ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ ФЕРМЕНТАЦІЇ ОРГАНІЧНИХ СУБСТРАТІВ ДЛЯ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ МЕТАНОГЕНЕРАЦІЇ
DOI:
https://doi.org/10.32347/2524-0021.2023.42.59-70Ключові слова:
зброджування, осад стічних вод , коферментація, нітроген, карбон, біогаз, метанАнотація
Розглянуто перспективи підвищення ефективності процесу ферментації органічних субстратів для забезпечення максимального виходу біогазу та підвищення економічної ефективності переробки органічних осадів стічних вод. Біогаз, як аналог природного газу, знаходить використання під час виробництва теплової та електричної енергії, як транспортне моторне паливо, як сировина для хімічної промисловості.
Проведено аналіз тенденцій інтенсифікації процесів метанового зброджування. Перспективним напрямом підвищення продуктивності процесу метаногенерації під час переробки органічної речовини є збільшення енергетичної насиченості органічного субстрату та його попередня обробка. Одним з підходів, спрямованих на інтенсифікацію продукування метану, є використання органічних відходів як допоміжного субстрату для зброджування осаду стічних вод – процес, відомий як спільне зброджування.
Досліджено осади первинних і вторинних відстійників комплексу біологічного очищення стічних вод. За результатами проведених випробувань відзначено, що співвідношення карбону та нітрогену у дослідженому надлишковому активному мулі складає 4–5, у суміші первинного і вторинного осаду – 5–6, в осаді з мулових майданчиків – 6–10, що значно менше бажаного співвідношення 20:1, яке лімітує негативний вплив підвищеного вмісту азоту в органічному субстраті для метанової ферментації. За отриманими даними можна спрогнозувати, що присутні в складі осадів стічних вод нітрогенвмісні сполуки сприятимуть мікробіологічному процесу утворення нітрогенвмісних відновлених продуктів, які знижують вихід метану під час метаногенезу.
Показана доцільність збагачення біоценозу, що інокулюється, гідролітичними ферментними препаратами або мікроорганізмами, що мають високу гідролітичну активність, з огляду на той факт, що активні мули мають більш низьку гідролітичну активність, ніж ферментні препарати, виділені з того ж мулу, а також, ніж деякі бактерії, і тим більше мікроскопічні гриби. Це викликано присутністю в біомасі мулу інертної органічної і неорганічної маси, відмерлих мікроорганізмів і тих, що мають низку гідролітичну активність. Також встановлена можливість підвищення швидкості першої фази ферментації осадів за рахунок лужної попередньої обробки суміші субстратів.
Посилання
Li., Y., Chen, Y., & Wu, J. (2020). En-hancement of methane production in anaerobic digestion process: A review. Applied Energy, 240, 120-137. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.01.243
Heletukha, G. G., Zheliezna, T. A., Matvieiev, Yu. B., Kucheruk, P. P., & Kramar, V. H. (2020) Roadmap for bioenergy development in Ukraine until 2050. Position Paper UABIO № 26. Bioenergy Association of Ukraine, 49. https://uabio.org/wp-content/uploads/2020/11/uabio-position-paper-26-en.pdf
Geletukha, G., Kucheruk, P., & Matveev, Y. (2022). Prospects for biomethane production in Ukraine. Position Paper UABIO № 29. Bio-energy Association of Ukraine, 56. https://uabio.org/wp-content/uploads/2022/10/final-EN-Position-paper-UABIO-2022-09.pdf
Liang, T., Elmaadawy, Kh., Liu, B., Hu. J., Hou, H., & Yang, J. (2021). Anaerobic fer-mentation of waste activated sludge for volatile fatty acid production: Recent updates of pre-treatment methods and the potential effect of humic and nutrients substances. Process Safety and Environmental Protection, 145, 321-339. https://doi.org/10.1016/j.psep.2020.08.010
