Использование органических отходов в качестве сырья для различных методов получения биотоплива (обзор)

   Исследования проводили с целью обобщения опыта по утилизации органических отходов и их биоконверсии в топливо.

   Основное внимание уделяли исследованиям, посвященным подбору сырья и оптимальных условий для переработки различными методами.

   Рассмотрено использование органического вещества животного и растительного происхождения в комбинации с другими фракциями отходов и органических соединений. Эффективное соотношение типов органического сырья было предметом значительного числа работ, в которых рассматривалось его влияние на скорость биоконверсии, выход конечного продукта и активность микроорганизмов, выделяющих биотопливо в качестве метаболита. Среди рассмотренных методов присутствовали пиролиз, сжижение разнообразных типов органических отходов, газификация, различные технологии ферментационной обработки. Результатами проведенных исследований были как способы получения нефтеподобных продуктов или водорода, так и способы утилизации невозможных к захоронению фракций. Например, преобразование чрезмерно загрязненной неорганическими соединениями органического вещества в разные виды топлива или продукты с добавленной стоимость вроде удобрений. В качестве наиболее популярных и результативных методов повышения эффективности процессов переработки, были определены поиски оптимального температурного режима и фракционного состава обрабатываемого органического сырья. Результаты исследований, изучающих такие подходы, были наиболее востребованы и обеспечивали заметный рост производительности. Оптимизацию по этим параметрам, включая их совмещение, проводили для всех способов биоконверсии отходов в топливо, то есть она была универсальной и наиболее эффективной, поскольку позволила прийти к нескольким технологическим моделям производства биотоплива, схожего по теплотворной способности с ископаемым.

1. World Health Organization. Regional Office for Europe. Waste and human health: evidence and needs. WHO meeting report 5-6 November 2015. Bonn: WHO Regional Office for Europe, 2015. 33 p.

2. Сложный компост и его влияние на свойства почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур / Д. А. Антоненко, И. С. Белюченко, В. В. Гукалов и др. Краснодар: КубГАУ, 2015. 181 с.

3. Белюченко И. С. Отходы быта и производства как сырье для подготовки сложных компостов. Краснодар: КубГАУ, 2015. 419 с.

4. A review on the efficiency of landfarming integrated with composting as a soil remediation treatment / B. Lukic, A. Panico, D. Huguenot, et al. // Environmental Technology Reviews. 2017. Vol. 6. No. 1. P. 94–116. doi: 10.1080/21622515.2017.1310310.

5. Biomass waste as sustainable raw material for energy and fuels / N. Clauser, M. Gonzalez, G. Mendieta, et al. // Sustainability. 2021. Vol. 13. No. 2. Article 794. URL: https://www.mdpi.com/2071-1050/13/2/794 (дата обращения: 25.03.2023). doi: 10.3390/su13020794.

6. Линник В. Ю., Линник Ю. Н. Состояние и перспективы развития биоэнергетики // Вестник университета. 2019. № 10. С. 59–66.

7. Kaletnik G., Honcharuk I., Okhota Y. The waste-free production development for the energy autonomy formation of Ukrainian agricultural enterprises // Journal of Environmental Management and Tourism. 2020. Vol. 3. No. 43. Р. 513–522.

8. Performance optimization of organic solid waste and peat co-liquefaction mechanism for processing sustainable biocrude / S. B. Kabir, Md. Khalekuzzaman, Md. B. Islam, et al. // Fuel Processing Technology. 2022. Vol. 231. Article 107234. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378382022000741 (дата обращения: 28. 03. 2023).

9. Optimal conditions for high solid co-digestion of organic fraction of municipal solid wastes in a leach-bed reactor / N. Nikulina, S. Uslu, A. Lemmer, et al. // Bioresource Technology. 2021. Vol. 331. Article 125023. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S096085242100362X?via%3Dihub (дата обращения: 28. 03. 2023).

10. Research advances in dry anaerobic digestion process of solid organic wastes / K. Ajay, L. Jianzheng, N. Loring, et al. // Afr. J. Biotechnol. 2011. Vol. 10. No. 65. P. 14242–14253. doi: 10.5897/AJB11.1277.

