Анаэробное пищеварение - Anaerobic digestion

Система анаэробного варочного котла в Германии

Часть серии о
Устойчивая энергия
Энергосбережение Когенерация Эффективное использование энергии Хранилище энергии Зеленое здание Тепловой носос Микрогенерация
Возобновляемая энергия Гидроэлектроэнергия Солнечная Ветер Геотермальный Биотопливо Углеродно-нейтральное топливо Переход на возобновляемые источники энергии Морская энергия
Экологичный транспорт Электромобиль Зеленый автомобиль Подключаемый гибрид Поэтапный отказ от ископаемого топлива
Портал возобновляемой энергии  Категория
v т е

Анаэробное пищеварение - это последовательность процессов, с помощью которых микроорганизмы расщепляют биоразлагаемый материал в отсутствие кислорода . Этот процесс используется в промышленных или бытовых целях для управления отходами или для производства топлива. Большая часть ферментации, используемой в промышленности для производства продуктов питания и напитков, а также в домашней ферментации, использует анаэробное сбраживание.

Анаэробное пищеварение происходит естественным образом в некоторых почвах и в отложениях озер и океанических бассейнов , где его обычно называют «анаэробной активностью». Это источник болотного газа метана, открытый Алессандро Вольта в 1776 году.

Процесс пищеварения начинается с бактериального гидролиза исходных материалов. Нерастворимые органические полимеры , такие как углеводы , распадаются на растворимые производные, которые становятся доступными для других бактерий. Затем ацидогенные бактерии превращают сахара и аминокислоты в диоксид углерода, водород , аммиак и органические кислоты . В процессе ацетогенеза бактерии превращают полученные органические кислоты в уксусную кислоту вместе с дополнительными аммиаком, водородом и углекислым газом среди других соединений. Наконец, метаногены превращают эти продукты в метан и диоксид углерода. Популяции метаногенных архей играют незаменимую роль в анаэробной очистке сточных вод.

Анаэробное сбраживание используется как часть процесса обработки биоразлагаемых отходов и осадка сточных вод . Как часть интегрированной системы управления отходами анаэробное сбраживание снижает выбросы свалочного газа в атмосферу. Анаэробные варочные котлы также можно кормить специально выращенными энергетическими культурами, такими как кукуруза .

Анаэробное сбраживание широко используется как источник возобновляемой энергии . В процессе образуется биогаз , состоящий из метана , диоксида углерода и следов других «загрязняющих» газов. Этот биогаз можно использовать непосредственно в качестве топлива, в двигателях комбинированного производства тепла и энергии, или преобразовать его в биометан, соответствующий качеству природного газа . Также произведенный богатый питательными веществами дигестат можно использовать в качестве удобрения .

Благодаря повторному использованию отходов в качестве ресурса и новым технологическим подходам, которые снизили капитальные затраты , анаэробное сбраживание в последние годы привлекло к себе повышенное внимание правительств ряда стран, в том числе Соединенного Королевства (2011 г.), Германии, Дании ( 2011) и США.

Процесс

Многие микроорганизмы влияют на анаэробное пищеварение, включая бактерии, образующие уксусную кислоту ( ацетогены ) и метанобразующие археи ( метаногены ). Эти организмы способствуют ряду химических процессов преобразования биомассы в биогаз .

Газообразный кислород исключен из реакций путем физического сдерживания. Анаэробы используют акцепторы электронов из источников, отличных от газообразного кислорода. Эти акцепторы могут быть самим органическим материалом или могут поставляться неорганическими оксидами из входящего материала. Когда источником кислорода в анаэробной системе является сам органический материал, «промежуточными» конечными продуктами являются в первую очередь спирты , альдегиды и органические кислоты, а также диоксид углерода. В присутствии специализированных метаногенов промежуточные продукты превращаются в «конечные» конечные продукты - метан, диоксид углерода и следовые количества сероводорода . В анаэробной системе большая часть химической энергии, содержащейся в исходном материале, выделяется метаногенными бактериями в виде метана.

Популяции анаэробных микроорганизмов обычно требуют значительного периода времени, чтобы стать полностью эффективными. Следовательно, обычной практикой является внедрение анаэробных микроорганизмов из материалов с существующими популяциями, процесс, известный как «засев» варочных котлов, обычно осуществляется с добавлением осадка сточных вод или жидкого навоза крупного рогатого скота.

Этапы процесса

Четыре ключевых этапа анаэробного пищеварения включают гидролиз , ацидогенез , ацетогенез и метаногенез . Общий процесс можно описать химической реакцией, при которой органический материал, такой как глюкоза, биохимически переваривается анаэробными микроорганизмами в двуокись углерода (CO ₂ ) и метан (CH ₄ ).

• Гидролиз

В большинстве случаев биомасса состоит из крупных органических полимеров. Чтобы бактерии в анаэробных варочных котлах могли получить доступ к энергетическому потенциалу материала, эти цепи должны сначала быть разбиты на их более мелкие составные части. Эти составные части или мономеры, такие как сахара, легко доступны для других бактерий. Процесс разрыва этих цепей и растворения более мелких молекул в растворе называется гидролизом. Следовательно, гидролиз этих высокомолекулярных полимерных компонентов является необходимым первым шагом в анаэробном сбраживании. В результате гидролиза сложные органические молекулы распадаются на простые сахара , аминокислоты и жирные кислоты .

Ацетат и водород, полученные на первых стадиях, могут использоваться непосредственно метаногенами. Другие молекулы, такие как летучие жирные кислоты (ЛЖК) с длиной цепи больше, чем у ацетата, должны сначала катаболизироваться в соединения, которые могут напрямую использоваться метаногенами.

