Технологические решения и методы интенсификации анаэробного сбраживания смешанных пищевых отходов

Анаэробное сбраживание, или ферментация, смешанных пищевых отходов (СПО) рассматривается в современной научной литературе как одна из наиболее перспективных технологий замыкания циклов обращения с органическими фракциями твердых коммунальных отходов (ТКО) в контексте концепции циркулярной экономики. Однако, как было продемонстрировано в многочисленных исследованиях, гетерогенность субстрата и его высокая вариабельность по сезонным и региональным факторам создают значительные операционные барьеры, существенно снижающие технологическую и экономическую эффективность процесса.

В первой части настоящего обзора были детально рассмотрены фундаментальные микробиологические и биохимические аспекты анаэробной ферментации смешанных пищевых отходов. Проведенный анализ показал, что многостадийный характер процесса, реализуемого последовательно и частично параллельно различными функциональными группами микроорганизмов, формирует комплекс системных уязвимостей. В частности, высокая скорость аци-догенеза при избытке легкоразлагаемых углеводов приводит к закислению среды (pH <6,0), что ингибирует метаногенез. Разложение белковых компонентов генерирует аммиак, токсичный для метаногенных архей, особенно в термофильных режимах. Жиросодержащие отходы образуют длинноцепочечные жирные кислоты (ЛЦЖК), вызывающие как биологическое ингибирование, так и технологические проблемы, связанные с пенообразованием [1, 2]. Эти операционные барьеры носят системный характер и не могут быть преодолены исключительно за счет эмпирического подбора режимных параметров (pH, температуры, органической нагрузки).

В связи с этим цель настоящей работы (второй части обзора) - систематизация и сравнительный анализ технологических подходов, направленных на интенсификацию процесса анаэробной ферментации и повышение его устойчивости при работе с гетерогенными субстратами.

Материалы и методы исследования

Методология систематического отбора литературы, включая поисковые запросы, критерии включения и исключения, а также процедура отбора публикаций подробно описаны в первой части данного исследования.

Поиск проводился в базе данных Lens.org (агрегирует метаданные из Web of Science, Scopus, PubMed, CrossRef и других реферативных систем) с использованием расширенного поискового запроса, охватывающего заголовки, аннотации и ключевые слова. Поисковый запрос включал термины «анаэробное сбраживание» или «анаэробная ферментация» ("anaerobic digestion" OR "anaerobic fermentation") AND «пищевые отходы» или «смешанные органические отходы» ("food waste" OR "mixed organic waste") AND «предобработка» ("pretreatment" OR "pre-treatment"), «совместное сбраживание» ("co-digestion"), «ко-субстрат» ("co-substrate"), «добавки» ("additives"), «инокулум» ("inoculum"), «биоаугментация» ("bioaugmentation"), «оптимизация процесса» ("process optimization"), «интенсификация» ("intensification"), «усиление процесса» ("enhancement"), «термический гидролиз» ("thermal hydrolysis"), «механическая предобработка» ("mechanical pretreatment"), «ферментативная предобработка» ("enzymatic pretreatment"), «микроволновая обработка» ("microwave"), «ультразвуковая обработка» ("ultrasonic"), «щелочная предобработка» ("alkaline"), «кислотная предобработка» ("acid pretreatment"), «биологическая предобработка» ("biological pretreatment"), «органическая нагрузка» ("organic loading rate"), «время гидравлического удерживания» ("hydraulic retention time").

Применены фильтры: 2015–2026 гг., тип документа – журнальные статьи, предметные области – науки об окружающей среде (Environmental Science), анаэробное сбраживание (Anaerobic Digestion), управление отходами (Waste Management), биогаз (Biogas), пищевые отходы (Food Waste), пищевая наука (Food Science), экология (Ecology), биоэнергетика 33

(Bioenergy), твердые коммунальные отходы (Municipal Solid Waste), экологическая инженерия (Environmental Engineering), биоинженерия (Bioengineering), биотехнология (Biotechnology); вещества/материалы – метан (Methane), потери и отходы пищевых продуктов (Food Loss and Waste), сточные воды (Sewage), навоз (Manure).

