Белсендірілген көмірдің метантүзуші бактериялардың тіршілік әрекетіндегі рөлі

Түйін

Мақалада биогаздың өнімділігін арттыру үшін метантүзуші бактерияларды өсірудің оңтайлы жағдайларын зерттеу нәтижелері келтірілген. Метантүзуші бактерияны өсіруге арналған қоректік орта дайындалған. Сканерлеуші электронды микроскоптың (JSM-6490LV) көмегімен биогаз өнімінің шығымының жоғарылауына әсер ететін белсендірілген көмірге біріктірілген метантүзуші бактериялардың өсуі қадағаланды. Зерттеу үшін өрік сүйектерінен алынған ұнтақ тәріздес белсендірілген көмір пайдаланылды. Зерттеу нәтижесінде бақылаушы үлгі ретіндегі БАО және ҰБК белсендірілген көмірлері қосылған субстараттан бөлініп шығатын биогаздың 35 тәулік ішіндегі шығымы анықталған.

Кілт сөздер: белсендірілген көмір, метан, биомасса, метантүзуші бактериялар

Қазіргі заманда, тезектердің және басқа да органикалық қалдықтардың метандық ашу мәселесіне деген зерттеулер артуда. Ауыл шаруашылығы қалдықтарына және тезектерді ашытуға есептелген биогаз қондырғылары құрастырылған [1, 2]. Биогаз қондырғысындағы ашыту камерасы, газгольдер және ашып болған массаны (шлам) сақтайтын орыннан бөлек, шламды айдауға арналған сорғы және биогазбен жұмыс жасайтын электр станциясы соғылуда.

Биомасса – ең арзан және жинақталатын және қайта өңделетін энергияның ірі масштабты кескіні. Жыл сайын жер бетіндегі биомассаның өсуі 200 млрд. т құрайды, ол эквивалентті түрде 3х10²¹ Дж болады. Бұл көрсеткіш жер бетіндегі барша адамзаттың пайдаланатын жылдық энергиясынан шамамен 10 есеге артық.

Ауылшаруашылығы үшін пайдалы биогаз өндірісі биогаз қондырғыларында органикалық қалдықтарды арзан өңдеуге мүмкіндігі бар. Бұл технологияның қоршаған ортаға тигізер пайдасын түсінген адамдар арасында куннен күнге жақтастары артуда [3-5].

Биогаздың тұрмыстық, ауылшаруашылығы және т.б. қалдықтардан алынатындығы белгілі болғандығына қарамастан, биореактордың айналым уақытының ұзақтығына байланысты қиындықтар бар, жеделдетілген режимді (термофильді) пайдаланғанның өзінде 25-30 тәулік құрайды. Сондықтан, реактордың өнімділігін арттыру мәселесі бүгінгі таңда маңызды мәселелердің бірі болып саналады.

Анаэробтық бактериялар баяу өсетін микроағзалар, сондықтан анаэробтық ашу процесінің негізгі мәселесі ұзақ қосылу кезеңімен кенеттен түйіршіктелудің дамуы кезіндегі қиындықтар болып табылады. Қосылу уақытының қысқаруы, 113

жоғары жылдамдықтағы анаэробтық реакторлардың бәсекеге қабілеттілігін ұлғайтуға көмектесетін негізгі параметрлерінің бірі болып субстраттың ыдырау процесінде белсендірілген көмір қосу табылады. [6, 8].

Белсендірілген көмір химия тұрғысынан алғанда – құрамында қоспасы жоқ, құрылымы аяқталмаған көміртегі формаларының бірі. Белсендірілген көмір массасы жағынан 87-97%-ға көміртегіден, оттегіден, азоттан, күкірттен және өзге де заттардан тұрады. Өзінің химиялық құрамы бойынша белсендірілген көмір графитке, яғни әдеттегі қарындаштарда пайдаланылатын материалға ұқсас [9].

