alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.25-30.051-059alternative-1507Research ArticleВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКАRENEWABLE ENERGYПОЛУЧЕНИЕ БИОГАЗА ПРИ ОЧИСТКЕ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СТОЧНЫХ ВОД СПИРТЗАВОДАBIOGAS PRODUCTION IN THE CONCENTRATED DISTILLERY WASTEWATER TREATMENThttps://orcid.org/0000-0003-1448-1872ГолубН. Б.GolubN.

Наталия Борисовна Голуб - доктор технических наук, профессор кафедры экобиотехнологии и биоэнергетики

д. 37, проспект Победы, Киев, 03056

Natalia Golub - D.Sc. in Engineering, Professor, Ecolog ical Biotechnology and Bioenergetics Department

37 Pobeda Av., Kyiv, 03056

golubnb@ukr.nethttps://orcid.org/0000-0001-9689-3912ПотаповаМ. В.PotapovaM.

Марьяна Владимировна Потапова - аспирант кафедры экобиотехнологии и биоэнергетики

д. 37, проспект Победы, Киев, 03056

Mariana Potapova - Postgraduate Student of Ecological biotechnology and bioenergetics De partment

37 Pobeda Av., Kyiv, 03056

https://orcid.org/0000-0003-4583-8416ШинкарчукМ. В.ShinkarchukM.

Мальвина Владимировна Шинкарчук - аспирант кафедры экобиотехнологии и биоэнергетики

д. 37, проспект Победы, Киев, 03056

Malvina Shinkarchu - Postgraduate Student of Ecological biotechnology and bioenergetics De partment

37 Pobeda Av., Kyiv, 03056

https://orcid.org/0000-0002-9032-7044КозловецА. А.KozlovetsO.

Александр Анатольевич Козловец - кандидат технических наук, главный технолог

д. 25/12, ул. Хорыва, Киев, 04071

Olexandr Kozlovets - Ph.D. in Engineering, Chief Technologist

25/12 Horyv Str., Kyiv, 04071

aakozlovec@gmail.comНациональный технический университет Украины «Киевский политехнический институт им. И. Сикорского»УкраинаNational Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”UkraineЧП «КИЕВБУДПРОЕКТ»УкраинаPE “KYIVBUDPROEKT”Ukraine201807122018025-305159Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1507

Рассматривалась проблема утилизации отходов спиртовой промышленности, обусловленная широким использованием спирта как биотоплива. В технологии производства спирта из зерновых культур образуется послеспиртовая барда (ПСБ) (на 1 дм3 спирта 10–20 дм3 ПСБ), которая относится к высококонцентрированным сточным водам (значение ХПК достигает 40 г O2/дм3). Поскольку существующие физико-химические методы переработки послеспиртовой барды не рентабельны, разрабатываются новые технологии ее утилизации, например анаэробное сбраживание. Кроме очистки высококонцентрированной сточной воды, преимущество данной технологии заключается в получении биогаза и высококачественного удобрения. Однако к проблемам биотехнологии получения биогаза из барды относятся ее высокая кислотность – рН 3,7–5,0 (оптимальное значение рН для процесса метаногенеза 6,8–7,4) и низкое содержание азота, недостаток которого ингибирует развитие ассоциации микроорганизмов. Для решения этих проблем используют дополнительное сырье различного происхождения (химические соединения, отработанный анаэробный ил, отходы животноводческих ферм и др.). В данной работе определено рациональное соотношение компонентов сбраживаемой смеси: косубстрата, послеспиртовой барды и сточной воды предприятия – при коферментации для получения энергоносителя (биогаза) и эффективной очистки сточной воды спиртзавода. Для обеспечения оптимального для метаногенеза значения рН в качестве косубстрата использовали помет. Процесс коферментации ПСБ с пометом проводили при соотношениях по сухому веществу 1:1; 1:3; 1:5; 1:7 соответственно. Установлено, что при недостаточной концентрации помета в смеси (соотношение ПСБ/помет – 1:1; 1:3) в процессе ферментации значение рН снижается, что отрицательно влияет на образование метана. При повышении концентрации помета в среде (соотношение ПСБ/помет – 1:5; 1:7) процесс характеризуется высоким выходом биогаза и содержанием в нем метана. Максимальный выход биогаза наблюдался при соотношении компонентов по сухому веществу «сточная вода : барда : помет» – 0,2:1:7 соответственно с концентрацией метана 70±2 %. После очистки сточной воды показатель ХПК снизился на 70 % при коферментации с комбинацией компонентов «сточная вода : барда : помет» – 0,3:1:5 соответственно.

