TWO STAGE DIGESTION OF FOOD WASTE
The Cabinet of Ministers of Ukraine approved the National Waste Management Strategy until 2030. In this regard, the processing of biodegradable waste, including food waste, using controlled biotechnological processes, in which organic substances are transformed into biogas, is relevant. The article...
Saved in:
| Date: | 2022 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2022
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/350 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103544112709632 |
|---|---|
| author | Chetveryk, H. |
| author_facet | Chetveryk, H. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "H. Chetveryk",
"institution": "Institute of Renewable Energy of NAS of Ukraine, senior researcher, PhD"
}
] |
| author_sort | Chetveryk, H. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:17Z |
| description | The Cabinet of Ministers of Ukraine approved the National Waste Management Strategy until 2030. In this regard, the processing of biodegradable waste, including food waste, using controlled biotechnological processes, in which organic substances are transformed into biogas, is relevant. The article is devoted to determining the methane potential of food waste during its digestion in two stages and specifying the mathematical model of the dynamics of biogas yield. A test was performed to determine the methane potential of food waste under the condition that the process of anaerobic methane digestion was divided into two stages - hydrolysis and methanogenesis. The methane potential of food waste was assessed. The mathematical model of the dynamics of biogas yield was refined, taking into account the obtained experimental data, which made it possible to determine the duration of the hydrolysis stage, the duration of the methanogenesis stage, the biogas potential of the organic substrate, and the intensity of biogas yield. The main problem solved in this study was to ensure the stability of biogas output under the condition of rapid decomposition of organic matter during the digestion of food waste. The problem was solved by dividing the digestion process into two stages. This is explained by the fact that in this way the degree of inhibition of the methanogenesis process by decomposition products at the stage of hydrolysis decreased. The practical significance of the obtained results lies in their use for the design of industrial biogas stations, complexes or plants in which food waste is digested. The duration of the stages for digestion of food waste makes it possible to determine the ratio between the volume of hydrolysis and methanogenesis reactors for industrial biogas plants. It was found that for the continuous mode of digestion of food waste, the volume of the container for storing the prepared daily loading dose and the hydrolysis reactor are the same. The yield of methane from a unit of the initial value of organic matter of food waste was estimated. It is shown that food waste is a promising organic substrate for obtaining biogas. In Ukraine, up to 500 million tons of waste is generated annually, a significant part of which is food waste from 35% to 49% with an organic matter content of 20% to 25%. The biogas potential of food waste is more than 500 m3 of biogas from a ton of organic matter. Bibl. 20, tabl. 6, fig. 2. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2022.2(69).90-98 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:38:45Z |
| format | Article |
| fulltext |
90
© Г. О. Четверик https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
Відновлювана енергетика, 2022. | Біоенергетика
УДК 628.35
ДВОСТАДІЙНЕ ЗБРОДЖУВАННЯ ХАРЧОВИХ ВІДХОДІВ
Отримано 11 бер. 2022; рекомендовано до публікації 6 черв. 2022
Доступно онлайн 30 черв. 2022
Г. О. Четверик
Автор для кореспонденції: Г. О. Четверик
e-mail: biomassa@ukr.net
Кабінет Міністрів України схвалив Національну стратегію управління відходами до 2030 року. У зв’язку
з цим актуальним є перероблення відходів, що біологічно розкладаються, зокрема й харчових відходів, з
використанням керованих біотехнологічних процесів, під час яких відбувається перетворення органіч-
них речовин у біогаз. Стаття присвячена визначенню метанового потенціалу харчових відходів при
їхньому зброджуванні у дві стадії та уточненню математичної моделі динаміки виходу біогазу. Вико-
нано тест із визначення метанового потенціалу харчових відходів за умови, що процес анаеробного
метанового зброджування був розділений на дві стадії – гідролізу і метаногенезу. Наведено результа-
ти експериментів з метанової анаеробної переробки модельного зразка харчових відходів. Оцінено ме-
тановий потенціал харчових відходів. Уточнено математичну модель динаміки виходу біогазу з ураху-
ванням отриманих експериментальних даних, що дало змогу визначити тривалість стадій гідролізу і
метаногенезу, біогазовий потенціал органічного субстрату, інтенсивність виходу біогазу. Основною
проблемою, що вирішувалась у цьому дослідженні, було забезпечення стабільності виходу біогазу за
умови швидкого розпаду органічної речовини при зброджуванні харчових відходів. Проблему було вирі-
шено шляхом розділення процесу зброджування на дві стадії. Пояснюється це тим, що у такий спосіб
знизився ступінь інгібування процесу метаногенезу продуктами розпаду на стадії гідролізу. Практичне
значення отриманих результатів полягає в їхньому використанні для проєктування промислових біо-
газових станцій, комплексів або заводів, в яких зброджують харчові відходи. Тривалість стадій для
зброджування харчових відходів дає змогу визначити співвідношення між об’ємом реакторів гідролізу
та метаногенезу для промислових біогазових станцій. З’ясовано, що для безперервного режиму збро-
джування харчових відходів об’єм ємності для зберігання підготовленої добової дози завантаження і
реактора гідролізу однакові. Показано, що харчові відходи є перспективним органічним субстратом
для отримання біогазу. В Україні щорічно утворюється до 500 млн тонн відходів, значну частину яких
складають харчові відходи (від 35 до 49 %) з вмістом органічної речовини від 20 до 25 %. Біогазовий по-
тенціал харчових відходів становить понад 500 м3 біогазу з тонни органічної речовини. Бібл. 20,
табл. 6, рис. 2.
Ключові слова: біогаз, органічні субстрати, харчові відходи, зброджування, метановий потенціал.
канд. техн. наук, старший науковий співробітник
Інституту відновлюваної енергетики НАН України,
кандидат технічних наук https://orcid.org/0000-0001-
9398-1968
TWO STAGE DIGESTION OF FOOD WASTE
Received 11 Mar 2022; accepted 6 June 2022.
Available online 30 June 2022
H. Chetveryk
Author for correspondence: Henadiy Chetveryk
e-mail: biomassa@ukr.net
The Cabinet of Ministers of Ukraine approved the National Waste Management Strategy until 2030. In this regard, the pro-
cessing of biodegradable waste, including food waste, using controlled biotechnological processes, in which organic sub-
stances are transformed into biogas, is relevant. The article is devoted to determining the methane potential of food waste
Institute of Renewable Energy of NAS of Ukraine, sen-
ior researcher, PhD https://orcid.org/0000-0001-9398-
1968
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
https://orcid.org/0000-0001-9398-1968
https://orcid.org/0000-0001-9398-1968
https://orcid.org/0000-0001-9398-1968
https://orcid.org/0000-0001-9398-1968
91
© Г. О. Четверик https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
Відновлювана енергетика, 2022. | Біоенергетика
Вступ. Щорічно в Україні, за даними Міністерства захис-
ту довкілля та природних ресурсів України, утворюється
до 500 млн тонн відходів, значну частину яких складають
харчові відходи (від 35 до 49 %) з вмістом органічної ре-
човини від 20 до 25 [1–3]. Кабінет Міністрів України схва-
лив Національну стратегію управління відходами до 2030
року. У зв’язку з цим актуальним є перероблення відхо-
дів, що біологічно розкладаються, зокрема й харчових
відходів.
