Інженерний факультет Кафедра будівництва - PDF Завантажити безкоштовно
Інженерний факультет Інженерно-будівельний факультет ОКСИДАННЯ МЕТАНУ: ВИВЧЕННЯ ЗНАЧЕННЯ РИЗОСФЕРИ В ЕФЕКТИВНОСТІ БІОКРОВІРІВ ЗМІСТЬ І ЗМІСТУ ВПЛИВУ ТЕМПЕРАТУРИ БІОФІЛЬТРІВ ДЛЯ МОЛОЧНИХ ФІРМ Магістерська дисертація Спеціальність: Цивільна інженерія ЖАБАНА Александра КАНАБ Роберт БРЕДЛІ Шербрук (Квебек), Канада, липень 2017
окислення метану не залежить від видів рослин або рівнів попереднього опромінення CH4 для ґрунтів і рослин, що випробовуються тут. Отримані значення швидкості окислення були вищими, ніж зазначені в оглядовій літературі для ґрунтових покривів звалищ. Наукові польові дослідження біофільтрації показали, що внутрішня температура біофільтрів є більш стабільною і вищою, ніж температура навколишнього середовища. Результати наших лабораторних досліджень із внутрішньою температурою 15 С (що еквівалентно температурі навколишнього середовища -30 С) дозволяють нам запідозрити ефективність 70% у зимових умовах для молочних ферм. Ефективність може поліпшитись до 90% у літніх умовах. Ключові слова: біофільтр, ефект рослини, випробування на окислення колони, ексудати, окислення метану, секрети, місця звалища, ризосфера. IV
Дякую моєму синові Матіасу, який є двигуном мого життя, я дякую вам за кожен жест підтримки та, дякую вам, за розуміння в кожну жертвовану сімейну хвилину, яка була вкладена в розвиток цих досліджень. Дякую всій родині в Колумбії за їхню емоційну підтримку та тих, хто мусив піти переді мною, все моє захоплення та любов до вас, що показали мені, що ми, колумбійці, особливо жорсткі і маємо велику стійкість. Велика подяка моїм ангелам Томашу та Саймону, які навчили мене цінувати красу життя, які влили мені мужності, необхідної для належного закінчення навчання, і які змусили мене цінувати кожну секунду свого життя. Дякую, що вибрали мене мамою. Поки це була нелегка подорож, але вона закінчується вашим внеском, вашою любов’ю, вашою величезною добротою та вашою підтримкою. Завдяки вам досягнення цієї мети стало менш важким. Дякую, і я представляю вам свою велику прихильність, мою прекрасну родину, моїх друзів, колег та співавторів. Просто дякую за все. Я люблю тебе всім серцем. VI
СПИСОК ТАБЛИЦ Таблиця 1: Типовий склад біогазу, що виділяється звалищем. З Lisk 1991. 11 Таблиця 2: Короткий огляд досліджень деяких випробувань на колонках. Змінено з Roncato 2009. 14 Таблиця 3: Короткий опис деяких тестів на окислення метану в біореставраторах, спрямованих на оцінку ефекту різних типів рослин. 18 Таблиця 4: Середні швидкості окислення метану в трьох типах ґрунтів. 36 Таблиця 5: Результати anova, що оцінює вплив видів рослин та рівень попереднього впливу CH4 на період напіввиведення. 39 Таблиця 6: Вміст води та вміст органічних речовин у різних типах ризосферних ґрунтів, випробуваних у лабораторії. 40 Таблиця 8: Параметри продуктивності, що використовуються при біофільтрації. Адаптовано за (Nikiema et al, 2007). 57 Таблиця 9: Порівняння відсотків ефективності деградації метану. 63 Таблиця 10: Порівняння потужності видалення метану. 65 X
Лабораторія Акліматизація субстрату Еволюція споживання CH4 Складання колонки Початкова характеристика субстратів: - Вміст води - Органічна речовина Два випробування на окислення в біофільтрах Газ із верхнього відділення Два цикли коливань температури Ефективність окислення Баланс маси CH4 Швидкість окислення Рисунок 17: Біофільтрація методологія тестування 52
