01. Пальвинский В. В., Васильев Ф. А., Евтеев В. К. Методы обработки органосодержащего сырья перед анаэробным сбраживанием

Печать

УДК 628.336.3

DOI: 10.15507/2658-4123.032.202201.010-027

Методы обработки органосодержащего сырья перед анаэробным сбраживанием гидроприводов

Пальвинский Виктор Викторович
доцент кафедры технического обеспечения АПК Иркутского ГАУ (664038, Российская Федерация, Иркутская обл., пос. Молодежный), кандидат технических наук, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0795-5304, Researcher ID: ABA-1083-2021, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Васильев Филипп Александрович
заведующий кафедрой технического обеспечения АПК Иркутского ГАУ (664038, Российская Федерация, Иркутская обл., пос. Молодежный), кандидат технических наук, доцент, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2875-1573, Researcher ID: ABA-1219-2021, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Евтеев Виктор Константинович
профессор-консультант кафедры технического обеспечения АПК Иркутского ГАУ (664038, Российская Федерация, Иркутская обл., пос. Молодежный), кандидат технических наук, доцент, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3781-9963, Researcher ID: ABA-1363-2021

Аннотация
Введение. Накопленные объемы органосодержащих непереработанных отходов в России увеличиваются. Существующие технологии позволяют перерабатывать такие отходы путем анаэробного сбраживания с получением биогаза и удобрений. Органическая часть отходов, в большинстве своем, состоит из трудноразлагаемых лигнина, целлюлозы и внеклеточных полимеров, затрудняющих анаэробную переработку. Для обеспечения биодоступности сырья для микроорганизмов и более глубокого разложения необходимо проводить предварительную обработку. Существует множество вариантов различных видов обработки, имеющих свои особенности воздействия на сырье. Для более ясного понимания процессов предварительной подготовки органического сырья перед анаэробным сбраживанием и повышения качества принимаемых решений необходимо выявить и систематизировать методы предварительной обработки.
Материалы и методы. Предметом исследования является воздействие методов, способов и частных приемов предобработки на анаэробное сбраживание. Основной метод исследования – анализ данных по применению различных методов для повышения биодоступности и степени разложения органических веществ отходов при анаэробном сбраживании.
Результаты исследования. Разработана схема подготовительных операций и методов предобработки органических отходов перед анаэробным сбраживанием. Выявлено, что каждый метод (механический, термический, электромагнитный, химический, биологический и комбинированный) содержит множество способов, которые подразделяются на частные приемы. Описаны механизмы воздействия, улучшающие дальнейшую переработку.
Обсуждение и заключение. Выбор того или иного метода и способа предобработки зависит от цели и выполняемых задач, физического и химического состава сырья, доступа к энергетическим, биологическим и химическим ресурсам. Преимущества и недостатки различных методов необходимо более подробно изучать и ранжировать на частные способы по энергетическим затратам и эффекту, который они дают. В ходе сопоставления результатов исследований выявлены недостатки и трудности.

Ключевые слова: органосодержащие отходы, предварительная обработка, биогаз, анаэробное сбраживание, биоразлагаемость, гидролиз, ацидогенез, ацетогенез, метаногенез

Благодарности: авторы благодарят анонимных рецензентов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Пальвинский В. В., Васильев Ф. А., Евтеев В. К. Методы обработки органосодержащего сырья перед анаэробным сбраживанием // Инженерные технологии и системы. 2022. Т. 32, № 1. С. 10–27. doi: https://doi.org/10.15507/2658-4123.032.202201.010-027

Заявленный вклад соавторов:
В. В. Пальвинский – анализ литературных данных, описание методов и способа предварительной обработки, редактирование текста.
Ф. А. Васильев – формирование структуры статьи, доработка начального текста, составление выводов и заключения.
В. К. Евтеев – научное руководство, анализ и доработка текста.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила 04.10.2021; одобрена после рецензирования 10.11.2021;
принята к публикации 03.12.2021

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Калюжный С. В. Энергетический потенциал анаэробного сбраживания отходов с получением биогаза и использованием микробных топливных элементов в условиях России // Биотехнология. 2008. № 3. С. 3–12. URL: http://www.biotech-jr.ru/?view=tcontent&vol=24&vyear=2008&numb=3 (дата обращения: 05.05.2021).

