DOI 000000

УДК 628.169

Кофман В. Я.

Интенсификация производства биогаза при анаэробном
сбраживании избыточного активного ила (обзор)

Аннотация

В процессе биологической очистки сточных вод образуются большие объемы осадков. Среди способов обращения с ними важное место занимает анаэробное сбраживание, сочетающее как возможности производства биогаза, так и предотвращения вторичного загрязнения окружающей среды. Стадией, лимитирующей скорость анаэробного сбраживания, является гидролиз. Распространенный способ увеличения скорости гидролиза и повышения производства биогаза – предварительная обработка осадков, разработка вариантов которой является областью заметной исследовательской активности. Рассмотрены способы химической предварительной обработки осадков (кислотная, щелочная, электрохимическое окисление, озонирование, процесс Фентона, персульфатный процесс, обработка пероксидом кальция), биологической предварительной обработки (двухступенчатый термофильный/мезофильный процесс) и физической предварительной обработки (термический гидролиз, СВЧ-обработка, электрокинетическая дезинтеграция, ультразвуковая обработка, гомогенизация при высоком давлении). Представлены запатентованные технологии предварительной обработки осадков сточных вод и основные производители соответствующего оборудования. В качестве альтернативы традиционному анаэробному сбраживанию рассматривают микробный электролизный элемент, в котором производство метана в процессе электрометаногенеза происходит в присутствии экзоэлектрогенных бактерий. В настоящее время доступны для промышленной реализации целый ряд технологий предварительной обработки осадков сточных вод. В этой связи насущной необходимостью является разработка стандартизированной методики анализа технико-экономических показателей различных систем анаэробного сбраживания с целью выбора оптимального для конкретных условий варианта.

Ключевые слова

избыточный активный ил , анаэробное сбраживание , термический гидролиз , предварительная обработка , кислотная обработка , щелочная обработка , электрохимическая обработка , процесс Фентона , персульфатный процесс , микробный электролизный элемент , электрокинетическая дезинтеграция , ультразвуковая обработка , гомогенизация , СВЧ-обработка

Дальнейший текст доступен по платной подписке.
Авторизуйтесь: введите свой логин/пароль.
Или оформите подписку

