CC BY
46
УДК 631.1.004.18:636.22/28
ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ АНАЭРОБНАЯ ОБРАБОТКА ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ ВОДОРОД- И МЕТАНСОДЕРЖАЩИХ БИОГАЗОВ
Д.А. Ковалев, кандидат технических наук
А.А. Ковалев, кандидат технических наук
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ
E-mail: kovalev_ana@mail.ru
Ю.В. Литти, кандидат биологических наук
ФИЦ Биотехнологии РАН
E-mail: litty-yuriy@mail.ru
Аннотация. В настоящее время водородная энергетика приобретает огромную популярность в мире в связи с проблемой истощения невозобновляемых источников энергии - углеводородов и экологического загрязнения, вызванного их растущим потреблением. В работе рассмотрены различные способы получения водорода и показано, что наиболее перспективным и экономически оправданным является способ биологического получения водорода, причем среди биологических способов обоснован выбор темнового процесса получения водородсодержащего биогаза при переработке органических отходов в анаэробных условиях, который позволяет использовать преимущества как производства энергии, так и решения проблемы утилизации органических отходов. При сравнимой скорости генерации и стоимости биоводорода, темновой процесс, в отличие от светозависимого, не столь требователен к составу, и главное - к микробиологической чистоте используемого субстрата, что очень важно при переработке комплексных и далеко не стерильных органических отходов. Обосновано применение двухстадийной анаэробной обработки органических отходов, при которой на первой стадии разложения органического вещества (ОВ) создают условия для прохождения в основном процессов гидролиза и кислотогенеза, в результате которых образуется большое количество водородсодержащего биогаза. На второй стадии накопившиеся продукты разложения ОВ трансформируются в метансодержащий биогаз.
Ключевые слова: биоводород, темновой процесс, анаэробная обработка, биогаз.
В настоящее время водородная энергетика приобретает огромную популярность в мире в связи с проблемой истощения невозобновляемых источников энергии - углеводородов и экологического загрязнения, вызванного их растущим потреблением. Водород (Н2) является одним из самых чистых энергоносителей, его энергетический выход составляет 122 кДж/г, что в 2,75 раза больше, чем у ископаемого топлива. Традиционные способы получения водорода включают использование ископаемых видов топлива, таких, как паровой реформинг природного газа, частичное окисление углеводородов или газификация угля [1]. Однако ни один из этих процессов не является экономически эффективным и экологичным, поскольку они связаны как с использованием ископаемых видов топлива, так и с отрицательным воз-
действием на окружающую среду [2]. Электролиз воды позволяет получить особо чистый водород, однако его себестоимость в 310 раз выше, чем при получении из природного газа [3].
По сравнению с электро- или термохимическими процессами биологическая продукция водорода имеет ряд преимуществ, связанных с большей экологичностью и дешевизной. Различают светозависимое и темно-вое биологическое производство биоводорода [4]. Особую перспективу представляет темновой процесс получения водородсодер-жащего биогаза при переработке органических отходов в анаэробных условиях, который позволяет использовать преимущества как производства энергии, так и решения проблемы утилизации органических отходов. При сравнимой скорости генерации и
стоимости биоводорода, темновой процесс, в отличие от светозависимого, не столь требователен к составу, и главное - к микробиологической чистоте используемого субстрата, что очень важно при переработке комплексных и далеко не стерильных органических отходов, например, таких, как стоки различных производств, осадки сточных вод (ОСВ) и др. [5].
Следует отметить, что при образовании биоводорода в темновом процессе происходит лишь частичное разложение органического вещества (ОВ), в сбраживаемой массе накапливаются летучие жирные кислоты (ЛЖК), молочная кислота, спирты и др. продукты. Исследования показывают, что технически осуществимым является двухста-дийное анаэробное разложение органических отходов, при котором на первой стадии разложения ОВ создают условия для прохождения в основном процессов гидролиза и кис-лотогенеза, в результате которых образуется большое количество водородсодержащего биогаза [3]. На второй стадии накопившиеся продукты разложения ОВ трансформируются в метансодержащий биогаз. Последовательная двухстадийная переработка органического вещества отходов имеет ряд преимуществ перед обычным одностадийным процессом, поскольку она позволяет проводить более полное разложение ОВ благодаря созданию оптимальных условий как для кис-лотогенного, так и для метаногенного микробных сообществ и повысить стабильность процесса в целом [6].
Анализ научной литературы показывает, что для исследования образования биоводорода в качестве субстрата используются в основном богатые углеводами синтетические сточные воды [7] и реальные органические отходы пищевой, молочной, целлюлознобу-мажной, сельскохозяйственной промышленности, производства крахмала, сахара и др. [8,9,10,11,12,13]. Отмечается, что технология получения биоводорода из органических отходов будет иметь довольно ограниченное применение, если другие органические вещества не смогут быть эффективно использованы в качестве субстратов. Поэтому ис-
пользование комплексных субстратов, в том числе содержащих жиры и белки, значительно повысит эффективность и практическую применимость рассматриваемой технологии.
