Анаэробное сбраживание представляет собой последовательность процессов, посредством которых микроорганизмы расщепляют биоразлагаемый материал в отсутствие кислорода . [1] 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 для домашней ферментации, использует анаэробное сбраживание.
Анаэробное сбраживание происходит естественным образом в некоторых почвах, а также в отложениях озер и океанических бассейнов , где его обычно называют «анаэробной активностью». [2] [3] Это источник болотного газа метана , обнаруженный Алессандро Вольта в 1776 году. [4] [5]
Процесс пищеварения начинается с бактериального гидролиза входящих материалов. Нерастворимые органические полимеры , такие как углеводы , расщепляются до растворимых производных, которые становятся доступными для других бактерий. Затем ацидогенные бактерии преобразуют сахара и аминокислоты в углекислый газ, водород , аммиак и органические кислоты . В ацетогенезе бактерии преобразуют эти полученные органические кислоты в уксусную кислоту , а также дополнительный аммиак, водород и углекислый газ среди других соединений. Наконец, метаногены преобразуют эти продукты в метан и углекислый газ. [6] Популяции метаногенных архей играют незаменимую роль в анаэробной очистке сточных вод. [7]
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 сбраживатели также могут питаться специально выращенными энергетическими культурами, такими как кукуруза . [8]
Анаэробное сбраживание широко используется как источник возобновляемой энергии . В результате этого процесса образуется биогаз , состоящий из метана , углекислого газа и следов других «загрязняющих» газов. [1] Этот биогаз можно использовать непосредственно в качестве топлива в комбинированных газовых двигателях для производства тепла и электроэнергии [9] или преобразовать в биометан , качественный как природный газ . Также полученный 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 повышенное внимание правительств ряда стран, среди которых Великобритания (2011), [10] Германия, [ необходима ссылка ] Дания (2011), [11] и Соединенные Штаты. [12]
Многие микроорганизмы влияют на анаэробное пищеварение, включая бактерии, образующие уксусную кислоту ( ацетогены ) и археи , образующие метан ( метаногены ). Эти организмы способствуют ряду химических процессов в преобразовании биомассы в биогаз . [13]
Газообразный кислород исключается 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 исходного материала. Когда источник кислорода в анаэробной системе получается из самого органического материала, «промежуточными» конечными продуктами являются в основном спирты , альдегиды и органические кислоты, а также диоксид углерода. В присутствии специализированных метаногенов промежуточные продукты преобразуются в «конечные» конечные продукты: метан, диоксид углерода и следовые количества сероводорода . [14] В анаэробной системе большая часть химической энергии, содержащейся в исходном материале, выделяется метаногенными археями в виде метана. [15]
Популяции анаэробных микроорганизмов обычно требуют значительного периода времени, чтобы установиться и стать полностью эффективными. Поэтому общепринятой практикой является введение анаэробных микроорганизмов из материалов с существующими популяциями, процесс, известный как «засевание» метантенков, обычно осуществляемый с добавлением канализационного ила или навозной жижи крупного рогатого скота. [16]
Четыре основных этапа анаэробного пищеварения включают гидролиз , ацидогенез , ацетогенез и метаногенез . [17] Общий процесс можно описать химической реакцией, в которой органический материал, такой как глюкоза, биохимически переваривается в диоксид углерода (CO2 ) и метан (CH4 ) анаэробными микроорганизмами.
С6Н12О6 → 3СО2 + 3СН4
В большинстве случаев биомасса состоит из крупных органических полимеров. Для того чтобы бактерии в анаэробных реакторах получили доступ к энергетическому потенциалу материала, эти цепи должны быть сначала разбиты на 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. Поэтому гидролиз этих высокомолекулярных полимерных компонентов является необходимым первым шагом в анаэробном пищеварении. [18] В результате гидролиза сложные органические молекулы расщепляются на простые сахара , аминокислоты и жирные кислоты .
Ацетат и водород, полученные на первых этапах, могут быть напрямую использованы метаногенами. Другие молекулы, такие как летучие жирные кислоты (ЛЖК) с длиной цепи больше, чем у ацетата, должны сначала быть катаболизированы в соединения, которые могут быть напрямую использованы метаногенами. [19]
Биологический процесс ацидогенеза приводит к дальнейшему расщеплению оставшихся компонентов ацидогенными (ферментативными) бактериями. Здесь образуются ЛЖК, а также аммиак, углекислый газ и сероводород , а также другие побочные продукты. [20] Процесс ацидогенеза похож на процесс скисания молока .
Третья стадия анаэробного пищеварения — ацетогенез . Здесь простые молекулы, созданные в ходе фазы ацидогенеза, далее перевариваются ацетогенами, в результате чего образуется в основном уксусная кислота, а также углекислый газ и водород. [21]
Конечная стадия анаэробного пищеварения — биологический процесс метаногенеза . Здесь метаногены используют промежуточные продукты предыдущих стадий и преобразуют их в метан, углекислый газ и воду. Эти компоненты составляют большую часть биогаза, выделяемого системой. Метаногенез чувствителен как к высоким, так и к низким значениям pH и происходит между pH 6,5 и pH 8. [22] Оставшийся неперевариваемый материал, который микробы не могут использовать, и любые мертвые бактериальные остатки составляют дигестат.