2. Vasilev F., Palvinskiy V., Takhanov M. Increasing the Efficiency of Biogas Production from Organic Waste // Baikal Letter DAAD. 2019. Vol. 1. P. 49–51. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41108434 (дата обращения: 05.05.2021).

3. Васильева А. С., Евтеев В. К., Васильев Ф. А. Анаэробный фильтр с циклическим возмущением // Вестник АПК Ставрополья. 2015. № 4. С. 24–28. URL: http://bibl-stgau.ru/images/Files/number22.pdf (дата обращения: 05.05.2021).

4. Zhang J., Hou W., Bao J. Reactors for High Solid Loading Pretreatment of Lignocellulosic Biomass [Электронный ресурс] // Bioreactor Engineering Research and Industrial Applications II. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology ; J. Bao, Q. Ye, J. J. Zhong (eds.). Vol 152. Heidelberg : Springer, 2015. doi: https://doi.org/10.1007/10_2015_307

5. Hendriks A. T. W. M., Zeeman G. Pretreatments to Enhance the Digestibility of Lignocellulosic Biomass // Bioresource Technology. 2009. Vol. 100, Issue 1. P. 10–18. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.05.027

6. Pre-Treatments to Enhance the Biodegradability of Waste Activated Sludge: Elucidating the Rate Limiting Step / A. Gonzalez [et al.] // Biotechnology Advances. 2018. Vol. 36, Issue 5. P. 1434–1469. doi: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2018.06.001

7. Extrusion as a Pretreatment to Increase Biogas Production / M. Hjorth [et al.] // Bioresource Technology. 2011. Vol. 102, Issue 8. P. 4989–4994. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.11.128

8. Extrusion as a Thermo-Mechanical Pre-Treatment for Lignocellulosic Ethanol / B. Lamsal [et al.] // Biomass and Bioenergy. 2010. Vol. 34, Issue 12. P. 1703–1710. doi: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2010.06.009

9. Microwave and Ultrasound Based Methods in Sludge Treatment: A Review [Электронный ресурс] / Z. Jákói [et al.] // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, Issue 157. doi: https://doi.org/10.3390/app11157067

10. Le N. T., Julcour-Lebigue C., Delmas H. An Executive Review of Sludge Pretreatment by Sonication // Journal of Environmental Sciences. 2015. Vol. 37. P. 139–153. doi: https://doi.org/10.1016/j.jes.2015.05.031

11. Salihu A., Alam M. Z. Pretreatment Methods of Organic Wastes for Biogas Production // Journal of Applied Sciences. 2016. Vol. 16, Issue 3. P. 124–137. doi: https://doi.org/10.3923/jas.2016.124.137

12. Ziemiński K., Romanowska I., Kowalska M. Enzymatic Pretreatment of Lignocellulosic Wastes to Improve Biogas Production // Waste Manag. 2012. Vol. 32, Issue 6. P. 1131–1137. doi: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2012.01.016

13. Бенько Е. М., Чухчин Д. Г., Лунин В. В. Предобработка озоном и ферментативный гидролиз пшеничной соломы // Журнал физической химии. 2017. Т. 91, № 11. С. 1851–1857. doi: https://doi.org/10.7868/S0044453717110036

14. Pretreatment Methods to Improve Sludge Anaerobic Degradability: a Review [Электронный ресурс] / H. Carrère [et al.] // Journal of Hazardous Materials. 2010. Vol. 183, Issue 1–3. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.06.129

15. The Effect of Acid Pretreatment on the Anaerobic Digestion and Dewatering of Waste Activated Sludge / D. C. Devlin [et al.] // Bioresource Technology. 2011. Vol. 102, Issue 5. P. 4076–4082. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.12.043

16. Methane Production from Hydrogen Peroxide Assisted Hydrothermal Pretreatment of Solid Fraction Sugarcane Bagasse / F. Ahmad [et al.] // Waste and Biomass Valorization. 2020. Vol. 11. P. 31–50. doi: https://doi.org/10.1007/s12649-018-0452-1

17. Karuppiah T., Azariah V. E. Biomass Pretreatment for Enhancement of Biogas Production [Электронный ресурс] // Anaerobic Digestion ; Ed. by J. R. Banu. IntechOpen, 2019. doi: https://doi.org/10.5772/intechopen.82088

18. Schell D. J., Harwood C. Milling of Lignocellulosic Biomass // Applied Biochemistry and Biotechnology. 1994. Vol. 45. P. 159–168. doi: https://doi.org/10.1007/BF02941795

19. Ковалев А. А., Ковалев Д. А., Григорьев В. С. Энергетическая эффективность предварительной обработки синтетического субстрата метантенка в аппарате вихревого слоя // Инженерные технологии и системы. 2020. Т. 30, № 1. С. 92–110. doi: https://doi.org/10.15507/2658-4123.030.202001.092-110

20. Shin K. S., Kang H. Electron Beam Pretreatment of Sewage Sludge before Anaerobic Digestion // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2003. Vol. 109. P. 227–239. doi: https://doi.org/10.1385/abab:109:1-3:227

21. Use of Microwave Pretreatment for Enhanced Anaerobiosis of Secondary Sludge / B. Park [et al.] // Water Science and Technology. 2004. Vol. 50, Issue 9. P. 17–23. doi: https://doi.org/10.2166/wst.2004.0523

22. Wang M. J. Land Application of Sewage Sludge in China // The Science of the Total Environment. 1997. Vol. 197, Issues 1–3. P. 149–160. doi: https://doi.org/10.1016/S0048-9697(97)05426-0

23. The Role of Sludge Retention Time in the Hydrolysis and Acidification of Lipids, Carbohydrates and Proteins during Digestion of Primary Sludge in CSTR Systems / Y. Miron [et al.] // Water Research. 2000. Vol. 34, Issue 5. P. 1705–1713. doi: https://doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00280-8

24. Афанасьев А. В. Определение оптимальной влажности подстилочного помета при экзотермической переработке его в биологически активные удобрения // АгроЭкоИнженерия. 1999. № 70. С. 142–147. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=22961580 (дата обращения: 05.05.2021).

25. Keller F. A., Hamilton J. E., Nguyen Q. A. Microbial Pretreatment of Biomass [Электронный ресурс] // Biotechnology for Fuels and Chemicals. Applied Biochemistry and Biotechnology ; B. H. Davison, J. W. Lee, M. Finkelstein, J. D. McMillan (eds.). Totowa : Humana Press, 2003. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0057-4_3

26. Курбанова М. Г., Позднякова О. Г. Биотехнологические факторы анаэробной переработки отходов животноводческих хозяйств // Вестник КрасГАУ. 2015. № 5. С. 173–178. URL: https://clck.ru/augwp (дата обращения: 05.05.2021).

27. Goel R., Tokutomi T., Yasui H. Anaerobic Digestion of Excess Activated Sludge with Ozone Pretreatment // Water Science and Technology. 2003. Vol. 47, Issue 12. P. 207–214. doi: https://doi.org/10.2166/wst.2003.0648

28. Effect of Ultrasonic, Thermal and Ozone Pre-Treatments on Waste Activated Sludge Solubilisation and Anaerobic Biodegradability / C. Bougrier [et al.] // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2006. Vol. 45, Issue 8. P. 711–718. doi: https://doi.org/10.1016/j.cep.2006.02.005

29. Forage Types and Origin of Manure in Codigestion Affect Methane Yield and Microbial Community Structure / K. Ahlberg-Eliasson [et al.] // Grass and Forage Science. 2018. Vol. 73, Issue 3. P. 740–757. doi: https://doi.org/10.1111/gfs.12358

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.