Mao, Ch., Feng, Y., Wang, X., & Ren, G. (2015). Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 45, 540-555. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.02.032
Liew, C. S., Yunus, N. M., Chidi, B. S., Lam, M. K., Goh, P. S., Mohamad, M., Sin, J. C., Lam, S. M., Lim, J. W., & Lam, S. S. (2022). A review on recent disposal of hazard-ous sewage sludge via anaerobic digestion and novel composting. Journal of Hazardous Mate-rials, 423(A). 126995. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126995
Nguyen, V. Kh., Chaudhary, D. K., Dahal, R. H., Trinh, N. H., Kim, J., Chang, S. W., Hong, Y., La, D .D., Nguyen, X. C., Ngo, H. H., Chung, W. J., & Nguyen, D. D. (2021) Review on pretreatment techniques to improve anaerobic digestion of sewage sludge. Fuel, 285, 119105. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119105
Bin Khawer, M. U., Naqvi, S. R., Ali, I., Arshad, M., Juchelková, D., Anjum, M. W., & Naqvi, M. (2022). Anaerobic digestion of sew-age sludge for biogas & biohydrogen produc-tion: State-of-the-art trends and prospects. Fuel, 329, 125416. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.125416
Skliar, O. H., &Skliar, R. V. (2014) Metody intensyfikatsii protsesiv metanovoho zbrodzhu-vannia. Naukovyi visnyk Tavriiskoho derzhavnoho ahrotekhnolohichnoho universyte-tu, 4(1), 3–9. http://nauka.tsatu.edu.ua/e-journals-tdatu/pdf4t1/3.pdf [in Ukrainian]
Sánchez Rubal, J., Cortacans Torre, J. A., & del Castillo González, I. (2012). Influence of Temperature, Agitation, Sludge Concentra-tion and Solids Retention Time on Primary Sludge Fermentation. International Journal of Chemical Engineering, 2012, 861467. https://doi.org/10.1155/2012/861467
Sorokina, K. B. (2019) Analiz mozhlyvosti zastosuvannia bahatostupenevoho anaerobnoho zbrodzhuvannia osadiv stichnykh vod. Naukovi notatky, 65, 243–248. http://www.irbis-nbuv.gov.ua/cgi-bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe?I21DBN=LINK&P21DBN=UJRN&Z21ID=&S21REF=10&S21CNR=20&S21STN=1&S21FMT=ASP_meta&C21COM=S&2_S21P03=FILA=&2_S21STR=Nn_2019_65_39 [in Ukrainian]
Hidaka, T., Nakamura, M., Oritate, F., & Nishimura, F. (2022). Comparative anaerobic digestion of sewage sludge at different tempera-tures with and without heat pre-treatment. Chemosphere, 307(3), 135808. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.135808
Zhu, A., Qin, Y., Wu, J., Ye, M., & Li, Y. (2021). Characterization of biogas production and microbial community in thermophilic an-aerobic co-digestion of sewage sludge and pa-per waste. Bioresource Technology, 337, 125371. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125371
Mehariya, S., Patel, A. K., Obulisamy, P. K., Punniyakotti, E., & Wong, J. W. C. (2018). Co-digestion of food waste and sewage sludge for methane production: Current status and perspective. Bioresource Technology, 265, 519-531. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.04.030
Hallaji, S. M., Kuroshkarim, M., & Mous-savi, S. P. (2019). Enhancing methane produc-tion using anaerobic co-digestion of waste acti-vated sludge with combined fruit waste and cheese whey. BMC Biotechnol, 19, 19. https://doi.org/10.1186/s12896-019-0513-y
Azarmanesh, R., Qaretapeh, M. Z., Zo-noozi, M. H., Ghiasinejad, H., & Zhang, Y. (2023). Anaerobic co-digestion of sewage sludge with other organic wastes: A comprehen-sive review focusing on selection criteria, op-erational conditions, and microbiology. Chemi-cal Engineering Journal Advances, 14, 100453. https://doi.org/10.1016/j.ceja.2023.100453
Elalami, D., Carrere, H., Monlau, F., Ab-delouahdi, K., Oukarroum, A., & Barakat, A. (2019). Pretreatment and co-digestion of wastewater sludge for biogas production: Re-cent research advances and trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier, 114, 109287. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109287