циркуляції (модель циркулятора постійної температури POLYSTAT Polystat 12101-20), яка забезпечує додатковий тиск, забезпечуючи тим самим більш ефективний теплообмін, кращу рівномірність температури та покращення перемішування бака. Холодоагентом, який циркулює в системі охолодження, є MOTOMASTER, який використовується в якості змивача лобового скла взимку для автомобілів. Вихід газу В атмосферу В атмосферу 15 см Система збору даних Вхід газу 45 см Колона 1 Колона 2 10 см 120 FFFFF Витратомір газу Аналізатор газу (MGA 3000) Зволожувач Зволожувач Кришка Датчик тиску CH4 клапан CO2 Повітря N2 Регулятор тиску Рисунок 19: Діаграма випробування на колонці 5.2.4. Методи газового аналізу Зразки аналізували за допомогою більш ефективного газового апарату (MGA 3000) та масових витратомірів (Omega FMA-2600A), здатних створювати стабільні газові суміші, підтримуючи таким чином постійну концентрацію метану (300 ppmv), репрезентативну тому, що міститься в повітря сараю зі 150 коровами взимку (повітря змінюється 7 разів/годину). 55
Витратоміри масової витрати (Omega FMA-2600A) вказали, що кожен з регуляторів витрати є специфічним для певного типу газу. Однак вони можуть бути модифіковані для управління газами, крім того, для якого вони були запрограмовані. Методологія цього буде представлена далі у цьому звіті. Однак цю модифікацію слід робити з обережністю. Існує програмне забезпечення для використання регуляторів потоку для отримання суміші газів з точним складом. Програмне забезпечення називається Dilution_FMA2600. Її створив Фредерік Трембла, який є науковим співробітником Центру досліджень та розробок молочної худоби та свиней сільського господарства та сільськогосподарського виробництва Канади. Зона ідентифікації та вибору газу Введіть бажані концентрації у вікна Інструкції Рисунок 20: Презентація програмного інтерфейсу 56
Є дві основні відмінності між цими двома серіями. Акліматизація для серії 2 була довшою, ніж для серії 1 (15 днів та 30 днів відповідно). Крім того, половина субстрату, який був використаний для біофільтрації серії 1, була використана для акліматизації та біофільтрації серії 2. 5.3.1. Акліматизація метанотрофних мікроорганізмів Для того, щоб збільшити ріст клітин та активність мікробів, першу (низьку) концентрацію метану вводили як джерело вуглецю та енергії. Це базується на спостережуваних змінах у підвищеному споживанні метану, коли субстрат інкубується в атмосфері, що містить цей продукт. Кількість біомаси в живильному середовищі та її активність значно зростають протягом перших днів. Після завершення процесу акліматизації біофільтри засівали цим субстратом. Акліматизація мікроорганізмів сприймалася як само собою зрозуміле, коли біодеградація СН4 відбувалася протягом більш короткого періоду часу (див. Малюнки 20а і 20б). 59
Рисунок 21: Зростання метанотрофних мікроорганізмів, присутніх в інокуляті, від зменшення концентрації СН4 в залежності від часу (а) Серія акліматизації 1 і (б) Серія акліматизації. Збільшення біомаси та її активність показали, що це дозволило біодеградувати найвищі концентрації метану за менший час. Два періоди акліматизації зайняли різний час, але залежно від отриманих результатів, загалом, субстрат може бути акліматизований між двома та чотирма тижнями. 5.3.2. Температура в субстраті як функція температури рідини Біофільтраційні колони мали чотири різні вимірювання температури на кожен день відбору проб, тобто температура рідини та три вимірювання в субстраті на різній висоті (5, 20 і 40 см) . Для проведення аналізів деградації метану ми працювали з температурою, виміряною 40 сантиметрів, оскільки два тести та загальна сума тестів мають коефіцієнт кореляції з температурою рідини 0,98, маючи дуже значуще значення p