Оптимізація метанового зброджування сільськогосподарських відходів
DOI:
https://doi.org/10.33730/2077-4893.3.2022.266407Ключові слова:
енергоносії, мікробна біотехнологія, збереження довкілля, коров’ячий гній, альтернативна енергетикаАнотація
Накопичення екологічно небезпечних сільськогосподарських відходів, зокрема коров’ячого гною, що не піддаються належній утилізації, створює екологічну загрозу для довкілля. Під час енергетичної кризи пошук альтернативних шляхів отримання енергії також є одним з найбільш нагальних завдань сьогодення. Коров’ячий гній є перспективним як субстрат для анаеробного зброджування з отриманням цінного енергоносія — метану. Однак низька ефективність процесу спонукає до дослідження його закономірностей та оптимізації. Метою роботи була розробка підходу метанового зброджування коров’ячого гною за використання конверсійної сукцесії для його ефективної утилізації з отриманням цінного енергоносія. Було використано такі методи: потенціометричне вимірювання pH і Eh, хроматографічне визначення складу газової фази. Для дослідження закономірностей метанового зброджування коров’ячого гною було проаналізовано такі варіанти: 1. Зброджування гною автохтонним мікробіомом без регуляції рН середовища; 2. Ферментація гною за додавання як інокуляту збродженого осаду метантенку без регуляції рН; 3. За додавання збродженого осаду метантенку та з регуляцією рН. В результаті показано, що зброджування коров’ячого гною автохтонним мікробіомом є неефективним, а вихід метану становить лише 20 л/кг субстрату, що може бути пов’язано із інгібуванням мікробіому кінцевими продуктами. Конверсійна сукцесія, тобто заміна автохтонного мікробіому, за рахунок внесення біомаси збродженого осаду метантенку забезпечила підвищення виходу метану до 230 л/кг субстрату. Регуляція рН середовища як одного із ключових факторів, що впливають на ріст мікроорганізмів та ефективність процесу загалом, збільшила вихід метану до 280 л/кг субстрату. Отже, зміна мікробіому та регуляція рН дали змогу підвищити ефективність метанового зброджування коров’ячого гною у 14 разів. Такий підхід є перспективним для ефективної деструкції коров’ячого гною з отриманням цінного енергоносія — метану. Отримані результати можуть бути основою для подальшого розвитку природоохоронних та енергетичних мікробних біотехнологій.
Посилання
Höök, M. & Tang, X. (2013). Depletion of fossil fuels and anthropogenic climate change — A review. Energy Policy, 52, 797–809. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enpol.2012.10.046 [in English].
Martins, F., Felgueiras, C., Smitkova, M. & Caetano, N. (2019). Analysis of Fossil Fuel Energy Consumption and Environmental Impacts in European Countries. Energies, 12 (6), 964–975. DOI: https://doi.org/10.3390/en12060964 [in English].
Tian, H., Li, J., Yan, M. et al. (2019). Organic waste to biohydrogen: A critical review from technological development and environmental impact analysis perspective. Applied Energy, 256, 113961–113990. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113961 [in English].
Lamb, W.F., Wiedmann, T., Pongratz, J. et al. (2021). A review of trends and drivers of greenhouse gas emissions by sector from 1990 to 2018. Environmental Research Letters, 16 (7), 073005–073037. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-9326/abee4e [in English].
Risberg, K., Cederlund, H., Pell, M. et al. (2017). Comparative characterization of digestate versus pig slurry and cow manure — Chemical composition and effects on soil microbial activity. Waste Management, 61, 529–538. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2016.12.016 [in English].
Appels, L., Lauwers, J., Degrève, J. et al. (2011). Anaerobic digestion in global bio-energy production: Potential and research challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (9), 4295–4301. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.121 [in English].
Rocamora, I., Wagland, S.T., Villa, R. et al. (2020). Dry anaerobic digestion of organic waste: A review of operational parameters and their impact on process performance. Bioresource Technology, 299, 122681–112692. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122681 [in English].
Duque-Acevedo, M., Belmonte-Ureña, L.J., CortésGarcía, F.J. & Camacho-Ferre, F. (2020). Agricultural waste: Review of the evolution, approaches and perspectives on alternative uses. Global Ecology and Conservation, 22, 00902–00925. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gecco.2020.e00902 [in English].
Li, Y., Zhao, J., Krooneman, J. & Euverink, G.J.W. (2021). Strategies to boost anaerobic digestion performance of cow manure: Laboratory achievements and their full-scale application potential. Science of The Total Environment, 755, 142940–142965. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142940 [in English].
Weiland, P. (2006). Biomass Digestion in Agriculture: A Successful Pathway for the Energy Production and Waste Treatment in Germany. Engineering in Life Sciences, 6 (3), 302–309. DOI: https://doi.org/10.1002/elsc.200620128 [in English].
Kim, J., Baek, G., Kim, J. & Lee, C. (2019). Energy production from different organic wastes by anaerobic co-digestion: Maximizing methane yield versus maximizing synergistic effect. Renewable Energy, 136, 683–690. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.01.046 [in English].