Постановка завдання. Складність визначення метаново-
го потенціалу харчових відходів полягає у тому, що вони
мають низьке значення pH і містять велику кількість легко
зброджуваних компонентів у своєму складі (до 85 % орга-
нічної речовини), зокрема вуглеводів, що призводить до
стрімкого перебігу реакції гідролізу, в результаті якої ви-
никає закиснення середовища [4, 5]. Для субстратів, які
швидко розщеплюються або мають схильність до окис-
лення, здебільшого використовують двостадійну техно-
логію [6–7]. Для цієї технології послідовно поєднують два
біогазових реактори. Кислототенк зазвичай необхідний
для переробки легкозброджуваних компонентів субстра-
ту, доброджувач призначений для переробки важкозб-
роджуваних компонентів субстрату. Розділення процесу
зброджування органічних субстратів на дві стадії замість
однієї приводить до зниження інгібування метаногенезу.
Іншими способами уникнення інгібування стадії метано-
генезу є попередня термічна або хімічна обробка харчо-
вих відходів і підтримання значення pH середовища.
Завдяки моделюванню процесу метанового зброджуван-
ня можна прогнозувати значення концентрацій компоне-
нтів органічних субстратів, мікробних популяцій та цільо-
вих продуктів у реакторі біогазової станції в довільний
момент часу, що дає змогу перевірити різні рішення для
технічних заходів, спрямованих на оптимізацію процесу
перетворення органічних речовин в біогаз.
Модель, розроблена Ж. Батстоуном, описує процес мета-
нового зброджування в проточному реакторі постійного
об’єму найбільш повно та вичерпно. Початковий склад
субстрату визначається вмістом білків, жирів, вуглеводів,
інертної розчиненої та нерозчиненої складових. Ця мо-
дель містить 32 змінних величини концентрацій, що опи-
сують 19 біохімічних процесів. Застосування такої моделі
передбачає значну кількість дослідів, для того щоб визна-
чити коефіцієнти кінетичних параметрів [8–9]. З енергети-
чної точки зору можна отримати динаміку виходу біогазу
без опису зростання мікробних популяцій, використавши
модель Гомпертца [10–12].
Показниками, які характеризують процес перетворення
органічних речовин досліджуваного субстрату в біогаз, є
ступінь деструкції органічної речовини і метановий поте-
нціал субстрату. Показниками, що характеризують дина-
міку виходу біогазу, є інтенсивність виходу біогазу, трива-
лість лаг-фази, біогазовий потенціал.
Метою роботи є визначення метанового потенціалу хар-
чових відходів при їхньому зброджуванні у дві стадії та
уточнення математичної моделі динаміки виходу біогазу.
Для досягнення поставленої мети сформульовано такі
завдання: 1. Визначити вміст сухої речовини (СР) в органі-
чних субстратах і вміст золи в СР на початку й наприкінці
експерименту, що дасть змогу обчислити ступінь деструк-
ції органічної речовини і виконати вимірювання об’єму
виробленого біогазу, що дасть змогу оцінити значення
метанового потенціалу харчових відходів; 2. Уточнити
математичну модель динаміки виходу біогазу з урахуван-
ням експериментальних даних.
Виклад основного матеріалу. Експериментальні дослі-
дження проведено за такою послідовною схемою: було
взято коров’ячий гній, який містив власну клітинну біома-
су, і проведено експеримент із його зброджування, в ре-
зультаті чого було отримано інокулят; наступним кроком
було зброджено модельний зразок харчових відходів у
дві стадії. У першому реакторі зброджено коров’ячий гній
з додаванням одержаного інокуляту, при цьому процес
було зупинено при затуханні фази експоненціального
зростання виходу біогазу. В другому реакторі було прове-
дено гідроліз харчових відходів з додаванням до них
during its digestion in two stages and specifying the mathematical model of the dynamics of biogas yield. A test was per-
formed to determine the methane potential of food waste under the condition that the process of anaerobic methane diges-
tion was divided into two stages - hydrolysis and methanogenesis. The methane potential of food waste was assessed. The
mathematical model of the dynamics of biogas yield was refined, taking into account the obtained experimental data, which
made it possible to determine the duration of the hydrolysis stage, the duration of the methanogenesis stage, the biogas
potential of the organic substrate, and the intensity of biogas yield. The main problem solved in this study was to ensure the
stability of biogas output under the condition of rapid decomposition of organic matter during the digestion of food waste.
The problem was solved by dividing the digestion process into two stages. This is explained by the fact that in this way the
degree of inhibition of the methanogenesis process by decomposition products at the stage of hydrolysis decreased. The
practical significance of the obtained results lies in their use for the design of industrial biogas stations, complexes or plants
in which food waste is digested. The duration of the stages for digestion of food waste makes it possible to determine the
ratio between the volume of hydrolysis and methanogenesis reactors for industrial biogas plants. It was found that for the
continuous mode of digestion of food waste, the volume of the container for storing the prepared daily loading dose and the
hydrolysis reactor are the same. The yield of methane from a unit of the initial value of organic matter of food waste was
estimated. It is shown that food waste is a promising organic substrate for obtaining biogas. In Ukraine, up to 500 million
tons of waste is generated annually, a significant part of which is food waste from 35% to 49% with an organic matter con-
tent of 20% to 25%. The biogas potential of food waste is more than 500 m3 of biogas from a ton of organic matter. Bibl. 20,
tabl. 6, fig. 2.
Keywords: biogas, organic substrates, food waste, digestion, methane potential.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
92
© Г. О. Четверик https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
Відновлювана енергетика, 2022. | Біоенергетика
одержаного інокуляту (дослід у другому реакторі було
розпочато пізніше за часом, ніж у першому реакторі, оскі-
льки зазвичай гідроліз триває 1-2 доби, а зброджування
коров’ячого гною 20–30 діб); вміст другого реактора було
поміщено до першого реактора для доброджування хар-
чових відходів.
Загалом було підготовлено шість субстратів (три однако-
вих за складом субстрати містили харчові відходи та іно-
кулят, вони були поміщені в реактори ХВ-1г, ХВ-2г, ХВ-3г
відповідно, три однакових за складом субстрати містили
коров’ячий гній, інокулят та дистильовану воду, вони бу-
ли поміщені в реактори ХВ-1м, ХВ-2м, ХВ-3м відповідно).