• Ацидогенез

Биологический процесс ацидогенеза приводит к дальнейшему расщеплению оставшихся компонентов ацидогенными (ферментативными) бактериями. Здесь образуются летучие жирные кислоты , аммиак, диоксид углерода и сероводород , а также другие побочные продукты. Процесс ацидогенеза похож на закисание молока .

• Ацетогенез

Третий этап анаэробного пищеварения - ацетогенез . Здесь простые молекулы, созданные в фазе ацидогенеза, дополнительно перевариваются ацетогенами с образованием в основном уксусной кислоты, а также диоксида углерода и водорода.

• Метаногенез

Завершающей стадией анаэробного пищеварения является биологический процесс метаногенеза . Здесь метаногены используют промежуточные продукты предыдущих стадий и превращают их в метан, диоксид углерода и воду. Эти компоненты составляют большую часть биогаза, выбрасываемого из системы. Метаногенез чувствителен как к высоким, так и к низким значениям pH и происходит между pH 6,5 и pH 8. Оставшийся неперевариваемый материал, который микробы не могут использовать, и любые мертвые бактериальные остатки составляют дигестат.

Конфигурация

Сравнение распространенных биогазовых технологий

Анаэробные варочные котлы могут быть спроектированы и спроектированы для работы с использованием ряда различных конфигураций и могут быть разделены на режимы периодического и непрерывного процесса, мезофильные и термофильные температурные условия, высокую или низкую долю твердых веществ и одноступенчатые против многоступенчатых процессов. Непрерывный процесс требует более сложной конструкции, но, тем не менее, он может быть более экономичным, чем периодический процесс, потому что периодический процесс требует больших начальных затрат на строительство и большего объема варочных котлов (разбросанных по нескольким партиям) для обработки того же количества отходов, что и непрерывный процесс. варочный котел. В термофильной системе требуется более высокая тепловая энергия по сравнению с мезофильной системой, но термофильная система требует гораздо меньше времени и имеет большую пропускную способность по газу и более высокое содержание газообразного метана, поэтому необходимо тщательно продумать этот компромисс. Что касается содержания твердых частиц, то при низком содержании твердых частиц будет до 15%. Выше этого уровня считается высокое содержание твердых веществ и также может быть известно как сухое сбраживание. В одностадийном процессе один реактор включает четыре стадии анаэробного сбраживания. Многоступенчатый процесс использует два или более реактора для разложения, чтобы разделить фазы метаногенеза и гидролиза.

Пакетный или непрерывный

Анаэробное сбраживание может выполняться как периодический, так и непрерывный процесс. В периодической системе биомасса добавляется в реактор в начале процесса. Затем реактор герметизируют на время процесса. В простейшей форме для пакетной обработки требуется инокуляция уже обработанным материалом для начала анаэробного сбраживания. В типичном сценарии производство биогаза будет формироваться с нормальным распределением во времени. Операторы могут использовать этот факт, чтобы определить, когда, по их мнению, процесс переваривания органических веществ завершился. Если реактор периодического действия открыть и опорожнить до того, как процесс будет полностью завершен, могут возникнуть серьезные проблемы с запахом. Более продвинутый тип периодического подхода ограничил проблемы запаха за счет интеграции анаэробного сбраживания с компостированием в емкости . В этом подходе инокуляция происходит за счет использования рециркулирующего дегазированного перколята. После завершения анаэробного сбраживания биомасса хранится в реакторе, который затем используется для компостирования в сосуде перед его открытием. пищеварение. Использование более чем одного реактора периодического действия на заводе может обеспечить постоянное производство биогаза.

В процессах непрерывного сбраживания органические вещества постоянно добавляются (непрерывное полное перемешивание) или поэтапно добавляются в реактор (непрерывный поршневой поток; первым пришел - первым ушел). Здесь конечные продукты постоянно или периодически удаляются, что приводит к постоянному производству биогаза. Последовательно можно использовать один или несколько варочных котлов. Примеры этой формы анаэробного сбраживания включают реакторы непрерывного действия с мешалкой , анаэробные подушки ила с восходящим потоком , расширенные слои гранулированного ила и реакторы с внутренней циркуляцией .

Температура

Два обычных рабочих уровня температуры для анаэробных варочных котлов определяют виды метаногенов в варочных котлах:

• Мезофильное пищеварение оптимально происходит при температуре от 30 до 38 ° C или при температуре окружающей среды от 20 до 45 ° C, где мезофилы являются основными присутствующими микроорганизмами.
• Термофильное расщепление оптимально происходит при температуре от 49 до 57 ° C или при повышенных температурах до 70 ° C, когда термофилы являются основными присутствующими микроорганизмами.

В Боливии достигнут предел анаэробного сбраживания при рабочих температурах ниже 10 ° C. Анаэробный процесс протекает очень медленно, более чем в три раза превышая нормальный мезофильный процесс. В ходе экспериментальной работы в Университете Аляски в Фэрбенксе 1000-литровый варочный котел с использованием психрофилов, собранных из «грязи из замерзшего озера на Аляске», произвел 200–300 литров метана в день, примерно от 20 до 30% продукции, получаемой из варочных котлов в более теплых условиях. климат. Количество мезофильных видов превышает количество термофилов, и они также более терпимы к изменениям условий окружающей среды, чем термофилы. Таким образом, мезофильные системы считаются более стабильными, чем термофильные системы пищеварения. Напротив, в то время как термофильные системы разложения считаются менее стабильными, их энергозатраты выше, при этом большее количество биогаза удаляется из органического вещества за равное время. Повышенные температуры способствуют более высокой скорости реакции и, следовательно, более быстрому выходу газа. Работа при более высоких температурах способствует большему уменьшению количества патогенов в дигестате. В странах, где законодательство, такое как Положения о побочных продуктах животного происхождения в Европейском Союзе, требует, чтобы дигестат соответствовал определенным уровням снижения количества патогенов, может быть полезно использовать термофильные температуры вместо мезофильных.

