Шлам лигнин: Шлам-лигнин из карт БЦБК внесен как новый вид отходов

Содержание

Байкалу угрожают 6 млн тонн шлам-лигнина и золы | Статьи

Проблема ликвидации отходов Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК) остается неразрешимой задачей для науки и властей. Сам комбинат работу прекратил, а вот миллионы тонн отходов остались и в любой момент могут попасть в Байкал. Надежды исправить ситуацию возлагались на проект утилизации отходов, который получил положительное заключение государственной экологической экспертизы. Предполагалось, что отходы забетонируют, что предотвратит их попадание в Байкал.

— Главная идея проекта — забетонировать отходы, тогда их не будет смывать в Байкал, — рассказал «Известиям» руководитель комиссии по экологическим правам президентского Совета по развитию гражданского общества и правам человека, исполнительный директор международной организации «Гринпис России» Сергей Цыпленков. При этом он отметил, что ученые не раз критиковали этот проект.

Однако проект, который разрабатывался много лет, по результатам исследований Росприроднадзора, оказался совершенно бесполезным. Об этом сообщила начальник управления государственного экологического надзора Росприроднадзора Наталья Соколова. По ее словам, проверка на БЦБК проходила с 18 апреля по 18 мая.

— В отношении БЦБК у нас не очень приятная информация, акт подписан, информация уже доведена до сведения правительства. Классы опасности отходов после утилизации, описанные в проектной документации, не совпали с результатами лабораторно-химических исследований, — заявила Наталья Соколова.

Сегодня отходы хранятся в так называемых картах-накопителях. Средний размер котлована «карты-накопителя»: глубина — 5–6 м, длина — 1 км и ширина — 150 м. Дно «карты-накопителя» покрыто водонепроницаемым экраном, стенки изолированы слоем асфальта, сейсмоустойчивость «карт» была рассчитана на 9 баллов. Строились они еще в начале 70-х годов прошлого века.

— Более чем за 40 лет на БЦБК накоплено более 6,2 млн т отходов производства, которые захоронены в 14 «картах» двух полигонов суммарной площадью 154 га, находящихся на расстоянии 350–750 м от берега озера Байкал, — рассказал глава комиссии по экологии Общественной палаты России Сергей Чернин. — Отходы представляют собой шлам-лигнин, золу от сжигания шлам-лигнина, золу и шлаки от сжигания угля, они содержат большое количество различных загрязняющих веществ. В «картах» протекают сложные физические, химические, биологические процессы, загрязняющие вещества попадают в озеро Байкал с подземными и паводковыми водами.

По словам Чернина, существует вероятность разрушения «карт-накопителей» в результате землетрясений и схода селевых потоков. 

— Попадание накопленной массы отходов в Байкал будет, безусловно, экологической катастрофой, — предупреждает он. 

Последняя надежда на проект ликвидации отходов БЦБК пропала после проверки Росприроднадзора.

— Во время проверки мы провели исследования этих «омоноличенных», как было сказано в проекте, отходов шлам-лигнина. Взяли пробы. У нас следующая информация получилась: «омоноличенные» после применения цемента отходы относятся к 4-му классу опасности. То есть никаким образом класс опасности не понижен, — сообщила Соколова. — К большому сожалению, те ожидаемые результаты, которые в заключении государственной экологической экспертизы преподносились в качестве возможного положительного эффекта, не достигнуты.

По словам Соколовой, результаты проверки обсуждались на совещании у вице-премьера Александра Хлопонина 2 июня. По его итогам дано поручение «предусмотреть выделение средств в бюджете на доработку проектной документации в части технологии, применяемой для ликвидации воздействия этих отходов». 

— То есть это завершающее поручение дает понять, что предыдущая технология признана несостоятельной. Результаты нашей внеплановой проверки это доказали, и абсолютно однозначно будет выбираться некая новая технология. А экспертиза будет проводиться уже на уровне Росприроднадзора, — сказала Наталья Соколова. 

В итоге проект официально признан неэффективным, а вот что делать с 6,2 млн т опасных веществ, никто не знает. Хотя угрозу этой катастрофы осознают и экологи, и власти. И ищут выход. 

— К сожалению, каких-то конкретных действий, алгоритма мы пока дать не можем, можем только констатировать, что «омоноличивание» себя не оправдало, — признала глава управления Росприроднадзора. 

А председатель комиссии Общественной палаты Сергей Чернин выступает за доработку имеющегося проекта «омоноличивания» отходов. 

— Я сторонник того, чтобы попытаться доработать проект. Да, к нему много претензий, но деньги затрачены, он ближе всего к реализации, — сказал Чернин «Известиям». — Можно провести дополнительные эксперименты. Отходы все равно необходимо ликвидировать.

Между тем Байкалу угрожают не только отходы БЦБК, но и опасность заболачивания прибрежной зоны. На портале change.org уже собрано более 164 тыс. подписей под петицией с призывом спасти Байкал от водоросли спирогира. Авторы петиции опасаются, что озеро может превратиться в самое большое болото в мире.

— Действительно, в озере отмечается мощный рост спирогиры, — подтвердил «Известиям» глава комиссии СПЧ Сергей Цыпленков. По его словам, есть две гипотезы, объясняющие это явление. 

— Первая связана с глобальным изменением климата, раньше вода в озере так не прогревалась, и такого роста водорослей не наблюдалось. А вторая — это развитие туристического сектора на Байкале, — рассказал эколог-правозащитник. 

Цыпленков утверждает, что в последние годы на берегах Байкала появилось множество туристических баз, построенных без очистных сооружений. Кроме того, вырос и флот на Байкале, а владельцы судов вместо того, чтобы везти отходы в специальные места сбора, сливают их прямо в озеро. 

— Это вполне может вызвать рост водорослей в Байкале, но полное заболачивание ему не грозит, — говорит Цыпленков. — Зарастают озера со стоячей водой, а в Байкале не стоячая вода. Но для прибрежной зоны, для бухт, небольших заливчиков, самых излюбленных туристических мест такая угроза есть.

Пока, кроме строительства очистных сооружений на туристических базах и соблюдения правил утилизации отходов на судах, других мер по борьбе со спирогирой экологи не предлагают.

Разнообразие микроорганизмов, обитающих в шламонакопителях Байкальского целлюлозно- бумажного комбината Текст научной статьи по специальности «История и археология»

8

OPEN ACCESS

Altai State University

www.asu.ru

ISSN 2412-1908

Acta Biologica Sibirica, 2017, 3(3), 32-38

RESEARCH ARTICLE UDC 551.312.2

The diversity of microorganisms inhabiting the sludge tanks of Baikalsk pulp and paper plant (BPPP)

V.V. Malnik, A.N. Suturin

Limnological Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Irkutsk, Russia [email protected]; [email protected]

The wastes from the Baikalsk pulp and paper plant, including the by-products of the plant’s bleaching unit are stored in the special disposal reservoirs in the form of a sludge-lignin, which consists of lignin, polyacrylamide and flocculants. Here, we report on microbiological composition of sludge-lignin: we detected fungi hyphae, actinomycete hyphae, long and short rods as well as coccal forms of bacteria. Interestingly, despite the diversity of bacterial, cyanobacterial and fungal communities no noticeable destruction of lignin was observed. We recommend to use specific chemical compounds and microbiological agents for destruction of sludge-lignin. Key words: slime-lignin; overmud water; microbiological destruction; Baikalsk PPP

Slcfa ОЗшЦка Sibirica

Journal of UmhjJy

Founded in 2015

Разнообразие микроорганизмов, обитающих в шламонакопителях Байкальского целлюлозно-

бумажного комбината

В.В. Мальник, А.Н. Сутурин

Лимнологический институт Сибирского отделения Российской Академии наук, Иркутск, Россия [email protected]; [email protected]

Отходы Байкальского ЦБК после двухступенчатой биологической и химической очистки складировались в картах на полигоне промышленных отходов в виде шлам-лигнина, состоящего из лигнина, полиакриламида, флокулянтов и отходов отбельного цеха. Согласно нашим данным, в этих картах в пробах надшламовой воды присутствовали гифы грибов, актиномицетов, длинные и короткие палочки, а также кокковые формы бактерий. Несмотря на разнообразие микроорганизмов, цианобактериального и грибного сообществ интенсивной деструкции лигнина не наблюдалось. Для преобразования шлам-лигнина требуются специальные рекультивационные работы, в том числе, с применением микробиологических лигнин-деструкторов. Ключевые слова: шлам-лигнин; надшламовая вода; микробиологическая деструкция; Байкальский ЦБК

Введение

Лигнин — это главный компонент растительных тканей, и он является самым широко распространенным ароматическим веществом в биосфере. Химически, лигнин — это неоднородный, оптически неактивный полимер, состоящий из фенилпропаноидных мономеров, связанных различными типами ковалентных связей (например, арил-эфирной, арил-арильной и углерод-углеродной связями) (Brunow, 2001). Как неотъемлемая составляющая клеточной стенки лигнин обеспечивает растения прочностью и устойчивостью (Argyropoulos, Menachem, 1997). Более того, лигнин принимает участие в водном транспорте у растений и формирует барьер против микробного воздействия, защищая легко усвояемые полисахариды (Monties, Fukushima, 2001). Тем не менее, одновременно с заселением суши сосудистыми растениями в палеозойскую эру, около 400 млн л.н. эволюционировали и разрушающие лигнин микроорганизмы (Taylor, Osborne, 1996). Микробное разложение лигнина (Martínez et al., 2005; Kersten, Cullen, 2007; Jing et al., 2009) представляет основной шаг для завершения цикла углерода, поскольку удаление лигнинового барьера сделало бы возможным последующее использование растительных углеводов другими микроорганизмами (Ruiz-Duenas, Martínez, 2009).

Деградация лигнина включает многочисленные биохимические реакции, которые могут осуществлять ферменты, продуцируемые микроорганизмами. Сложная химическая структура лигнина требует, чтобы эти ферменты были разнообразны и были способны расщеплять очень широкий ряд химических соединений. Сравнительно недавно, используя простые модельные соединения, было продемонстрировано, что среди различных окислительных энзимов, выработанных лигнин-разрушающими организмами, только группа гемпероксидаз базидиомицетов могла непосредственно атаковать нефенольную лигнинную цепь (Martínez, 2002; Hammel, Cullen, 2008). Известно, что бактерии нескольких родов, таких как Alcaligenes, Arthrobacter, Nocardia, Pseudomonas и Streptomyces легко деградируют одиночные кольцевые ароматические вещества. Гены, вовлеченные в деградацию лигнина, были клонированы и экспрессированы (Jing et al., 2009).

Удаление лигнина является центральным аспектом в промышленных использованиях целлюлозной биомассы, таких как производство биоэтанола и целлюлозо-основанных химических реактивов и материалов, включая бумагу. В растительной клеточной стенке лигнин концентрируется в межклеточной пластинке, причем его самый внешний слой действует как цементирующий агент между волокнами. Производство целлюлозной пульпы по существу состоит в разрушении (химически или механически) межклеточной пластинки таким путем, чтобы древесные волокна разделялись (Sixta, 2006). Лигнин также присутствует во вторичной клеточной стенке, более толстом клеточно-стеночном слое, где он тесно связан с углеводами, мешая их эффективному гидролизу при выработке биоэтанола (Galbe, Zacci, 2007). В упомянутых промышленных применениях биотехнология, основанная на лигнин-разрушающих микробах и их ферментах, может внести вклад в более эффективное и качественное использование возобновимого лигниноцеллюлозного сырья для экологически рациональной выработки материалов, химических реактивов, биотоплива и энергии (Ruiz Duenas, Martinez, 2009).

В целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) лигнин является главным промышленным отходом. Сточные воды ЦБП из-за значительного количества в их составе лигнина являются опасными для экосистем рек и озер. На Байкальском ЦБК после двухступенчатой биологической и химической очистки шлам-лигнин, состоящий из лигнина, полиакриламида, флокулянтов, отходов отбельного цеха и имеющий влажность 90-95 %, складировался в картах на полигоне промышленных отходов (рис. 1). Всего на 10 картах полигона накоплено 6,2 млн. м3 шлам-лигнина. За многие десятилетия хранения в отстойниках не изменилась влажность шлам-лигнина, его химический состав, не наблюдались процессы деструкции. Сульфатсодержащие соединения преобразованы в сероводород. В последние 20 лет на карты «Б-4-Б-7» стали сливать зольную пульпу от угольной ТЭЦ. Зола перекрывает шлам-лигнин 1-1,5 м слоем.

Состав надшламовых вод за годы хранения преобразовался в щелочной с рН до 10 единиц, нижний слой шлам-лигнина остался неизменным (Suturin et al., 2015). Проблема переработки накопившегося лигнина и надшламовой воды до сих пор остается актуальной, поскольку все карты с отходами производства Байкальского ЦБК находятся в нетронутом состоянии.

Настоящее исследование проведено с целью выяснения морфологического разнообразия микроорганизмов, развивающихся в надшламовой воде карт, и определения их возможного участия в деструкции лигнина.

Материалы и методы исследований

Материалом для исследования послужили образцы шлам-лигнина Солзанской площадки, а также образцы надшламовой воды карт, взятые с поверхности. Месторасположение: пос. Солзан вблизи г. Байкальска (рис. 1). Отбор проб производился 5 октября 2011 г. Образцы лигнина отбирали с помощью обрезанных у основания стерильных 10 мл шприцов и помещали в стерильные 5 мл пластиковые пробирки с винтовой крышкой. Пробы надшламовой воды карт отбирали стерильным шприцом Жанэ объемом 150 мл в стерильные 100 мл или 250 мл флаконы в зависимости от цели исследования. Все пробы помещались в сумку-холодильник и доставлялись в лабораторию. Анализ выполнялся в течение 6 час. с момента отбора проб. До этого момента пробы, доставленные в лабораторию, хранили в холодильнике.

В работе были использованы следующие методы: метод эпифлуоресцентной микроскопии (Hobbíe et al., 1977) для подсчета общей численности бактерий (ОЧБ), метод сканирующей электронной микроскопии (Danilatos,

1986), а также метод окрашивания с помощью акридина оранжевого (Jones, Simon, 1975) для визуализации морфологии микробного сообщества. Также применяли традиционные методы классической микробиологии (Rodina, 1965). Были использованы следующие питательные среды: среда Ваксмана для определения выросших КОЕ грибов и актиномицетов (Rodina, 1965), среда РПА-10 — для определения сапрофитов (Gorbenko, 1961), жидкая среда Гетчинсона (Kuznetsov, Romanenko, 1963) для определения целлюлозоразлагающих бактерий, крахмальный агар (Rodina, 1965) в качестве подложки для роста целлюлозоразлагающих бактерий, среда для сульфатредуцирующих бактерий (Lengler et al., 2005), соответственно для их определения, среда Эндо для определения бактерий группы кишечной палочки (Endo, 1904), желчный эскулиновый азидный агар (Himedia production, No. М493) и среда Сланеца и Бартли (Himedia production, No. M 612) для определения энтерококков.

Рис. 1. Космоснимки с мест отбора проб: условные названия карт Солзанской площадки.

Голубым значком обозначены карты, в которых мы отбирали пробы надшламовой воды и лигнина, красным — место, где проводился отбор проб исключительно шлам-лигнина, поскольку надшламовая вода отсутствовала

Результаты и их обсуждение

Исследования показали, что в надшламовой воде общая численность бактерий (ОЧБ) была различной в зависимости от места отбора проб (табл. 1).

Таблица 1. Общая численность бактерий (ОЧБ) и концентрация гетеротрофных бактерий в надшламовой воде исследованных карт

Названия карт

«Б-1» «Б-3» «Б-4» «Б-5» «Б-6» «Б-7» «Б-9» «Б-10»

ОЧБ, 58 6,4 16,5 43,3 14,6 17,7 6,7 5,6 млн кл./мл

Гетеротрофы, 75 95 320 660 31 98 90 24

тыс. кл./мл

Морфологическое разнообразие микроскопических организмов в данных образцах включало характерные формы клеток для бактерий, грибов, актиномицетов и цианобактерий. Самое большое разнообразие микроорганизмов было обнаружено в пробах воды карты «Б-1», «Б-5» и «Б-7» (рис. 1), что позволяет предположить, что в этих пробах присутствовали спорообразующие и неспорообразующие бактерии, которые составляли значительную численность. В данных пробах отмечено развитие плесневых грибов и актиномицетов с хорошо развитыми спорангиями. Морфологическое разнообразие в пробах воды из карт «Б-9» и «Б-10» было небольшим, то есть преобладала небольшая группа микроорганизмов, составляющая основную биомассу сообщества. В пробе воды «Б-1» доминирующими были плесневые грибы и мелкие формы микроорганизмов. Количество плесневых грибов в пробе «Б-1» было настолько большим, что затрудняло подсчет микроорганизмов (рис. 2-4).