Всего найдено 6757 записей. После применения фильтров по типу документа, предметным областям и химическим веществам отобрана 861 публикация. Для обеспечения доступности первоисточников отбор проводился среди публикаций с открытым полным текстом (312 статей). После скрининга по названию и аннотации исключены 73 публикации как нерелевантные. В итоговый обзор включено 239 публикаций. Отбор проводился в соответствии с методологией PRISMA 2020 [3].

Для сравнительной оценки методов предобработки и совместного сбраживания критерием эффективности рассматривались относительное увеличение удельного выхода метана (см³ CH 4 /г летучих веществ) и стабильность процесса (отсутствие ингибирования, стабильный pH, отсутствие пенообразования). При анализе реакторных технологий оценивались их конструктивные особенности, преимущества и ограничения при работе с потоками СПО, содержащими механические примеси и имеющими высокую долю сухих веществ.

Результаты исследования и их обсуждение

Для визуализации структуры исследовательского поля в области методов интенсификации анаэробной ферментации был проведен библиометрический анализ со-встречаемости ключевых слов с использованием программного обеспечения VOSviewer (версия 1.6.20) [4]. В анализ были включены авторские ключевые слова из массива отобранных 239 публикаций. Для обеспечения репрезентативности и отсева узкоспециализированных терминов был установлен минимальный порог встречаемости – не менее 3 раз. Критериям соответствовали 30 наиболее значимых терминов, сформировавших 5 тематических кластеров (рис. 1, табл. 1).

Рисунок 1 – Библиометрическая структура исследований в области анаэробной ферментации пищевых отходов

Таблица 1

Характеристика тематических кластеров

Кластер	Содержание	Термины (англ.)	Перевод (рус.)
1 (зеленый)	Базовые технологии анаэробного сбраживания	anaerobic digestion; food waste; codigestion; sewage sludge; microbial community; volatile fatty acids; hydrolysis, ammonia inhibition	анаэробное сбраживание; пищевые отходы; совместное сбраживание; осадки сточных вод; микробное сообщество; летучие жирные кислоты; гидролиз, аммиачное ингибирование
2 (синий)	Микробиологический мониторинг процесса и технологии восстановления ресурсов	methanogenesis; metagenomics; microbiome; waste activated sludge; resource recovery	метаногенез; метагеномика; микробиом; активный ил; рекуперация ресурсов
3 (желтый)	Оптимизация выхода биогаза и метана	biogas; methane; biochemical methane potential; CSTR (continuous stirred-tank reactor)	биогаз; метан; биохимический метановый потенциал; реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR)
4 (красный)	Производство альтернативных биопродуктов	biomethane; biofuels; biodiesel; microalgae; biohydrogen; dark fermentation; lipids; sustainability; circular economy; life cycle assessment	биометан; биотопливо; биодизель; микроводоросли; биоводород; темновое брожение; липиды; устойчивое развитие; циркулярная экономика; оценка жизненного цикла
5 (фиолетовый)	Производство водорода и технологии темнового брожения	hydrogen; biohydrogen; dark fermentation	водород; биоводород; темновое брожение

Выделенные кластеры отражали основные направления современных исследований в области анаэробной ферментации смешанных пищевых отходов. Наиболее крупные кластеры были связаны с базовыми технологиями анаэробного сбраживания и оптимизацией выхода биогаза.

В нормативных документах уровня наилучших доступных технологий (НДТ/BAT), принятых в России и странах Европейского союза, анаэробное сбраживание органических отходов и сточных вод рассматривается как одна из ключевых наилучших доступных технологий для снижения выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов [5]. При этом в справочниках НДТ и отраслевых руководствах обычно регламентируются общие требования к применению анаэробных биореакторов, но не задается предпочтение конкретного типа реактора. В связи с этим представляется целесообразным более подробно рассмотреть основные типы анаэробных реакторов, применяемых для переработки пищевых отходов, и их ключевые конструктивные и эксплуатационные особенности.