Харчові відходи зазвичай містять: відходи картоплі, луш-
пиння; відходи овочів та фруктів; кістки; м’ясні і рибні
відходи; відходи хлібобулочних виробів; яєчну шкаралу-
пу; відходи молочної продукції тощо. В табл. 1 наведено
склад модельного зразку харчових відходів.
Таблиця 1. Компонентий склад модельного зразка хар-
чових відходів
Table 1. Component composition of a model sample of food
waste
Модельний зразок харчових відходів за своїм складом
наближено відповідає харчовим відходам в Україні. Хар-
чові відходи подрібнювали і доводили до гомогенного
стану протягом 5–10 хв побутовим блендером.
Вміст СР в органічних субстратах, а саме: модельному
зразку харчових відходів, інокуляті – та вміст золи в СР
визначали гравіметричним методом згідно з ДСТУ EN
12048:2005 [13] і ГОСТ 26714-85 [14] відповідно.
Вміст СР в органічному субстраті визначали за методи-
кою, наближеною до вимог ДСТУ EN 12048:2005. Викори-
стовували шафу сушильну «ШСУ-М», в яку було вмонто-
вано терморегулятор з можливістю підтримувати темпе-
ратуру повітря в шафі до 130 °С, дискретність вимірювань
температури 0,1 °С; ваги електронні цифрові «JY-200»,
діапазон вимірювань ваги до 200 г, точність вимірювань
ваги 0,01 г.
Вміст золи у сухому залишку вимірювали за методикою,
наближеною до вимог ГОСТ 26714-86. Використовували
піч муфельну «ГМ-8», діапазон температур повітря у печі
від 100 до 900 °С, дискретність вимірювань температури
1 °С; ваги електронні цифрові «JY-200».
Температуру повітря в термостаті підтримували терморе-
гулятором «ТК-3», діапазон температури повітря від -55
до +125 °С, дискретність вимірювань і крок регулювання
температури становить 0,1 °С. Підтримувану температуру
повітря на терморегуляторі задали 36,1 °С, гістерезис те-
мператури повітря 0,2 °С. Поточне значення температури
повітря в термостаті вимірювали виносним цифровим
датчиком «DS18B20».
Об’єм виробленого біогазу вимірювали візуально за по-
казами рухомої частини газгольдера і приводили до нор-
мальних умов для сухого газу [15].
(1)
де: , К та , кПа – температура та атмосферний тиск
за нормальних умов відповідно; , К та , кПа – тем-
пература та атмосферний тиск в приміщенні лабораторії,
при яких виконували вимірювання; – об’єм виробле-
ного біогазу в умовах навколишнього середовища, см3;
– тиск насиченої водяної пари, кПа.
Кумулятивний вихід біогазу на момент часу об-
числювали за такою залежністю
(2)
де , дм3 – об’єм виробленого біогазу за нор-
мальних умов за проміжок часу .
Початкове значення СОР у субстраті обчислювали за зале-
жністю [13]
, (3)
де: – вага свіжого субстрату, г; – вміст сухої речо-
вини в органічному субстраті; – вміст золи у сухому
залишку.
Ступінь деструкції СОР субстрату обчислювали за
залежністю [16]
, (4)
де: – вміст СОР в органічному субстраті на початку
експерименту; – вміст СОР в органічному субстраті
в кінці експерименту, г.
Найменування компонентів у
складі модельного зразка
Частка за вагою, %
Картопля та лушпиння 40
Овочеві відходи 12
Фруктові відходи 12
Хлібобулочні відходи 10
Молочні відходи 10
М’ясні відходи 5
Рибні відходи 5
Кістки 5
Яєчна шкаралупа 1
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
93
© Г. О. Четверик https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
Відновлювана енергетика, 2022. | Біоенергетика
Вміст СОР в субстраті обчислювали за залежністю
[13]
, (5)
де: – вага сухої речовини, г; – вага золи у сухому
залишку, г.
Усереднене значення кумулятивного виходу біогазу об-
числювали як середнє арифметичне за трьома повтора-
ми [15]
, (6)
де: – усереднене значення кумулятивного виходу
біогазу, см3 БГ/г СОРсв; – i-те значення кумулятивно-
го виходу біогазу, см3 БГ/г СОРсв.
Відхилення i-го кумулятивного виходу біогазу від усеред-
неного значення кумулятивного виходу біогазу на час
завершення експерименту обчислювали як [15]
, (7)
Відхилення добового виходу біогазу по відношенню до
кумулятивного виходу біогазу на добу експери-
менту обчислювали як [15]
, (8)
де – усереднене значення кумулятивного виходу
біогазу на добу експерименту, г.
С. Боразані експериментально показав, що динаміка ку-
мулятивного виходу біогазу для процесу гідролізу під час
анаеробного зброджування харчових відходів узгоджу-
ється з лінійною залежністю [17]. Динаміку кумулятивно-
го виходу біогазу на стадії гідролізу описували лінійною
залежністю
, (9)
де коефіцієнти рівняння (9) – це константи, які визнача-
ють шляхом апроксимації кривої (9) до отриманих експе-
риментальних даних.
М. Яхай і К. Херманн показали, що процес зброджування
харчових відходів найкраще описувати залежністю Гом-
пертца [12]. Динаміку кумулятивного виходу біогазу на
стадії метаногенезу описували залежністю Гомпертца
, (10)
де: – біогазовий потенціал органічного субстрату, см3
БГ/г СОРсв,ХВ; – інтенсивність виходу біогазу, см3 БГ/г
СОРсв,ХВ∙добу; – тривалість лаг-фази, доба.
Динаміку кумулятивного виходу біогазу під час метаново-
го зброджування харчових відходів описували як супер-
позицію двох функціональних залежностей (9) і (10)
, (11)
Для виконання тесту з визначення біогазового або мета-
нового потенціалу органічних субстратів було створено
лабораторну установку, схему якої зображено на рис. 1.
Рис. 1. Схема лабораторної установки:
1 – термостат; 2 – реактори; 3 – терморегулятор з
нагрівачем; 4 ‒ газгольдери; А1 – субстрат на основі
харчових відходів; А2 – субстрат на основі коров’ячого
гною; В – біогаз; С ‒ розчин NaCl.
Figure 1. Scheme of the laboratory installation:
1 – thermostat; 2 – reactors; 3 – thermostat with heater; 4 ‒
gasholders; A1 – substrate based on food waste; A2 – sub-
strate based on cow manure; B – biogas; C - NaCl solution.
Постійна температура повітря всередині теплоізольова-
них термостатів (1) підтримується терморегулятором з
нагрівачем (3). Газгольдери (4) герметично з’єднані з реа-
кторами (2) гнучкими трубками. Нерухома частина газго-
льдерів виставлена горизонтально та заповнена 5%-м
розчином NaCl для запобігання розчинення вуглекислого
газу у воді. На рухомій частині газгольдерів нанесені від-
мітки для визначення об’єму виробленого біогазу.