а б в ч «I — у , ‘ ТОЙ —

А . лщ 1 $’ ж 3

Рис. 2. Морфологическая характеристика микробного сообщества в пробах надшламовой воды, окраска по ДАФИ: а — карта «Б-1»; б — карта «Б-3»; в — карта «Б-4»; г — карта «Б-5»; д — карта «Б-6»; е — карта «Б-7»;

ж — карта «Б-9»; з — карта «Б-10»

а б в • •

А е <

Рис..л • Y т • ..» мА У Л . — ‘ \ /, \ * -V \ у? » ‘ » \ :BV • V X л. . >

я Г • 4 э Г >* «Г 1ГХУ ■ИВДаЕЖЗ Ж’ ■ ■ ** f. ‘ -7#..; \ Г л • 0 V 3. .- •. »v. * * * ■ г .. ■ -А -t

Рис. 4. Разнообразие микробного сообщества в пробах воды из разных карт (сканирующая электронная микроскопия): а-з — карты, как на рис. 2. Масштаб: а, ж, з — 10 мкм; б — 50 мкм; в — 100 мкм; г — 20

мкм; д, е — 5 мкм

Гетеротрофные бактерии. Эти микроорганизмы являются показателями наличия легкодоступного органического вещества. Количество гетеротрофных бактерий в надшламовой воде было высоким и составляло от 24 до 660 тыс. кл./мл (табл. 1). Особенно большое число их обнаружено в воде из карт «Б-4» и «Б-5» (рис. 1, табл. 1). Такое количество гетеротрофных бактерий характерно только для очень загрязненных вод, с возможным содержанием условно-патогенных и патогенных микроорганизмов. В лигнине значительные численности бактерий отмечены в трех картах — «Б-1», «Б-4» и «Б-5». Их концентрации составили 9,9х106, 9,5х106 и 8х106 КОЕ/г, соответственно.

Целлюлозоразрушающие бактерии. В пробах надшламовой воды только в карте Б-6 были обнаружены целлюлозоразрушающие бактерии в концентрации 1,7х104 КОЕ/мл, в остальных картах они либо не были обнаружены, либо были в незначительных количествах. В лигнине эти микроорганизмы были обнаружены в карте «Б-6» и в карте «Б-9». Их концентрации были низкими и составляли 8х102 и 10х102 КОЕ/г соответственно. После проведения теста на присутствие этих бактерий в пробах шлам-лигнина было установлено, что бактерии этой группы присутствовали во всех пробах.

Грибы и актиномицеты. Численность грибов в воде всех карт была очень невысокой — наибольшая в картах «Б-5» и «Б-6». (130 и 100 КОЕ/мл, соответственно). Максимальное количество актиномицетов в воде — 50 КОЕ/мл — также в карте «Б-6». В пробах лигнина наибольшие численности грибов зафиксированы в картах «Б-2» и «Б-4» — 1х106 и 5,4х105 соответственно.

Сульфатредуцирующие бактерии. В ходе отбора проб было отмечено выделение газов со дна некоторых карт. Мы предположили, что это сероводород, являющийся продуктом реакции восстановления сульфатных ионов. В ходе анализа шлам-лигнина на наличие сульфатредуцирующих бактерий было выявлено отсутствие этой группы бактерий в пробах, что указывает на то, что процесс сульфатредукции идет в более глубоких слоях залегания лигнина при анаэробных условиях.

Бактерии группы кишечной палочки и энтерококки. Состав и свойства городских смешанных сточных вод (промышленно-бытовых) определяются соотношением хозяйственно-бытовых и промышленных стоков и спецификой предприятий, формирующих эти стоки. Дополнительные трудности при их обеззараживании возникают в связи с тем, что микробное загрязнение этих вод сочетается с разнообразными органическими и неорганическими веществами, которые сами по себе могут быть как дополнительными бактерицидами и бактериостатиками, так и служить благоприятной средой для размножения микроорганизмов. Согласно методическим указаниям МУ 2.1.5.732-99 (1999), количество общих колиформных бактерий КОЕ/100 мл должно быть не более 105. Анализ проводили для карт «Б-3» и «Б-5». В обеих картах выявлено наличие энтерококков. Количество же ОКБ в карте «Б-3» оказалось 5,6х103, а в карте «Б-5» — 2,3х103 КОЕ/100мл, что говорит о соответствии данных сточных вод нормам методических указаний.

Заключение

Исследования количественных характеристик микроорганизмов, а также их микроскопический анализ показали, что в воде имеет место развитие целого комплекса микроорганизмов (грибы, длинные и короткие формы палочковидных бактерий, кокковые формы бактерий), которые и ведут процесс деградации органического вещества различной природы. Это сообщество представляет собой бактериальное и грибное сообщество, которое развивается с различной интенсивностью в зависимости от экологических условий. Особое место занимают плесневые грибы, актиномицеты, спорообразующие микроорганизмы, которые являются показателями наличия

органического вещества, трудно поддающегося любому типу разрушения, будь то химическое окисление или микробиологическая деструкция.

Анализ микробиологических сообществ в картах-накопителях показал, что в картах со шлам-лигнином микробиологическая активность минимальная. В захороненном под слоем золы шлам-лигнине (карты «Б4-Б7») процессы деструкции не наблюдались. В восстановительных условиях идет преобразование сульфатов с выделением сероводорода и метилмеркаптана.

Таким образом, мы исследовали несколько различных групп микроорганизмов в надшламовой воде и лигнине, определили их концентрации, выявили морфологию клеток или наличие и отсутствие мицелия в пробах, а также сделали вывод о сохранении лигнина в его неизменном виде. В качестве возможного решения проблемы утилизации шлам-лигнина предлагаем преобразовать его путем внесения микробиологических препаратов (активных штаммов бактерий-деструкторов лигнина) с последующим преобразованием в нетоксичный почво-грунт, который может быть использован для рекультивации промплощадки.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Ю.А. Дамбинову и Хахураеву О.А. за помощь в отборе проб. Работы выполнена в рамках темы ФАНО № 0345-2016-0010 «Влияние изменяющихся природных и антропогенных факторов на биогеохимические процессы на каменистой литорали Байкала». Микроскопические исследования проведены в ЦКП «Электронная микроскопия», входящем в ОЦКП «Ультрамикроанализ» ЛИН СО РАН.

References

Argyropoulos, D.S., Menachem, S.B. (1997). Lignin. In: Eriksson K.E.L., Ed. Advances in Biochemical Engineering Biotechnology, 57. Germany, Springer, 127-158.

Brunow, G. (2001). Methods to reveal the structure of lignin. In: Steinbüchel, A., Hofrichter, M., Eds. Biopolymers, 1 -Lignin, humic substances and coal. Weinheim, Germany, Wiley-VCH, 89-116.

Galbe, M., Zacchi, G. (2007). Pretreatment of lignocellulosic materials for efficient bioethanol production. Adv. Biochem. Engineer. Biotechnol., 108, 41-65. doi:10.1007/10_2007_070.

Gorbenko, YuA (1961). Microbiologiya, 30(1), 168-172. (In Russian)

Danilatos, G.D. (1986). Environmental scanning electron microscopy in colour. J. Microscopy, 142, 317-325. doi:10.1002/sca.4950080104.

Endo, S. (1904). Zentralbl. Bakteriol., Abt. I. Orig., 35, 109.

Hobbie, J.E., Daley, R.J., Jasper, S. (1977). Use of Nucleopore filters for counting bacteria by fluorescence microscopy. Appl. Environ. Microbiol., 33, 1225-1228.

Hammel, K.E., Cullen, D. (2008). Role of fungal peroxidases in biological ligninolysis. Curr. Opin. Plant. Biol., 11, 349355. doi: 10.1016/j.pbi.2008.02.003.

Jing, L.I., Hongli, Y., Jinshui, Y. (2009). Bacteria and lignin degradation. Front. Biol. China, 4(1), 29-38. doi: 10.1007/s11515-008-0097-8.

Jones, J.G., Simon, B.M. (1975). An investigation of errors in direct counts of aquatic bacteria by epifluorescence microscopy, with reference to a new method for dyeing membrane filters. J. Appl. Bacteriol., 39, 317-329.

Kersten, P., Cullen, D. (2007). Extracellular oxidative systems of the lignin-degrading Basidiomycete Phanerochaete chrysosporium. Fungal Genet. Biol., 44, 77-87. doi:10.1016/j.fgb.2006.07.007.

Kuznetsov, S.I., Romanenko, V.I. (1963). Microbiologicheskoe izuchenie vnutrennikh vodoemov. Moscow-Leningrad, Izdatelstvo Аkademii nauk SSSR. (In Russian)

Lengler, G.. (1965). Metody microbiologicheskogo issledovaniya vodoemov. Moscow, Nauka. (In Russian)

Ruiz Duenas, F.J., Martinez, A.T. (2009). Microbial degradation of lignin: how a bulky recalcitrant polymer is efficiently recycled in nature and how we can take advantage of this. Microbial Biotechnology, 2, 164-177. doi: 10.1111/j.1751-7915.2008.00078.x.

Sanitarno-epidemiologicheskiy nadzor za obezzarazhivaniem stochnykh vod UF izlucheniem (1999): MU 2.1.5.732-99.-M. (In Russian)

Sixta, H. (2006). Handbook of Pulp. Weinheim, Germany, Wiley-VCH.

Suturin, А.№, Goncharov, А1, Dambinov, YuA (2015). Rekultivatsiya kart-shlamonakopiteley Baikalskogo TsBK. Tsellulosa. Bumaga. Karton, 6, 2-4.

Taylor, T.N., Osborne, J.M. (1996). The importance of fungi in shaping the paleoecosystem. Rev. Paleobot. Palyn., 90, 249-262.

Citation:

Malnik, V.V., Suturin, A.N. (2017). The diversity of microorganisms inhabiting the sludge tanks of Baikalsk pulp and paper plant (BPPP). Acta Biologica Sibirica, 3 (3), 32—38. Submitted: 24.06.2016. Accepted: 14.08.2017

rGf http://dx.doi.org/10.14258/abs.v3i3.3613

© ®

© 2017 by the authors. Submitted for possible open access publication under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Экологически безопасная технология переработки накопленных коллоидных осадков шлам-лигнина ОАО «Байкальский ЦБК» | Богданов

1. Богданов А.В., Шатрова А.С., Качор О.Л. Использование накопленных отходов целлюлозно-бумажной промышленности в качестве компонентного сырья для получения цементов // Экология и промышленность России 2017. Т.21, N 11. С. 15-19. DOI:10.18412/1816-0395-2017-11-15-19.

2. Бабурин В.Л., Бадина С.В., Сократов С.А. Селевой риск в Прибайкалье и Забайкалье // Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита: Материалы IV Международной конференции (Россия, г. Иркутск пос. Аршан (Республика Бурятия), 6-10 сентября 2016 г.) Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2016. 326 с.

3. Мельникова В. И., Радзиминович Н. А. Механизм очагов землетрясений Байкальского региона за 1991-1996 гг. // Геология и геофизика. 1998. Т. 39, N 11. С. 1598-1607.

4. Богданов А.В., Шатрова А.С., Качор О.Л. Исследование физико-химических свойств осадков шлам-лигнина ОАО «Байкальский ЦБК» при вымораживании // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета 2015. — N 8/2015, С. 99-107.

5. Богданов А.В., Федотов К.В., Шатрова А.С. Рекуперация осадков картнакопителей ОАО «Байкальский ЦБК» // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2013. N 10. С. 60-63.

6. Logsdon G.S., Elgerley E.J. Sludge dewatering by freezing. J. American Water Works Association. 1971» vol. 63, N. II, p. 734-740.

7. Ogura Shirp. Freezing and thawing process for improving the dewaterability of sludge. J. of the Japan Society of Mechanical Eng. 1977, vol. 80, N. 708, p. 1123-1126.

8. Poletto M., Zattera A.J., Santana R.M.C. Thermal decomposition of wood: Kinetics and degradation mechanisms. Bioresource Technology, 2012, v. 126, pp. 7-12.

9. Чукин Г.Д. Строение оксида алюминия и катализаторов гидрообессеривания. Механизмы реакций — М.: Типография Паладин, 2010. 288 с.

10. Левин Э.Д., Беликова З.П. Термографическая характеристика термической деструкции древесных компонентов // Лесной журнал. 1968. N3. С. 112-115.

11. Пат. № 2552288, РФ, МПК C04B7/42. Сырьевая смесь для получения гидравлического цемента / А. В. Богданов, Е. А. Левченко, А. С. Шатрова, В. А. Воробчук, М. В. Ставицкая; заявитель и патентообладатель: ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» № 2014110564/03; опубл. 10.06.2015, Бюл. № 16. 10 с.

РАН провела экспертизу технологических подходов для апробации на БЦБК

Научный совет по глобальным экологическим проблемам Российской академии наук провел экспертизу предложений по технологическим решениям, направленным на ликвидацию накопленного вреда окружающей среде на территории Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК, г. Байкальск, Иркутская область).

По данным экспертизы были отобраны шесть заявленных технологических решений, основанных на компостировании шлам-лигнина или его литификации (инкапсулировании), что предполагает реализацию мероприятий на месте.

«Такие подходы для лигнин-содержащих отходов являются хорошим и экономически приемлемым способом их переработки — говорится в заключении РАН — Необходимо дополнительно провести комплексный анализ почво-грунтов или технических грунтов, образующихся при компостировании или литификации шлам-лигнина, и заключение о возможности его использования в хозяйственных нуждах, в том числе для создания лесопитомника».

Ряд предложенных решений направлены на очистку щелокосодержащих сточных вод фильтрацией и обратным осмосом.

По мнению экспертов РАН, все предложения могут быть допущены к опытно-промышленным испытаниям.

Справочно:

Предложения были отобраны по поручению Межведомственной рабочей группы по организации работ по ликвидации накопленного вреда окружающей среде, образовавшегося в процессе деятельности ОАО «БЦБК».

Цель проекта по рекультивации БЦБК – экологическое оздоровление озера Байкал за счет сокращения территории, подвергшейся высокому и экстремально высокому загрязнению. Единственным исполнителем работ по подготовке проекта и ликвидации накопленного вреда окружающей среде, образовавшегося в процессе деятельности Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (5,67 млн. м3), в конце 2020 года было определено ФГУП «Федеральный экологический оператор». В первую очередь предстоит провести работы на полигонах «Солзанский» и «Бабхинский», объектов цеха очистных сооружений, содержащих щелокосодержащую жидкость. Карты полигонов содержат неоднородную смесь отходов различной природы, образованных при производстве целлюлозы, функционирования ТЭЦ и прочей производственной деятельности. Поэтому универсальных технологических решений по работе с ними нет.

Современные технологии для ликвидации шлама применят на площадке БЦБК

Росприроднадзор и Российская академия наук проверят технологии для  ликвидации шламов, накопленных на площадке Байкальского целлюлозно-бумажного комбината. Их рассмотрят 60 экспертов, включая академиков и членов-корреспондентов РАН. Об этом 2 июля 2021 года сообщила пресс-служба правительства Иркутской области.

– Задача обсуждения – увидеть, какие технологии для какого вида загрязняющих веществ применяются. Для проведения опытных испытаний в реальных условиях каждому заявителю необходимо предоставить техническое задание и гипотезу результата, который планируется получить его по итогам, а также расчет стоимости, – отметила руководитель Росприроднадзора Светлана Радионова.