Белсенділендірілген көмірдің саңылауы өте көп, сондықтан да беті үлкен болады, соның салдарынан адсорбциясы да жоғары (1 г белсенді көмірдің құрамында даярлау технологиясына байланысты 500-ден 1500 м²-гедейін бет болады). Саңлаудың жоғары деңгейі белсендірілген көмірді «белсендірілген» етеді. Белсенді көмірдің саңлауларының артуы арнайы өңдеу кезінде болады – яғни белсенділендіру, ол адсорбциялаушы бетті айтарықтай арттырады. Белсенділенліндірілген көмірдің саңлауларын макро, мезо және микро-саңлаулар деп бөледі. Көмірдің бетінде ұстап тұру тиіс молекулалардың өлшемдеріне байланысты саңылаулардың өлшемдерінің қатынасы әр түрлі болатын көмір дайындалуы керек [10].

Зерттеу әдістері. Агроөнеркәсіптік қалдықтар негізінде алынатын биогаздың өнімділігін арттыру үшін метантүзуші бактерияларды өсірудің оңтайлы жағдайларын зерттеу әдістері.

Аталған жұмыста метаногендік бактерияларды өсіру бойынша зерттеулер жүргізілді, сонымен қатар, шикізаттың түріне қарай биогаз шығымының талдауы жасалды

Анаэробтық жағдайда метаногенді өсіру. Метан түзуші бактериялар - қатаң анаэробтар, бастапқы тотығу- тотықсыздану потенциалы 300 мВ төмен ортада өсуі мүмкін. Олардың өсуі үшін оңтайлы температура мезофильдік — шамамен 30–40°С, қолайлы рН 6,5–7,5 шамасында.

114

Өрік сүйектерін термиялық белсендіру кварцты пештерінде көмірқышқыл газының қатысуымен жүргіздік. Термиялық өңделген өрік сүйектерін адсорбциялық қасиетін тексеруден алдын герметикалық жағдайда сақтадық.

Өрік сүйектерін химиялық белсендіру үшін белсендіруші колбадан, электрқыздырғыштан, мұздатқышпен термометрден құралған қондырғы қолдандық. Химиялық өңдеуге дейін метанды белсендірілген өрік сүйектерін 0,1 мм елек арқылы өткіздік. Ары қарай, сүйектерді химиялық белсендіру хлоридті мырышпен өңдеу арқылы жүзеге асырдық. Содан соң, дистилденген сумен сынамаларды жуып, кептіргіш шкафында 2 сағат бойы 378К температурада кептірдік.

Нәтижелерді талқылау

Сынаманың беткі қабатын жетілдіру, оның саңлауларының кеңістігінің өзгеруіне әсер етеді. Оған белсендірілген көмірдің адсорбциялық қабілеті байланысты болады. Соған қарамастан, әрбір сорбентке оның құрылымын, іс жүзінде өлшемін анықтауын және саңлаулардың пішінін есепке ала отырып, дербес көзқарас қатаң болуы тиіс. Жоғары қысым кезіндегі адсорбенттің өтпелі саңлауларының фазалық өтуі капилярлық конденсация механизімі бойынша жүзеге асады [8].

Бактериялар көміртекті материалдарды жөн көретіндігі белгілі болды, жоғарыда келтірілген РЭМ суреттерінде Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina, Bacteroides, Propioni-bactrium, Sporobacterium, Megasphaera бактериялар тобына жататын гидролитикалық микроағзалардың БАО және ҰБК саңлауларында жақсы өсетіндігін анықтадық. Соның ішінде, Аrchaea метаногені сияқты бактериялар анаэробтық метаногенездің тиімділігін анықтауда маңызды роль атқаратындығы белгілі. Сонымен қатар, анаэробтық бактериялар нашар өсетін микроағзалар болғандықтан оңтайлы температурада, қоректік ортада мұқият қадағалау арқылы өндірдік. Олардың өнімділік мерзімі 10 тәулік ішінде жүрді.Осылайша, көміртекті материалды анаэробтық реакторға енгізу стратегиясы бактериялармен метаногендердің арасындағы синтроптық

115бірлестіктің нығаюына және органикалық жүктемесінің жылдамдығының жоғары кезіндегі биореактордағы тиімділігінің жақсаруына әсер етті.

