Влияние коэффициента рециркуляции эффлюента метантенка на выход биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии жидких органических отходов

В данной работе рассмотрено получение биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии органического вещества (ОВ) жидкого отхода с рециркуляцией эффлюента метантенка в анаэробный биореактор темновой ферментации (АРТФ). Получены значения среднего удельного выхода биоводорода (УВБ) и среднего объемного выхода биоводорода (ОВБ) при 4-х коэффициентах рециркуляции (КР) эффлюента метантенка (1, 1.1, 1.18, 1,25) и 2-х гидравлических временах удержания (ГВУ) (1 и 2,5) в АРТФ. Нагрузка по органическому веществу варьировалась от 7,96 до 21,6 г ОВ/(л*сутки). Величина рН в АРТФ практически не зависела от КР и ГВУ, и составляла от 3.8 до 4.16. Максимальный УВБ составил 0,108 л/(сут*г ОВисх) при КР 1,11 и ГВУ 2,5 сут. Максимальный ОВБ наблюдался при КР 1 и ГВУ 1 сут и составлял 1,67 л/(л*сутки). Содержание метана в биоводород-содержащем биогазе при режимах, обеспечивающих максимальные УВБ и ОВБ, составляло не более 0,01%, однако резко увеличивалось при более высоких значениях КР и ГВУ. Содержание водорода в биогазе составляло в среднем 50-52% при всех комбинациях КР и ГВУ, однако резко снижалось до 46,7% при ГВУ 2,5 и КР 1,25. В целом, при КР 1,11 и ГВУ 1 сутки наблюдалось повышение УВБ на 9,05% при одновременном снижении ОВБ на 1,04% (по сравнению с КР 1,0 и и ГВУ 1 сутки). В целом, полученные экспериментальные данные позволяют говорить о КР равном 1,11 как о наиболее эффективном для обоих ГВУ в исследуемом диапазоне КР.

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/10.15507/02362910.028.201802.207-221

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

4. Динсер И., Акар К. Обзор и оценка методов производства водорода для более устойчивого развития. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2016;(11-12):14-36. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.11-12.014-036

5. 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):2640. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.34-36.026-040

6. Голуб, Н.Б. Повышение выхода водорода при совместной конверсии сырья разного происхождения. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014;19:53-57.

7. Голуб, Н.Б. Влияние концентрации субстрата на образование водорода в процессе ферментации. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014;15:107-112.

8. 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):16091621.

9. Baldi, F., Pecorini, I., & Iannelli, R. (2019). Comparison of single-stage and two-stage anaerobic CoDigestion of food waste and activated sludge for hydrogen and methane production. Renewable Energy 143. 2019. 1755-1765. doi:10.1016/j.renene.2019.05.122

10. Xie, B., Cheng, J., Zhou, J., Song, W., Liu, J. & Cen, K. (2008) Production of hydrogen and methane from potatoes by twophase anaerobic fermentation. Bioresour. Technol. 99, 5942–5946.

11. Kobayashi, T., Xu, K.-Q., Li, Y.-Y., & Inamori, Y. (2012). Effect of sludge recirculation on characteristics of hydrogen production in a two-stage hydrogen– methane fermentation process treating food wastes. International Journal of Hydrogen Energy, 37(7), 5602–5611. doi:10.1016/j.ijhydene.2011.12.123

12. Chu, C.-F., Li, Y.-Y., Xu, K.-Q., Ebie, Y., Inamori, Y., Kong, H.-N., 2008. A pHand temperaturephased two-stage process for hydrogen and methane production from food waste. Int. J. Hydrogr. Energy 33, 4739–4746. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.06.060

13. G. Chinellato, C. Cavinato, D. Bolzonella, S. Heaven, and C. J. Banks, “Biohydrogen production from food waste in batch and semi-continuous conditions: Evaluation of a two-phase approach with digestate recirculation for pH control,” International Journal of Hydrogen Energy. 2013;38(11):4351–4360, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.01.078.

14. Kraemer JT, Bagley DM. Continuous fermentative hydrogen production using a two-phase reactor system with recycle. Environmental Science & Technology. 2005 May 15;39(10):3819-25. doi: 10.1021/es048502q. PMID: 15952391.

15. Wang, Y. Y., & Ai, P. (2013). Effect of the Supernatant Liquid Recirculation on H2 and CH4 Production in the Two-Phase Anaerobic Fermentation. Applied Mechanics and Materials, 291–294, 610–613. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.291294.610

16. Cavinato C, Bolzonella D, Fatone F, Giuliano A, Pavan P. Two-phase thermophilic anaerobic digestion process for biohythane production treating biowaste: preliminary results. Water Science & Technology. 2011;64(3):715-21. doi: 10.2166/wst.2011.698. PMID: 22097052.

17. 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):87-100. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.87-100

18. A.A.Kovalev, D.A.Kovalev, Yu.V.Litti, I.V.Katraeva, 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 (Available online 21 August 2020), https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.124.

19. Ramnath Lakshmanan, Gunaratna Kuttuva Rajarao, Effective water content reduction in sewage wastewater sludge using magnetic nanoparticles, Bioresource Technology, Volume 153, 2014, Pages 333-339, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.12.003.

20. Litti 2016

21. Cavinato C, Bolzonella D, Fatone F, Cecchi F, Pavan P. Optimization of two-phase thermophilic anaerobic digestion of biowaste for hydrogen and methane production through reject water recirculation. Bioresources Technology. 2011;102: 8605-11. special issue on Biofuels.

22. Kataoka N., Ayame S., Miya A., Ueno Y., Oshita N., Tsukahara K., Sawayama S., Yokota N. (2005). Studies on hydrogenmethane fermentation process for treating garbage and waste paper. ADSW 2005 Conference Proceedings, 2, Process Engineering

23. Chu CF, Li YY, Xu KQ, Ebie Y, Inamori Y, Kong HN. A pHand temperature-phased two-stage process for hydrogen and methane production from food waste. International Journal of Hydrogen Energy. 2008;33:4739-46.

24. Lee DY, Ebie Y, Xu KQ, Li YY, Inamori Y. Continuous H2 and CH4 production from high-solid food waste in the two-stage thermophilic fermentation process with the recirculation of digester sludge. Bioresource Technology. 2010;101:542-7.

25. 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;36:439-449.

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