– Уникальная экосистема озера Байкал требует особенных методов ликвидации накопленного вреда, технологий, которые никогда и нигде не применялись. Наша первоочередная задача – обезопасить Байкал от возможного перелива надшламовых вод из карт-накопителей. В этом направлении правительство региона тесно сотрудничает с Госкорпорацией «Росатом», Российской академией наук, – сказал губернатор Иркутской области Игорь Кобзев.

Один из предложенных методов предполагает рекультивацию шлам-лигнина непосредственно в теле карт с получением почвогрунта, пригодного для дальнейшего выращивания саженцев. Другой метод основан на технологиях очистки бурового раствора, который позволяет разделить шлам-лигнин, находящийся в картах на жидкую и твёрдую фракции, а также применение метода стабилизации грунтов, их обеззараживание и капсулирование. Предлагается и запуск пилотной лабораторной установки по очистке, а также использование технологии абсорбации.

– При отборе технологий учитывается класс отходов, получаемых на выходе, результаты апробирования технологии на конкретных объектах и наличие заключения государственной экологической экспертизы, – отметил председатель Научного совета РАН по глобальным экологическим проблемам, член-корреспондент РАН Степан Калмыков.

Технологические решения были отобраны в соответствии с поручениями межведомственной рабочей группы под председательством заместителя председателя правительства РФ Виктории Абрамченко, а также поручением правительства Российской Федерации.

– Мы обсудили основные технологические подходы, которые являются приоритетными для выполнения работ по рекультивации. Росприроднадзор и Российская академия наук рассмотрят заявки, чтобы в июле – августе можно было бы апробировать эти технологии на площадке в городе Байкальске и использовать эти решения при проектировании, – отметил директор направления по реализации государственных и отраслевых программ в сфере экологии Госкорпорации «Росатом» Андрей Лебедев.

Использование вымороженных коллоидных осадков шлам-лигнина ОАО «Байкальский ЦБК» в качестве почвогрунта | Богданов

1. Богданов А.В., Шатрова А.С., Тюкалова О.В., Шкрабо А.И. Экологически безопасная технология переработки накопленных коллоидных осадков шлам-лигнина ОАО «Байкальский ЦБК». Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. № 3. С. 99—107.

2. Шатрова А.С., Богданов А.В., Федотов К.В. Рекуперация осадков карт-накопителей ОАО «Байкальский ЦБК». Целлюлоза. Бумага. Картон. 2013. № 10. С. 60—63.

3. Богданов А.В., Федотов К.В., Качор О.Л. Развитие научных и практических основ технологий комплексной переработки осадков карт-шламонакопителей. Иркутск, Изд-во ИрГТУ, 2009. 203 с.

4. Бабурин В.Л., Бадина С.В., Сократов С.А. и др. Селевой риск в Прибайкалье и Забайкалье. Матер. IV Междунар. конф. «Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита». Иркутск, Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2016. 326 с.

5. Шламовые отходы БЦБК могут попасть в Байкал из-за схода селевых потоков с Хамар-Дабана. [Электронный ресурс]. URL: http://baikalinfo.ru/shlamovye-othody-bcbk-mogut-popast-v-baykaliz-za-shoda-selevyh-potokov-s-hamar-dabana (дата обращения 17.07.2019).

6. Лапердин В.К. Мероприятия по утилизации и хранению лигнинсодержащих промышленных и жидких бытовых отходов в бассейне оз. Байкал. Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2018. № 3. С. 77—85.

7. Stom D.I., Zhdanova G.O., Balayan A.E., Saksonov M.N., Potekhin S.A., Kondratiev V.V., Ivanov N.A., Butyrin M.V., Spirin V.I., Kizeev D.A. Assessment of the possibility of using the method of sludge-lignin dehydration of the Baikal Pulp and Paper Mill by the freeze-thaw method. International Journal of Engineering and Technology(UAE). 2018. Т. 7. № 2. С. 114—118.

8. Бейм А.М., Грошева Е.И. Рекомендации по использованию шлам-лигнина в агропромышленном производстве. Биотехнологии вторичных органических субстратов. Сб. науч. ст. Улан-Удэ, 1990. С. 31—35.

9. Чеснокова С.М. Биологические методы оценки качества объектов окружающей среды. Часть 2. Методы биотестирования. Владимир, Изд-во ВлГУ, 2008. 92 с.

10. Маячкина Н.В., Чугунова М.В. Особенности биотестирования почв с целью их экотоксикологической оценки. Вестник Нижегородского университета им. H.H. Лобачевского. Серия Биология. 2009. № 1. С. 84—93.

11. Sheppard S.C., Evenden W.G., Abboud S.A. A plant Life-Cycle Bioassay for contaminated soil, with comparison to other bioassays: mercury and zinc. Arch. Environ. Contam. Toxicol. Iss. 25. Р. 27—35.

12. Беляева С.Д., Гюнтер Л.И., Ситников В.А., Покровская Е.В. Организация работ по использованию осадков сточных вод в качестве удобрения. Водоснабжение и санитарная техника. 2002. Ч. 1. № 12. С. 30—33.

13. Поспелов Д.И. Переработка активного ила водоочистных сооружений. Научный альманах. 2017. №6—1 (32). С. 422—424.

РАН одобрила шесть решений по ликвидации отходов БЦБК для апробации их на месте — Сибирь |

18 августа. Interfax-Russia.ru — Научный совет Российской академии наук (РАН) по глобальным экологическим проблемам провел экспертизу предложений по технологическим решениям по ликвидации отходов Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК) в Иркутской области, сообщила пресс-служба правительства региона в среду.

«По данным экспертизы были отобраны шесть заявленных технологических решений, основанных на компостировании шлам-лигнина или его литификации (инкапсулировании), что предполагает реализацию мероприятий на месте», — говорится в сообщении.

В заключении РАН сказано, что такие подходы для лигнин-содержащих отходов являются хорошим и экономически приемлемым способом их переработки.

«Необходимо дополнительно провести комплексный анализ почво-грунтов или технических грунтов, образующихся при компостировании или литификации шлам-лигнина, и заключение о возможности его использования в хозяйственных нуждах, в том числе для создания лесопитомника», — говорится в заключении.

Ряд решений направлены на очистку щелокосодержащих сточных вод фильтрацией и обратным осмосом.

«По мнению экспертов РАН, все предложения могут быть допущены к опытно-промышленным испытаниям», — отмечено в пресс-релизе.

Предложения отобраны по поручению межведомственной рабочей группы по организации работ по ликвидации накопленного вреда окружающей среде, образовавшегося в процессе деятельности ОАО «БЦБК», под руководством зампредседателя правительства РФ Виктории Абрамченко.

В настоящее время вопросом ликвидации отходов комбината занимается «Росатом» и принадлежащий ему «Федеральный экологический оператор».

Отходы БЦБК угрожают озеру Байкал экологической катастрофой: в случае схода селя с горного хребта Хамар-Дабан их может смыть в озеро.

В составе отходов самым сложным является шлам-лигнин, который, по словам ученых, почти не вступает в реакцию с другими веществами. По уточненным данным, в картах-накопителях БЦБК находятся 4,948 млн куб. м твердых веществ (шлам-лигнина, золы) и 729 тыс. куб. м воды.

Оценка возможности использования способа обезвоживания шламов-лигнинов Байкальского ЦБК методом замораживания-оттаивания | Стом

[1] Богданов А.В., Шатрова А.С., Качор О.Л. (2016), Технология утилизации осадков шламонакопителей ОАО «Байкальский ЦБК». XXI век. Техносферная безопасность Т. 1, № 2, 61-66.

[2] Богданов А.В., Шатрова А.С., Качор О.Л. (2017), Разработка экологически безопасной технологии утилизации отходов Байкальского ЦБК.Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология № 2, 47-53.

[3] Chattopadhyay GN, Gourab Roy, Wasim Iftikar (2010), Использование биотехнологии вермикомпостирования для переработки летучей золы в качестве источника питательных веществ для растений. Linnaeus ECO-TECH №10 Kalmar, Швеция, 517-529.

[4] ГОСТ 26713-85 Удобрения органические. Метод определения влаги и сухого остатка.

[5] ГОСТ 26714-85 Удобрения органические. Метод определения золы.

[6] ГОСТ 26715-85 Методы определения общего азота.

[7] ГОСТ 26717-85 Удобрения органические. Метод определения общего фосфора.

[8] ГОСТ 26718-85 Удобрения органические. Метод определения общего калия.

[9] ГОСТ 27979-88 Удобрения органические. Метод определения рН.

[10] ГОСТ 27980-88 Удобрения органические. Методы определения органического вещества.

[11] ГОСТ 31859-2012 Вода. Метод определения химического потребления кислорода. М., 2012.

[12] ГОСТ Р 53218-2008 Удобрения органические.Атомно-абсорбционный метод определения содержания тяжелых металлов.

[13] ГОСТ Р 54651-2011 Удобрения органические на основе осадков сточных вод. Характеристики.

[14] Григорова Р., Норрис Дж. Р. (1990), Методы микробиологии. Том. 22, 618 с.

[15] Методические указания по определению катионно-анионного состава подземных и поливных вод. Министерство сельского хозяйства. М., 1995.

[16] Методические указания по определению мышьяка в почвах фотометрическим методом.ЦИНАО, М., 1993.

[17] Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий и растениеводства, М., 1992.

[18] Lim Su Lin, Lee Leong Hwee, Wu Ta Yeong ( 2016), Устойчивое использование технологий компостирования и вермикомпостирования для биотрансформации твердых органических отходов: недавний обзор, выбросы парниковых газов и экономический анализ: Обзор. Журнал чистого производства Vol. 111, часть А, 262-278.

[19] Нигусси А., Кайпер Т.В., Бруун С., Неергаард А. (2016), Вермикомпостирование как технология сокращения потерь азота и выбросов парниковых газов при мелкомасштабном компостировании.Журнал чистого производства Vol. 139, 429-439.

[20] ПНД Ф 14.1: 2.49-96 (Федеральные экологические нормативные документы) Количественный химический анализ вод. Методика проведения измерений массовой концентрации ионов мышьяка в природных и сточных водах фотометрическим методом с диэтилдитиокарбаматом серебра.

[21] ПНД Ф 14.1:2.110-97 (Федеральные экологические нормативные документы) Количественный химический анализ вод. Методика проведения измерений содержания взвешенных веществ и общих примесей в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом, М., 1997.

[22] ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97 (Федеральные экологические нормативные документы) Методические рекомендации по применению метода измерения рН в водах потенциометрическим методом. М., 2016.

[23] ПНД Ф 14.1:2:4.128-98 (Федеральные экологические нормативные документы) Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природных, питьевых, сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02».

[24] ПНД Ф 14.1:2:4.182-2002 (Федеральные экологические нормативные документы) Количественный химический анализ вод. Методика проведения измерений массовых концентраций фенолов в пробах питьевой, природной и сточной воды флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02»

[25] ПНД Ф 14.1:2:4.20-95 (Федеральные экологические нормативные документы) Количественно-химический анализ вод. Метод измерения массовой концентрации ионов ртути в питьевых, поверхностных и сточных водах методом беспламенной атомно-абсорбционной спектрометрии.

[26] ПНД Ф 14.1:2:4.214-2006 (Федеральные экологические нормативные документы) Количественный химический анализ вод. Метод измерения массовых концентраций железа, кадмия, кобальта, марганца, никеля, меди, цинка, хрома и свинца в питьевых, поверхностных и сточных водах методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии.

[27] ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.11-04. Т 16.1:2.3:3.8-04. — 2010 (Федеральные экологические нормативные документы) Способ определения интегральной токсичности поверхностных, в том числе морских, подземных, питьевых, сточных вод, экстрактов почв, отходов, осадков сточных вод путем изменения интенсивности бактериальной биолюминесценции тест-системы «Эколум».

[28] ПНД Ф Т 14.1:2:4.12-06 (Федеральные экологические нормативные документы) Токсикологические методы анализа. метод определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и сточных вод по гибели дафний (Daphnia magna Straus).

[29] Потехин С.А., Стом Д.И., Гончаров А.И., Жданова Г.О., Кондратьев В.В. (2016), Некоторые подходы к рекультивации шламонакопителей целлюлозных предприятий Сибири. Известия Иркутского государственного университета.Серия «Биология. Экология. Том 18. С. 74-86.

[30] Соловьянов А.А. (2017), Прошлый (накопленный) экологический вред: проблемы и решения. 10. Отходы Байкальского ЦБК. Экологический вестник России. № 2, 19-27

[31] Spiegelman D, Whissell G, Greer CW (2005), Обзор методов характеристики микробных консорциумов и сообществ, Can J. Microbiol., 51, 355–386

[32] Тимофеева С.С., Черемис Н.В., Игнатьева Л.П., Николаева Л.А. (2008), Хлородиоксины в шламовых водоемах Прибайкалья.Вестник Иркутского государственного технического университета 3 (35), 174-181.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Microsoft Word — 8выше.docx

%PDF-1.7 % 1 0 объект >>>]/OFF[]/Порядок[]/RBGroups[]>>/OCG[6 0 R 7 0 R]>>/Страницы 3 0 R/Тип/Каталог>> эндообъект 5 0 объект >/Шрифт>>>/Поля[]>> эндообъект 2 0 объект >поток 2016-06-07T10:25:51+02:002016-06-07T10:25:51+02:002016-06-07T10:25:51+02:00PScript5.dll версии 5.2.2application/pdf

  • Microsoft Word — 8выше .docx
  • рафаэлла
  • uuid:4fd85521-e3a0-4cf7-b3fa-736b06444deauuid:1df2541e-7667-42e5-a104-224c2010f5d0Acrobat Distiller 11.0 (Windows) конечный поток эндообъект 3 0 объект > эндообъект 11 0 объект >/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 12 0 объект >/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC/ImageI]/XObject>>>/Rotate 0/Type/Page>> эндообъект 13 0 объект >/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/XObject>>>/Поворот 0/Тип/Страница>> эндообъект 14 0 объект >/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 15 0 объект >/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC/ImageI]/XObject>>>/Rotate 0/Type/Page>> эндообъект 16 0 объект >/Шрифт>/ProcSet[/PDF/Text]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 57 0 объект >поток HlWێ͘}WŀLkt

    Метаногенная токсичность лигнинов сточных вод и родственных лигнину соединений — Аризонский университет

    TY — JOUR

    T1 — Метаногенная токсичность лигнинов сточных вод и родственных лигнину соединений

    AU — Sierra-Alvarez, Reyes 900 — Lettinga, Gatze

    PY — 1991

    Y1 — 1991

    N2 — Производные лигнина являются основными компонентами потоков сточных вод, образующихся при химической обработке древесины.Цель настоящего исследования заключалась в оценке ингибирующего действия различных лигнинов, выделенных из сточных вод лесной промышленности, и выбранных модельных соединений лигнина на метаногенные бактерии. Метаногенное ингибирование определяли при 30°C в стандартных анализах токсичности с использованием анаэробного гранулированного ила в качестве инокулята. Лигнины сточных вод существенно различались по своей ингибирующей активности. Некоторые образцы лигнина были нетоксичны, в то время как другие вызывали 50% ингибирование в диапазоне концентраций от 3320 до 5950 мг ХПК дм-3.Эксперименты с ультрафильтрованными лигнинами показали, что токсичность образцов ингибирующего лигнина обусловлена ​​низкомолекулярной фракцией. В дополнительных исследованиях с низкомолекулярными модельными соединениями лигнина было обнаружено, что ингибирующая активность этих соединений связана с функциональными группами в ароматическом кольце. Соединения с альдегидными группами или неполярными заместителями были высокотоксичными, тогда как соединения с карбоксильными группами вызывали значительное ингибирование только при высоких концентрациях.Эти результаты показывают, что низкомолекулярные производные лигнина в сточных водах лесной промышленности являются потенциальными ингибиторами систем анаэробной очистки.