Kim, J., Park, C., Kim, T.-H., Lee, M., Kim, S., Kim, S.-W., & Lee, J. (2003). Effects of various pretreatments for enhanced anaero-bic digestion with waste activated sludge. Jour-nal of Bioscience and Bioengineering, 95(3), 271-275. https://doi.org/10.1016/S1389-1723(03)80028-2
Naran, E., Toor, U. A., & Kim, D.-J. (2016). Effect of pretreatment and anaerobic co-digestion of food waste and waste activated sludge on stabilization and methane production. International Biodeterioration & Biodegrada-tion, 113, 17-21. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2016.04.011
Abudi, Z. N., Hu, Z., Xiao, B., Abood, A. R., Rajaa, N., & Laghari, M. (2016). Effects of pretreatments on thickened waste activated sludge and rice straw co-digestion: Experimental and modelling study. Journal of Environmental Management, 177, 213-222. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.04.028
Atelge, M. R., Atabani, A. E., Rajesh Ba-nu, J., Krisa, D., Kaya, M., Eskicioglu, C., Kumar, G., Lee, C., Yildiz, Y. Ş., Unalan, S., Mohanasundaram, R., & Duman, F. (2020). A critical review of pretreatment technologies to enhance anaerobic digestion and energy recov-ery. Fuel, 270, 117494. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117494
Cano, R., Pérez-Elvira, S. I., & Fdz-Polanco, F. (2015). Energy feasibility study of sludge pretreatments: A review. Applied Energy, 149, 176–185. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.03.132
Kor-Bicakci, G., Ubay-Cokgor, E., & Eskicioglu, C. (2019). Effect of dewatered sludge microwave pretreatment temperature and duration on net energy generation and biosolids quality from anaerobic digestion. Energy, 168, 782-795. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.11.103
Chief State Inspector of Ukraine for Envi-ronmental Protection (2013) List of methods for performing measurements (determinations) of the composition and properties of samples of environmental objects, emissions, wastes and discharges provisionally allowed for use by the State Inspectorate of Ukraine, approved by the Head of the State Environmental Inspectorate of Ukraine [in Ukrainian].
Franco-Duarte, R., Černáková, L., Ka-dam, S., Kaushik, K. S., Salehi, B., Bevilacqua, A., Corbo, M. R., Antolak, H., Dybka-Stępień, K., Leszczewicz, M., Relison Tintino, S., Alexandrino de Souza, V. C., Sharifi-Rad, J., Melo Coutinho, H. D., Mar-tins, N., & Rodrigues, C. F. (2019). Advances in Chemical and Biological Methods to Identify Microorganisms - From Past to Present. Micro-organisms, 7(5), 130. https://doi.org/10.3390/microorganisms7050130
Pirog, T. P. (2010). General microbiology. NUFT, Kyiv. http://dspace.nuft.edu.ua/jspui/handle/123456789/581 [in Ukrainian]
Postgate, J. R. (1983). The Sulfate-Reducing Bacteria. University Press, Cambridge. https://doi.org/10.1002/jobm.3620250311
Benyi, X., & Junxin L. (2006). pH depend-ency of hydrogen fermentation from alkali-pretreated sludge. Chinese Science Bulletin, 51, 399–404. https://link.springer.com/article/10.1007/s11434-006-0399-7
Henze, M., Harremoës, P., Jansen, J. l. C., & Arvin, E. (2002). Wastewater Treatment : Biological and Chemical Processes. Berlin ; New York : Springer. https://searchworks.stanford.edu/view/4735121
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Катерина Сорокіна, Валентина Юрченко, Наталя Телюра
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
a) Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи, яка через 70 років після смерті останнього співавтора з дати публікації автоматично стає доступною на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
b) Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
c) Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
