Тепловые эффекты предобработки субстратов темновой ферментации в аппарате вихревого слоя

Анаэробное сбраживание является эффективным способом переработки органических отходов с получением биогаза. При этом одной из стадий анаэробного сбраживания является темновая ферментация, позволяющая получить биоводород. Для увеличения биодоступности и эффективности массообмена между частицами субстрата и гидролитиками и, как следствие, увеличения эффективности темновой ферментации, целесообразно проводить предварительную обработку органического отхода различными методами. Одним из наиболее перспективных и энергоэффективных методов подготовки субстрата к анаэробному сбраживанию, в том числе и к темновой ферментации, является обработка его в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц (АВС). Однако, не все аспекты применения АВС в системах предобработки субстратов анаэробного сбраживания были рассмотрены в полной мере: для внедрения аппарата вихревого слоя в систему темновой ферментации органических отходов необходимо определить в том числе и энергетические характеристики АВС при различных режимах его работы, а полученные данные должны быть использованы при разработке энергетического баланса системы анаэробной переработки. Таким образом, целью данной работы является экспериментальное определение тепловых эффектов предобработки субстратов темновой ферментации в АВС при различных режимах его работы с использованием методологии поверхности отклика. Для достижения поставленной цели была разработана и создана экспериментальная установка, которая позволила провести эксперимент по построенной в 8 Design-Expert матрице эксперимента, основанной на центральном композиционном дизайне (CCD). Полученные модели и их поверхности отклика имеют коэффициент детерминации более 0,99, что говорит об их адекватности. Коэффициент преобразования электроэнергии в теплоту на катушке АВС в среднем нахо- дится на уровне 0,54±0,11, а коэффициент полезного использования теплоты АВС для нагрева исходного субстрата – 0,42±0,06, что говорит о высоком потенциале использования отбросной теплоты. Таким образом, полученные модели тепловых эффектов предобработки субстратов темновой ферментации в аппарате вихревого слоя можно использовать для определения как непосредственно внесенной в исходный субстрат теплоты в процессе предобработки, так и теплоты, отведенной теплообменником для поддержания рабочего режима АВС. При этом теплоту, отведенную теплообменником возможно использовать как источник низкопотенциальной теплоты.

1. . Nozhevnikova A.N., Kallistova A.Yu., Litti Yu.V., Kevbrina M.V. (2016) Biotechnology and microbiology of anaerobic processing of organic municipal waste. - M .: University book.-- 320 p.(in Russ).

2. . Khan, M. A.; Ngo, H. H.; Guo, W.; Liu, Y.; Zhang, X.; Guo, J.; Chang, S. W.; Nguyen, D. D.; Wang, J. Biohydrogen Production from Anaerobic Digestion and Its Potential as Renewable Energy. Renewable Energy 2018, 129, 754–768. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.04.029.

3. . Marone, A.; Ayala-Campos, O. R.; Trably, E.; Carmona-Martínez, A. A.; Moscoviz, R.; Latrille, E.; Steyer, J.-P.; Alcaraz-Gonzalez, V.; Bernet, N. Coupling Dark Fermentation and Microbial Electrolysis to Enhance Bio-Hydrogen Production from Agro-Industrial Wastewaters and by-Products in a Bio-Refinery Framework. International Journal of Hydrogen Energy 2017, 42 (3), 1609–1621. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.09.166.

4. . Kim, S.-H.; Kumar, G.; Chen, W.-H.; Khanal, S. K. Renewable Hydrogen Production from Biomass and Wastes (ReBioH2-2020). Bioresource Technology 2021, 331, 125024. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125024.

5. . Dauptain, K.; Schneider, A.; Noguer, M.; Fontanille, P.; Escudie, R.; Carrere, H.; Trably, E. Impact of Microbial Inoculum Storage on Dark Fermentative H2 Production. Bioresource Technology 2021, 319, 124234. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124234.

6. . Kovalev, A. A.; Kovalev, D. A.; Litti, Y. V.; Katraeva, I. V. 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. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.124.