    AB — Производные лигнина являются основными компонентами потоков сточных вод, образующихся при химической обработке древесины. Цель настоящего исследования заключалась в оценке ингибирующего действия различных лигнинов, выделенных из сточных вод лесной промышленности, и выбранных модельных соединений лигнина на метаногенные бактерии. Метаногенное ингибирование определяли при 30°C в стандартных анализах токсичности с использованием анаэробного гранулированного ила в качестве инокулята.Лигнины сточных вод существенно различались по своей ингибирующей активности. Некоторые образцы лигнина были нетоксичны, в то время как другие вызывали 50% ингибирование в диапазоне концентраций от 3320 до 5950 мг ХПК дм-3. Эксперименты с ультрафильтрованными лигнинами показали, что токсичность образцов ингибирующего лигнина обусловлена ​​низкомолекулярной фракцией. В дополнительных исследованиях с низкомолекулярными модельными соединениями лигнина было обнаружено, что ингибирующая активность этих соединений связана с функциональными группами в ароматическом кольце.Соединения с альдегидными группами или неполярными заместителями были высокотоксичными, тогда как соединения с карбоксильными группами вызывали значительное ингибирование только при высоких концентрациях. Эти результаты показывают, что низкомолекулярные производные лигнина в сточных водах лесной промышленности являются потенциальными ингибиторами систем анаэробной очистки.

    KW — анаэробное сбраживание

    KW — лигнин

    KW — производные лигнина

    KW — метаногенные бактерии

    KW — метаногенная токсичность

    KW — молекулярная масса

    UR — http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=0026073270&partnerID=8YFLogxK

    UR — http://www.scopus.com/inward/citedby.url?scp=0026073270&partnerID=8YFLogxK

    U2 — 30

    2/jctb0.4

    DO — 10.1002 / JCTB.280500403

    м3 — Статья

    AN — Scopus: 0026073270

    VL — 50

    SP — 443

    EP — 443

    EP — 455

    Jo — Журнал химической техники и биотехнологии

    JF — журнал Химической технологии и биотехнологии

    СН — 0268-2575

    ИС — 4

    ЭР —

    Валоризация потоков отходов целлюлозно-бумажных комбинатов путем анаэробного сбраживания обескрасочного шлама :: Биоресурсы

    Стеффен, Ф., Янзон Р., Вениг Ф. и Сааке Б. (2017). «Валоризация потоков отходов предприятий по производству обесцвеченной целлюлозы посредством анаэробного сбраживания шлама обесцвечивания», BioRes. 12(3), 4547-4566.
    Резюме

    На основании результатов этого исследования общее количество энергии в 3 111 ТДж/год может быть получено в результате анаэробного сбраживания осадка обесцвечивания (DS), образующегося на немецких целлюлозных заводах по облагораживанию краски, который затем может быть использован для замены до 5% от общей потребности в энергии для этих заводов.Исследуемый DS был получен путем флотационного обесцвечивания в лабораторных масштабах из выбранных смесей бумаги для вторичной переработки (PfR). Результаты тестов периодического брожения показали сильную зависимость метанового потенциала DS от содержания углеводов и лигнина, которые, в свою очередь, связаны с исходным качеством PfR. Наибольший выход метана наблюдался для DS100 (25,8% углеводов; 5,1% лигнина) с добавлением 280,4 мл/г летучих твердых веществ (ВС), тогда как DS70 (14,2% углеводов; 24.9% лигнина) показал самый низкий выход метана, 122,1 мл/г ВС. Все образцы DS показали высокую скорость образования метана в диапазоне от 59,4 (DS70) до 118,6 мл/г VS d-1 (DS100) и кинетические константы от 0,66 до 0,79 d-1. Кроме того, не наблюдалось никаких различимых лаг-фаз, что убедительно указывает на быструю биодеградацию ДС.


    Загрузить в формате PDF
    Полный текст статьи

    Повышение ценности потоков отходов с целлюлозно-бумажных заводов по обесцвечиванию посредством анаэробного сбраживания осадка от обесцвечивания

    Фридрих Штеффен, a Рон Янзон, a Франк Вениг, b и Бодо Сааке a, *

    По результатам этого исследования общее количество энергии, равное 3 111 ТДж/год, может быть получено в результате анаэробного сбраживания шлама обесцвечивания (DS), образующегося на немецких целлюлозных предприятиях, которые затем могут быть использованы для замены до 5% общая потребность в энергии для этих заводов.Исследуемый DS был получен путем флотационного обесцвечивания в лабораторных масштабах из выбранных смесей бумаги для вторичной переработки (PfR). Результаты тестов периодического брожения показали сильную зависимость метанового потенциала DS от содержания углеводов и лигнина, которые, в свою очередь, связаны с исходным качеством PfR. Наибольший выход метана наблюдался для DS100 (25,8% углеводов; 5,1% лигнина) с добавлением 280,4 мл/г летучих твердых веществ (ВС), тогда как DS70 (14,2% углеводов; 24.9% лигнина) показали самый низкий выход метана, 122,1 мл/г VS . Все образцы DS показали высокие скорости образования метана в диапазоне от 59,4 (DS70) до 118,6 мл/г VS d -1 (DS100) и кинетические константы от 0,66 до 0,79 d -1 . Кроме того, не наблюдалось никаких различимых лаг-фаз, что убедительно указывает на быструю биодеградацию ДС.

    Ключевые слова: Анаэробное сбраживание; биогаз; Биохимический метановый потенциал; Бумага для вторичной переработки; потоки отходов; Шлам обесцвечивания

    Контактная информация: a: Химическая технология обработки древесины, кафедра деревообработки, Гамбургский университет, Leuschnerstrasse 91 B, 21031 Гамбург, Германия; б: Steinbeis Papier GmbH, Stadtstrasse 20, 25348 Glückstadt, Германия; * Автор, ответственный за переписку: бодо[email protected]

    ВВЕДЕНИЕ

    Возникающая концепция «биоперерабатывающего завода» не только помогает сместить зависимость нашего общества от ограниченных ископаемых ресурсов к устойчивым биоресурсам, но также помогает решить обостряющиеся проблемы отходов, с которыми сталкиваются современные отрасли и общества (Ragauskas et al. 2006). Целлюлозно-бумажная промышленность по-прежнему производит значительное количество отходов. Например, в 2013 году на долю немецкой целлюлозно-бумажной промышленности приходилось примерно 4.8 миллионов тонн отходов. Шлам обесцвечивания (DS), композитный материал отходов, образующийся в процессе переработки бумаги, составляет примерно 20%, или 960 000 тонн, этих отходов. Ежегодные затраты на утилизацию DS в Германии составляют около 24 миллионов евро (Jung et al. 2014). Поскольку бумага является одним из наиболее перерабатываемых материалов во всем мире, а степень переработки в Европе уже достигла 72% (CEPI 2016), значительное количество ДВ производилось и будет продолжать производиться. В дополнение к глобальным опасениям по поводу загрязнения окружающей среды и перегруженности свалок, необходимость максимизировать эффективность, конкурентоспособность и прибыльность также являются ключевыми факторами для извлечения ценности из недостаточно используемых в настоящее время основных потоков промышленных отходов, таких как ДВ.

    Очистка от краски — это промышленный процесс удаления типографской краски с бумажных волокон бумаги для вторичной переработки (PfR) с целью получения очищенной от краски целлюлозы (DP), которая затем перерабатывается в переработанные бумажные изделия. Как правило, до 40% по весу исходного PfR может оказаться технологической отбраковкой, при этом точное процентное содержание зависит от типа производимой бумаги (Bajpai 2013). DS в основном состоит из неорганических минеральных наполнителей, коротких целлюлозных волокон и мелочи, покрытий, частиц краски, экстрактивных веществ и добавок для удаления краски (Monte et al. 2009).

    В настоящее время использование DS в качестве материала относительно редко, и лишь небольшие количества используются в качестве добавок для производства цемента и кирпича. Поэтому одной из наиболее распространенных практик является простое удаление ДВ путем сжигания после обезвоживания (Ouadi et al. 2012). Однако, несмотря на обезвоживание, содержание золы и влаги в осадках обычно остается высоким, что ухудшает общий энергетический баланс процесса сжигания (Lähdeniemi et al. 2013).

    В настоящее время изучаются несколько альтернативных способов повышения ценности DS, как сообщает Deviatkin et al. (2015) и Чжан и др. (2015). В других исследованиях была тщательно изучена конверсия бумажного шлама в биоэтанол (Chen et al. 2014a; Boshoff et al. 2016; Robus et al. 2016). Однако максимизация выхода этанола требует значительного удаления золы или корректировки pH, например, 90–169. , с серной кислотой, что дорого и нежелательно для окружающей среды.Дальнейшие возможности переработки и использования материалов DS описаны в исследованиях Soucy et al. (2014), Эллуми и др. (2016 г.) и Yin et al. (2016). Однако их подходы в основном основаны на использовании бумажной пульпы или DS при производстве переработанной тонкой бумаги; такое сырье обычно имеет высокое содержание клетчатки и низкий уровень примесей.

    И наоборот, анаэробное сбраживание (AD) в последнее время привлекло большое внимание из-за растущего спроса на эффективные технологии обращения с отходами и замену ископаемого топлива.В Европе производство биогаза значительно увеличилось за последние несколько лет: с 3,8 млн тонн нефтяного эквивалента (Мтнэ) в 2003 г. до 13,5 млн тнэ в 2013 г. (EurObserv’ER 2014). Этот растущий интерес к производству биогаза с помощью AD привел к повышенному спросу на выявление и оценку новых типов подходящего сырья.

    В принципе, производство биогаза из ДВ представляет собой реальный вклад в устойчивое производство экологически чистой энергии, одновременно позволяя избежать дорогостоящей утилизации ДВ.Затраты на инфраструктуру для производства биогаза также можно снизить за счет интеграции в существующую инфраструктуру завода (Chen et al. 2014b).

    Совсем недавно Kamali et al. В Постановлении № (2016 г.) дан обзор по АД отходов целлюлозно-бумажного производства (ЦБП), в котором представлена ​​информация о текущем состоянии разработок, связанных с очисткой АД, и применимости этого процесса в целлюлозно-бумажной промышленности. Поскольку обзор был больше ориентирован на технологические аспекты ( e.грамм. , конфигурация реактора, условия эксплуатации), авторы этого исследования пришли к выводу, что, во-первых, существует острая необходимость в предоставлении достаточных данных для оценки метанового потенциала PPMW, особенно при производстве переработанной бумаги. Еще одна цель состоит в том, чтобы получить более глубокое представление о PPMW как субстрате; следовательно, также требуется обширная характеристика.

    В этом исследовании четыре различные смеси PfR были обработаны лабораторной флотацией, чтобы получить соответствующие качества DS.Все фракции, включая DP после флотации, были тщательно охарактеризованы для выявления разлагаемых органических соединений и получения теоретических выходов метана. Тесты биохимического метанового потенциала (BMP) были проведены для определения возможности использования DS в качестве субстрата при AD и, в частности, для оценки влияния исходного качества PfR на биоразлагаемость и общий выход метана DS. Насколько известно авторам, до сих пор не проведено тщательного исследования по этой теме.Опираясь на результаты предыдущего исследования (Steffen et al. 2016), авторы намерены расширить свои исследования потенциальных потоков отходов от переработки PfR для использования в производстве биогаза.

    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ

    Материалы

    Оригинальная бумага для переработки (PfR) смесей

    Для экспериментов по обесцвечиванию на немецкой мельнице DP были получены четыре различных смеси PfR (рис. 1). В зависимости от требований конечного пользователя фабрика производит переработанную бумагу различного качества.Их можно отличить по яркости в диапазоне от 70% до 100% ISO. Таким образом, четыре образца PfR были названы в соответствии с целевой яркостью конечного продукта: PfR70, PfR80, PfR90 и PfR100. Производство переработанной бумаги различного качества может быть достигнуто с использованием определенных сортов PfR в качестве исходного сырья. Эти марки определены в стандарте EN 643:2014-11 (2014). Например, при производстве переработанной бумаги с белизной 70% ISO фабрика выбирает в основном «обычные» сорта ( e.грамм. , старая газетная бумага и журналы). Эти бумажные изделия изначально изготавливаются из «древесносодержащих» волокон, а именно каменной древесной массы или термомеханической массы. «Древосодержащий» означает, что большая часть природного лигнина остается в волокне. Напротив, для качества переработанной бумаги с яркостью ISO 100% применяются более «средние» и «высокие» оценки (, например, , сортированная офисная бумага). Предположительно, они имеют низкое содержание лигнина и получены в основном из беленой химической целлюлозы.

    Рис. 1. Исходные смеси PfR: а) PfR70; б) ПфР80; в) PfR90; г) PfR100 (источник: собственные фотографии автора)

    Для характеризации смеси PfR сначала разбавляли дистиллированной водой до консистенции примерно 2%, а затем дезинтегрировали диспергатором (ULTRA-TURRAX, IKA, Германия). Эти суспензии целлюлозы подвергали лиофилизации при температуре -85 °С и давлении 1 мбар (CHRIST, Германия). После этого лиофилизаты взбивали на лабораторной мельнице (ИКА) и хранили при комнатной температуре.

    Инокулят

    Тесты периодического брожения проводились с использованием инокулята (переваренного осадка сточных вод), собранного на муниципальной станции очистки сточных вод (станция очистки сточных вод Seevetal, Гамбург, Германия), которая работает при мезофильных температурах.

    Методы

    Производство шлама обесцвечивания (DS) и обесцвеченной целлюлозы (DP)

    Лабораторное флотационное обесцвечивание проводилось в соответствии с методом 11 INGEDE (2012). Из каждой необработанной смеси PfR получают 330 г сухого хлеба (о.г) вещество разбавляли водопроводной водой с температурой 45°С до консистенции 15%. На основании о. о. вещества, 0,8 % гидроксида натрия, 2,9 % силиката натрия, 0,6 % натриевого мыла и 0,8 % перекиси водорода. Дозировка химикатов соответствовала стандартной отраслевой практике. Суспензию пульпы диспергировали в течение 12 мин в лабораторном смесителе (KENWOOD, Германия). Флотацию проводили в лабораторной флотационной камере (Delta 25, VOITH, Германия) при концентрации 1,3%. Подачу воздуха устанавливали на 7,4 л/мин.Отходы флотации, представляющие собой СВ, собирали в ковш и количество определяли гравиметрически. Также отбирали СП после флотации и выход флотации рассчитывали как разницу между исходным сырьем (входом ПфР) и количеством ДВ.

    Как и прежде, образцы были названы в соответствии с заданной яркостью конечного продукта: DS70, DS80, DS90 и DS100 для образцов DS и DP70, DP80, DP90 и DP100 для образцов DP. Для анализа состава и последующих испытаний биогаза образцы DS и DP подвергали лиофилизации и готовили, как описано выше.

    Тесты периодического брожения

    Автоматическая система тестирования метанового потенциала (AMPTS II, Bioprocess Control, Швеция) использовалась для тестов периодического брожения. AMPTS II представляет собой стандартизированную лабораторную установку, специально разработанную для автоматического определения биохимического метанового потенциала (БМП) любого биоразлагаемого материала (Rodriguez-Chiang and Dahl 2015; Ghasimi et al. 2016; Steffen et al. ). 2016).

    Определение BMP каждого образца DS в трехкратной повторности позволяло контролировать воспроизводимость измерений.Метаногенную активность инокулята тестировали путем расщепления эталонного субстрата (микрокристаллическая целлюлоза: Avicel® PH-101, Sigma Aldrich, Германия). Для приготовления 3 М щелочного раствора для фиксации СО 2 использовали гидроксид натрия (х.ч. 97%, Sigma Aldrich) и тимолфталеиновый рН-индикатор (содержание красителя 95%, Sigma Aldrich). Газообразный азот (N 2 ) (99%, Air Liquide, Германия) использовали для получения анаэробных условий на этапе подготовки образца. Тесты BMP проводились в течение 21 дня при температуре 37 ± 2 °C с соотношением инокулята и субстрата (ISR), равным 2, исходя из количества летучих твердых веществ (VS).Эффективный объем реакторов составлял 600 мл, объем свободного пространства над продуктом 200 мл. Партии непрерывно встряхивали механическим перемешиванием. При общем количестве 400 г в каждом реакторе и ISR 2 количества инокулята ( м In ) и субстрата ( м Sub ) рассчитывали в соответствии с уравнениями. 1 и 2 соответственно

    (1)

    (2)

    , где VS Sub — содержание VS в субстрате (%) и VS In — содержание VS в инокуляте (%).

