2009. Tarptautinis projektas „Mažų gabaritų bioreaktorius“.

Environmental Engineering and Management Journal 17 (4). ISSN 1582-9596 (print), ISSN

1843-3707 (online). IF=1,508. Straipsnio kopija pateikta 13 priede.

PROJEKTO VIEŠINIMAS INTERNETINIUOSE TINKLALAPIUOSE

Rezultatai pasiekti projekto etapo, vykdyto 2011/2012 m., metu

1. http://ekoaplinka.eu/index.php#option=com_content&view=article&id=90:kuriamas-ma-

gabarit-bioreaktorius&catid=35:gera-praktika&tmpl=frame&s=Eureka.

2. http://www.aai.ap.vgtu.lt/naujienos/baigiamas-kurti-mazu-gabaritu-bioreaktorius.

http://ekoaplinka.eu/index.php#option=com_content&view=article&id=90:kuriamas-ma-gabarit-bioreaktorius&catid=35:gera-praktika&tmpl=frame&s=Eureka

http://ekoaplinka.eu/index.php#option=com_content&view=article&id=90:kuriamas-ma-gabarit-bioreaktorius&catid=35:gera-praktika&tmpl=frame&s=Eureka

33

PRIEDAI

Mokslo, inovacijų ir technologijų agentūra · El. paštas: [email protected] 3 partneris...

Documents

Transcript of Mokslo, inovacijų ir technologijų agentūra · El. paštas: [email protected] 3 partneris...