Список цитируемой литературы

1. Zhen G., Lu. X., Kato H., et al. Overview of pretreatment strategies for enhancing sewage sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: Current advances, fullscale application and future perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, v. 69, pp. 559–577.
2. Devlin D. C., Esteves S. R. R., Dinsdale R. M., et al. The effect of acid pretreatment on the anaerobic digestion and dewatering of waste activated sludge. Bioresource Technology, 2011, v. 102, pp. 4076–4082.
3. Takashima M, Tanaka Y. Acidic thermal post-treatment for enhancing anaerobic digestion of sewage sludge. Journal of Environmental and Chemistry Engineering, 2014, v. 2, pp. 773–779.
4. Romero-Gulza M., Zahedi S., Monsalvo V., et al. Nitrite and free nitrous acid sludge pre-treatments to enhance methane production in continuous anaerobic digestion: Comparing process performance and associated costs. Waste Management, 2019, v. 95, pp. 52–534.
5. Lin Y. Q., Wang D. H., Wu S. Q., et al. Alkali pretreatment enhances biogas production in the anaerobic digestion of pulp and paper sludge. Journal of Hazardous Materials, 2009, v. 170, pp. 366–373.
6. Zhang S. T., Guo H. G., Du L. Z., et al. Influence of NaOH and thermal pretreatment on dewatered activated sludge solubilisation and subsequent anaerobic digestion: focused on high-solid state. Bioresource Technology, 2015, v. 185, pp. 171–177.
7. Zhang P., Chen Y. G., Zhou Q., et al. Understanding short-chain fatty acids accumulation enhanced in waste activated sludge alkaline fermentation: kinetics and microbiology. Environmental Science and Technology, 2010, v. 44, pp. 9343–9348.
8. Zhen G., Lu X., Li Y. Y., Zhao Y. Combined electrical-alkali pretreatment to increase the anaerobic hydrolysis rate of waste activated sludge during anaerobic digestion. Applied Energy, 2014, v. 128, pp. 93–102.
9. Li Q., Yu Z., Yu S., et al. Organic matter rather than salinity as a predominant feature changes performance and microbiome in methanogenic sludge digesters. Journal of Hazardous Materials, 2019, v. 377, pp. 349–356.
10. Campos J. L., Otero L., Franco A., et al. Ozonation strategies to reduce sludge production of a seafood industry WWTP. Bioresource Technology, 2009, v. 100, pp. 1069–1073.
11. Manterola G., Uriarte I., Sancho L. The effect of operational parameters of the process of sludge ozonation on the solubilisation of organic and nitrogenous compounds. Water Research, 2008, v. 42, pp. 3191–3197.
12. Chu L. B., Yan S. T., Xing X. H., et al. Enhanced sludge solubilization by microbubble ozonation. Chemosphere, 2008, v. 72, pp. 205–212.
13. Zhen G. Y., Lu X. Q., Zhao Y. C., et al. Enhanced dewaterability of sewage sludge in the presence of Fe(II)-activated persulfate oxidation. Bioresource Technology, 2012, v. 116, pp. 259–265.
14. Zhen G. Y., Lu X. Q., Niu J., et al. Inhibitory effects of a shock load of Fe(II)-mediated persulfate oxidation on waste activated sludge anaerobic digestion. Chemical Engineering Journal, 2013, v. 233, pp. 274–281.
15. Wang D., He D., Liu X., et al. The underlying mechanism of calcium peroxide pretreatment enhancing methane production from anaerobic digestion of waste activated sludge. Water Research, 2019, v. 164, an 114934.
16. Zeng Q., Zan F., Hao T. Electrochemical pretreatment for stabilization of waste activated sludge: Simultaneously enhancing dewaterability, inactivating pathogens and mitigating hydrogen sulfide. Water Research, 2019, v. 166, аn 115035.
17. Yang H. G., Chun H. Y., Pak D. Improvement of sludge anaerobic degradability by combined electro-flotation and electro-oxidation treatment. Biochemical Engineering Journal, 2014, v. 90, pp. 44–48.
18. Sahinkaya S., Kalipci E., Aras S. Disintegration of waste activated sludge by different applications of Fenton process. Process Safety and Environmental Protection, 2015, v. 93, pp. 274–281.
19. Ge H. Q., Jensen P. D., Batstone D. J. Increased temperature in the thermophilic stage in temperature phased anaerobic digestion (TPAD) improves degradability of waste activated sludge. Journal of Hazardous Materials, 2011, v. 187, pp. 355–361.
20. Zhao Z., Zhang Y., Yu Q., et al. Enhanced decomposition of waste activated sludge via anodic oxidation for methane production and bioenergy recovery. International Biodeterioration and Biodegradation, 2016, v. 106, pp. 161–169.