Експеримент був виконаний у мезофільному ре-
жимі. Підтримувану температуру повітря на терморегуля-
торі задали 36,1 ºС, а гістерезис температури повітря 0,2
ºС. При цьому температура повітря в термостаті, де були
розміщені реактори з органічними субстратами, колива-
лась від 35,4 до 36,6 °С.
ус,ХВ
P
maxI
L
ус, ус, 1
ус,
ХВ ХВ
100 %
ХВ
БГ,гY ( ) А B
БГ БГ,г БГ,мY ( ) Y ( ) Y ( )
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
94
© Г. О. Четверик https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
Відновлювана енергетика, 2022. | Біоенергетика
Визначені такі характеристики харчових відходів: вміст СР
в субстраті становив 20,2 %, вміст золи в СР – 5,9 %. Ви-
значено такі характеристики інокуляту: вміст СР в субстра-
ті становив 5,5 %, вміст золи в СР – 16,4 %. В табл. 2 наве-
дено склад зразків органічного субстрату на основі харчо-
вих відходів.
Таблиця 2. Зразки органічного субстрату на основі хар-
чових відходів
Table 2. Samples of organic substrate based on food waste
М. Кім показав, що співвідношення між органічною речо-
виною досліджуваного субстрату і інокулятом впливає на
тривалість лаг-фази метаногенезу і на константу гідролізу
[18]. Тому співвідношення між харчовими відходами та
інокулятом в органічних субстратах підбирали з таким
розрахунком, щоб співвідношення між СОРсв,ХВ і СОРІН
становило 1:1 згідно з рекомендаціями, наведеними в
роботі [15]. Початкове значення СОР харчових відходів й
інокуляту СОРсв,ХВ і СОРІН обчислили за залежністю (3).
Значення СОРсв,ХВ для органічних субстратів становить
19,0 г. Значення СОРІН становить 18,4 г. Вміст СР в органіч-
них субстратах ХВ-1г, ХВ-2г, ХВ-3г становить 4,2 %.
Визначені такі характеристики коров’ячого гною: вміст СР
в коров’ячому гної становив 17,6 %, вміст золи в СР –
17,1 %. Субстрати розводили дистильованою водою, для
того щоб зменшити вміст СР до 4 %. Початкове значення
СОР коров’ячого гною СОРКГ становить 14,6 г. В табл. 3
наведено склад зразків органічного субстрату на основі
коров’ячого гною.
Таблиця 3. Зразки органічного субстрату на основі коро-
в’ячого гною
Table 3. Samples of organic substrate based on caw manure
Гідроліз харчових відходів. Результати і аналіз. Гідроліз
харчових відходів тривав дві доби, після чого вміст кисло-
тотенка було поміщено в доброджувач, в якому поперед-
ньо зброджували коров’ячий гній. Об’єм виробленого
біогазу вимірювали кожні вісім годин та приводили до
нормальних умов для сухого газу за залежністю (1), куму-
лятивний вихід біогазу обчислювали за залежністю (2).
Значення кумулятивного виходу біогазу визначили в пе-
рерахунку на одиницю початкового значення сухої орга-
нічної речовини харчових відходів СОРсв,ХВ.
В табл. 4 наведено питомий кумулятивний вихід біогазу в
перерахунку на СОРсв,ХВ залежно від тривалості зброджу-
вання τ.
Таблиця 4. Питомий кумулятивний вихід біогазу, перша
стадія зброджування
Table 4. Specific cumulative yield of biogas, the first stage of
digestion
Константи отриманого рівняння регресії до вибіркових
даних визначено методом найменших квадратів за допо-
могою комп’ютерної програми, реалізованої в MathCad. В
табл. 5 наведено значення визначених констант рівняння
(9) і коефіцієнта детермінації апроксимації (R2).
Таблиця 5. Константи рівняння (6) і коефіцієнт детер-
мінації апроксимації
Table 5. Constants of equation (6) and coefficient of determi-
nation of approximation
Очевидно, що починаючи з 32 год лінійну залежність ви-
ходу біогазу було порушено. Отже, приймемо, що гідро-
ліз органічної речовини харчових відходів тривав 24 год.
Тоді рівняння для визначення кумулятивного виходу біо-
газу з часом на першій стадії зброджування таке
, (12)
Найменування
компонентів у
складі органіч-
ного субстрату
Вага, г Вміст
СР, %
СР, г Вміст
золи в
СР, %
СОР,
г
Харчові відходи 100 20,2 20,2 5,9 19,0
Інокулят 200 5,5 22 16,4 18,4
Усього 300 4,2 42,2 11,4 37,4
Наймену-
вання ком-
понентів у
складі ор-
ганічного
Вага,
г
Вміст
СР, %
СР, г Вміст
золи в
СР, %
СОР,
г
Коров’ячий 100 17,6 17,6 17,1 14,6
Інокулят 400 5,5 22 16,4 18,4
Дистильо-
вана вода
500 0 0 0 0
Усього 1000 4,0 39,6 33,0
τ, год Вихід біогазу, см3 БГ/г СОРсв,ХВ
ХВ-1г ХВ-2г ХВ-3г Усереднене
значення
8 3,2 7,2 1,9 4,1
16 8,2 17,5 4,3 10,0
24 11,4 26,5 6,8 14,9
32 11,7 29,6 11,2 17,5
40 11,8 31,4 13,2 18,8
48 11,9 31,8 13,7 19,1
τ, А В R2 Усереднене
значення
8 0,5125 0 1,00 4,1
16 0,625 -0,3 0,99 10
24 0,6325 -0,34 1,00 14,9
32 0,5725 0,14 0,99 17,5
40 0,4968 0,9476 0,96 18,8
48 0,4205 1,9643 0,92 19,1
БГY ( ) 0,6325 0,34, де 1 доба
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
95
© Г. О. Четверик https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
Відновлювана енергетика, 2022. | Біоенергетика
Визначення біогазового потенціалу харчових відходів.
Результати і аналіз. Вміст реакторів ХВ-1г, ХВ-2г і ХВ-3г
змішали з вмістом реакторів ХВ-1м, ХВ-2м і ХВ-3м відпо-
відно.
В табл. 6 наведено питомий кумулятивний вихід біогазу в
перерахунку на СОРсв,ХВ залежно від тривалості зброджу-
вання τ, відхилення добового виходу біогазу по відно-
шенню до кумулятивного виходу біогазу δ, відхилення i-
го кумулятивного виходу біогазу від усередненого зна-
чення кумулятивного виходу біогазу на час завер-
шення експерименту.