11. Li W., Achal V. Environmental and health impacts due to e-waste disposal in China - A review // Science of the Total Environment. 2020. Vol. 737. Article 139745. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969720332654?via%3Dihub (дата обращения: 28. 03. 2023).

12. Municipal solid waste recycling by burning it as part of composite fuel with energy generation / D. Glushkov, K. Paushkina, D. Shabardin, et al. // Journal of environmental management. 2019. Vol. 231. P. 896–904. doi: 10.1016/j.jenvman.2018.10.067.

13. Sustainable applications of rice feedstock in agro-environmental and construction sectors: A global perspective / S. M. Shaheen, V. Antoniadis, M. Shahid, et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. Vol. 153. Article 111791. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032121010601 (дата обращения: 28. 03. 2023).

14. Kabir S. B., Khalekuzzaman Md. Co-liquefaction of organic solid waste with fecal sludge for producing petroleum-like biocrude for an integrated waste to energy approach // Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 354. Article 131718. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652622013312 (дата обращения: 20. 01. 2023).

15. Food waste to biochars through pyrolysis : A review / S. Elkhalifa, Al-Ansari, T. Mackey, et al. // Resources, Conservation and Recycling. 2019. Vol. 144. P. 310–320. doi: 10.1016/j.resconrec.2019.01.024.

16. Karthikeyan O., Mehariya S., Wong J. Bio-refining of food waste for fuel and value products // Energy Procedia. 2017. Vol. 136. P. 14–21. doi: 10.1016/j.egypro.2017.10.253.

17. Energy balances, greenhouse gas emissions and economics of biochar production from palm oil empty fruit bunches / S. Harsono, P. Grundman, L. Lau, et al. // Resources, Conservation and Recycling. 2013. Vol. 77. P. 108–115. doi: 10.1016/j.resconrec.2013.04.005.

18. Recycling possibility of the salty food waste by pyrolysis and water scrubbing / Y.-E. Lee, J.-H. Jo, S.-M. Kim, et al. // Energies. 2017. Vol. 10. No. 2. Article 210. URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/10/2/210 (дата обращения: 11.06.2023). doi: 10.3390/en10020210.

19. Maina S., Kachrimanidou V., Koutinas A. A roadmap towards a circular and sustainable bioeconomy through waste valorization // Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 2017. Vol. 8. P. 18–23. doi: 10.1016/j.cogsc.2017.07.007.

20. Distinct nature of biochar and activated carbon from pyrolysis-activation of vegetable (lettuce) and staple food (noodles) in food waste / Y. Sun, C. Li, M. Fan, et al. // Resources, Conservation and Recycling Advances. 2022. Vol. 15. Article 200118. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667378922000554 (дата обращения: 20. 01. 2023).

21. Kabir S. B., Khalekuzzaman Md. Co-liquefaction of organic solid waste with fecal sludge for producing petroleum-like biocrude for an integrated waste to energy approach // Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 354. Article 131718. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652622013312?via%3Dihub (дата обращения: 20. 01. 2023).

22. Biofertilizer recovery from organic solid wastes via hydrothermal liquefaction / S. P. Munasinghe-Arachchige, I. S. A. Abeysiriwardana-Arachchige, H. M. K. Delanka-Pedige, et al. // Bioresource Technology. 2021. Vol. 338. Article 125497. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852421008373?via%3Dihub (дата обращения: 20. 01. 2023).

23. Action areas and the need for research in biofuels / M. Unglert, D. Bockey, С. Bofinger, et al. // Fuel. 2020. Vol. 268. Article 117227. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236120302222?via%3Dihub (дата обращения: 20. 01. 2023).

24. Puppan D. Environmental evaluation of biofuels // Periodica polytechnica social and management sciences. 2002. Vol. 10. No. 1. P. 95–116.

25. Progress in the production of hydrogen energy from food waste: A bibliometric analysis / A. Sridhar, M. Ponnuchamy, P. Kumar, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. 2022. Vol. 47. No. 62. P. 26326–26354. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.09.258.

26. A bibliometric analysis of the hydrogen production from dark fermentation / L. Sillero, W. G. Sganzerla, T. Forster-Carneiro, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. 2022. Vol. 47. No. 64. P. 27397–27420. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319922026957?via%3Dihub (дата обращения: 20. 01. 2023).

