№ 4 (18) / 2024
Эхсон Таджиев,
ученик 9 класса Президентского лицея для одарённых учащихся Таджикистана
А.Р. Мурзина,
преподаватель Президентского лицея для одарённых учащихся Таджикистана, участник Международного проекта Министерства просвещения РФ РУЗР
Новым учебным заведением после переезда нашей семьи в г. Душанбе для меня стал Президентский лицей для одарённых учащихся Таджикистана. Кроме дружного классного коллектива и интересных уроков, у меня появилась возможность заниматься научными проектами по геоэкологии под руководством российского учителя биологии Мурзиной Альбины Рафиковны (рис. 1).
Рис. 1. Работа над научным проектом совместно с руководителем Мурзиной А.Р.
Что такое проект? Как над ним работать? На что он должен быть нацелен? Все это я узнал на занятиях: научился видеть проблемы, выдвигать гипотезы, наблюдать и экспериментировать. В процессе работы над научно-исследовательским проектом я получил новые знания, приобрёл и сформировал проектировочные умения. Постепенно я определился и с направлением своей проектной деятельности – геоэкология. Этот термин впервые введён К. Тролем в 1939 г. Экологическая геология – это направление в науках о Земле, которое развивается во взаимодействии геологии и экологии, рассматривает экологические проблемы, обусловленные влиянием литосферы и ее основных компонентов на биоту, включая человеческое общество [7].
Руководитель моего проекта посоветовала мне изучить положение о конкурсе «Богатство недр моей страны 2024», учреждённом Межвузовским академическим центром навигации по специальности горно-геологического профиля ГГМ РАН. Я понял, что участие в престижном российском конкурсе – это отличный шанс попробовать что-то новое и интересное, т. к. никогда ещё не участвовал в подобных мероприятиях. Прежде всего я реально оценил свои возможности, сделал все, чтобы расширить свой кругозор, научился ценить и понимать важность процесса обучения и работу учителей-наставников, развил в себе новые навыки и интерес к научному познанию, к геоэкологии в частности. Надеялся ли я на победу в конкурсе? Конечно, я хотел, чтобы моя конкурсная работа заинтересовала экспертное жюри. И был горд, что моя работа вошла в число финалистов. После онлайн-защиты научно-исследовательского проекта на торжественной церемонии награждения победителей и призёров конкурса в Москве 25 апреля 2024 г. мою фамилию назвали среди призёров. Победа в этом конкурсе дала мне уверенность в том, что я выбрал правильное направление в своём образовании. В перспективе у меня продолжение проектно-исследовательской деятельности, чтобы сделать осознанный выбор моей будущей профессии.
Теперь я готов поделиться с читателями журнала моими наблюдениями и рассказать о моей работе. Выбранная мной тема научно-исследовательского проекта «Биогаз как альтернативный источник энергии для Республики Таджикистан» актуальна в настоящее время не только для Таджикистана.
Неуклонный рост потребления топливно-энергетических ресурсов Земли привёл к тому, что к началу ХXI века человечеством была израсходована большая часть мировых энергетических ресурсов. В связи с этим перед обществом стоит задача поиска и разработки альтернативных источников энергии (АИЭ). Одним из таких динамично развивающихся направлений по использованию АИЭ является использование энергии биомассы путём получением биогаза.
Биогаз – это горючая газовая смесь, получаемая путём разложения органических субстанций в результате анаэробного микробиологического процесса, так называемого метанового брожения, источником которого служит биомасса, получаемая из отходов жизнедеятельности людей и сельскохозяйственного производства.
В большинстве развитых стран переработка органических отходов в биогазовых установках чаще всего используется для производства тепловой энергии и электричества.
Таджикистан – аграрная страна, поэтому здесь есть широкие возможности производства и использования биогаза. Ресурсы биомассы в различных видах (навоз крупного рогатого скота, помет птиц) есть почти во всех регионах страны, и почти в каждом из них может быть налажена её переработка в энергию и топливо. Получение и использование биогаза является дополнительным способом экономии ископаемого горючего и электроэнергии [5].
Актуальность работы: в условиях нарастающего дефицита энергоресурсов особенно важным становится использование автономных источников энергии, работающих на альтернативном топливе, например, биогазе, в хозяйствах Таджикистана.