The paper deals with the waste disposal problem of the alcohol industry caused by the widespread use of alcohol as biofuels. In the technology for the production of alcohol from cereal crops, a distillery spent wash (DSW) is formed (per 1 dm3 of alcohol – 10–20 dm3 DSW), which refers to highly concentrated wastewater, the COD value reaches 40 g O2/dm3. Since the existing physical and chemical methods of its processing are not cost-effective, the researchers develop the processing technologies for its utilization, for example, an anaerobic digestion. Apart from the purification of highly concentrated wastewater, the advantage of this method is the production of biogas and highquality fertilizer. The problems of biotechnology for biogas production from the distillery spent wash are its high acidity–pH 3.7–5.0 (the optimum pH value for the methanogenesis process is 6.8–7.4) and low nitrogen content, the lack of which inhibits the development of the association of microorganisms. In order to solve these problems, additional raw materials of various origins (chemical compounds, spent anaerobic sludge, waste from livestock farms, etc.) are used. The purpose of this work is to determine the appropriate ratio of the fermentable mixture components: cosubstrate, distillery spent wash and wastewater of the plant for co-fermentation to produce an energy carrier (biogas) and effective wastewater treatment of the distillery. In order to ensure the optimal pH for methanogenesis, poultry manure has been used as a co-substrate. The co-fermentation process of DSW with manure has been carried out at dry matter ratios of 1:1, 1:3, 1:5, 1:7 respectively. It is found that when the concentration of manure in the mixture is insufficient (DSW/manure – 1:1, 1:3), the pH value decreases during fermentation which negatively affects methane formation; when the concentration of manure in the mixture is increased (DSW/manure – 1:5, 1:7), the process is characterized by a high yield of biogas and methane content. The maximum output of biogas with a methane concentration of 70 ± 2% is observed at the ratio of components on a dry matter “wastewater: DSW: manure” – 0,2:1:7 respectively. The COD reduction reaches a 70% when using co-fermentation with the combination of components “wastewater: DSW: manure” (0,3:1:5) respectively.

