Энергетический анализ системы двухстадийной анаэробной переработки жидких органических отходов с получением водород - и метансодержащих биогазов

В последние годы внимание общества всё более привлекается к решению двух неразрывно связанных проблем – предотвращению истощения природных ресурсов и охране окружающей среды от антропогенного загрязнения. Годовое потребление отходов животноводства для производства составляет около 240 тыс. м³ в год, что составляет 0,17% от общего объема навоза, производимого на российских сельскохозяйственных предприятиях. В настоящее время фактическое использование органических отходов, потенциально пригодных для производства биогаза, на 2-3 порядка ниже, чем имеющийся потенциал для органических отходов. В настоящее время водородная энергетика приобретает огромную популярность в мире в связи с проблемой истощения невозобновляемых источников энергии – углеводородов, и экологического загрязнения, вызванного их растущим потреблением. Особую перспективу представляет темновой процесс получения водородсодержащего биогаза при переработке органических отходов в анаэробных условиях, который позволяет использовать преимущества, как производства энергии, так и решения проблемы утилизации органических отходов. В работе проведен энергетический анализ системы двухстадийной анаэробной переработки жидких органических отходов с получением водород - и метансодержащих биогазов на основе экспериментальных данных, полученных на лабораторной установке с реакторами с повышенным объемом. Энергетическая эффективность системы находится в пределах 1,91-2,74. Максимальная энергоэффективность наблюдалась при гидравлическом времени удержания в реакторе темновой ферментации 2,5 суток. Затраты электроэнергии на производство 1 м³ водорода составили 1,093 кВт*ч при гидравлическом времени удержания в реакторе темновой ферментации 2,5 суток. При гидравлическом времени удержания в реакторе темновой ферментации 1 сутки, удельные (отнесенные к скорости обработки органических отходов) затраты электроэнергии производство 1 м³ водорода были минимальными в рассматриваемом диапазоне hrt, и составили 26 (Вт/м³ водорода)/(м³ отходов/сут). Таким образом, система двухстадийной анаэробной переработки жидких органических отходов с получением водород- и метансодержащих биогазов является энергетически эффективным способом как получения водорода, так и переработки органических отходов.

1. Izmaylov A. Yu., Lobachevskiy Ya. P., Fedotov, A. V., Grigoryev V. S., Tsench Yu. S. AdsorptionOxidation Technology of Wastewater Recycling in Agroindustrial Complex Enterprises. Vestnik mordovskogo universiteta = Mordovia University Bulletin. 2018;28(2):207–221. https://doi.org/10.15507/0236-2910.028.201802.207-221

2. Artamonov, A.V. & Izmailov, A.Yu & Kozhevnikov, Yu.A. & Kostyakova, Yu.Yu & Lobachevsky, Ya.P. & Pashkin, S.V. & Marchenko, O.S. Effective purification of concentrated organic wastewater from agro-industrial enterprises, problems and methods of solution. AMA, Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America. 2018;49:49-53.

3. Гюнтер, Л.И. Метантенки / Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфарб. – М.: Стройиздат, 1991. – 128 с.

4. Ковалев А.А. Повышение энергетической эффективности биогазовых установок. Дис. … канд. техн. наук. М., 2014.

5. Ковалев А.А. Технологии и техникоэнергетическое обоснование производства биогаза в системах утилизации навоза животноводческих ферм. Дис. док. техн. наук. М., 1998

6. ГОСТ Р 53765-2009. Сырье для производства органических удобрений. Технические условия. – Введ. 2011-01-01. – М.: Стандартинформ, 2010.– 11 с.