[23]
Анаэробные дигесторы могут быть спроектированы и спроектированы для работы с использованием ряда различных конфигураций и могут быть классифицированы на режимы периодического и непрерывного процесса, мезофильные и термофильные температурные условия, высокая и низкая доля твердых частиц и одноступенчатые и многоступенчатые процессы. Непрерывный процесс требует более сложной конструкции, но все же он может быть более экономичным, чем периодический процесс, поскольку периодический процесс требует больше начальных затрат на строительство и большего объема дигесторов (распределенных по нескольким партиям) для обработки того же количества отходов, что и непрерывный процесс дигестора. [24] Более высокая тепловая энергия требуется в термофильной системе по сравнению с мезофильной системой, но термофильная система требует гораздо меньше времени и имеет большую выходную мощность газа и более высокое содержание метана, поэтому нужно тщательно учитывать этот компромисс. [25] Что касается содержания твердых частиц, низкое содержание будет обрабатывать до 15% твердого содержания. Выше этого уровня считается высоким содержанием твердых частиц и также может быть известно как сухое дигесторование. [26] В одноступенчатом процессе один реактор вмещает четыре этапа анаэробного сбраживания. Многоступенчатый процесс использует два или более реакторов для сбраживания, чтобы разделить фазы метаногенеза и гидролиза. [27]
Анаэробное сбраживание может выполняться как периодический процесс или непрерывный процесс. В периодической системе биомасса добавляется в реактор в начале процесса. Затем реактор герметизируется на время процесса. В своей простейшей форме периодическая обработка требует инокуляции уже обработанным материалом для запуска анаэробного сбраживания. В типичном сценарии производство биогаза будет формироваться с нормальным распределением по времени. Операторы могут использовать этот факт, чтобы определить, когда, по их мнению, процесс сбраживания органического вещества завершен. Могут возникнуть серьезные проблемы с запахом, если периодический реактор открыть и опорожнить до того, как процесс будет полностью завершен. Более продвинутый тип периодического подхода ограничил проблемы с запахом за счет интеграции анаэробного сбраживания с компостированием в емкости . При этом подходе инокуляция происходит с использованием рециркулируемого дегазированного перколята. После завершения анаэробного сбраживания биомасса хранится в реакторе, который затем используется для компостирования в емкости перед его открытием [28]. Поскольку периодическое сбраживание просто и требует меньшего количества оборудования и более низких уровней проектных работ, это, как правило, более дешевая форма сбраживания. [29] Использование более одного периодического реактора на заводе может обеспечить постоянное производство биогаза.
В процессах непрерывного сбраживания органические вещества постоянно добавляются (непрерывное полное смешивание) или добавляются поэтапно в реактор (непрерывный пробковый поток ; первым пришел – первым вышел). Здесь конечные продукты постоянно или периодически удаляются, что приводит к постоянному производству биогаза. Можно использовать один или несколько реакторов последовательно. Примерами этой формы анаэробного сбраживания являются реакторы с непрерывным перемешиванием , анаэробные иловые покрытия с восходящим потоком , расширенные гранулированные иловые слои и реакторы с внутренней циркуляцией . [30] [31]
Два обычных рабочих уровня температуры для анаэробных реакторов определяют виды метаногенов в реакторах: [32]
Предельный случай был достигнут в Боливии , где анаэробное сбраживание происходило при температуре рабочих условий менее 10 °C. Анаэробный процесс протекает очень медленно, занимая более чем в три раза больше времени, чем обычный мезофильный процесс. [33] В экспериментальной работе в Университете Аляски в Фэрбанксе 1000-литровый реактор, использующий психрофилы, собранные из «грязи из замерзшего озера на Аляске», производил 200–300 литров метана в день, что составляет около 20–30% от объема реакторов в более теплом климате. [34] Мезофильные виды превосходят по численности термофилов, и они также более устойчивы к изменениям условий окружающей среды, чем термофилы. Поэтому мезофильные системы считаются более стабильными, чем термофильные системы сбраживания. Напротив, в то время как термофильные системы сбраживания считаются менее стабильными, их энергозатраты выше, при этом из органического вещества за равное количество времени удаляется больше биогаза. Повышенные температуры способствуют более высокой скорости реакции и, таким образом, более быстрому выходу газа. Работа при более высоких температурах способствует большему снижению патогенов в дигестате. В странах, где законодательство, такое как Регламент по побочным продуктам животного происхождения в Европейском Союзе, требует, чтобы дигестат соответствовал определенным уровням снижения патогенов, может быть выгодно использовать термофильные температуры вместо мезофильных. [35]
Дополнительная предварительная обработка может использоваться для сокращения необходимого времени удержания для производства биогаза. Например, некоторые процессы измельчают субстраты для увеличения площади поверхности или используют стадию термической предварительной обработки (такую как пастеризация) для значительного увеличения выхода биогаза. Процесс пастеризации также может использоваться для снижения концентрации патогенов в дигестате, покидающем анаэробный дигестор. Пастеризация может быть достигнута путем термической обработки в сочетании с мацерацией твердых веществ.