Дополнительная предварительная обработка может использоваться для уменьшения времени удерживания, необходимого для производства биогаза. Например, некоторые процессы измельчают субстраты для увеличения площади поверхности или используют стадию предварительной термической обработки (например, пастеризацию) для значительного увеличения выхода биогаза. Процесс пастеризации также можно использовать для снижения концентрации патогенных микроорганизмов в дигестате, покидающем анаэробный варочный котел. Пастеризация может быть достигнута термической обработкой в ​​сочетании с мацерацией твердых веществ.

Содержание твердых веществ

В типичном сценарии три различных рабочих параметра связаны с содержанием твердых частиц в сырье, поступающем в варочные котлы:

• Высокий сухой остаток (сухой - штабелируемый субстрат)
• С высоким содержанием твердых частиц (влажный - перекачиваемый субстрат)
• Низкое содержание твердых частиц (влажный - перекачиваемый субстрат)

Проектирование биогазовой установки для сухого / твердотельного анаэробного сбраживания (AD)

Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц (сухие) предназначены для обработки материалов с содержанием твердых частиц от 25 до 40%. В отличие от варочных котлов мокрого типа, которые обрабатывают перекачиваемые суспензии, варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц (сухой - штабелируемый субстрат) предназначены для обработки твердых субстратов без добавления воды. Основными типами сухих варочных котлов являются варочные котлы с вертикальным поршневым потоком непрерывного действия и горизонтальные варочные котлы периодического действия с туннельным туннелем. Варочные котлы с постоянным вертикальным поршневым потоком представляют собой вертикальные цилиндрические резервуары, в которых сырье непрерывно подается в верхнюю часть варочного котла и течет вниз под действием силы тяжести во время варки. В туннельных варочных котлах периодического действия сырье размещается в туннельных камерах с газонепроницаемой дверцей. Ни один из подходов не предусматривает перемешивания внутри варочного котла. Объем предварительной обработки, такой как удаление загрязняющих веществ, зависит как от природы обрабатываемых потоков отходов, так и от желаемого качества дигестата. Уменьшение размера (измельчение) выгодно в непрерывных вертикальных системах, поскольку оно ускоряет пищеварение, в то время как периодические системы избегают измельчения и вместо этого требуют структуры (например, отходы двора), чтобы уменьшить уплотнение уложенной стопки. Вертикальные сухие варочные котлы непрерывного действия имеют меньшую занимаемую площадь из-за более короткого эффективного времени удерживания и вертикальной конструкции. Влажные варочные котлы могут быть спроектированы для работы либо с высоким содержанием твердых частиц, с общей концентрацией взвешенных твердых частиц (TSS) более ~ 20%, либо с концентрацией низких твердых частиц менее ~ 15%.

Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц (влажные) перерабатывают густую суспензию, которая требует большего количества энергии для перемещения и обработки сырья. Толщина материала также может привести к проблемам с истиранием. Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц обычно требуют меньше земли из-за меньших объемов, связанных с влажностью. Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц также требуют корректировки обычных расчетов производительности (например, производства газа, времени удерживания, кинетики и т. Д.), Первоначально основанных на концепциях сбраживания очень разбавленных сточных вод, поскольку более крупные фракции массы исходного сырья потенциально могут быть преобразованы в биогаз.

Варочные котлы с низким содержанием твердых частиц (мокрые) могут транспортировать материал через систему с помощью стандартных насосов, требующих значительно меньшего энергопотребления. Варочные котлы с низким содержанием твердых частиц требуют большего количества земли, чем варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц, из-за увеличения объемов, связанного с повышенным соотношением жидкости к сырью в варочных котлах. Есть преимущества, связанные с работой в жидкой среде, поскольку она обеспечивает более тщательную циркуляцию материалов и контакт между бактериями и их пищей. Это позволяет бактериям более легко получать доступ к веществам, которыми они питаются, и увеличивает скорость газообразования.

Сложность

Системы пищеварения могут быть сконфигурированы с разным уровнем сложности. В одноступенчатой ​​системе разложения (одноступенчатой) все биологические реакции происходят в одном герметичном реакторе или резервуаре для хранения. Использование одной ступени снижает затраты на строительство, но приводит к меньшему контролю реакций, происходящих в системе. Ацидогенные бактерии, производя кислоты, снижают pH в аквариуме. Метаногенные бактерии, как указывалось ранее, действуют в строго определенном диапазоне pH. Следовательно, биологические реакции различных видов в одноступенчатом реакторе могут напрямую конкурировать друг с другом. Еще одна одноступенчатая реакционная система - анаэробная лагуна . Эти лагуны представляют собой земляные бассейны, похожие на пруды, которые используются для обработки и длительного хранения навоза. Здесь анаэробные реакции содержатся в естественном анаэробном иле, содержащемся в бассейне.

В двухэтапной системе пищеварения (многоступенчатой) различные сосуды для пищеварения оптимизированы для обеспечения максимального контроля над бактериальными сообществами, живущими в ферментах. Ацидогенные бактерии производят органические кислоты и быстрее растут и размножаются, чем метаногенные бактерии. Метаногенные бактерии требуют стабильного pH и температуры для оптимизации их работы.

