

Влияние предобработки сточных вод кондитерского производства в аппарате вихревого слоя на выход биоводорода в условиях непрерывной темновой ферментации
https://doi.org/10.15518/isjaee.2022.01.077-092
Аннотация
Биологическое производство водорода из сточных вод производства конфитюра оценивали в непрерывном режиме в анаэробных биофильтрах с восходящим потоком жидкости. Сточные воды подвергались предварительной обработке в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц (АВС) в течение 1 мин и 3 мин при мощности АВС 14 кВт. Исследования проводили при постепенном снижении HRT в биофильтрах с 5.6 до 1.8 и 1.3 суток, что соответствовало OLR 2,0; 6,3; 8,8 кг ХПК/(м3 сутки). Предобработка в АВС привела к изменению ряда физико-химических характеристик субстрата: незначительному увеличению растворенного ХПК, повышению содержания растворимых сахаров, уксусной кислоты, а также снижению концентрации пропионовой, масляной и капроновой кислот. Показано, что за счет истирания стальных игл в предобработанном субстрате увеличивалась концентрация железа. Несмотря на то, что наибольший выход водорода наблюдали в реакторе без предварительной обработки субстрата в АВС, предобработка способствовала значительному увеличению выхода метана, возможно, за счет увеличения содержания железа в сточной воде. Таким образом, предобработка в АВС может быть перспективным методом улучшения процесса получения метановодородного биогаза (биогитана) из сточных вод.
Об авторах
Э. Р. МихееваРоссия
Михеева Эльза Равилевна – кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории ресурсосберегающих биотехнологий
SPIN: 9839-1087
Researcher ID: L-8818-2016
603950, г. Н. Новгород, пр. Гагарина, д. 23
И. В. Катраева
Россия
Катраева Инна Валентиновна – кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения, водоотведения, инженерной экологии и химии
SPIN: 3369-3091
Researcher ID: O-4715-2016
603950, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65
A. А. Ковалев
Россия
Ковалев Андрей Александрович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории биоэнергетических и сверхкритических технологий
SPIN: 4267-3026
Researcher ID: F-7045-2017
Scopus Author ID: 57205285134
109428, Москва, 1-й Институтский проезд, 5
Д. А. Ковалев
Россия
Ковалев Дмитрий Александрович – кандидат технических наук, заведующий лабораторией биоэнергетических технологий
SPIN: 6513-5547
Researcher ID: K-4810-2015
109428, Москва, 1-й Институтский проезд, 5
Ю. В. Литти
Россия
Литти Юрий Владимирович – кандидат биологических наук, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания
SPIN: 1487-7611
Researcher ID: C-4945-2014
Scopus Author ID: 55251689800
119071 Москва, Ленинский пр-т, 33
Список литературы
1. Lin, C.-Y.; Lay, C.-H.; Sen, B.; Chu, C.-Y.; Kumar, G.; Chen, C.-C.; Chang, J.-S. Fermentative Hydrogen Production from Wastewaters: A Review and Prognosis. International Journal of Hydrogen Energy 2012, 37 (20), 15632–15642. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.02.072.
2. Zhang, T.; Jiang, D.; Zhang, H.; Lee, D.-J.; Zhang, Z.; Zhang, Q.; Jing, Y.; Zhang, Y.; Xia, C. Effects of Different Pretreatment Methods on the Structural Characteristics, Enzymatic Saccharification and Photo Fermentative Bio-Hydrogen Production Performance of Corn Straw. Bioresource Technology 2020, 304, 122999. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122999.
3. Chong, M.-L.; Sabaratnam, V.; Shirai, Y.; Hassan, M. A. Biohydrogen Production from Biomass and Industrial Wastes by Dark Fermentation. International Journal of Hydrogen Energy 2009, 34 (8), 3277–3287. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.02.010.
4. Park, J.-H.; Chandrasekhar, K.; Jeon, B.-H.; Jang, M.; Liu, Y.; Kim, S.-H. State-of-the-Art Technologies for Continuous High-Rate Biohydrogen Production. Bioresource Technology 2021, 320, 124304. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124304.
