Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Предобработка субстрата анаэробного сбраживания в аппарате вихревого слоя: влияние ферромагнитного сердечника рабочей камеры на производство биогаза

https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.11.035-046

Аннотация

   В настоящее время объем образования отходов растет высокими темпами. Анаэробное сбраживание является эффективным способом переработки органических отходов с получением биогаза. Для увеличения биодоступности и эффективности массообмена между частицами субстрата и микроорганизмами целесообразно проводить предварительную обработку органического отхода различными методами. Одним из наиболее перспективных и энергоэффективных методов подготовки субстрата к анаэробной биоконверсии является обработка его в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц (АВС). Однако в работе АВС существуют некоторые ограничения. Так, для исключения застойной центральной зоны из объема рабочей камеры и увеличения величины магнитного поля в рабочей камере аппарата вихревого слоя был коаксиально смонтирован ферромагнитный сердечник в виде стальной трубы.

   Таким образом, целью данной работы является экспериментальное исследование влияния ферромагнитного сердечника рабочей камеры аппарата вихревого слоя на производство биогаза при анаэробной биоконверсии модели органических отходов АПК.

   Для достижения поставленной цели была разработана и создана экспериментальная установка. Полученные экспериментальные данные позволяют говорить о высокой эффективности предварительной обработки исходного субстрата в АВС с ферромагнитным сердечником в рабочей камере перед анаэробной биоконверсией. Разработанная система анаэробной биоконверсии позволила повысить объемный выход метана на 287 % при гидравлическом времени удержания (ГВУ) 4 суток и в 3,5 раза при ГВУ 2 суток по сравнению с контролем. При этом удельный выход метана при ГВУ 4 суток повышается на 43 %, а при ГВУ 2 суток – снижается на 14 %. Содержание сероводорода в биогазе также увеличивается более чем в три раза, при этом не водорода в биогазе не обнаружено. Таким образом, предобработка исходного субстрата в АВС с ферромагнитным сердечником для получения метановодородного биогаза в одностадийной системе анаэробной биоконверсии нецелесообразно.

Об авторах

А. А. Ковалев
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ”
Россия

Андрей Александрович Ковалев, главный научный сотрудник,  доктор технических наук, инженер

лаборатория биоэнергетических и сверхкритических технологий

109428;  1-й Институтский проезд, 5; Москва

Тел.: +79263477955

Образование: Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ) 2009 г.; Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, анаэробная переработка отходов животноводства, производство биогаза из биомассы, теплоэнергетические установки, тепломассообмен; Публикации: 88; Индекс Хирша: РИНЦ - 9; Scopus - 9; Researchgate- 11; Researcher ID: F-7045-2017; Scopus Author ID: 57205285134; https://www.researchgate.net/profile/Andrey-
Kovalev-8



Д. А. Ковалев
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ”
Россия

Дмитрий Александрович Ковалев, заведующий лабораторией, кандидат технических наук, инженер

лаборатория биоэнергетических технологий

109428; 1-й Институтский проезд, 5; Москва

Образование: Московский государственный индустриальный университет (МГИУ) 2003 г.; Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, анаэробная переработка отходов животноводства, технические инновации в сельском хозяйстве и защите окружающей среды, производство биогаза из биомассы; Публикации: 62; Индекс Хирша (РИНЦ): 6; Researcher ID: K-4810-2015

Тел.: +79263477955



Е. А. Журавлева
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия

Елена Александровна Журавлева, м. н. с., аспирант, микробиолог

лаборатория микробиологии антропогенных мест обитания

119071; Ленинский пр-т, 33, 2; Москва

Образование: Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова 2019 г.; Область научных интересов: анаэробные микроорганизмы, метаногенные сообщества микроорганизмов, метаногенез, органические отходы, очистка сточных вод, прямой межвидовой перенос электронов, синтрофия; Публикации: 22; Индекс Хирша: РИНЦ - 1; Scopus - 6; WoS -5; Researcher ID: JBS-4297-2023; Scopus Author ID: 57216346570