Для получения высокопроизводительной водородгенерирующей микробной биомассы в качестве источника соответствующих микроорганизмов использовали сброженные и сырые ОСВ, навоз КРС, компосты из разных субстратов и др. Многие авторы получали чистые и смешанные микробные культуры, состоящие в основном из разлагающих углеводороды бактерий рода Clostridium и Enterobacter. Для практической применимости полученных инокулятов отмечается необходимость исследований по выделению микробных культур, способных к разложению сложных органических загрязнений с высокой производительностью по водороду [14].
Большая часть работ касается исследования влияния скорости подачи субстрата (времени пребывания), нагрузки по органическому веществу, температуры, рН, различных добавок на процесс получения биоводорода [7]. Для простоты контроля процессы проводят обычно в стеклянных склянках и небольших реакторах в периодическом режиме. Однако для практической применимости рассматриваемой технологии необходимы также исследования в непрерывном режиме в реакторах с увеличенным объемом. Это также касается и исследований различных аспектов двухстадийной анаэробной переработки органических отходов с последовательным получением водород- и метансо-держащих биогазов. Лишь небольшое количество исследований посвящено оптимизации непрерывного двухстадийного процесса [15,16]. В этой связи нами предлагается следующая технологическая схема процесса получения водород- и метансодержащих биогазов, представленная на рисунке.
Технологический процесс осуществляется следующим образом: в биореактор темно-вого анаэробного гидролиза для получения водорода подают жидкие органические отходы (навоз КРС, свиней, осадки станций ме-хано-биологической очистки сточных вод и т.п.), при этом происходит частичное разло-
жение органического вещества с образованием водородсодержащего газа (до 25% водорода), процесс проводят при термофильном температурном режиме (55°С) и времени гидравлического удержания субстрата не более 2 суток для исключения начала процесса метаногенеза, при этом водородный показатель реакторной среды составляет рН=5-5,5.
Рис. Технологическая схема двухступенчатой анаэробной обработки жидких органических отходов с получением водород- и метан-содержащих биогазов: 1 - биореактор темнового анаэробного гидролиза для получения водорода; 2 - биореактор-метантенк для получения метана.
Затем обработанную массу (гидролизат), содержащую значительное количество летучих жирных кислот и неразложившееся органическое вещество, направляют в биореак-тор-метантенк для получения метансодержа-щего биогаза. Процесс метаногенеза проводят также при термофильных условиях и времени пребывания субстрата не менее 10 суток, при этом образуется биогаз, содержащий до 60% метана, и сброженная масса (эф-флюент), которая может быть использована как удобрение или направляться на дальнейшую обработку.
Выводы. Последовательная двухстадий-ная переработка органического вещества отходов имеет ряд преимуществ перед обычным одностадийным процессом, поскольку позволяет проводить более полное разложение ОВ благодаря созданию оптимальных условий как для кислотогенного, так и для метаногенного микробных сообществ и повысить стабильность процесса в целом.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-29-25042мк.
Литература:
1. Kothari R. Comparison of environmental and economic aspects of various hydrogen production methods // Renew. Sust. Energ. Rev. 2008. № 12. P. 553-563.
2. Abbasi T. 'Renewable' hydrogen: Prospects and challenges // Renew. Sust. Energ. Rev. 2011. № 15. P. 30343040.
3. Khan M.A. Biohydrogen production from anaerobic digestion and its potential as renewable energy // Renewable Energy. 2018. V. 129. P. 754-768.
4. Цыганков А.А. Получение водорода биологическим путем // Российский хим. журнал. 2007. Т. 50. С. 26.
5. Marone A. Coupling dark fermentation and microbial electrolysis to enhance bio-hydrogen production from ag-roindustrial wastewaters and by-products in a bio-refinery framework // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. № 42.
6. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов / Но-жевникова А.Н. и др. М., 2016. 320 с.
7. Wang J. Factors influencing fermentative hydrogen production: A review // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. V. 34(2). P. 799-811.
8. Van Ginkel S.W. Biohydrogen gas production from food processing and domestic wastewaters // Int. J. Hydrogen Energy. 2005. № 30. P. 1535-1542.
9. Biohydrogen production from molasses by anaerobic fermentation with a pilot-scale bioreactor system // Int. J. Hydrogen Energy. 2006. № 31. P. 2147-2157.
10. Li D. Biological hydrogen production from steam exploded straw by simultaneous saccharification and fermentation // Int. J. Hydrogen Energy. 2007. № 32. P. 1742.
11. Venkata Mohan S. Anaerobic biohydrogen production from diary wastewater treatment in sequencing batch reactor: Effect of organic loading rate // Enzy. Microb. Technol. 2007. № 41. P. 506-515.
12. Effect of pre-treatment and hydraulic retention time on biohydrogen production from organic wastes / Salem A.H. et al. // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. V. 43, Issue 10. P. 4856-4865.