5. Elbeshbishy, E.; Dhar, B. R.; Nakhla, G.; Lee, H.-S. A Critical Review on Inhibition of Dark Biohydrogen Fermentation. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2017, 79, 656–668. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.075.
6. Wicher, E.; Seifert, K.; Zagrodnik, R.; Pietrzyk, B.; Laniecki, M. Hydrogen Gas Production from Distillery Wastewater by Dark Fermentation. International Journal of Hydrogen Energy 2013, 38 (19), 7767–7773. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.04.008.
7. Nunes Ferraz Júnior, A. D.; Etchebehere, C.; Zaiat, M. Mesophilic Hydrogen Production in Acidogenic Packed-Bed Reactors (APBR) Using Raw Sugarcane Vinasse as Substrate: Influence of Support Materials. Anaerobe 2015, 34, 94–105. https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2015.04.008.
8. Litti YU.V., Potekhina M.A., Zhuravleva E.A., Vishnyakova A.V., Grouzdev D.S., Kovalev A.A., Kovalev D.A., Katraeva I.V., Parshina S.N. Biohydrogen production from simple sugars and real wastewater by a new stain of thermophilic anaerobic bacterium thermoanaerobacterium themosaccharolyticum SP-H2. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2021;(0103):359-361 (in Russian) https://doi.org/10.15518/isjaee.2021.10.003.
9. Kuang, Y.; Zhao, J.; Gao, Y.; Lu, C.; Luo, S.; Sun, Y.; Zhang, D. Enhanced Hydrogen Production from Food Waste Dark Fermentation by Potassium Ferrate Pretreatment. Environmental Science and Pollution Research 2020, 27. https://doi.org/10.1007/s11356-02008207-3.
10. Yun, Y.-M.; Lee, M.-K.; Im, S.-W.; Marone, A.; Trably, E.; Shin, S.-R.; Kim, M.-G.; Cho, S.-K.; Kim, D.-H. Biohydrogen Production from Food Waste: Current Status, Limitations, and Future Perspectives. Bioresource Technology 2018, 248, 79–87. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.06. 107.
11. Soares, J. F.; Confortin, T. C.; Todero, I.; Mayer, F. D.; Mazutti, M. A. Dark Fermentative Biohydrogen Production from Lignocellulosic Biomass: Technological Challenges and Future Prospects. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2020, 117, 109484. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109484
12. Rajesh Banu, J.; Merrylin, J.; Mohamed Usman, T. M.; Yukesh Kannah, R.; Gunasekaran, M.; Kim, S.H.; Kumar, G. Impact of Pretreatment on Food Waste for Biohydrogen Production: A Review. International Journal of Hydrogen Energy 2020, 45 (36), 18211–18225. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.176.
13. Karim, A.; Islam, M. A.; Mishra, P.; Yousuf, A.; Faizal, C. K. M.; Khan, M. M. R. Technical Difficulties of Mixed Culture Driven Waste Biomass-Based Biohydrogen Production: Sustainability of Current Pretreatment Techniques and Future Prospective. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2021, 151, 111519. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111519
14. Voitovich V.A., Shvarev R.R., Zakharychev E.A., Feoktistova E.P., Deberdeev R.Y., Zakharycheva N.S. the efficiency of the vortex layer plants using when powder-like materials grinding. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES) 2017;(10):48-53. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1683-4518-2017-10-48-53.
15. Litti, Y., Katraeva, I., Kovalev, D., & Mikheeva, E. Effect of the sewage sludge treatment in vortex layer apparatus on the viability of microorganisms and protozoa. Procedia Environmental Science, Engineering and Management. 2019;6(3):413-421.
16. Kovalev, A.; Kovalev, D.; Grigoriev, V.; Litti, Y. The Vortex Layer Apparatus as a Source of Low-Grade Heat in the Process of Pretreatment of the Substrate before Anaerobic Digestion. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 2021, 938, 12004. https://doi.org/10.1088/1755-1315/938/1/012004.
