X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение. Антропогенное развитие твердых бытовых отходов сопровождается, с одной стороны, неудержимым количественным увеличением отходов на душу населения, с другой – обогащением отходов различными ксенобиотиками как «старого», так и «нового» состава. Поэтому нахождение путей утилизации отходов с применением биотехнологии на сегодня актуально.

Цель. Изучение процессов интенсификации биоразложения органических отходов в установках с производством возобновляемой энергии.

Объект исследования. Органическая фракция твердых бытовых отходов.

Методика исследования основывалась на проведении экспериментальных и физико-химических работ.

Метаногенез в упрощенном варианте (рисунок 1) осуществляется двумя группами бактерий: первые превращают ацетат в метан и диоксид углерода, вторые для образования СН₄ осуществляют окислительно-восстановительные процессы, используя водород в качестве донора электронов, диоксид углерода в качестве акцептора (эти реакции протекают одновременно) [1].

Процесс метаногенеза может осуществляться в мезофильных (Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Methanosarcinales и Methanococcales) и термофильных (Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanothermus fervidus) условиях [1].

В результате анаэробного биоразложения органического вещества [2] происходит образование биогаза (возобновляемый источник энергии) и дигестата (нетрадиционное органическое удобрение):

1. В кислой стадии биоразложение проходит в три периода [3]: 1) сложные полимерные молекулы разлагаются (биогидролиз) на простые растворимые соединения с участием облигатных анаэробов: полимеры → простые олигомеры, мономеры: протеины в аминокислоты, углеводы в сахара, липиды – в жирные кислоты; 2) мономеры ферментативно (ацидогенез) разлагаются до органических кислот, спиртов, альдегидов; 3) окисление продуктов ацидогенеза в CH₃COOH с образованием водорода.

2. В щелочной стадии, метаногенезе, СН₄ образуется из уксусной кислоты и водорода (СО₂ – это побочный продукт).

В дополнение вышеизложенному следует отметить, что: 1) гидролиз – это лимитирующий этап анаэробной биотрансформации органического вещества [4], осуществляется гидролитическими ферментами микроорганизмов, протекает с участием как строгих (Bacteriocides, Clostrodia и Bifidobacteria), так и факультативных (Streptococci и Enterobacteriaceae) анаэробов [5], и тесно связан с фазой брожения (кислотогенез):

Рисунок 1. Упрощенная схема анаэробного разложения органических отходов

на гидролитической фазе органические вещества превращается на 76 % в высшие жирные кислоты, 20 % - в ацетат и 4 % - в водород [6, 7]; 2) ацидогенез, протекающий с участием кислотообразующих бактерий (Bacteroides succinogenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium cellobioporus, Clostridium lochhadii, Clostridium stercorarium, Clostridium thermocellum, Micromonospora bispora, Ruminococcus flavefaciens, Rumminococcus albus), приводит к тому, что мономеры превращаются в летучие жирные кислоты [6, 7]; 3) ацетогенез - процесс производства ацетогенами (Acetobacterium woodii и Clostrodium aceticum) ацетата из водорода и углерода [8, 9]; 4) метаногенез, как завершающий этап процесса распада органических веществ, осуществляется представителями домена Archaea (филум Euryarchaeota) и допускает три основных пути: водородный (гидрогенотрофный), ацетокластический, метилотрофный.

Результаты и обсуждение. Органические отходы, использованные для производства биогаза методом интенсифицированного биоразложения в установках, имели коммунальное (пищевые: остатки животноводческой и растениеводческой продукции) и сельскохозяйственное растениеводческое (жмых, силос) происхождение.

В работе [10], выполненное ранее, предлагается включать в состав разлагаемого субстрата из ТБО 30 % компоста. Поэтому протокол загрузки биореактора органическими коммунальными пищевыми и сельскохозяйственными отходами (100 %) включал: 70 % коммунальные пищевые (остатки: мучных – 17 %, овощей – 15 %, фруктов – 10 %, мясных – 17 % и других продуктов – 11 %) и 30 % сельскохозяйственные растительные (жмых сафроловый – 10 %, жмых пшеничный – 10 %) отходы и силос кукурузный (10 %).

