За матеріалами Міжнародної конференції з екологічного агропромислового комплексу та біоекономіки на тему «Чи може анаеробне дигерування жому цукрових буряків підтримувати циркулярну економіку? Дослідження потенціалу біогазу та живильного потенціалу» («Can anaerobic digestion of sugar beet pulp support the circular economy? A study of biogas and nutrient potential»), 2018 р.

Буряковий жом (SBP) — сухий органічний залишок, який утворюється при переробці цукрових буряків та виробляється у всьому світі, зокрема в Європі та США. У Великобританії виробляється близько 500 тис. т бурякового жому на рік^-1, який в основному використовується як корм для ВРХ, оскільки містить усі основні компоненти корму, включаючи клітковину та амінокислоти.

Анаеробне дигерування (AD) відіграє важливу роль у забезпеченні відновлюваних джерел енергії. На додаток до виробництва біогазу, AD як одна з перспективних технологій переробки біомаси виробляє дигестат, який все ще багатий органічними речовинами та макроелементами (такими як N, P та K), які можуть використовуватися в якості біодобрив або допоміжної речовини для ґрунту. Цей процес також забезпечує зменшення біологічних ризиків та потенціального неприємного запаху. Анаеробне дигерування також дає ряд економічних переваг завдяки зменшенню транспортних витрат та гарантує кращу віддачу від виробництва енергії, порівняно з ринком кормів для тварин.

Використання дигестату як альтернативної допоміжної речовини або біодобрива, ймовірно, зробить вигідний внесок у зменшення негативного впливу на навколишнє середовище на відміну від використання синтетичних добрив. Це пов’язано з тим, що використання дигестату може зменшити потрапляння азоту в підземні, поверхневі води та в атмосферу та/або мінімізувати вуглецевий слід завдяки зменшенню викидів парникових газів. Незважаючи на те, що дигестат містить корисні живильні речовини, він також може містити потенційно токсичні елементи (PTE) (наприклад, Cd, Ni та ін.) або патогени. Тому застосування дигестату на сільськогосподарських угіддях, як правило, регулюється з метою задоволення вимог найкращих агротехнічних прийомів та захисту навколишнього середовища.

Перш ніж впроваджувати анаеробне дигерування у безперервному або напівбезперервному режимі, необхідно провести дослідження в статистичних умовах, яке відоме як тест на біохімічний потенціал метану (BMP), який використовується для визначення здатності субстрату до біорозкладання в анаеробних умовах шляхом моніторингу загального виробництва метану протягом випробувального періоду. Це вимірювання може надати важливу інформацію, включаючи анаеробну засвоюваність та потенційне виробництво біогазу (метану) із субстратів, що корисно для оцінки, планування та оптимізації процесу анаеробного дигерування. Окрім дослідження перетворення органічної речовини в метан, тест BMP також може використовуватися для визначення залишкового органічного матеріалу, що піддається подальшій анаеробній обробці, біологічно нерозкладних фракцій, які залишаються після обробки, та потенційної ефективності анаеробного дигерування для конкретного субстрату.

Тому дане дослідження було спрямоване на визначення біогазового/метанового потенціалу бурякового жому як базової лінії для порівняння з показниками під час напівбезперервної переробки, а також визначення живильних речовин та потенційно токсичних елементів (PTE) фракцій дигестату у зв'язку з їх потенціалом для використання у сільському господарстві.

Матеріали та методи

Сировина та інокуляти

Постачальником бурякового жому став завод Wissington британської компанії British Sugar. Інокулят для тесту BMP був зібраний із біологічно твердих речовин, перероблених у мезофільних дигесторах (Millbrook Wastewater Treatment Works, Саусгемптон, Великобританія). Інокулят для напівбезперервних випробувань в мезофільних умовах готували шляхом змішування однієї частини дигестату, взятого з жому цукрових буряків, переробленого в анаеробному дигесторі (British Sugar, штат Віссінгтон, Великобританія), з однією частиною дигестату, взятого з Millbrook Wastewater Treatment Works. У той час як термофільні дигестори використовували інокулят, взятий з біологічних твердих речовин мезофільного дигестору, який потім адаптували до термофільних умов.

Налаштування тесту на біохімічний потенціал метану (BMP)

Тест BMP проводився в герметичних пробірках об'ємом 550 мл, поміщених у водяну баню з регульованою температурою 37°C. Використовуване співвідношення інокуляту до субстрату (I/S) становило 4:1 на основі VS, тест проводили протягом 28 днів. Ніяких добавок не додавали, оскільки, як відомо, інокулят був достатньо багатим необхідними живильними речовинами. Біогаз збирали в балони з органічного скла шляхом витіснення 75% насиченого розчину хлориду натрію, підкисленого до рН 2 з метою зменшення втрат метану при розчиненні. Щодня протягом певного інтервалу часу вимірювалася кількість даного розчину в накопичувальному балоні. Тиск пари та щільність соляного розчину враховувалися при коригуванні об’ємів газу до стандартної температури та тиску (STP) 0°C та 101,325 кПа. Зразки для аналізу складу газу брали з балонів кожного разу, коли їх заправляли, з інтервалом не більше 7 днів, щоб уникнути ризиків переповнення або втрати метану. Щодня перед вимірюванням рівня газу балони струшувалися для забезпечення однорідної суміші. У якості трьох екземплярів зразки відбиралися для холостої проби (лише інокуляти) та позитивних контрольних проб (целюлозний порошок компанії Sigma-Aldrich, Dorset-UK).

