CC BY
13
УДК 579.851:579.695:57.08 DOI 10.51794/27132064-2021-3-83
ОЦЕНКА ЭФФЕКТА ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОБНОЙ ЭЛЕКТРОЛИЗНОЙ ЯЧЕЙКИ В СИСТЕМЕ АНАЭРОБНОЙ БИОКОНВЕРСИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
Д.А. Ковалев, кандидат технических наук
A.А. Ковалев, кандидат технических наук
B. С. Григорьев, доктор технических наук
ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» E-mail: kovalev_da80@mail.ru
Аннотация. Анаэробное метаногенное сбраживание сельскохозяйственных и коммунальных органических отходов, к которым относятся навоз, помет, органическая фракция твердых коммунальных отходов и обезвоженные осадки сточных вод, является перспективной заменой пока что безальтернативному их захоронению на полигонах ТКО, т. к. позволяет, помимо стабилизации органического вещества отходов, получить ценный энергоноситель в виде метана. Целью работы является определение эффективности применения микробной электролизной ячейки (МЭЯ) в системе анаэробной биоконверсии органических отходов при двух температурных режимах. Были проведены экспериментальные исследования по анаэробной обработке органических отходов в мезофильном и термофильном температурных режимах с использованием микробной электролизной ячейки в качестве средства интенсификации процесса анаэробной биоконверсии, работавшей при различных режимах. Согласно результатам экспериментальных исследований показатели по скорости выхода биогаза и его среднесуточному количеству из системы МС-МЭЯ в 1,64 и в 2 раза, соответственно, выше по сравнению с контролем (МС) при низком ГВУ. При этом установлено, что подведенная к субстрату за счет разницы потенциалов между электродами МЭЯ энергия в виде постоянного тока способствует повышению работоспособности консорциума анаэробных микроорганизмов как в термофильном, так и в мезофильном температурных режимах при высоких нагрузках по органическому веществу.
Ключевые слова: метановое сбраживание, анаэробная биоконверсия, микробная электролизная ячейка.
Введение. Анаэробное метаногенное сбраживание сельскохозяйственных и коммунальных органических отходов, к которым относятся навоз, помет, органическая фракция твердых коммунальных отходов (ТКО) и обезвоженные осадки сточных вод (ОСВ), является перспективной заменой пока что безальтернативному их захоронению на полигонах ТКО, т. к. позволяет, помимо стабилизации органического вещества отходов, получить ценный энергоноситель в виде метана. Распространение этой технологии в нашей стране стало по настоящему актуальным после принятия 6 февраля 2019 г. в первом чтении Государственной Думой РФ проекта Федерального закона «О внесении изменений в Федеральный закон "Об электроэнергетике" в части развития микрогенерации». Согласно закону, вырабатываемую биогазовыми установками электроэнергию
можно будет продавать в сеть. Вполне очевидно, что коммерческие структуры, разрабатывающие и эксплуатирующие биогазовые установки, для снижения затрат будут отдавать предпочтение наиболее эффективным и скоростным технологиям. Надо отметить, что технология анаэробной переработки органических отходов существует уже более 60 лет, но ее широкое распространение сдерживается, в частности, из-за распространенного убеждения, что анаэробное разложение органического вещества (ОВ) является медленным процессом [1].
Исследования последних лет показывают, что в микробных электролизных ячейках (МЭЯ, от англ. MEC - MicrobialElectrolysis-Cells) экзоэлектрогенные, то есть способные выделять и передавать электроны, бактерии (например, представители р. Geobacter) под воздействием электрического тока невысо-
кого напряжения могут превращать органические отходы в разные продукты, такие, как водород и метан [2, 3]. Показано, что в однокамерной МЭЯ, например, в анаэробном реакторе с помещенной в него парой электродов, ускоряются процессы гидролиза и мета-ногенеза. Увеличение производства метана в МЭЯ, в основном, объясняется катодным восстановлением диоксида углерода до метана с помощью наросшей на катоде биопленки, содержащей гидрогенотрофные ме-таногены; при этом биопленка является своего рода биокатодом и предположительно осуществляет реакцию CO2 + 8H+ + 8e- = = CH4 + 2H2O (e0 ~ -0,44 В против стандартного водородного электрода) [2]. Электроны, используемые для катодного восстановления СО2, образуются в результате анодного окисления субстратов за счет переноса электронов из органических веществ на электрод с экзоэлектрогенами.