Таблиця 6. Питомий кумулятивний вихід біогазу, друга
стадія зброджування
Table 6. Specific cumulative yield of biogas, the second stage
of digestion
Експеримент вважається завершеним, якщо починаючи з
експоненційного зростання об’єму виробленого біогазу
виконується така умова: три дні поспіль добовий вихід
біогазу не перевищує 1 % сумарно отриманого біогазу за
попередній період спостережень [15]. Експеримент було
завершено на 16-ту добу, оскільки δ не перевищував 1 %
за 14–16-ту добу спостережень.
Отримані дані вважаються достовірними, якщо відхилен-
ня виходу біогазу від усередненого значення виходу біо-
газу не перевищує 1 % за 14–16-ту добу згідно з рекомен-
даціями до виконання тесту з визначення біогазового або
метанового потенціалу органічних субстратів [15]. Макси-
мальне відхилення σ становить 2,6 %, тому отримані дані
вважаються достовірними.
Усереднений вихід біогазу з одиниці початкового значен-
ня сухої органічної речовини становить 520,8 см3 БГ/г
СОРсв,ХВ.. Виконані вимірювання об’єму виробленого біо-
газу дали змогу оцінити значення об’єму виробленого
метану. Об’ємна концентрація метану в біогазі, отрима-
ного з різних видів харчових відходів, становить від 53 до
65 % [4, 5]. Будемо вважати, що склад біогазу, отримано-
го з харчових відходів, такий: об’ємна концентрація мета-
ну в біогазі становить 59 %, вуглекислого газу – 39 %, ін-
ших газів – 2 %. Тоді вихід метану з одиниці початкового
значення СОРсв,ХВ становить 307,3 см3 СН4/г СОРсв,ХВ.
Ступінь деструкції СОРсв,ХВ при переробці органічної речо-
вини харчових відходів визначали за залежністю (4). Усе-
реднене значення ступеня деструкції СОРсв,ХВ становить
53,5 %.
Константи рівняння регресії (10) до вибіркових
(експериментальних) даних, визначені методом наймен-
ших квадратів за допомогою комп’ютерної програми,
реалізованої в MathCad, такі: біогазовий потенціал стано-
вить 561 см3 БГ/г СОРсв,ХВ; максимальна інтенсивність ви-
ходу біогазу – 64,2 см3/г СОРсв,ХВ∙добу; тривалість лаг-фази
– 2,1 доби. При цьому коефіцієнт детермінації апрокси-
мації становить 0,99.
Підставивши отримані значення біогазового потенціалу,
максимальної інтенсивності виходу біогазу і тривалості
лаг-фази в залежність (10), отримали таке рівняння вихо-
ду біогазу для другої стадії зброджування
(13)
Тоді кумулятивний вихід біогазу для метанового збро-
джування харчових відходів обчислюємо за такою залеж-
ністю
(14)
На рис. 2 зображено графік кумулятивного виходу біога-
зу, обчисленого за залежністю (14).
i
τ, до-
ба
Вихід біогазу, см3 БГ/г СОРсв,ХВ δ, %
ХВ-1м ХВ-2м ХВ-3м Усере-
днене
зна-
чення
1 4,2 0,5 5,3 3,3
2 14,5 6,9 26,4 15,9 79,2
3 71,2 58,5 85,3 71,7 77,8
4 125,7 107,8 152,9 128,8 44,3
5 180,6 158 194,1 177,6 27,5
6 239,3 217,2 250,7 235,7 24,6
7 312,5 290,4 322 308,3 23,5
8 352,9 330,5 355,7 346,4 11
9 389 375,4 397,1 387,2 10,5
10 443,6 420,1 454,8 439,5 11,9
11 485,3 463,6 497,9 482,3 8,9
12 509,2 484,5 520,6 504,8 4,5
13 518,4 500,9 530,6 516,6 2,3
14 521,4 507,1 533,6 520,7 0,8
15 521,5 507,1 533,8 520,8 0
16 521,5 507,1 533,9 520,8 0
,
%
i 0,1 2,6 2,5
х
х
3
св,ХВ
3
св,ХВ
3
св,Х
Г
В
Б
1, 1 0, 1
Y ( ) [0,6325 0,34] 561 c
0, 1 1, 1
64,2 2,7 (2,1 доба )
exp exp 1
561
м БГ / г СОР
см / г СОР добу
м БГ / г СОР c
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
96
© Г. О. Четверик https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
Відновлювана енергетика, 2022. | Біоенергетика
Рис. 2. Динаміка зміни кумулятивного виходу біогазу при
зброджуванні харчових відходів
Figure 2. Dynamics of cumulative yield of biogas during di-
gestion of food waste
Експоненційна фаза зростання об’єму виробленого біога-
зу почалась приблизно з 3-ї доби і тривала до 12-ї доби,
після чого відбулося різке затухання процесу зброджу-
вання. Друга стадія зброджування харчових відходів три-
вала приблизно 17 діб. Тривалість стадій для зброджу-
вання харчових відходів дає змогу визначити співвідно-
шення між об’ємом реакторів гідролізу та метаногенезу
для промислових біогазових станцій. При цьому реактор
гідролізу і ємність для добової дози завантаження мають
однаковий об’єм.
Основною проблемою зброджування харчових відходів
було забезпечення стабільності виходу біогазу за умови
швидкого розпаду органічної речовини. Для цього необхі-
дно зменшити інгібування виходу метану продуктами
розпаду стадії гідролізу.
На основі аналізу показників, що характеризують процес
перетворення органічних речовин харчових відходів у
біогаз, і показників, що характеризують динаміку виходу
біогазу, в дослідженнях таких науковців, як С. Хоббс,
К. Холігер, М. Яхай, С. Боразані, Е. Портман, можна ствер-
джувати, що за умови стабільного виходу біогазу деструк-
ція органічної речовини різних за своїм складом видів
харчових відходів становить від 40 до 75 %, вихід метану
– від 240 до 450 см3/г СОР; зброджування в періодичному
режимі триває від 10 до 20 діб. Отримані в цій роботі ре-
зультати узгоджуються з раніше опублікованими відоми-
ми результатами. Очевидно, що за рахунок розділення
процесу зброджування на дві стадії було досягнуто стабі-
льного виходу біогазу.
Також було визначено залишковий біогазовий потенціал
органічних субстратів у реакторах ХВ-1м, ХВ-2м і ХВ-3м.
Усереднений вихід біогазу з одиниці початкового значен-
ня СОР становить 62,0 см3 БГ/г СОРКГ. Виконані вимірю-
вання кумулятивного виходу біогазу дали змогу оцінити
значення кумулятивного виходу метану. Будемо вважати,
що склад біогазу, отриманого з коров’ячого гною, такий:
об’ємна концентрація метану в біогазі становить 55 %
[19], об’ємна концентрація вуглекислого газу в біогазі –
43 %, об’ємна концентрація інших газів у біогазі – 2 %.