Т.к. процесс интенсификации возможен при измельчении и дроблении отходов, поэтому размер фракций органических отходов в опыте не превышал 50 мм.

Подготовленные по компонентному и фракционному составу органические отходы были загружены в реактор в количестве 4,25 кг.

В целях интенсификации биоразложения органических отходов и производства обогащенного метаном биогаза были приняты как конструктивно-технологические, так и микробиологические решения:

1) ко-ферментационный подход в биоразложении отходов органической природы: совместное биоразложение отходов растительного и животного происхождении;

2) в качестве добавок были использованы остатки растительного происхождения, т.к. жмых сафлоры, жмых пшеницы и силос кукурузы, во-первых, имеют органическое происхождение и благодаря своей питательности являются хорошей подпиткой для микроорганизмов, участвующих в метановом брожении и, во-вторых, обеспечивают высокий выход биогаза;

3) использованные добавки обеспечивали поддержание оптимального соотношения углерода и азота (C/N=20/1-30/1) в перерабатываемом субстрате;

4) высокая степень измельчения и гомогенизации сырья в целях стабилизации биологических процессов переработки органических отходов;

5) поддержание оптимального мезофильного для биоразложения органических отходов диапазона температуры (в зависимости от стадии разложения: 24-38 ^оС);

6) обеспечение предотвращения формирования корки и осадка, пустот и скоплений, участков разной температуры внутри реактора основывалось на использовании механического медленного и пассивного типа перемешивания субстрата, что происходило естественно в процессе переработки за счет наличия в реакторе дополнительных конструктивных решений.

Протокол биоразложения органических отходов выглядел следующим образом: 1) процесс биоразложения занял 43 дня, 2) температурный режим в процессе всего исследуемого периода находился в интервале от 24 до 38 ^оС (первые 15 дней от 24 до 29 ^оС, последующие с 16 по 29 сутки – 37-38^оС и, в конце с 30 по 43 день – 30 ^оС), 4) в процессе переработки было утилизировано 2,85 кг из 4,25 кг, т.е. 67,1 %, при этом утилизируемый субстрат из светло-коричневого вначале перешел в темно-коричневый в конце опыта (цвет утилизуемого субстрата начал переходить в темный цвет с 16 дня переработки), по структуре – из плотной на начальном этапе переработки трансформировался в рыхлый (структура субстрата начала меняться с 26 дня переработки).

Производство, при анаэробном методе переработки органических коммунальных пищевых отходов, возобновляемой энергии – биогаза показано на рисунке 2.

Как видно из рисунка 2, общее количество произведенного за весь период научного эксперимента биогаза составило 25,05 л (0,0251 м³).

При учете температурного режима реактора производство биогаза по периодам составило: 7,02 л с 1-го по 15-й день эксперимента (при температуре в интервале 24-29 ^оС), 14,28 л с 16-го по 29-й день эксперимента (температурный режим в интервале 37-38 ^оС), 3,75 л с 30-го по 43-й день эксперимента (температурный режим на уровне 30 ^оС). Среднесуточный выход возобновляемой энергии при интенсивном разложении органических коммунальных пищевых отходов в зависимости от температурного режима биореактора составило: в первые пятнадцать дней опыта 0,47 л в сутки (24-29 ^оС), с 16 по 29 день эксперимента 1,02 л в сутки (37-38 ^оС), с 16 по 44 день эксперимента 0,25 л в сутки (30 ^оС).

Таким образом можно заключить, что при анаэробном методе переработки органических коммунальных пищевых отходов совместно с такими добавками, как жмых (20 %) и силос (10 %) можно из 1 кг субстрата (при температуре, в среднем, 27^оС; давление 750,06 мм рт. ст.) произвести биогаза 5,01 л (0,005 м ³, 0,0033 кг).