Налаштування напівбезперервних випробувань

Експерименти проводилися в чотирьох мезофільних (37°C) та чотирьох термофільних (55°C) дигесторах робочим об'ємом 4 л. Усі вони були засіяні інокулятом. Дигестори-дублікати запускалися при кожній температурі зі швидкістю органічного завантаження (OLR) 4 та 5 г VS л^-1 день^-1 протягом 3-х годинного періоду гідравлічного утримання (HTR), що еквівалентно 206 та 165 дням. Кожен дигестор отримував додаткові мікроелементи (ТЕ) на основі обсягу доданої сировини.

Аналіз

Визначення загального вмісту твердих речовин (TS) та летких твердих речовин (VS) базувалося на стандартному методі 2540 G. рН вимірювали за допомогою вимірювача Jenway 3010 (Bibby Scientific Ltd, Великобританія) за допомогою комбінованого скляного електрода, відкаліброваного в буферних зонах при рН 7 та 9,2. Аналіз загального аміачного азоту (TAN) базувався на стандартних методах 4500-NH3 B і C. Вимірювання лужності базувалося на стандартному методі 2320B. Склад біогазу визначався за допомогою газового хроматографа Varian Star 3400 CX (GC) (Varian Ltd, Оксфорд, Великобританія). Об'єм біогазу вимірювали за допомогою вагового об’ємного газометра. Азот (N) вимірювали, використовуючи аналіз загального азоту за мотодом К’єльдаля (TKN). Вміст фосфору (P) у дигестованому зразку визначали за допомогою скануючого УФ-спектрофотометра (серія Cecil 3000, Cecil Instruments). Калій (K) вимірювали за допомогою атомно-абсорбційного спектрометра Spectr AA-200 (Varian, Австралія). Мікроелемент аналізували за допомогою ICP-MS у Severn Trent Laboratory Limited, Великобританія, вимірювали за стандартним методом 2510 за допомогою вимірювача електропровідності LF330 (WTW, Німеччина). Каламутність вимірювали при довжині хвилі 650 нм.

Результати та обговорення

Результати показали високий потенціал для перетворення бурякового жому в біогаз завдяки високому вмісту летких твердих речовин (VS) при значенні 225,5 г кг^-1 WW (або 93,14% від загального вмісту твердих речовин (ТS)) та високій теплотворній здатності 16,86 МДж кг^-1 ТS.

Результати тесту на біохімічний потенціал метану (BMP)

На Графіку 1 показано питоме виробництво біогазу та метану з бурякового жому (SBP) та целюлози (позитивні контрольні та контрольні зразки). Контрольні зразки досягли стабільного значення приблизно через 14 днів при 28-денному питомому виробництві біогазу 0,110, 0,092 і 0,092 л г^-1 VS, що дає середнє значення 0,098 л г^-1 VS. Позитивні контрольні зразки показали швидке виробництво біогазу через короткий період затримки і досягли стабільних показників через 10 днів: питомий вихід біогазу становив 0,566, 0,568 та 0,581 л г^-1 VS із середнім значенням 0,572 л г^-1 VS (Графік 1а). Буряковий жом зі свіжим інокулятом продемонстрував ту ж тенденцію, що і позитивний контрольний зразок, показавши короткий період затримки і досягнувши стабільних показників через 10 днів із чистим питомим виробництвом біогазу 0,577, 0,584 та 0,653 л г^-1 VS відповідно, тому середнє значення складає 0,605 л г^-1 VS.

На Графіку 1b показано питоме виробництво метану з бурякового жому (SBP) та позитивні контрольні та контрольні зразки. Контрольні зразки показали питоме виробництво метану 0,084, 0,071 та 0,071 л CH₄ г^-1 VS відповідно з середнім значенням 0,075 л СН₄ г^-1 VS. Позитивні контрольні зразки показали питомий вихід метану 0,296, 0,295 та 0,303 л CH⁴ г^-1 VS із середнім значенням 0,298 л CH₄ г^-1 VS.  Середній питомий вихід метану був типовим для значень, отриманих для цих матеріалів, що вказує на придатність умов аналізу. Використовуючи свіжий інокулят, отримали значення 0,302, 0,307 та 0,355 л CH₄ г^-1 VS із середнім BMP 0,321 л CH₄ г^-1 VS. Це значення є досить типовим для рослинних субстратів та субстратів сільськогосподарських відходів, що мають високий вміст целюлози та відносно низький рівень лігніну.