В типичном сценарии с содержанием твердых веществ в сырье, поступающем в метантенки, связаны три различных эксплуатационных параметра:
Высокотвердые (сухие) метантенки предназначены для обработки материалов с содержанием твердых веществ от 25 до 40%. В отличие от влажных метантенков, которые обрабатывают перекачиваемые пульпы, высокотвердые (сухие – штабелируемый субстрат) метантенки предназначены для обработки твердых субстратов без добавления воды. Основные типы сухих метантенков – это непрерывные вертикальные метантенки с поршневым потоком и горизонтальные метантенки с периодической загрузкой. Непрерывные вертикальные метантенки с поршневым потоком представляют собой вертикальные цилиндрические резервуары, в которые исходное сырье непрерывно подается в верхнюю часть метантенка и стекает вниз под действием силы тяжести во время брожения. В туннельных метантенках периодической загрузки исходное сырье размещается в туннелеобразных камерах с газонепроницаемой дверью. Ни один из подходов не предусматривает перемешивания внутри метантенка. Объем предварительной обработки, такой как удаление загрязняющих веществ, зависит как от характера обрабатываемых потоков отходов, так и от желаемого качества дигестата. Уменьшение размера (измельчение) выгодно в непрерывных вертикальных системах, поскольку оно ускоряет брожение, в то время как периодические системы избегают измельчения и вместо этого требуют структуры (например, отходов со двора) для уменьшения уплотнения сложенной кучи. Непрерывные вертикальные сухие дигесторы имеют меньшую площадь основания из-за более короткого эффективного времени удержания и вертикальной конструкции. Мокрые дигесторы могут быть спроектированы для работы либо в условиях высокого содержания твердых веществ, с общей концентрацией взвешенных твердых веществ (TSS) более ~20%, либо в условиях низкой концентрации твердых веществ менее ~15%. [36] [37]
Высокотвердые (мокрые) метантенки обрабатывают густую пульпу, которая требует больше энергии для перемещения и обработки исходного сырья. Толщина материала также может привести к связанным с этим проблемам с истиранием. Высокотвердые метантенки, как правило, требуют меньше земли из-за меньших объемов, связанных с влажностью. [38] Высокотвердые метантенки также требуют корректировки обычных расчетов производительности (например, газообразование, время удержания, кинетика и т. д.), изначально основанных на концепциях сбраживания очень разбавленных сточных вод, поскольку более крупные фракции массы исходного сырья потенциально могут быть преобразованы в биогаз. [39]
Низкотвердые (мокрые) метантенки могут транспортировать материал через систему с помощью стандартных насосов, которые требуют значительно меньшего количества энергии. Низкотвердые метантенки требуют большего количества земли, чем высокотвердые, из-за увеличенных объемов, связанных с увеличенным соотношением жидкости к исходному сырью в метантенках. Существуют преимущества, связанные с работой в жидкой среде, поскольку она обеспечивает более полную циркуляцию материалов и контакт между бактериями и их пищей. Это позволяет бактериям легче получать доступ к веществам, которыми они питаются, и увеличивает скорость выработки газа. [40]
Системы пищеварения могут быть сконфигурированы с различными уровнями сложности. [36] В одноступенчатой системе пищеварения (одноэтапной) все биологические реакции происходят в одном герметичном реакторе или резервуаре для хранения. Использование одной стадии снижает затраты на строительство, но приводит к меньшему контролю реакций, происходящих в системе. Ацидогенные бактерии, производя кислоты, снижают pH резервуара. Метаногенные археи, как было указано ранее, работают в строго определенном диапазоне pH. [41] Поэтому биологические реакции различных видов в одноступенчатом реакторе могут напрямую конкурировать друг с другом. Другая одноступенчатая система реакций — анаэробная лагуна . Эти лагуны представляют собой похожие на пруды земляные бассейны, используемые для обработки и длительного хранения навоза. [42] Здесь анаэробные реакции содержатся в естественном анаэробном иле, содержащемся в бассейне.
В двухступенчатой системе пищеварения (многоступенчатой) различные сосуды для пищеварения оптимизированы для обеспечения максимального контроля над бактериальными сообществами, живущими в дигестерах. Ацидогенные бактерии производят органические кислоты и быстрее растут и размножаются, чем метаногенные археи. Метаногенным археям требуются стабильные pH и температура для оптимизации их производительности. [43]
При типичных обстоятельствах гидролиз, ацетогенез и ацидогенез происходят в первом реакционном сосуде. Затем органический материал нагревается до требуемой рабочей температуры (мезофильной или термофильной) перед закачкой в метаногенный реактор. Первоначальные резервуары гидролиза или ацидогенеза перед метаногенным реактором могут обеспечить буфер для скорости добавления сырья. Некоторые европейские страны требуют определенной степени повышенной тепловой обработки для уничтожения вредных бактерий во входящих отходах. [44] В этом случае может быть стадия пастеризации или стерилизации перед сбраживанием или между двумя резервуарами для сбраживания. В частности, невозможно полностью изолировать различные фазы реакции, и часто некоторое количество биогаза производится в резервуарах гидролиза или ацидогенеза.
Время пребывания в метантенке зависит от количества и типа исходного материала, а также от конфигурации системы пищеварения. При типичном двухэтапном мезофильном расщеплении время пребывания варьируется от 15 до 40 дней, [45] в то время как при одноэтапном термофильном расщеплении время пребывания обычно меньше и составляет около 14 дней. Природа поршневого потока некоторых из этих систем будет означать, что полная деградация материала может не быть реализована за этот промежуток времени. В этом случае дигестат, выходящий из системы, будет темнее по цвету и, как правило, будет иметь более сильный запах. [46]
В случае анаэробного сбраживания с иловым слоем (UASB) гидравлическое время пребывания может быть всего от 1 часа до 1 дня, а время удержания твердого вещества может достигать 90 дней. Таким образом, система UASB способна разделять твердые частицы и гидравлическое время удержания с помощью илового слоя. [47] Непрерывные сбраживания имеют механические или гидравлические устройства, в зависимости от уровня твердых частиц в материале, для смешивания содержимого, что позволяет бактериям и пище контактировать. Они также позволяют непрерывно извлекать избыточный материал для поддержания достаточно постоянного объема в резервуарах для сбраживания. [48]
Недавней разработкой в области проектирования анаэробных реакторов является анаэробное сбраживание под высоким давлением (HPAD), также называемое автогенеративным сбраживанием под высоким давлением (AHPD). Эта технология производит биогаз с повышенным содержанием метана. Образующийся в биогазе диоксид углерода растворяется в водной фазе под давлением больше, чем метан. Следовательно, полученный биогаз богаче метаном. Исследования в Университете Гронингена показали, что бактериальное сообщество меняет состав под воздействием давления. [49] Отдельные виды бактерий имеют свои оптимальные условия, в которых они растут и размножаются быстрее всего. Общеизвестны pH, температура, соленость и т. д., но давление также является одним из них. Некоторые виды приспособились к жизни в глубоких океанах, где давление намного выше, чем на уровне моря. Это позволяет в том же ключе, что и другие параметры процесса, такие как температура, время удерживания, pH, влиять на процесс анаэробного сбраживания.