При выборе типа реактора необходимо учитывать эффективность переработки, устойчивость процесса и стоимость установки. Ниже приведены основные типы систем, применяемых для переработки органических пищевых отходов (СПО), с их ключевыми особенностями [6].

Проточный реактор с непрерывным перемешиванием (Continuously Stirred Tank Reactor – CSTR) – наиболее распространенный тип промышленных биореакторов, использующих конфигурацию однофазного реактора непрерывного перемешивания [7]. В однофазной системе все стадии АС, от гидролиза до метаногенеза, протекают в одном реакторе, работающем в оптимальных для метаногенов условиях, т. е. нейтральном рН и длительном времени гидравлического удержания (обычно более 20–30 сут). Выход метана находится на уровне около 40–

60 % [8]. Основное ограничение CSTR – отсутствие разделения стадий процесса: при избытке легкоразлагаемых компонентов кислотообразование может опережать метаногенез, что повышает риск закисления.

Восходящий анаэробный реактор с активным илом (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – UASB) использует слой гранулированного ила, через который снизу вверх проходит субстрат. За счет высокой концентрации активной биомассы он работает при коротком времени удержания (1–5 сут) и отличается компактностью. Однако для пищевых отходов его применение ограничено: взвешенные частицы и примеси нарушают структуру гранул и снижают эффективность процесса. Поэтому UASB подходит в основном для предварительно очищенных или жидких отходов [9].

Анаэробный мембранный биореактор (Anaerobic Membrane Bioreactor – AnMBR) сочетает биологическое разложение и мембранное разделение, что дает возможность независимо управлять временем удержания жидкости и биомассы. Это позволяет существенно повысить интенсивность процесса: при одинаковом объеме реактора производительность может быть значительно выше, чем у CSTR. Кроме того, мембранные реакторы обеспечивают высокую степень удаления органических веществ и стабильный выход биогаза, достигающий 70 % [9]. В то же время эксплуатация таких систем осложняется загрязнением мембран, поэтому требуется их регулярная очистка, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат.

Технология High-Solids Anaerobic Digestion (HSAD) разработана для анаэробной переработки субстратов с высоким содержанием сухих веществ. В отличие от жидкофазных систем процесс происходит при минимальном количестве свободной воды. Такие реакторы менее чувствительны к механическим примесям, что делает их особенно актуальными для несортированных бытовых отходов. Технология позволяет упростить предварительную подготовку сырья. Недостатком является более низкая скорость процесса по сравнению с мокрыми системами, однако в условиях низкого качества входного потока это часто является компромиссом. Среди недостатков метода также упоминаются низкий выход биогаза и метана и риск быстрого ингибирования процесса [10, 11].

Несмотря на преимущества современных конструкций реакторов, повышение эффективности анаэробной ферментации достигается не только за счет их совершенствования, но и благодаря изменению организации самого процесса. В двухстадийных схемах кислотная и метановая фазы протекают в разных реакторах. На первой стадии, в кислой среде, происходит интенсивное образование органических кислот, тогда как на второй, при нейтральных значениях pH, осуществляется их преобразование в метан. Такое разделение позволяет повысить стабильность процесса, снизить риск закисления и создать более благоприятные условия для развития различных групп микроорганизмов. Кроме того, двухстадийная схема способствует повышению энергоэффективности установки и увеличению выхода метана [12].

Обзор популярных технологий (табл. 2) показал: чем выше технологическая эффективность реактора, тем выше операционные издержки. CSTR часто выбирается для начального уровня инфраструктуры, двухстадийные системы – для установок с достаточным бюджетом, а HSAD – для рынков с несовершенной системой сбора отходов.

