Анаэробное сбраживание — это последовательность процессов, посредством которых микроорганизмы расщепляют биоразлагаемый материал в отсутствие кислорода . [1] Этот процесс используется в промышленных или бытовых целях для утилизации отходов или производства топлива. Большая часть ферментации , используемой в промышленности для производства продуктов питания и напитков, а также 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 , открытый Алессандро Вольтой в 1776 году. [4] [5]
Процесс пищеварения начинается с бактериального гидролиза исходных материалов. Нерастворимые органические полимеры , такие как углеводы , расщепляются до растворимых производных, которые становятся доступными для других бактерий. Ацидогенные бактерии затем преобразуют сахара и аминокислоты в углекислый газ, водород , аммиак и органические кислоты . В ходе ацетогенеза бактерии превращают полученные органические кислоты в уксусную кислоту , а также дополнительные аммиак, водород и углекислый газ, а также другие соединения. Наконец, метаногены преобразуют эти продукты в метан и углекислый газ. [6] Метаногенные популяции архей играют незаменимую роль в анаэробной очистке сточных вод. [7]
Анаэробное сбраживание используется как часть процесса обработки биоразлагаемых отходов и осадка сточных вод . Анаэробное сбраживание, являющееся частью комплексной системы управления отходами, снижает выбросы свалочного газа в атмосферу. В анаэробные варочные котлы также можно подавать специально выращенные энергетические культуры, такие как кукуруза . [8]
Анаэробное сбраживание широко используется в качестве источника 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 газовых двигателях комбинированного производства тепла и электроэнергии [9] или превращать его в биометан , сравнимый по качеству с природным газом . 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, в том числе Великобритании (2011 г.), [10] Германии. , [ нужна ссылка ] Дания (2011), [11] и США. [12]
На анаэробное пищеварение влияют многие микроорганизмы, в том числе уксуснокислые бактерии ( ацетогены ) и метанобразующие археи ( метаногены ). Эти организмы способствуют ряду химических процессов преобразования биомассы в биогаз . [13]
Газообразный кислород исключается из реакций посредством физической изоляции. Анаэробы используют акцепторы электронов из других источников, кроме газообразного кислорода. Этими акцепторами могут быть сами органические материалы или их могут обеспечивать неорганические оксиды из исходного материала. Когда источником кислорода в анаэробной системе является сам органический материал, «промежуточными» конечными продуктами являются в основном спирты , альдегиды и органические кислоты, а также диоксид углерода. В присутствии специализированных метаногенов промежуточные продукты превращаются в «конечные» конечные продукты: метан, углекислый газ и следовые количества сероводорода . [14] В анаэробной системе большая часть химической энергии, содержащейся в исходном материале, высвобождается метаногенными архей в виде метана. [15]
Популяциям анаэробных микроорганизмов обычно требуется значительный период времени, чтобы стать полностью эффективными. Поэтому обычной практикой является введение анаэробных микроорганизмов из материалов с существующими популяциями - процесс, известный как «засев» варочных котлов, обычно осуществляемый с добавлением осадка сточных вод или навоза крупного рогатого скота. [16]
Четыре ключевые стадии анаэробного пищеварения включают гидролиз , ацидогенез , ацетогенез и метаногенез . [17] Общий процесс можно описать химической реакцией, в которой органический материал, такой как глюкоза, биохимически переваривается анаэробными микроорганизмами до углекислого газа (CO 2 ) и метан (CH 4 ).
С 6 Н 12 О 6 → 3СО 2 + 3СН 4
В большинстве случаев биомасса состоит из крупных органических полимеров. Чтобы бактерии в анаэробных варочных котлах получили доступ к энергетическому потенциалу материала, эти цепи сначала должны быть разбиты на более мелкие составные части. Эти составные части или мономеры, такие как сахара, легко доступны другим бактериям. 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. [18] В результате гидролиза сложные органические молекулы расщепляются на простые сахара , аминокислоты и жирные кислоты .
Ацетат и водород, образующиеся на первых стадиях, могут быть использованы непосредственно метаногенами. Другие молекулы, такие как летучие жирные кислоты (ЛЖК) с длиной цепи большей, чем у ацетата, сначала должны быть катаболизированы до соединений, которые могут быть непосредственно использованы метаногенами. [19]
Биологический процесс ацидогенеза приводит к дальнейшему расщеплению остальных компонентов ацидогенными (ферментативными) бактериями. Здесь образуются ЛЖК, а также аммиак, углекислый газ и сероводород , а также другие побочные продукты. [20] Процесс ацидогенеза подобен скисанию молока .
Третья стадия анаэробного пищеварения — ацетогенез . Здесь простые молекулы, созданные в ходе фазы ацидогенеза, далее перевариваются ацетогенами с образованием в основном уксусной кислоты, а также диоксида углерода и водорода. [21]
Заключительной стадией анаэробного пищеварения является биологический процесс метаногенеза . Здесь метаногены используют промежуточные продукты предыдущих стадий и превращают их в метан, углекислый газ и воду. Эти компоненты составляют большую часть биогаза, выбрасываемого из системы. Метаногенез чувствителен как к высоким, так и к низким значениям pH и происходит в диапазоне pH от 6,5 до pH 8. [22] Оставшийся неперевариваемый материал, который микробы не могут использовать, и остатки мертвых бактерий составляют дигестат.
[23]
Анаэробные варочные котлы могут быть спроектированы и спроектированы для работы с использованием ряда различных конфигураций, и их можно разделить на периодический и непрерывный режимы процесса, мезофильные и термофильные температурные условия, высокое и низкое содержание твердых веществ, а также одностадийные и многостадийные процессы. Непрерывный процесс требует более сложной конструкции, но, тем не менее, он может быть более экономичным, чем периодический процесс, поскольку периодический процесс требует больше первоначальных затрат на строительство и большего объема варочных котлов (распределенных по нескольким партиям) для обработки того же количества отходов, что и непрерывный процесс. процессный варочный котел. [24] В термофильной системе требуется более высокая тепловая энергия по сравнению с мезофильной системой, но термофильная система требует гораздо меньше времени и имеет большую производительность по газу и более высокое содержание метана, поэтому необходимо тщательно рассмотреть этот компромисс. [25] При низком содержании твердых частиц допускается содержание твердых веществ до 15%. Выше этого уровня считается высокое содержание твердых веществ, что также может быть известно как сухое сбраживание. [26] В одностадийном процессе в одном реакторе проходят четыре стадии анаэробного сбраживания. В многостадийном процессе для расщепления используются два или более реактора для разделения фаз метаногенеза и гидролиза. [27]
Анаэробное сбраживание может осуществляться как периодический процесс, так и непрерывный процесс. В периодической системе биомасса добавляется в реактор в начале процесса. Затем реактор герметизируют на время процесса. В своей простейшей форме периодическая обработка требует инокуляции уже обработанного материала для начала анаэробного сбраживания. В типичном сценарии производство биогаза будет формироваться с нормальной картиной распределения во времени. Операторы могут использовать этот факт, чтобы определить, когда, по их мнению, процесс переваривания органического вещества завершен. Могут возникнуть серьезные проблемы с запахом, если реактор периодического действия открыть и опорожнить до завершения процесса. Более продвинутый тип периодического подхода ограничил проблемы запаха за счет интеграции анаэробного сбраживания с компостированием в сосуде . В этом подходе инокуляция происходит за счет использования рециркулируемого дегазированного перколята. После завершения анаэробного сбраживания биомасса хранится в реакторе, который затем используется для компостирования в резервуаре, прежде чем его открыть [28] . Поскольку периодическое сбраживание является простым и требует меньшего количества оборудования и более низкого уровня проектных работ, оно обычно представляет собой более дешевая форма пищеварения. [29] Использование более чем одного реактора периодического действия на заводе может обеспечить постоянное производство биогаза.
В непрерывных процессах сбраживания органические вещества добавляются постоянно (непрерывное полное смешивание) или добавляются поэтапно в реактор (непрерывный поршневой поток; сначала поступило – первым вышел). Здесь конечные продукты постоянно или периодически удаляются, что приводит к постоянному производству биогаза. Можно использовать один или несколько последовательных варочных котлов. Примеры этой формы анаэробного сбраживания включают реакторы непрерывного действия с мешалкой , анаэробные иловые покрытия с восходящим потоком , расширенные гранулированные слои ила и реакторы с внутренней циркуляцией . [30] [31]
Два обычных уровня рабочей температуры для анаэробных варочных котлов определяют вид метаногенов в варочных котлах: [32]
В Боливии достигнут предельный случай анаэробного сбраживания при температуре рабочих условий менее 10 °C. Анаэробный процесс протекает очень медленно и занимает более чем в три раза больше времени, чем обычный мезофильный процесс. [33] В ходе экспериментальной работы в Университете Аляски в Фэрбенксе варочный котел емкостью 1000 литров с использованием психрофилов , собранных из «грязи из замерзшего озера на Аляске», производил 200–300 литров метана в день, примерно от 20 до 30% продукции, варочные котлы в более теплом климате. [34] Мезофильные виды превосходят по численности термофилов, и они также более терпимы к изменениям условий окружающей среды, чем термофилы. Поэтому мезофильные системы считаются более стабильными, чем термофильные системы пищеварения. Напротив, хотя термофильные системы пищеварения считаются менее стабильными, их энергозатраты выше, при этом больше биогаза удаляется из органического вещества за равное количество времени. Повышенные температуры способствуют более высокой скорости реакции и, следовательно, более быстрому выходу газа. Работа при более высоких температурах способствует большему уменьшению болезнетворных микроорганизмов в дигестате. В странах, где законодательство, такое как Положение о побочных продуктах животного происхождения в Европейском Союзе, требует, чтобы дигестат соответствовал определенному уровню снижения патогенности, может быть полезно использовать термофильные температуры вместо мезофильных. [35]
Дополнительную предварительную обработку можно использовать для сокращения времени, 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 патогенов в дигестате, оставляя его в анаэробном варочном котле. Пастеризация может быть достигнута путем термической обработки в сочетании с мацерацией твердых веществ.
В типичном сценарии с содержанием твердых веществ в сырье, поступающем в варочные котлы, связаны три различных рабочих параметра:
Варочные котлы с высоким содержанием твердых веществ (сухие) предназначены для переработки материалов с содержанием твердых веществ от 25 до 40%. В отличие от мокрых варочных котлов, которые перерабатывают перекачиваемые суспензии, варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц (сухой – штабелируемый субстрат) предназначены для переработки твердых субстратов без добавления воды. Основными типами сухих варочных котлов являются вертикальные варочные котлы непрерывного действия и туннельные горизонтальные варочные котлы периодического действия. Варочные котлы непрерывного действия с вертикальным поршневым потоком представляют собой вертикальные цилиндрические резервуары, в которые сырье непрерывно подается в верхнюю часть варочного котла и стекает вниз под действием силы тяжести во время варки. В туннельных варочных котлах периодического действия сырье помещается в туннельные камеры с газонепроницаемой дверью. Ни один из подходов не предполагает перемешивания внутри варочного котла. Объем предварительной обработки, такой как удаление загрязнений, зависит как от характера обрабатываемых потоков отходов, так и от желаемого качества дигестата. Уменьшение размера (измельчение) выгодно в вертикальных системах непрерывного действия, поскольку оно ускоряет разложение, в то время как в периодических системах избегают измельчения и вместо этого требуется структура (например, дворовые отходы), чтобы уменьшить уплотнение штабелированной кучи. Вертикальные сухие варочные котлы непрерывного действия занимают меньшую площадь благодаря более короткому эффективному времени выдержки и вертикальной конструкции. Мокрые варочные котлы могут быть спроектированы для работы либо с высоким содержанием твердых веществ, с общей концентрацией взвешенных веществ (TSS) более ~ 20%, либо с низким содержанием твердых веществ, менее ~ 15%. [36] [37]
Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц (влажные) перерабатывают густую суспензию, требующую большего количества энергии для перемещения и переработки сырья. Толщина материала также может привести к проблемам с истиранием. Для варочных котлов с высоким содержанием твердых веществ обычно требуется меньше земли из-за меньших объемов, связанных с влажностью. [38] Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц также требуют корректировки традиционных расчетов производительности (например, производство газа, время удерживания, кинетика и т. д.), первоначально основанных на концепциях разложения очень разбавленных сточных вод, поскольку более крупные фракции массы сырья потенциально могут быть преобразованы в биогаз. [39]
Варочные котлы с низким содержанием твердых частиц (влажные) могут транспортировать материал через систему с помощью стандартных насосов, которые требуют значительно меньших затрат энергии. Для варочных котлов с низким содержанием твердых веществ требуется больше земли, чем для варочных котлов с высоким содержанием твердых частиц, из-за увеличенных объемов, связанных с повышенным соотношением жидкости к сырью в варочных котлах. Работа в жидкой среде имеет свои преимущества, 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 образования газа. [40]
Системы пищеварения могут быть настроены с разным уровнем сложности. [36] 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 за реакциями, происходящими внутри системы. Ацидогенные бактерии за счет производства кислот снижают pH аквариума. Метаногенные археи, как отмечалось ранее, действуют в строго определенном диапазоне pH. [41] Таким образом, биологические реакции различных видов в одноступенчатом реакторе могут находиться в прямой конкуренции друг с другом. Еще одна одноступенчатая реакционная система — анаэробная лагуна . Эти лагуны представляют собой земляные бассейны, похожие на пруды, используемые для обработки и длительного хранения навоза. [42] Здесь анаэробные реакции происходят в естественном анаэробном иле, содержащемся в бассейне.
В двухступенчатой (многоступенчатой) системе пищеварения различные сосуды для пищеварения оптимизированы для обеспечения максимального контроля над бактериальными сообществами, живущими внутри варочных котлов. Ацидогенные бактерии продуцируют органические кислоты и быстрее растут и размножаются, чем метаногенные археи. Метаногенным архей требуется стабильный pH и температура для оптимизации их работы. [43]
В типичных обстоятельствах гидролиз, ацетогенез и ацидогенез происходят внутри первого реакционного сосуда. Затем органический материал нагревается до необходимой рабочей температуры (мезофильной или термофильной) перед закачкой в метаногенный реактор. Резервуары для первоначального гидролиза или ацидогенеза перед метаногенным реактором могут обеспечить буфер для скорости добавления сырья. В некоторых европейских странах требуется повышенная термическая обработка для уничтожения вредных бактерий во входящих отходах. [44] В этом случае может быть стадия пастеризации или стерилизации перед варкой или между двумя варочными емкостями. Примечательно, что невозможно полностью изолировать различные фазы реакции, и часто некоторое количество биогаза образуется в резервуарах гидролиза или ацидогенеза.
Время пребывания в варочном котле зависит от количества и типа исходного материала, а также от конфигурации системы варки. При типичном двухэтапном мезофильном расщеплении время пребывания варьируется от 15 до 40 дней, [45] тогда как при одностадийном термофильном расщеплении время пребывания обычно короче и занимает около 14 дней. Природа поршневого течения некоторых из этих систем будет означать, что полная деградация материала, возможно, не была реализована в этом временном масштабе. В этом случае дигестат, выходящий из системы, будет более темного цвета и обычно будет иметь более сильный запах. [46]
В случае анаэробного разложения ила с восходящим потоком (UASB) время гидравлического пребывания может составлять от 1 часа до 1 дня, а время удерживания твердого вещества может достигать 90 дней. Таким образом, система UASB способна отделять твердые частицы и время гидравлического удерживания с использованием слоя ила. [47] Варочные котлы непрерывного действия оснащены механическими или гидравлическими устройствами, в зависимости от уровня твердых веществ в материале, для перемешивания содержимого, обеспечивая контакт бактерий и пищи. Они также позволяют непрерывно извлекать излишки материала для поддержания достаточно постоянного объема в резервуарах для разложения. [48]
Недавней разработкой в конструкции анаэробных реакторов является анаэробное сбраживание под высоким давлением (HPAD), также называемое автогенеративным сбраживанием под высоким давлением (AHPD). Этот метод производит биогаз с повышенным содержанием метана. Образующийся в биогазе диоксид углерода растворяется под давлением в водной фазе больше, чем метан. Следовательно, производимый биогаз богаче метаном. Исследования Гронингенского университета показали, что состав бактериального сообщества меняется под воздействием давления. [49] Отдельные виды бактерий имеют оптимальные условия, в которых они растут и размножаются быстрее всего. Общеизвестными являются pH, температура, соленость и т. д., но давление также является одним из них. Некоторые экземпляры приспособились к жизни в глубоких океанах, где давление намного выше, чем на уровне моря. Это позволяет влиять на процесс анаэробного сбраживания так же, как и другие параметры процесса, такие как температура, время удерживания, pH.
Процесс анаэробного сбраживания может ингибироваться несколькими соединениями, влияющими на одну или несколько групп бактерий, ответственных за различные стадии разложения органических веществ. Степень ингибирования зависит, среди других факторов, от концентрации ингибитора в варочном котле. Потенциальными ингибиторами являются аммиак, [50] сульфид, ионы легких металлов (Na, K, Mg, Ca, Al), тяжелые металлы, некоторые органические соединения (хлорфенолы, галогенированные алифатические соединения, N-замещенные ароматические соединения, длинноцепочечные жирные кислоты) и т. д. [ 51]
Было показано, что общий аммиачный азот (ОАА) подавляет выработку метана. Кроме того, он дестабилизирует микробное сообщество, влияя на синтез уксусной кислоты. Уксусная кислота является одной из движущих сил производства метана. При превышении TAN 5000 мг/л необходима корректировка pH для поддержания стабильности реакции. [52] Концентрация ОАА выше 1700–1800 мг/л подавляет выработку метана, а выход снижается при более высоких концентрациях ОАА. Высокие концентрации TAN приводят к тому, что реакция становится кислой и приводит к эффекту домино ингибирования. [52] Общий аммиачный азот представляет собой комбинацию свободного и ионизированного аммиака. TAN производится путем разложения материалов с высоким содержанием азота, обычно белков, и естественным образом образуется в результате анаэробного сбраживания. Это зависит от органического сырья, подаваемого в систему. В типичных практиках очистки сточных вод снижение ОАА достигается за счет нитрификации . Нитрификация — это аэробный процесс, при котором ОАN потребляется аэробными гетеротрофными бактериями. Эти бактерии выделяют нитраты и нитриты, которые позже превращаются в газообразный азот в процессе денитрификации. [53] Концентрация TAN также может влиять на гидролиз и ацидогенез. Было обнаружено, что в мезофильных условиях ингибирование гидролиза происходит при концентрации TAN 5500 мг/л, а ингибирование ацидогенеза происходит при концентрации TAN 6500 мг/л. [54]
Наиболее важным первоначальным вопросом при рассмотрении вопроса о применении систем анаэробного сбраживания является сырье для процесса. [55] Практически любой органический материал можно перерабатывать методом анаэробного сбраживания; [56] однако, если целью является производство биогаза, уровень гниения является ключевым фактором его успешного применения. [57] Чем более гнилостный (перевариваемый) материал, тем выше возможный выход газа из системы.
Сырье может включать биоразлагаемые отходы, такие как макулатура, скошенная трава, остатки пищи, сточные воды и отходы животноводства. [1] Древесные отходы являются исключением, поскольку на них практически не влияет пищеварение, поскольку большинство анаэробов не способны разлагать лигнин . Для расщепления лигнина можно использовать анаэробы -ксилофаги (потребители лигнина) или предварительную высокотемпературную обработку, например пиролиз. В анаэробные варочные котлы также можно подавать специально выращенные энергетические культуры , такие как силос , для специального производства биогаза. В Германии и континентальной Европе эти установки называются «биогазовыми» установками. Установка совместного сбраживания или коферментации обычно представляет собой сельскохозяйственный анаэробный варочный котел, который принимает два или более исходных материала для одновременного сбраживания. [58]
Продолжительность времени, необходимого для анаэробного сбраживания, зависит от химической сложности материала. Материал, богатый легкоусвояемыми сахарами, быстро разлагается, тогда как разрушение неповрежденного лигноцеллюлозного материала, богатого полимерами целлюлозы и гемицеллюлозы, может занять гораздо больше времени. [59] Анаэробные микроорганизмы, как правило, неспособны расщеплять лигнин, непокорный ароматический компонент биомассы. [60]
Анаэробные варочные котлы изначально были разработаны для работы с осадком сточных вод и навозом. Однако сточные воды и навоз не являются материалами с наибольшим потенциалом для анаэробного сбраживания, поскольку биоразлагаемый материал уже забрал большую часть энергетического содержания животными, которые его произвели. Поэтому многие варочные котлы работают на совместном переваривании двух и более видов сырья. Например, в фермерском варочном котле, в котором в качестве основного сырья используется молочный навоз, [61] производство газа можно значительно увеличить за счет добавления второго сырья, например, травы и кукурузы (типичное фермерское сырье) или различных органических веществ. побочные продукты, такие как отходы скотобойни, жиры, масла и жиры из ресторанов, органические бытовые отходы и т. д. (типичное сырье за пределами предприятия). [62]
Варочные котлы, перерабатывающие специальные энергетические культуры, могут достичь высоких уровней разложения и производства биогаза. [37] [63] [64] Системы, работающие только на навозе, как правило, дешевле, но производят гораздо меньше энергии, чем системы, использующие сельскохозяйственные культуры, такие как кукуруза и травяной силос; используя небольшое количество растительного материала (30%), установка анаэробного сбраживания может увеличить выработку энергии в десять раз, всего лишь в три раза превышая капитальные затраты по сравнению с системой, работающей только на навозе. [65]
Вторым фактором, связанным с сырьем, является содержание влаги. Более сухие, штабелируемые субстраты, такие как пищевые и садовые отходы, подходят для разложения в туннельных камерах. Системы туннельного типа также обычно имеют практически нулевой сброс сточных вод, поэтому этот тип системы имеет преимущества там, где слив варочных жидкостей является проблемой. Чем влажнее материал, тем больше он подходит для транспортировки стандартными насосами вместо энергоемких бетононасосов и физических средств перемещения. Кроме того, чем влажнее материал, тем больший объем и площадь он занимает 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 сырья, следует применять наполнители, такие как компост, для увеличения содержания твердых веществ во входном материале. [66] Еще одним ключевым моментом является соотношение углерода и азота в исходном 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 ингибированию пищеварения аммиаком. [63]
Уровень загрязнения исходного материала является ключевым фактором при использовании влажного или поршневого расщепления.
Если сырье для варочных котлов имеет значительные уровни физических загрязнений, таких как пластик, стекло или металлы, то для используемого материала потребуется обработка для удаления загрязнений. [68] Если его не удалить, варочные котлы могут быть заблокированы и не будут работать эффективно. Эта проблема загрязнения не возникает на установках сухого сбраживания или твердофазного анаэробного сбраживания (SSAD), поскольку SSAD обрабатывает сухую штабелируемую биомассу с высоким процентом твердых веществ (40-60%) в газонепроницаемых камерах, называемых ферментерными камерами. [69] Именно с таким пониманием проектируются механо-биологические очистные сооружения. Чем более высокий уровень предварительной обработки требуется для сырья, 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 загрязнений из сырья материал часто измельчают, измельчают и измельчают механически или гидравлически, чтобы увеличить площадь поверхности, доступную для микробов в варочных котлах, и, следовательно, увеличить скорость переваривания. Мацерации твердых веществ можно добиться с помощью насоса-измельчителя для подачи исходного материала в герметичный варочный котел, где происходит анаэробная обработка.
Состав субстрата является основным фактором, определяющим выход метана и скорость производства метана в результате сбраживания биомассы. Доступны методы определения композиционных характеристик сырья, а такие параметры, как анализ твердых веществ, элементный и органический анализ, важны для проектирования и эксплуатации варочного котла. [71] Выход метана можно оценить по элементному составу субстрата, а также по его способности к разложению (доля субстрата, которая преобразуется в биогаз в реакторе). [72] Для прогнозирования состава биогаза (относительных долей метана и углекислого газа) необходимо оценить распределение углекислого газа 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 газовыделения 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 очистки промышленных сточных вод , сточных вод и осадка сточных вод . [77] Анаэробное сбраживание, простой процесс, может значительно уменьшить количество органических веществ, которые в противном случае могли бы быть выброшены в море, [78] выброшены на свалки или сожжены в мусоросжигательных заводах . [79]
Давление со стороны экологического законодательства в отношении методов утилизации твердых отходов в развитых странах привело к увеличению применения анаэробного сбраживания как процесса сокращения объемов отходов и образования полезных побочных продуктов. Его можно использовать либо для переработки фракций бытовых отходов, разделенных по источникам, либо, альтернативно, в сочетании с системами механической сортировки для переработки остаточных смешанных бытовых отходов. Эти сооружения называются механо-биологическими очистными сооружениями. [80] [81] [82]
Если бы гнилостные отходы, переработанные в анаэробных варочных котлах, выбрасывались на свалку, они разлагались бы естественным путем и часто анаэробно. В этом случае газ в конечном итоге уйдет в атмосферу. Поскольку метан примерно в 20 раз более эффективен как парниковый газ , чем углекислый газ, это оказывает существенное негативное воздействие на окружающую среду. [83]
В странах, которые собирают бытовые отходы, использование местных установок анаэробного сбраживания может помочь уменьшить количество отходов, требующих транспортировки на централизованные свалки или мусоросжигательные предприятия. Это снижение нагрузки на транспорт снижает выбросы углекислого газа от транспортных средств-сборщиков. Если локализованные установки анаэробного сбраживания встроены в распределительную электрическую сеть, они могут помочь снизить электрические потери, связанные с транспортировкой электроэнергии по национальной сети. [84]
В развивающихся странах простые домашние и фермерские системы анаэробного сбраживания предлагают потенциал для получения недорогой энергии для приготовления пищи и освещения. [33] [85] [86] [87] С 1975 года в Китае и Индии существовали крупные, поддерживаемые правительством схемы по адаптации небольших биогазовых установок для использования в домашнем хозяйстве для приготовления пищи и освещения. В настоящее время проекты анаэробного сбраживания в развивающихся странах могут получить финансовую поддержку через Механизм чистого развития ООН , если они смогут доказать, что обеспечивают сокращение выбросов углерода. [88]
Метан и электроэнергия, производимая на установках анаэробного сбраживания, может быть использована для замены энергии, получаемой из ископаемого топлива, и, следовательно, сокращения выбросов парниковых газов , поскольку углерод в биоразлагаемом материале является частью углеродного цикла . Углерод, выбрасываемый в атмосферу при сжигании 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 вырастут заново, снова удаляя углерод из атмосферы, система станет углеродно-нейтральной . [89] [90] Напротив, углерод в ископаемом топливе был изолирован на Земле в течение многих миллионов лет, сгорание которого увеличивает общий уровень углекислого газа в атмосфере. Производство электроэнергии с помощью анаэробных варочных котлов лучше всего подходит для крупномасштабных предприятий, а не для небольших ферм, поскольку крупные предприятия имеют такой объем навоза, который способен сделать системы финансово жизнеспособными. [91]
Биогаз, образующийся при очистке осадка сточных вод , иногда используется для запуска газового двигателя для производства электроэнергии, часть или вся которая может быть использована для работы очистных сооружений. [92] Некоторое количество отработанного тепла двигателя затем используется для нагрева варочного котла. Отходящего тепла, как правило, достаточно для нагрева варочного котла до необходимых температур. Энергетический потенциал очистных сооружений ограничен – в Великобритании общая мощность такой генерации составляет около 80 МВт с потенциалом увеличения до 150 МВт, что незначительно по сравнению со средним спросом на электроэнергию в Великобритании, составляющим около 35 000 МВт. Возможности производства биогаза из биологических веществ, не связанных со сточными водами – энергетических культур, пищевых отходов, отходов скотобоен и т. д. – намного выше и оцениваются примерно в 3000 МВт. [93] Ожидается, что фермерские биогазовые установки, использующие отходы животноводства и энергетические культуры, будут способствовать сокращению выбросов CO 2 и укреплению энергосистемы, одновременно обеспечивая британским фермерам дополнительные доходы. [94]
Некоторые страны предлагают стимулы в форме, например, льготных тарифов на подачу электроэнергии в энергосистему для субсидирования производства экологически чистой энергии. [1] [95]
В Окленде, штат Калифорния, на главной станции очистки сточных вод муниципального коммунального округа Ист-Бэй (EBMUD) пищевые отходы в настоящее время перерабатываются совместно с первичными и вторичными твердыми частицами городских сточных вод и другими высокопрочными отходами. По сравнению с перевариванием твердых частиц городских сточных вод, совместное переваривание пищевых отходов имеет много преимуществ. Анаэробное сбраживание целлюлозы пищевых отходов в процессе переработки пищевых отходов EBMUD обеспечивает более высокую нормализованную энергетическую выгоду по сравнению с твердыми частицами городских сточных вод: от 730 до 1300 кВтч на сухую тонну использованных пищевых отходов по сравнению с 560–940 кВтч на сухую тонну использованных твердых частиц городских сточных вод. . [96] [97]
Впрыск биогаза в сеть – это впрыск биогаза в сеть природного газа . [98] Сырой биогаз необходимо предварительно перевести в биометан. Эта модернизация подразумевает удаление таких загрязнений, 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 . [99] В качестве альтернативы электроэнергию и тепло можно использовать для выработки на месте , [100] что приведет к снижению потерь при транспортировке энергии. Типичные потери энергии в системах транспортировки природного газа составляют 1–2%, тогда как текущие потери энергии в крупных электрических системах составляют 5–8%. [101]
В октябре 2010 года компания Didcot Sewage Works стала первой в Великобритании компанией по производству биометанового газа, поставляемого в национальную сеть для использования в 200 домах в Оксфордшире . [102] К 2017 году британская электроэнергетическая компания Ecotricity планирует установить варочный котел, питаемый травой местного производства [103] и снабжать топливом 6000 домов [104]
После модернизации вышеупомянутыми технологиями биогаз (преобразованный в биометан) может использоваться в качестве автомобильного топлива в адаптированных транспортных средствах. Это использование очень широко распространено в Швеции, где существует более 38 600 автомобилей, работающих на газе, и 60% автомобильного газа представляет собой биометан, вырабатываемый на установках анаэробного сбраживания. [105]
Твердый волокнистый компонент переваренного материала можно использовать в качестве кондиционера почвы для увеличения содержания органических веществ в почве. Щелок из варочного котла можно использовать в качестве удобрения для снабжения почвы жизненно важными питательными веществами вместо химических удобрений, для производства и транспортировки которых требуется большое количество энергии. Таким образом, использование промышленных удобрений является более углеродоемким , чем использование удобрений из анаэробного варочного раствора. В таких странах, как Испания , где многие почвы истощены органическими веществами, рынки переваренных твердых веществ могут быть столь же важными, как и рынки биогаза. [106]
При использовании биореактора, который производит бактерии, необходимые для разложения, образуется кулинарный газ. Органические отходы, такие как опавшие листья, кухонные отходы, пищевые отходы и т. д., подаются в дробилку, где смешиваются с небольшим количеством воды. Затем смесь подается в биоварочный котел, где археи разлагают ее с получением кулинарного газа. Этот газ подается к кухонной плите. Биоварочный котел объемом 2 кубических метра может производить 2 кубических метра кулинарного газа. Это эквивалентно 1 кг сжиженного нефтяного газа. Заметным преимуществом использования биореактора является осадок, который представляет собой богатое органическое удобрение. [107]
Тремя основными продуктами анаэробного сбраживания являются биогаз, дигестат и вода. [36] [108] [109]
Биогаз является конечным продуктом жизнедеятельности бактерий, питающихся входным биоразлагаемым сырьем [111] ( стадия метаногенеза анаэробного пищеварения осуществляется архей , микроорганизмом на совершенно другой ветви филогенетического древа жизни, чем бактерии), и состоит в основном из метана и углекислого газа, [112] [113] с небольшим количеством водорода и следами сероводорода. (Биогаз в процессе производства также содержит водяной пар, причем доля водяного пара зависит от температуры биогаза). [39] Большая часть биогаза производится в середине процесса пищеварения, после того как популяция бактерий выросла, и снижается по мере истощения гнилостного материала. [114] Газ обычно хранится наверху варочного котла в надувном газовом пузыре или извлекается и хранится рядом с объектом в газгольдере.
Метан в биогазе можно сжигать для получения как тепла, так и электричества, обычно с помощью поршневого двигателя или микротурбины [115] [ ненадежный источник? ] часто в когенерационных установках, где вырабатываемая электроэнергия и отходящее тепло используются для обогрева варочных котлов или отопления зданий. Излишки электроэнергии можно продавать поставщикам или пускать в местную сеть. Электричество, производимое анаэробными варочными котлами, считается возобновляемой энергией и может привлекать субсидии. [116] Биогаз не способствует увеличению 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 переработки и использования в качестве топлива. [117] Сероводород , токсичный продукт, образующийся из сульфатов в сырье, выделяется в качестве следового компонента биогаза. Национальные органы 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, проводится очистка и очистка газа. оборудование (например, для очистки газа амином ) потребуется для обработки биогаза до уровня, приемлемого для региона. [118] Альтернативно, добавление хлорида железа FeCl 2 в варочные резервуары ингибирует выработку сероводорода. [119]
Летучие силоксаны также могут загрязнять биогаз; такие соединения часто встречаются в бытовых отходах и сточных водах. На варочных установках, принимающих эти материалы в качестве компонента сырья, низкомолекулярные силоксаны улетучиваются в биогаз. Когда этот газ сжигается в газовом двигателе, турбине или котле, силоксаны преобразуются в диоксид кремния (SiO 2 ), который откладывается внутри машины, увеличивая износ. [120] [121] В настоящее время доступны практические и экономически эффективные технологии удаления силоксанов и других примесей биогаза. [122] В некоторых случаях обработка на месте может использоваться для повышения чистоты метана за счет снижения содержания углекислого газа в отходящих газах и удаления большей его части во вторичном реакторе. [123]
В таких странах, как Швейцария, Германия и Швеция, метан в биогазе может сжиматься для использования в качестве топлива для транспортных средств или для подачи непосредственно в газопровод. [124] В странах, где движущей силой использования анаэробного сбраживания являются субсидии на возобновляемую электроэнергию, этот путь очистки менее вероятен, поскольку энергия требуется на этой стадии обработки и снижает общий уровень, доступный для продажи. [125]
Дигестат — это твердые остатки исходного материала, подаваемого в варочные котлы, которые микробы не могут использовать. Он также состоит из минерализованных остатков погибших бактерий из варочных котлов. Дигестат может иметь три формы: волокнистую, жидкую или смесь двух фракций на основе осадка. В двухступенчатых системах разные формы дигестата поступают из разных варочных резервуаров. В одноступенчатых системах дигерирования две фракции объединяются и, при желании, разделяются путем дальнейшей обработки. [126] [127]
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 бытовой компост и может использоваться как таковой или для изготовления низкокачественных строительных изделий, таких как древесноволокнистые плиты. [128] [129] Твердый дигестат также можно использовать в качестве сырья для производства этанола. [130]
Третий побочный продукт представляет собой жидкость (метаногенный дигестат), богатую питательными веществами, которую можно использовать в качестве удобрения, в зависимости от качества перевариваемого материала. [127] Уровни потенциально токсичных элементов (ПТЭ) следует оценивать химически. Это будет зависеть от качества исходного сырья. В случае большинства чистых потоков биоразлагаемых отходов, разделенных по источникам, уровни ПТЭ будут низкими. В случае промышленных отходов уровни ПТЭ могут быть выше, и их необходимо учитывать при определении подходящего конечного использования материала.
Дигестат обычно содержит элементы, такие как лигнин, которые не расщепляются анаэробными микроорганизмами. Кроме того, дигестат может содержать фитотоксичный аммиак и может препятствовать росту растений, если его использовать в качестве материала для улучшения почвы. По этим двум причинам после сбраживания можно использовать стадию созревания или компостирования. Лигнин и другие материалы могут разлагаться аэробными микроорганизмами, такими как грибы, что помогает уменьшить общий объем транспортируемого материала. 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. [131] [132]
Конечным продуктом систем анаэробного сбраживания является вода, которая образуется как за счет содержания влаги в исходных отходах, которые были обработаны, так и за счет воды, образующейся в ходе микробных реакций в системах сбраживания. Эта вода может выделяться при обезвоживании дигестата или может быть отделена от дигестата.
Сточные воды, выходящие из установки анаэробного сбраживания, обычно имеют повышенный уровень биохимической потребности в кислороде (БПК) и химической потребности в кислороде (ХПК). Эти показатели реакционной способности сточных вод указывают на способность к загрязнению. Часть этого материала называется «жесткой ХПК», что означает, что анаэробные бактерии не могут получить доступ к нему для преобразования в биогаз. Если бы эти сточные воды были сброшены непосредственно в водотоки, это отрицательно повлияло бы на них, вызвав эвтрофикацию . По этой причине 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 установке обратного осмоса . [133] [134] [135]
История анаэробного сбраживания долгая, начиная с десятого века до нашей эры в Ассирии , где биогаз использовался для нагрева воды в ваннах. [136] [137] Научный интерес к производству газа, получаемого в результате естественного разложения органического вещества, датируется 17 веком, когда Роберт Бойль (1627-1691) и Стивен Хейлз (1677-1761) отметили, что нарушение отложений ручьи и озера выделяли горючий газ. [15] В 1778 году итальянский физик Алессандро Вольта (1745-1827), отец электрохимии , [138] научно определил этот газ как метан . [139]
В 1808 году сэр Хамфри Дэви доказал наличие метана в газах, выделяемых навозом крупного рогатого скота . [17] Первый известный анаэробный варочный котел был построен в 1859 году в колонии прокаженных в Бомбее , Индия . [140] В 1895 году технология была разработана в Эксетере , Англия , где септик использовался для выработки газа для лампы деструктора канализационных газов , типа газового освещения . Также в Англии в 1904 году в Хэмптоне, Лондон , был установлен первый резервуар двойного назначения, предназначенный как для осаждения , так и для обработки осадка .
К началу 20 века системы анаэробного пищеварения стали напоминать технологию, которая существует сегодня. [137] В 1906 году Карл Имхофф создал танк Имхоффа ; [141] ранняя форма анаэробного варочного котла и модель системы очистки сточных вод начала 20 века. [142] [143] После 1920 года закрытые резервуарные системы начали заменять ранее широко распространенное использование анаэробных лагун – крытых земляных бассейнов, используемых для обработки летучих твердых веществ. Серьезные исследования анаэробного пищеварения начались в 1930-х годах. [144]
Примерно во время Первой мировой войны производство биотоплива замедлилось, поскольку добыча нефти увеличилась и были определены ее области применения. [145] Хотя нехватка топлива во время Второй мировой войны снова популяризировала анаэробное сбраживание, интерес к этой технологии снова снизился после окончания войны. [137] [146] Точно так же энергетический кризис 1970-х годов вызвал интерес к анаэробному сбраживанию. [137] Помимо высоких цен на энергоносители, факторы, влияющие на внедрение систем анаэробного сбраживания, включают восприимчивость к инновациям, штрафы за загрязнение, политические стимулы, а также наличие субсидий и возможностей финансирования. [147] [148]
Сегодня анаэробные варочные котлы обычно устанавливаются рядом с фермами для уменьшения выбросов азота из навоза или на очистных сооружениях для снижения затрат на утилизацию осадка. [137] Сельскохозяйственное анаэробное сбраживание для производства энергии стало наиболее популярным в Германии, где в 2014 году насчитывалось 8625 варочных котлов. [136] В Соединенном Королевстве к 2014 году насчитывалось 259 предприятий, а к 2019 году планировалось ввести в эксплуатацию 500 проектов. [137] 149] В 2012 году в США действовало 191 предприятие в 34 штатах. [148] Политика может объяснить, почему темпы внедрения в этих странах настолько различаются.
В Германии в 1991 году были приняты льготные тарифы , также известные как FIT, предусматривающие долгосрочные контракты, компенсирующие инвестиции в производство возобновляемой энергии. Следовательно, в период с 1991 по 1998 год количество анаэробных варочных установок в Германии выросло с 20 до 517. В конце 1990-х годов цены на энергоносители в Германии варьировались, и инвесторы стали неуверенны в потенциале рынка. В ответ правительство Германии внесло поправки в FIT четыре раза в период с 2000 по 2011 год, увеличив тарифы и повысив рентабельность анаэробного сбраживания, что привело к получению надежной прибыли от производства биогаза и сохранению высоких темпов внедрения по всей стране. [148] [136]
Анаэробные варочные котлы стали причиной гибели рыб (например , река Крот, Девон , [150] река Тейфи , [151] Афон Ллинфи , [152] и человеческих жизней (например, взрыв в Эйвонмуте ).
В США произошли взрывы AD [153] ( Джей, завод Androscoggin компании Maine Pixelle Specialty Solutions; [154] Пенсакола ( Кантонмент ), 22 января 2017 г. (взрыв варочного котла Камир); [155] Авария EPDM , март 2013 г. , Омсвилл, Орегон ; [156] 6 февраля 1987 года, Пенсильвания , двое рабочих на станции очистки сточных вод повторно опорожняли варочный котел, когда взрыв поднял 30-тонную плавучую крышку, мгновенно убив обоих рабочих; [157] Юго-западная станция очистки сточных вод в Спрингфилде, штат Миссури. ), [158] в Великобритании (например, в Эйвонмуте и в колледже Харпер Адамс , Ньюпорт, Шропшир [159] [160] ), плюс в Европе в период с 2005 по 2015 год произошло около 800 аварий на биогазовых установках, например во Франции. ( Сен-Фаржо ) [161] [162] (хотя немногие из них были «серьезными» с прямыми последствиями для человечества). [163] [164] К счастью, согласно одному источнику, «менее дюжины из них имели последствия для людей» — например, инцидент в Радерайштедте, Германия (4 погибших). [161] [165]
Анализ безопасности включал [166] [167] [168] исследование 2016 года, в котором была собрана база данных о 169 несчастных случаях с участием АД. [169] [163]