В то же время увеличение скорости мета-ногенеза может происходить за счет недавно открытого процесса прямого переноса электронов (от англ. DIET - Directlnterspecies-ElectronTransfer) между синтрофными (способными окислять летучие жирные кислоты и некоторые другие простые соединения в присутствии партнера-метаногена) бактериями и метаногенными археями, например, через небиологические электропроводящие (кондуктивные) материалы [4]. Так как электроды в МЭЯ выполняются из электропроводящего материала, наблюдаемое ускорение метаногенеза, помимо влияния электрического тока низкого напряжения, может быть отнесено также к физическому присутствию в этой системе электропроводящего материала.
Целью работы является определение эффективности применения микробной электролизной ячейки (МЭЯ) в системе анаэробной биоконверсии органических отходов при двух температурных режимах.
Для оценки эффективности применения микробной электролизной ячейки (МЭЯ) в системе анаэробной биоконверсии органических отходов были проведены экспериментальные исследования процесса метанового
сбраживания с использованием МЭЯ (МС-МЭЯ) при двух температурных режимах, основные показатели которых приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные показатели температурных
режимов
Показатель Температурный режим
Термо фильный Мезофильный
Температура в анаэробном биореакторе, °С 55,1 37,3
Продолжительность эксперимента, сут. 117 148
Количество стадий эксперимента, ед. 8 5
Исходный субстрат. Исходным субстратом для анаэробной обработки служила смесь модели органической фракции твердых коммунальных отходов (комбикорм К-65) и водопроводной воды в соотношении 30 г/л. Субстрат готовился следующим образом: навеску комбикорма заливали водопроводной водой и выдерживали в течение 30 минут при комнатной температуре. Характеристики исходного субстрата: влажность -97,1%; содержание органического вещества - 24 г/л.
Аналитический метод. Содержание сухого вещества (СВ) определяли после высушивания образца до постоянной массы при 105°С. Зольный остаток определяли при сжигании сухого образца в муфельной печи до постоянной массы при 650°С. Содержание органического вещества (ОВ) рассчитывали, как разницу между СВ и зольным остатком.
Экспериментальная установка. Экспериментальная установка предназначена для исследования влияния воздействия постоянного тока на сбраживаемую массу на эффективность и стабильность процесса анаэробной биоконверсии органического вещества жидких органических отходов АПК. Основными контролируемыми параметрами будут являться: температура процесса, напряжение на электродах, время гидравлического удерживания биомассы в реакторе. Технологическая схема экспериментальной биогазовой установки приведена на рисунке.
Рисунок. Технологическая схема экспериментальной биогазовой установки: 1 - узел учета качества и количества биогаза; 2 - устройство выгрузки лабораторного анаэробного биореактора (ЛАБР); 3 - лабораторный анаэробный биореактор (ЛАБР); 4 - внешнее устройство воздействия постоянным током на сбраживаемую массу с дисковыми электродами; 5 - катод; 6 - анод; 7 - лабораторный реактор подготовки (РП)
субстрата к анаэробному сбраживанию; 8 - привод перемешивающего устройства лабораторного РП; 9 - нагреватель лабораторного РП; 10 - перемешивающее устройство лабораторного РП; 11 - насос циркуляции сбраживаемой массы; 12 - устройство загрузки ЛАБР; 13 - устройство разделения сброженного субстрата на фракции; 14 - клапан удаления надосадочной жидкости; 15 - нагреватель ЛАБР; 16 - перемешивающее устройство ЛАБР; 17 - привод перемешивающего устройства ЛАБР; 18 - источник постоянного тока;
19 - клапан загрузки подготовленного субстрата.
Исходный
0
Р \ 14 о л
Ц о
° S о w ч ч
Сброженный осадок
ill
18
+
8
9
4
6
5
Установка работает следующим образом. Исходный субстрат подается в лабораторный реактор подготовки (РП) субстрата к анаэробному сбраживанию 7 через устройство загрузки. В лабораторном РП исходный субстрат при интенсивном перемешивании за счет нагревателя лабораторного РП 9 и перемешивающего устройства 10 нагревается до температуры процесса в лабораторном анаэробном биореакторе 3. Далее предварительно обработанный и нагретый до температуры сбраживания субстрат через клапан загрузки подготовленного субстрата 19 самотеком поступает в лабораторный анаэробный биореактор 3 через устройство загрузки 12. Сбраживаемая масса из лабораторного анаэробного биореактора 3 забирается насо-
сом 11 и прокачивается через устройство воздействия постоянным током на сбраживаемую массу 4, в донной части которого установлены катод 5 и анод 6, расстояние между электродами может варьироваться от 30 до 70 мм в зависимости от реологических свойств субстрата. Постоянный ток подается на электроды от источника 18. Из устройства 4 обработанная масса подается в донную часть биореактора 3. В лабораторном анаэробном биореакторе 3 субстрат обрабатывается в заданном температурном режиме, после чего автоматически выгружается (перелив) через устройство выгрузки субстрата 2 в устройство разделения сброженного субстрата на фракции 13 при добавлении следующей порции сырья. Периодически надо-
садочная жидкость из устройства разделения сброженного субстрата на фракции 13 удаляется через клапан удаления надосадочной жидкости 14. Биогаз, образующийся в процессе анаэробной биоконверсии органического вещества субстрата, собирается в верхней части лабораторного анаэробного биореактора 3 и поступает в узел учета качества и количества биогаза 1.
