Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0024

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0024
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук"
Название доклада
Разработка экологически безопасной высокоскоростной энергоэффективной технологии утилизации органической фракции бытовых отходов на основе процесса анаэробной микробной ферментации для уменьшения антропогенной нагрузки полигонов твердых бытовых отходов на окружающую среду городских и прилегающих к ним территорий.
Докладчик
Ножевникова Алла Николаевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель реализуемого проекта - создание научно-технологических решений, обеспечивающих разработку экологически безопасной, высокоскоростной, энергоэффективной технологии переработки органической фракции твердых бытовых отходов (ОФ-ТБО) и осадков сточных вод (ОСВ) в метан на основе анаэробной микробной ферментации для уменьшения антропогенной нагрузки полигонов ТБО на окружающую среду, обусловленной снижением содержания органического вещества в захораниваемом мусоре.
Основные задачи проекта – создать:
технологические основы (1) высокоскоростной анаэробной метногенной ко-ферментации ОФ-ТБО и осадков сточных вод (ОСВ) с системой эффективного обезвоживания сброженной массы, и (2) частичной нитрификации-анаммокс для очистки от азота образовавшейся жидкой фракции (иловой воды);экспериментальные стенды лабораторных (1) высокоскоростных анаэробных биогазовых реакторов и (2) биореакторов частичной нитрификации и анаммокс.
Задачей исследований в 2016 г. является обобщение и интерпретация результатов экспериментальных исследований и оценка результатов и перспектив их коммерциализации, включая:
проверку и корректировку базовой математической модели анаэробной ко-ферментации ОВ полужидких текучих (ОСВ) и твердых (ТБО) отходов;
разработку документации на микробные сообщества и микробиологические процессы;
лабораторный регламент технологического процесса высокоскоростной анаэробной микробной ко-ферментации ОФ-ТБО и ОСВ с получением энергоносителя метана;
технико-экономическое обоснование предлагаемой технологии;
проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка экспериментальной установки полного цикла анаэробной переработки ОФ-ТБО».
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования
Единственным методом утилизации ТБО и большей части ОСВ в России является захоронение на полигонах ТБО, для создания которых практически исчерпаны площади вокруг крупных городов. В захораниваемых ТБО содержится 50-60% биоразлагаемых органических веществ, разлагающихся с образованием метана и диоксида углерода, а также токсичных газов и растворимых веществ, загрязняющих атмосферу, почвы, грунты и грунтовые воды. Альтернативой утилизации ТБО на полигонах является их обработка в анаэробных биореакторах, изолированных от окружающей среды, и поэтому не наносящих ей вреда. В России технология анаэробной переработки ОФ ТБО в биореакторах не используется и аналогов не имеет. За рубежом технология анаэробного сбраживания ОФ-ТБО активно развивается.
Проект направлен на создание научно-технологических решений переработки органических отходов в полезные продукты (энергоноситель и удобрения) в соответствии с лозунгом «Отходы – в доходы».

Научная новизна
В настоящей работе используется управляемый процесс ко-ферментации ОСВ и ОФ-ТБО, развивается активное метаногенное микробное сообщество, адаптированное к сложному концентрированному субстрату и содержащее активные микроорганизмы и их консорциумы, позволяющее существенно увеличить выход метана с объема ферментера.
Для очистки иловой воды от азотных загрязнений используется отселекционированное анаммокс-сообщество, включающее новые, штаммы анаммокс-бактерий, которые
(1) адаптированы к очень высоким концентрациям по азоту,
(2) имеют высокое сродство к субстрату.
Это позволяет очищать жидкую фракцию после сгущения шлама от биогенного азота с высокой скоростью и эффективностью.
Описание исследования

Освоены, налажены, апробированы и использованы при выполнении задач настоящего  проекта   самые современные лабораторные методики (аналитические, культуральные, цитологические и молекулярные), имеющие широкое распространение в лабораторной практике во всем мире. 

1. Аналитические методики:

1.1.Определение сухого веса (абсолютно сухой массы) образцов и содержания органических веществ. 

1.2.Определение  окислительно-восстановительного потенциал среды.

1.3. Методики контроля активности анаммокс-процесса:  определение концентрации ионов аммония и нитрита спектрофотометрически, определение концентрации ионов аммония и нитрита экспресс-методом. 

1.4 .Хроматографические методики определения газообразных продуктов метаногенеза и процесса анаммокс. 

1.5 Методика газо-жидкостной хроматографии определения концентрации летучих жирных кислот при разложении органических отходов и изучении синтрофно-метаногенных консорциумов микроорганизмов.