    Контрольные образцы, содержащие только инокулят, включались в каждое испытание и использовались для вычета образования фонового газа из инокулята. Перед началом испытаний BMP в реакторы не добавлялись никакие внешние питательные вещества или микроэлементы. Все данные были отобраны с разрешением 10 мл и преобразованы в ежедневные значения (, т.е. , одна точка данных в день).

    Расчет биохимического метанового потенциала (БМП)

    Экспериментальный выход метана ( BMP Exp ; с поправкой на 0 °C, 1 атм и сухие условия) рассчитывали как накопленный метан, произведенный на грамм VS, добавленного в каждый реактор, как показано в уравнении.3,

    (3)

    , где V Sub — среднее значение накопленного метана, полученного в реакторе со смесью инокулята и субстрата (мл), V In — среднее значение накопленного объема, произведенного контрольными образцами (мл) , а m ВС – масса ВС, добавленного к субстрату в реакторе (г ВС ).

    Саймонс и Басуэлл (1933) разработали «уравнение Басуэлла» (уравнение 4) для расчета теоретически возможного производства метана ( BMP Th Buswell ; уравнение.5) по химическому составу субстрата:

    (4)

    (5)

    Значение BMP Th Buswell представляет собой предельное количество метана, которое данный субстрат может произвести, если все содержащиеся в нем органические вещества подверглись биологическому разложению и превратились в метан.

    Анаэробная биоразлагаемость (BD) и эффективность удаления углеводов

    Теоретический выход метана был использован для расчета уровня анаэробной биоразлагаемости (BD), как показано в уравнении.6,

    (6)

    , где BMP Exp — экспериментальный выход метана (мл/г VS ), а BMP Th Buswell — теоретический выход метана (мл/г VS ), который был определен из уравнения Басуэлла. .

    Кроме того, эффективность удаления углеводов во время периодического испытания была рассчитана на основе общего удаления массы из испытательных реакторов и пустых реакторов, как показано в уравнении. 7,

    (7)

    , где F — общее количество углеводов в субстрате, добавленном в реактор (г), I — общее количество углеводов в инокуляте, добавленном в реактор (г), a — расчетное удаление углеводов эффективность субстрата плюс инокулята в расчете на общую начальную и конечную массу углеводов, присутствующих в реакторе (%), а b — расчетная эффективность удаления углеводов инокулята в холостом реакторе (%).

    Аналитические методы

    Перед каждой аналитической обработкой общее содержание твердых веществ (TS) в образцах определяли гравиметрически при 105 °C. В соответствии с Lorenz et al. (2016), был применен двухстадийный гидролиз серной кислотой, при котором образцы подвергались воздействию серной кислоты концентрацией 72% (вес/вес) при 30 °C ровно в течение 1 часа. Гидролиз продолжали на второй стадии с использованием 4% (масс./масс.) серной кислоты в течение 40 мин при 120°С в автоклаве. Остатки гидролиза (ОГ) промывали дистиллированной водой, сушили при 105 °С и определяли гравиметрически содержание ПС.Затем HR прокалили в муфельной печи при 525 °C в течение 6 ч, охладили в эксикаторе и снова взвесили. Количество высушенного в печи и беззольного HR рассматривалось как содержание нерастворимого в кислоте лигнина и далее упоминается как «лигнин». Количественный и качественный состав углеводов в гидролизатах анализировали с помощью борат-анионообменной хроматографии с постколоночной дериватизацией и УФ-детектированием при 560 нм (Lorenz et al. 2016). Зольность определяли сжиганием при 525 °C (TAPPI 211 om-02 2002).Затем рассчитывали количество ВС как отношение разницы между количеством образца после сушки (при 105°С) и сжигания (при 525°С) и исходным количеством образца. Элементный анализ (содержание углерода, водорода, азота и серы) образцов выполнен на кубе Elementar vario EL (Германия) при 1150 °С. После этого содержание металлов (кальций, железо, калий, магний, алюминий, фосфор, натрий и медь) в образцах определяли с помощью оптико-эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES; двойной обзор iCAP 6300, THERMO SCIENTIFIC, Германия). ) на длине волны 231.6 нм. Плазма поддерживалась индукционным нагревом аргона генератором на 40 МГц.

    Модели нелинейной регрессии были созданы с использованием функции «Решатель» в программном обеспечении Excel, 2010. Предсказываемые моделью выходы метана были нанесены на график с измеренными выходами метана с использованием программы Excel.

    РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

    Характеристика подложки

    Зольность, а также содержание углеводов и лигнина в исследованных смесях PfR представлены в таблице 1.Образцы были названы в честь целевой яркости конечного бумажного продукта: PfR70, PfR80, PfR90 и PfR100. После сушки вымораживанием образцы показали содержание TS от 87,4% до 98,2%.

    Таблица 1. Содержание золы, общих углеводов и лигнина в смесях PfR на основе общего содержания твердых веществ (TS)

    Основное различие между исследованными смесями ПфР заключалось в происхождении их волокон (механическая или химическая масса; см. раздел «Материалы»), что, соответственно, определяло их химический состав и отражалось на содержании углеводов и лигнина.В исследованных образцах PfR70 показал самое высокое содержание лигнина – 18,9%. Содержание углеводов в PfR70, PfR80 и PfR90 находилось в диапазоне от 56,8% до 62,5%, тогда как содержание лигнина составляло 12,3% для PfR80 и 7,2% для PfR90. PfR100 явно показал самое высокое содержание углеводов с 74,3% и только 0,8% содержания лигнина.

    Следует отметить, что различные изделия из бумаги имеют покрытие или наполнены. Минеральные наполнители, такие как карбонат кальция (CaCO 3 ), часто применяются для получения гладкой поверхности бумаги.Таким образом, зольность исследованных смесей PfR также можно считать индикатором степени применения наполнителя или покрытия. В таблице 1 PfR90 показал самое высокое содержание золы с 27,0%, что указывает на то, что большинство волокон было из минералосодержащей бумаги, тогда как самое низкое содержание золы было измерено для образца PfR70 (18,9%).

    Смеси PfR обрабатывали лабораторной флотацией, как описано в разделе «Методы». Выход ДП после флотации составил 89,8% (ДП70), 88.5% (DP80), 84,6% (DP90) и 88,2% (DP100). Следовательно, от 10,2% до 15,4% исходного PfR было отклонено как DS. Этот результат согласовывался с данными литературы. Эллуми и др. В Постановлении № (2016 г.) указано, что при производстве переработанной бумаги образуется до 150 кг сухого вещества на тонну продукта. Объединив вышеупомянутые выходы DS после лабораторного обесцвечивания с показателями годового производства немецких заводов DP, можно рассчитать количество DS, доступное для использования в качестве сырья для AD. В 2015 году производство DP составило около 5.7 миллионов тонн в Германии (VDP 2016). Следовательно, может быть доступно от 649 483 тонн (DS70; 10,2%) до 1 040 865 тонн (DS90; 15,4%) DS (н.д.). Эти цифры вполне сопоставимы с теми, о которых сообщают Jung et al. (2014 г.), который оценил годовой объем DS в 595 200 тонн (н. д.).

    Таблица 2. Зола, общие углеводы, лигнин и CaCO 3 Содержание инокулята и образцов DS на основе общего содержания сухих веществ (TS); Содержание летучих твердых веществ на основе свежего вещества (FM)

    Характеристики образцов ДС и инокулята представлены в таблице 2.В качестве инокулята, используемого для тестов периодической ферментации в этом исследовании, использовался переваренный осадок сточных вод, собранный с муниципальной станции очистки сточных вод. Он имел исходное содержание TS 2,3% и зольность 38,7%. Это соответствовало содержанию ВС 1,4% в пересчете на свежее вещество. рН инокулята был в нейтральном диапазоне со значением 7,4. Элементный анализ и анализ ИСП-ОЭС инокулята показали высокое содержание железа (8,6%), азота (5,1%), кальция (3,8%), фосфора (3,5%) и алюминия (1,5%).0%). Содержание других микроэлементов (калий, натрий, магний и медь) не превышало 1%.

    После лабораторной флотации образцы DS были высушены вымораживанием с содержанием TS около 98%. Зольность этих лиофилизатов колебалась от 45,9% (DS70) до 63,5% (DS100), где большая часть неорганической фракции была представлена ​​карбонатом кальция (от 69,5% до 74,3% CaCO 3 , исходя из содержания золы). Это свидетельствовало о том, что после флотации образцов ПфР неорганические компоненты наполнителя накапливались во фракции ДС.

    Только для образцов DS были обнаружены очень высокие отношения C/N, от 72,2 до 111,5. Однако после инокуляции сброженным осадком сточных вод (C/N = 6,2) инокулированные смеси имели более подходящие отношения C/N в диапазоне 6,2 и 9,3 (данные не показаны), которые необходимы микроорганизмам для БА (Wang ). и др. 2014).

    В четырех исследованных образцах ДС наблюдалось непрерывное увеличение зольности от ДС70 до ДС100. Это было равносильно уменьшению количества VS в диапазоне от 35.0% и 52,9% (в пересчете на свежее вещество). Аналогичная тенденция была обнаружена и в отношении содержания углеводов. DS100 показал самое высокое количество углеводов (25,8%), а DS70 показал самое низкое количество (14,2%). Эти тенденции можно предположительно объяснить тем, что флотационное обесцвечивание является процессом с ограниченной селективностью. Удаление краски часто сопровождается отбраковкой волокон, в частности мелких волокон (<0,2 мм) и частиц наполнителя (Körkkö et al. 2008). В этом исследовании условия лабораторной флотации ( e.грамм. , температура, дозировка химикатов) поддерживались постоянными, чтобы обеспечить максимально возможное изменение качества DS. Поскольку содержание чернил в «высших» сортах PfR было значительно ниже, чем в «обычных» сортах (см. рис. 1; PfR100 против PfR70), весьма вероятно, что при флотации, например, PfR100 «нечернильные» частицы (волокнистая мелочь и наполнители) выбрасывались с ДС, чем при флотации PfR70.

    Установлено также, что в исследованных образцах ДС накапливаются кислотонерастворимые органические соединения (лигнин).До флотации соотношение углеводов и лигнина колебалось от 3,1 (PfR70) до 92,9 (PfR100) (табл. 1). Однако в образцах DS это соотношение оказалось между 0,6 и 5,1 (данные не показаны). Присутствие волокнистой мелочи, содержащей лигнин, может привести к низким значениям разлагаемости и выхода метана (Steffen et al. 2016). По данным Deviatkin et al. (2015), АД ДС не представляется жизнеспособным вариантом без предварительной обработки, которая проводится для повышения доступности для микроорганизмов.Однако, в отличие от другого лигноцеллюлозного сырья, ДС имеет преимущество, заключающееся в том, что кристаллическая структура целлюлозы уже нарушена в процессе производства бумаги и переработки. Это преимущество делает осадок более поддающимся микробной деградации (Boshoff et al. 2016). Для проверки этих предположений исследуемые образцы ДС подверглись испытаниям периодической ферментации. Особое внимание уделено влиянию компонентов (золы, углеводов и лигнина) ДС на общий выход метана, способность к разложению и скорость разложения.

    В отношении образцов DP содержание золы оказалось ниже, чем в исходных смесях PfR. Наибольшая зольность при флотации отмечена у ДП90, где зольность снизилась с 27,0 % (PfR90) до 21,0 %. Напротив, содержание углеводов в образцах DP увеличилось и колебалось от 60,5% (DP80) до 79,4% (DP100) (данные не показаны). Соответственно, по сравнению с исходными образцами PfR содержание лигнина в образцах DP несколько уменьшилось. Это можно рассматривать как еще одно свидетельство, подтверждающее теорию о преимущественном удалении волокнистой мелочи при флотационном обесцвечивании PfR.

    Метановый потенциал

    Результаты тестов периодического брожения образцов DS показаны на рис. 2. Здесь на рис. 2а показаны ежедневные выходы метана. На рис. 2b показаны кумулятивные выходы метана за первые 10 сут AD, а на рис. 2c представлены общие выходы метана после 21 сут AD. Хотя тесты на ферментацию проводились в общей сложности в течение 21 дня, можно ясно видеть, что не позднее, чем через 7 дней дополнительное образование метана не производилось или образовывались лишь незначительные количества.Это убедительно свидетельствовало о том, что процесс анаэробной конверсии ДВ заканчивается через очень короткое время. Сопоставимые результаты были получены Ghasimi et al. (2016), которые использовали ту же экспериментальную установку (AMPTS II) для периодической ферментации туалетной бумаги. Согласно Ghasimi et al. (2016), использование хорошо адаптированного инокулята может быть причиной столь коротких необходимых инкубационных периодов.

    Все образцы DS достигли своего пикового суточного производства метана в течение первых двух дней, и они не показали заметной начальной фазы запаздывания.Это подтверждает предположения, сделанные Boshoff et al. (2016 г.) относительно применимости DS. Наибольший уровень суточной продукции метана (рис. 2а) был достигнут при АД DS100 со значением 118,6 мл/г VS . DS80 и DS90 достигли сравнительно более низких уровней суточного образования метана при 80,1 мл/г VS и 85,9 мл/г VS соответственно. Наименьший суточный выход метана наблюдался во время АС DS70 со значением 59,4 мл/г VS .

    Сравнение общих выходов метана через 21 день (рис. 2c) показало, что при 280,4 мл/г VS DS100 обеспечивает самый высокий общий выход метана. Ферментация DS70 показала самый низкий общий выход метана на значительное количество, с 122,1 мл/г VS . В предыдущем исследовании изучался биогазовый потенциал различных мелочей из целлюлозы из вторичного и первичного волокна (Steffen et al. 2016). Можно сделать вывод, что присутствие мелочи из механической пульпы сильно ингибировало AD, что отражалось в низком выходе метана, составляющем всего 28 мл/г VS (термомеханическая мелочь).Поскольку PfR70, скорее всего, состоит в основном из содержащих лигнин волокон из механической пульпы, а мелкие частицы волокна, как правило, в основном удаляются при флотации, из этого следует, что незначительный выход метана из DS70 можно объяснить повышенным содержанием лигнина в мелкой фракции волокон. . Это было четко подчеркнуто наблюдением, что с уменьшением содержания лигнина в образцах ДС (см. Таблицу 2) общий выход метана постоянно увеличивался. AD DS70 с содержанием лигнина 24,9% привел к самому низкому общему выходу метана, тогда как самый высокий общий выход метана был достигнут во время AD DS100, который имел самое низкое содержание лигнина 5.1%.

    Насколько известно авторам, нет доступной информации конкретно относительно АД и метанового потенциала DS. Однако для шлама целлюлозно-бумажного комбината после очистки сточных вод в литературе сообщалось о выходе метана от 50 мл/г VS до 230 мл/г VS (Lin et al. 2011; Bayr and Rintala 2012; Хагельквист, 2013).

    В этом исследовании было измерено общее образование метана около 358 мл/г VS из эталонного образца (Avicel).Поскольку Avicel состоит только из единиц глюкозы (C 6 H 12 O 6 ) n , использование формулы Басуэлла (уравнения 4 и 5; Symons and Buswell 1933) привело к теоретическому выход метана 373 мл из переваривания 1 г авицела. Таким образом, использованный инокулят достиг 96% теоретически возможного выхода метана из Avicel. Согласно указаниям VDI 4630 (2006 г.), активность инокулята является адекватной, если может быть достигнуто не менее 80% теоретически возможного образования метана.

    Рис. 2. Продукция метана для АД проб ДС: а) суточные выходы метана; б) совокупный выход метана в зависимости от времени реакции; в) общие выходы метана после 21 сут РП; планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение (SD) трехкратных определений.

