Анаэробная конверсия послеспиртовой барды в сочетании c отходами животноводства и птицеводства в метан в качестве субстрата для получения водорода

Актуальным на сегодняшний день является поиск подходов к вовлечению в анаэробную переработку многотоннажных и “проблемных” отходов, несбалансированных по содержанию азота и углерода и получению полезных и экологически совместимых продуктов.

Проведена оценка анаэробной биотрансформации в термофильном режиме (55 °С) отходов агропромышленного комплекса. Установлено, что органические отходы (послеспиртовая барда, коровий навоз и куриный помет) обладают большим потенциалом для получения биогаза с высоким содержанием метана и углекислого газа с низким содержанием примесей. Метан входящий в состав биогаза может быть рекомендован в качестве сырья для получения водорода - экологически безопасного и эффективного топлива. При соотношении компонентов в составе смешанного субстрата барда:навоз:помет - 6:3:1 за 21-29 суток анаэробного сбраживания обеспечивались наилучшие показатели эффективности метаногенеза по метану (61-63%) и биогазу (70-73%), доля метана в составе биогаза составляла 61%. При биотрансформации чистой барды эффективность минерализации по азоту (58-67%) была ниже, чем при использовании смеси органических отходов (63-69%). С точки зрения получения максимального количества биогаза целесообразным является добавление к субстрату карбонатного буфера или известняковой муки (9% мас.) для смещения значений рН рабочего раствора в сторону слабощелочных значений. Однако для накопления в конечном растворе свободных фосфатов более предпочтительно использование карбонатного буфера. Оставшиеся после получения биогаза анаэробно обработанные твердые осадки, а также жидкие стоки (анаэробно обработанные эффлюенты) могут рассматриваться в качестве потенциальных органических и биогенных удобрений или их компонентов.

1. Das, A.; Peu, S.D. A Comprehensive Review on Recent Advancements in Thermochemical Processes forClean Hydrogen Production to Decarbonize the Energy Sector. Sustainability 2022, 14, 11206. https://doi.org/10.3390/su141811206.

2. Capurso, T.; Stefanizzi, M.; Torresi, M.; Camporeale, S. M. Perspective of the role of hydrogen in the 21st century energy transition. Energy Conversion and Management 2022, 251, 114898. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114898.

3. Shagdar, E.; Lougou, B. G.; Shuai, Y.; Ganbold, E.; Chinonso, O.P.; Tan, H. Process analysis of solar steam reforming of methane for producing low-carbon hydrogen. RSC advances 2020, 10, 12582-12597. https://doi.org/10.1039/C9RA09835F.

4. Le Saché, E.; Reina, T.R. Analysis of Dry Reforming as direct route for gas phase CO2 conversion. The past, the present and future of catalytic DRM technologies. Progress in Energy and Combustion Science 2022, 89, 100970. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2021.100970.

5. Maslova, O.; Senko, O.; Stepanov, N.; Gladchenko, M.; Gaydamaka, S.; Akopyan, A.; Anisimov A.; Eseva E.; Efremenko, E. Sulfur containing mixed wastes in anaerobic processing by new immobilized synthetic consortia. Bioresource Technology 2022, 362, 127794. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127794.

6. Senko, O.V.; Maslova, O.V.; Efremenko, E.N. Optimization potential of anaerobic biocatalytic processes using intracellular ATP concentration as the main criterion for decision making. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2020, 848, 012080. https://doi.org/10.1088/1757-899X/848/1/012080.

7. Senko, O.; Gladchenko, M.; Maslova, O.; Efremenko, E. Long-term storage and use of artificially immobilized anaerobic sludge as a powerful biocatalyst for conversion of various wastes including those containing xenobiotics to biogas. Catalysts 2019, 9, 326. https://doi.org/10.3390/catal9040326.

8. Efremenko, E.; Senko, O.; Maslova, O.; Lyagin, I.; Aslanli, A.; Stepanov, N. Destruction of Mycotoxins in Poultry Waste under Anaerobic Conditions within Methanogenesis Catalyzed by Artificial Microbial Consortia. Toxins 2023, 15, 205. https://doi.org/10.3390/toxins15030205.

9. Li, S.; Li, F.; Zhu; X., Liao, Q.; Chang, J.S.; Ho, S.H. Biohydrogen production from microalgae for environmental sustainability. Chemosphere 2022, 291, 132717. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132717.

10. Zheng, Y.; Zhang, Q.; Zhang, Z.; Jing, Y.; Hu, J.; He, C.; Lu, C. A review on biological recycling in agricultural waste-based biohydrogen production: Recent developments. Bioresource Technology 2022, 347, 126595. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126595.

11. Van Niel, E.W. J. Biological Processes for Hydrogen Production. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 2016, 155–193 doi:10.1007/10_2016_11.

12. Zhu, H.; Parker, W.; Basnar, R.; Proracki, A.; Falletta, P.; Béland, M.; Seto, P. Buffer requirements for enhanced hydrogen production in acidogenic digestion of food wastes. Bioresource Technology 2009, 100, 5097–5102. doi:10.1016/j.biortech.2009.02.066.

13. Vasudeva, V.; Crasta, I.; Mudliar, S.N. Microbiology of Biogas Production from Food Waste: Current Status, Challenges, and Future Needs. Biotechnology for Zero Waste: Emerging Waste Management Techniques 2022, 491-506. https://doi.org/10.1002/9783527832064.ch32.

