Производство биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии органического вещества жидких органических отходов с рециркуляцией эффлюента метантенка

В настоящее время водородная энергетика приобретает все большую популярность в мире в связи с истощением невозобновляемых источников энергии (углеводородов) и экологического загрязнения, вызванного растущим потреблением этих источников. По сравнению с электро- или термохимическими процессами, биологическое получение водорода имеет ряд преимуществ – экологичность и низкую стоимость. Особенно перспективен темновой процесс получения водородсодержащего биогаза при переработке органических отходов в анаэробных условиях, поскольку позволяет решить две задачи: производство энергии и утилизация органических отходов. В работе рассмотрено получение биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии органического вещества жидких органических отходов в непрерывном режиме в реакторах с увеличенным объемом. Описана экспериментальная установка для исследования данного процесса и постановка эксперимента по изучению влияния рециркуляции эффлюента метантенка в анаэробный биореактор для производства биоводорода. Установлено, что полученные экспериментальные данные по удельному выходу биоводорода согласуются с данными других авторов. Средний удельный выход биоводорода (на килограмм исходного органического вещества) при рециркуляции эффлюента метантенка повысился на 4 % (с 0,1046 м3/(сут·кг ОВисх) до 0,1087 м3/(сут·кг ОВисх). Кроме того, рециркуляция эффлюента метантенка в реактор получения биоводорода в процессе двухстадийной анаэробной биоконверсии позволяет уменьшить колебания выхода биоводорода из реактора. При этом метаногенная активность в анаэробном биореакторе для производства биоводорода отсутствовала. Самоустанавливающийся уровень рН в анаэробном биореакторе для получения биоводорода был менее 4,5 (3,94 без рециркуляции эффлюента и 3,88 с рециркуляцией), однако ингибирования процесса образования водорода не происходило. Установлено, что применение рециркуляции эффлюента метантенка в анаэробный биореактор получения биоводорода может способствовать повышению эффективности процесса двухстадийной анаэробной биоконверсии органических отходов при сохранении стабильности процесса.

двухстадийный анаэробный процесс, темновое брожение, биоводород, рециркуляция эффлюента метантенка, органические отходы, биогаз, метаногенез

1. Ножевникова, А.Н. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов / А.Н. Ножевникова [и др.]. – М.: Университетская книга, 2016. – 320 с.

2. Дли, М.И. Водородная энергетика и перспективы ее развития / М.И. Дли, А.А. Балябина, Н.В. Дроздова // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 22. – С. 37–41. https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.22.004

3. Раменский, А.Ю. Водород в качестве топлива: предмет и цели стандартизации / А.Ю. Раменский // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015.– № 1. – С. 33–44. https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.01.03

4. Гринько, В.В. Низкотемпературная воднопаровая конверсия этанола на катализаторе Ni/Zno в микроканальном реакторе / В.В.Гринько [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – № 15–18. – С. 112–121. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.1518.112-121

5. Kothari, R. Comparison of environmental and economic aspects of various hydrogen production methods /R. Kothari, D. Buddhi, R.L. Sawhney // Renewable & Sustainable Energy Reviews. – 2008.– No. 12. – Р. 553–563.

6. Дубинин, А.М. Мини-ТЭЦ на базе электрохимического генератора и конвертора метана с заторможенным псевдоожиженным слоем / А.М. Дубинин [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 19–21. – С. 95–105; https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.19-21.095-105

7. Abbasi, T. ‘Renewable’ hydrogen: Prospects and challenges / T. Abbasi, S.A. Abbasi // Renewable & Sustainable Energy Reviews. – 2011. – No. 15. – Р. 3034– 3040.

8. Контрерас, А. Моделирование процесса производства водорода с использованием гидроэлектричества в Венесуэле / А. Контрерас, Ф. Поссо, Т.Н. Везироглу // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2018. – № 22–24. – С. 88–95; https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.22-24.088-095

9. Аминов, Р.З. Оценка эффективности получения водорода на базе внепиковой электроэнергии АЭС / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – № 5–6. – С. 59–70; https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.05-06.006

10. Khan, M.A. Biohydrogen production from anaerobic digestion and its potential as renewable energy / M.A. Khan [et al.] // Renewable Energy – 2018 – Vol. 129B. – P. 754–768.

11. Голуб, Н.Б. Повышение выхода водорода при совместной конверсии сырья разного происхождения / Н.Б. Голуб // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – № 19. – С. 53–57.

12. Голуб, Н.Б. Влияние концентрации субстрата на образование водорода в процессе ферментации / Н.Б. Голуб // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – № 15. – С. 107–112.

13. Marone, A. Coupling dark fermentation and microbial electrolysis to enhance bio-hydrogen production from agro-industrial wastewaters and by-products in a bio-refinery framework / А. Marone [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – No. 42 (3). – P. 1609–1621.

14. Kargi, F. Dark fermentation of ground wheat starch for bio-hydrogen production by fed-batch operation / F. Kargi, M. YunusPamukoglu // International Journal of Hydrogen Energy. – 2009. – Vol. 34. – Issue 7. – P. 2940–2946

15. Bundhoo, M.A.Z. Inhibition of dark fermentative bio-hydrogen production: A review / M.A.Z. Bundhoo, R. Mohee // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – No. 41. – Р. 6713–6733.