Тоді вихід метану з одиниці початкового значення сухої
органічної речовини коров’ячого гною становить 34,1 см3
СН4/г СОРКГ станцій, комплексів або заводів.
На етапі проєктування біогазових комплексів, заводів або
станцій важливим завданням є визначення метанового
потенціалу органічних субстратів, які можуть бути першо-
чергово використані для отримання біогазу в біоенерге-
тичних установках. Особливо це стосується субстратів, які
вирізняються непостійністю протягом року та залежні від
географічного розташування місцевості. Тому на біогазо-
вих об’єктах зазвичай створюють лабораторії, де переві-
ряють характеристики вихідного субстрату і виконують
тести з визначення його метанового потенціалу.
Модельний зразок харчових відходів за своїм складом
наближено відповідає харчовим відходам в Україні. Ме-
тодика визначення показників, які характеризують про-
цес перетворення органічних речовин харчових відходів у
біогаз, і уточнена математична модель динаміки виходу
біогазу можуть бути застосовані в разі дослідження хар-
чових відходів, що їх планують використати для отриман-
ня біогазу.
Отримані результати зброджування модельного зразка
харчових відходів були виконані в лабораторних умовах,
вони є підгрунтям для проєктування промислових біога-
зових станцій, комплексів або заводів. К. Холігер виконав
аналіз отриманих результатів роботи промислових біога-
зових станцій з реакторами типу CSTR і дійшов висновку,
що вихід метану на цих установках становить 80–90 %
метанового потенціалу органічних субстратів, використо-
вуваних для одержання біогазу [6].
В Україні працює понад 60 біогазових станцій, комплексів
або заводів, в яких для виробництва біогазу використову-
ють буряковий жом, курячий послід, коров’ячий і свиня-
чий гній, силос кукурудзи і сорго тощо, також біогаз отри-
мують в результаті анаеробного очищення промислових,
господарсько-побутових стічних вод, збирають на поліго-
нах ТПВ. Згідно з директивою ЄС 2018/2001 використову-
вати жом і силос як сировину для біогазу не рекомендо-
вано [20]. В країнах ЄС фінансують виробництво біопали-
ва, яке сприяє зменшенню викидів парникових газів і ви-
робляється з нехарчових рослин і біомаси.
Зазвичай гній змішують з рослинною біомасою для підви-
щення виходу біогазу. З огляду на наведені вище обме-
ження, виникає необхідність пошуку нових видів косубст-
ратів, одним з яких можуть бути харчові відходи, що, як
було показано в цій роботі, не поступаються за метано-
вим потенціалом рослинній біомасі. Серед перспектив
подальших досліджень з урахуванням сучасних тенден-
цій розвитку біоенергетики виділимо дослідження суміс-
ного зброджування традиційних органічних субстратів з
харчовими відходами.
ВИСНОВКИ
1. Визначено ступінь деструкції органічної речовини хар-
чових відходів, який становить 53,5 %, оцінено метановий
потенціал харчових відходів, який становить 307,3 см3
СН4/г СОРсв,ХВ. Показники, що характеризують процес пе-
ретворення органічних речовин харчових відходів у біо-
газ, було визначено в лабораторних умовах у мезофільно-
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
97
© Г. О. Четверик https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
Відновлювана енергетика, 2022. | Біоенергетика
му режимі, при цьому процес анаеробного метанового
зброджування був розділений на дві стадії, а інокулят,
отримано зброджуванням коров’ячого гною. Отримані у
цій роботі результати узгоджуються з раніше опублікова-
ними відомими результатами.
2. Уточнено математичну модель динаміки виходу біога-
зу, яка на відміну від існуючих враховує дві стадії збро-
джування, гідролізу і метаногенезу, що дозволило визна-
чити показники, які характеризують динаміку виходу біо-
газу при зброджуванні харчових відходів.
ПОСИЛАННЯ
1. Ю. Б. Матвєєв, Г. Г.Гелетуха. Перспективи енергетич-
ної утилізації твердих побутових відходів в Україні.
Аналітична записка БАУ № 22. К.: Біоенергетична асо-
ціація України, 2019. 48 с.
2. Прохоренко А. В. “Реконструкція та технічне переосна-
щення полігону твердих побутових відходів у с. Підгір-
ці Київської області”. Кременчук: ТОВ «НВП Агропро-
єкт Україна», 2019. 181 с.
3. Офіційний сайт Міністерства захисту довкілля та при-
родних ресурсів України [Електронний-ресурс]. – Ре-
жим доступу: http://www.mepr.gov.ua (Дата звернен-
ня 15.06.2022 р.)
4. Dhamodharan K., Kumar V., Kalamdhad A. S. “Effect of
different livestock dungs as inoculum on food waste an-
aerobic digestion and its kinetics”. Bioresource Technolo-
gy. 2015. No. 180. Pp. 237–241.
5. Hobbs S. R., Landis A. E., Rittmann B. E., Young M. N.,
“Parameswaran P. Enhancing anaerobic digestion of food
waste through biochemical methane potential assays at
different substrate: inoculum ratios”. Waste Manage-
ment (Scopus, SNIP – 2,167). 2018. No. 71. Pp. 612–617.
6. Holliger C., Lactos H., Hack G. “Methane production of
full scale anaerobic digestion plants calculated from sub-
strates biomethane potentials compares well with one
measured on site”. Frontiers in Energy Research (Scopus,
SNIP – 0,914). 2017. Vol. 5.
7. Porman E., Schnurer A., Bjorn A., Moestedt J. “Serial an-
aerobic digestion improves protein degradation and bio-
mass production from mixed food waste”. Biomass and
bioenergy (Scopus, SNIP – 1,387). 2022. Vol. 161. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106478.
8. Batstone D.J., Keller J., Angeladaki I. et al. The IWA An-
aerobic Digestion Model No. 1. Water Science and Tech-
nology (Scopus, SNIP – 0,648). London: IWA Publishing.
2002. Vol. 45. No. 10. Pp. 65 – 73.
9. Zvietering M., Jongenburger I., Rombouts F., Vant Riet K.
Modeling of the bacterial growth curve. Applied and en-
vironmental microbiology (Scopus, SNIP – 1,281). 1990.
No. 56. Pp. 1875–1881.
10. Adamu A., Aluyor E. Empirical model for predicting rate
of biogas production. Global journal for engineering re-
search. 2013. Vol. 12. Pp. 63–68.
11. Deepanraj B., Senthilkumar N., Ranjitha J. Effect of solid
concentration on biogas production through anaerobic
digestion of rapeseed oil cake. Energy sources. 2021. Vol.