14. Karrabi, M.; Ranjbar, F.M.; Shahnavaz, B.; Seyedi, S. A comprehensive review on biogas production from lignocellulosic wastes through anaerobic digestion: An insight into performance improvement strategies. Fuel 2023, 340, 127239. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.127239.

15. Silva-Martínez, R.D.; Sanches-Pereira, A.; Ornelas-Ferreira, B.; Carneiro-Pinheiro, B.; Coelho, S.T. High solid and wet anaerobic digestion technologies for the treatment of the organic fraction of municipal solid wastes and food wastes: A comparative case study in Brazil. Bioresource Technology Reports 2023, 21, 101306. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2022.101306.

16. Buivydas, E.; Navickas, K.; Venslauskas, K.; Žalys, B.; Župerka, V.; Rubežius, M. Biogas Production Enhancement through Chicken Manure Co-Digestion with Pig Fat. Applied Sciences 2022, 12, 4652. https://doi.org/10.3390/app12094652.

17. Dhungana, B.; Lohani, S.P.; Marsolek, M. Anaerobic Co-digestion of food waste with livestock manure at ambient temperature: a biogas based circular economy and sustainable development goals. Sustainability 2022, 14, 3307. https://doi.org/10.3390/su14063307.

18. Abbas, Y.; Yun, S.; Mehmood, A.; Shah, F.A.; Wang, K.; Eldin, E.T.; Al-Qahtani W.H.; Ali S.; Bocchetta, P. Co-digestion of cow manure and food waste for biogas enhancement and nutrients revival in biocircular economy. Chemosphere 2023, 311, 137018. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.137018.

19. Wagha, M.P.; Nemadeb, P.D. Biogas generation from distillery spent wash by using an OPUR western biotechnology process: a case study. Desalin. Water Treat. 2018, 118, 241–248. https://doi.org/10.5004/dwt.2018.22404.

20. Ratna, S.; Rastogi, S.; Kumar, R. Current trends for distillery wastewater management and its emerging applications for sustainable environment. Journal of Environmental Management 2021, 290, 112544. doi:10.1016/j.jenvman.2021.112544.

21. Pant, D.; Adholeya, A. Biological approaches for treatment of distillery wastewater: A review. Bioresource Technology 2007, 98, 2321–2334. doi:10.1016/j.biortech.2006.09.027.

22. Hooijmans C.M.; Veenstra S.; Lubberding H.J. Laboratory course process parameters and microbiology // Int. course in anaerobic waste water treatment / Ed. G. Lettinga. – Delft.: Agricultural University, Wageningen (Holland), 1990. – 44p.

23. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19th Edn., American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington DC, USA 1995.

24. Dubber, D.; Gray, N. Replacement of chemical oxygen demand (COD) with total organic carbon (TOC) for monitoring wastewater treatment performance tominimize disposal of toxic analytical waste. J. Environ. Sci. Health A 2010, 45, 1595–1600. https://doi.org/10.1080/10934529.2010.506116.

25. Gladchenko, M.A.; Kovalev, D.A.; Kovalev, A.A.; Litti, Y.V.; Nozhevnikova, A.N. Methane production by anaerobic digestion of organic waste from vegetable processing facilities. Appl. Biochem. Microbiol. 2017, 53, 242–249. https://doi.org/10.1134/S0003683817020090.

26. Kalyuzhnyi, S.; Gladchenko, M.; Starostina, E.; Shcherbakov, S.; Versprille, A. Combined biological and physico-chemical treatment of baker’s yeast wastewater. Water Sci. Technol. 2005, 52, 175–181. https://doi.org/10.2166/wst.2005.051.

27. Senko, O.; Maslova, O.; Gladchenko, M.; Gaydamaka, S.; Efremenko, E. Biogas production from biomass of microalgae Chlorella vulgaris in the presence of benzothiophene sulfone. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2019, 525, 012089. https://doi.org/10.1088/1757-899X/525/1/012089.

28. Di Maria, F.; Sordi, A.; Cirulli, G.; Micale, C. Amount of energy recoverable from an existing sludge digester with the co-digestion with fruit and vegetable waste at reduced retention time. Applied energy 2015, 150, 9-14. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.146.

29. Ferrer, P.; Cambra-López, M.; Cerisuelo, A.; Peñaranda, D.S.; Moset, V. The use of agricultural substrates to improve methane yield in anaerobic codigestion with pig slurry: Effect of substrate type and inclusion level. Waste Management 2014, 34, 196-203. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2013.10.010.

30. Meng, L.; Jin, K.; Yi, R.; Chen, M.; Peng, J.; Pan, Y. Enhancement of bioenergy recovery from agricultural wastes through recycling of cellulosic alcoholic fermentation vinasse for anaerobic co-digestion. Bioresource Technology 2020, 311, 123511. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123511.

31. Qin, Y.; Huang, L.; Jiang, Q.; Lu, T.; Xin, Y.; Zhen, Y.; Liu, J.; Shen, P. Anaerobic co-digestion of molasses vinasse and three kinds of manure: A comparative study of performance at different mixture ratio and organic loading rate. Journal of Cleaner Production 2022, 371, 133631. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133631.

32. Marin-Batista, J.; Salazar, L.; Castro, L.; Escalante, H. Anaerobic co-digestion of vinasse and chicken manure: alternative for Colombian agrowaste management. Revista Colombiana de Biotecnología 2016, 18, 6-12. http://dx.doi.org/10.15446/rev.colomb.biote.v18n2.53853.