коферментациякосубстратпослеспиртовая бардапометсточная водабиогазco-fermentationco-substratumdistillery spent washpoultry manurewastewaterbiogasReferencesKaparaju, P. Optimization of biogas production from wheat straw stillage in UASB reactor / P. Kaparaju, M. Serrano, I. Angelidaki // Applied Energy. – 2010. – No. 87. – Р. 3779–3783.Kaparaju P., Serrano M., Angelidaki I. Optimization of biogas production from wheat straw stillage in UASB reactor. Applied Energy, 2010;87:3779–3783 (in Eng.).Moraes, S.B. Anaerobic digestion of vinasse from sugarcane ethanol productionin Brazil: Challenges and perspectives [E-resource] / S.B. Moraes, M. Zaiat, A. Bonomi // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – No. 44. – Р. 888–903. Available on: DOI: 10.1016/j.rser.2015.01.023Moraes S. B., Zaiat M., Bonomi A. Anaerobic digestion of vinasse from sugarcane ethanol productionin Brazil: Challenges and perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews [E-resource]. 2015 [cited 2017 Dec 19]; 44:888–903. Available on: DOI: 10.1016/j.rser.2015.01.023 (in Eng.).Gupta, S.K. Biodegradation of distillery spent wash in anaerobic hybrid reactor / S.K. Gupta, G. Singh // Water research. – 2007. – No. 41. – Р. 721–730.Gupta S.K., Singh G. Biodegradation of distillery spent wash in anaerobic hybrid reactor. Water research, 2007;41:721–730 (in Eng.).Pant, D. Biological approaches for treatment of distillery wastewater: A review / D. Pant, A. Adholeya // Bioresource Technology. – 2007. – No. 98. – Р. 2321– 2334.Pant D., Adholeya A. Biological approaches for treatment of distillery wastewater: A review. Bioresource Technology, 2007;98:2321–2334 (in Eng.).Kumar, V. Bioremediation and decolorization of anaerobically digested distillery spentwash / V. Kumar [et al.] // Biotech. Lett. – 1997. – No. 19. – Р. 311– 313.Kumar V., Wati L., Fitz Gibbon F., Nigan P. Bioremediation and decolorization of anaerobically digested distillery spentwash. Biotech. Lett,. 1997;19:311– 313 (in Eng.).Маляренко, В.А. Перспективы использования биоэнергетических технологий в Украине / В.А. Маляренко, И.И. Капцов, И.Г. Жиганов // Интегрированные технологии и энергосбережение. – 2005. – № 2. – С. 22 – 28.Malyarenko V.A., Kaptsov I.I., Zhiganov I.G. Prospects for using bioenergy technologies in Ukraine. Integrated Technologies and Energy Conservation, 2005;2:22–28 (in Russ.).Желєзна, Т.А. Біоенергетика в Україні / Т.А. Желєзна, Г.Г. Гелетуха // Зелена енергетика. – 2004. – № 4. – С. 11 – 13.Zheleznaya T.A., Geletukha G.G. Bioenergy in Ukraine. Zelena energetika. 2004;4:11–13 (in Ukr.).Mao, Ch. Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion / Ch. Mao [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – No. 45. – Р. 540–555.Mao C., Feng Y., Wang X., Ren G. Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015;45:540–555 (in Eng.).Дыганова, Р.Я. Разработка методики выбора технологий переработки отходов спиртовой промышленности как инструмента экологического менеджмента / Р.Я. Дыганова, Ю.С. Беляева // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2014. – Т. 16. – № 4 (2). – С. 1728–1736.Dyganova R.Ya., Belyaeva Yu.S. Development of a methodology for selecting technologies for recycling alcohol industry waste as an instrument of environmental management. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2014;16(4):1728–1736 (in Russ.).Кузнецов, И.Н. Анализ мирового опыта в технологии переработки послеспиртовой барды / И. Н. Кузнецов, Н.