Фотобиоэлектрохимическая конверсия отходов и биосырья с получением электрической энергии и энергоносителей

В работе объединены три пути превращения отходов в электрическую энергию или энергоносители. Первый касается конверсии энергии органических соединений сточных вод на водород и электричество в биотопливных элементах, в основе второго лежит сочетание преобразования солнечной энергии и органических соединений при использовании неорганического фотокатода в биотопливном элементе для продуцирования водорода, в третьем – преобразование солнечной энергии и неорганических газообразных отходов на липиды фототрофных микроводорослей. Такое сочетание процессов позволяет комплексно превращать разнообразные отходы на энергоносители и электроэнергию.

Обоснованно рациональные параметры биотехнологического процесса получения водорода в биоэлектрохимической системе, позволяет сочетать этот процесс с очисткой сточных вод от биогенных элементов (фосфора, азота). Разработана технологическая схема получения водорода с одновременной очисткой сточных вод солодового завода и проведено ее апробацию. Предложенная технология позволяет получить газовую смесь с содержанием водорода до 99% при низких энергетических затратах и гарантировать необходимое качество очищенных сточных вод.

Предложены методы предварительной обработки сельскохозяйственных отходов в зависимости от состава сырья с целью получения водорода (химические и биологические) и определены технологические условия процессов. С целью получения водорода и электрического тока предложена технологическая схема, в которой последовательно используются ферментационные анаэробные процессы деструкции твердых отходов в первом реакторе (рН = 4-6), за использование растворимых органических веществ выработки водорода во втором (рН = 6-8) и получение электричества при доочистке сточных вод в биоелектрохимичному топливном элементе. Определены условия протекания процессов с максимальным выходом водорода. Концентрация водорода в биогазе достигает 50% при переработке 60% сырья.
Установлена возможность выработки водорода в микробных топливных элементах с полупроводниковым фотокатодом. При этом значение кулоновского эффективности составило 3,12%, показатель катодного восстановления водорода – 1,19%, производительность системы по водороду – 4,89%.

Показана возможность культивирования микроводорослей Chlorella vulgaris за использование отходов различного происхождения. Разработана технологическая схема культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris при одновременном использование газовых выбросов предприятий и отходов различного происхождения как питательных веществ для получения биодизельного горючего и установлены параметры процесса. Максимальный выход липидной фракции (24%) происходит за использование чередование светового периода с темновым 4ҳ4, температуры 30°С, рН 6-7, одновременного питания СО2 (или газовых выбросов, содержащих до 6% СО2, 0,5% SO2, 1,5% NOx) и органического вещества (сахаров, мочевины и т.д.). Исследовано влияние состава культуральной среды (концентрации соединений азота, серы) на прирост биомассы водорослей и накопление липидной фракции.