XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Эффективное использование сине-зеленых водорослей человеком

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Катяков П.К. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №47» г. Чебоксары

Котлова В.Ю. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №47» г. Чебоксары

Работа в формате PDF

2.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Волга - одна из самых великих рек Российской Федерации. На её берегах расположено более 60 городов, в которых проживает более 60 млн человек – это более трети населения страны.

Наш любимый город Чебоксары также располагается на берегу реки Волги. Волга- место притяжения многих горожан, место туристического отдыха. К сожалению, каждое лето жители нашего города наблюдают печальную картину, вода в Волге кардинально меняет свой цвет: от тёмно-синего до изумрудно-зеленого. Вода покрывается сине-зелёными водорослями. И эти водоросли не так безобидны: они вызывают гибель рыб и птиц, воздействуют на самочувствие человека (могут вызвать аллергические реакции, раздражаются слизистые носа, глаз). Все понимают, что необходимо искать различные методы очищения водной поверхности: механические, химические, биологические [3]. Химические и биологические способы требуют огромных затрат. Механический способ – более бюджетный и окупаемый, но в результате его применения, останутся сотни тонн фитомассы сине-зеленых водорослей, для которых необходимо подготовить огромные полигоны и способы утилизации. Мы решили найти способы переработки сине-зеленых водорослей. Так появилась тема нашего исследования «Эффективное использование сине-зеленых водорослей человеком».

Актуальность исследования: Волга - самая крупная река Европы, она занимает особое место в жизни города Чебоксары. Но человеческая деятельность ухудшает качество вод. Россиянам надо задуматься об ее очищении и сохранении ее могущества для потомков.

Целью исследования является изучение эффективных технологий использования сине-зеленых водорослей.

Задачи:

1. изучить и проанализировать научную информацию по теме;

2. провести исследования, которые покажут возможность эффективного использования фитомассы сине-зеленых водорослей: получить биогаз, использовать сине-зеленые водоросли в качестве биологического сырья для получения органического удобрения, использовать сине-зеленые водоросли в качестве топлива.

Объектом исследования является биомасса сине-зеленых водорослей (Сyanophyta) (научное название – цианобактерии Oxyphotobacteriobionta), собранная в период цветения акватории Чебоксарского водохранилища.

Предмет исследования: способы использования биомассы сине-зеленых водорослей.

Практическая значимость: результат исследования может быть использован для оздоровления реки Волги: интенсивное использование водорослей устранит в ряде случаев вред, наносимый ими окружающей среде.

Новизна: в литературе не описывается конкретная дозировка использования сине-зеленых водорослей для получения биогаза и использования в качестве удобрений.

Гипотеза исследования: предполагается, что эффективное использование фитомассы сине-зеленых водорослей возможно.

Методы исследования: изучение научных исследований и публикаций, проведение практических опытов по изучению технологий использования сине-зелёных водорослей.

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Сине-зеленые водоросли (цианобактерии) – это крупные бактерии, которые могут располагаться по одной, группами либо в виде нитей. Их особенность – способность осуществлять настоящий фотосинтез (на свету выделять кислород в водную среду). Сами водоросли можно распознать по таким признакам: до начала активного размножения они имеют вид маленьких пятнышек на воде желтого или зеленого цвета. Чем выше концентрация цианобактерий, тем мутнее и гуще вода. Цвет ее может быть желтым, коричневым или зеленым. Часто на поверхности имеется пленка ядовитого салатового цвета, отличающаяся тошнотворным запахом, которая препятствует проникновению солнечного света в глубинные слои водоема, угнетая другие водные растения. Также водоросли употребляют большое количество кислорода, необходимый рыбам и растениям. После начала разложения водорослей вода тускнеет и становится серо-коричневой. Отмершие водоросли попадают на дно, увеличивают содержание фосфора, азота и создают идеальную среду для собственного самовоспроизведения.

Основными фактами разрастания сине-зеленых водорослей является: отсутствие течения, большое количество солнечных дней для фотосинтеза, хорошая прогреваемость воды (когда температура воды прогревается до +18⁰ С), содержание большого количества фосфатов (значительно больше 1 мл/л), азота, изменение щелочного значения pH. Источником питательных веществ для цианобактерий являются неочищенные или плохо очищенные канализационные сточные воды. Так, фосфор в огромных количествах содержится в моющих средствах, а азот попадает вместе с продуктами жизнедеятельности людей, пищевым мусором, навозом, отходами производств, удобрениями, которые используются на посевных полях.

Опасность их активного появления - в том, что они выделяют до 300 видов органических веществ, большая часть из которых ядовита [1]. Они буквально отравляют воду, делая ее непригодной ни для чего – ни для питья, ни для купания. Приводят к затруднениям в техническом и питьевом водоснабжении, создают помехи нормальной работе гидротехнических сооружений.

Одна исходная клетка за вегетационный период (70 дней) способна произвести в воде 10²⁰ дочерних клеток. Это приводит к их удивительному массовому разложению.

