Забезпечення екологічної безпеки водосховищ шляхом використання мікроводоростей для виробництва енергоносіїв

Abstract

Дисертаційна робота присвячена покращенню екологічної безпеки водосховищ Дніпровського каскаду в умовах неконтрольованого розвитку ціанобактерій шляхом розроблення науково-технологічного забезпечення організації збору цих водоростей та використання їх як сировини для виробництва енергоносіїв. Науково обґрунтована доцільність одержання біогазу із біомаси синьо-зелених водоростей (хімічні, мікробіологічні та біохімічні закономірності процесу). Проведений аналіз оптимальних умов реалізації біометаногенезу в системі, куди входить органічний субстрат ціанобактерій. Розглянуто вплив різних факторів на життєздатність різних типів бактерій та перебіг процесу синтезу біогазу із синьо-зелених водоростей. Встановлена ефективність попередньої обробки біомаси ціанобактерій в полі гідродинамічної кавітації для збільшення повноти розкладу біомаси. Розроблено блок-схему стратегії уникнення екологічної небезпеки від неконтрольованого розвитку ціанобактерій та їх негативного впливу на довкілля. Диссертационная работа посвящена обеспечению экологической безопасности водохранилищ Днепровского каскада в условиях неконтролированного развития цианобактерий путем разработки научно-технического обеспечения организации сбора этих водорослей и использования их как сырья для производства энергоносителей. На основании анализа источников экологической опасности в акваториях Днепровских водохранилищ Кременчуцкого территориально-производственного комплекса установлено, что одной из определяющих ее причин является неконтролированное развитие сине-зеленых водорослей и их негативное влияние на окружающую среду. Научно обоснована целесообразность получения биогаза из биомассы сине-зеленых водорослей (химические, биологические и биохимические закономерности процесса). Проведен анализ оптимальных условий реализации биометаногенеза в системе, в которую входит органический субстрат цианобактерий. Рассмотрено влияние различных факторов на жизнедеятельность различных типов бактерий и кинетику процесса синтеза биогаза из сине-зеленых водорослей. Показана эффективность утилизации биомассы цианобактерий путем экстрагирования на 1-ом этапе липидов (используются в дальнейшем для производства биодизеля), получения на 2-ом этапе биогаза путем биоразложения биомассы и использования остатка как биоудобрения. Перспективность экстрагирования из биомассы цианобактерий липидов доказана экспериментально, максимальное количество экстрагированных липидов составило 1,01% от сухой массы цианобактерий. Теоретически и экспериментально исследована кинетика синтеза из биомассы цианобактерий биогаза, установлено, что кинетическая кривая имеет S-образную форму, что свидетельствует об многостадийности процесса биоразложения. Используя принцип представления процесса синтеза биогаза из сине-зеленых водорослей как цепной процесс биохимических превращений, построена математическая модель этого процесса. Идентификация конечных уравнений математической модели и экспериментальных данных подтвердила ее адекватность, что дало возможность определить численные значения констант кинетики разложения биомассы, которые могут быть использованы для расчета реальных процессов. Установлена эффективность проведения предварительной обработки биомассы цианобактерий в поле гидродинамической кавитации для увеличения полноты разложения биомассы (количество экстрагированных липидов увеличивается в 3,2 раза, количество синтезированного биогаза – в 1,4 раза). Техническое решение защищено декларационным патентом Украины. Анализ результатов экспериментов по исследованию динамики количественного прорастания гороха и пшеницы, при условии использования отработанного субстрата биомассы цианобактерий как биоорганического удобрения свидетельствует о том, что оптимальным является разведение отработанного субстрата 1:200 для пшеницы и 1:100 для гороха. Обоснована технологическая схема сбора цианобактерий, в которой реализован принцип сбора насыщенного цианобактериями поверхностного слоя воды из водохранилища в затопленною баржу-приемник, которая транспортируется буксиром. Кавитационную обработку предлагается проводить непосредственно на барже, чем достигается предтехнологическая подготовка биомассы. Экспериментами доказано, что в этом случае интенсифицируется также разделение биомасса – вода. Разработана блок-схема стратегии предупреждения экологической опасности от неконтролированного развития цианобактерий и их негативного влияния на окружающую среду, которая включает последовательную реализацию таких стадий: сбор цианобактерий, обработка биомассы в поле гидродинамической кавитации и транспортирование их к биостанции  концентрирование биомассы  экстрагирование из биомассы липидов  биоразложение биомассы с получением биогаза  использование отработанной биомассы как биоудобрения. The dissertation is devoted to the increase of ecological safety of Dnipro cascade reservoirs under uncontrolled outbreak of cyanobacteria by creation of scientific and technological organization of collection of algae and their usage as raw material for the production of energy. A scientific feasibility of obtaining biogas from cyanobacteria biomass cyanobacteria (chemical, microbiological and biochemical patterns of the process) was grounded. The analysis of the optimal conditions for the implementation of bio methane genesisin the system, which includes an organic substrate of blue-green algae, was conducted. The influence of various factors on the viability of different types of bacteria and the progress of the biogas synthesis of blue-green algae was studied. Effectiveness of pre-treatment of blue-green algae biomass in the field of hydrodynamic cavitation to increase completeness of decomposition of biomass was discovered. Flowchart of strategy to avoid environmental hazards from uncontrolled development of cyanobacteria and their impact on the environment was created.