    Биоразлагаемость и эффективность удаления углеводов

    Уровень биоразлагаемости выражается как отношение между экспериментальным выходом метана ( BMP Exp ) и его теоретическим значением ( BMP Th Buswell ), которое можно рассчитать по элементному составу образца (Raposo и др. 2011). Содержание углерода (C), водорода (H), азота (N) и серы (S) в исследованных образцах ДС определяли 90–169 методом элементного анализа 90–170. Содержание H, N и S в четырех образцах DS было почти одинаковым (H: от 7,1% до 7,4%; N: от 0,5% до 0,8%; S: от 0,3% до 0,5%). Однако в количестве углерода наблюдались заметные различия. DS70 показал самое высокое содержание углерода с 55,0% (на основе содержания VS), тогда как DS90 показал самое низкое значение с 47,8%. Например, содержание элемента в древесине составляет около 50% углерода, 6% водорода, 44% кислорода и 0.05 до 0,4% азота (Chen 2014). Однако чистый лигнин на 65% состоит из углерода (Luo 2010). В предыдущем исследовании мелкие фракции механической пульпы показали содержание углерода до 51,7%, предположительно из-за повышенного содержания лигнина (Steffen et al. 2016). Жирные кислоты, как химический компонент натриевого мыла, применяемого в лабораторной флотации (см. раздел «Методы»), также могут приводить к повышенному содержанию углерода в DS (жирные кислоты: амфотерные молекулы с 16–18 углеродными цепями; Zhao et al. 2004). Следовательно, оба соединения (лигнин и жирные кислоты), каждое с разной массой, могли способствовать повышенному содержанию углерода в исследованных ДС.

    Таблица 3. Теоретический выход метана ( BMP Th ), биоразлагаемость ( BD ) и эффективность удаления углеводов образцов DS и эталонного образца (Avicel)

    При использовании формулы Басуэлла (ур. 4 и 5) высокое содержание углерода эквивалентно высокому значению теоретического выхода метана ( BMP Th Buswell ).Как показано в таблице 3, значения для BMP Th Buswell исследованных образцов DS находились в диапазоне от 485,9 мл/г VS до 585,1 мл/г VS . Для справки, Avicel (чистая целлюлоза) имеет теоретический выход метана всего 373,3 мл/г VS . Следовательно, при таких высоких значениях теоретического выхода метана биоразлагаемость ( BD Buswell ) оказалась относительно низкой. DS100 показал биоразлагаемость 55,3%, в то время как DS70 достиг биоразлагаемости только 20.9%.

    Несмотря на то, что метановый потенциал можно предсказать с помощью формулы Басуэлла, не принимается во внимание один важный фактор, а именно неподатливость и неоднородность рассматриваемой биомассы. При работе с чистыми субстратами, такими как сахара или липиды, этот фактор имеет меньшее значение, как видно из когерентных значений для эталонного образца (Авицел), который состоит только из единиц глюкозы. Однако при работе с лигноцеллюлозными субстратами важно понимать, что, во-первых, лигнин сам по себе не поддается биологическому разложению или подвергается лишь незначительному биоразложению в анаэробных условиях (Tong et al. 1990), а во-вторых, экранирующий эффект лигноцеллюлозной матрицы (ухудшающий биодеградацию углеводов) может еще больше снизить метановый потенциал (Thomsen et al. 2014). Следовательно, в этих условиях теоретический выход метана явно завышен по формуле Басуэлла. Для оценки уровня завышения необходимо дифференцировать биоразлагаемые и небиоразлагаемые компоненты органической фракции субстрата. В этом исследовании содержание углеводов в образцах DS было определено как потенциально биоразлагаемое, а содержание лигнина – как не поддающееся биологическому разложению.

    Начальная подача углеводов в каждом эксперименте может быть рассчитана на основе измеренного содержания углеводов в образцах DS (см. Таблицу 2) и количества DS, добавленного в реакторы для тестов периодической ферментации (см. уравнение 2). Анализ образцов ДС показал, что углеводная фракция состоит из гексоз (С 6 Н 12 О 6 ) и пентоз (С 5 Н 10 О 5 ). Из этих данных можно получить теоретический выход метана на основе углеводов ( BMP Th Carb ).Как показано в Таблице 3, эти значения были явно ниже значений элементного состава ( BMP Th Buswell ). Что касается исследованных образцов DS, то концентрация BMP Th Carb варьировалась от 97,1 мл/г VS (DS70) до 274,7 мл/г VS (DS100). На основании этих значений биоразлагаемость ( BD Carb ) образцов DS составляла от 90,6% (DS90) до 125,7% (DS70). Это ясно показало, что при расчете теоретического выхода метана, основанного исключительно на содержании углеводов в соответствующем образце ДС, теоретический выход метана был частично занижен.Значение DS70, намного превышающее 100%, было особенно поразительным. Учитывая, что волокнистая фракция DS70 сильно лигнифицирована (см. Таблицу 2; 24,9% лигнина) и, следовательно, практически не поддается биологическому разложению, это было явным признаком присутствия в DS других компонентов с высокой биоразлагаемостью. Потенциальным источником могут быть жирные кислоты, химический компонент натриевого мыла, используемого при флотации для удаления краски. При более высоком содержании чернил в исходном PfR предположительно большее количество мыла (присоединенного к частицам чернил) было удалено с DS во время флотации.Жирные кислоты с длинной цепью обладают особенно высоким метановым потенциалом (, например, , пальмитиновая кислота; C 16 H 32 O 2 : BMP Th = 1,006,3 мл/г). До сих пор нет данных о содержании жирных кислот в DS. Однако эти данные были бы очень ценны для оценки и особенно прогнозирования биогазового потенциала.

    Эффективность удаления углеводов во время АД образцов ДС рассчитывали по соотношению остаточного количества углеводов в дигестате и начального количества в реакторах (уравнение7). Как показано в Таблице 3, самая высокая эффективность удаления углеводов была получена при расщеплении DS100 со значением 97,6%, тогда как из DS70 было удалено только 34,8% исходных углеводов. В предыдущем исследовании Steffen et al. (2016), на АС наносили модельные субстраты (небеленая крафт-целлюлоза) с различным содержанием лигнина. Показано, что лигнин не только устойчив к биодеградации, но и ингибирует деградацию углеводов. Поэтому была исследована взаимосвязь между эффективностью удаления углеводов при АД ДС и содержанием лигнина.

    Рис. 3. Зависимость эффективности удаления углеводов от содержания лигнина

    Как показано на рис. 3, эффективность удаления углеводов хорошо коррелирует с содержанием лигнина в DS ( R ² = 0,99). Однако, как показано в таблице 3, значения частично противоречили значениям биоразлагаемости ( BD Carb ). В частности, при переваривании DS70 удалялось менее 40% исходного содержания углеводов, в то время как значение BD Carb явно превышало 100%.Очевидно, метановый потенциал DS70 должен был быть обусловлен органическими компонентами, отличными от углеводов. Кроме того, содержание лигнина в исследованных ДС играло важную роль в анаэробной деградации углеводов и может рассматриваться как надежная база данных для оценки биогазового потенциала данного конкретного субстрата.

    Кинетическая оценка

    Общеизвестно, что хорошо контролируемая порционная деградация подчиняется определенным кинетическим схемам, которые можно смоделировать с помощью подходящих кинетических моделей.Для сложных материалов, ограниченных гидролитическим разложением определенного вещества, обычно используется уравнение скорости первого порядка для описания профиля разложения (Angelidaki et al. 2009), как показано в уравнении. 8,

    (8)

    , где BMP ( t ) — кумулятивный выход метана в момент времени t (мл/г VS ), BMP max — потенциальный максимальный выход метана (1 мл/г 6 9091), k – константа скорости гидролиза (d -1 ), t – время (d).Параметры BMP max и k могут быть оценены с использованием нелинейной регрессии, подходящей к экспериментальным данным об урожайности в трех экземплярах.

    Рис. 4. Экспериментальные данные АД ДС соответствуют кинетической модели первого порядка: а) ДС70; б) ДС80; в) ДС90; г) ДС100

    Этот математический подход оправдан только тогда, когда гидролиз субстрата можно рассматривать как стадию, ограничивающую скорость, и, таким образом, когда ацетогенез и метаногенез не ограничивают скорость.Из-за организации испытаний периодической ферментации ежедневные измерения летучих жирных кислот (ЛЖК) не проводились. Однако, используя хорошо адаптированный инокулят и применяя ISR 2 в периодических испытаниях, авторы предположили, что ЛЖК не накапливались во время экспериментов.

    Для всех образцов ДС экспериментальные данные показали адекватное соответствие модели (рис. 4). По нелинейной регрессии константы скорости гидролиза составляют 0,66 (DS70), 0,79 (DS80), 0,77 (DS90) и 0.70 d -1 (DS100). Для авицела константа скорости гидролиза была определена как 0,36 -1 дней. Это согласуется с другими исследованиями с использованием того же ISR для переваривания субстратов на основе глюкозы, которые быстро разлагаются, как авицел (Raposo et al. 2011). По сравнению с константами скорости, указанными в исследованиях, в которых лигноцеллюлозные субстраты расщепляли, исследуемый DS имеет явные преимущества. Лью и др. (2012) оценивали лигноцеллюлозное сырье ( e.грамм. , кукурузная солома, пшеничная солома) для производства метана, и они сообщили о константах преобразования от 0,12 до 0,13 d -1 . Гасими и др. (2016) сравнили усвояемость туалетной бумаги на основе первичных волокон (VTP) и туалетной бумаги на основе переработанных волокон (RTP). VTP показал кажущуюся скорость гидролиза 0,19 дня -1 , в то время как для RTP было рассчитано значение 0,41 дня -1 .

    Сделан вывод о положительном влиянии на скорость гидролиза исследуемых ДС того факта, что в процессе переработки бумаги волокна подвергаются химическим и механическим воздействиям, разрушающим кристаллическую структуру целлюлозы и, таким образом, ускоряющим микробную деградацию.Кроме того, во время периодической ферментации DS не наблюдалось различимых начальных лаг-фаз (см. Рис. 2a и 2b). Оба этих вывода говорят в пользу короткого времени удерживания DS, что является решающим фактором при проектировании и оценке инвестиционных затрат на биогазовую установку промышленного масштаба.

    Энергетическая оценка анаэробного сбраживания (AD) шлама обесцвечивания (DS) в Германии

    Количество DS зависит от типа производимой бумаги. В этом исследовании выход DS варьировался от 10.от 2% до 15,4%, в зависимости от исходного PfR. Производство DP в Германии составляет примерно 5,7 млн ​​тонн в год (VDP e.V. 2016). Следовательно, количество DS можно оценить в пределах от 650 000 до 1 000 000 o.d. тонн/год. Общий вес VS, доступных для AD, колеблется от 280 000 (DS100) до 420 000 тонн в год (DS90).

    Результаты экспериментальных испытаний BMP показали, что самый высокий выход метана можно ожидать при разложении DS100 с 280 мл/г VS , что эквивалентно 280 м³/тонну VS .Таким образом, в год может быть произведено примерно 78 000 000 м³ метана. Учитывая более высокую теплотворную способность метана (55,5 МДж/кг) и его плотность при СТП (0,716 кг/м³), расчетное количество энергии, вырабатываемой от АД ДС в Германии, может составить до 3100 ТДж/год. Энергопотребление немецких мельниц DP (комбинированное производство тепла и электроэнергии) составляет приблизительно 62 000 ТДж/год (Suhr et al. 2015; VDP e.V. 2016). Таким образом, метан, полученный из AD на DS (DS100), может быть использован для замены 5% потребности в энергии немецких мельниц DP.Эти результаты могут привести к опытно-промышленной эксплуатации, которая может быть переведена в промышленное применение и проложить путь к изменению процесса обработки отходов мельницы DP. Кроме того, применение AD может снизить затраты на очистку сточных вод, поскольку образуется меньше шлама, который необходимо утилизировать.

    ВЫВОДЫ

    1. Результаты этого исследования в целом продемонстрировали успех эффективной мезофильной партии AD DS, полученной в результате флотационного обесцвечивания PfR различного качества.BMP DS измеряли в диапазоне от 122,1 (DS70) до 280,4 мл/г VS (DS100).
    2. Результаты показали, что исходное качество PfR напрямую определяет состав DS, который, в свою очередь, влияет на биоразлагаемость и общий выход метана. В этом исследовании была подтверждена тесная связь ( R ² = 0,99) между анаэробной конверсией углеводов и содержанием лигнина в СА.
    3. Обе кривые метанового потенциала и скорости производства метана предполагают, что DS100, происходящий из PfR с самым низким содержанием лигнина (0.8%), является наиболее подходящим для достижения эффективного максимального выхода метана при эффективности удаления углеводов 97,6%.
    4. Однако кинетические оценки показали, что все исследованные ДС могут быстро разлагаться, возможно, из-за воздействия химических и механических воздействий в процессе переработки бумаги. Это подтверждалось и отсутствием начальных лаг-фаз.
    5. Принимая во внимание количество DS, произведенного на немецких мельницах DP, и содержание VS, установленное в этом исследовании, общее количество энергии 3111 TJ/год может быть произведено AD, которое затем может быть использовано для замены до 5% потребности в энергии. немецких мельниц DP.

    БЛАГОДАРНОСТИ

    Авторы выражают признательность и благодарность Немецкой федерации ассоциаций промышленных исследований (AiF) за финансовую поддержку. Это исследование было проведено в рамках Проекта сотрудничества Центральной инновационной программы (ZIM) для малых и средних предприятий (ZIM-KF 2353703SA3). Выражаем особую благодарность Йонасу Эйххорсту из Positive Impact Network Pte Ltd, Сингапур, и Дирку Маннсу из Гамбургского технологического университета за текстовую и лингвистическую правку рукописи, а также сотрудникам Центра наук о древесине Гамбургского университета.

    ССЫЛКИ

    Ангелидаки И., Алвес М., Бользонелла Д., Борзаккони Л., Кампос Дж. Л., Гуви А. Дж., Калюжный С., Дженичек П. и ван Лиер Дж. Б. (2009). «Определение биометанового потенциала (BMP) твердых органических отходов и энергетических культур: предлагаемый протокол для периодических анализов», Water Sci. Технол. 59(5), 927-934. DOI: 10.2166/wst.2009.040

    Баджпай, П. (2013). Переработка и очистка рекуперированной бумаги , Elsevier, Оксфорд, Великобритания.

    Байр, С.и Ринтала, Дж. (2012). «Термофильное анаэробное сбраживание первичного ила целлюлозно-бумажного комбината и совместное сбраживание первичного и вторичного шлама», Water Res. 46(15), 4713-4720. DOI: 10.1016/j.waters.2012.06.033

    Бошофф, С., Готтумуккала, Л. Д., ван Ренсбург, Э., и Гёргенс, Дж. (2016). «Бумажный шлам (PS) в биоэтанол: оценка первичных и переработанных шламов для ферментации с низким содержанием ферментов и высоким содержанием твердых веществ», Bioresour. Технол. 203, 103-111. DOI: 10.1016/j.биортех.2015.12.028

    Чен, Х. (2014). «Химический состав и структура природной лигноцеллюлозы», в: Биотехнология лигноцеллюлозы – теория и практика , Х. Чен (ред.), Springer, Нидерланды, с. 26.

    Чен Х., Хан К., Даниэль К., Вендитти Р. и Джамиль Х. (2014a). «Преобразование шлама промышленной бумаги в этанол: фракционирование шлама и его воздействие», Appl. Биохим. Биотех. 174(6), 2096-2113. DOI: 10.1007/s12010-014-1083-z

    Чен, Х., Вендитти Р., Гонсалес Р., Филлипс Р., Джамиль Х. и Парк С. (2014b). «Экономическая оценка преобразования шлама промышленной бумаги в этанол», Energ. Экон. 44, 281-290. DOI: 10.1016/j.eneco.2014.04.018

    Конфедерация европейской бумажной промышленности (CEPI) (2016 г.). «Ключевая статистика 2015: целлюлозно-бумажная промышленность Европы», (http://www.cepi.org/system/files/public/documents/publications/statistics/2016/FINALKeyStatistics2015web.pdf), по состоянию на 7 февраля 2017 г.

    Девяткин И., Куяла, А., и Хорттанайнен, М. (2015). «Возможности утилизации шлама обесцвечивания: технико-экономические и экологические оценки – Отчет об обязанностях LUT Energy в проекте EMIR, 2012-2014», Лаппеенрантский технологический университет, , (http://www.doria.fi/bitstream/handle/ 10024/104853/EMIR%20Final%20report.pdf?sequence=2), по состоянию на 7 февраля 2017 г.

    Эллуми, А., Махлуф, М., Эллеучи, А., и Брадай, К. (2016). «Шлам обесцвечивания (DS), новый бионаполнитель для композитов HDPE», Polymer-Plastics Technology and Engineering 55(10), 1012-1020.DOI: 10.1080/03602559.2015.1132432

    ЕН 643:2014-11 (2014). «Бумага и картон — Европейский список стандартных сортов бумаги и картона для вторичной переработки», Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), Берлин, Германия.