43. Iss. 11. Pp. 63–68.
12. Yahya M., Hermann C., Ismaili S., Jost C., Truppel I., Ghor-
bal A. Kinetic studies for hydrogen and methane co-
production from food wastes using multiple models. Bio-
mass and bioenergy (Scopus, SNIP – 1,387). 2022. Vol.
161. DOI: https://doi.org/10.1016/
j.biombioe.2022.106449.
13. Добрива тверді та вапнувальні матеріали. Визначення
вмісту вологи гравіметричним методом. Висушування
за температури 105±2°С: ДСТУ EN 12048:2005. – К.:
Держспоживстандарт України, 2006.
14. Удобрения органические. Метод определения золы:
ГОСТ 26714-85. – М.: Государственный комитет СССР
по стандартам, 1987.
15. Automatical methane potential test system. Operation
and maintenance manual. – Lund: Bioprocess control
Sweden, 2016.
16. Pecar D., Gorsek A. Kinetics of methane production dur-
ing anaerobic digestion of chicken manure with sawdust
and miscanthus. Biomass and bioenergy (Scopus, SNIP –
1,387). 2020. Vol. 143.
17. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105820.
18. Borazjani S., Capela I., Tarelha L. Over-acidification con-
trol strategies for enhanced biogas production from an-
aerobic digestion: A review. Biomass and bioenergy
(Scopus, SNIP – 1,387).. 2020. Vol. 143. DOI: https://
doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105833.
19. Kim M., Kim S. Condition of lag-phase reduction during
anaerobic digestion of protein for high efficiency biogas
production. Biomass and bioenergy (Scopus, SNIP –
1,387). 2020. Vol. 143. DOI: https://doi.org/10.1016/
j.biombioe.2022.105813.
20. Едер Б., Шульц Х. Біогазові установки. Посібник. Пере-
клад під. ред. Реддіх І.Г. К.: Зорг Україна, 2011. 268 с.
21. Renewable Energy Directive – RED II. Directive (EU)
2018/2001 of the European Parliament and of the Coun-
cil of 11 December 2018. [Електронний-ресурс]. – Ре-
жим доступу: https://lexparency.org/eu/32018L2001
(Дата звернення 15.06.2022 р.)
REFERENCES
1. Matvyeyev YU. B., Heletukha H. H. Prospects of energy
utilization of solid household waste in Ukraine. Anali-
tychna zapyska BAU № 22. – K.: Bioenerhetychna asot-
siatsiya Ukrayiny, 2019. – 48 p. [in Ukrainian].
2. Prokhorenko A.V. Reconstruction and technical re-
equipment of the solid household waste landfill in the
village of Pidhirtsi, Kyiv region. Kremenchuk: TOV «NVP
Ahroproyekt Ukrayina», 2019. 181 p. (in Ukrainian).
3. Official website of the Ministry of Environmental Protec-
tion and Natural Resources of Ukraine. [Online]. Availa-
ble: http://www.mepr.gov.ua (Data zvernennya
15.06.2022 r). (in Ukrainian).
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
http://www.mepr.gov.ua
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106478.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106449.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106449.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105820.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105833.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105833.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105813.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105813.
https://lexparency.org/eu/32018L2001
http://www.mepr.gov.ua
98
© Г. О. Четверик https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
Відновлювана енергетика, 2022. | Біоенергетика
4. Dhamodharan K., Kumar V., Kalamdhad A. S. Effect of
different livestock dungs as inoculum on food waste an-
aerobic digestion and its kinetics. Bioresource Technolo-
gy. 2015. No. 180. Pp. 237–241.
5. Hobbs S. R., Landis A. E., Rittmann B. E., Young M. N.,
Parameswaran P. Enhancing anaerobic digestion of food
waste through biochemical methane potential assays at
different substrate: inoculum ratios. Waste Management.
2018. No. 71. Pp. 612–617.
6. Holliger C., Lactos H., Hack G. Methane production of full
scale anaerobic digestion plants calculated from sub-
strates biomethane potentials compares well with one
measured on site. Frontiers in Energy Research. 2017.
Vol. 5.
7. Porman E., Schnurer A., Bjorn A., Moestedt J. Serial an-
aerobic digestion improves protein degradation and bio-
mass production from mixed food waste. Biomass and
bioenergy. 2022. Vol. 161. DOI: https://doi.org/10.1016/
j.biombioe.2022.106478.
8. Batstone D. J., Keller J., Angeladaki I. et al. The IWA An-
aerobic Digestion Model No. 1. Water Science and Tech-
nology. London: IWA Publishing, 2002. Vol. 45. No. 10.
Pp. 65–73.
9. Zvietering M., Jongenburger I., Rombouts F., Vant Riet K.
Modeling of the bacterial growth curve. Applied and en-
vironmental microbiology. 1990. No. 56. Pp. 1875–1881.
10. Adamu A., Aluyor E. Empirical model for predicting rate
of biogas production. Global journal for engineering re-
search. 2013. Vol. 12. Pp. 63–68.
11. Deepanraj B., Senthilkumar N., Ranjitha J. Effect of solid
concentration in biogas production through anaerobic
digestion of rapeseed oil cake. Energy sources. 2021. Vol.
43. Iss. 11. Pp. 63–68.
12. Yahya M., Hermann C., Ismaili S., Jost C., Truppel I., Ghor-
bal A. Kinetic studies for hydrogen and methane co-
production from food wastes using multiple models. Bio-
mass and bioenergy. 2022. Vol. 161. DOI: https://
doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106449.
13. State Standard EN 12048:2005. Fertilizers for solid and
lime materials. Determination of moisture content by
gravimetric method. Drying at 105 ± 2 °С. State Com-
mittee of Ukraine for Technical Regulation and Consumer
Policy Publ. Кyiv. 2006. (in Ukrainian)
14. GOST 26714–85. Udobreniya organicheskie. Metod opre-
deleniya zoly. M. Gosudarstvennyy komitet SSSR po
standartam, 1987. 8 p. (in Russian).
15. Automatical methane potential test system. Operation
and maintenance manual. Lund. Bioprocess control Swe-
den AB. 2016. 95 p.
16. Pecar D., Gorsek A. Kinetics of methane production dur-
ing anaerobic digestion of chicken manure with sawdust
and miscanthus. Biomass and bioenergy. 2020. Vol. 143.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105820.
17. Borazjani S., Capela I., Tarelha L. Over-acidification con-
trol strategies for enhanced biogas production from an-
aerobic digestion: A review. Biomass and bioenergy.
2020. Vol. 143. DOI: https://doi.org/10.1016/
j.biombioe.2022.105833.
18. Kim M., Kim S. Condition of lag-phase reduction during
anaerobic digestion of protein for high efficiency biogas
production. Biomass and bioenergy. 2020. Vol. 143. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105813.
19. Eder B., Shulʹts Kh. Biogas plants. Manual. Pereklad pid.
red. Reddikh I. H. K.: Zorh Ukraine, 2011. 268 p. (in
Ukrainian).