27. Organic waste to biohydrogen : a critical review from technological development and environmental impact analysis perspective / H. Tian, J. Li, M. Yan, et al. // Applied Energy. 2019. Vol. 256. Article 113961. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261919316484?via%3Dihub (дата обращения: 20. 01. 2023).

28. Cesaro A., Belgiorno V. Pretreatment methods to improve anaerobic biodegradability of organic municipal solid waste fractions // Chemical Engineering Journal. 2014. Vol. 240. P. 24–37. doi: 10.1016/j.cej.2013.11.055.

29. Мерхави К. Т. Увеличение производства биогаза из морских водорослей с использованием отходов жарочного масла путем анаэробного сбраживания : Обзорный доклад // Российская наука в современном мире. Сборник статей XXXIX Международной научно-практической конференции. М., 2021. С. 23–37.

30. Effect of pretreatment solutions and conditions on decomposition and anaerobic digestion of lignocellulosic biomass in rice straw / M. Kim, K. Byung-Chul, N. Kyoungphile, et al. // Biochemical Engineering Journal. 2018. Vol. 140. P. 108–114. doi: 10.1016/j.bej.2018.09.012.

31. Advances in solid-state fermentation for bioconversion of agricultural wastes to value-added products: Opportunities and challenges / C. R. Chilakamarry, A. M. Mimi Sakinah, A. W. Zularisam, et al. // Bioresource technology. 2022. Vol. 343. Article 126065. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852421014073 (дата обращения: 20. 01. 2023).

32. Dry anaerobic digestion of organic waste : A review of operational parameters and their impact on process performance / I. Rocamora, S. Wagland, R. Villa, et al. // Bioresource technology. 2020. Vol. 299. Article 122681. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852419319108?via%3Dihub (дата обращения: 20. 01. 2023).

33. Key issues in modeling and optimization of lignocellulosic biomass fermentative conversion to gaseous biofuels / K. Kucharska, I. Holowacz, D. Konopacka-Lyskawa, et al. // Renewable energy. 2018. Vol. 129. P. 384–408. doi: 10.1016/j.renene.2018.06.018.

34. A critical review on the development stage of biorefinery systems towards the management of apple processing-derived waste / M. K. Awasthi, J. A. Ferreira, R. Sirohi, et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 143. Article 110972. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032121002641?via%3Dihub (дата обращения: 20. 01. 2023).

35. Resource aromaticity affects bacterial community successions in response to different sources of dissolved organic matter / L. Zhou, Y. Zhou, X. Tang, et al. // Water Research. 2021. Vol. 190. Article 116776. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135420313099?via%3Dihub (дата обращения: 20. 01. 2023). doi: 10.1016/j.watres.2020.116776.

36. Bacterial community structure in simultaneous nitrification, denitrification and organic matter removal process treating saline mustard tuber wastewater as revealed by 16S rRNA sequencing / J. Wang, B. Gong, W. Huang, et al. // Bioresource technology. 2017. Vol. 228. P. 31–38. doi: 10.1016/j.biortech.2016.12.071.

37. Effect of inoculum origin and substrate-inoculum ratio to enhance the anaerobic digestion of organic fraction municipal solid waste (OFMSW) / F. Demichelis, T. Tommasi, F. A. Deorsola, et al. // Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 351. Article 131539. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652622011581 (дата обращения: 20. 01. 2023).

38. High-solids anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste: Effects of feedstock to inoculum ratio and percolate recirculation time / W. Dastyar, S. M. M. Azizi, M. Dhadwal, et al. // Bioresource Technology. 2021. Vol. 337. Article 125335. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852421006751?via%3Dihub (дата обращения: 25. 01. 2023). doi: 10.1016/j.biortech.2021.125335.

39. What a waste 2.0: A global snapshot of solid waste management to 2050 / S. Kaza, L. Yao, P. Bhada-Tata, et al. Washington, DC: World Bank, 2018. URL: https://openknowledge.worldbank.org/handle/10986/30317 (дата обращения: 25. 01. 2023).17.