7. . Kovalev, A. A.; Kovalev, D. A.; Nozhevnikova, A. N.; Zhuravleva, E. A.; Katraeva, I. V; Grigoriev, V. S.; Litti, Y. V. Effect of Low Digestate Recirculation Ratio on Biofuel and Bioenergy Recovery in a Two-Stage Anaerobic Digestion Process. International Journal of Hydrogen Energy 2021, 46 (80), 39688–39699. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.239.

8. . Renaudie, M.; Dumas, C.; Vuilleumier, S.; Ernst, B. Biohydrogen Production in a Continuous Liquid/Gas Hollow Fiber Membrane Bioreactor: Efficient Retention of Hydrogen Producing Bacteria via Granule and Biofilm Formation. Bioresource Technology 2021, 319, 124203. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124203.

9. . Sarkar, O.; Rova, U.; Christakopoulos, P.; Matsakas, L. Influence of Initial Uncontrolled PH on Acidogenic Fermentation of Brewery Spent Grains to Biohydrogen and Volatile Fatty Acids Production: Optimization and Scale-Up. Bioresource Technology 2021, 319, 124233. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124233.

10. . Sekoai, P. T.; Daramola, M. O.; Mogwase, B.; Engelbrecht, N.; Y oro, K. O.; P etrus d u Preez, S.; Mhlongo, S.; Ezeokoli, O. T.; Ghimire, A.; Ayeni, A. O.; Hlongwane, G. N. Revising the Dark Fermentative H2 Research and Development Scenario – An Overview of the Recent Advances and Emerging Technological Approaches. Biomass and Bioenergy 2020, 140, 105673. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2020.105673.

11. . Elreedy, A.; Fujii, M.; Koyama, M.; Nakasaki, K.; Tawfik, A. Enhanced Fermentative Hydrogen Production from Industrial Wastewater Using Mixed Culture Bacteria Incorporated with Iron, Nickel, and Zinc-Based Nanoparticles. Water research 2019, 151, 349–361. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.12.043.

12. . Kumar, G.; Mudhoo, A.; Sivagurunathan, P.; Nagarajan, D.; Ghimire, A.; Lay, C.-H.; Lin, C.-Y.; Lee, D.-J.; Chang, J.-S. Recent Insights into the Cell Immobilization Technology Applied for Dark Fermentative Hydrogen Production. Bioresource Technology 2016, 219, 725–737. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.08.065.

13. . Srivastava, N.; Srivastava, M.; Mishra, P. K.; Kausar, M. A.; Saeed, M.; Gupta, V. K.; Singh, R.; Ramteke, P. W. Advances in Nanomaterials Induced Biohydrogen Production Using Waste Biomass. Bioresource Technology 2020, 307, 123094. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123094.

14. . Taherdanak, M.; Zilouei, H.; Karimi, K. The Effects of Fe0 and Ni0 Nanoparticles versus Fe2+ and Ni2+ Ions on Dark Hydrogen Fermentation. International Journal of Hydrogen Energy 2015, 41. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.11.110.

15. . Carrère, H.; Bougrier, C.; Castets, D.; Delgenès, J. P. Impact of Initial Biodegradability on Sludge Anaerobic Digestion Enhancement by Thermal Pretreatment. Journal of Environmental Science and Health, Part A 2008, 43 (13), 1551–1555. https://doi.org/10.1080/10934520802293735.

16. . Luste, S.; Luostarinen, S.; Sillanpää, M. Effect of Pre-Treatments on Hydrolysis and Methane Production Potentials of by-Products from Meat-Processing Industry. Journal of Hazardous Materials 2009, 164 (1), 247–255. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.08.002.

17. . Izumi, K.; Okishio, Y.; Nagao, N.; Niwa, C.; Yamamoto, S.; Toda, T. Effects of Particle Size on Anaerobic Digestion of Food Waste. International Biodeterioration & Biodegradation 2010, 64 (7), 601–608. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2010.06.013.

18. . Raynal, J.; Delgenès, J. P.; Moletta, R. Two-Phase Anaerobic Digestion of Solid Wastes by a Multiple Liquefaction Reactors Process. Bioresource Technology 1998, 65 (1), 97–103. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0960-8524(98)00009-1.