16. Holladay, J.D. An overview of hydrogen production technologies / J.D. Holladay [et al.]. // Catalysis Today. – 2009. – No. 139. – Р. 244–260

17. Hawkes, F. Continuous dark fermentative hydrogen production by mesophilic microflora: Principles and progress / F. Hawkes [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – No. 32. – Р. 172–184

18. Kothari, R. A critical review on factors influencing fermentative hydrogen production / R. Kothari [et al.] // Frontiers In Bioscience-Landmark. – 2017. – No. 22. – Р. 1195–1220.

19. Wang, J. Factors influencing fermentative hydrogen production: A review / J. Wang, W. Wan // International Journal of Hydrogen Energy. – 2009. – Vol. 34 (2). – P. 799–811.

20. Van Ginkel, S.W. Biohydrogen gas production from food processing and domestic wastewaters / S.W. VanGinkel, S.E. Oh, B.E. Logan // International Journal of Hydrogen Energy. – 2005. – No. 30 (15). – Р. 1535– 1542. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2004.09.017

21. Ren, N. Biohydrogen production from molasses by anaerobic fermentation with a pilot-scale bioreactor system / N. Ren [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2006. – No. 31. – Р. 2147–2157.

22. Li, D. Biological hydrogen production from steam exploded straw by simultaneous saccharification and fermentation / D. Li, H. Chen // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – No. 32. – Р. 1742–1748.

23. Venkata Mohan, S. Anaerobic biohydrogen production from diary wastewater treatment in sequencing batch reactor (AnSBR): Effect of organic loading rate / S. Venkata Mohan, V. Lalit Babu, P.N. Sarma // Enzyme and Microbial Technology. – 2007. – No. 41. – Р. 506–515.

24. Salem, A.H. Effect of pre-treatment and hydraulic retention time on biohydrogen production from organic wastes / А.Н. Salem [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – Vol. 43. – Is. 10. – P. 4856–4865.

25. Keskin, T. Determining the effect of trace elements on biohydrogen production from fruit and vegetable wastes / Т. Keskin [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – Vol. 43. – Is. 23. – P. 10666–10677.

26. Li, C.L. Fermentative hydrogen production from wastewater and solid wastes by mixed cultures / C.L. Li, H.H.P. Fang // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. – 2007. – No. 37. – Р. 1–39.

27. Stanislaus, M.S. Improvement of Biohydrogen Production by Optimization of Pretreatment Method and Substrate to Inoculum Ratio from Microalgal Biomass and Digested Sludge / M.S. Stanislaus [et al.] // Renewable Energy. – 2018. – No. 127. – Р. 670–677.

28. Синха, П. Повышение выработки биоводорода с помощью новой стратегии аугментации с использованием различных органических остатков / П. Синха [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – № 34–36. – С. 26–40; https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.3436.026-040

29. Koutrouli, Е.С. Hydrogen and methane production through two-stage mesophilic anaerobic digestion of olive pulp / Eleni C. Koutrouli [et al.] // Bioresource Technology. – 2009. – No. 100. – Р. 3718–3723.

30. Carrillo-Reyes, J. Influence of Added Nutrients and Substrate Concentration in Biohydrogen Production from Winery Wastewaters Coupled to Methane Production / J. Carrillo-Reyes, B. AidéAlbarrán-Contreras and G. Buitrón // Applied Biochemistry and Biotechnology. – 2019. – No. 187(1). – Р. 140–151.

31. Lin, C. Fermentative hydrogen production at ambient temperature / С. Lin, R-C. Chang // International Journal of Hydrogen Energy. – 2004. – No. 29. – Р. 715–720; http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2003.09.002.

32. Collet, C. Hydrogen production by Clostridium thermolacticum during continuous fermentation of lactose / С. Collet [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2004. – No. 29. – Р. 1479–1485. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2004.02.009.

33. Jayalakshmi, S. Bio hydrogen generation from kitchen waste in an inclined plug flow reactor / S. Jayalakshmi, K. Joseph, V. Sukumaran // International Journal of Hydrogen Energy. – 2009. – No. 34. – Р. 8854– 8858; http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.08.048.

34. Nathao, C. Production of hydrogen and methane by one and two stage fermentation of food waste / С. Nathao, U. Sirisukpoka, N.Pisutpaisal // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – No. 38. – Р. 15764–15769; http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.047

35. Łukajtis, R. Hydrogen production from biomass using dark fermentation / RafałŁukajtis[et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2018. – Vol. 91. – P. 665–694; ISSN 1364-0321, https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.043.

36. Liu, I.C. The effect of pH on the production of biohydrogen by clostridia: Thermodynamic and metabolic considerations / I.C. Liu[et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2011. – No. 36. – Р. 439–449.

37. Ruggeri, B. BioH2 & BioCH4 Through Anaerobic Digestion / B. Ruggeri, T. Tommasi, S. Sanfilippo. – London: Springer-Verlag, 2015.