Цель работы: изучить возможности Таджикистана для получения биогаза из различных субстратов (растительных остатков, сухих листьев деревьев, ТБО, жидких отходов животноводства) и сравнение их результативности.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучение литературных источников.
2. Проведение эксперимента.
3. Сделать вывод о перспективах развития данного направления получения биогаза в республике.
Объект исследования: различные субстраты как источники получения биогаза.
Предмет исследования: сравнение скорости образования биогаза различными субстратами.
Новизна: сочетание применяемых различных субстратов для получения биогаза.
Практическая значимость: проект рассчитан на дальнейшее практическое внедрение с целью снижения загрязнения окружающей природной среды в сочетании с получением энергии из альтернативных источников.
Биомасса в Таджикистане является эффективным возобновляемым источником энергии.
Основными источниками отходов, пригодных для использования в качестве источника энергии, являются:
• Растениеводство (хлебные злаки и др.).
• Животноводство и птицеводство (экскременты крупного рогатого скота, коз, овец и птиц).
• Промышленность и повседневная деятельность человека (отходы, содержащие большое количество органических компонентов, например, бумага, полимерные упаковочные материалы, пищевые отходы).
Главную роль играют сельскохозяйственные отходы, в частности, гузапоя – стебли кустов хлопчатника, кукурузы, рисовая солома и шелуха, скорлупа орехов [6].
Собственные исследования. Выводы.
Изучив материал, я решил экспериментальным путём осуществить получение биогаза в домашних условиях. Для опыта использовали 3 субстрата: растительные остатки, сухие осенние листья, бумагу. Навоз мы не стали использовать по эстетическим соображениям. Данные по этому виду субстрата я взял из материалов статистики [5].
Растительные остатки, сухие листья и бумага были выбраны не случайно. Кроме получения биогаза как альтернативного источника энергии, я преследовал и другую цель – снижение загрязнения окружающей природной среды и борьба с мусором [6].
Нами были использованы три пятилитровые пластиковые ёмкости, в которые помещался измельчённый субстрат (рис. 2, 3).
В каждый субстрат добавлялась тёплая вода (без хлора) в соотношении 1:1, что должно соответствовать общей концентрации твёрдых веществ 8-11% по массе. Биомасса пересыпалась с почвой, содержащей гумус, – источником микроорганизмов, необходимых для протекания процесса получения биогаза. Общая масса субстратов (вместе с почвой и водой) составляла около 2,5 кг в каждом опыте.
Рис. 2, 3. Подготовка субстратов
На горлышко пластиковых ёмкостей с субстратом натягивались резиновые перчатки с целью обеспечения их герметичности, определения объёма получившегося биогаза и наблюдения за скоростью его образования. Перчатка плотно фиксировалась на ёмкости. Таким образом, была сконструирована опытная установка для получения биогаза (рис. 4).
Рис. 4. Опытная установка для получения биогаза
Емкости с субстратом находились в температурных условиях, благоприятных для получения биогаза – 30-35°С. Ежедневно ёмкости встряхивались с целью перемешивания субстрата и лучшего его контакта с микроорганизмами.
Первые результаты нами были замечены через 7 дней после закладки опыта. Выделение газа прослеживалось на протяжении 4 недель по наполнению резиновой камеры (перчатки) (рис. 5). При соблюдении техники безопасности, в присутствии взрослых первые порции газа спускались из установки, так как при смешении с кислородом воздуха и поджигании может произойти взрыв.
Рис. 5. Выделение газа в опытных установках
В смонтированных опытных установках для получения биогаза результаты оказались следующими:
Скопившийся в резиновой камере газ (что видно по наполнению перчатки) изолировали путём перевязывания основания перчатки. Наблюдали всполох огня при поджигании газа, выходящего из отверстия в срезанной перчатке.
Таким образом, среднее время «работы» биомассы составляет 2-3 недели, активная «работа» биомассы начинается на 6-8-е сутки и продолжается с ежесуточным выходом газа в объёме в среднем 10-15 % от объёма ёмкости с биомассой.
Диаграмма 1. Сравнение скорости образования биогаза на основании использования разных субстратов (по вертикали – количество дней до начала образования биогаза)
Из диаграммы 1 видно, что наибольшей скоростью образования биогаза обладает субстрат из растительных остатков. Брожение становится заметным через 7 суток, в ёмкости с сухими листьями – на 14 сутки, в ёмкости с бумагой и ТБО брожение не наблюдалось. На 30-й день опыта определяли объем образовавшегося биогаза во всех вариантах опыта.