В типичных обстоятельствах гидролиз, ацетогенез и ацидогенез происходят в первом реакционном сосуде. Затем органический материал нагревают до необходимой рабочей температуры (мезофильной или термофильной) перед перекачкой в ​​метаногенный реактор. Резервуары для начального гидролиза или ацидогенеза перед метаногенным реактором могут служить буфером для скорости добавления сырья. В некоторых европейских странах требуется повышенная термическая обработка для уничтожения вредных бактерий в поступающих отходах. В этом случае может быть стадия пастеризации или стерилизации до разложения или между двумя резервуарами для разложения. Примечательно, что невозможно полностью изолировать различные фазы реакции, и часто в резервуарах для гидролиза или ацидогенеза образуется некоторое количество биогаза.

Время пребывания

Время пребывания в варочном котле зависит от количества и типа загружаемого материала, а также от конфигурации системы варки. При типичном двухстадийном мезофильном расщеплении время пребывания колеблется от 15 до 40 дней, тогда как для одностадийного термофильного разложения время пребывания обычно меньше и составляет около 14 дней. Характер поршневого потока некоторых из этих систем будет означать, что полное разложение материала, возможно, не было реализовано в этом масштабе времени. В этом случае дигестат, выходящий из системы, будет более темного цвета и обычно будет иметь более сильный запах.

В случае анаэробного разложения ила с восходящим потоком (UASB) время гидравлической выдержки может составлять от 1 часа до 1 дня, а время удерживания твердого вещества может достигать 90 дней. Таким образом, система UASB способна разделять твердые частицы и время гидравлического удерживания с помощью слоя осадка. Варочные котлы непрерывного действия имеют механические или гидравлические устройства, в зависимости от уровня твердых веществ в материале, для перемешивания содержимого, позволяя бактериям и продуктам контактировать. Они также позволяют непрерывно извлекать излишки материала для поддержания достаточно постоянного объема в резервуарах для разложения.

Торможение

Слева: варочный котел для кукурузного силоса на ферме, расположенный недалеко от Ноймюнстера в Германии, 2007 г. - зеленый надувной держатель биогаза показан наверху варочного котла. Справа: двухэтапный, с низким содержанием твердых частиц, UASB- компонент системы механической биологической очистки недалеко от Тель-Авива ; технологическая вода видна в балансировочном баке и последовательном реакторе периодического действия , 2005 г.

Процесс анаэробного переваривания может тормозиться несколькими соединениями, влияющими на одну или несколько бактериальных групп, ответственных за различные стадии разложения органических веществ. Степень ингибирования зависит, среди прочего, от концентрации ингибитора в варочном котле. Потенциальными ингибиторами являются аммиак, сульфид, ионы легких металлов (Na, K, Mg, Ca, Al), тяжелые металлы, некоторые органические вещества (хлорфенолы, галогенированные алифатические соединения, N-замещенные ароматические соединения, длинноцепочечные жирные кислоты) и т. Д.

Сырье

Анаэробная лагуна и генераторы в Cal Poly Dairy, США

Наиболее важным исходным вопросом при рассмотрении применения систем анаэробного сбраживания является сырье для процесса. Практически любой органический материал можно обработать анаэробным сбраживанием; однако, если целью является производство биогаза, уровень гниения является ключевым фактором в его успешном применении. Чем более гнилостный (усвояемый) материал, тем выше возможный выход газа из системы.

Сырье может включать биоразлагаемые отходы, такие как макулатура, обрезки травы, остатки пищи, сточные воды и отходы животноводства. Исключение составляют древесные отходы, поскольку они практически не подвержены перевариванию, поскольку большинство анаэробов не могут разлагать лигнин . Для разложения лигнина можно использовать ксилофалгенные анаэробы (потребители лигнина) или использовать предварительную высокотемпературную обработку, такую ​​как пиролиз. Анаэробные варочные котлы также могут питаться специально выращенными энергетическими культурами , такими как силос , для специального производства биогаза. В Германии и континентальной Европе эти установки называют «биогазовыми». Завод по совместному пищеварению или коферментации обычно представляет собой сельскохозяйственный анаэробный варочный котел, который принимает два или более исходных материала для одновременного сбраживания.

Продолжительность времени, необходимого для анаэробного сбраживания, зависит от химической сложности материала. Материал, богатый легкоусвояемыми сахарами, быстро разрушается, тогда как неповрежденный лигноцеллюлозный материал, богатый полимерами целлюлозы и гемицеллюлозы, может разлагаться намного дольше. Анаэробные микроорганизмы обычно неспособны расщеплять лигнин, стойкий ароматический компонент биомассы.

Анаэробные варочные котлы изначально были разработаны для работы с осадком сточных вод и навозом. Однако сточные воды и навоз не являются материалом с наибольшим потенциалом для анаэробного переваривания, поскольку биоразлагаемый материал уже получил большую часть энергии, потребляемой животными, которые его произвели. Поэтому многие варочные котлы работают с совместным перевариванием двух или более типов сырья. Например, в варочном котле на ферме, который использует молочный навоз в качестве основного сырья, производство газа может быть значительно увеличено за счет добавления второго сырья, например травы и кукурузы (типичное сырье на ферме), или различных органических побочных продуктов, таких как как отходы скотобойни, жиры, масла и смазки из ресторанов, органические бытовые отходы и т. д. (типичное сырье за ​​пределами предприятия).

Варочные котлы, перерабатывающие специальные энергетические культуры, могут обеспечить высокий уровень деградации и производства биогаза. Системы, использующие только жидкий навоз, как правило, дешевле, но производят гораздо меньше энергии, чем системы, использующие зерновые культуры, такие как кукуруза и травяной силос; за счет использования небольшого количества растительного материала (30%) установка для анаэробного сбраживания может увеличить выход энергии в десять раз, всего лишь в три раза превышая капитальные затраты по сравнению с системой, работающей только на жидком навозе.