 2. Культуральные методики:

2.1 Подбор и коррекция сред  для культивирования метаногенных архей, гидролитических, ферментативных, синтрофных, нитрифицирующих  бактерий  и анаммокс-бактерий,  подбор субстратов для  их культивирования. 

2.2. Засев и культивирование анаэробных бактерий и архей с использованием  оборудования и методов Хангейта.

2.3 Методы получения синтрофных консорциумов метаногенных архей и ацетогенных (синтрофных) бактерий.

2.4.  Выделение чистых культур метаногенных архей и синтрофных бактерий методами серийных разведений  на жидких и  твердых агаризованнох средах и высевов на среды с антибиотиками.

2.5. Методы выделения чистых культур  облигатных синтрофных бактерий по фону гидрогенотрофных метаногенов и  использование специальных субстратов для выделения чистых культур факультативных синтрофных бактерий методами высоких разведений и выделения отдельных колоний

2.6. Методы проверки чистоты культур

2.7 Методы культивирования анаммокс-бактерий методами стационарного и проточного культивирования.

3. Методы изучения морфологии и ультраструктурной организации микробных клеток:

3.1. Различных виды микроскопии для исследования отдельных микроорганизмов и  микробных биопленок с использованием стекол обрастаний, подготовки проб микроорганизмов, специальных видов окрашивания различными красителями и получения ультратонких срезов.

3.2 Световая фазово-контрастная микроскопия для исследования морфологии клеток метаногенных архей и синтрофных бактерий.

3.3.Электронная микроскопия для детального изучения строения клеток.

3.4. Конфокальная флуоресцентная микроскопия. создающая  возможность конструирования трехмерной структуры исследуемых микроорганизмов и их консорциумов.

3.5 Атомно-силовая микроскопия, позволяющая исследовать образцы в нативном состоянии. 

4. Молекулярно-биологические методики изучения состава микробного сообщества:

4.1. Метод флуоресцентной in situ гибридизации (FISH).

4.2. Определение нуклеотидной последовательности гена 16S рРНК методом прямого секвенирования.

4.3. Построение филогенетических деревьев

Областями применения  разработанного набора методик  являются: 

-  характеристика поступающего на обработку  в анаэробные биореакторы сырья (осадков сточных вод и  органической фракции ТБО, состоящей в основном из пищевых отходов);

- анализ промежуточных и конечных продуктов разложения, образующихся при анаэробной ферментации  сырья;

- исследование ключевых групп микроорганизмов, участвующих в процессе анаэробной ферментации и удаления азота;

- исследование отдельных микроорганизмов, массовое развитие которых в биореакторе, обеспечивает наибольшую скорость процесса;

-  анализ  состава образующихся газов (метана, водорода. диоксида углерода, молекулярного азота;

- анализ сброженной массы, для определений  возможности  ее дальнейшего использования в качестве удобрения для  сельского хозяйства или озеленения и лесонасаждения;

- анализ качества очищенной иловой воды  с использованием процессов денитрификации и анаммокс.

  Разработанный набор методик применяется  в фундаментальных и прикладных исследованиях  анаэробной деградации   сложных органических соединений при изучении процесса анаммокс. 

Для отработки технологических параметров  исследуемых процессов разработаны, изготовлены, испытаны и применены для исследований 5 проточных реакторов, оснащенных автоматическим управлением.  При исследование процессов удаления азота из иловой воды используется система из трех стеклянных проточных реакторов. Для изучения совместного сбраживания  ОСВ и ОФ-ТБО использованы  2  металлических анаэробных реактора емкостью 50 и 200 л. 

Результаты исследования

Научные и научно-технические результаты выполнения ПНИ

1. Созданы технологические основы  высокоскоростной анаэробной ко-ферментации органического вещества твердых бытовых отходов (ТБО) и осадков сточных вод (ОСВ) с получением метана, которые включают разработку, создание, испытание  и использование для выполнения работ по настоящему проекту следующего оборудования (лабораторные стенды)

-  высокоскоростной анаэробный биогазовый реактор для сбраживания смеси ОФ-ТБО и ОСВ   

-  установка для физико-химической  обработки сброженной массы  для сгущения и подготовки к использованию в качестве биоудобрений;

- установка частичной нитрификации-анаммокс для очистки жидкой фракции после сгущения сброженной массы (иловой воды) от биогенного азота.

