CC BY
18
УДК 579.851:579.695:57.08 DOI 10.51794/27132064-2021-3-88
ИССЛЕДОВАНИЕ НАКОПЛЕНИЯ БИОМАССЫ АНАЭРОБНОГО БИОРЕАКТОРА НА РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ-НОСИТЕЛЯХ
Д.А. Ковалев, кандидат технических наук А. В. Федотов, кандидат технических наук ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» Е-mail: fedotov48@list.ru
Аннотация. Все большее применение находят анаэробная и аэробная виды переработки органических отходов в биореакторах, обеспечивающие производство биогаза и обеззараженной биомассы. Эффективность переработки зависит от иммобилизации микроорганизмов на материале-носителе. Эксперименты проведены на лабораторном биореакторе объемом 50 л в термофильном режиме при температуре 55°С. Гранулированный комбикорм К-65 был использован как субстрат. Комбикорм измельчали на молотковой дробилке и суспендировали в воде при температуре 45°С. Концентрация комбикорма в воде составляла 40 г/л. В качестве инокулята анаэробного процесса метаногенеза использовали сброженный субстрат, биологического материала-носителя - стеклоткань марки Т-13, графитированную ткань марки ТГН-2МК и высокопористый ячеистый корундовый материал марки 10 ppi. Оптическим методом и методом низкотемпературной адсорбции азота исследована текстура материалов - носителей биомассы. Проведены исследования по накоплению биомассы на различных носителях при анаэробной переработке в биореакторе в течение 20, 30 и 40 суток. Результаты, полученные в ходе эксперимента, показывают, что эффективность применения носителей биоматериалов существенно зависит от их поровой структуры. Большая пористость и развитая поверхность пор ВПЯМ, наличие микро- и мезопор облегчают иммобилизацию микроорганизмов и увеличивают в 3,0-3,6 и 2,4-3,3 раза соответственно массу приросшего органического вещества по сравнению с беспористой, гладкой поверхностью стеклоткани и углеродной ткани. Ключевые слова: прирост биомассы, анаэробная обработка, биологический носитель, высокопористая ячеистая керамика, стекловолокно.
Введение. Возрастающее потребление пищевых ресурсов и образование большого количества сельскохозяйственных отходов, вызывающих загрязнение, оказывают негативное антропогенное воздействие на окружающую среду. Отходы сельского хозяйства, в частности, отходы животноводства, являются органосодержащими материалами, переработка которых в качестве возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволяет получить дополнительную энергию и решить экологические проблемы [1, 2].
В технологической цепочке получения энергии все большее применение находит анаэробная и аэробная переработка органических отходов в биореакторах. При этом эффективность переработки во многом определяется условиями иммобилизации микроорганизмов активного ила на различных твердых носителях и его развития в виде
биопленок, содержащих аэробные и анаэробные бактерии [3-5]. Увеличение концентрации биомассы микроорганизмов в реакторе является фактором, интенсифицирующим метанообразование. Иммобилизация обеспечивает высокую скорость переработки, оптимизацию процесса микробной очистки, уменьшение объема метантенка. Закрепление позволяет увеличить биомассу и осуществить пространственную сукцессию микроорганизмов, оптимизировать условия существования конкретных популяций. Как моделирование, так и создание в реальных условиях заданных параметров (определенной температуры, концентрации органических соединений, рН среды и прочее), возможно только в системах с закрепленной микрофлорой. Иммобилизация микроорганизмов особенно необходима для отходов, содержащих незначительное количество ор-
ганических веществ (менее 2%), из которых образуется активная анаэробная биомасса, постоянно вытесняемая в проточных метан-тенках. Жидкие отходы, в том числе навозные и свиные стоки, обтекают поверхность загрузочного материала, покрытого биологической пленкой, образуемой микроорганизмами, которые при контакте с ними разлагают находящиеся в стоках органические вещества с образованием биогаза [6].
Биореакторы с иммобилизацией микробных клеток очень эффективны, поскольку могут очищать стоки с очень высокой скоростью удаления азота для тонкослойных биопленок (до 26 кг/м3-сут.) и гранул (до 76 кг/м3-сут.) [7, 8]. Исследования по иммобилизации растительных клеток также показали положительные результаты [9].
Существует широкий набор органических и неорганических носителей, пригодных для иммобилизации определенных микроорганизмов в конкретных условиях [1]. Основное преимущество неорганических носителей -легкость регенерации, химическая стабильность. Подобно синтетическим полимерам, неорганическим носителям можно придать любую форму и получать их с любой степенью пористости и поверхности.