Содержание влаги

Второе соображение, связанное с сырьем, - это влажность. Более сухие, штабелируемые субстраты, такие как пищевые и дворовые отходы, подходят для разложения в камерах туннельного типа. Системы туннельного типа также обычно имеют почти нулевой сброс сточных вод, поэтому этот тип системы имеет преимущества там, где сброс жидкостей из метантенка является препятствием. Чем влажнее материал, тем больше он подходит для работы со стандартными насосами вместо энергоемких бетононасосов и физических средств передвижения. Кроме того, чем влажнее материал, тем больше он занимает объема и площади по сравнению с уровнем выделяемого газа. Содержание влаги в целевом сырье также будет влиять на то, какой тип системы применяется для его обработки. Чтобы использовать анаэробный варочный котел с высоким содержанием твердых частиц для разбавленного исходного сырья, следует применять наполнители, такие как компост, для увеличения содержания твердых веществ в исходном материале. Еще одним ключевым моментом является соотношение углерода и азота в исходном материале. Это соотношение - баланс пищи, необходимой микробу для роста; оптимальное соотношение C: N составляет 20–30: 1. Избыток азота может привести к угнетению пищеварения аммиаком.

Загрязнение

Уровень загрязнения исходного материала является ключевым фактором при использовании влажного сбраживания или ферментативного сбраживания.

Если сырье для варочных котлов имеет значительные уровни физических загрязнителей, таких как пластик, стекло или металлы, тогда для материала, который будет использоваться, потребуется обработка для удаления загрязнителей. Если его не удалить, варочные котлы могут быть заблокированы и не будут работать эффективно. Эта проблема загрязнения не возникает в установках для сухого сбраживания или твердотельного анаэробного сбраживания (SSAD), поскольку SSAD обрабатывает сухую штабелируемую биомассу с высоким процентом твердых веществ (40-60%) в газонепроницаемых камерах, называемых ферментерными ящиками. Исходя из этого понимания, проектируются установки для механической биологической очистки. Чем выше уровень предварительной обработки сырья, тем больше потребуется технологического оборудования, и, следовательно, проект будет иметь более высокие капитальные затраты. Национальный центр непродовольственных культур .

После сортировки или просеивания для удаления любых физических загрязнителей из сырья материал часто измельчают, измельчают и механически или гидравлически измельчают, чтобы увеличить площадь поверхности, доступную для микробов в варочных котлах, и, следовательно, увеличить скорость разложения. Мацерация твердых веществ может быть достигнута с помощью измельчающего насоса для перекачки исходного материала в герметичный варочный котел, где происходит анаэробная обработка.

Состав субстрата

Состав субстрата является основным фактором, определяющим выход метана и скорость образования метана при вываривании биомассы. Доступны методы для определения характеристик состава сырья, в то время как такие параметры, как анализ твердых веществ, элементный и органический анализ, важны для проектирования и эксплуатации варочного котла. Выход метана можно оценить по элементному составу субстрата вместе с оценкой его способности к разложению (доля субстрата, которая превращается в биогаз в реакторе). Чтобы предсказать состав биогаза (относительные доли метана и диоксида углерода), необходимо оценить распределение диоксида углерода между водной и газовой фазами, что требует дополнительной информации (температура реактора, pH и состав субстрата) и модель химического состава. . Прямые измерения потенциала биометанирования также производятся с использованием выделения газа или более поздних гравиметрических анализов.

Приложения

Схема анаэробного варочного котла как части системы санитарии . Он производит переваренный шлам ( дигестат ), который можно использовать в качестве удобрения , и биогаз, который можно использовать для получения энергии.

Использование технологий анаэробного сбраживания может помочь снизить выбросы парниковых газов несколькими ключевыми способами:

• Замена ископаемого топлива
• Снижение или устранение энергетического следа очистных сооружений
• Снижение выбросов метана со свалок
• Замена промышленных химических удобрений
• Снижение движений транспортных средств
• Снижение потерь при транспортировке в электросети
• Сокращение использования сжиженного нефтяного газа для приготовления пищи
• Важный компонент инициатив Zero Waste .

Очистка сточных вод и сточных вод

Воспроизвести медиа

Анаэробные варочные котлы на очистных сооружениях . Управление газом метаном осуществляется путем сжигания в газовом факеле .

Анаэробное сбраживание особенно подходит для органических материалов и обычно используется для обработки промышленных стоков , сточных вод и осадка сточных вод . Анаэробное сбраживание, простой процесс, может значительно уменьшить количество органических веществ, которые в противном случае могли бы быть выброшены в море, выброшены на свалки или сожжены в мусоросжигательных установках .

Давление со стороны экологически связанного законодательства о методах удаления твердых отходов в развитых странах привело к расширению применения анаэробного сбраживания как процесса сокращения объемов отходов и получения полезных побочных продуктов. Его можно использовать либо для обработки фракции городских отходов, отделенных от источников, либо, альтернативно, в сочетании с системами механической сортировки для обработки остаточных смешанных городских отходов. Эти сооружения называются установками механической биологической очистки.

Если бы гниющие отходы, обработанные в анаэробных варочных котлах, были выброшены на свалку, они бы разложились естественным образом и часто анаэробно. В этом случае газ со временем улетучится в атмосферу. Поскольку метан примерно в 20 раз более мощный парниковый газ, чем углекислый газ, это оказывает значительное негативное воздействие на окружающую среду.

