Экспериментальный и имитационный анализ производства биогаза из осадка сточных вод напитков для производства электроэнергии

Том 12 научных докладов, номер статьи: 9107 (2022) Цитировать эту статью

5637 Доступов

7 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом исследовании оценивался потенциал производства биогаза и метана из осадка сточных вод, образующегося при производстве напитков. Оптимизация потенциала производства биогаза в одном анаэробном варочном котле периодического действия проводилась при различных температурах (25, 35 и 45 ℃), pH (5,5, 6,5, 7,5, 8,5 и 9,5) и соотношении органической подачи (1 :3, 1:4, 1:5 и 1:6) со временем гидравлического удерживания 30 дней. Была определена продуктивность метана и биогаза осадка сточных вод напитков по летучим твердым веществам (VS) и объему. Максимальное производство биогаза (15,4 м3/г ВС, 9,3 м3) и содержание метана (6,3 м3/г ВС, 3,8 м3) были получены по ВС и объему при 8,5, 35 ℃, 1:3 оптимальных pH, температуре и коэффициент органической загрузки соответственно. При этом максимальное содержание метана (7,4 м3/г ВС, 4,4 м3) и потенциал производства биогаза (17,9 м3/г ВС, 10,8 м3) были достигнуты за сутки при комнатной температуре. Суммарное содержание биогаза и метана при 35 ℃ (30 суток) составляет 44,3 и 10,8 м3/г ВУ соответственно, а при 25 ℃ (48 суток) увеличивается до 67,3 и 16,1 м3/г ВУ соответственно. Кроме того, был оценен потенциал производства электроэнергии из биогаза, произведенного при комнатной температуре (22,1 кВтч за 24 дня) и оптимальной температуре (18,9 кВтч) за 40 дней. Модель, моделирующая оптимальную HRT (25 дней) с точки зрения производства биогаза и метана при оптимальной температуре, хорошо согласовывалась с экспериментальными результатами. Таким образом, мы можем заключить, что осадки промышленных сточных вод напитков имеют огромный потенциал для производства биогаза и электрификации.

В настоящее время различные отходы устойчиво перерабатываются в полезные продукты, например, в энергоэффективный кирпич1, упаковку2, для сельскохозяйственного использования3, а также создают различные биоэнергетические системы4,5, такие как биоэтанол5,6, биодизель7,8, биогаз9 и производство брикетов10. Для обеспечения устойчивого развития энергоснабжения и снижения выбросов парниковых газов ключевую роль играет производство биогаза путем анаэробного сбраживания из различного сырья, такого как сельскохозяйственные культуры, остатки и отходы (промышленные, сельскохозяйственные и муниципальные отходы)11. Производство биогаза из промышленных осадков имеет ряд преимуществ. Помимо устойчивого производства энергии из биогаза, он также имеет преимущество переработки органических отходов. Более того, разработка модернизированных технологий получения биогаза будет способствовать дальнейшему увеличению использования биогаза для различных применений, в том числе в кулинарии и на транспорте12. Анаэробное сбраживание — это последовательность биологического процесса, посредством которого микроорганизмы превращают органические вещества в биогаз в отсутствие кислорода. Биогаз состоит примерно из 60 процентов метана (CH4), 40 процентов углекислого газа (CO2) и небольших количеств других газов, например, водяного пара (H2O) и сероводорода (H2S). Таким образом, анаэробное сбраживание может сыграть значительную роль в решении всех вышеупомянутых проблем, с которыми сталкиваются слаборазвитые и развивающиеся страны (т.е. вопросы энергетики и управления отходами), одновременно повышая производительность сельского хозяйства.

В предыдущих исследованиях Нгока и Шницлера (2009)13 и Goňo et al. (2013)14 сообщили, что биогаз, полученный в результате ферментации, можно сжигать для получения комбинированной тепловой и электрической энергии (ТЭЦ) и освещения во время производственных процессов. Биогазовые системы с биогазом хорошего качества могут использоваться в качестве источника электроэнергии, что очень полезно для защиты и развития окружающей среды. Сточные воды пищевой промышленности и производства напитков загрязнены токсичными металлами, которые могут отрицательно повлиять на здоровье человека в виде острых или хронических заболеваний15,16. Миллионы галлонов сточных вод, которые ежедневно проходят через очистные сооружения, содержат сотни тонн твердых биологических веществ. Согласно отчету USEPA (1979), твердые биологические вещества производят биогаз посредством анаэробного сбраживания, в результате чего может быть получено от 55 до 70 процентов метана и от 25 до 30 процентов углекислого газа17. Тем не менее, производство биогаза из отходов биомассы и его использование в энергетических целях по-прежнему остается сложной задачей из-за сложных физических и химических свойств органических отходов, которые влияют на метаболические пути и содержание метана. Следовательно, внимание было сосредоточено на возможностях дальнейшего улучшения выхода и качества биогаза18. Таким образом, осадки сточных вод являются основной областью исследований научного сообщества, особенно в пищевой промышленности и производстве напитков. По данным Шрикришнана и др. (2004) сообщают, что сырье иногда требует предварительной обработки для увеличения выхода метана в процессе анаэробного сбраживания16. Предварительная обработка расщепляет сложную органическую структуру на более простые молекулы, которые затем более восприимчивы к микробному разложению. Кроме того, выход и содержание метана в биогазе можно повысить за счет использования химических веществ (например, CaO2) в процессе предварительной обработки, что обеспечивает дальнейшее расщепление и разложение материала осадка19,20.