С. Ручай // Труды БГТУ. Серия 4: Химия, технология органических веществ и биотехнология. – 2010. – Т. 1. – № 4. – С. 294–301.Kuznetsov I.N., Ruchaj N.S. Analysis of world experience in the technology of processing distillery spent wash. Proceedings of the BSTU. Series 4: Сhemistry and technology of organic substances and biotechnology, 2010;1(4):294–301 (in Russ.).Krzywonos, M. Utilization and biodegradation of starch stillage (distillery wastewater) [Электронный ресурс] / M. Krzywonos, E. Cibis, T. Miśkiewicz, A. Ryznar-Luty // Electronic Journal of Biotechnology. – 2009. – No. 12. – Р. 1–9. – Режим доступа: http://www.ejbiotechnology.info/index.php/ejbiotechnology/article/view/v12n1-5/685.Krzywonos M., Cibis E., Miśkiewicz T., Ryznar-Luty A. Utilization and biodegradation of starch stillage (distillery wastewater). Electronic Journal of Biotechnology [E-resource]. 2009 Jan 15 [cited 2018 Jan 15];12(1):1–9. Available on: http://www.ejbiotechnology.info/index.php/ejbiotechnology/article/view/v12n1-5/685 (in Eng.).Гладченко, М.А. Обзор современного состояния анаэробной очистки сточных вод бродильных производств / М.А. Гладченко [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2002. — № 1. — С. 22–23.Gladchenko M.A., Sklyar V.I., Kalyuzhnyi S.V. Review of the current state of anaerobic wastewater treatment of fermentation plants. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdelii, 2002;1:22–23 (in Russ.).Pathe, P.P. Performance evaluation of a full scale effluent treatment plant for distillery spent wash / P.P. Pathe [et al.] // Intern. J. Environ. Studies. – 2002. – Vol. 59. – No. 4. – P. 415–437.Pathe P.P., Rao N. N., Kharwade M. R., Lakhe S. B., Kaul S. N. Performance evaluation of a full scale effluent treatment plant for distillery spent wash. Intern. J. Environ. Studies, 2002;59(4):415–437 (in Eng.).Дыганова, Р.Я. Экспериментальное определение оптимального состава комплексного субстрата для анаэробного сбраживания в спиртовой промышленности / Р.Я. Дыганова, Ю.С. Беляева // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2014. – Т. 16. – № 1(6). – С. 1737–1740.Dyganova R.Ya., Belyaeva R. Ya. Experimental determination of the optimal composition of a complex substrate for anaerobic digestion in the alcohol industry. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2014;16(6):1737–1740 (in Russ.).Hutnan, M. Anaerobic Treatment of Wheat Stillage / M. Hutnan [et al.] // Chem. Biochem. Eng. Q. – 2003. – Vol. 17. – No. 3. – Р. 233–241.Hutnan M. Hornak M., Bodík I., Hlavacka V. Anaerobic. Treatment of Wheat. Chem. Biochem. Eng. Q., 2003;17(3):233–241 (in Eng.).Wilkie, A.C. Stillage characterization and anaerobic treatment of ethanol stillage from conventional and cellulosic feedstocks / A.C. Wilkie [et al.] // Biomass and Bioenergy. – 2000. – No. 19. – Р. 63–102.Wilkie Ann C., Riedesel Kelly J., Owens John M. Stillage characterization and anaerobic treatment of ethanol stillage from conventional and cellulosic feedstocks. Biomass and Bioenergy, 2000;19:63–102 (in Eng.).Mise, Sh.R. Treatment of distillery spent wash by anaerobic digestion process / Sh.R. Mise, R. Saranadgoudar, R. Lamkhade // International Journal of Research in Engineering and Technology. – 2013. – No. 11. – Р. 310–313.Mise Sh. R., Saranadgoudar R., Lamkhade R. Treatment of distillery spent wash by anaerobic digestion process. International Journal of Research in Engineering and Technology, 2013;11:310–313 (in Eng.).Prakash, N.B. Anaerobic Digestion of Distillery Spent Wash / N.B. Prakash, V. Sockan, V.S. Raju // Journal of Science and Technology. – 2014. – Vol. 4. – No. 3. – Р. 134–140.Prakash N. B., Sockan V., Raju V. S. Anaerobic Digestion of Distillery Spent Wash. Journal of Science and Technology, 2014;4(3):134–140 (in Eng.).Venkatasamy, G. Treatment of Distillery Spentwash in Upflow Anaerobic Contact Filter / G. Venkatasamy, S. Aruna // Іndian journal of applied research. – 2013. – Vol. 3. – No. 7. – Р. 199–200.Venkatasamy G., Aruna S. Treatment of Distillery Spentwash in Upflow Anaerobic Contact Filter. Іndian journal of applied research, 2013;3(7):199–200 (in Eng.).