13. Determining the effect of trace elements on biohydro-gen production from fruit and vegetable wastes / Keskin T. et al. // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. V. 43, Issue 23. P. 10666-10677.
14. Li C.L.Fermentative hydrogen production from was-tewater and solid wastes by mixed cultures // Crit Rev Env Sci Technol. 2007. № 37. P. 1-39.
15. leni C. Hydrogen and methane production through two-stage mesophilic anaerobic digestion of olive pulp // Bioresource Technology. 2009. № 100. P. 3718-3723
16. Carrillo-Reyes J. Influence of Added Nutrients and Substrate Concentration in Biohydrogen Production from Winery Wastewaters Coupled to Methane Production // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2018. № 6. P. 1-12.
Literatura:
1. Kothari R. Comparison of environmental and economic aspects of various hydrogen production methods // Renew. Sust. Energ. Rev. 2008. № 12. P. 553-563.
2. Abbasi T. 'Renewable' hydrogen: Prospects and challenges // Renew. Sust. Energ. Rev. 2011. № 15. P. 30343040.
3. Khan M.A. Biohydrogen production from anaerobic digestion and its potential as renewable energy // Renewable Energy. 2018. V. 129. P. 754-768.
4. Cygankov A.A. Poluchenie vodoroda biologicheskim putem // Rossijskij him. zhurnal. 2007. T. 50. S. 26.
5. Marone A. Coupling dark fermentation and microbial electrolysis to enhance bio-hydrogen production from ag-roindustrial wastewaters and by-products in a biorefinery framework // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. № 42.
6. Biotekhnologiya i mikrobiologiya anaerobnoj perera-botki organicheskih kommunal'nyh othodov / Nozhevni-kova A.N. i dr. M., 2016. 320 s.
7. Wang J. Factors influencing fermentative hydrogen production: A review // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. V. 34(2). P. 799-811.
8. Van Ginkel S.W. Biohydrogen gas production from food processing and domestic wastewaters // Int. J. Hydrogen Energy. 2005. № 30. P. 1535-1542.
9. Biohydrogen production from molasses by anaerobic fermentation with a pilot-scale bioreactor system // Int. J. Hydrogen Energy. 2006. № 31. P. 2147-2157.
10. Li D. Biological hydrogen production from steam exploded straw by simultaneous saccharification and fermentation // Int. J. Hydrogen Energy. 2007. № 32. P. 1742.
11. Venkata Mohan S. Anaerobic biohydrogen production from diary wastewater treatment in sequencing batch reactor: Effect of organic loading rate // Enzy. Microb. Technol. 2007. № 41. P. 506-515.
12. Effect of pre-treatment and hydraulic retention time on biohydrogen production from organic wastes / Salem A.H. et al. // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. V. 43, Issue 10. P. 4856-4865.
13. Determining the effect of trace elements on biohydrogen production from fruit and vegetable wastes / Keskin T. et al. // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. V. 43, Issue 23. P. 10666-10677.
14. Li C.L.Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed cultures // Crit Rev Env Sci Technol. 2007. № 37. P. 1-39.
15. leni C. Hydrogen and methane production through two-stage mesophilic anaerobic digestion of olive pulp // Bioresource Technology. 2009. № 100. P. 3718-3723
16. Carrillo-Reyes J. Influence of Added Nutrients and Substrate Concentration in Biohydrogen Production from Winery Wastewaters Coupled to Methane Production // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2018. № 6. P. 1-12.
TWO-STAGE ANAEROBIC TREATMENT OF LIQUID ORGANIC WASTES FOR HYDROGEN AND METHANE-CONTAINING BIOGAS OBTAINING D.A. Kovalev, candidate of technical sciences A.A. Kovalev, candidate of technical sciences Federal research agroengineering VIM centre Y.V. Litti, candidate of biological sciences FIZ of RAS Biotechnology
Abstract. Currently, hydrogen energetic is gaining huge popularity in the world due to non-renewable energy sources-hydrocarbons depletion and ecological pollution's problem caused by their growing consumption. The paper discusses various ways of hydrogen producing and it's shown that the most promising and cost-effective is the biological hydrogen production method, and among the biological methods, the biogas hydrogen-containing dark process obtaining choice in the organic waste processing under anaerobic conditions, which allows the advantages of energy production to use and the organic waste disposal problem to solve. At biohydrogen comparable generation rate and cost, the dark process, unlike light-dependent one, isn't so composition's demanding, and that most importantly for the microbiological purity substrate using, that is very important at complex and non-sterile organic waste processing. The organic waste two-stage anaerobic treatment application, when the organic matter (OV) decomposition is the first stage of mainly hydrolysis passage conditions and acidogenesis processes creating, in result of hydrogen-containing biogas large amount is justified. In the second stage, the accumulated products decomposition of OV into methane-containing biogas are transformed. Keywords: biohydrogen, dark process, anaerobic treatment, biogas.