Таблица 2

Сравнительный анализ типов реакторов

Тип	Содержание сухих веществ в субстрате	CH 4 выход	Преимущества	Ограничения
1	2	3	4	5
Проточный реактор с непрерывным перемешиванием	<15 % [13]	55 - 75 % (на примере органической фракции ТКО) [14]	простота,  мас штабируемость	риск  закисления при СПО
Восходящий анаэробный реактор с активным илом	<5 % [15]	75 - 80 % (на примере сточных вод) [16]	компактность, нет мех. перемешивания	требует предо-чистки, чувствителен к взвеси

Продолжение таблицы 2

1	2	3	4	5
Анаэробный мембранный биореактор	> 2–3 % [17]	до 75 % (на примере сточных вод) [18]	высокий выход, удержание биомассы	засорение  мембран, высокая стоимость
Реактор анаэробного сбраживания с высокой долей сухих веществ	≥15 % TS [19]	60–70 % (на примере пищевых отходов) [20]	нет разбавления водой	медленный, сложная логистика
Двухстадийный		~ 60 % (на примере пищевых отходов) [21]	стабильность,  гибкость управления	сложность, капитальные затраты

На рисунке 2 представлены упрощенные технологические схемы четырех типов анаэробных реакторов, используемых для переработки органических субстратов: CSTR с полным перемешиванием, UASB с восходящим потоком через слой гранулированного ила, мембранный анаэробный биореактор AnMBR с выделением очищенного пермеата через мембранный модуль и высокосухой реактор HSAD для субстратов с повышенным содержанием сухих веществ.

Рисунок 2 – Схематическое устройство анаэробных реакторов CSTR, UASB, AnMBR и HSAD:

1 – проточный реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR – Continuous Stirred Tank Reactor) [22]; 2 – восходящий анаэробный реактор с активным илом (UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor) [23]; 3 – анаэробный мембранный биореактор (AnMBR – Anaerobic Membrane Bioreactor) [24]; 4 – реактор анаэробного сбраживания с высокой долей сухих веществ (HSAD – High Solids Anaerobic Digestion Reactor) [11]

Помимо непосредственно обработки отходов в реакторе, процесс включает предобработку, цель которой – разрушить физические и химические барьеры в гетерогенных субстратах (например, клеточные стенки и крупные частицы), при этом выбор метода зависит от состава отходов и должен оцениваться с учетом прироста выхода биогаза, а также дополнительных энергозатрат и стоимости реагентов.

Измельчение, дезинтеграция и гомогенизация субстрата увеличивают удельную поверхность частиц, ускоряя доступ гидролитических ферментов. Механические методы повышают выход биогаза из твердых органических отходов на 20–40 % при умеренных энергозатратах [25, 26]. Механическая предобработка экономически доступна и высокомасштабируема.

Термическая обработка разрушает структуру клеточных стенок и снижает вязкость субстрата. Термический гидролиз при 150–175 °C позволяет увеличить выход биогаза и сократить объем образующегося осадка [27]. Термообработка в сочетании с этанольным предброжением демонстрирует синергетический эффект: углубление гидролиза при одновременном подавлении гнилостных бактерий [28]. Энергетические затраты на термическую обработку, впрочем, существенно сокращают чистый энергетический баланс установки, что требует тщательного экономического обоснования.

Щелочная обработка (NaOH, KOH) при pH 9–12 также разрушает межклеточные связи и эфирные связи в лигнине, повышая биодоступность органического вещества [29]. Кислотная предобработка применяется значительно реже ввиду необходимости нейтрализации перед ферментированием и коррозионного воздействия на оборудование.

Добавление ферментных препаратов (энзимов) ускоряет гидролиз и увеличивает выход метана. Так, при 55 °C обработка протеиназой К увеличивала выход метана на 60,95 %, амилазой – на 22,72 %, липазой – на 32,51 %. Параллельно сокращалось время деградации био-пластиковых упаковочных материалов с 30 до 24 дней [30]. Высокая стоимость промышленных ферментных препаратов пока ограничивает широкое применение данной технологии. Сравнительный анализ методов предобработки представлен в таблице 3.