Tufaner, F. & Avşar, Y. (2016). Effects of co-substrate on biogas production from cattle manure: A review. International Journal of Environmental Science and Technology, 13 (9), 2303–2312. DOI: https://doi.org/10.1007/s13762-016-1069-1 [in English].
Font-Palma, C. (2019). Methods for the Treatment of Cattle Manure — A Review. Journal of Carbon Research, 5 (2), 27–47. DOI: https://doi.org/10.3390/c5020027 [in English].
Esteves, E.M.M., Herrera, A.M.N., Esteves, V.P. P. & Morgado, C. do R.V. (2019). Life cycle assessment of manure biogas production: A review. Journal of Cleaner Production, 219, 411–423 [in English].
Baek, G., Kim, D., Kim, J. et al. (2020). Treatment of Cattle Manure by Anaerobic Co-Digestion with Food Waste and Pig Manure: Methane Yield and Synergistic Effect. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17 (13), 4737–4750. DOI: https://doi.org/10.3390/ijerph17134737 [in English].
Jafari-Sejahrood, A., Najafi, B., Faizollahzadeh Ardabili, S. et al. (2019). Limiting factors for biogas production from cow manure: Energo-environmental approach. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 13 (1), 954–966. DOI: https://doi.org/10.1080/19942060.2019.1654411 [in English].
Kumar, J.A., Li, J.Z., He, J.G. et al. (2010). Optimization of Dry Anaerobic Fermentation of Solid Organic Wastes. Advanced Materials Research, 113–116, 740–743 [in English].
Jeong, K., Abbas, A., Shin, J. et al. Prediction of biogas production in anaerobic co-digestion of organic wastes using deep learning models. Water Research, 205, 117697–117715. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117697 [in English].
Goberna, M., Schoen, M.A., Sperl, D. et al. (2010). Mesophilic and thermophilic co-fermentation of cattle excreta and olive mill wastes in pilot anaerobic digesters. Biomass and Bioenergy, 34 (3), 340–346. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2009.11.005 [in English].
Castrillón, L., Fernández-Nava, Y., Ormaechea, P. & Marañón, E. (2011). Optimization of biogas production from cattle manure by pre-treatment with ultrasound and co-digestion with crude glycerin. Bioresource Technology, 102 (17), 7845–7849. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.05.047 [in English].
Grohmann, A., Fehrmann, S., Vainshtein, Y. et al. (2018). Microbiome dynamics and adaptation of expression signatures during methane production failure and process recovery. Bioresource Technology, 247, 347–356. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.214 [in English].
Berezkin, V.G. (2000). Chemical Methods in Gas Chromatography. Elsevier Science [in English].
Gottschalk, G. (1986). Bacterial metabolism. New York [in English].
Thauer, R. (1998). Biochemistry of methanogenesis: A tribute to Marjory Stephenson. Microbiology, 144, 2377–2406 [in English].
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право і ліцензування
Умови ліцензії: автори зберігають авторські права і надають журналу право першої публікації з роботою, одночасно ліцензованої за ліцензією Creative Commons Attribution License International CC-BY, яка дозволяє іншим ділитися роботою з визнанням авторства роботи і початкової публікації в цьому журналі.
Якщо стаття прийнята до публікації в «Агроекологічний журнал», автор повинен підписати угоду про передачу авторських прав. Угода відправляється на поштову (оригінал) або адресу електронної пошти (відсканована копія) редакції журналу.
Цією угодою автор підтверджує, що представлені матеріали:
- не порушують авторських прав інших осіб або організацій;
- раніше не публікувались в інших видавництвах і не були представлені для публікації в інших виданнях.
Автор передає редакції «Агроекологічного журналу» права на:
- публікації статті українською (англійською та російською) мовою і поширення її друкованої копії;
- поширення електронної копії статті, а також електронної копії перекладу статті на англійську мову (для статей українською та російською мовами), будь-якими електронними засобами (розміщення на офіційному сайті журналу, електронних баз даних, сховищ тощо) друкована копія перекладу.
Автор залишає за собою право без згоди редакції та засновників:
- Використовувати матеріали статті повністю або частково в ознайомлювальних цілях.
- Використовувати матеріали статті повністю або частково для написання власних дисертацій.
- Використовувати матеріали статті для підготовки тез доповідей, доповідей конференцій, а також усних доповідей.
- Додати електронні копії статті (включаючи остаточну електронну копію, завантажену з офіційного сайту журналу) за адресою:
- персональні веб-ресурси всіх авторів (веб-сайти, веб-сторінки, блоги тощо);
- веб-ресурси установ, в яких працюють автори;
- некомерційні веб-ресурси відкритого доступу (наприклад, arXiv.org).
У всіх випадках наявність бібліографічного посилання на статтю або гіперпосилання на її електронну копію на офіційному сайті журналу є обов'язковим.
