Получение биогаза из органических отходов на полигонах путем анаэробного сбраживания и дальнейшее его преобразование в биоводород

   В связи с повышенным спросом на энергетические ресурсы и постоянным увеличением численности населения использование RES из биомассы и отходов приобретает все большую популярность. В работе был проведен анализ существующих подходов к решению глобальных экологических и социальных проблем путем использования свалочного газа, образующегося на полигонах твердых коммунальных отходов (SMW), а также дальнейший риформинг биогаза в биоводород. Также был проведен мониторинг отходов на территории Ленинградской области и Санкт-Петербурга. Было установлено, что на территории области образуется ежегодно более 12 млн. м³ SMW 1-5 классов опасности. Показано, что большую часть отходов занимает биоразлагаемая органика (около 20 %). Для повышения биогазового потенциала полигонов SMW при дегазации и создания дополнительной экономической выгоды была предложена система продувки и орошения свалочных масс с добавлением субстрата из остаточной биомассы микроводорослей Сhlorella. Предложено усовершенствование схемы сортировки и использования органических отходов за счет селективного сбора и их отделения от общей массы отходов на месте образования. Разработана схема потоков отходов с учётом материального баланса SMW в Ленинградской области и Санкт-Петербурге. Использование данной схемы позволит избежать загрязнений других, вторично используемых компонентов SMW. Помимо этого, в работе предложена схема дальнейшего использования биометана, полученного на полигонах SMW. При помощи риформинга предлагается очищать полученный газ до биоводорода. Производство биоводорода из биогаза является экономически выгодным и может стать альтернативой нефтепродуктам. Эта технология может стать ключевым элементом в производстве экологически чистого топлива и сокращении выбросов вредных веществ в атмосферу.

1. Mignogna, Debora & Ceci, Paolo & Cafaro, Claudia & Corazzi, Giulia & Avino, Pasquale. (2023). Production of Biogas and Biomethane as Renewable Energy Sources: A Review. Applied Sciences. 13. 10219. 10.3390/app131810219.

2. Kang, M.; Zhao, W.; Jia, L.; Liu, Y. Balancing carbon emission reductions and social economic development for sustainable development: Experience from 24 countries. Chin. Geogr. Sci. 2020, 30, 379–396.

3. Martins, F.; Felgueiras, C.; Smitková, M. Fossil fuel energy consumption in European countries. Energy Procedia 2018, 153, 107–111

4. Lelieveld, J.; Klingmüller, K.; Pozzer, A.; Burnett, R.T.; Haines, A.; Ramanathan, V. Effects of fossil fuel and total anthropogenic emission removal on public health and climate. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 7192–7197.

5. Kularathne, I.W.; Gunathilake, C.A.; Rathneweera, A.C.; Kalpage, C.S.; Rajapakse, S. The effect of use of biofuels on environmental pollution — A review. Int. J. Renew. Energy Res. 2019, 9, 1355–1367.

6. Achinas S, Achinas V, Euverink G (2017) A technological overview of biogas production from biowaste. Engineering 3(3): 299-307.

7. Nekrošius, A. Sustainability and Impact on Environmental Pollution of Using Perennial Grasses for Biogas Production. Ph.D. Dissertation. Stulginskis University, Agriculture at the Faculty of Engineering, Institute of Energy and Biotechnology Engineering Kaunas District, Akademija, Lithuania, 2014; pp. 1–23.

8. Picardo, A.; Soltero, V.M.; Peralta, M.E.; Chacartegui, R. District heating based on biogas from wastewater treatment plant. Energy 2019, 180, 649–664. doi: 10.1016/j.energy.2019.05.123.

9. Bužinskienė, Rita & Miceikienė, Astrida & Venslauskas, Kestutis & Navickas, Kęstutis. (2023). Assessment of Energy-Economy and Environmental Performance of Perennial Crops in Terms of Biogas Production. Agronomy. 13. 24. doi: 10.3390/agronomy13051291.

10. Uzodinma E, Ofoefule A (2009) Biogas production from blends of field grass (Panicum maximum) with some animal wastes. Int. J Phys Sci 4(2): 91-95.

11. Holliger, C.; Laclos, H.F.; Hack, G. Methane Production of Full-Scale Anaerobic Digestion Plants Calculated from Substrate’s Biomethane Potentials Compares Well with the One Measured On-Site. Front. Energy Res. 2017, 5, 12.

12. Abu-Dahrieh JK, Orozco A, Ahmad M, Rooney D (2011) The Potential for Biogas Production from Grass, Proceedings of the Jordan International Energy Conference, Amman.

13. Pawlita-Posmyk, Monika & Wzorek, Małgorzata. (2017). Assessment of application of selected waste for production of biogas. E3S Web of Conferences. 19.02017. doi: 10.1051/e3sconf/20171902017.

14. Yevstafiieva, Y.; Levytska, V.; Terenov, D. Biogas Production as a Component of Green Energy Generation. In Renewable Energy Sources: Engineering, Technology, Innovation; Springer: Cham, Switzerland, 2018; pp. 755–764.