Таблица 3

Сравнительный анализ методов предобработки смешанных пищевых отходов

Метод	Эффект	Затраты	Возможность масштабирования	Ограничения
Механическая	+20–40 % CH 4	средние (электроэнергия)	высокая	не устраняет ингибирование
Термическая	рост выхода; меньше осадка	высокие (большая стоимость нагрева)	средняя	ухудшение энергобаланса
Щелочная	рост биодоступности	реагенты, нейтрализация	средняя	нейтрализация; коррозия
Ферментативная	22–61 % по CH 4	низкая энергия, дорогие ферменты	ограниченная	подбор фермента

Если предобработка решает проблему доступности органического вещества, то совместное сбраживание (co-digestion) решает проблему неоптимального состава субстрата. Совместное сбраживание позволяет в первую очередь сбалансировать соотношение C/N. Смешивая СПО с субстратами, которые компенсируют недостаток макроэлементов, можно получить синергетический эффект, недостижимый при раздельной переработке, что особенно актуально в условиях нестабильности состава СПО [31].

Совместное сбраживание осадка сточных вод (ОСВ) с морскими макроводорослями представляет интерес вследствие высокого содержания в водорослевой биомассе органического вещества и углеводов, пригодных для биоконверсии, а также доступности и дешевизне водорослей как ко-субстрата [32]. Среди перспективных видов микроводорослей следует отметить Chlorella vulgaris – один из наиболее изученных видов, для которого в различных условиях анаэробного сбраживания reported удельный выход метана составлял до 271 см³CH 4 /г VS, а выход биогаза до 410 см³/г VS [33]. Высокий потенциал также демонстрируют представители рода Scenedesmus (до 273 см³ CH 4 /г VS) и Spirulina (Arthrospira) platensis (до 313 см³ CH 4 /г VS) [33]. При культивировании на дигестате после анаэробного сбраживания Chlorella vulgaris эффективно удаляет биогенные элементы и одновременно обеспечивает биологическое обогащение биогаза, снижая содержание CO 2 примерно на 90 % и повышая концентрацию CH 4 до

97 % [34]. Это создает предпосылки для реализации замкнутого цикла, в котором CO 2 из биогаза используется для культивирования микроводорослей, а полученная биомасса возвращается в процесс анаэробного сбраживания в качестве субстрата.

Соотношение C/N в целом является ключевым параметром управления совместным сбраживанием [35]: при значениях ниже 20 наблюдается избыток азота и аммиачное ингибирование, при C/N> 35 - дефицит азота для роста биомассы. Оптимальные значения для АФ составляют 25-30:1 [36, 37]. Для коррекции C/N СПО (обычно применяют высокоуглеродные ко-субстраты: солому злаков, картонно-бумажные отходы, древесные отходы. Оптимальный, согласно исследованиям, C/N равен около 27 при 35 °C и около 30 при 55 °C для максимального потенциала метанообразования (265,7 и 309,9 см³ СН 4 /г летучих веществ соответственно) [36].

Наряду с энергетической ценностью биогаза качество дигестата как конечного продукта анаэробной переработки смешанных пищевых отходов является критическим фактором с точки зрения его применения в растениеводстве. Дигестат представляет собой стабилизированный органоминеральный остаток, богатый азотом, фосфором, калием и микроэлементами, что делает его ценным удобрением. Однако применение дигестата СПО сопряжено с рядом рисков, к которым могут быть отнесены химические загрязнители: присутствие посторонних включений в исходном сырье (металлические предметы, батарейки, упаковка) ведет к накоплению тяжелых металлов в конечном продукте. Концентрации марганца в дигестате могут достигать 900 мг/кг, что превышает предельно допустимые концентрации для высококачественных удобрений. Также присутствуют биологические риски: в продуктах переработки смешанных отходов возможно присутствие патогенных микроорганизмов ( Salmonella , E. coli , яйца гельминтов), особенно при недостаточной термической обработке или коротком времени гидравлического удерживания. Эти данные обосновывают необходимость обязательного санитарного контроля дигестата СПО перед его применением в сельском хозяйстве. В соответствии с нормативными требованиями дигестат должен проходить термическую обработку (пастеризацию при 70 °C в течение 1 ч) или компостирование для снижения патогенной нагрузки. Кроме того, регулярный мониторинг содержания тяжелых металлов и органических загрязнителей является обязательным условием для сертификации дигестата как удобрения [38].