17. Mikheeva, E.; Katraeva, I.; Vorozhtsov, D.; Litti, Y.; Nozhevnikova, A. Efficiency of Two-Phase Anaerobic Fermentation and the Physicochemical Properties of the Organic Fraction of Municipal Solid Waste Processed in a Vortex-Layer Apparatus. Applied Biochemistry and Microbiology 2020, 56, 736–742. https://doi.org/10.1134/S0003683820060113.
18. Litti, Y.; Kovalev, D.; Kovalev, A.; Katraeva, I.; Russkova, Y.; Nozhevnikova, A. Increasing the Efficiency of Organic Waste Conversion into Biogas by Mechanical Pretreatment in an Electromagnetic Mill. In Journal of Physics: Conference Series; 2018; Vol. 1111. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1111/1/012013.
19. Nozhevnikova, A. N.; Russkova, Y. I.; Litti, Y. V; Parshina, S. N.; Zhuravleva, E. A.; Nikitina, A. A. Syntrophy and Interspecies Electron Transfer in Methanogenic Microbial Communities. Microbiology 2020, 89 (2), 129–147. https://doi.org/10.1134/S0026261720020101.
20. Zhao, Z.; Li, Y.; Zhang, Y.; Lovley, D. Sparking Anaerobic Digestion: Promoting Direct Interspecies Electron Transfer to Enhance Methane Production. iScience 2020, 23, 101794. https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101794.
21. Srivastava, N.; Srivastava, M.; Malhotra, B. D.; Gupta, V. K.; Ramteke, P. W.; Silva, R. N.; Shukla, P.; Dubey, K. K.; Mishra, P. K. Nanoengineered Cellulosic Biohydrogen Production via Dark Fermentation: A Novel Approach. Biotechnology advances 2019, 37 (6), 107384. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2019.04.006.
22. Kumar, G.; Mathimani, T.; Rene, E. R.; Pugazhendhi, A. Application of Nanotechnology in Dark Fermentation for Enhanced Biohydrogen Production Using Inorganic Nanoparticles. International Journal of Hydrogen Energy 2019, 44 (26), 13106–13113. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.03.131.
23. Shanmugam, S.; Hari, A.; Pandey, A.; Mathimani, T.; Felix, L.; Pugazhendhi, A. Comprehensive Review on the Application of Inorganic and Organic Nanoparticles for Enhancing Biohydrogen Production. Fuel 2020, 270, 117453. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117453.
24. Wang, J.; Yin, Y. Principle and Application of Different Pretreatment Methods for Enriching Hydrogen-Producing Bacteria from Mixed Cultures. International Journal of Hydrogen Energy 2017, 42 (8), 4804–4823. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.01.135.
25. Mikheeva, E. R.; Katraeva, I. V; Kovalev, A. A.; Kovalev, D. A.; Nozhevnikova, A. N.; Panchenko, V.; Fiore, U.; Litti, Y. V. The Start-Up of Continuous Biohydrogen Production from Cheese Whey: Comparison of Inoculum Pretreatment Methods and Reactors with Moving and Fixed Polyurethane Carriers. Applied Sciences 2021, 11 (2). https://doi.org/10.3390/app11020510.
26. Guruchandran, S.; Muninathan, C.; Bakshi, A.; Ganesan, N. Improving Process Stability, Biogas Production and Energy Recovery Using Two-Stage Mesophilic Anaerobic Codigestion of Rice Wastewater with Cow Dung Slurry. Biomass and Bioenergy 2021, 152, 106184. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2021.106184.
27. Liu, X.; Wang, J.; Duan, L.; Song, Y.; Hu, X.; Wei, J. Enhancing the Production of Butyric Acid from Sludge Fermentation with an Emphasis on Zinc, Cobalt, Cuprum, Ferrum and Manganese. Environmental Earth Sciences 2015, 73 (9), 5057–5066. https://doi.org/10.1007/s12665-015-4289-7.