В странах, где собирают бытовые отходы, использование местных установок для анаэробного сбраживания может помочь сократить количество отходов, которые необходимо вывозить на централизованные свалки или мусоросжигательные заводы. Это снижение нагрузки на транспорт снижает выбросы углерода от транспортных средств-сборщиков. Если локальные установки для анаэробного сбраживания встроены в электрическую распределительную сеть, они могут помочь снизить электрические потери, связанные с транспортировкой электроэнергии по национальной сети.

Выработка энергии

В развивающихся странах простые системы анаэробного сбраживания в домашних условиях и на фермах предлагают потенциал для недорогой энергии для приготовления пищи и освещения. С 1975 года и в Китае, и в Индии существуют крупные поддерживаемые государством схемы адаптации небольших биогазовых установок для использования в домашних условиях для приготовления пищи и освещения. В настоящее время проекты анаэробного сбраживания в развивающихся странах могут получить финансовую поддержку через Механизм чистого развития Организации Объединенных Наций, если они смогут доказать, что обеспечивают сокращение выбросов углерода.

Метан и энергия, производимые в установках для анаэробного сбраживания, могут использоваться для замены энергии, полученной из ископаемого топлива, и, следовательно, сокращения выбросов парниковых газов , поскольку углерод в биоразлагаемых материалах является частью углеродного цикла . Углерод, выбрасываемый в атмосферу при сжигании биогаза, удалялся растениями для роста в недавнем прошлом, обычно в течение последнего десятилетия, но чаще в течение последнего вегетационного периода. Если растения вырастить заново, снова убрав углерод из атмосферы, система станет углеродно-нейтральной . Напротив, углерод в ископаемом топливе был поглощен землей в течение многих миллионов лет, сгорание которого увеличивает общие уровни углекислого газа в атмосфере.

Биогаз, образующийся при очистке осадка сточных вод, иногда используется для запуска газового двигателя для выработки электроэнергии, некоторые или все из которых могут использоваться для работы канализационных сооружений. Некоторое количество отработанного тепла двигателя затем используется для нагрева варочного котла. Отработанного тепла обычно достаточно для нагрева варочного котла до требуемых температур. Потенциал мощности от канализационных сооружений ограничен - в Великобритании всего около 80 МВт такой генерации с потенциалом увеличения до 150 МВт, что незначительно по сравнению со средней потребляемой мощностью в Великобритании, составляющей около 35 000 МВт. Возможности производства биогаза из биологических веществ, не связанных с сточными водами, - энергетических культур, пищевых отходов, отходов скотобойни и т. Д., Намного выше, и оцениваются примерно в 3000 МВт. Ожидается, что сельскохозяйственные биогазовые установки, использующие отходы животноводства и энергетические культуры, будут способствовать сокращению выбросов CO ₂ и укреплению энергосистемы, одновременно обеспечивая британским фермерам дополнительные доходы.

Некоторые страны предлагают стимулы в виде, например, зеленых тарифов на подачу электроэнергии в энергосистему для субсидирования производства зеленой энергии.

В Окленде, штат Калифорния, на главной станции очистки сточных вод муниципального коммунального округа Ист-Бэй пищевые отходы в настоящее время перевариваются вместе с первичными и вторичными твердыми частицами городских сточных вод и другими высококонцентрированными отходами. По сравнению с перевариванием твердых частиц бытовых сточных вод, совместное переваривание пищевых отходов имеет много преимуществ. Анаэробное сбраживание целлюлозы пищевых отходов из процесса пищевых отходов EBMUD обеспечивает более высокую нормализованную энергетическую выгоду по сравнению с твердыми частицами городских сточных вод: от 730 до 1300 кВтч на тонну сухих пищевых отходов по сравнению с 560 до 940 кВтч на тонну сухих твердых частиц муниципальных сточных вод. .

Внедрение в сетку

Закачка биогаза в сеть - это закачка биогаза в сеть природного газа . Сырой биогаз необходимо предварительно превратить в биометан. Эта модернизация подразумевает удаление загрязняющих веществ, таких как сероводород или силоксаны, а также диоксида углерода. Для этой цели доступно несколько технологий, наиболее широко применяемыми являются адсорбция при переменном давлении (PSA) , очистка водой или амином (процессы абсорбции) и, в последние годы, мембранное разделение . В качестве альтернативы электричество и тепло можно использовать для выработки электроэнергии на месте , что приведет к сокращению потерь при транспортировке энергии. Типичные потери энергии в системах транспортировки природного газа колеблются от 1 до 2%, тогда как текущие потери энергии в большой электрической системе колеблются от 5 до 8%.

В октябре 2010 года Didcot Sewage Works стала первой в Великобритании компанией, производящей газ биометан, поставляемый в национальную энергосистему для использования в 200 домах в Оксфордшире . К 2017 году британская электроэнергетическая компания Ecotricity планирует снабдить варочный котел местной травой, которая послужит топливом для 6000 домов.

Автомобильное топливо

После модернизации с помощью вышеупомянутых технологий биогаз (преобразованный в биометан) может использоваться в качестве автомобильного топлива в адаптированных транспортных средствах. Это использование очень широко в Швеции, где существует более 38 600 газовых транспортных средств, и 60% автомобильного газа - это биометан, вырабатываемый на установках анаэробного сбраживания.

Удобрение и почвенный кондиционер

Твердый волокнистый компонент переваренного материала можно использовать в качестве кондиционера почвы для увеличения содержания органических веществ в почве. Раствор из варочного котла можно использовать в качестве удобрения для снабжения почв жизненно важными питательными веществами вместо химических удобрений, для производства и транспортировки которых требуется большое количество энергии. Таким образом, использование промышленных удобрений требует большего количества углерода, чем использование щелочных удобрений из анаэробных варочных котлов. В таких странах, как Испания , где многие почвы обеднены органическими веществами, рынки переваренных твердых веществ могут быть столь же важны, как и биогаз.