Тел.: (495) 954-52-83



А. А. Лайкова
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия

Александра Алексеевна Лайкова, м. н. с., микробиолог

лаборатория микробиологии антропогенных мест обитания

119071; Ленинский пр-т, 33, 2; Москва

Образование: Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова 2023 г.; Область научных интересов: биоводород, биогаз, биогитан, осадки сточных вод, анаэробная ферментация, биотехнология, анаэробная переработка отходов, водород-продуцирующие бактерии, метаногенное сообщество; Публикации: 6; Scopus - 2; WoS - 2; Researcher ID: IVU-7977-2023; Scopus Author ID: 58044317600

Тел.: (495) 954-52-83



С. В. Шехурдина
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия

Светлана Витальевна Шехурдина, м. н. с., микробиолог

лаборатория микробиологии антропогенных мест обитания

119071; Ленинский пр-т, 33, 2; Москва

Образование: Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова (МГУ) 2023 г.; Область научных интересов: анаэробное
сбраживание, прямой межвидовой перенос электронов, анаэробные микроорганизмы, метаногенные сообщества, метаногенез, биогаз, анаэробная переработка органических отходов; Публикации: 6; Scopus - 3; Scopus Author ID: 57564192200

Тел.: (495) 954-52-83



Ю. В. Литти
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия

Юрий Владимирович Литти, заведующий лабораторией, кандидат биологических наук, инженер

лаборатория микробиологии антропогенных мест обитания

119071; Ленинский пр-т, 33, 2; Москва

Образование: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ) 2008 г.; Область научных интересов: анаэробные микроорганизмы, метаногенные сообщества микроорганизмов, метаногенез, твердые органические отходы, очистка сточных вод, нитрификация, денитрификация, процесс анаммокс, анаммокс-бактерии; Публикации: 49; Индекс Хирша: РИНЦ - 10; Scopus - 10; WoS - 8; Researcher ID: C-4945-2014; Scopus Author ID: 55251689800

Тел.: (495) 954-52-83



Список литературы

1. Shilkina S.V. Global trends in waste management and analysis of the situation in Russia. Russian journal of resources, conservation and recycling. 2020; 7(1). doi: 10.15862/05ECOR120.

2. 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).

3. 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. doi: 10.1016/j.renene.2017.04.029.

4. 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 Frame-work. International Journal of Hydrogen Energy 2017, 42 (3), 1609–1621. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.09.166.

5. Bundhoo, Z. M. A. Potential of Bio-Hydrogen Production from Dark Fermentation of Crop Residues: A Review. International Journal of Hydrogen Energy 2019, 44 (32), 17346–17362. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.11.098.

6. 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. doi: 10.1016/B978-0-323-89785-3.00016-5.

7. 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.) doi: 10.18412/1816-0395-2019-12-9-13.

8. Mohanraj, S.; Kodhaiyolii, S.; Rengasamy, M.; Pugalenthi, V. Phytosynthesized Iron Oxide Nanoparticles and Ferrous Iron on Fermentative Hydrogen Production Using Enterobacter Cloacae: Evaluation and Comparison of the Effects. International Journal of Hydrogen Energy 2014, 39 (23), 11920–11929. doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.06.027.

9. Mishra, P.; Thakur, S.; Mahapatra, D. M.; Wahid, Z. A.; Liu, H.; Singh, L. Impacts of Nano-Metal Oxides on Hydrogen Production in Anaerobic Digestion of Palm Oil Mill Effluent – A Novel Approach. International Journal of Hydrogen Energy 2018, 43 (5), 2666–2676. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.12.108.

10. Jia, X.; Li, M.; Wang, Y.; Wu, Y.; Zhu, L.; Wang, X.; Zhao, Y. Enhancement of Hydrogen Production and Energy Recovery through Electro-Fermentation from the Dark Fermentation Effluent of Food Waste. Environmental Science and Ecotechnology 2020, 1, 100006. doi: 10.1016/j.ese.2019.100006.

11. Sołowski, G.; Konkol, I.; Cenian, A. Methane and Hydrogen Production from Cotton Waste by Dark Fermentation under Anaerobic and Micro-Aerobic Conditions. Biomass and Bioenergy 2020, 138, 105576. doi: 10.1016/j.biombioe.2020.105576.