20. Renewable Energy Directive – RED II. Directive (EU)
2018/2001 of the European Parliament and of the Coun-
cil of 11 December 2018. [Online]. Available: https://
lexparency.org/eu/32018L2001 (Data zvernennya
15.06.2022 r)
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.2(69)856
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106478.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106478.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106449.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106449.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105820.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105833.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105833.
https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.105813.
https://lexparency.org/eu/32018L2001
https://lexparency.org/eu/32018L2001
|
| id | veorgua-article-350 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:09:53Z |
| publishDate | 2022 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/95/e106607cb85d91bdf40958a9579a7295.pdf |
| spelling | veorgua-article-3502026-07-18T06:32:17Z TWO STAGE DIGESTION OF FOOD WASTE ДВОСТАДІЙНЕ ЗБРОДЖУВАННЯ ХАРЧОВИХ ВІДХОДІВ Chetveryk, H. biogas organic substrates food waste digestion methane potential біогаз органічні субстрати харчові відходи зброджування метановий потенціал The Cabinet of Ministers of Ukraine approved the National Waste Management Strategy until 2030. In this regard, the processing of biodegradable waste, including food waste, using controlled biotechnological processes, in which organic substances are transformed into biogas, is relevant. The article is devoted to determining the methane potential of food waste during its digestion in two stages and specifying the mathematical model of the dynamics of biogas yield. A test was performed to determine the methane potential of food waste under the condition that the process of anaerobic methane digestion was divided into two stages - hydrolysis and methanogenesis. The methane potential of food waste was assessed. The mathematical model of the dynamics of biogas yield was refined, taking into account the obtained experimental data, which made it possible to determine the duration of the hydrolysis stage, the duration of the methanogenesis stage, the biogas potential of the organic substrate, and the intensity of biogas yield. The main problem solved in this study was to ensure the stability of biogas output under the condition of rapid decomposition of organic matter during the digestion of food waste. The problem was solved by dividing the digestion process into two stages. This is explained by the fact that in this way the degree of inhibition of the methanogenesis process by decomposition products at the stage of hydrolysis decreased. The practical significance of the obtained results lies in their use for the design of industrial biogas stations, complexes or plants in which food waste is digested. The duration of the stages for digestion of food waste makes it possible to determine the ratio between the volume of hydrolysis and methanogenesis reactors for industrial biogas plants. It was found that for the continuous mode of digestion of food waste, the volume of the container for storing the prepared daily loading dose and the hydrolysis reactor are the same. The yield of methane from a unit of the initial value of organic matter of food waste was estimated. It is shown that food waste is a promising organic substrate for obtaining biogas. In Ukraine, up to 500 million tons of waste is generated annually, a significant part of which is food waste from 35% to 49% with an organic matter content of 20% to 25%. The biogas potential of food waste is more than 500 m3 of biogas from a ton of organic matter. Bibl. 20, tabl. 6, fig. 2. Кабінет Міністрів України схвалив Національну стратегію управління відходами до 2030 року. У зв’язку з цим актуальним є перероблення відходів, що біологічно розкладаються, зокрема й харчових відходів, з використанням керованих біотехнологічних процесів, під час яких відбувається перетворення органічних речовин у біогаз. Стаття присвячена визначенню метанового потенціалу харчових відходів при їхньому зброджуванні у дві стадії та уточненню математичної моделі динаміки виходу біогазу. Виконано тест із визначення метанового потенціалу харчових відходів за умови, що процес анаеробного метанового зброджування був розділений на дві стадії – гідролізу і метаногенезу. Наведено результати експериментів з метанової анаеробної переробки модельного зразка харчових відходів. Оцінено метановий потенціал харчових відходів. Уточнено математичну модель динаміки виходу біогазу з урахуванням отриманих експериментальних даних, що дало змогу визначити тривалість стадій гідролізу і метаногенезу, біогазовий потенціал органічного субстрату, інтенсивність виходу біогазу. Основною проблемою, що вирішувалась у цьому дослідженні було забезпечення стабільності виходу біогазу за умови швидкого розпаду органічної речовини при зброджуванні харчових відходів. Проблему було вирішено шляхом розділення процесу зброджування на дві стадії. Пояснюється це тим, що у такий спосіб знизився ступінь інгібування процесу метаногенезу продуктами розпаду на стадії гідролізу. Практичне значення отриманих результатів полягає в їхньому використанні для проєктування промислових біогазових станцій, комплексів або заводів, в яких зброджують харчові відходи. Тривалість стадій для зброджування харчових відходів дає змогу визначити співвідношення між об’ємом реакторів гідролізу та метаногенезу для промислових біогазових станцій. З’ясовано, що для безперервного режиму зброджування харчових відходів об’єм ємності для зберігання підготовленої добової дози завантаження і реактора гідролізу однакові. Показано, що харчові відходи є перспективним органічним субстратом для отримання біогазу. В Україні щорічно утворюється до 500 млн тонн відходів, значну частину яких складають харчові відходи (від 35 до 49%) з вмістом органічної речовини від 20 до 25 %. Біогазовий потенціал харчових відходів становить понад 500 м3 біогазу з тонни органічної речовини. Бібл. 20, табл. 6, рис. 2. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2022-09-20 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/350 10.36296/1819-8058.2022.2(69).90-98 Vidnovluvana energetika ; No. 2(69) (2022): Scientific and Applied Journal Vidnovliuvana energetyka; 90-98 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2(69) (2022): Scientific and Applied Journal Vidnovliuvana energetyka; 90-98 Відновлювана енергетика; № 2(69) (2022): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 90-98 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2022.2(69) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/350/270 Copyright (c) 2022 H. Chetveryk https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | biogas organic substrates food waste digestion methane potential Chetveryk, H. TWO STAGE DIGESTION OF FOOD WASTE |
| title | TWO STAGE DIGESTION OF FOOD WASTE |
| title_alt | ДВОСТАДІЙНЕ ЗБРОДЖУВАННЯ ХАРЧОВИХ ВІДХОДІВ |
| title_full | TWO STAGE DIGESTION OF FOOD WASTE |
| title_fullStr | TWO STAGE DIGESTION OF FOOD WASTE |
| title_full_unstemmed | TWO STAGE DIGESTION OF FOOD WASTE |
| title_short | TWO STAGE DIGESTION OF FOOD WASTE |
| title_sort | two stage digestion of food waste |
| topic | biogas organic substrates food waste digestion methane potential |
| topic_facet | biogas organic substrates food waste digestion methane potential біогаз органічні субстрати харчові відходи зброджування метановий потенціал |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/350 |
| work_keys_str_mv | AT chetverykh twostagedigestionoffoodwaste AT chetverykh dvostadíjnezbrodžuvannâharčovihvídhodív |