Влияние гибридной плазмы коронных и искровых разрядов на выбросы анаэробно сброженных сточных вод

Интеграция в производственные цепочки животноводческих предприятий технологии анаэробного сбраживания сталкивается с проблемой утилизации органогенных сточных вод (эффлюента). Существующие способы утилизации могут сопровождаться побочными выбросами нежелательных веществ, что требует значительных затрат на материалы и оборудование. Альтернативной технологией ограничения выбросов является обработка стока плазмой, при которой возникает ряд нерешенных проблем. (Цель исследования) Изучение влияния плазмы разрядов на эффлюент. (Материалы и методы) Использовалась лабораторная установка с гибридной плазмой надводных коронных и подводных искровых разрядов. В качестве субстрата использовался мезофильный эффлюент свиноводческого предприятия. (Результаты и обсуждение) Применение гибридной плазмы приводило к снижению водородного показателя с 9 до 6, увеличению электропроводности с 1 до 2 миллисименсов на сантиметр и окислительно-восстановительного потенциала с 300 до 600 милливольт, что коррелировало со смягчающим выбросы газов эффектом. Наблюдалась прямая корреляция между снижением водородного показателя и повышением содержания нитратов с 0 до 600 миллиграммов на литр, что связано с их стабильностью и низкой реакционной активностью. Обратная взаимосвязь изменения показателя кислотности и двуокиси азота обусловлена ее участием в реакциях с кислородом с образованием пероксинитрита. Увеличение окислительно-восстановительного потенциала смещает химическое равновесие аммиак-аммоний в нелетучую форму, что приводит к снижению выбросов аммиака в окружающий воздух. Искровые разряды оказывали малое влияние на эффлюент, однако в составе гибридной плазмы их вклад был более значимым как в изменении электрохимических свойств (3-20 процентов), так и в приросте активных форм кислорода и азота на 7-9 процентов в сравнении с коронными разрядами. (Выводы) Повышенная экологичность, отсутствие образования побочных вредных химических соединений, сокращение выбросов газов, предотвращение пенообразования, масштабируемость являются преимуществами обработки гибридной плазмой разрядов в сравнении с существующими способами утилизации сточных вод.

1. Лобачевский Я.П., Федотов А.В.. Григорьев В.С., Ценч Ю.С. Энергетический потенциал продуктов деструкции органосодержащих отходов АПК при их переработке в сверхкритической водной среде // Вестник аграрной науки Дона. 2018. N4(44). C. 5-11. EDN: EMKSBO.

2. Измайлов А.Ю., Лобачевский Я.П., Федотов А.В. и др. Адсорбционно-окислительная технология переработки сточных вод предприятий агропромышленного комплекса // Вестник Мордовского Университета. 2018. Т. 28. N2. С. 207-221. DOI: 10.15507/0236-2910.028.201802.207-221.

3. Aljehani J.H., Mostafa M.K., Abdulkarim S. et al. Conversion of livestock waste to energy: New technological transformation for energy recovery. Series in Bioenergy. 2026. 217-40. DOI: 10.1016/B978-0-443-29275-0.00016-5.

4. Enokida C.H., Tapparo D.C., Antes F.G. et al. Anaerobic codigestion of livestock manure and agro-industrial waste in a CSTR reactor: Operational aspects, digestate characteristics, and microbial community dynamics. Renewable Energy. 2025. 238:121865. DOI: 10.1016/j.renene.2024.121865.

5. Maqdasi B., Alhseinat E., Rodríguez J., Al-Ali K. Ammonia recovery from wastewater: A critical review of technologies with emphasis on capacitive deionization. Chemical Engineering Journal Advances. 2025. 24:100901. DOI: 10.1016/j.ceja.2025.100901.

6. Yong Hou, Velthof G.L., Lesschen J.P. et al. Nutrient recovery and emissions of ammonia, nitrous oxide, and methane from animal manure in Europe: effects of manure treatment technologies. Environmental Science & Technology. 2017. 51 (1). 375-383. DOI: 10.1021/acs.est.6b04524.

7. Yan X., Ying Y., Li K. et al. A review of mitigation technologies and management strategies for greenhouse gas and air pollutant emissions in livestock production. Journal of Environmental Management. 2024. Vol. 352. 120028. DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.120028.

8. VanderZaag A.C., Amon B., Bittman S., Kuczynski T. Ammonia abatement with manure storage and processing techniques. Costs of Ammonia Abatement and the Climate Co-benefits. 2015. 284. DOI: 10.1007/978-94-017-9722-1_9.

9. Sokolov V.K., VanderZaag A., Habtewold J. et al. Dairy manure acidification reduces CH4 emissions over short and long-term. Environmental Technology. 2020. 42(18). 2797–2804. DOI: 10.1080/09593330.2020.1714744.

10. Habtewold J., Gordon R., Sokolov V. et al. Reduction in methane emissions from acidified dairy slurry is related to inhibition of Methanosarcina species. Front. Microbiol. 2018. 9:2806. DOI: 10.3389/fmicb.2018.02806.

11. Yusra Zireeni, Davey L. Jones, David R. Chadwick et al. Low-dose acidification of cattle slurry with sulfuric acid enhances oilseed-rape yield but risks elevated sulfide formation during prolonged storage. Science of The Total Environment. 2025. Vol. 970. 179014. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2025.179014.

12. Regueiro I., Gómez-Muñoz B., Lübeck M. et al. Bio-acidification of animal slurry: Efficiency, stability and the mechanisms involved. Bioresource Technology Reports. 2022. Vol. 19. 101135. DOI: 10.1016/j.biteb.2022.101135.