Диаграмма 2. Сравнение объёма биогаза, образовавшегося на основе разных субстратов (по вертикали – объем газа в литрах, по горизонтали виды субстратов)
Как видно из диаграммы 2, наибольшее количество образовавшегося биогаза происходит при использовании субстрата из растительных остатков. Всего было получено 0,45 мл3 из растительных остатков, смешанных с почвой и водой.
При изучении выхода биогаза из навоза мы воспользовались данными таблицы авторской платформы pandia.ru (таблица 3) [8].
Изучая данные таблицы, мы сделали вывод, что именно навоз домашних животных в процессе брожения выдаёт наибольшее количество биогаза, на втором месте – растительные остатки, затем сухие листья, а бумага и ТБО в процессе эксперимента почти не образовали его (или 30 дней для них маленький срок).
В нашем опыте наибольшее количество образовавшегося биогаза происходит при использовании субстрата «растительные остатки», причём процесс протекает с наибольшей скоростью по сравнению с другими субстратами.
Заключение. Выводы.
Таджикистан остро испытывает нехватку энергии, особенно в сельской местности. Одним из решений этого вопроса для республики является внедрение инновационных биогазовых технологий. Биогазовые установки в настоящее время являются характерным примером безотходного производства во многих областях сельского хозяйства или пищевой промышленности.
Для получения биотоплива наиболее перспективным в условиях Таджикистана является способ получения биогаза путём анаэробного брожения жидких отходов животноводства (рис. 6). В условиях сырости, тепла и отсутствия света анаэробные бактерии, существующие за счёт разложения углеводов, вырабатывают биогаз – смесь СН4 и СО2.
Рис. 6. Получение биогаза из отходов животноводства
В небольших хозяйствах биогаз, полученный таким способом, можно применять как топливо для приготовления пищи или обогрева помещений. После получения топлива остатки навоза используются в качестве органического удобрения в полях. То же самое можно сделать с другими отходами сельского, коммунального хозяйства и пищевой промышленности. Таким образом, получается, что биогазовая установка позволяет получать доходы на отходах (рис. 7) [2].
Рис. 7. Принципиальная схема биогазовой устан
Преимущество использования биогаза – широкая область его применения:
1. Cырьё для производства электроэнергии.
2. Cырьё для автомобильного топлива.
3. Удовлетворение энергетических потребностей малых и средних хозяйств.
4. Решение проблемы утилизации натуральных отходов.
Несмотря на то, что это дешёвый и экологически безопасный источник энергии, биогаз только набирает популярность в республике. Развитие биогазовых технологий позволит осуществить на практике целый ряд положительных мер в сфере агропромышленного хозяйства. Экономические перспективы Таджикистана могут стать благоприятными, если стране удастся воспользоваться преимуществами потенциала возобновляемых источников энергии, к которым относится и биогаз.
Список литературы
1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. – М.: Колос, 1982. – 150 с.
2. Благутина, В.В. Биоресурсы / В.В. Благутина // Химия и жизнь ХХI век. – 2007. – № 1. – С. 36-39.
3. Технология производства биогаза: виды, плюсы и минусы // Ваш досуг URL: https://novikovnn.ru/hunting/biogazovaa-ustanovka-ili-biogenerator-sfera-primenenia-vidy-biotopliva-i-princip-ego-polucenia.html (дата обращения: 15.09.2024).
4. Малофеев В.М. Биотехнология и охрана окружающей среды: Учебное пособие. – М.: Издательство Арктос, 1998. – 188 с. Мировое производство биогаза – отчёт МЭА.
5. Петров Г.Н., Ахмедов Х.М., Кабутов К., Каримов Х.С. Возможности использования возобновляемых источников энергии в Таджикистане // Известия Академии наук республики Таджикистан отделение физико-математических, химических, геологических и технических наук. – 2009. – № 4.
6. Сухотько Г.В. Получение биогаза путём утилизации отходов. Материалы Международный конкурс исследовательских работ школьников Research start 2018/2019.
7. Соотношение экологической геологии с геоэкологией // Экологическая геология. Все об экологической геологии URL: https://eco-geo.space/struktura-jekologicheskoj-geologii/sootnoshenie-jekologicheskoj-geologii-s-geojekologiej.html (дата обращения: 15.07.2024).
