Скачать статью в pdf.

УДК 66.011:631.8

DOI: 10.15507/2658-4123.030.202001.092-110

 

Энергетическая эффективность предварительной обработки синтетического субстрата метантенка в аппарате вихревого слоя

 

Ковалев Андрей Александрович
старший научный сотрудник лаборатории 14.4 биоэнергетических и сверхкритических технологий ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (109428, Россия, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), кандидат технических наук, Researcher ID: F-7045-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1983-3454, Scopus ID: 57205285134, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Ковалев Дмитрий Александрович
ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией 14.4 биоэнергетических и сверхкритических технологий ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (109428, Россия, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), кандидат технических наук, Researcher ID: K-4810-2015, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3603-3686, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Григорьев Виктор Степанович
главный научный сотрудник лаборатории 14.4. биоэнергетических и сверхкритических технологий ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (109428, Россия, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), доктор технических наук, Researcher ID: B-4331-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6555-1864, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Введение. Переработка органических отходов для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду остается актуальной задачей, одним из способов решения которой является использование методов биоконверсии органического вещества органических отходов с получением газообразного энергоносителя и высококачественных органических удобрений. Одной из важнейших стадий анаэробной переработки органических отходов в биореакторах является стадия предварительной подготовки отходов к сбраживанию, которую возможно осуществить рядом методов. Однако в доступной научно-технической литературе сведения о предварительной обработке субстратов в аппарате вихревого слоя представлены в малом количестве. Целью работы является определение энергетической эффективности процесса предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя перед анаэробным сбраживанием.
Материалы и методы. Для исследования процесса предварительной обработки органических отходов создана экспериментальная установка. Субстратом для обработки в аппарате вихревого слоя служила смесь модели органической фракции твердых коммунальных отходов и воды холодного водоснабжения в соотношении 300 г/л.
Результаты исследования. Проведенные расчеты подтвердили, что условие энергетической эффективности процесса предварительной обработки субстрата метантенка соблюдается, несмотря на дополнительные затраты на электрическую энергию в ходе интеграции этой стадии в систему анаэробной переработки.
Обсуждение и заключение. Интеграция процесса предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя перед сбраживанием в анаэробных биореакторах в систему анаэробной обработки органических отходов позволяет повысить как энергетическую эффективность системы, так и степень анаэробного разложения органического вещества органических отходов. Удельное количество энергии биогаза, полученного в процессе сбраживания в анаэробных биореакторах с применением предварительной обработки субстрата в аппарате вихревого слоя, полностью компенсирует затраты энергии на предварительную обработку субстрата в аппарате вихревого слоя. Практическая значимость работы обусловлена повышением удельного выхода товарной энергии на 70 % по сравнению с анаэробной обработкой в традиционных метантенках.

Ключевые слова: анаэробная обработка, аппарат вихревого слоя, энергетическая эффективность, биоконверсия органических отходов, предварительная обработка органических отходов

Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке ФГБУ «Российский фонд фундаментальных исследований» в рамках научного проекта № 18-29-25042.

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

Заявленный вклад соавторов: А. А. Ковалев ‒ анализ литературных источников, разработка экспериментальной установки, проведение расчета энергетической эффективности, написание текста статьи; Д. А. Ковалев – научное руководство, постановка задач исследования, поиск и анализ литературных источников, разработка экспериментальной установки, написание текста статьи; В. С. Григорьев ‒ поиск и анализ литературных источников, редактирование и доработка текста.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила 02.09.2019; принята к публикации 16.10.2019;
опубликована онлайн 31.03.2020

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Патент № 2507241 Российская Федерация, МПК C10L 5/00 (2006.01). Брикет на основе спрессованного лигноцеллюлозного тела, пропитанного жидким топливом : № 2012108893/04 : заявл. 07.03.2012 : опубл. 20.02.2014 / Фуасак Г., Плион П., Фише В. [и др.] ; патентообладатель «Электрисите де Франс». – 11 с. : ил. 2012. URL: http://www.freepatent.ru/images/patents/505/2507241/patent-2507241.pdf (дата обращения: 20.02.2020).