    EurObserv’ER (2014). «Биогазовый барометр» (http://www.eurobserv-er.org/pdf/biogas-barometer-2014-en/), по состоянию на 7 февраля 2017 г.

    .

    Гасими, Д.С.М., Зандвоорт, М.Х., Адриансе, М., ван Лиер, Дж.Б., и де Кройк, М. (2016). «Сравнительный анализ усвояемости мелко просеянной фракции сточных вод и гигиенической бумаги, изготовленной из первичного и вторичного волокна», Управление отходами. 53, 156-164. DOI: 10.1016/j.wasman.2016.04.034

    Хагельквист, А. (2013). «Периодическое мезофильное анаэробное совместное сбраживание вторичного осадка целлюлозно-бумажной промышленности и осадка городских сточных вод», Управление отходами. 33(4), 820-824. DOI: 10.1016/j.wasman.2012.11.002

    Международная ассоциация индустрии очистки от краски (INGEDE) (2012 г.). «Метод INGEDE 11: Оценка пригодности печатной продукции к вторичной переработке — Тест на способность к удалению краски» (http://www.ingede.de/ingindxe/methods/ingede-method-11-2012.pdf), по состоянию на 7 февраля 2017 г.

    Юнг Х., Каппен Дж., Гессе А. и Гётц Б. (2014). «Обследование остатков 2013 г.: появление и местонахождение остатков целлюлозно-бумажной промышленности», Wochenbl. Папьерфабрик. 142(10), 628-630.

    Камали, М., Гамейро, Т., Коста., М.Е.В., и Капела, И. (2016). «Анаэробное сбраживание отходов целлюлозно-бумажного производства — обзор разработок и возможностей улучшения», Chem. англ. J. 298, 162-182. ДОИ: 10.1016/j.cej.2016.03.119

    Кёрккё, М., Лайтинен, О., Валроос, С., Эммяля, А., и Ниинимаки, Дж. (2008). «Удаление компонентов при флотационном обесцвечивании», Progress in Paper Recycling 17(4), 15-22.

    Ляхдениеми, А., Мякеля, М., и Даль, О. (2013). «Сушка/фракционирование шлама обесцвечивания с помощью высокоскоростного циклона», Dry. Технол. 31(4), 378-384. DOI: 10.1080/07373937.2012.721040

    Лью, Л. Н., Ши, Дж., и Ли, Ю. (2012). «Производство метана в результате твердофазного анаэробного сбраживания лигноцеллюлозной биомассы», Biomass Bioenerg. 46, 125-132. DOI: 10.1016/j.biombioe.2012.09.014

    Линь Ю., Ван Д., Ли К. и Сяо М. (2011). «Мезофильное периодическое анаэробное совместное сбраживание целлюлозно-бумажного шлама и отработанного раствора глутамата натрия для производства метана в автоклаве», Bioresour. Технол. 102(4), 3673-3678. DOI: 10.1016/j.biortech.2010.10.114

    Лоренц Д., Эрасми Н., Акил Ю. и Сааке Б. (2016). «Новый метод количественного определения моносахаридов, уроновых кислот и олигосахаридов в частично гидролизованных ксиланах с помощью HPAEC-UV/VIS», Carbohyd.Полим. 140, 181-187. DOI: 10.1016/j.carbpol.2015.12.027

    Луо, Дж. (2010). Углеродное волокно на основе лигнина , к.т.н. Диссертация, Университет штата Мэн, штат Мэн.

    Монте, М. К., Фуэнте, Э., Бланко, А., и Негро, К. (2009). «Управление отходами целлюлозно-бумажного производства в Европейском Союзе», Waste Management. 29(1), 293-308. DOI: 10.1016/j.wasman.2008.02.002

    Уади, М., Браммер, Дж., Хорнунг, А., и Кей, М. (2012). «Отходы к энергии», ТАППИ Дж. 11(2), 55-64.

    Ragauskas, A.J., Williams, C.K., Davison, B.H., Britovsek, G., Cairney, J., Eckert, C.A., Frederick, W.J., Hallett, J.P., Leak, D.J., Liotta, C.L., et al. (2006 г.). «Путь вперед для биотоплива и биоматериалов», Science 311(5760), 484-489. DOI: 10.1126/наука.1114736

    Рапозо, Ф., Фернандес-Сегри, В., Де ла Рубиа, М.А., Борха, Р., Белин, Ф., Кавинато, К., Демирер, Г., Фернандес, Б., Фернандес-Поланко, М. , Фригон, Дж.С., и др. (2011). «Биохимический метановый потенциал (BMP) твердых органических субстратов: оценка анаэробной биоразлагаемости с использованием данных международного межлабораторного исследования», J. Chem. Технол. Биот. 86(8), 1088-1098. DOI: 10.1002/jctb.2622

    Робус, К.Л.Л., Готтумуккала, Л.Д., ван Ренсбург, Э., и Гёргенс, Дж.Ф. (2016). «Возможная разработка процесса и технико-экономическая оценка преобразования бумажного шлама в биоэтанол: сценарий бумажных фабрик в Южной Африке», Renew.Энерг. 92, 333-345. DOI: 10.1016/j.renene.2016.02.017

    Родригес-Чианг, Л. М., и Даль, О. П. (2015). «Влияние соотношения инокулята и субстрата на метановый потенциал сточных вод производства микрокристаллической целлюлозы», BioResources 10(1), 898-911. DOI: 10.15376/biores.10.1.898-911

    Суси, Дж., Кубаа, А., Миньо, С., и Ридл, Б. (2014). «Потенциал шлама бумажной фабрики для древесно-пластиковых композитов», Ind. Crop. Произв. 54, 248-256.DOI: 10.1016/j.indcrop.2014.01.013

    Штеффен Ф., Рекехо А., Эвальд К., Янзон Р. и Сааке Б. (2016). «Анаэробное сбраживание мелочи при переработке макулатуры — влияние источника волокна, содержания лигнина и золы на биогазовый потенциал», Bioresour. Технол. 200, 506-513. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.10.014

    Зур, М., Кляйн, Г., Курти, И., Гонсало, М. Р., Сантоха, Г. Г., Рудье, С., и Санчо, Л. Д. (2015). «Наилучшие доступные технологии (НДТ) — Справочный документ для производства целлюлозы, бумаги и картона», Европейская комиссия , (http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/BREF/PP_revised_BREF_2015.pdf), по состоянию на 7 февраля 2017 г.

    Саймонс, Г. Э., и Басуэлл, А. М. (1933). «Метановая ферментация углеводов», J. Am. хим. соц. 55(5), 2028-2036. DOI: 10.1021/ja01332a039

    TAPPI T211 om-02 (2002 г.). «Зола в древесине, целлюлозе, бумаге и картоне: горение при 525 °C», TAPPI Press, Атланта, Джорджия.

    Томсен, С. Т., Сплайд, Х., и Остергард, Х. (2014). «Статистическое прогнозирование биометановых потенциалов на основе состава лигноцеллюлозной биомассы», Биоресурс.Технол. 154, 80-86. DOI: 10.1016/j.biortech.2013.12.029

    Тонг, X., Смит, Л. Х., и Маккарти, П. Л. (1990). «Метановая ферментация выбранных лигноцеллюлозных материалов», Biomass 21(4), 239-255. DOI: 10.1016/0144-4565(90)

      VDI 4630 (2006 г.). «Ферментация органических материалов — характеристика субстрата, отбор проб, сбор данных о материалах, тесты на ферментацию», Verein Deutscher Ingenieure, Дюссельдорф, Германия.

      Verband Deutscher Papierfabriken (VDP) e.В. (2016). «Paper 2016 — Годовой отчет», VDP e.V., Бонн, Германия.

      Ван, X., Лу, X., Ли, Ф., и Ян, Г. (2014). «Влияние температуры и соотношения углерода и азота (C/N) на эффективность анаэробного совместного сбраживания молочного помета, куриного помета и рисовой соломы: основное внимание уделяется ингибированию аммиака. PLOS ONE 9(5), e97265. DOI: 10.1371/journal.pone.0097265

      Инь Д., Линь Ю., Чен З., Цяо Дж., Сяо М. и Ван Д. (2016). «Производство бумаги для гофрирования со вторичными волокнами из сброженного шлама обесцвечивания», J.Инд.Инж. хим. 37, 168-174. DOI: 10.1016/j.jiec.2016.03.026

      Чжан, З., Маккуорри, Д. Дж., Агиар, П. М., Кларк, Дж. Х., и Матару, А. С. (2015). «Одновременное восстановление органического и неорганического содержимого остатков обесцвечивания бумаги посредством низкотемпературного пиролиза в микроволновой печи», Environ. науч. Технол. 49(4), 2398-2404. DOI: 10.1021/es505249w

      Чжао Ю., Дэн Ю. и Чжу Дж. Ю. (2004). «Роль поверхностно-активных веществ во флотационном обесцвечивании», Progress in Paper Recycling 14(1), 41-45.

      Статья отправлена: 7 февраля 2017 г.; Экспертная оценка завершена: 13 апреля 2017 г.; Принята исправленная версия: 27 апреля 2017 г.; Опубликовано: 3 мая 2017 г.

      DOI: 10.15376/biores.12.3.4547-4566

      Совместное производство продуктов биопереработки из шлама крафт-бумаги и сельскохозяйственных отходов: возможности и проблемы

      Совместное производство продуктов биопереработки из шлама крафт-бумаги и сельскохозяйственных отходов: возможности и проблемы

      Как основной поток отходов целлюлозно-бумажной промышленности, бумажный шлам считается угрозой для окружающей среды, поскольку большая его часть утилизируется на свалку или сжигается, что может привести к серьезному загрязнению почвы, воды или воздуха.Однако щелочной бумажный шлам может стать катализатором предварительной обработки биомассы, а также содержит большое количество волокна, которое можно использовать в качестве сырья для производства этанола. Растворенный лигнин при предварительной щелочной обработке может быть извлечен в качестве побочного продукта хорошего качества, такого как гранулы лигнина. Зола в бумажном шламе также может быть восстановлена, чтобы заменить песок в качестве сырья для производства строительных растворов. Однако использование бумажного шлама для промышленного производства этанола в настоящее время представляет собой проблему из-за низкого содержания твердых веществ и высокого pH.Поэтому в этой статье предлагается новый концептуальный дизайн для объединения бумажного шлама и сельскохозяйственных отходов (, например, рисовой соломы в этом исследовании) для производства этанола и других побочных продуктов. Чистая приведенная стоимость используется для оценки экономического потенциала двух предлагаемых технологических процессов: (1) действующая технология превращения сахаров C5 в биогаз; и (2) перспективная технология совместной ферментации сахаров С5 и С6 в этанол. Установлено, что оба подхода могут быть экономически целесообразными, но при разных масштабах производства.Также проводится анализ чувствительности для изучения влияния размера завода, состава потока сырья (соотношение между рисовой соломой и бумажным шламом) и субсидий на экономические показатели предлагаемых проектов.

      У вас есть доступ к этой статье

      Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

      Интермедиаты лигнина приводят к образованию фенилкислоты и сдвигу микробного сообщества в мезо- и термофильных реакторах периодического действия | Биотехнология биотоплива и биопродуктов

      Мезофильные реакторы

      Производство метана , Концентрации летучих жирных кислот , и рН

      Совокупное производство метана и концентрации ацетата показаны на рис.1. Дополнительные результаты, касающиеся концентрации летучих жирных кислот (ЛЖК) и значений pH, см. в дополнительном файле 1: Таблица S1. Что касается мезофильных контролей, которые произвели до 85 Нмл метана (приблизительно 80% теоретического производства метана) в течение 28 дней, не наблюдалось существенных различий в производстве биогаза при добавлении промежуточных продуктов лигнина в условиях низкой углеродной нагрузки (LCL ) условия. Наибольшее кумулятивное (кумулятивное) образование метана через 28 дней можно было наблюдать в образцах сиринговой кислоты в условиях средней углеродной нагрузки (MCL) и в образцах MCL галловой кислоты (130 ± 7.08 и 111 ± 3,40 нмл CH 4 кубических сантиметров соответственно), за которыми следуют образцы LCL сиринговой кислоты и LCL галловой кислоты (98,1± 4,38 и 95,6± 6,41 нмл CH 4 кубических сантиметров соответственно). В образцах MCL можно было наблюдать значительные различия в производстве метана для различных промежуточных продуктов лигнина: образцы MCL кумаровой кислоты производили значительно меньше метана (15,2 ± 3,10 Нмл CH 4 ), чем образцы сиринговой кислоты в течение 28 дней. Метан почти не образовывался в образцах в условиях высокой углеродной нагрузки (HCL), независимо от добавленного промежуточного соединения лигнина (рис.1).

      Рис. 1

      a Совокупное производство метана (нмл) выделено серым цветом, концентрации промежуточных соединений лигнина (мМ) выделено зеленым (треугольник), сумма фенильных кислот (мМ) синим (ромб) и концентрации ацетата (мМ) ) красным цветом (круг) мезофильных образцов, обработанных галловой (верхний ряд), сиреневой (средний ряд) и ванилиновой кислотой (нижний ряд) при низкой (левый столбец), средней (средний столбец) и высокой (правый столбец) перегрузке условия от дня 0 до дня 28. Маркеры и прямоугольники показывают медиану и процентили (25–75%), соответственно. b Совокупное производство метана (нмл) выделено серым цветом, концентрации промежуточных продуктов лигнина (мМ) выделено зеленым (треугольник), сумма фенильных кислот (мМ) выделена синим цветом (ромб) и концентрации ацетата (мМ) выделены красным (круг) мезофильные образцы, получавшие феруловую (верхний ряд) и кумаровую кислоту (нижний ряд) в условиях низкой (левый столбец), средней (средний столбец) и высокой (правый столбец) условий перегрузки с 0-го по 28-й день. Маркеры и прямоугольники показывают медиану и процентили (25–75%), соответственно

      Резкое увеличение концентрации ацетата можно было наблюдать в образцах HCL галловой кислоты начиная с 7-го дня и достигало своего максимума на 21-й день (90.2 ± 8,59 мМ ацетата, рис. 1а). Образцы LCL кумаровой кислоты также показали довольно высокие концентрации ацетата на 21-й день (60,7 ± 7,49 мМ ацетата, рис. 1b). Концентрация ацетата в контрольных образцах (20,2 ± 1,75 мМ) достигла пика на 14-й день, а затем снизилась.

      Все варианты начинались с pH 7,0. В контрольных образцах рН незначительно увеличился до 7,5 (28-е сутки). За исключением образцов MCL с кумаровой кислотой, pH которых на 28-й день был равен 6,5, все образцы LCL и MCL имели pH 7.0 в конце инкубационного периода; самый низкий рН в течение всего периода инкубации составлял 6,5 для образцов LCL и 6,0 для образцов MCL. В образцах HCL pH снизился до 5,5 в образцах галловой и феруловой кислот и до 5,0 в образцах сиринговой, ванилиновой и кумаровой кислот (дополнительный файл 1: таблица S1).

      Промежуточные продукты лигнина и концентрации фениловой кислоты

      На рис.1. Подробное описание каждой измеренной концентрации фениловой кислоты см. в дополнительном файле 1: таблицы S2 и S3. В условиях LCL все промежуточные продукты лигнина разлагались до более мелких фенилкислот или неароматических молекул (дополнительный файл 1: таблицы S2 и S3, рис. 1). Между вариантами в условиях MCL и HCL можно было наблюдать значительные различия в скорости деградации. В условиях MCL 92% сиринговой кислоты разлагались до более мелких молекул, за которыми следовала галловая кислота (86%), кумаровая кислота (85%), ванилиновая кислота (71%) и феруловая кислота (54%).В условиях HCL можно было наблюдать аналогичную тенденцию: самая высокая скорость разложения была обнаружена в образцах галловой кислоты (44%), затем кумаровой кислоты (34%), сиринговой кислоты (14%), ванилиновой кислоты (10%) и феруловой кислоты. пробы кислоты (10%).