Другой путь интенсификации процесса переработки заключается в использовании прямого межвидового переноса электронов -это анаэробный синтрофный процесс, в котором микроорганизмы обмениваются электронами напрямую от клетки к клетке без использования нейтральных молекул [10]. В анаэробных реакторах стимулировать этот процесс можно путем внесения кондуктив-ных материалов [11, 12]. Наиболее распространены материалы на основе углерода (гранулированный активированный уголь, карбоновая ткань, биоуголь, графит, графен) и на основе железа (магнетит, гематит, нержавеющая сталь). Микроорганизмы прикрепляются к поверхности кондуктивных материалов и используют их в качестве проводников для обмена электронами [13, 14]. Кроме того, применение кондуктивных материалов способствует накоплению и удержанию активной биомассы в реакторе.
Цель исследования — изучение структуры материалов-носителей и их влияния на процесс накопления биомассы при анаэробной переработке органических отходов.
Материалы и методы. В качестве субстрата был использован гранулированный комбикорм К-65. Влажность комбикорма 10,3%, зольность 9,8%, содержание органического вещества (ОВ) в сухом остатке 79,9%. Комбикорм измельчали на молотковой дробилке и суспендировали в воде при температуре 45°С. Концентрация комбикорма в воде составляла 40 г/л. В качестве инокулята (закваски) анаэробного процесса метаногенеза использовался сброженный субстрат, взятый из действующего анаэробного метаногенно-го реактора лаборатории биоэнергетических и сверхкритических технологий ФГБНУ ФНАЦ ВИМ.
Перед проведением экспериментальных исследований проводился пусковой этап. Для этого в течение 20 суток ежедневно однократно загружали в анаэробный биореактор 5 л приготовленной суспензии для двукратной смены объема биореактора (объем 50 л). Такая подготовка необходима для получения стабильных параметров процесса непрерывной анаэробной биоконверсии (постоянных производительности по биогазу, содержания в нем метана и РН среды).
В качестве биологического материала-носителя использовали стеклоткань марки Т-13, графитированную ткань марки ТГН-2МК и высокопористый ячеистый корундовый материал (ВПЯМ) марки 10 ppi (рис. 1). Поверхностная плотность стеклоткани составляла 275 г/м2, толщина - 0,26 мм. Тип плетения - полотно. Ширина волокон - около 0,6 мм; плетение плотное. Поверхность ткани шершавая, но поверхность самих волокон гладкая и беспористая (при увеличении до 1000 раз). Замасливатель - силановый (рис. 1 а, б). Графитированная ткань марки ТГН-2МК является жаростойким, электропроводным материалом многофункционального назначения, стойким к воздействию агрессивных сред. Ткань химически стойкая в жидкой среде биореактора (содержание углерода 99,2%), обладает достаточной прочностью.
(а) (б) (в) (г)
Рис. 1. Фотографии стеклоткани при увеличении в 50 раз (а), 1000 раз (б), графитированной ткани ТГН-2МК (в) и корундового материала (ВПяМ) 10 ppi. (г)
Удельное электросопротивление составляет 100 Ом-мм2/м. Текстурные характеристики пористой корундовой керамики, определенные методом низкотемпературной адсорбции азота (метод БЭТ), представлены в таблице 1, а на рисунке 2 - дифференциальная зависимость распределения пор по размерам. Керамика содержит микро- и мезопо-ры; поры большего размера, вплоть до диаметра 500 нм (предельный размер пор, определяемый методом БЭТ), не обнаружены.
Таблица 1. Текстурные характеристики ВПЯМ марки 10 ppi (метод низкотемпературной
0,001
■ОРТ
50 ■В.1Н
100 150 200
Радиус пор, А
Образец Удельная поверхность, м2/г Объем пор размером до 180 нм ВШ, см3/г Объем микро- и мезопор МЬБРТ, см3/г Преимущественный радиус пор, А (ББТ ) Общий объем пор, см3/г
ВПЯМ марки 10 ppi 4,96 0,0267 0,0263 18 1,38
Объем пор единицы массы материала керамики (V см3/г) рассчитывали, исходя из плотности по обмеру (роб., г/см3) и истинной плотности материала (рисг, г/см3) по формуле (1):
V = 1/Роб. - 1/Рисг. . (1)
Рассчитанный таким образом общий объем пор составил 1,38 см3/г, а объем микро- и мезопор - около 1,9% от общего объема пор. Основной объем занимают поры большого размера (максимально до 2-3 мм) (рис. 1 (г)).