Лурье, Ю.Ю. Аналитическая химия производственных сточных вод / Ю.Ю. Лурье – М.: Химия, 1984. – 448 с.Lur'e Yu.Yu. Analytical chemistry of industrial wastewater. Мoscow: Himiya Publ., 1984; 448 р. (in Russ.).Агеев, Л.М. Химико-технический контроль и учет гидролизного и сульфитно-спиртового производства / Л. M. Агеев, С. А. Корольков. – М., Л. : Гослесбумиздат, 1953. – 404 с.Ageev L.M., Korol'kov S.A. Chemical and technical control and accounting of hydrolysis and sulphitealcohol production. Мoscow, Leningrad: Goslesbumizdat Publ., 1953; 404 р. (in Russ.).Хроматограф лабораторный ЛХМ–8МД: техническое описание, инструкция по эксплуатации. Опытный завод «Хроматограф». Москва. 1992. – 50 с.Laboratory chromatograph LСhM–8MD: technical description, user manual. Experimental plant “Chromatograph”. Мoscow, 1992; 50 р. (in Russ.).Степанов, Д. В. Оцінка можливостей отримання енергоносіїв з органічних відходів з урахуванням техногенного навантаження на навколишнє середовище / Д. В. Степанов, С. Й. Ткаченко, A. П. Ранський // Наукові праці ВНТУ. – 2012. – № 1. – С. 1–7.Stepanov D.V., Tkachenko S.I., Rans'kii A.P. Assessment of the possibilities of obtaining energy carriers from organic wastes taking into account the technogenic load on the environment. Scholarly works of VNTU, 2012;1:1–7 (in Ukr.).Куріс, Ю. В. Способи утилізації біогазу / Ю. В. Куріс, С. І. Ткаченко, Н. В. Семененко // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. – 2010. – № 7(77). – С. 20–30.Kuris Yu. V., Tkachenko S. I., Semenenko N. V. Ways of biogas utilizing. Energosberezhenie. Energetika. Energoaudit, 2010;7(77):20–30 (in Russ.).Салюк, А.І. Виробництво біогазу з курячого посліду та його оптимізація / А.І. Салюк, С.О.Жадан, Є.Б. Шаповалов // Харчова промисловість. – 2012. – № 13. – С. 33.Salyuk A.I., Zhadan S.A., Shapovalov E.B. Production of biogas from chicken manure and its optimization. Food Industry, 2012;13:33–45 (in Ukr.).Эдер, Б. Биогазовые установки. Практическое пособие / Б. Эдер, Х. Шульц. – Пер. с нем.: Zorg Biogas. – 2008. – С. 268.Eder B., Shul'ts Kh. Biogas Plants Practice. Transl. from German. Zorg Biogas, 2008; 268 р. (in Russ.).Гюнтер, Л.И. Метантенки. / Л.И. Гюнтер – М.: Строй-издат, 1991. – 128 с.Gyunter L.I., Gol'dfarb L.L. Methane tanks. М. Stroi-izdat, 1991; 128 p (in Russ.).Хенце, М. Очистка сточных вод. / М. Хенце – М.: Мир, 2009. – 480 с.Khentse M., Armoes P., Lya-Kur-Yansen I., Arvan E. Wastewater treatment. Мoscow: Mir Publ., 2009; 480 p. (in Russ.).Rongzhong, Ye. pH controls over anaerobic carbon mineralization, the efficiency of methane production, and methanogenic pathways in peatlands across an ombrotrophic-minerotrophic gradient / Ye. Rongzhong [et al.] // Soil Biology & Biochemistry. – 2012. – No. 54. – Р. 36–47.Rongzhong Ye., Jin Qu., Bohannan B., Keller J. K., McAllister S. A., Bridgham S. D. pH controls over anaerobic carbon mineralization, the efficiency of methane production, and methanogenic pathways in peatlands across an ombrotrophic-minerotrophic gradient. Soil Biology & Biochemistry, 2012;54:36–47 (in Eng.).Zhang, Qu. Biogas from anaerobic digestion processes: Research updates / Qu. Zhang, J. Hu, Duu-J. Lee // Renewable Energy. – 2016. – No. 98. – Р. 1–12Zhang Qu., Hu J., Lee Duu-J. Biogas from anaerobic digestion processes: Research updates. Renewable Energy, 2016;98:1–12 (in Eng.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.