12. Zagrodnik, R.; Duber, A.; Seifert, K. Hydrogen Production during Direct Cellulose Fermentation by Mixed Bacterial Culture: The Relationship between the Key Process Parameters Using Response Surface Methodology. Journal of Cleaner Production 2021, 314, 127971. doi: 10.1016/j.jclepro.2021.127971.

13. 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. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.08.051.

14. 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. doi: 10.1088/1742-6596/1111/1/012013.

15. Litti Yu.V., Kovalev D.A., Kovalev A.A., Katraeva I.V., Mikheeva E.R., Nozhevnikova A.N. Using the vortex layer apparatus to improve the efficiency of methane digestion of sewage sludge. Water supply and sanitary equipment. 2019;11:32-40 (in Russ).

16. Kovalev, D. A., Kovalev, A. A., Katraeva, I. V., Litti, Y. V., Nozhevnikova, A. N. EFFECT OF DISINFECTION OF SUBSTRATES OF ANAEROBIC BIOREACTOROS IN VORTEX LAYER APPARATUS. Chemical Safety Science, 2019; 3(1):56-64. doi: 10.25514/CHS.2019.1.15004.

17. 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. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.05.183.

18. 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. doi: 10.3390/fermentation8120674.

19. 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.) doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.05.183.

20. Kovalev, A. A.; Kovalev, D. A.; Litti, Y. V; Katraeva, I. V. The Synergistic Effect of the Thickened Digestate Treatment in the Vortex Layer Apparatus Prior to Its Recirculation into the Reactor on the Characteristics of Anaerobic Bioconversion of Organic Waste. Journal of Physics: Conference Series 2020, 1652 (1), 12014. doi: 10.1088/1742-6596/1652/1/012014.

21. 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. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.07.124.

22. 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. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.09.239.

23. Kovalev, A. A. Energy Analysis of the System of Two-Stage Anaerobic Processing of Liquid Organic Waste with Production of Hydrogen- and Methane-Containing Biogases. International Journal of Hydrogen Energy 2021, 46 (63), 31995–32002. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.06.187.

24. Kovalev A.A. Energy analysis of the system of two-stage anaerobic processing of liquid organic waste with production of hydrogen- and methane-containing biogases. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2020 ;(25-27):95-106. (In Russ.) doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.06.187.

25. Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti 2 Yu.V., Katraeva I.V. Biohydrogen Production in the Two-Stage Process of Anaerobic Bioconversion of Organic Substance of Liquid Organic Waste with Recycle of Digister Effluent. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2020 ;(7-18):87-100. (In Russ.) doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.07.124.

26. Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti Yu.V., Katraeva I.V., Nozhevnikova A.N. Influence of the recirculation ratio of the methanogenic digester effluent on the dynamics of biohydrogen formation in a two-stage process of anaerobic bioconversion of liquid organic waste. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2021;(1-3):34-46. (In Russ.) URL: https://www.isjaee.com/jour/article/view/2009?locale=en_US.

27. Laikova, A. A.; Kovalev, A. A.; Kovalev, D. A.; Zhuravleva, E. A.; Shekhurdina, S. V; Loiko, N. G.; Litti, Y. V. Feasibility of Successive Hydrogen and Methane Production in a Single-Reactor Configuration of Batch Anaerobic Digestion through Bioaugmentation and Stimulation of Hydrogenase Activity and Direct Interspecies Electron Transfer. International Journal of Hydrogen Energy 2023. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.12.231


Рецензия

Для цитирования:


Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Журавлева Е.А., Лайкова А.А., Шехурдина С.В., Литти Ю.В. Предобработка субстрата анаэробного сбраживания в аппарате вихревого слоя: влияние ферромагнитного сердечника рабочей камеры на производство биогаза. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2023;(11):35-46. https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.11.035-046

For citation:


Kovalev А.А., Kovalev D.А., Zhuravleva E.A., Laikova A.A., Shekhurdina S.V., Litti Yu.V. Pretreatment of anaerobic digestion feedstock in a vortex layer apparatus: effect of the working chamber ferromagnetic core on biogas production. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2023;(11):35-46. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.11.035-046

Просмотров: 90


ISSN 1608-8298 (Print)