Өрік сүйегі негізінде дайындалған белсендірілген көмірді (ҰБҚ) қосу арқылы богаз өнімділігін арттыру бойынша зерттеулер жүргізілді. Жоғарыда көрсетілген сызбада (Сурет 4) көрсетілгендей, биогаздың шығымы 20 тәуліктен кейін қарқынды түрде жоғарылап, БАО белсендірілген көмірі қосылған кездегі биогаз өнімімен салыстырғанда 0,4 нм³/кг өсті.

Жоғарыда келтірілген нәтижелер көрсеткендей, ҰБК белсендірілген көмірді қосқан кезде анаэробтық реакторда табиғи микроағзалармен метанды алу деңгейі жоғарылады. Өнімділіктің өсуі метанопродуцентті бактерияларының микробтық санының өсуіне және бактериялардың синтрофты (syntrophic) метаболизімінің өсуіне байланысты. Жоғары зат алмасу деңгейіне ие сіңірілген микроағзалар БК саңлауларында көбейді.

Белсендірілген көмір кеуекті құрылымның ішіндегі жалпы отарлануды көрсететіндігі белгілі болды. Бактерияларды отарлау (колонизация) үшін пайдаланылатын метанопродуценттер үшін белсендірілген көмір мезосаңлаулардың дамыған құрылымын қамтамасыз етті.

Әдебиеттер

1. BiogasplantsinEurope: Apracticalhandbook. Springer. -2007. - 361 p.
2. Biogas Praxis. BarbaraEder . HeinzSchulz . 2006 / переводнарус . Биогазовые установки: практическое пособие .
3. Renewable Energy & Energy Efficiency Partnership (REEEP) // Fresh Wind from Kazakhstan: New Renewable Energy Law. - 2009.
4. Yang S.S., Liu C.M., Liu Y.L. Estimation of methane and nitrous oxide emission from animal production sector in Taiwan during // Chemosphere. – 2003. – V.52, №8. – P. 1381-1388.
5. Морозов Н.М. Направления рационального использования энергетических ресурсов в животноводстве // Техника и оборудование для села. – 2004. - №4. – С.3-5.
6. Миндубаев А.З., Белостоцкий Д.Е., Минзанова С.Т., Миронов В.Ф., Алимова Ф.К., Миронова Л.Г., Коновалов А.И. // Метаногенез: биохимия, технология, применение //Ученые записки Казанского государственного университета. Серия Естественныенауки. – 2010. – Т.152, Кн.2. – С. 178-191.
7. Ж.Н. Кайпова, М.И. Сатаев, С.Н. Редюк, А.В. Гарабаджиу, Б.Ж. Муталиева. Биогаздың өнімділігін арттыру үшін шткізатты алдын ала өндеудің әсерін зерттеу // Қазақстан Республикасы Ұлттық ғылым академиясының хабарлары. Химия жəнетехнологиясериясы.Т2,№416(2016).не технология сериясы. Т 2, № 416 (2016).
8. Ж.Н. Кайпова, М.И. Сатаев, С.Н. Редюк, А.В. Гарабаджиу, Б.Ж. Муталиева. Агроөнеркәсіптік қаллдықтар негізінде алынатын биогаздың өнімділігін арттыру үшін метантүзуші бактерияларды өсірудің оңтайлы жағдайларын зерттеу // Л.Н. Гумилев атындағы Еуразиялық Ұлттық университеті Хабаршысы. №4 (113)/ 2016. Б. 83-89.
9. Aktas O., Cecen F. Bioregeneration of activated carbon: a review. Int. Biodeter. Biodegr. - 2007. - Vol. 59(4). – P. 257–272.
10. Voice T.C., Pak D., Zhao X., Shi J., Hickey R.F. Biological activated carbon in fluidized bed reactors for the treatment of groundwater contaminated with volatile aromatic hydrocarbons // Water Res. - 1992. – Vol. 26(10). – P. 1389–1401.