19. . Salminen, E.; Einola, J.; Rintala, J. The Methane Production of Poultry Slaughtering Residues and Effects of Pre‐treatments on the Methane Production of Poultry Feather. Environmental Technology 2003, 24 (9), 1079–1086. https://doi.org/10.1080/09593330309385648.

20. . JIN, Y.; LI, H.; MAHAR, R. B.; WANG, Z.; NIE, Y. Combined Alkaline and Ultrasonic Pretreatment of Sludge before Aerobic Digestion. Journal of Environmental Sciences 2009, 21 (3), 279–284. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S1001-0742(08)62264-0.

21. . Kovalev D., Kovalev A., Litti Yu., Nozhevnikova A., Katraeva I. The Effect of the Load on Organic Matter on Methanogenesis in the Continuous Рrocess of Bioconversion of Anaerobic Bioreactor Substrates Pretreated in the Vortex Layer Apparatus. Ecology and Industry of Russia. 2019; 23(12):9-13. (In Russ.) https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-12-9-13

22. . Mikheeva, E R; Katraeva, I V; Litti, Yu V; Kovalev, A A; Kovalev, D A. Influence of Confectionery Wastewater Pretreatment in Vortex Layer Apparatus on Its Physical and Chemical Properties. BIO Web Conf. 2022, 48, 2011. https://doi.org/10.1051/bioconf/20224802011.

23. . Kovalev, A. A.; Kovalev, D. A.; Litti, Y. V; Katraeva, I. V; Grigoriev, V. S. Chapter 7 - Optimization of the Organic Waste Anaerobic Digestion in Biogas Plants through the Use of a Vortex Layer Apparatus; Vasant, P., Thomas, J., Munapo, E., Weber, G.-W. B. T.- A. of A. I. in a G. E. E., Eds.; Academic Press, 2022; pp 129–150. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-323-89785-3.00016-5.

24. . Mikheeva, E. R.; Katraeva, I. V; Kovalev, A. A.; Kovalev, D. A.; Litti, Y. V. Effects of Pretreatment in a Vortex Layer Apparatus on the Properties of Confectionery Wastewater and Its Dark Fermentation. International Journal of Hydrogen Energy 2022, 47 (55), 23165–23174. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.183.

25. . Mikheeva, E. R.; Katraeva, I. V; Kovalev, A. A.; Biryuchkova, P. D.; Zhuravleva, E. A.; Vishnyakova, A. V; Litti, Y. V. Pretreatment in Vortex Layer Apparatus Boosts Dark Fermentative Hydrogen Production from Cheese Whey. Fermentation. 2022. https://doi.org/10.3390/fermentation8120674.

26. . 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.

27. . 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.

28. . Kovalev A.A., Kovalev D.A., Grigoriev V.S. Energy Efficiency of Pretreatment of Digester Synthetic Substrate in a Vortex Layer Apparatus. Inzhenernyye tekhnologii i sistemy = Engineering Technologies and Systems. 2020; 30(1):92-110. DOI: https://doi.org/10.15507/2658-4123.030.202001.092-110

29. . Kovalev, А. А.; Kovalev, D. А.; Panchenko, V. A.; Zhuravleva, Е. А.; Laikova, А. А.; Shekhurdina, S. V; Vivekanand, V.; Litti, Y. V. Approbation of an Innovative Method of Pretreatment of Dark Fermentation Feedstocks. International Journal of Hydrogen Energy 2022, 47 (78), 33272–33281. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.051.

30. . 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.

31. . 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.

32. . Ghaleb, A. A. S.; Kutty, S. R. M.; Ho, Y.-C.; Jagaba, A. H.; Noor, A.; Al-Sabaeei, A. M.; Almahbashi, N. M. Y. Response Surface Methodology to Optimize Methane Production from Mesophilic Anaerobic Co-Digestion of Oily-Biological Sludge and Sugarcane Bagasse. Sustainability 2020, 12 (5). https://doi.org/10.3390/su12052116.