7. Namsaraev, Z. Analysis of the resource potential of biogas production in the Russian Federation / Z. Namsaraev, Yu. Litti, A. Nozhevnikova // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. - № 1111. – С. 1–5. doi:10.1088/1742-6596/1111/1/012012

8. 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

9. 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

10. Динсер, И., Акар К. ОБЗОР И ОЦЕНКА МЕТОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА ДЛЯ БОЛЕЕ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ / И. Динсер, К. Акар // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – №(11-12). – С. 14-36. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.11-12.014-036

11. Кудрявцев П.Г., Фиговский О.Л. СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ ВОДОРОДА ДЛЯ СИЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И АВТОМОБИЛЕЙ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2016. – №13-14. С. 46-55. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.13-14.046-055

12. Алмогрен С., Везироглу Т.Н. СОЛНЕЧНОВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ САУДОВСКОЙ АРАВИИ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2018. –№7-9. –С. 30-42. https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.07-09.030-042

13. Синха П., Гаурав К., Рой Ш., Балахандар Г., Дас Д. Повышение выработки биоводорода с помощью новой стратегии аугментации с использованием различных органических остатков. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – №(34-36). – С.26-40. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.34-36.026-040

14. 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.

15. 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.

16. 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. – №42 (3). – Рр. 1609–1621.

17. A.A. Kovalev et al. Biohydrogen production in the two-stage process of anaerobic bioconversion of organic matter of liquid organic waste with recirculation of digister effluent, International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – №45(51). – Рр.26831-26839. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.124.

18. Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Литти Ю.В., Катраева И.В. Производство биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии органического вещества жидких органических отходов с рециркуляцией эффлюента метантенка. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2020. – №(7-18). – С.87-100. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.87-100

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

20. Кевбрина М.В., Николаев Ю.А., Дорофеев А.Г., Ванюшина А.Я., Агарёв А.М. Высокоэффективная технология метанового сбраживания осадка сточных вод с рециклом биомассы. Водоснабжение и санитарная техника. – 2012. – №10. – С. 61.

21. Ковалев, Д.А. Концепция блочно-модульного постороения биогазовых установок / Д.А. Ковалев, А.А. Ковалев // Труды международной научнотехнической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. – 2008. – Т. 4. – С. 461-466.

22. 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. – №38. – Рр. 15764–15769. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.047

23. Хорасанов, Г.Л. ВОЗМОЖНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА НА БАЗЕ ЭНЕРГОБЛОКА ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ГРАФИКЕ НАГРУЗОК В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ / Г.Л. Хорасанов, В.В. Колесов, В.В. Коробейников // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – №(5-6). – С. 54-58. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.05-06.005

24. Rand, D. A. J. Fuels – Hydrogen Production: Coal Gasification / D. A. J. Rand, R. M. Dell// Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. – 2009. – С.276–292.

25. Acar, C. A Review on Selected Heterogeneous Photocatalysts for Hydrogen Production / C. Acar, I. Dincer, C. Zamfirescu // International Journal of Energy Research. – 2014. – №38(15). – С. 1903–1920. http://dx.doi.org/10.1002/er.3211

26. Rabbani, M., Efficiency Assessment of a Photoelectrochemical Chloralkali Process for Hydrogen and Sodium Hydroxide Production / M. Rabbani, I. Dincer, G. F. Naterer // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – №39. – С. 1941–1956.

27. Acar, C. Analysis and Assessment of a Continuous-Type Hybrid Photoelectrochemical System for Hydrogen Production / C. Acar, I. Dincer // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – №39. – С. 15362–15372. doi :10.1016/j.ijhydene.2014.07.146.

28. Koutrouli, E. K. Hydrogen and Methane Production through Two-stage Mesophilic Anaerobic Digestion of Olive Pulp / E. K. Koutrouli, [et all.]// Bioresource Technology. – 2009. – №100. – С. 3718–3723.

29. Das, D. Advances in Biological Hydrogen Production Processes / D. Das, T. N. Veziroglu //International Journal of Hydrogen Energy. – 2008. – №33. – С. 6046–6057.

30. Hallenbeck, P. C. Strategies for Improving Biological Hydrogen Production / P. C. Hallenbeck, M. Abo-Hashesh, D. Ghosh // Bioresource Technology. – 2012. – №110. – С. 1–9.

31. Holladay, J. D. An Overview of Hydrogen Production Technologies / J. D. Holladay [et al.] // Catalysis Today. – 2009. – №139. – С. 244–260.

32. Kotay, S. M. Biohydrogen as a Renewable Energy Resource - Prospects and Potentials / S. M. Kotay, D. Das // International Journal of Hydrogen Energy. – 2008. – №33. – С. 258–263.