2. Патент № 2507242 Российская Федерация, МПК C10L 5/14 (2006.01). Способ брикетирования отходов жизнедеятельности животных и птицы и устройство для его осуществления : № 2012146319/04 : заявл. 30.10.2012 : опубл. 20.02.2014 / Старших В. В., Максимов Е. А. ; патентообладатель ФГБОУ ВО «Челябинская государственная агроинженерная академия». – 6 с. : ил. URL: http://www.freepatent.ru/images/patents/505/2507242/patent-2507242.pdf (дата обращения: 20.02.2020).

3. Sommer, P. Potential for Using Thermophilic Anaerobic Bacteria for Bioethanol Production from Hemicellulose / P. Sommer, T. Georgieva, B. K. Ahring. – DOI 10.1042/bst0320283 // Biochemical Society Transactions. – 2004. – Vol. 32, issue 2. – Pp. 283–289. URL: https://portlandpress.com/biochemsoctrans/article-abstract/32/2/283/63941/Potential-for-using-thermophilic-anaerobic?redirectedFrom=fulltext (дата обращения: 20.02.2020).

4. Сенько, О. В. Трансформация биомассы фототрофных микроорганизмов в метан / О. В. Сенько, М. А. Гладченко, И. В. Лягин [и др.] // Альтернативная энергетика и экология. – 2012. – № 3 (107). – С. 89–94. URL: http://naukarus.com/transformatsiya-biomassy-fototrofnyh-mikroorganizmov-v-metan (дата обращения: 20.02.2020). – Рез. англ.

5. Кевбрина, М. В. Сравнение разных методов предобработки осадков сточных вод для интенсификации процесса метанового сбраживания / М. В. Кевбрина, Н. Г. Газизова, В. Г. Коробцова // Водоочистка. – 2013. – № 1. – С. 22–28.

6. Патент № 2518068 Российская Федерация, МПК C10L5/44. Способ получения гранул или брикетов : № 2011129312/04 : заявл. 05.10.2009 : опубл. 20.01.2013 / Гренн А. Й. ; патентообладатель : «Зилха байомасс фьюэлз ай ЭлЭлСи». – 18 с. : ил. URL: http://www.freepatent.ru/images/img_patents/2/2518/2518068/patent-2518068.pdf (дата обращения: 20.02.2020).

7. Кузнецов, Б. Н. Актуальные направления химической переработки возобновляемой растительной биомассы / Б. Н. Кузнецов // Химия в интересах устойчивого развития. – 2011. – Т. 19, № 1. – С. 77–85. URL: https://www.sibran.ru/upload/iblock/20e/20e075ccdd1508ec3ef2795a6adb7 4ae.pdf (дата обращения: 20.02.2020).

8. Сергеева, Я. Э. Липиды мицелиальных грибов как основа для получения биодизельного топлива / Я. Э. Сергеева, Л. А. Галанина, Д. А. Андрианова [и др.] // Прикладная биохимия и микробиология. – 2008. – Т. 44, № 5. – С. 576–581. URL: http://naukarus.com/lipidy-mitselialnyh-gribov-kak-osnova-dlya-polucheniya-biodizelnogo-topliva (дата обращения: 20.02.2020).

9. Систер, В. Г. Технологии получения биодизельного топлива / В. Г. Систер, Е. М. Иванникова, А. И. Ямчук // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. – 2013. – Т. 2, № 3. – С. 109–112. URL: https://cyberleninka.ru/article/v/tehnologii-polucheniya-biodizelnogo-topliva (дата обращения: 20.02.2020).

10. Гумеров, Ф. М. Перспективы использования суб- и сверхкритических флюидных сред при получении биодизельного топлива / Ф. М. Гумеров, Ф. Р. Габитов, Р. А. Газизов [и др.] // Сверхкритические флюиды: Теория и практика. – 2006. – Т. 1, № 1. – С. 66–76. URL: https://www.researchgate.net/publication/274391968_Future_Trends_of_Sub-_and_Supercritical_Fluids_Application_in_Biodiezel_ Fuel_Production (дата обращения: 20.02.2020). – Рез. англ.