Постановка эксперимента. Термофильный режим. При температуре в анаэробном биореакторе 55,1°С установка работала в двух режимах:
- Start-up - режим запуска и накопления биомассы анаэробных микроорганизмов в анаэробных биореакторах;
- Steadystate - режим с контрольным биореактором (без МЭЯ) и анаэробным биореактором МС-МЭЯ.
Основные параметры стадий эксперимента при термофильном режиме в анаэробном биореакторе приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные параметры стадий
Подготовительный этап (Start-up, стадии I-IV) проводился в двух анаэробных реакторах, при этом к реактору R1 посредством трубопроводов была подключена микробная электролизная ячейка (МЭЯ), а реактор R2 являлся дображивателем (анаэробно обработанный субстрат в реакторе R1 являлся исходным субстратом для реактора R2, подключение МС-МЭЯ+МС). Эксперименты Steadystate (стадии V-VIII) проводились в двух анаэробных реакторах, при этом к одному реактору (R1) посредством трубопро-
водов была подключена МЭЯ, а другой (Я2) являлся контрольным (подключение МС-МЭЯ и МС-контроль). Настройки источника питания МЭЯ в течение экспериментов поддерживались со стабилизацией по напряжению. Результаты экспериментальных исследований при термофильном режиме представлены в таблице 3.
Таблица 3. Результаты эксперимента _при термофильном режиме_
Параметр Реактор Стадия
I II III IV V VI VII VIII
ГВУ, сут. R1, R1 5,0 3,5 2,5 2,0 3,5 2,5 2,0 2,0
Среднесуточный выход биогаза, л/сут. R1 72 71 76 117 140 70 138 170
R2 11 11 47 62 79 101 158 144
Степень разложения ОВ, % R1 38 81 34 37 67 76 56 75
R2 73 2 12 10 32 26 25 59
Мезофильный режим. При температуре в анаэробном биореакторе 37,3° установка работала в двух режимах:
- Start-up - режим перехода с термофильного температурного режима на мезофиль-ный;
- Steadystate - режим с контрольным биореактором (без МЭЯ) и анаэробным биореактором МС-МЭЯ.
Основные параметры стадий эксперимента при мезофильном режиме в анаэробном биореакторе приведены в таблице 4.
Таблица 4. Основные параметры стадий эксперимента при мезофильном режиме
Параметр Стадия
I II III IV V
Режим Start-up Steadystate
ГВУ, сут. 12,5 10,0 6,25 5,0 4,0
Продолжительность, сут. 38 40 25 25 20
Суточная доза загрузки, л 4,0 5,0 8,0 10,0 12,5
Напряжение, подаваемое на электроды МЭЯ, В 2,0 1,4 1,4 0,9 0,9
Кратность циркуляции, 1/ч 1
Подготовительный этап (Start-up, стадия I) и эксперименты Steadystate (стадии II-V) проводились в двух анаэробных реакторах, при этом к одному реактору (R1) посредством трубопроводов была подключена МЭЯ,
эксперимента при термофильном режиме
Параметр Стадия
I II III IV V VI VII VIII
Режим Start-up Steadystate
ГВУ, сут. 5,0 3,5 2,5 2,0 3,5 2,5 2,0 2,0
Продолжительность, сут. 25 18 13 10 18 13 10 10
Суточная доза загрузки, л 10 15 20 25 15 20 25 25
Напряжение, подаваемое на электроды МЭЯ, В 2,0 2,0 2,0 2,0 0,9 0,9 0,9 2,5
Кратность циркуляции, 1/ч 1
а другой (Я2) являлся контрольным (подключение МС-МЭЯ и МС-контроль). Настройки источника питания МЭЯ в течение экспериментов поддерживались со стабилизацией по напряжению. Результаты экспериментальных исследований при мезофильном режиме представлены в таблице 5.