Графік 1. Питоме виробництво біогазу (а) та метану (б) з тесту на біохімічний потенціал метану (BMP): контрольні зразки, позитивний контрольний зразок та буряковий жом (SBP). Дані показують середні значення для трьох зразків, а стовпчики — діапазон.

Ефективність напівбезперервної переробки

Хоча в тесті BMP було показано, що буряковий жом (SBP) легко розкладається в ідеальних умовах із хорошим виходом газу та розкладанням летких твердих речовин (VS), в дійсності напівбезперервна переробка в мезофільних умовах виявилася набагато складнішою, особливо при високій швидкості органічного завантаження (OLR). У даному дослідженні повідомлялося, що термофільна переробка була кращою та більше підходила для переробки бурякового жому (SBP), у порівнянні з мезофільною переробкою. Вона може працювати при більшій швидкості органічного завантаження, забезпечувати більший питомий вихід метану та краще розчеплення твердих часточок. Мезофільний процес при високій швидкості органічного завантаження має декілька недоліків, оскільки він продемонстрував відносно значний обсяг виробництва залишкового метану, що вказує на потенціал викидів метану під час будь-якої фази зберігання дигестату. Однак головним відкриттям було те, що термофільна переробка навряд чи призведе до проблем із піноутворенням у дигесторі. Таким чином, результати для бурякового жому (SBP) узгоджуються з результатами інших досліджень, які також показали кращі показники термофільної, а не мезофільної переробки з точки зору розчеплення органічної речовини, стабільності процесу, питомого виробництва біогазу та метану.

У цьому відношенні, здається, що у випадку бурякового жому (SBP) анаеробне дигерування (AD) є більш стабільним та ефективним у термофільних умовах. 

Характеристики дигестату

Характеристики цілого дигестату, твердої та рідкої фракцій представлені в Таблиці 1. Дигестати з мезофільного та термофільного анаеробного дигерування (AD) бурякового жому (SBP) містили придатні кількості N, P і K, з прийнятною концентрацією Ni щодо меж потенційно токсичних елементів (PTE). Після поділу як рідкі, так і тверді фракції дигестату все ще мають високі рівні N. Ці результати підтверджують, що дигестат може застосовуватись на сільськогосподарських землях для заміщення використання мінеральних добрив N, P і K як цілим дигестатом, так і твердою та/або рідкою фракціями.

Крім того, концентрації загального азоту за К’єльдалем (TKN) та амонійного азоту в супернатанті знаходились в діапазоні 1-2 г л^-1 (допустима щільність супернатанту = 1 кг л^-1), дуже високі для безпосереднього скидання у водотоки. Видалення амонійного азоту при очищенні стічних вод є енергоємним, оскільки вимагає ~ 4,3 г O₂ на г N, тоді як типові коефіцієнти корисної дії на аераційних установках становлять від 0,9 до 3,1 кг O₂ кВт-год^-1. Існує значний інтерес до розробки технологій вилучення азоту з рідких супернатантів через осадження струвіту тощо, але в даному дослідженні вони не розглядаються.

Крім того, це дослідження також визначило межі системи для вуглецевого, енергетичного сліду та живильної речовини від анаеробного дигерування (AD) бурякового жому (SBP) (Графік 2) як в мезофільних, так і в термофільних умовах. Межі системи включають процес анаеробного дигерування, транспортування вихідної сировини та дигестату, сушіння та застосування дигестату, а також використання біогазу та модернізацію біогазових технологій. Розрахунки показали, що потенційна заміна мінеральних азотних добрив становить 14-18% від чистого скорочення викидів парникових газів із 8 різних сценаріїв (Графік 3). Це свідчить про те, що використання дигестату як біодобрива ефективне з точки зору балансу вуглецю, викидів парникових газів або екологічного внеску, оскільки воно становить приблизно 1/3 скорочення викидів у цих випадках.

Таблиця 1. Вміст живильних речовин та мікроелементів у мезофільних та термофільних дигестатах

WD = цілий дигестат, SL = відокремлена рідина, SF = відокремлене волокно, * = TKN (загальний азот за К’єльдалем) x 6,25, OLR (швидкість органічного завантаження) виражається в г VS л^-1 день^-1, ** TDS (загальна кількість розчинних солей) = k_eEC, де k_e - коефіцієнт провідності в межах 0,55-0,8 (0,55 для природної води, 0,65 для твердої/лужної води та 0,8 для неорганічних живильних речовин), тоді як ЕС — це електропровідність в мкСм см^-1 при 25°C. Для розрахунку використовувався коефіцієнт 0,8.

Графік 2. Межа системи для аналізу енергетичного балансу на анаеробне дигерування (AD) бурякового жому (SBP)

Графік 3. Заміна мінеральних азотних добрив як % чистого скорочення викидів парникових газів. Сценарії були ідентифіковані за такими кодами: М = мезофільний, Т = термофільний, S = проста система, C = складна система, E = біогаз, що використовується в ТЕЦ для виробництва електроенергії та тепла, B = модернізація біогазових технологій для виробництва біометану.