11. Kalyuzhnyi, S. V. The UASB Treatment of Winery Wastewater under Submesophilic and Psychrophilic Conditions / S. V. Kalyuzhnyi, M. A. Gladchenko, V. I. Sklyar [et al.] // Environmental Technology. – 2000. – Vol. 21. – Pp. 919–925. URL: http://www.enzyme.chem.msu.ru/ekbio/article/ET_2000_21.pdf (дата обращения: 20.02.2020).

12. Sklyar, V. I. Combined Biologic (Anaerobic-Aerobic) and Chemical Treatment of Starch Industry Wastewater / V. I. Sklyar, A. N. Epov, M. A. Gladchenko [et al.] // Applied Biochemistry and Biotechnology. – 2003. – Vol. 109, issue 1–3. – Pp. 253–262. URL: https://istina.cemi-ras.ru/publications/article/1671198/ (дата обращения: 20.02.2020).

13. Калюжный, С. В. Комбинированная биолого-химическая очистка сточных вод производства хлебопекарных дрожжей / С. В. Калюжный, М. А. Гладченко, Е. А. Старостина [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. – 2004. – № 3. – С. 10–14. URL: http://www.enzyme.chem.msu.ru/ekbio/article/Vodka.pdf (дата обращения: 20.02.2020).

14. Варфоломеев, С. Д. Химические основы биотехнологии получения топлив / С. Д. Варфоломеев, С. В. Калюжный, Д. Я. Медман. – DOI 10.1070/RC1988v057n07ABEH003383 // Успехи химии. – 1988. – Т. 57, № 7. – С. 1201–1231. URL: http://mr.crossref.org/iPage?doi=10.1070%2FRC1988v057n07ABEH003383 (дата обращения: 20.02.2020). – Рез англ.

15. Варфоломеев, С. Д. Биотоплива / С. Д. Варфоломеев, Е. Н. Ефременко, Л. П. Крылова. – DOI 10.1070/RC2010v079n06ABEH004138 // Успехи химии. – 2010. – Т. 79, № 6. – С. 491–509. URL: http://mi.mathnet.ru/rcr119 (дата обращения: 20.02.2020). – Рез англ.

16. Хамидов, М. Г. Отходы на службе энергетики города / М. Г. Хамидов, С. А. Стрельцов, Д. А. Данилович // Коммунальный комплекс России. – 2009. – № 2 (56). – С. 56–58. URL: http://gkhprofi.ru/othody-na-sluzhbe-energetiki-goroda/ (дата обращения: 20.02.2020).

17. Цавкелова, Е. А. Получение биогаза из целлюлозосодержащих субстратов (обзор) / Е. А. Цавкелова, А. И. Нетрусов. – DOI 10.1134/S0003683812050134 // Прикладная биохимия и микробиология. – 2012. – Т. 48, № 5. – С. 1–15. URL: https://link.springer.com/article/10.1134%2FS0003683812050134 (дата обращения: 20.02.2020). – Рез англ.

18. Appels, L. Principles and Potential of the Anaerobic Digestion of Waste-Activated Sludge / L. Appels, J. Baeyens, J. Degrève [et al.]. – DOI 10.1016/j.pecs.2008.06.002 // Progress in Energy and Combustion Science. – Vol. 34, issue 6. – Pp. 755–781. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360128508000312?via%3Dihub (дата обращения: 20.02.2020).

19. Lu, J. Optimization of Anaerobic Digestion of Sewage Sludge Using Thermophilic Anaerobic Pre-Treatment / J. Lu. – Lyngby : Technical University of Denmark, 2006. – 60 p. URL: https://backend.orbit.dtu.dk/ws/portalfiles/portal/4692519/Thesis.pdf (дата обращения: 20.02.2020).

20. Zhang, D. Q. Municipal Solid Waste Management in China: Status, Problems and Challenges / D. Q. Zhang, S. K. Tan, R. M. Gersberg. – DOI 10.1016/j.jenvman.2010.03.012 // Journal of Environmental Management. – 2010. – Vol. 91, issue 8. – Pp. 1623–1633. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479710000848 (дата обращения: 20.02.2020).

21. Walley, P. Optimizing Thermal Hydrolysis for Reliable High Digester Solids: Loading and Performance / P. Walley // Proceedings of the 12^th European Biosolids and Organic Resources Conference. – Manchester : Aqua Enviro, 2007. URL: https://www.environmental-expert.com/articles/optimisingthermal-hydrolysis-for-reliable-high-digester-solids-loading-and-performance-26250 (дата обращения: 20.02.2020).

22. Храменков, С. В. Повышение эффективности обработки осадка сточных вод с помощью высокотемпературного гидролиза перед сбраживанием / С. В. Храменков, А. Н. Пахомов, С. А. Стрельцов [и др.] // Водоснабжение и санитарная техника. – 2012. – № 10. – С. 55–60. URL: http://docplayer.ru/69901569-Povyshenie-effektivnosti-obrabotki-osadka-stochnyh-vod-s-pomoshchyuvysokotemperaturnogo-gidroliza-pered-sbrazhivaniem.html (дата обращения: 20.02.2020). – Рез. англ.

23. Haug, R. T. Effect of Thermal Pretreatment on Digestibility and Dewaterability of Organic Sludges / R. T. Haug, D. C. Stuckey, J. M. Gossett [et al.] // Journal of the Water Pollution Control Federation. – 1978. – Vol. 50, issue 1. – Pp. 73–85. URL: https://www.jstor.org/stable/25039508?seq=1#page_scan_tab_contents (дата обращения: 20.02.2020).

24. Tiehm, A. Ultrasonic Waste Activated Sludge Disintegration for Improving Anaerobic Stabilization / A. Tiehm, K. Nickel, M. Zellhorn [et al.]. – DOI 10.1016/S0043-1354(00)00468-1 // Water Research. – 2001. – Vol. 35, issue 8. – Pp. 2003–2009. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135400004681?via%3Dihub (дата обращения: 20.02.2020).

25. Henze, M. Hydrolysis of Particulate Substrate by Activated Sludge under Aerobic, Anoxic and Anaerobic Conditions / M. Henze, C. Miadenovski. – DOI 10.1016/0043-1354(91)90099-C // Water Research. – 1991. – Vol. 25, issue 1. – Pp. 61–64. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/004313549190099C?via%3Dihub (дата обращения: 20.02.2020).

26. Messenger, J. R. Oxygen Utilization Rate as a Control Parameter for the Aerobic Stage in Dual Digestion / J. R. Messenger, H. A. Villiers, G. A. Ekama – DOI 10.2166/wst.1990.0116 // Water Science and Technology. – 1990. – Vol. 22, issue 12. – Pp. 217–227. URL: https://iwaponline.com/wst/article-abstract/22/12/217/23761/Oxygen-Utilization-Rate-as-a-Control-Parameter-for?redirectedFrom=fulltext (дата обращения: 20.02.2020).

27. McIntosh, K. B. Volatile Fatty Acid Production in Aerobic Thermophilic Pre-Treatment of Primary Sludge / K. B. McIntosh, J. A. Oleszkiewicz. – DOI 10.1016/S0273-1223(97)00682-3 // Water Science and Technology. – 1997. – Vol. 36, issue 11. – Pp. 189–196. URL: https://iwaponline.com/wst/article-abstract/36/11/189/7025/Volatile-fatty-acid-production-in-aerobic (дата обращения: 20.02.2020).

28. Гюнтер, Л. И. Тенденции в развитии метанового сброжения органических отходов / Л. И. Гюнтер, З. М. Кольцова // Водоснабжение и санитарная техника. – 1993. – № 9. – С. 13–15.

29. Litti, Yu. Increasing the Efficiency of Organic Waste Conversion into Biogas by Mechanical Pretreatment in an Electromagnetic Mill / Yu. Litti, D. Kovalev, A. Kovalev [et al.]. – DOI 10.1088/1742- 6596/1111/1/0120132018 // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1111, issue 1. – Pp. 1–8. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1111/1/012013 (дата обращения: 20.02.2020).

 

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.