28. Ivetić, D. Ž.; Omorjan, R. P.; Đorđević, T. R.; Antov, M. G. The Impact of Ultrasound Pretreatment on the Enzymatic Hydrolysis of Cellulose from Sugar Beet Shreds: Modeling of the Experimental Results. Environmental Progress & Sustainable Energy 2017, 36 (4), 1164–1172. https://doi.org/10.1002/ep.12544.
29. Kumar, G.; Sen, B.; Lin, C.-Y. Pretreatment and Hydrolysis Methods for Recovery of Fermentable Sugars from De-Oiled Jatropha Waste. Bioresource technology 2013, 145. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.02.080.
30. Zhao, C.; Sharma, A.; Ma, Q.; Zhu, Y.; Li, D.; Liu, Z.; Yang, Y. A Developed Hybrid Fixed-Bed Bioreactor with Fe-Modified Zeolite to Enhance and Sustain Biohydrogen Production. Science of The Total Environment 2021, 758, 143658. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.1 3658.
31. Lee, Y. J.; Miyahara, T.; Noike, T. Effect of Iron Concentration on Hydrogen Fermentation. Bioresource Technology 2001, 80 (3), 227–231. https://doi.org/32. Chu, C.-Y.; Liu, P.-Y.; Lai, P.-J.; Chun-Te Lin, J.; Sinsuw, A. A. E. An Approach of Auxiliary Carbohydrate Source on Stabilized Biohythane Production and Energy Recovery by Two-Stage Anaerobic Process from Swine Manure. International Journal of Hydrogen Energy 2021. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.10.078.
32. Abdur Rawoof, S. A.; Kumar, P. S.; Vo, D.-V. N.; Devaraj, T.; Subramanian, S. Biohythane as a High Potential Fuel from Anaerobic Digestion of Organic Waste: A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2021, 152, 111700. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111700
33. Bélaich, J. P., Bruschi, M., & Garcia, J. L. (Eds.). Microbiology and biochemistry of strict anaerobes involved in interspecies hydrogen transfer (Vol. 54). 2012 Springer Science & Business Media. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-0613-9.
34. Ferry, J. G. Methanogenesis: ecology, physiology, biochemistry & genetics. 2012 Springer Science & Business Media. https://doi.org/10.1007/978-1-46152391-8.
35. Valdez-Vazquez, I.; Poggi-Varaldo, H. M. Hydrogen Production by Fermentative Consortia. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009, 13 (5), 1000– 1013. https://doi.org/10.1016/j.rser.2008.03.003.
36. Monnet, F. ыыыAn Introduction to Anaerobic Digestion of Organic Wastes. A Report by Remade Scotland, 2003.
37. Mamimin, C.; Prasertsan, P.; Kongjan, P.; OThong, S. Effects of Volatile Fatty Acids in Biohydrogen Effluent on Biohythane Production from Palm Oil Mill Effluent under Thermophilic Condition. Electronic Journal of Biotechnology 2017, 29, 78–85. https://doi.org/10.1016/j.ejbt.2017.07.006.
38. Nualsri, C.; Kongjan, P.; Reungsang, A. Direct Integration of CSTR-UASB Reactors for Two-Stage Hydrogen and Methane Production from Sugarcane Syrup. International Journal of Hydrogen Energy 2016, 41 (40), 17884–17895. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.07.135.
Рецензия
Для цитирования:
Михеева Э.Р., Катраева И.В., Ковалев A.А., Ковалев Д.А., Литти Ю.В. Влияние предобработки сточных вод кондитерского производства в аппарате вихревого слоя на выход биоводорода в условиях непрерывной темновой ферментации. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2022;(1):77-92. https://doi.org/10.15518/isjaee.2022.01.077-092
For citation:
Mikheeva E.R., Katraeva I.V., Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti Yu.V. Effect of confectionery wastewater pretreatment in a vortex layer apparatus on the biohydrogen production through continuous dark fermentation. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2022;(1):77-92. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2022.01.077-092