Мы подсчитали примерный вес фитомассы в Чебоксарском водохранилище. По официальным данным объём воды в Чебоксарском водохранилище составляет 13,85 км3. Численность водорослей составляет 70 млн клеток или 10г на 1 м3 воды. Масса водорослей таким образом составляет 130 850 тонн. Это огромная цифра для участка длиной 252км.

Мы решили показать какие способы переработки сине-зеленых водорослей возможны. Интенсивная утилизация фитомассы сине-зеленых водорослей устранит вред, наносимый ими окружающей среде, и приведет к частичному оздоровлению Волги.

2.1 Получение биогаза из сине-зеленых водорослей

Опыт №1

Цель: получить горючий биогаз на основе сине-зеленых водорослей.

Из изученных публикаций [4], [5], мы узнали, что биогаз - это смесь газов, преимущественно метана и углекислого газа, которая образуется в результате биологического разложения органических отходов. Процесс производства биогаза осуществляется в специальных емкостях, называемых биореакторами. В биореакторах, органические отходы подвергаются длительному процессу бактериального разложения в условиях отсутствия кислорода. В процессе этого разложения выделяется газ, который затем можно использовать в качестве источника энергии. Биогаз является возобновляемым источником энергии, потому что процесс его производства использует отходы, которые находятся в избытке, и не ведет к выбросу парниковых газов в окружающую среду [4]. Энергия, заключенная в 1м³ биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м³ природного газа, 0,7л нефти или 0,6л дизельного топлива, 3,5 кг дров, 1-2 кг угля или 9-10 кВт/ч электроэнергии [5].

Для опыта применялись следующие реактивы и оборудование:

- реактивы: фитомасса сине-зеленых водорослей, речная вода, куриный помет, калийное удобрение;

- оборудование: 19 л полиэтиленовая емкость, 5л полиэтиленовая емкость, полиэтиленовый шланг, 2 крана, манометр.

Проведение опыта:

13 июля 2024 года в период массового цветения акватории Чебоксарского водохранилища (56.1478 с.ш. 47.30361 в.д, территория Казанской набережной) нами была собрано 26 литров биомассы сине-зеленых водорослей и 7 л речной воды. Для проведения данного опыта использовалось 10 л водорослей и 6 л речной воды. А также 200г куриного помета, 50г калийного удобрения, 1 нектарин.

В качестве биогазовой установки нами была использована полиэтиленовая герметичная емкость объемом 19 литров. Для сбора газа была использована полиэтиленовая емкость объемом 5л. Из полиэтиленового шланга и двух кранов была собрана конструкция для выведения газа.

14 июля 2024 года заполненную емкость и конструкцию для выведения газа поставили в теплое место. К месту выведения газа плотно прикрепили воздушный шар, чтобы в дальнейшем удостовериться в появлении биогаза.

16 июля 2024 года мы начали замечать неприятных запах в помещении, где была установлена биогазовая установка. Воздушный шар наполнился газом – мы поняли, что процесс разложения сине-зеленых водорослей начался. Водоросли поднялись в верхнюю часть сосуда. В нижней части сосуда наблюдалась синяя жидкость. Также выявили необходимость герметизации конструкции биогазовой установки.

18 июля 2024 года конструкцию биогазовой установки дополнили манометром, чтобы следить за давлением в емкости и провели дополнительную герметизацию конструкции двумя слоями изоленты.

25 июля 2024 года показатель манометра составлял 0,42 bar. В 5-ти литровой емкости явно ощущалась газовая смесь –емкость не сжималась при нажатии.

В ходе исследования содержание емкости перемешивалось несколько раз, для того чтобы итоговый выход газовой смеси был больше, а краны открывались, чтобы выпустить некоторое количество газовой смеси.

14 сентября 2024 года, через 63 дня после начала проведения эксперимента, к биогазовой установке подключили небольшую газовую горелку. Мы открыли кран и подожгли выделяющуюся газовую смесь – она стал гореть. Пламя горело синим цветом, что показывает, что горит метан.

Предполагаемый объем полученного нами биогаза составляет 12л (0,012м³). Если подвергнуть всю биомассу сине-зеленых водорослей Чебоксарского водохранилища ферментации, то можно получить до 160 тыс. м³ биогаза, что эквивалентно 110 тыс. л нефти или 96 тыс. л. дизельного топлива. При использовании промышленного оборудования можно получить цифры больших значений.

1 тонна сырой нефти стоит примерно 23 тыс. руб., т.е. за вегетационный период можно получить 2,5 млрд. руб.

Вывод: Получение биогаза на основе сине-зеленых водорослей возможно. Полученная газовая смесь горюча. Газ можно использовать так же, как и природный. Он может поступать к бытовым приборам. Разложившаяся биомасса превращается в удобрение, которое можно использовать на полях и огородах.

Предполагаемая стоимость от продажи полученного биогаза окупит стоимость издержек и принесет прибыль.

Простота устройства биогазовой установки дает возможность использования технологии в небольших частных хозяйствах.

Фотоотчет представлен в приложении №4.

Таблица 1

Преимущества и недостатки получения биогаза из сине-зеленых водорослей

2.2 Использование сине-зеленых водорослей в качестве удобрений

Опыт №2

Цель: получить лучший урожай при использовании сине-зеленые водорослей в качестве удобрений.

Из интернет-источника [6], мы узнали, что в биохимический состав сине-зеленых водорослей входят: азот, кальций, фосфор, калий, натрий, магний. Эти вещества часто содержатся в органических удобрениях. Процентное содержание природных органических веществ, азота, фосфора, калия в сине-зеленых водорослях не меньше, чем в навозе. Из этого мы сделали, вывод, что использование сине-зеленых водорослей в качестве удобрений возможно.

Сухая фитомасса сине-зеленых водорослей была получена нами путем сушки водорослей в темном, проветриваемом помещении в течении 14 суток. Из 7 л свежих водорослей было получено 350 грамм сухой массы.

Для опыта применялись следующие реактивы и оборудование:

- реактивы: бедная почва, зерна пшеницы, сухая фитомасса сине-зеленых водорослей, удобрение для роста «Seda»;

- оборудование: весы портативные с высоким классом точности, горшки для рассады по 750мл.

В пронумерованные горшки с бедной почвой посеяли зерна пшеницы на глубине 1-1,5см. Создали разные первоначальные условия:

1 образец – бедная почва + зерна пшеницы;

2 образец – бедная почва + зерна пшеницы + сухая молотая фитомасса сине-зеленых водорослей 1,8 грамма;

3 образец - бедная почва + зерна пшеницы + водный раствор с сине-зелеными водорослями (на 1,5 литра воды 1,5 грамма сухой молотой фитомассы сине-зеленых водорослей);

4 образец - бедная почва+ зерна пшеницы + удобрения, содержащие азот, фосфат, калий (3 грамма).

Последующие условия прорастания семян одинаковые. Наблюдение за образцами проводилось ежедневно. Полив образцов №1,2,4 проводился каждые 2 дня водопроводной водой, образца №3 - водным раствором с сине-зелеными водорослями.

Таблица 2

Дневник наблюдения за ростом пшеницы (эксперимент №1)

Для подтверждения экспериментальных данных, опыт повторили. Условия прорастания семян были теми же.

Таблица 3

Дневник наблюдения за ростом пшеницы (эксперимент №2)

Фотоотчет представлен в приложении №5.

Вывод: Сухая фитомасса сине-зеленых водорослей может быть использована в качестве органических удобрений.

Таблица 4

Преимущества и недостатки удобрений из сине-зеленых водорослей

1. 3. Использование сине-зеленых водорослей в качестве топлива

Мы решили узнать, можно ли использовать сине-зеленые водоросли в качестве топлива. Для этого взяли 250 г хорошо просушенных водорослей, уложили в металлическую чашу и подожгли. Общее время сгорания (до исчезновения языков пламени) составило 13 минут.

Таблица 5

Преимущества и недостатки использования сине-зеленых водорослей в качестве топлива

Для массового использования фитомассу водорослей можно прессовать и формировать в виде брикетов.

Фотоотчет представлен в приложении №6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, мы добились той цели, которую ставили перед собой в начале исследования – мы нашли способы использования сине-зелёных водорослей.

Таким образом, мы полностью подтвердили выдвинутую нами в начале исследования гипотезу о том, что эффективное использование фитомассы сине-зеленых водорослей возможно.

На основании практической части мы сделали вывод, что сине-зеленые водоросли возможно использовать для получения биогаза, в качестве удобрений и топлива.

Результаты данного исследования могут быть использованы для улучшения экологического состояния реки Волги и обеспечения её нормального функционирования, для улучшения условий проживания местного населения, для получения финансового эффекта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Цианобактерии и их метаболиты/ Поляк М.С., Сухаревич В.И. - Санкт-Петербург: Издательство «Нестор-История», 2012.-328с.: ил.

2. stimul.online – журнал об инновациях в России. Очистим Волгу от сине-зелёных.

3. www.school-science.ru. Катяков П.К. Очищение реки Волги от сине-зеленых водорослей.

4. www.renwex.ru –интернет-портал. Биогаз: премущества, технологии прооизводства, использование, сравнение, вызовы и проблемы.

5. В.М. Шмандий, В.В. Никифоров, В.П. Алферов, Е.В. Харламова, В.А. Пронин. Использование сине-зеленых водорослей для получения биогаза //Научно-практический журнал "Гигиена и санитария". 2010г. Выпуск 6, стр.35-37.

6. www.agrobook.ru – интернет-портал. Добыча и переработка сине-зеленых водорослей в корма и удобрения

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Наблюдение за развитием сине-зелёных водорослей

Приложение 2. Сбор сине-зелёных водорослей

Приложение 3. Сушка сине-зелёных водорослей

Приложение 4. Получение биогаза

Приложение 5. Испытание по выращиванию семян пшеницы с использованием сине-зеленых водорослей

Приложение 6. Испытание сине-зеленых водорослей в качестве топлива