Рисунок 1. Протокол производства возобновляемой энергии

В работе по интенсификации переработки ТБО в установках [11, 12], отмечено, что при соблюдении оптимальных условий переработки, можно не только ускорить процесс анаэробного биоразложения органических отходов, но и дополнительно увеличить содержание метана в биогазе.

Для определения доли влияния температурного режима реактора на производство возобновляемой энергии при интенсивном анаэробном разложении органических коммунальных пищевых отходов был составлен дисперсионный однофакторный комплекс. Доля изменчивости, обусловленная влиянием фактора η². Доля общего разнообразия признака, обусловленная изучаемым фактором (температурный режим биореактора), составило . Следовательно, 44 % общего разнообразия по выходу биогаза достоверно обусловлено температурным режимом биореактора, тогда как 56 % обуславливается не учтенными в опыте факторами.

Заключение. Из 4,25 кг субстрата утилизировано 67,1 %, т.е. 2,85 кг (в процессе утилизации субстрат из светло-коричневого трансформируется в темно-коричневый с 16-го дня, из плотного в рыхлую с 26-го дня переработки) и 32,9 %, т.е. 1,4 кг остается как дигестат, которое может быть использовано для производства нетрадиционного органического удобрения. В процессе анаэробного интенсифицированного биоразложения органических коммунальных пищевых отходов произведено 25,05 л биогаза. 44 % общего разнообразия по выходу биогаза достоверно обусловлено температурным режимом биореактора

Литература

1. Alkanok, G. Determination of biogas generation potential as a renewable energy source from supermarket wastes / G. Alkanok, B. Demirel, T. T. Onay // Waste Management.– 2014.– Vol. 34. N 1.– P. 134–140.

2. Баадер В. Биогаз: теория и практика / В.Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер.– М.:Колос, 1982. – 148с.Биоэнергетика: мировой опыт и прогнозы развития /. Л.С. Орсик, Н.Т. Сорокин, В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, , Н.П. Мишуров, В.С. Тихонравов; Минсельхоз Росии.– М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008.– 404с.

3. Калюжный С.В., Данилович Д.А., Ножевникова А.Н. Анаэробная биологическая очистка сточных вод. Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, 1991. (Биотехнология). C 9-22.

4. Wang, K. Transformation of dissolved organic matters in swine, cow and chicken manures during composting / K. Wang, X. Li, C. He, C.–L. Chen, J. Bai, N. Ren, J.–Y. Wang // Bioresource Technology.– 2014.– 168.– P. 222–228.

5. Weiland, P. Biogas production: current state and perspectives / P. Weiland // Applied Microbiology and Biotechnology.– 2010.– N 85(4).– P. 849–860.

6. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. М.:Наука, 2003. C 15.

7. Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology /mL.R. Lynd, P.J. Weimer, W.H. Zyl van [et al.] // Microbiol. Mol. Biol. Rev.2002. V. 66.

8. Competition between homoacetogenic bacteria and methanogenic archaea for hydrogen at low temperature / O.R. Kotsyurbenko, M.V. Glagolev, A.N. Nozhevnikova [et al.] // FEMS Microbiol. Ecol. 2001. V. 38. P.

9. Temperature characteristics of methanogenic archaea and acetogenic bacteria isolated from cold environments / A.N. Nozhevnikova, M.V. Simankova, S.N. Parshina [et al.] // Water. Sci. Technol. 2001.

10. Джамалова Г.А. Анализ изменчивости качественного состава биогаза, производимого биореактором при интенсификации анаэробного разложения твердых бытовых отходов // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 4.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21119 (дата обращения: 23.02.2018).

11. Джамалова Г.А. Интенсификация анаэробного разложения модельных образцов твердых бытовых отходов в биореакторах // Известия СПбГТИ(ТУ). – СПб., 2014. – № 23 (49). – С.84-86.

12. Джамалова Г.А. Математическое планирование выхода продуктов биоразложения твердых бытовых отходов в зависимости от протокола загрузки биореактора // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 4.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21293 (дата обращения: 23.02.2018).

Код для цитирования: Скопировать