15. Borowski, Piotr & Barwicki, Jan. (2022). Efficiency of Utilization of Wastes for Green Energy Production and Reduction of Pollution in Rural Areas. Energies. 16. 13. doi: 10.3390/en16010013.

16. Simbirskikh, E. (2020). Application of biogas in Russia. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 548. 022074. doi: 10.1088/1755-1315/548/2/022074.

17. Debebe, Yalemtsehay & Gonfa, Girma. (2019). Biogas Energy Production Potential of Grass under Anaerobic Digestion: Review. Agricultural Research & Technology: Open Access Journal. 21. doi: 10.19080/ARTOAJ.2019.21.556160.

18. Оценка состояния полигонов захоронения ТБО по изменению органической составляющей / Ю.В. Завизион, Н.Н. Слюсарь, И.С. Глушанкова, Ю.М. Загорская, В.Н. Коротаев // Экология и промышленность России. – 2015. – № 7.– С. 26–31.

19. Слюсарь, Н.Н. Принципы управления полигоном захоронения твердых коммунальных отходов на разных этапах жизненного цикла / Н.Н. Слюсарь, А.Ю. Пухнюк // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. – 2016. – Том 22, № 2.– С. 148–164.

20. Langergraber, G.; Castellar, J.A.C.; Pucher, B.; Baganz, G.F.M.; Milosevic, D.; Andreucci, M.-B.; Kearney, K.; Pineda-Martos, R.; Atanasova, N. A Framework for Addressing Circularity Challenges in Cities with Nature-Based Solutions. Water 2021, 13, 2355. doi: 10.3390/w13172355.

21. Service of the Republic of Poland. Ministry of Development and Technology. Available online: https://www.gov.pl/web/rozwojtechnologia/gospodarka-o-obiegu-zamknietym (accessed on 2 March 2022).

22. Pearse, L.F., Hettiarachi, J.P.A. and Da Costa, D. (2020), “A new biochemical methane potential assay for landfilled waste using the organic fraction of municipal solid waste”, Bioresource Technology Reports, Vol. 12, pp. 1-9.

23. EPA (2021a), Landfill Gas Energy Project Development Handbook, US Environment Protection Agency - Landfill Methane Outreach Program (LMOP), Washington.

24. Romero, H.I., Vega, C.A., Zuma, J.D., Pesantez, F.F., Camacho, A.G. and Redrovan, F.F. (2020), “Comparison of the methane potential obtained by an-aerobic codigestion of urban solid waste and lignocellulosic biomass”, Energy Report, Vol. 6, pp. 776-780.

25. Pant, A. and Rai, J.P.N. (2021), “Application of Biochar on methane production through organic solid waste and ammonia inhibition”, Environmental Challenges, Vol. 5, pp. 1-8, 100262.

26. Sohoo, I., Ritzkowski, M., Heerenklage, J. and Kutcha, K. (2021), “Biochemical methane potential assessment of municipal solid waste generated in Asian cities: a case study of Karachi, Pakistan”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 135, pp. 1-17.

27. Sanchez, A. (2022), “Decentralized composting of food waste: a perpective on scientific knowledge”, Frontiers in Chemical Engineering, Vol. 4, pp. 1-8.

28. EPA (2021c), The Landfill Gas Energy Cost Model: LFGcost-Web User’s Manual Version 3.5, U.S. Environmental Protection Agency - Landfill Methane Outreach Program (LMOP), WA DC.

29. Huang, W. and Fooladi, H. (2021), “Economic and environmental estimated assessment of power production from municipal solid waste using anaerobic digestion and andfill gas technologies”, Energy Reports, Vol. 7, pp. 4460-4469.

30. Moharir, R.V., Gautam, P. and Kumar, S. (2019), “Chapter four: waste treatment process/technologies for energy recovery”, Current Development in Biotechnology and Bioengineering: Waste Treatment Processes for Energy Generation, Science Direct, pp. 53-77.

31. Gupta, P., Kumar, A. and Sinhamahapatra, A. (2022), “Liquid fuel from plastic”, Encyclopedia of Material: Plastics and Polymers, Science Direct, pp. 904-916.

32. Назаров В.И. Техника и технология совмещенных процессов переработки твердых отходов. Учебное пособие / В.И. Назаров, Д.А. Макаренков, Р. Санду М. ИНФРА-М, 2020. – 176 с.

33. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика = Biogas in Theorie und Praxis. — М.: Колос, 1982. — 148 с.

34. Zuberi, M.J.S. and Ali, S.F. (2015), “Greenhouse effect reduction by recovering energy from waste landfills in Pakistan”, Renewable and Sustainable Energy Review, Vol. 44, pp. 117-131.

35. Sarptas, H. (2016), “Assessment of landfill gas (LFG) energy potential based on estimates of LFG models”, Fen ve Muhendislik Dergisi € , Vol. 54 No. 3, pp. 491-501.

36. Usman, Abdullahi. (2022). An estimation of bio-methane and energy project potentials of municipal solid waste using landfill gas emission and cost models. Frontiers in Engineering and Built Environment. 2. doi: 10.1108/FEBE-06-2022-0021.

37. Islam, M.N., Park, K.J. and Yoon, H.S. (2012), “Methane production potential of food waste and food waste mixture with swine manure in anaerobic digestion”, Journal of Biosystems Engineering, Vol. 37 No. 2, pp. 100-105.

38. Dzene, I., Barisa, A., Rosa, M. and Dobraja, M. (2016), “A conceptual methodology for waste-tobiomethane assessment in an urban environment”, Energy Procedia, Vol. 95, pp. 3-10.

39. Cvetković, Slobodan & Kaluđerović Radoičić, Tatjana & Kijevcanin, Mirjana & Grbovic Novakovic, Jasmina. (2021). Life Cycle Energy Assessment of biohydrogen production via biogas steam reforming: Case study of biogas plant on a farm in Serbia. International Journal of Hydrogen Energy. 46. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.01.181.

40. Fedorov, Mikhail & Maslikov, Vladimir & Korablev, Vadim & Politaeva, Natalia & Chusov, Aleksandr & Molodtsov, Dmitriy. (2022). Production of Biohydrogen from Organ-Containing Waste for Use in Fuel Cells. Energies. 15. 8019. doi: 10.3390/en15218019.

41. Braga BL, Silveira LJ, da Silva ME, Tuna CE, Machin EB, Pedroso DT. Hydrogen production by biogas steam reforming: a technical, economic and ecological analysis. Renew Sustain Energy Rev 2013;28:166e73.

42. Franchi, G.; Capocelli, M.; De Falco, M.; Piemonte, V.; Barba, D. Hydrogen Production via Steam Reforming: A Critical Analysis of MR and RMM Technologies. Membranes 2020, 10, 10.

43. González, Juan & Álvez-Medina, Carmen & Nogales, Sergio. (2023). Biogas Steam Reforming in Wastewater Treatment Plants: Opportunities and Challenges. Energies. 16. 6343. doi: 10.3390/en16176343.

44. Единая концепция обращения с твердыми коммунальными отходами на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области разработана и утверждена Губернаторами Санкт-Петербурга и Ленинградской области, протокол от 21. 02. 2022 [Электронный ресурс], открытый доступ: gov.spb.ru; https://spb-neo.ru/dokumentatsiya/edinaya-kontseptsiya-obrashcheniya-s-tko/ (дата обращения декабрь 2022 г.).

45. Невский экологический оператор (о ключевых целях создания в регионах инфраструктуры обращения с отходами) от 15. 03. 2023 [Электронный ресурс], открытый доступ: https://spb-neo.ru/ (дата обращения декабрь 2022 г.).

46. Biogas potential assessment of the composite mixture from duckweed biomass // Chusov, A., Maslikov, V., Badenko, V., Zhazhkov, V., Molodtsov, D., Pavlushkina, Y. Sustainability (Switzerland), 2022, 14(1), 351, Q2.

47. Determination of biogas potential of residual biomass of microalgae Chlorella sorokiniana // A. Chusov, V. Maslikov, V. Zhazhkov, Y. Pavlushkina // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019. - Vol. 403.

48. Интенсификация процессов получения биогаза при использовании добавки из микроводорослей // В.В. Жажков, Н.А. Политаева, А.Н. Чусов, В.И. Масликов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика.- 2020. - № 4(40), С. 41-53.

49. Вельможина, К. А. Применение микроводорослей Chlorella kessleri для интенсификации анаэробного сбраживания пищевых отходов / К. А. Вельможина, П. С. Шинкевич // Технологии переработки отходов с получением новой продукции : материалы IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Киров, 30 ноября 2022 года. – Киров: Вятский государственный университет, 2022. – С. 183-184. – EDN: GQKYUA.

50. Патент № 2797838 C1 Российская Федерация, МПК B01D 53/62, B01D 53/84. Способ утилизации углекислого газа с применением микроводоросли рода Chlorella : № 2022119015 : заявл. 12. 07. 2022 : опубл. 08. 06. 2023 / Н. А. Политаева, В. В. Жажков, Н. В. Зибарев [и др.] ; заявитель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого". – EDN: OMIVZY.

51. Шинкевич, П. С. Применение микроводорослей в CCU технологиях / П. С. Шинкевич, Н. А. Политаева // Рациональное использование природных ресурсов и переработка техногенного сырья: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, химия и биотехнология : Сборник докладов Международной научной конференции, Алушта-Белгород, 05–09 июня 2023 года. – Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2023. – С. 329-334. – EDN: DMXJSH.

52. Устройство для криогенного извлечения углекислого газа из потока биогаза / Чечевичкин А.В., Чечевичкин В.Н., Масликов В.И., Чусов А.Н., Политаева Н.А. Патент на полезную модель 217503 U1, 04. 04. 2023. Заявка № 2022132663 от 13. 12. 2022.