      Самые высокие концентрации фениловой кислоты (сумма) могут быть показаны в образцах кумаровой HCL, особенно начиная с 14-го дня. На 28-й день концентрация фениловой кислоты (сумма) 19,1 ± 0,99 мМ представляла кульминационный момент (рис. 1b). Образцы кумаровой кислоты в условиях MCL также показали увеличение концентрации фениловой кислоты (сумма) с течением времени (8.66   ± 0,46 мМ на 28-й день), а затем образцы ванильного HCL (5,35   ±   2,25 мМ на 14-й день). В контрольных образцах концентрация фениловой кислоты (сумма) колебалась от 0,00 мМ в день 0 до 0,33 ± 0,06 мМ в день 14; эти фениловые кислоты, предположительно, получены из остатков ароматических предшественников, которые были введены с инокулятом.

      Состав микробного сообщества

      После подвыборки для мезофильных проб осталось 1050 операционных таксономических единиц (OTU).Удаление OTU с общим числом чтений ниже 50 привело к сокращению до 343 OTU. Наиболее многочисленными типами были Bacteroidetes , Firmicutes , Chloroflexi и Cloacimonetes . Порядки Bacteroidales , Clostridiales , Anaerolineales , Cloacimonadales , Sphingobacteriales , Synergistales , Methanosarcinales , Betaproteobacteriales , Syntrophobacterales , клостридии DTU014, Spirochaetales и Caldatribacteriales доминировал в мезофильных пробах.Подробное интерактивное изображение состава микробного сообщества каждого варианта в день 0, 14 и 28 можно найти в дополнительном файле 1: рисунок S2).

      Альфа-разнообразие мезофильных образцов было особенно высоким в условиях HCL по сравнению с контролем, образцами LCL и MCL на 14 и 28 день (рис. 2а). Как показано в ординации неметрического многомерного шкалирования (NMDS) (рис. 2b), все образцы HCL 14-го и 28-го дня, а также контрольные образцы 0-го дня сформировали плотный кластер, который отчетливо отличался от других образцов/кластеров. .Следующими наиболее похожими объектами в этом кластере были образцы MCL кумаровой кислоты, за которыми следовали образцы MCL феруловой кислоты на 14-й и 28-й день соответственно. Более того, контрольные образцы и образцы LCL на 14-й и 28-й день, а также образцы MCL с галловой и ванилиновой кислотами на 28-й день были близко ординированы (рис. 2б), что указывает на сходный состав сообщества.

      Рис. 2

      a Вверху: индекс разнообразия Шеннона для мезофильных контролей (1-й столбец) и образцов в условиях LCL (2-й столбец), MCL (3-й столбец) и HCL (4-й столбец).Результаты 14-го и 28-го дня представлены серым и черным цветом соответственно. Внизу: прямоугольные диаграммы показывают результаты разнообразия контролей и образцов LCL, MCL и HCL на 28-й день. образцы кислоты в условиях низкой (LCL), средней (MCL) и высокой (HCL) перегрузок в день 0, 14 и 28. Образцы были соединены для создания минимального связующего дерева. Ось x удлинена для лучшей визуализации.График Шепарда показывает значение стресса 0,15

      . Что касается состава микробного сообщества, тип Bacteroidetes значительно уменьшился с низкого (40,7 ± 12,0%) до среднего (26,3 ± 3,22%) и группы с высоким содержанием фениловой кислоты. (ПАГ) (26,2 ± 2,91%), тогда как Firmicutes постепенно увеличивались (p < 0,05) от низкого (16,4 ± 5,34%) до среднего (19,4± 2,56%), до высокого уровня ПАГ (24,7± 1,62%). ). Тип Euryarchaeota также уменьшился с образованием фениловой кислоты (4.44 ± 1,93%, 3,14 ± 1,12% и 2,75 ± 0,63% в низком, среднем и высоком ПАГ соответственно). На уровне рода средняя относительная численность рода Anaerolineaceae ADurb.Bin120 (7,51 ± 1,80%), Fastidiosipila spp. (7,32 ± 0,93%), а Candidatus Cloacimonas (7,29 ± 0,52%) были самыми высокими в образцах с высоким содержанием ПАГ ( n  = 6), тогда как Macellibacteroides  spp. был самым многочисленным родом в образцах с низким содержанием PAG (19,5 ± 14,6%), как показано на рис. 3а. Anaerolineaceae ADurb.Bin120 доминировал во всех промежуточных вариациях лигнина, а также составлял значительную часть основного микробиома образцов с высоким содержанием PAG (таблица 2). Fastidiosipila spp. также было очень много в условиях HCL, особенно в образцах феруловой и кумаровой кислот (дополнительный файл 1: рисунок S1b). Более того, Fastidiosipila spp. был членом основного микробиома и биомаркером размера эффекта линейного дискриминантного анализа ( LEfSe ) для высокого уровня PAG (таблица 2). Род Lactobacillus был очень богат галловой и сиреневой кислотой HCL (и частично ванилиновой кислотой HCL), но не образцами феруловой или кумаровой кислоты HCL (дополнительный файл 1: рисунок S2).

      Рис. 3

      a Расширенные полосы погрешностей, показывающие средние доли последовательностей (%) мезофильных родов с низким ( n  = 82) и высоким ( n  = 6) образцами PAG в день 0, 14 и 28. Из-за большого разнообразия изображены только роды, демонстрирующие значительные различия и размер эффекта  > 1. b Относительное содержание последовательностей (%) мезофильных метаногенов низкого, среднего и высокого ПАГ. Полосы и усы представляют собой средние значения и стандартные отклонения, соответственно.был наиболее распространенным метаногеном (средняя относительная численность: 1,5%), за ним следуют два рода порядка Methanofastidiosales (0,8%) и Methanospirillum spp. (0,7%). Независимо от промежуточного соединения лигнина, Methanosaeta spp. был доминирующим метаногеном в контрольных образцах и образцах LCL на 14 и 28 день. В образцах MCL явное преобладание Methanosaeta spp. нельзя было наблюдать. Например, в образцах MCL галловой и сиринговой кислот средняя относительная численность Methanosarcina spp. составляет 2%.Напротив, Methanoculleus spp. был доминирующим метаногеном в образцах HCL галловой кислоты и кумаровой кислоты на 14 и 28 день (1%), а также был важным биомаркером LEfSe , когда наблюдались высокие концентрации фениловой кислоты (таблица 2). Относительное содержание метаногенов соответствующих ПАГ показано на рис. 3б.

      Теплолюбивые сообщества

      Производство метана , Концентрации летучих жирных кислот , и рН

      Совокупное образование метана и концентрации ацетата в термофильных образцах показаны на рис.4. Дополнительные результаты, касающиеся концентрации ЛЖК и значений pH, см. в дополнительном файле 1: таблица S4. В целом накопленная добыча метана в HCL была значительно ниже, чем во всех других вариантах. Более того, разница в кумулятивном образовании метана также была значительной между образцами LCL и MCL. Наибольшая кумулятивная продукция метана может наблюдаться в LCL феруловой кислоты (121 ± 18,8 нмл CH 4 кубических сантиметров), LCL сиринговой кислоты (109 ± 15,1 нмл CH 4 кубических метров) и в образцах LCL ванилиновой кислоты (100 ± 3.41 Нмл CH 4 куб.см). Контроль показал кумулятивное производство метана 95,9 ± 19,9 Нмл (приблизительно 86% теоретического производства метана). Все остальные варианты показали более низкую продукцию метана, чем контроль. В образцах HCL метан не образовывался, независимо от используемого субстрата.

      Рис. 4

      a Совокупное производство метана (нмл) выделено серым цветом, концентрации промежуточных соединений лигнина (мМ) – зеленым (треугольник), фенилкислот (мМ) – синим (ромб) и ацетата (мМ) – красный (круг) термофильных образцов, обработанных галловой (верхний ряд), сиреневой (средний ряд) и ванилиновой кислотой (нижний ряд) в условиях низкой (левый столбец), средней (средний столбец) и высокой (правый столбец) перегрузок от день с 0 по 28.Маркеры и прямоугольники показывают медиану и процентили (25–75%) соответственно. b Совокупное образование метана (нмл выделено серым цветом), концентрации промежуточных соединений лигнина (мМ) выделено зеленым (треугольник), фениловых кислот (мМ) выделено синим цветом (ромб) и ацетата (мМ) выделено красным (круг) термофильных образцов кормили феруловой (верхний ряд) и кумаровой кислотой (нижний ряд) в условиях низкой (левый столбец), средней (средний столбец) и высокой (правый столбец) условий перегрузки с 0 по 28 день. Маркеры и прямоугольники показывают медиану и процентили ( 25–75%), соответственно

      Ацетат накапливался в образцах HCL галла и достигал конечной концентрации 66.8 ± 27,5 мМ. Как правило, релевантное накопление ацетата можно было обнаружить только в образцах HCL галла, тогда как концентрации ацетата оставались на прежнем уровне или снижались во всех других вариантах с течением времени (рис. 4).

      Все варианты начинались с pH 7,0. Как и в случае с мезофильными контрольными образцами, рН термофильных контрольных образцов слегка увеличился до 7,5 со 2-го дня и далее. В образцах LCL pH оставался равным 7,0 (за исключением образцов LCL галлия на 4-й день: pH 6,5). В образцах МКЛ рН снизился до 6.5 в образцах сиреневой и феруловой кислот и до 6,0 в образцах галловой кислоты. pH в образцах MCL ванилиновой и кумаровой кислот оставался на уровне 7,0, тогда как pH 5,0 наблюдался во всех образцах HCL в конце периода инкубации (дополнительный файл 1: таблица S4).

      Промежуточные продукты лигнина и концентрации фениловой кислоты

      Концентрации промежуточных продуктов лигнина, а также суммарные концентрации фенилкислот показаны на рис. 4. Подробное описание каждой измеренной концентрации фенилкислоты см. в дополнительном файле 1: таблицы S5 и S6.В условиях LCL промежуточные соединения лигнина разлагались до более мелких фенилкислот или неароматических соединений (рис. 4, дополнительный файл 1: таблицы S5 и S6). Можно наблюдать значительные различия в скорости разложения вариантов MCL и HCL: в условиях MCL разлагалось 35% галловой и кумаровой кислот, затем 11% сиринговой кислоты, 6% ванилиновой кислоты и 1% содержание феруловой кислоты. В образцах HCL 28% галловой кислоты, 25% кумаровой кислоты, 24% феруловой кислоты, 4% ванилиновой кислоты и 2% содержания сиреневой кислоты разлагались в течение 28 дней инкубации (рис.4).

      Фениловые кислоты (сумма) накапливались в образцах кумаровой HCL с 0-го дня и далее и достигали концентрации 20,5 ± 0,50 мМ на 28-й день (рис. 4b). Вторая по величине концентрация фениловой кислоты (сумма) в конце периода инкубации может наблюдаться в образцах HCL феруловой кислоты (18,4 ± 0,70 мМ), за которыми следуют образцы MCL кумаровой кислоты (8,74 ± 0,18 мМ), как показано на рис. 4b. В контрольных образцах фенилкислоты достигли максимальной суммарной концентрации 0,42 мМ на 4-й день.

      Состав микробного сообщества

      Всего для термофильных образцов после подвыборки осталось 856 OTU.Удаление OTU с общим числом прочтений ниже 50 привело к сокращению до 195 OTU. Из всех термофильных образцов наиболее многочисленными были филы Firmicutes , Bacteroidetes , Thermotogae , Euryarchaeota , Atribacteria и Tenericutes . На уровне заказа, Clostridiales , Bacteroidales , Thermoanaerobacterales , Petrotogales , Sphingobacteriales , DTU014 ( клостридий ), Bacillales , MBA03 ( Clostridia ), Methanomicrobiales , Caldatribacteriales , некультивируемый отряд Firmicutes и Izimaplasmatales были наиболее доминирующими.Подробное интерактивное изображение состава микробного сообщества каждого термофильного варианта на 0, 14 и 28 день можно найти в дополнительном файле 1: рисунок S5.

      Альфа-разнообразие было относительно низким в образцах сиреневого и ванильного HCL, тогда как микробное разнообразие было исключительно высоким в образцах ферулового и кумарового HCL (рис. 5а). Как показано на рис. 5b, образцы LCL и MCL на 14-й и 28-й день образуют плотный кластер, который явно отличается от других образцов или кластеров.Следующим наиболее похожим на этот кластер вариантом является контроль в день 0. Образцы HCL можно разделить на 3 подкластера, при этом образцы HCL феруловой и кумаровой кислот, образцы HCL сиринговой и ванилиновой кислот и образцы HCL галловой кислоты образуют соответствующие субкластеры. кластеры. Образцы галловой кислоты являются следующими наиболее сходными вариантами с контролями в день 0 (рис. 5б).

      Рис. 5

      a Вверху: индекс разнообразия Шеннона для термофильных контролей (1-й столбец), а также образцы в условиях LCL (2-й столбец), MCL (3-й столбец) и HCL (4-й столбец).Результаты 14-го и 28-го дня представлены серым и черным цветом соответственно. Внизу: прямоугольные диаграммы показывают результаты разнообразия контролей и образцов LCL, MCL и HCL на 28-й день. образцы кислоты в условиях низкой (LCL), средней (MCL) и высокой (HCL) перегрузки в день 0 (контроль), 14 и 28. Образцы соединяются для создания минимального связующего дерева. Ось x удлинена для лучшей визуализации.Участок Shapard показывает значение напряжения 0,12

      , когда специально смотрит на формирование фениловой кислоты, относительное множество атрибактерий Phyla , Armatimonadetes, Gemmatimonadetes , Synergistetes , Halanaerobiaeota , actinobacteria , и протеабактерии был значительно выше в высоком PAG, чем в других PAG; однако их численность была относительно низкой по сравнению с такими типами, как Firmicutes (низкая: 64.1 ± 17,9%, средний: 57,7% ± 13,3% и высокий: 72,7 ± 7,80%) и Bacteroidetes (низкий: 18,9 ± 10,3%, средний: 21,8 ± 3,34%, высокий: 13,14,00%). Относительная численность класса Bacilli была значительно выше в образцах с высоким содержанием ПАГ и достигла относительной численности 17,0 ± 10,3% (рис. 6а) и, таким образом, является вторым по величине классом в образцах с высоким содержанием ПАГ после Clostridia (51,5 ± 5,28). %).

      Рис. 6

      a Относительные доли последовательности (%) всех термофильных классов образцов ПАГ с низким (черный), средним (светло-серый) и высоким (темно-серый).Столбцы и усы показывают средние значения и стандартные отклонения соответственно. b Расширенные полосы погрешностей, показывающие пропорции последовательностей (%) термофильных родов с низким ( n  = 84) и высоким ( n  = 9) образцами PAG на 0, 14 и 28 день. высокое разнообразие, изображены только роды со значительными различиями и величиной эффекта > 1 Syntrophaceticus spp.и род MBA03 ( Clostridia ) были наиболее многочисленными родами среди всех образцов с высоким содержанием PAG (10,0 ± 5,29% и 9,25 ± 3,29% соответственно). Однако Proteiniphilum spp. все еще был членом основного микробиома образцов с высоким содержанием PAG (таблица 3). По сравнению с образцами с низким содержанием ПАГ, роды Macellibacteroides , Lactobacillus , род MBA03 ( Clostridia ) и некультивируемый род семейства Syntrophomonadaceae были значительно увеличены в образцах с высоким содержанием ПАГ (рис.6б). Последние три также были важным биомаркером LEfSe для высокого уровня ПАГ (таблица 3). При просмотре соответствующих промежуточных продуктов Syntrophaceticus spp. также был самым многочисленным родом в образцах HCL кумаровой кислоты (13,7 ± 0,91%), тогда как Thermoanaerobacterium  spp. был, безусловно, самым доминирующим родом в образцах HCL ванилиновой и сиринговой кислот (63,4 ± 7,90% и 60,4 ± 4,25% соответственно), как показано в дополнительном файле 1: рисунки S5a и b. В образцах галлового и ферулового HCL наиболее многочисленными микроорганизмами были некультивируемые представители рода Lachnospiraceae и рода MBA03 ( Clostridia ) (20.5 ± 5,98% и 10,4 ± 4,50% соответственно).

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.