Кухонный газ

При использовании биореактора , производящего бактерии, необходимые для разложения, образуется газ для приготовления пищи. Органические отходы, такие как опавшие листья, кухонные отходы, пищевые отходы и т. Д., Загружаются в дробилку, где смешиваются с небольшим количеством воды. Затем смесь подается в биореактор, где бактерии разлагают ее с образованием газа для приготовления пищи. Этот газ подается на кухонную плиту. Биокомбинат объемом 2 кубометра может производить 2 кубометра газа для приготовления пищи. Это эквивалентно 1 кг сжиженного нефтяного газа. Заметным преимуществом использования биореактора является отстой, который представляет собой богатый органический навоз.

Продукты

Три основных продукта анаэробного пищеварения - это биогаз, дигестат и вода.

Биогаз

Держатель биогаза с молниезащитными стержнями и резервным газовым факелом

Трубы для транспортировки биогаза

Биогаз является конечным продуктом жизнедеятельности бактерий, питающихся входящим биоразлагаемым сырьем ( стадия метаногенеза анаэробного сбраживания выполняется архей , микроорганизмом, находящимся на совершенно другой ветви филогенетического древа жизни для бактерий), и в основном это метан. и диоксид углерода с небольшим количеством водорода и следами сероводорода. (В процессе производства биогаз также содержит водяной пар, причем доля водяного пара в объеме зависит от температуры биогаза). Большая часть биогаза вырабатывается в середине процесса пищеварения, после того, как популяция бактерий растет, и уменьшается по мере истощения разлагающегося материала. Газ обычно хранится наверху варочного котла в надувном газовом пузыре или извлекается и хранится рядом с установкой в ​​газгольдере.

Метан в биогазе можно сжигать для производства как тепла, так и электричества, обычно с помощью поршневого двигателя или микротурбины, часто в когенерационной установке, где генерируемое электричество и отработанное тепло используются для обогрева варочных котлов или для обогрева зданий. Избыточную электроэнергию можно продать поставщикам или поставить в местную сеть. Электроэнергия, производимая анаэробными метантенками, считается возобновляемой энергией и может потребовать субсидий. Биогаз не способствует увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере, потому что газ не выбрасывается непосредственно в атмосферу, а углекислый газ поступает из органического источника с коротким углеродным циклом.

Биогаз может потребовать обработки или «очистки», чтобы очистить его для использования в качестве топлива. Сероводород , токсичный продукт, образующийся из сульфатов в исходном сырье, выделяется как следовой компонент биогаза. Национальные органы охраны окружающей среды органов, таких , как Агентство США по охране окружающей среды или на английском и валлийском агентства по окружающей среде , поставить жесткие ограничения на уровни газов , содержащих сероводород, и, если уровень сероводорода в газе высоки, газ очистки и уборки оборудование (такое как обработка газа амином ) будет необходимо для обработки биогаза в пределах региональных допустимых уровней. В качестве альтернативы добавление хлорида железа FeCl ₂ в баки для разложения подавляет образование сероводорода.

Летучие силоксаны также могут загрязнять биогаз; такие соединения часто встречаются в бытовых отходах и сточных водах. На предприятиях по сбраживанию, принимающих эти материалы в качестве компонента исходного сырья, низкомолекулярные силоксаны улетучиваются с образованием биогаза. Когда этот газ сжигается в газовом двигателе, турбине или котле, силоксаны превращаются в диоксид кремния (SiO ₂ ), который откладывается внутри машины, увеличивая износ. В настоящее время доступны практичные и рентабельные технологии удаления силоксанов и других загрязнителей биогаза. В некоторых случаях обработка на месте может использоваться для повышения чистоты метана за счет снижения содержания диоксида углерода в отходящих газах, продувки большей его части во вторичном реакторе.

В таких странах, как Швейцария, Германия и Швеция, метан, содержащийся в биогазе, может быть сжат для использования в качестве топлива для транспортных средств или для подачи непосредственно в газопровод. В странах, где движущей силой использования анаэробного сбраживания являются субсидии на возобновляемую электроэнергию, этот способ обработки менее вероятен, поскольку на этом этапе обработки требуется энергия, что снижает общие уровни, доступные для продажи.

Переваривать

Дигестат - это твердые остатки исходного материала, поступающего в варочные котлы, которые микробы не могут использовать. Он также состоит из минерализованных остатков мертвых бактерий внутри варочных котлов. Дигестат может быть в трех формах: волокнистый, щелочной или комбинация двух фракций на основе осадка. В двухступенчатых системах разные формы дигестата поступают из разных резервуаров для разложения. В одноступенчатых системах разложения две фракции будут объединены и, при желании, разделены дальнейшей обработкой.

Ацидогенный анаэробный дигестат

Второй побочный продукт (ацидогенный дигестат) представляет собой стабильный органический материал, состоящий в основном из лигнина и целлюлозы, а также из множества минеральных компонентов в матрице мертвых бактериальных клеток; может присутствовать немного пластика. Материал напоминает домашний компост и может использоваться как таковой или для изготовления низкосортных строительных изделий, таких как древесноволокнистые плиты. Твердый дигестат также можно использовать в качестве сырья для производства этанола.