Рис. 2. Дифференциальная зависимость распределения пор по размерам ВПЯМ марки 10 ppi
Для эффективной работы носителя и загрузки реактора важна поверхность не массы, а единицы объема материала, которую можно оценить, умножив удельную поверхность на плотность материала. Для керамики ВПЯМ марки 10 рр1 эта величина составляет 3,02 м2/см3. Из материалов-носителей были изготовлены образцы одинакового размера, которые погружали в сбраживаемую массу. Эффективность материала носителя оценивали по величине прироста органического вещества (ОВ) на нем.
Определение прироста биомассы проводили следующим образом. Предварительно образцы носителя высушивали до постоянной массы по гостированной методике (ГОСТ 13496.3-92 Комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения влаги. -М., 2011), взвешивали и получали значение Рисх. Образцы носителя помещали в метан-тенк и после заданного времени (20, 30 и 40
0
суток) вынимали из метантенка, переносили на сито и выдерживали 5,0-5,5 часов для сте-кания жидкости. После этого образцы сушили до постоянного веса, взвешивали и получали значение Р20, Рзо и Р40. Далее образцы с сухой биомассой прокаливали в соответствии с гостированной методикой (ГОСТ Р 56881-2016 Биомасса. Определение зольности стандартным методом. М., 2019) и определяли массу носителя с золой Р|0, Р3Г0 и Р40. Расчет прироста ОВ (ДОВ) проводили по формуле:
Дов= 100
р- '
г I исх.
(2)
где Дов - прирост органического вещества, %; Р[, Р[ и Р£ исх. - соответственно масса носителя с биомассой после выдержки в ме-тантенке 20, 30 или 40 суток, масса носителя после прокаливания и масса носителя до проведения экспериментов, г.
Экспериментальная база. Экспериментальную работу проводили на лабораторной установке, схема которой представлена на рисунке 3 . Из емкости-смесителя субстрат перистальтическим насосом с расходом 1 л/мин. подавался в аппарат вихревого слоя
(АВС), имеющий диаметр рабочей камеры 50 мм, объем 0,5 л. Масса ферромагнитных тел в рабочей камере аппарата составляла 100 г, время обработки субстрата (время гидравлического удерживания) - 30 с, частота переменного тока - 80 Гц. Анаэробный метантенк-биореактор имел рабочий объем 50 л, объем газового пространства 15 л. Температура процесса составляла 55±0,4°С, поддержание температуры осуществлялось с помощью электрического нагревателя мощностью 2 кВт. Перемешивание в аппарате происходило с помощью мешалки с частотой вращения 30 об/мин. Биогаз, образующийся в процессе обработки, имеющий давление 100 мм водяного столба, проходил через гидрозатвор и поступал в барабанный газовый счетчик RITTER TG10.
Подготовленный субстрат загружался в емкость-смеситель 1, из которой насосом-дозатором подавался в аппарат вихревого слоя (АВС) 2, затем обработанный субстрат самотеком поступал в реактор предварительного нагрева объемом 8 л 4, оснащенный механической мешалкой 3, нагревателем 5 и температурным датчиком 7.
Рис. 3. Принципиальная технологическая схема лабораторной установки: 1 - смеситель; 2 - аппарат вихревого слоя; 3 - механическая мешалка; 4 - реактор предварительного нагрева; 5 - нагреватель; 6 - гидрозатвор; 7 - температурный датчик; 8 - насос-дозатор; 9 - устройство загрузки; 10 - патрубок выхода биогаза; 11 - устройство выгрузки; 12 - устройство перемешивания; 13 - барабанный газовый счетчик; 14 - накопитель эффлюента; 15 - метантенк; 16 - блок управления; 17 - материал-носитель
Нагретый до температуры 55-57°С субстрат насосом-дозатором 8 через устройство загрузки 9 подавали в метантенк 15, оснащенный электронагревателем, температурным датчиком и механической мешалкой 12. Температуру процесса определяли прямым измерением с помощью датчиков марки ДТС-50М, установленных в реакторе предварительного нагрева и в метантенке. В ме-тантенке происходил процесс термофильного анаэробного сбраживания субстрата. Образующийся биогаз через патрубок 10 и гидрозатвор 6 поступал в барабанный газовый счетчик 13. При загрузке метантенка свежим субстратом сброженная масса через устройство выгрузки 11 поступала в накопитель эффлюента 14. Контроль и управление технологическим оборудованием осуществлялись с помощью блока управления 16. При объемной нагрузке на метантенк по органическому веществу 3,2 кг ОВ/(м3-сут.) производилась ежедневная однократная загрузка в него 5 л предварительно обработанного в АВС субстрата с концентрацией 40 г/л. При объемной нагрузке на метантенк 6,4 кг ОВ/ (м3-сут.) производилась ежедневная двукратная загрузка в него 5 л предварительно обработанного в АВС субстрата с концентрацией 40 г/л с интервалом между загрузками в 8 ч.
Результаты и обсуждение. Полученные экспериментальные результаты сведены в таблицы 2 и 3. Проведенные исследования показали наибольший прирост органического вещества биомассы на керамическом носителе (корундовый высокопористый ячеистый материал (ВПЯМ) марки 10 ppi не только по сравнению с изоляционным материалом стеклоткани, но и по сравнению с проводящим носителем из углеродной ткани.
Таблица 3. Величина прироста органического вещества биомассы на разных носителях (% к массе носителя) и времени выдержки (сут.)
Материал-носитель Масса приросшего органического вещества, %
20 сут. 30 сут. 40 сут.
Стеклоткань 5,09 7,77 7,85
Углеродная ткань 5,45 7,63 10,11
ВПЯМ 18,17 (3,57; 3,33)* 23,17 (2,98; 3,04)* 23,93 (3,05; 2,37)*
* увеличение прироста по отношению к носителю из стеклоткани и углеродной ткани соответственно
При этом с увеличением выдержки (в исследованном интервале времени 20-40 суток) суточная величина увеличения прироста ОВ биомассы становится меньше. Наименьшее увеличение прироста наблюдалось для носителя из стеклоткани. Большую эффективность керамического носителя можно объяснить специфической структурой ВПЯМ. Материал имеет большую пористость (при плотности около 0,6 г/см3 общая пористость достигает 85%) и развитую поверхность пор различного размера (рис. 1 (г)). Максимальный размер пор доходит до 3 мм. Средний размер микроорганизмов (бактерий) составляет (2^3 х 0,3^0,8) мкм; большой объем пор с развитой поверхностью благоприятствует их иммобилизации. Микро- и мезопоры ВПЯМ являются структурными элементами поверхности больших пор. Их наличие может оказывать положительное влияние на иммобилизацию микроорганизмов, большинство из которых имеют жгутики сопоставимого размера (толщина их от 10 до 20 нм, длина может достигать 200 мкм).
Результаты эксперимента показывают, что эффективность применения носителей биоматериалов существенно зависит от их поровой структуры. Большая пористость и развитая поверхность пор облегчают иммобилизацию микроорганизмов и увеличивают в 3,0-3,6 раз массу приросшего органического вещества по сравнению с беспористой, гладкой поверхностью стеклоткани. Полученные результаты рекомендуются для выбора носителя при переработке животноводческих и растительных отходов в качестве ВИЭ в анаэробном биореакторе.
Таблица 2. Величина прироста органического вещества биомассы на разных носителях (г) _ и времени выдержки (сут.)_
Материал-носитель Масса материала носителя с биомассой после прокаливания, г
Р исх. 20 сут. 30 сут. 40 сут.
Стеклоткань 26,51 г 28,10/26,75 28,91/26,85 28,99/26,91
Углеродная ткань 25,31 г 26,91/25,53 27,61/25,68 28,32/25,76
ВПЯМ 24,82 г 30,12/25,61 31,51/25,76 31,90/25,96
Выводы. Природа неорганического носителя биологического материала оказывает существенное влияние на прирост биомассы анаэробного биореактора. Решающее влияние на прирост оказывает текстура носителя. Для увеличения прироста органического вещества биомассы рекомендуется использовать носитель с максимально развитой поверхностью и общей пористостью.
Литература:
1. Биоэнергетика: мировой опыт и прогнозы развития. М.: Росинформагротех, 2008. 404 с.
2. Гидротермальный пиролиз органосодержащих отходов в сверхкритических условиях / Федотов А.В. и др. // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2019. № 4. С. 126-132.
3. Биотехнология - сельскому хозяйству / А.Г. Лоба-нок и др. Минск, 1988. 199 с.
4. Анаммокс бактерии в природе и экобиотехнологии / Ножевникова А.Н. и др. М., 2017. 280 с.
5. Гюнтер Л.И. Метантенки. М., 1991. 128 с.
6. С.-х. биотехнология и биоинженерия. М., 2015.
7. Development of high-rate anaerobic ammonium-oxidizing (anammox) biofilm reactors / Tsushima I. etc. // Water Research. 2007. № 41(8). P. 1623-1634.
8. Performance of high-loaded ANAMMOX UASB reactors containing granular sludge / Tang C.J. etc. // Water Research. 2011. V. 45. P. 135-144.
9. Биотехнология с.-х. растений. М., 1987. 301 с.