Таблица 5. Результаты эксперимента _при мезофильном режиме_
Параметр Стадия
I II III IV V
ГВУ, сут. 12,50 10,00 6,25 5,00 4,00
Среднесуточный выход биогаза, л/сут. 50,00 71,00 67,00 60,00 66,00
48,00 77,00 69,00 60,00 27,00
Степень разложения ОВ, % 50,00 43,00 52,00 42,00 39,00
47,00 48,00 54,00 42,00 16,00
Сила тока на электродах МЭЯ, мА 38,00 80,00 80,00 84,00 84,00
Влажность эффлюен-та, % 97,53 95,66 96,92 96,37 96,81
97,46 96,11 97,00 97,3 98,00
Содержание ОВ в эф-флюенте, г/л 18,93 35,07 24,65 30,76 27,62
19,48 29,91 24,25 21,36 16,60
Выводы. Получены экспериментальные данные для последующей математической обработки и проведения энергетического анализа предлагаемой системы.
При достоверном получении экспериментальных данных процесса анаэробной биоконверсии с применением внешней проточной МЭЯ установлено, что подведенная к субстрату за счет разницы потенциалов между электродами МЭЯ энергия в виде посто-
янного тока способствует повышению работоспособности консорциума анаэробных микроорганизмов как в термофильном, так и в мезофильном температурных режимах при высоких нагрузках по органическому веществу. Показатели по скорости выхода биогаза и его среднесуточному количеству из системы МС-МЭЯ в 1,64 и в 2 раза, соответственно, выше по сравнению с контролем (МС) при низком ГВУ.
Литература:
1. Chen Y. Inhibition of anaerobic digestion process: a review // Bioresource Technol. 2008. Vol. 99(10). P. 4044.
2. Cheng S. Direct biological conversion of electrical current into methane by electromethanogenesis // Environ. Sci. Technol. 2009. Vol. 43. P. 3953-3958.
3. Logan B.E. Microbial electrolysis cells for high yield hydrogen gas production from organic matter // Environ. Sci. Technol. 2008. Vol. 42. P. 8630-8640.
4. Lovley D.R. Syntrophy Goes Electric: Direct Interspecies Electron Transfer // Annu. Rev. Microbiol. 2017. Vol. 71. P. 643-664.
Literatura:
1. Chen Y. Inhibition of anaerobic digestion process: a review // Bioresource Technol. 2008. Vol. 99(10). P. 4044.
2. Cheng S. Direct biological conversion of electrical current into methane by electromethanogenesis // Environ. Sci. Technol. 2009. Vol. 43. P. 3953-3958.
3. Logan B.E. Microbial electrolysis cells for high yield hydrogen gas production from organic matter // Environ. Sci. Technol. 2008. Vol. 42. P. 8630-8640.
4. Lovley D.R. Syntrophy Goes Electric: Direct Interspecies Electron Transfer // Annu. Rev. Microbiol. 2017. Vol. 71. P. 643-664.
EVALUATION THE OF MICROBIAL ELECTROLYSIS CELL AT THE ORGANIC WASTE'S ANAEROBIC
BIOCONVERSION SYSTEM USING EFFECT D.A. Kovalev, candidate of technical sciences A.A. Kovalev, candidate of technical sciences V.S. Grigoriev, doctor of technical sciences FGBNY"Federal Scientific Agroengineering Center VIM"
Abstract. Anaerobic methanogenic fermentation of agricultural and municipal organic waste, that includes manure, dung, organic fraction of municipal solid waste and dehydrated sewage, is a promising replacement for their nonalternative at TKO landfills' burial, because it allows, in addition, along with it organic waste matter to stabilize, so as a valuable energy carrier in the form of methane to obtain. The aim of the work is microbial electrolysis cell (MEY) in the anaerobic byconversion's using at organic waste system under two temperature conditions' effectiveness to determine. Experimental studies on the organic waste's anaerobic treatment at mesophilic and thermophilic temperature regimes with a microbial electrolysis cell using for anaerobic bioconversion process intensifying, working under various regimes were carried out. According to experimental studies' results, the biogas output indicators' rate and its average daily amount from the MS-MEY system are in 1,64 and 2 times higher, respectively, in compared with the control (MS) at low GBU. At the same time, it was found that the energy of substrate supplied in the direct current form due to the potential difference between the MEY's electrodes contributes to anaerobic microorganisms consortium efficiency in both thermophilic and mesophilic temperature regimes at high loads on organic matter. Keywords: methane fermentation, anaerobic bioconversion, microbial electrolysis cell.