Процесс анаэробного сбраживания может быть ингибирован несколькими соединениями, влияющими на одну или несколько бактериальных групп, ответственных за различные этапы деградации органического вещества. Степень ингибирования зависит, среди прочих факторов, от концентрации ингибитора в дигесторе. Потенциальными ингибиторами являются аммиак, [50] 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. [51]
Было показано, что общий аммиачный азот (TAN) подавляет выработку метана. Кроме того, он дестабилизирует микробное сообщество, влияя на синтез уксусной кислоты. Уксусная кислота является одной из движущих сил в производстве метана. При превышении TAN 5000 мг/л для поддержания стабильности реакции необходима регулировка pH. [52] Концентрация TAN выше 1700–1800 мг/л подавляет выработку метана, а выход снижается при более высоких концентрациях TAN. Высокие концентрации TAN приводят к тому, что реакция становится кислой и приводят к эффекту домино ингибирования. [52] Общий аммиачный азот представляет собой комбинацию свободного аммиака и ионизированного аммиака. TAN вырабатывается путем разложения материалов с высоким содержанием азота, как правило, белков, и естественным образом накапливается при анаэробном сбраживании. Это зависит от органического сырья, подаваемого в систему. В типичных методах очистки сточных вод снижение TAN осуществляется посредством нитрификации . Нитрификация — это аэробный процесс, в котором TAN потребляется аэробными гетеротрофными бактериями. Эти бактерии выделяют нитрат и нитрит, которые позже преобразуются в газообразный азот в процессе денитрификации. [53] Гидролиз и ацидогенез также могут зависеть от концентрации TAN. В мезофильных условиях было обнаружено, что ингибирование гидролиза происходит при 5500 мг/л TAN, тогда как ингибирование ацидогенеза происходит при 6500 мг/л TAN. [54]
Самым важным первоначальным вопросом при рассмотрении применения систем анаэробного сбраживания является исходное сырье для процесса. [55] Практически любой органический материал может быть обработан с помощью анаэробного сбраживания; [56] однако, если целью является производство биогаза, уровень гниения является ключевым фактором для его успешного применения. [57] Чем более гниющим (усваиваемым) является материал, тем выше возможный выход газа из системы.
Исходное сырье может включать биоразлагаемые отходы, такие как макулатура, скошенная трава, остатки пищи, сточные воды и отходы животных. [1] Древесные отходы являются исключением, поскольку они в значительной степени не подвержены перевариванию, поскольку большинство анаэробов неспособны разлагать лигнин . Ксилофаговые анаэробы (потребители лигнина) или высокотемпературная предварительная обработка, такая как пиролиз, могут использоваться для расщепления лигнина. Анаэробные реакторы также могут питаться специально выращенными энергетическими культурами , такими как силос , для специального производства биогаза. В Германии и континентальной Европе эти объекты называются «биогазовыми» установками. Установка для совместного переваривания или коферментации, как правило, представляет собой сельскохозяйственный анаэробный реактор, который принимает два или более исходных материалов для одновременного переваривания. [58]
Продолжительность времени, необходимого для анаэробного сбраживания, зависит от химической сложности материала. Материал, богатый легкоусвояемыми сахарами, быстро распадается, тогда как неповрежденный лигноцеллюлозный материал, богатый полимерами целлюлозы и гемицеллюлозы, может распадаться гораздо дольше. [59] Анаэробные микроорганизмы, как правило, не способны расщеплять лигнин, неподатливый ароматический компонент биомассы. [60]
Анаэробные реакторы изначально были разработаны для работы с использованием осадка сточных вод и навоза. Однако сточные воды и навоз не являются материалом с наибольшим потенциалом для анаэробного сбраживания, поскольку биоразлагаемый материал уже имеет большую часть содержания энергии, извлеченную животными, которые его произвели. Поэтому многие реакторы работают с совместным сбраживанием двух или более типов сырья. Например, в реакторе на ферме, который использует молочный навоз в качестве основного сырья, [61] производство газа может быть значительно увеличено путем добавления второго сырья, например, травы и кукурузы (типичное сырье для фермы) или различных органических побочных продуктов, таких как отходы скотобоен, жиры, масла и смазочные материалы из ресторанов, органические бытовые отходы и т. д. (типичное сырье для внешней среды). [62]
Реакторы, перерабатывающие специальные энергетические культуры, могут достигать высоких уровней деградации и производства биогаза. [37] [63] [64] Системы, работающие только с навозной жижей, как правило, дешевле, но генерируют гораздо меньше энергии, чем те, которые используют такие культуры, как кукурузный и травяной силос; используя скромное количество материала урожая (30%), установка анаэробного сбраживания может увеличить выработку энергии в десять раз, потратив всего три капитальных затрат по сравнению с системой, работающей только с навозной жижей. [65]
Второе соображение, связанное с исходным сырьем, — это содержание влаги. Более сухие, штабелируемые субстраты, такие как пищевые и садовые отходы, подходят для сбраживания в туннельных камерах. Системы туннельного типа обычно также имеют почти нулевой сброс сточных вод, поэтому этот тип системы имеет преимущества там, где сброс жидкостей из метантенка является бременем. Чем влажнее материал, тем более подходящим для его обработки будет стандартный насос вместо энергоемких бетононасосов и физических средств перемещения. Кроме того, чем влажнее материал, тем больший объем и площадь он занимает относительно уровней производимого газа. Содержание влаги в целевом сырье также будет влиять на тип системы, применяемой для его обработки. Чтобы использовать анаэробный метантенк с высоким содержанием твердых веществ для разбавленного сырья, следует применять наполнители, такие как компост, для увеличения содержания твердых веществ во входном материале. [66] Другим ключевым соображением является соотношение углерода и азота во входном материале. Это соотношение представляет собой баланс пищи, необходимой микробу для роста; оптимальное соотношение C:N составляет 20–30:1. [67] Избыток N может привести к аммиачному ингибированию пищеварения. [63]
Уровень загрязнения исходного материала является ключевым фактором при использовании мокрого сбраживания или поршневого сбраживания.
Если исходное сырье для метантенков имеет значительные уровни физических загрязнителей, таких как пластик, стекло или металлы, то для материала, который будет использоваться, потребуется обработка для удаления загрязнителей. [68] Если они не удалены, то метантенки могут быть заблокированы и не будут функционировать эффективно. Эта проблема загрязнения не возникает с установками сухого брожения или твердофазного анаэробного брожения (SSAD), поскольку SSAD обрабатывает сухую, штабелируемую биомассу с высоким процентом твердых веществ (40-60%) в газонепроницаемых камерах, называемых ферментерными ящиками. [69] Именно с этим пониманием проектируются механические биологические очистные сооружения. Чем выше уровень предварительной обработки требуется исходному сырью, тем больше потребуется перерабатывающего оборудования, и, следовательно, проект будет иметь более высокие капитальные затраты. Национальный центр непродовольственных культур . [70]
После сортировки или просеивания для удаления любых физических загрязнителей из исходного сырья, материал часто измельчается, рубится и механически или гидравлически измельчается для увеличения площади поверхности, доступной для микробов в метантенках и, следовательно, увеличения скорости брожения. Мацерация твердых веществ может быть достигнута с помощью насоса -измельчителя для перемещения исходного сырья в герметичный метантенк, где происходит анаэробная обработка.
Состав субстрата является основным фактором в определении выхода метана и скорости производства метана при переваривании биомассы. Доступны методы определения композиционных характеристик сырья, в то время как такие параметры, как анализ твердых веществ, элементный и органический анализы важны для проектирования и эксплуатации реактора. [71] Выход метана можно оценить по элементному составу субстрата вместе с оценкой его разлагаемости (доля субстрата, которая преобразуется в биогаз в реакторе). [72] Для того 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 видообразования. [73] Прямые измерения потенциала биометанирования также проводятся с использованием выделения газа или более поздних гравиметрических анализов. [74]
Использование технологий анаэробного сбраживания может помочь сократить выбросы парниковых газов несколькими ключевыми способами:
Анаэробное сбраживание особенно подходит для органических материалов и обычно используется для обработки промышленных стоков , сточных вод и осадка сточных вод . [77] Анаэробное сбраживание, простой процесс, может значительно сократить количество органического вещества, которое в противном случае было бы предназначено для сброса в море, [78] свалки на свалках или сжигания в мусоросжигательных печах . [79]
Давление со стороны законодательства, связанного с охраной окружающей среды, на методы утилизации твердых отходов в развитых странах увеличило применение анаэробного сбраживания как процесса для сокращения объемов отходов и получения полезных побочных продуктов. Его можно использовать либо для обработки фракции муниципальных отходов, отделенной от источника, либо в сочетании с системами механической сортировки для обработки остаточных смешанных муниципальных отходов. Эти сооружения называются механическими биологическими очистными сооружениями. [80] [81] [82]
Если бы гниющие отходы, обработанные в анаэробных реакторах, были выброшены на свалку, они бы разложились естественным образом и часто анаэробно. В этом случае газ в конечном итоге выделился бы в атмосферу. Поскольку метан примерно в 20 раз более мощный парниковый газ , чем углекислый газ, это имеет значительные негативные последствия для окружающей среды. [83]
В странах, где собирают бытовые отходы, использование местных анаэробных установок для сбраживания может помочь сократить количество отходов, требующих транспортировки на централизованные свалки или мусоросжигательные заводы. Такое снижение нагрузки на транспортировку сокращает выбросы углерода от мусоросборочных машин. Если местные анаэробные установки для сбраживания встроены в электрораспределительную сеть, они могут помочь сократить потери электроэнергии, связанные с транспортировкой электроэнергии по национальной сети. [84]
Анаэробное сбраживание может быть использовано для очистки ила, загрязненного ПФАС . Исследование 2024 года показало, что анаэробное сбраживание в сочетании с адсорбцией на активированном угле и применением напряжения может удалить до 61% ПФАС из ила сточных вод. [85]
В развивающихся странах простые домашние и фермерские системы анаэробного сбраживания предлагают потенциал для получения дешевой энергии для приготовления пищи и освещения. [33] [86] [87] [88] С 1975 года в Китае и Индии были крупные, поддерживаемые правительством схемы адаптации небольших биогазовых установок для использования в домашних хозяйствах 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 показать, что обеспечивают сокращение выбросов углерода. [89]
Метан и электроэнергия, вырабатываемые на анаэробных установках для сбраживания, могут быть использованы для замены энергии, получаемой из ископаемого топлива, и, следовательно, для сокращения выбросов парниковых газов , поскольку углерод в биоразлагаемом материале является частью углеродного цикла . Углерод, выбрасываемый в атмосферу при сгорании биогаза, был удален растениями для их роста в недавнем прошлом, обычно в течение последнего десятилетия, но чаще всего в течение последнего вегетационного периода. Если растения выращиваются заново, снова извлекая углерод из атмосферы, система станет углеродно-нейтральной . [90] [91] Напротив, углерод в ископаемом топливе был изолирован в земле в течение многих миллионов лет, сжигание которого увеличивает общий уровень углекислого газа в атмосфере. Производство электроэнергии с помощью анаэробных дигесторов лучше всего подходит для крупномасштабных операций, а не для небольших ферм, поскольку крупные операции имеют объем навоза, который может сделать системы финансово жизнеспособными. [92]
Биогаз из осадка сточных вод иногда используется для работы газового двигателя для производства электроэнергии, часть или вся из которой может быть использована для работы очистных сооружений. [93] Затем часть отработанного тепла двигателя используется для нагрева метантенка. Отработанного тепла, как правило, достаточно для нагрева метантенка до требуемых температур. Потенциал мощности очистных сооружений ограничен — в Великобритании имеется около 80 МВт в общей сложности такой генерации с потенциалом увеличения до 150 МВт, что незначительно по сравнению со средним спросом на электроэнергию в Великобритании около 35 000 МВт. Возможности производства биогаза из биологических материалов, не относящихся к сточным водам — энергетических культур, пищевых отходов, отходов скотобоен и т. д. — намного выше и оцениваются примерно в 3000 МВт. [94] Ожидается, что биогазовые установки на фермах, использующие отходы животных и энергетические культуры, будут способствовать сокращению выбросов CO2 и укреплению сети, обеспечивая британских фермеров дополнительными доходами. [95]
Некоторые страны предлагают стимулы в форме, например, фиксированных тарифов на подачу электроэнергии в энергосистему для субсидирования производства зеленой энергии. [1] [96]
В Окленде, Калифорния, на главном предприятии по очистке сточных вод муниципального коммунального округа Ист-Бэй (EBMUD) пищевые отходы в настоящее время совместно сбраживаются с первичными и вторичными твердыми частицами муниципальных сточных вод и другими высокопрочными отходами. По сравнению с одним только сбраживанием твердых частиц муниципальных сточных вод совместное сбраживание пищевых отходов имеет много преимуществ. Анаэробное сбраживание пульпы пищевых отходов из процесса пищевых отходов EBMUD обеспечивает более высокую нормализованную энергетическую выгоду по сравнению с твердыми частицами муниципальных сточных вод: от 730 до 1300 кВт·ч на сухую тонну применяемых пищевых отходов по сравнению с 560–940 кВт·ч на сухую тонну применяемых твердых частиц муниципальных сточных вод. [97] [98]
Впрыскивание биогаза в сеть — это впрыскивание биогаза в сеть природного газа . [99] Сырой биогаз должен быть предварительно модернизирован до биометана. Эта модернизация подразумевает удаление загрязняющих веществ, таких как сероводород или силоксаны, а также углекислый газ. Для этой цели доступно несколько технологий, наиболее широко применяемыми из которых являются адсорбция при переменном давлении (PSA) , очистка водой или амином (процессы абсорбции) и, в последние годы, мембранное разделение . [100] В качестве альтернативы, электричество и тепло могут быть использованы для генерации на месте , [101] что приводит к сокращению потерь при транспортировке энергии. Типичные потери энергии в системах передачи природного газа составляют от 1 до 2%, тогда как текущие потери энергии в большой электрической системе составляют от 5 до 8%. [102]
В октябре 2010 года Didcot Sewage Works стала первой в Великобритании компанией, которая начала производить биометановый газ, поставляемый в национальную сеть для использования в 200 домах в Оксфордшире . [103] К 2017 году британская электроэнергетическая компания Ecotricity планирует использовать в качестве топлива для биореакторов траву местного производства [104], обеспечивая топливом 6000 домов [105].
После модернизации с помощью вышеупомянутых технологий биогаз (преобразованный в биометан) может использоваться в качестве топлива для транспортных средств в адаптированных транспортных средствах. Это использование очень широко распространено в Швеции, где существует более 38 600 газовых транспортных средств, и 60% транспортного газа — это биометан, вырабатываемый на анаэробных заводах по сбраживанию. [106]
Твердый волокнистый компонент переваренного материала может использоваться в качестве почвенного кондиционера для увеличения содержания органических веществ в почвах. Дигестерный раствор может использоваться в качестве удобрения для снабжения почв жизненно важными питательными веществами вместо химических удобрений, для производства и транспортировки которых требуется большое количество энергии. Поэтому использование искусственных удобрений более углеродоемко , чем использование анаэробного дигестерного раствора. В таких странах, как Испания , где многие почвы органически истощены, рынки для переваренных твердых веществ могут быть столь же важны, как и для биогаза. [107]
Используя биореактор, который производит бактерии, необходимые для разложения, вырабатывается газ для приготовления пищи. Органические отходы, такие как опавшие листья, кухонные отходы, пищевые отходы и т. д., подаются в дробильную установку, где они смешиваются с небольшим количеством воды. Затем смесь подается в биореактор, где археи разлагают ее, чтобы произвести газ для приготовления пищи. Этот газ подается по трубам в кухонную плиту. Биореактор объемом 2 кубических метра может производить 2 кубических метра газа для приготовления пищи. Это эквивалентно 1 кг сжиженного нефтяного газа. Заметным преимуществом использования биореактора является ил, который является богатым органическим удобрением. [108]
Три основных продукта анаэробного сбраживания – это биогаз, дигестат и вода. [36] [109] [110]
Биогаз является конечным продуктом отходов бактерий, питающихся входящим биоразлагаемым сырьем [112] ( стадия метаногенеза анаэробного пищеварения выполняется археями , микроорганизмами на совершенно другой ветви филогенетического древа жизни по сравнению с бактериями), и в основном представляет собой метан и углекислый газ [113] [114] с небольшим количеством водорода и следов сероводорода. (В полученном виде биогаз также содержит водяной пар, причем фракционный объем водяного пара зависит от температуры биогаза). [39] Большая часть биогаза производится в середине пищеварения, после того как популяция бактерий выросла, и уменьшается по мере истощения гниющего материала. [115] Газ обычно хранится наверху реактора в надувном газовом пузыре или извлекается и хранится рядом с установкой в газгольдере.
Метан в биогазе можно сжигать для получения как тепла, так и электроэнергии, обычно с помощью поршневого двигателя или микротурбины [116] [ ненадежный источник? ] часто в когенерационной установке, где вырабатываемое электричество и отработанное тепло используются для обогрева реакторов или отопления зданий. Избыток электроэнергии можно продавать поставщикам или подавать в местную сеть. Электроэнергия, вырабатываемая анаэробными реакторами, считается возобновляемой энергией и может привлекать субсидии. [117] Биогаз не способствует повышению концентрации углекислого газа в атмосфере, поскольку газ не выбрасывается непосредственно в атмосферу, а углекислый газ поступает из органического источника с коротким углеродным циклом.
Биогаз может потребовать обработки или «очистки» для его очистки для использования в качестве топлива. [118] Сероводород , токсичный продукт, образующийся из сульфатов в исходном сырье, выделяется в качестве следового компонента биогаза. Национальные агентства по охране окружающей среды, такие как Агентство по охране окружающей среды США или Агентство по охране окружающей среды Англии и Уэльса , устанавливают строгие ограничения на уровни газов, содержащих сероводород, и, если уровни сероводорода в газе высоки, для обработки биогаза в пределах регионально принятых уровней потребуется оборудование для очистки и промывки газа (например, очистка газа амином ). [119] В качестве альтернативы, добавление хлорида железа FeCl 2 в резервуары для сбраживания подавляет образование сероводорода. [120]
Летучие силоксаны также могут загрязнять биогаз; такие соединения часто встречаются в бытовых отходах и сточных водах. В установках для сбраживания, принимающих эти материалы в качестве компонента сырья, низкомолекулярные силоксаны испаряются в биогаз. Когда этот газ сжигается в газовом двигателе, турбине или котле, силоксаны преобразуются в диоксид кремния (SiO2 ) , который откладывается внутри машины, увеличивая износ. [121] [122] В настоящее время доступны практичные и экономически эффективные технологии удаления силоксанов и других загрязняющих веществ из биогаза. [123] В некоторых случаях обработка на месте может использоваться для повышения чистоты метана путем снижения содержания диоксида углерода в отходящих газах, продувая большую его часть во вторичном реакторе. [124]
В таких странах, как Швейцария, Германия и Швеция, метан в биогазе может быть сжат для использования в качестве топлива для транспортных средств или непосредственно в газовых магистралях. [125] В странах, где движущей силой использования анаэробного сбраживания являются субсидии на возобновляемую электроэнергию, этот путь обработки менее вероятен, поскольку на этом этапе обработки требуется энергия, что снижает общие уровни, доступные для продажи. [126]
Дигестат — это твердые остатки исходного материала, поступившего в дигесторы, которые микробы не могут использовать. Он также состоит из минерализованных остатков мертвых бактерий из дигесторов. Дигестат может быть трех видов: волокнистый, жидкий или комбинация двух фракций на основе ила. В двухступенчатых системах разные формы дигестата поступают из разных резервуаров для дигесторов. В одноступенчатых системах дигесторов две фракции будут объединены и, при желании, разделены путем дальнейшей обработки. [127] [128]
Второй побочный продукт (кислотный дигестат) представляет собой стабильный органический материал, состоящий в основном из лигнина и целлюлозы, а также из различных минеральных компонентов в матрице мертвых бактериальных клеток; может присутствовать некоторое количество пластика. Материал напоминает бытовой компост и может использоваться как таковой или для производства низкосортных строительных изделий, таких как древесноволокнистые плиты. [129] [130] Твердый дигестат также может использоваться в качестве сырья для производства этанола. [131]
Третий побочный продукт — это жидкость (метаногенный дигестат), богатая питательными веществами, которая может использоваться в качестве удобрения в зависимости от качества перевариваемого материала. [128] Уровни потенциально токсичных элементов (ПТЭ) должны быть оценены химическим путем. Это будет зависеть от качества исходного сырья. В случае большинства чистых и разделенных по источнику биоразлагаемых отходов уровни ПТЭ будут низкими. В случае отходов, образующихся в промышленности, уровни ПТЭ могут быть выше и должны быть приняты во внимание при определении подходящего конечного использования материала.
Дигестат обычно содержит элементы, такие 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 дигестата может использоваться стадия созревания или компостирования. Лигнин и другие материалы доступны для деградации аэробными микроорганизмами, такими как грибки, что помогает уменьшить общий объем материала для транспортировки. Во время этого созревания аммиак будет окисляться до нитратов, улучшая плодородие материала и делая его более подходящим в качестве улучшителя почвы. Большие стадии компостирования обычно используются в технологиях сухого анаэробного дигерирования. [132] [133]
Конечным продуктом анаэробных систем сбраживания является вода, которая образуется как из влажности исходных отходов, которые были обработаны, так и из воды, полученной в ходе микробных реакций в системах сбраживания. Эта вода может быть выделена в результате обезвоживания дигестата или может быть неявно отделена от дигестата.
Сточные воды, выходящие из анаэробного сбраживающего сооружения, обычно имеют повышенные уровни биохимической потребности в кислороде (БПК) и химической потребности в кислороде (ХПК). Эти показатели реактивности сточных вод указывают на способность загрязнять. Часть этого материала называется «жестким ХПК», что означает, что он не может быть доступен анаэробным бактериям для преобразования в биогаз. Если бы эти сточные воды были сброшены непосредственно в водотоки, это отрицательно повлияло бы на них, вызвав эвтрофикацию . Таким образом, часто требуется дальнейшая очистка сточных вод. Эта очистка обычно представляет собой стадию окисления, на которой воздух пропускается через воду в последовательных реакторах периодического действия или установке обратного осмоса . [134] [135] [136]
Сообщения о научном интересе к производству газа, получаемого путем естественного разложения органического вещества, датируются 17 веком, когда Роберт Бойль (1627-1691) и Стивен Хейлз (1677-1761) заметили, что возмущение осадка ручьев и озер высвобождает горючий газ. [15] В 1778 году итальянский физик Алессандро Вольта (1745-1827), отец электрохимии , [137] научно идентифицировал этот газ как метан . [138]
В 1808 году сэр Хэмфри Дэви доказал наличие метана в газах, выделяемых навозом крупного рогатого скота . [17] Первый известный анаэробный реактор был построен в 1859 году в лепрозории в Бомбее в Индии . [139] В 1895 году технология была разработана в Эксетере , Англия , где септик использовался для получения газа для лампы-деструктора канализационного газа , типа газового освещения . Также в Англии, в 1904 году, в Хэмптоне, Лондон , был установлен первый резервуар двойного назначения для осаждения и обработки ила .
К началу 20-го века анаэробные системы сбраживания стали напоминать технологию, как она выглядит сегодня. [140] В 1906 году Карл Имхофф создал резервуар Имхоффа ; [141] раннюю форму анаэробного реактора и модельную систему очистки сточных вод на протяжении всего начала 20-го века. [142] [143] После 1920 года закрытые системы резервуаров начали заменять ранее распространенное использование анаэробных лагун — закрытых земляных бассейнов, используемых для обработки летучих твердых веществ. Исследования анаэробного сбраживания начались всерьез в 1930-х годах. [144]
Во время Первой мировой войны производство биотоплива замедлилось, поскольку добыча нефти возросла, и были выявлены области его применения. [145] Хотя нехватка топлива во время Второй мировой войны вновь популяризировала анаэробное сбраживание, интерес к технологии снова снизился после окончания войны. [140] [146] Аналогичным образом, энергетический кризис 1970-х годов вызвал интерес к анаэробному сбраживанию. [140] Помимо высоких цен на энергоносители, факторы, влияющие на принятие систем анаэробного сбраживания, включают восприимчивость к инновациям, штрафы за загрязнение, политические стимулы и доступность субсидий и возможностей финансирования. [147] [148]
Сегодня анаэробные реакторы обычно можно встретить рядом с фермами для уменьшения стока азота из навоза или очистных сооружений для снижения затрат на утилизацию ила. [140] Сельскохозяйственное анаэробное сбраживание для производства энергии стало наиболее популярным в Германии, где в 2014 году насчитывалось 8625 реакторов. [149] В Соединенном Королевстве к 2014 году насчитывалось 259 объектов, и 500 проектов планировалось ввести в эксплуатацию к 2019 году. [150] В Соединенных Штатах в 2012 году насчитывалось 191 действующий завод в 34 штатах. [148] Политика может объяснить, почему темпы внедрения так различаются в этих странах.
В Германии в 1991 году были введены льготные тарифы , также известные как FIT, которые предусматривали долгосрочные контракты, компенсирующие инвестиции в производство возобновляемой энергии. Следовательно, в период с 1991 по 1998 год количество анаэробных установок в Германии выросло с 20 до 517. В конце 1990-х годов цены на энергоносители в Германии колебались, и инвесторы стали не уверены в потенциале рынка. Правительство Германии отреагировало, четыре раза внося поправки в FIT в период с 2000 по 2011 год, увеличивая тарифы и повышая рентабельность анаэробного сбраживания, что привело к надежной отдаче от производства биогаза и продолжающимся высоким темпам внедрения по всей стране. [148] [149]
Анаэробные ферменты стали причиной гибели рыбы (например, река Мол, Девон , [151] река Тейфи , [152] Афон Ллинфи , [153] и гибели людей (например, взрыв в Эйвонмуте ).
Были взрывы анаэробных биореакторов в США [154] ( Jay, Maine Pixelle Specialty Solutions' Androscoggin Mill; [155] Pensacola ( Cantonment ) 22 января 2017 г. (взрыв биореактора Kamyr); [156] отказ EPDM в марте 2013 г. Aumsville, Oregon ; [157] 6 февраля 1987 г., Pennsylvania , двое рабочих на очистных сооружениях повторно осушали биореактор, когда взрыв поднял 30-тонную плавающую крышку, в результате чего оба рабочих мгновенно погибли; [158] Southwest Wastewater Treatment Plant в Спрингфилде, штат Миссури ), [159] в Великобритании (например, в Avonmouth и в Harper Adams College , Newport, Shropshire [160] [161] ), а также в Европе было около 800 аварий на биогазовых установках в период с 2005 по 2015, например, во Франции ( Сен-Фаржо ) [162] [163] (хотя немногие из них были «серьёзными» с прямыми последствиями для человеческой популяции). [164] [165] К счастью, согласно одному источнику, «менее дюжины из них имели последствия для людей» — например, инцидент в Радерайстедте, Германия (4 погибших). [162] [166]
Анализы безопасности включали [167] [168] [169] исследование 2016 года, в котором была собрана база данных из 169 несчастных случаев с участием AD. [170] [164]