2. Выполнен  ряд экспериментов по ко-ферментации ОСВ и ОФ-ТБО в двух анаэробных биогазовых реакторах, емкостью 50 и 200 л, проведена обработка, обобщение и интерпретация результатов экспериментальных исследований, которая позволила сделать важные выводы: 

- для стабильной инициации и развития процесса термофильного метаногенного сбраживания органических отходов  соотношение инокулята к субстрату  при пуске реактора должно быть не менее 55/45 по ОВ;

- с точки зрения эффективности и стабильности процесса термофильной анаэробной ко-ферментации ОСВ и М-ОФ-ТБО оптимальным является соотношение 50:50 по ОВ . 

- ко-ферментация ОСВ и ОФ-ТБО позволяет увеличить скорость образования биогаза в 2.5-2.7 раз, по сравнению со сбраживанием только ОСВ;

- использование термофильного режима, по сравнению с мезофильным, при одинаковой нагрузке на реактор и соотношением ОСВ и ОФ-ТБО характеризуется более глубокой биотрансформацией и высокой метаногенной активностью; 

- применение физико-химической обработки обработки сбраживаемой  массы коагулянтами может быть использовано для ремедиации реактора в случае закисления, а сброженной массы для использования в качестве биоудобрения. 

3. Разработана и  испытана  схема очистки  иловой воды, образующейся при совместном  сбраживании ОСВ и ОФ-ТБО, от азота   с использованием  на первом этапе  очистки аэробного нитрифицирующего  реактора и анаэробного анаммокс-реактора на второй ступени, что позволило достичь  высокой эффективности удаления аммонийного и общего азота 93 и 84%, соответственно..  

4. Созданы базовая математические модель, которая  верифицирована и скорретирована  на основе полученных при выполнении настоящего проекта экспериментальных данных, полученных при сбраживании ОСВ и ОФ-ТБО

5. Создан  лабораторный регламент технологического процесса высокоскоростной анаэробной микробной ко-ферментации  органического вещества твердых бытовых отходов и осадков сточных вод с получением энергоносителя метана;

6.  Получены активные синтрофнные консорциумы для использования в качестве стабилизирующего микробного биопрепарата, который позволит решить проблему закисления при сбраживании легкодеградабельной ОФ-ТБО (пищевые отходы),

7. Разработана документация на микробные сообщества и микробиологические процессы, осуществляемые термофильными  и мезофильними  метаногенными сообществами. 

8. В анаэробном анаммокс-реакторе в результате  автоселекции доминирующим видом сообщества является новый штамм анаммокс-бактерии Candidatus ‘Jettenia asiatica’, штамм ecosi.

9. Выделены термофильные синтрофные консорциумы , включающие новые виды и штаммы синтрофных бактерий и метаногенных архей.

Практическая значимость исследования
Разработаны научно-технические основы утилизации муниципальных органических отходов с получением метана, которые предназначены для создания и внедрения в практику экологически безопасной, высокоскоростной, энергоэффективной технологии переработки ОФ-ТБО и ОСВ на основе анаэробной микробной ферментации в биогаз и удобрения, что существенно уменьшит нагрузку по органическому веществу на полигоны ТБО и соответственно уменьшит их отрицательное влияние на окружающую среду.

В разработанных биореакторах снижены энергетические затраты на обогрев и перемешивание реактора более чем на 30% по сравнению с используемым в России традиционным методом обработки ОСВ в метантенках без добавления ОФ-ТБО и рекуперации тепловой энергии.

При обработке сброженной массы в установке для физико-химического сгущения влажностью осадка снижена до 80% и менее по сравнению со сброженными и уплотненными осадками после традиционного метода обработки в метантенках.

Использование и научно-технологических принципов двухстадийного процесса частичной нитрификации и анаммокс и иммобилизацией микробной биомассы для очистки образующейся в процессе разделения сброженной массы на твердую и жидкую фракции иловой воды от соединений азота исключает сброс загрязненной воды в водоемы или канализацию.

При обработке смеси ОСВ и ОФ-ТБО в термофильном режиме (52-55оС) повышена скорость разложения органического вещества более чем на 30% по сравнению с ферментацией отходов в мезофильном режиме (32-35оС), при этом увеличено содержание метана в биогазе до 60% и более по сравнению с используемым в России традиционным методом обработки ОСВ в метантенках без добавления ОФ-ТБО и обеспечено обеззараживание сбраживаемой массы.

Разработана математическая модель анаэробной ферментации органического вещества бытовых отходов, определяющая ключевые технологические параметры (объем реактора и его секций, скорость перемешивания и/или протока, концентрация биомассы, влажность твердых бытовых отходов и добавляемой сброженной биомассы, скорость рециркуляции фильтрата), обеспечивающие быстрый распад органического вещества и превращение его в метан.

Сформулированы предложения и рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.