13. Prado J., Chieppe J., Raymundo A., Fangueiro D. Bioacidi fication and enhanced crusting as an alternative to sulphuric acid addition to slurry to mitigate ammonia and greenhouse gases emissions during short term storage. Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 263. 121443. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121443.

14. Umar W., Vandenbussche C., Dinuccio E. et al. Acidification of animal slurry in housing and during storage to reduce NH3 and GHG emissions-recent advancements and future perspectives. Waste Management. 2025. Vol. 203. 114856. DOI: 10.1016/j.wasman.2025.114856.

15. Ranieri P., Sponsel N., Kizer J. et al. Plasma agriculture: Review from the perspective of the plant and its ecosystem. Plasma Processes and Polymers. 2021. 18:2000162. DOI: 10.1002/ppap.202000162.

16. Белов А.А. Применение технологии холодной атмосферной плазмы для обработки атмосферных сточных вод с целью повторного использования в сельском хозяйстве // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2024. Т. 17. N2(81). С. 107-116. DOI: 10.53914/issn2071-2243_2024_2_107.

17. Wenhui Zhang, Yanhan Lu, Xin Wang et al. Simultaneous elimination of antibiotic resistance gene and viruses in liquid manure by plasma/peracetic acid combination system. Separation and Purification Technology. 2025. Vol. 362. Part 3. 131881. DOI: 10.1016/j.seppur.2025.131881.

18. Pedersen J., Labouriau R., Feilberg A. Effect of slurry sepa ration and air-plasma treatment on NH3 and VOC emissions from field applied biogas digestate and pig slurry to grassland. Biosystems Engineering. 2024. Vol. 247. 257-266. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2024.09.014.

19. Nyvold M., Dörsch P. Complete elimination of methane formation in stored livestock manure using plasma technology. Front. Sustain. Food Syst. 2024. 8:1370542. DOI: 10.3389/fsufs.2024.1370542.

20. Rollett A.J., Williams J.R., Priest H. Ammonia emissions and nitrogen use efficiency of untreated and plasma treated liquid organic materials. Soil Use and Management. 2025. 41. 70004. DOI: 10.1111/sum.70004.

21. Cottis T., Mousavi H., Solberg S.Ø. Plasma treated cattle slurry moderately increases Cereal Yields. Agronomy, 2023. 13(6). 1549. DOI: 10.3390/agronomy13061549.

22. Mousavi H., Cottis T., Hoff G., Solberg S.Ø. Nitrogen enriched organic fertilizer (NEO) and its effect on ryegrass yield and soil fauna feeding activity under controlled conditions. Sustainability. 2022. 14(4). 2005. DOI: 10.3390/su14042005.

23. Guo D., Liu H., Zhou L. et al. Plasma-activated water production and its application in agriculture. J Sci Food Agric. 2021. 101: 4891-4899. DOI: 10.1002/jsfa.11258.

24. Xiaojie Yan, Yongfei Ying, Kunkun Li et al. A review of mitigation technologies and management strategies for greenhouse gas and air pollutant emissions in livestock production. Journal of Environmental Management. 2024. Vol. 352. 120028. DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.120028.

25. Dennehy C., Lawlor P.G., Jiang Y. et al. Greenhouse gas emissions from different pig manure management techniques: a critical analysis. Front. Environ. Sci. Eng. 2017. 11. 11. DOI: 10.1007/s11783-017-0942-6.

26. Belov A., Vasilyev A., Dorokhov A. et al. Effect of highvoltage spark discharges on reduction of the concentration of total bacterial count in wastewater. Journal of Water Process Engineering. 2022. Vol. 45. 102465. DOI: 10.1016/j.jwpe.2021.102465.

27. Белов А.А., Князева И.В. Повторное использование гидропонных растворов после обработки искровыми разрядами // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2025. Т. 20. N2(78). С. 5-9. DOI: 10.12737/2073-0462-2025-5-9 -5-9.

28. Nyang’au J.O, Sørensen P., Bjarne Møller H. Effects of plasma treatment of digestates on pH, nitrification and nitrogen turnover during storage and after soil application. Environmental Technology & Innovation. 2024. Vol. 34. 103578. DOI: 10.1016/j.eti.2024.103578.

29. Huang J., Qu Z., Gao Y. et al. Sustainable liquid nitrogen fertilizer production via air plasma bubbles: insights into plasma-enabled N2 fixation chemistry. Journal of Physics D: Applied Physics. 2025. Vol. 58. N11. DOI: 10.1088/1361-6463/ada6c7.

30. Brisset J.L., Pawlat J. Chemical effects of air plasma species on aqueous solutes in direct and delayed exposure modes: discharge, post-discharge and plasma activated water. Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2016. 36. 355-381. DOI: 10.1007/s11090-015-9653-6.

31. Lloyd I.L., Grayson R.P., Galdos M.V. et al. Nitrous oxide and methane fluxes from plasma-treated pig slurry applied to winter wheat. NutrCyclAgroecosyst. 2024. 129. 505-520. DOI: 10.1007/s10705-024-10363-8.

32. Cottis T., Mousavi H., Solberg S.Ø. Plasma treated cattle slurry with modest fertilizer effect on grass. European Journal of Agronomy. 2025. Vol. 168. 127649. DOI: 10.1016/j.eja.2025.127649.

33. Overmeyer V., Trimborn M., Clemens J. et al. Acidification of slurry to reduce ammonia and methane emissions: Deployment of a retrofittable system in fattening pig barns. Journal of Environmental Management. 2023. Vol. 331. 117263. DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.117263.