21. Liu W., Cai W., Guo Z., et al. Microbial electrolysis contribution to anaerobic digestion of waste activated sludge, leading to accelerated methane production. Renewable Energy, 2016, v. 91, pp. 334–339.
22. Guo X., Liu J., Xiao B. Bioelectrochemical enhancement of hydrogen and methane production from the anaerobic digestion of sewage sludge in single-chamber membrane-free microbial electrolysis cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, v. 38, pp. 1342–1347.
23. Sevda S., Sreekishnan T. R., Pous N., et al. Bioelectroremediation of perchlorate and nitrate contaminated water: a review. Bioresource Technology, 2018, v. 255, pp. 331–339.
24. Peng H., Zhao Z., Xiao H., et al. A strategy for enhancing anaerobic digestion of waste activated sludge: Driving anodic oxidation by adding nitrate into microbial electrolysis cell. Journal of Environmental Sciences, 2019, v. 81, pp. 34–42.
25. Tian T., Qiao S., Yu C., Zhou J. Effects of nano-sized MnO2 on methanogenic propionate and butyrate degradation in anaerobic digestion. Journal of Hazardous Materials, 2019, v. 364, pp. 11-18.
26. Chen J. L., Steele T. W. J., Stuckey D. C. The effect Fe2NiO4 and Fe4NiO4Zn magnetic nanoparticles on anaerobic digestion activity. Science of the Total Environment, 2018, v. 642, pp. 276–284.
27. De Velasco-Maldonado P. S., Pat-Espadas A. M., Chazaro-Ruiz L. F., et al. Cold oxygen plasma induces changes on the surface of carbon materials enhancing methanogenesis and N2O reduction in anaerobic sludge incubations. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2019, v. 94, № 10, pp. 336–3374.
28. Nguyen D., Wu Z., Shrestha S., et al. Intermittent micro-aeration: New strategy to control volatile fatty acid accumulation in high organic loading anaerobic digestion. Water Research, 2019, v. 166, pp. 115080.
29. Martin M. A., Gonzalez I., Serrano A., Siles J. A. Evaluation of the improvement of sonication pre-treatment in the anaerobic digestion of sewage sludge. Journal of Environmental Management, 2015, v. 147, pp. 330–337.
30. Feng X., Lei H., Deng J., Yu Q., Li H. Physical and chemical characteristics of waste activated sludge treated ultrasonically. Chemical Engineering and Processing, 2009, v. 48, pp. 187–194.
31. Appels L., Houtmeyers S., Degreve J., et al. Influence of microwave pre-treatment on sludge solubilization and pilot scale semi-continuous anaerobic digestion. Bioresource Technology, 2013, v. 128, pp. 598–603.
32. Eskicioglu C., Kennedy K. J., Droste R. L. Enhanced disinfection and methane production from sewage sludge by microwave irradiation. Desalination, 2009, v. 248, pp. 279–285.
33. Lee I. S., Rittmann B. E. Effect of low solids retention time and focused pulsed pretreatment on anaerobic digestion of waste activated sludge. Bioresource Technology, 2011, v. 102, pp. 2542–2548.
34. Choi H., Jeong S. W., Chung Y. J. Enhanced anaerobic gas production of waste activated sludge pretreated by pulse power technique. Bioresource Technology, 2006, v. 97, pp. 198–203.
35. Pilli S., Yan S., Tyagi R. D., Surampalli R. Y. Thermal pretreatment of sewage sludge to enhance anaerobic digestion: a review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2015, v. 45, pp. 669–702.
36. Shi X., Zhao J., Chen L. Genomic dynamics of full-scale temperature-phased anaerobic gigestion treating waste activated sludge: Focusing on temperature differentiation. Waste Management, 2019, v. 87, pp. 621–628.
37. Cusick R. D., Logan B. E. Phosphate recovery as struvite within a single chamber microbial electrolysis cell. Bioresource Technology, 2012, v. 107, pp. 110–115.
38. Monlau F., Sambusiti C., Ficara E., et al. New opportunities for agricultural digestate valorization: current situation and perspectives. Energy and Environmental Science, 2015, v. 8, pp. 2600–2621.
39. Lippens C., De Vrieze J. Exploiting the unwanted: Sulphate reduction enables phosphate recovery from energy-rich sludge during anaerobic digestion. Water Research, 2019, v. 163, an 114859.
40. Stasinakis A. S. Review on the fate of emerging contaminants during sludge anaerobic digestion. Bioresourсe Technology, 2012, v. 121, pp. 432–440.
41. Pilli S., More T. T., Yan S., et al. Fenton pre-treatment of secondary sludge to enhance anaerobic digestion: energy balance and greenhouse gas emissions. Chemical Engineering Journal, 2016, v. 283, pp. 285–292.