Третий побочный продукт - это жидкость (метаногенный дигестат), богатая питательными веществами, которую можно использовать в качестве удобрения, в зависимости от качества перевариваемого материала. Уровни потенциально токсичных элементов (PTE) следует оценивать химически. Это будет зависеть от качества исходного сырья. В случае большинства чистых и разделенных по источникам потоков биоразлагаемых отходов уровни PTE будут низкими. В случае промышленных отходов уровни PTE могут быть выше, и их необходимо будет учитывать при определении подходящего конечного использования материала.

Дигестат обычно содержит такие элементы, как лигнин, которые не могут быть расщеплены анаэробными микроорганизмами. Кроме того, дигестат может содержать аммиак, который является фитотоксичным и может препятствовать росту растений, если он используется в качестве материала, улучшающего почву. По этим двум причинам после переваривания можно использовать стадию созревания или компостирования. Лигнин и другие материалы доступны для разложения аэробными микроорганизмами, такими как грибы, что помогает уменьшить общий объем материала для транспортировки. Во время этого созревания аммиак окисляется до нитратов, улучшая плодородие материала и делая его более подходящим в качестве улучшителя почвы. Большие стадии компостирования обычно используются в технологиях сухого анаэробного сбраживания.

Сточные Воды

Конечным продуктом анаэробных систем разложения является вода, которая образуется как из-за содержания влаги в исходных отходах, которые были обработаны, так и из воды, образующейся в ходе микробных реакций в системах разложения. Эта вода может выделяться при обезвоживании дигестата или может быть неявно отделена от дигестата.

Сточные воды, выходящие из установки для анаэробного сбраживания, обычно имеют повышенные уровни биохимической потребности в кислороде (БПК) и химической потребности в кислороде (ХПК). Эти меры реактивности сточных вод указывают на их способность к загрязнению. Некоторые из этих материалов называют «жесткими ХПК», что означает, что анаэробные бактерии не могут получить к ним доступ для преобразования в биогаз. Если бы эти сточные воды были сброшены прямо в водотоки, это бы отрицательно повлияло на них, вызвав эвтрофикацию . Таким образом, часто требуется дополнительная очистка сточных вод. Эта обработка обычно представляет собой стадию окисления, на которой воздух пропускают через воду в последовательных реакторах периодического действия или в установке обратного осмоса .

История

Газовый уличный фонарь

История анаэробного пищеварения долгая, она началась еще в 10 веке до нашей эры в Ассирии, где биогаз использовался для нагрева воды в ванне. Сообщаемый научный интерес к производству газа, полученного путем естественного разложения органических веществ, относится к 17 веку, когда Роберт Бойл (1627-1691) и Стивен Хейлз (1677-1761) отметили, что при нарушении отложения водотоков и озер выделяется горючий газ. . В 1778 году итальянский физик Алессандро Вольта (1745-1827), отец электрохимии , с научной точки зрения идентифицировал этот газ как метан .

В 1808 году сэр Хамфри Дэви доказал присутствие метана в газах, выделяемых навозом крупного рогатого скота . Первый известный анаэробный варочный котел был построен в 1859 году в колонии прокаженных в Бомбее в Индии . В 1895 году эта технология была разработана в Эксетере , Англия , где септик использовался для выработки газа для лампы деструктора канализационного газа , типа газового освещения . Также в Англии, в 1904 году, в Хэмптоне, Лондон, был установлен первый резервуар двойного назначения как для отстаивания, так и для обработки осадка .

Имхофф танк

К началу 20-го века анаэробные системы пищеварения стали напоминать технологии, которые используются сегодня. В 1906 году Карл Имхофф создал танк Имхоффа ; ранняя форма анаэробного варочного котла и модельной системы очистки сточных вод в начале 20 века. После 1920 года закрытые резервуарные системы начали заменять ранее распространенное использование анаэробных лагун - покрытых земляных бассейнов, используемых для обработки летучих твердых частиц. Серьезные исследования анаэробного пищеварения начались в 1930-х годах.

Примерно во время Первой мировой войны производство биотоплива замедлилось, так как производство нефти увеличилось и были выявлены способы ее использования. В то время как нехватка топлива во время Второй мировой войны привела к повторной популяризации анаэробного сбраживания, интерес к этой технологии снова снизился после окончания войны. Точно так же энергетический кризис 1970-х вызвал интерес к анаэробному пищеварению. Помимо высоких цен на энергию, факторы, влияющие на внедрение систем анаэробного сбраживания, включают восприимчивость к инновациям, штрафы за загрязнение, политические стимулы, а также наличие субсидий и возможностей финансирования.

Сегодня анаэробные варочные котлы обычно используются рядом с фермами, чтобы уменьшить сток азота из навоза, или очистными сооружениями для снижения затрат на удаление ила. Сельскохозяйственное анаэробное сбраживание для производства энергии стало наиболее популярным в Германии, где в 2014 году было 8625 метантенков. В Соединенном Королевстве к 2014 году было 259 предприятий, а к 2019 году планируется ввести в эксплуатацию 500 проектов. В 2012 году действовал 191 завод в 34 штатах. Политика может объяснить, почему показатели внедрения так сильно различаются в этих странах.

В 1991 году в Германии были введены в действие зеленые тарифы , также известные как FIT, предусматривающие долгосрочные контракты, компенсирующие инвестиции в производство возобновляемой энергии. Следовательно, с 1991 по 1998 год количество заводов по производству анаэробных варочных котлов в Германии выросло с 20 до 517. В конце 1990-х годов цены на энергоносители в Германии менялись, и инвесторы стали неуверенными в потенциале рынка. Правительство Германии отреагировало на это, изменив размер льготных тарифов четыре раза в период с 2000 по 2011 год, повысив тарифы и повысив рентабельность анаэробного сбраживания, что привело к надежной окупаемости производства биогаза и сохранению высоких показателей внедрения по всей стране.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки