ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА ПРОЦЕСС КОФЕРМЕНТАЦИИ

EVALUATION OF ULTRASOUND PRETREATMENT EFFECT ON CO-FERMENTATION

Julia Karaeva

candidate of Science, Senior Researcher of Energy Systems and Technologies laboratory, Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences,

Russia, Kazan

Svetlana Timofeeva

candidate of Science, Junior Researcher of Energy Systems and Technologies laboratory, Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences,

 Russia, Kazan

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта № 18-48-160029.

АННОТАЦИЯ

Целью исследования было сравнение влияния ультразвуковой обработки на процесс коферментации органических отходов с использо­ванием добавки фитомассы щирицы запрокинутой и амаранта багряного. Проведенные экспериментальные исследования периодического процесса метанового сбраживания продемонстрировали стимулирующее влияние предварительной обработки. Больший эффект достигнут при исполь­зовании фитомассы щирицы, т. к. содержание метана увеличилось до 66 %, а кумулятивный выход биогаза на 14 %.

Ключевые слова: биогаз; коферментация; растительные добавки; эффективность.

Keywords: biogas, co-fermentation, vegetable additive, efficiency.

Одним из современных направлений увеличения выхода биогаза при сбраживании является коферментация, т. е. совместная переработка органических отходов различного происхождения [1]. В настоящее время известно много растительных добавок, тем не менее, до сих пор мало изученным остается использование растений семейства амарантовых.

В работе [2] установлено, что фитомасса амаранта багряного является стимулятором метаногенеза трудноферментируемых субстратов, таких как пивная дробина и свекловичный жом. Влияние амаранта на эффективность процесса получения биогаза из органических отходов также исследовалось в работах [3, 4, 5].

Целью данной работы является утилизация органических отходов при сочетании технологических и микробиологических методов. Впервые проведена оценка влияния ультразвуковой обработки на процесс метаногенеза при использовании фитомассы сорного растения – щирицы запрокинутой (Amaranthus retroflexus L.).

Методика эксперимента

Экспериментальный стенд для лабораторного изучения включал: LOIP), метантенки объемом 0,5 л, пластиковые емкости, мерные цилиндры, систему рези­новых шлангов, ультразвуковой технологический аппарат серии «Волна» УЗТА-0,2/22-ОМ.

Коферментация органических отходов проводилось при темпера­турном режиме 37^°. Объем получаемого биогаза замерялся ежедневно, состато­графии (ГЖХ).

Состав исследованных субстратов:

• опыт 1: 48 г коровьего навоза, 6 г сухой фитомассы листьев щирицы (Amaranthus retroflexus L.), 200 мл дистиллированной воды, ультразвуковая обработка;
• опыт 2: 48 г коровьего навоза, 6 г сухой фитомассы листьев амаранта багряного (Amaranthus cruentus), 200 мл дистиллированной воды, ультразвуковая обработка.

Предварительная обработка осуществлялась в течение 4 минут с использованием ультразвукового аппарата мощностью 200 Вт при частоте колебаний 22 кГц и интенсивности воздействия 10 Вт/см².

Элементный анализ исследуемых образцов проводился на анали­заторе Euro EA 3000 (условия анализа: температура колонки 115°С, температура печи 850°С). Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Элементный состав субстратов

Исследование содержания макро- и микроэлементов проводились на энергодисперсионном флуоресцентном рентгеновском спектрометре EDX-800HS2 производства «Shimadzu» (Япония) полуколичественным методом. Условия измерений: трубка: Rh-анод (мощность 50 ватт); напряжение: 50 кВ, 15кВ; ток: 100 мкА, авто; атмосфера – гелий; измеряемый диаметр: 5мм; время измерения: 100 сек. Измерения образцов проводились в диапазонах Ti-U (0.00-40.00 кэВ), Na-Sc (0.00-4.40 кэВ), S-K (2.1-3.4 кэВ). Результаты представлены в таблице 2, где №1 – сухая фитомасса листьев щирицы, а №2 – сухая фитомасса листьев амаранта багряного.

Таблица 2.

Содержание макро- и микроэлементов в фитомассе

Из полученных результатов видно, что сухая фитомасса листьев щирицы и амаранта багряного похожа по содержанию макро- и микроэлементов.

Результаты

На рисунке 1 представлена кинетика процесса. Суммарный выход биогаза в опыте 1 составил 2679 мл биогаза, а в опыте 2 – 2350 мл биогаза, что на 14% выше.

Рисунок 1. Кинетика процесса образования биогаза

Максимальное содержание метана в биогазе в опыте 1 получилось равным 66%, а в опыте 2 – 60%. Таким образом, щирица запрокинутая по своим свойствам не уступает амаранту багряному.

Выводы

Экспериментальные исследования продемонстрировали стимули­рующее влияние ультразвуковой обработки на процесс коферментации с использованием сухой фитомассы амаранта багряного и щирицы запрокинутой.

Список литературы:

1. Hagos K. Anaerobic co-digestion process for biogas production: Progress, challenges and perspectives / K. Hagos, J. Zong, D. Li et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - Vol. 76. - P. 1485-1496.
2. Миндубаев А.З. Стимулирующее влияние сухой фитомассы амаранта Amaranthus cruentus на биометаногенез в трудноферментируемых субстратах/ А.З. Миндубаев, С.Т. Минзанова, Е.В. Скворцов и др. // Вестник КХТИ. - 2009. - №4. - С. 220–226.
3. Белостоцкий Д.Е. Влияние амаранта на эффективность процесса получения биогаза из органических отходов: дисс. … канд. техн. наук - Казань, 2012. – 138 с.
4. Патент РФ № 07122891/15, 18.06.2007.
5. Sitkey V. Biogas production from amaranth biomass / V. Sitkey, J. Gadus, L. Klisky, A.Dudak // Acta Regionalia et Environmentalica. - 2013. - № 2. – Р. 59 – 62.