В настоящее время для интенсификации анаэробного разложения органических отходов широко применяют микробные препараты, ферменты и их композиции, позволяющие целенаправленно изменять физико-химические свойства субстрата и повышать скорость биодеградации. Использование комплексных микробных смесей, таких как EM-4, в сочетании с химической предподготовкой (например, обработкой раствором NaOH) способствует оптимизации углеродно-азотного соотношения, сохранению белкового компонента и созданию более благоприятных условий для метаногенных микроорганизмов [39].

Перспективным направлением является использование метода Bokashi (яп. «ферментированное органическое вещество») - анаэробной ферментации органических отходов с применением специализированного инокулума, т. е. культуры, используемой для искусственного заражения [40]. Исследования показывают, что такой инокулум существенно снижает продолжительность биостабилизации субстрата и повышает концентрацию анаэробных бактерий на начальных стадиях процесса. В отличие от микробных смесей на основе ЭМ-препаратов, которые в ряде экспериментов не обеспечивали выхода метана, промышленный инокулум стабильно инициирует метаногенез вне зависимости от типа субстрата [41, 42].

Систематический анализ показал, что эффективность процесса определяется не столько выбором типа реактора, сколько согласованной комбинацией нескольких решений: предварительной подготовки сырья, корректировки субстрата и поддержания устойчивости процесса. На основе выделенных факторов предложена упрощенная блок-схема принятия решений (рис. 3).

Рисунок 3 – Алгоритм выбора технологии переработки СПО

Заключение

Библиометрический анализ показал, что современные исследования в области анаэробной ферментации смешанных пищевых отходов охватывают не только совершенствование базовых процессов анаэробного сбраживания, но и вопросы микробиологического мониторинга, оптимизации выхода биогаза, разработки альтернативных биопродуктов и водородных технологий. Такая структура свидетельствует о переходе от изучения отдельных стадий процесса к поиску комплексных технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности переработки органических отходов.

Результаты обзора показали, что выбор типа реактора сам по себе не определяет эффективность анаэробной ферментации и влияет лишь на часть эксплуатационных характеристик установки. Эффективность процесса в неменьшей степени зависит от предварительной подготовки сырья, корректировки состава субстрата посредством совместного сбраживания, а также применения методов, направленных на поддержание устойчивости микробного сообщества.

При проектировании установок для переработки смешанных пищевых отходов необходимо учитывать взаимосвязь между конструкцией реактора, характеристиками исходного сырья и используемыми методами интенсификации процесса. Такой подход позволяет компенсировать высокую вариабельность состава пищевых отходов, повысить стабильность метаногенеза, увеличить выход биогаза и повысить качество получаемого дигестата.

Предложенный алгоритм обобщает разрозненные подходы к предобработке и может рассматриваться как инструмент структурирования проектных решений при переработке СПО.

Таким образом, анаэробная ферментация СПО эффективна только как управляемая система, адаптированная к вариабельности состава пищевых отходов. Применение адаптивных технологических связок позволяет реализовать потенциал технологии без завышенных требований к исходному сырью, что особенно актуально для российской системы обращения с ТКО.

Исследование выполнено в рамках проекта РНФ 25-28-00955 «Разработка концепции формирования системы межотраслевого взаимодействия с учетом принципов промышленного симбиоза как часть комплексного формирования устойчивых продовольственных систем».