10. Prindle A. Ion channels enable electrical communication in bacterial communities // Nature. 2015. Vol. 527.
11. Lovley D. Syntrophy Goes Electric // Annu. Rev. Microbiol. 2017. Vol. 8(71). Р. 643-664.
12. Cheng Q. Hardwiring Microbes via Direct Interspecies Electron Transfer: Mechanisms and Applications // Environ. Sci. Process. Impacts. 2016. V. 18(8). Р. 968-980.
13. Barua S. Advances towards understanding and engineering direct interspecies electron transfer in anaerobic digestion // Bioresour. Technol. 2017. № 244. P. 698-707.
14. Lee J. Effects of an applied voltage on direct interspecies electron transfer via conductive materials for methane production // Waste Manag. 2017. № 68. P. 165-172.
Literatura:
1. Bioenergetika: mirovoj opyt i prognozy razvitiya. M.: Rosinformagrotekh, 2008. 404 s.
2. Gidrotermal'nyj piroliz organosoderzhashchih othodov v sverhkriticheskih usloviyah / Fedotov A.V. etc. // Elek-trotekhnologii i elektrooborudovanie v APK. 2019. № 4. S. 126-132.
3. Biotekhnologiya - sel'skomu hozyajstvu / A.G. Loba-nok i dr. Minsk, 1988. 199 s.
4. Anammoks bakterii v prirode i ekobiotekhnologii / No-zhevnikova A.N. i dr. M., 2017. 280 s.
5. Gyunter L.I. Metantenki. M., 1991. 128 s.
6. S.-h. biotekhnologiya i bioinzheneriya. M., 2015.
7. Development of high-rate anaerobic ammonium-oxidizing (anammox) biofilm reactors / Tsushima I. etc. // Water Research. 2007. № 41(8). P. 1623-1634.
8. Performance of high-loaded ANAMMOX UASB reactors containing granular sludge / Tang C.J. etc. // Water Research. 2011. V. 45. P. 135-144.
9. Biotekhnologiya s.-h. rastenij. M., 1987. 301 s.
10. Prindle A. Ion channels enable electrical communication in bacterial communities // Nature. 2015. Vol. 527.
11. Lovley D. Syntrophy Goes Electric // Annu. Rev. Microbiol. 2017. Vol. 8(71). R. 643-664.
12. Cheng Q. Hardwiring Microbes via Direct Interspeci-es Electron Transfer: Mechanisms and Applications // Environ. Sci. Process. Impacts. 2016. V. 18(8). R. 968-980.
13. Barua S. Advances towards understanding and engineering direct interspecies electron transfer in anaerobic digestion // Bioresour. Technol. 2017. № 244. R. 698-707.
14. Lee J. Effects of an applied voltage on direct interspe-cies electron transfer via conductive materials for methane production // Waste Manag. 2017. № 68. R. 165-172
STUDY OF ANAEROBIC BIOREACTOR'S BIOMASS ACCUMULATION ON VARIOUS MEDIA MATERIALS D.A. Kovalev, candidate of technical sciences A.V. Fedotov, candidate of technical sciences FGBNY "Federal scientific Agroengineering center VIM"
Abstract. Anaerobic and aerobic organic waste processing's types in bioreactors, providing the biogas production and biomass decontaminating, are increasingly being used. The processing's efficiency depends on microorganisms on medis's material immobilization. The experiments on a laboratory bioreactor with 50 liters' volume in thermophilic regime at a temperature of 55 °C were carried out. Granular compound feed K-65 as a substrate was used. Compound feed crusher was crushed on a hammer and in water at 45 °C temperature suspended. The compound feed concentration in water was 40 g/l. As methanogenesis anaerobic process's inoculate a fermented substrate, biological media material - the T-13 fiberglass brand, graphite TGN-2MK brand fabric and a highly porous cellular corundum material of brand 10 ppi were used. By optical method and low-temperature nitrogen adsorption one the biomass media materials' texture had been studied. Studies on biomass accumulation on various medias during anaerobic processing in a bioreactor for 20, 30 and 40 days had been conducted. The results obtained during this experiment show that the biomaterial medias using effectiveness significantly depends on their pore structure. The large porosity and pores' developed VPYaM surface, the of micro- and mesopores presence facilitate the of microorganisms immobilization and increase in 3,0-3,6 and 2,4-3,3 times, respectively, the grown organic matter's mass in compared to the non-porous, smooth surface of fiberglass and carbon fabric texture.
Keywords: biomass gain, anaerobic treatment, biological media, highly porous cellular ceramics, fiberglass.
