Анаэробное сбраживание

редактировать
Процессы, с помощью которых микроорганизмы разрушают биоразлагаемый материал в отсутствие кислорода

Система анаэробного сбраживания Система анаэробного сбраживания в Германии

Анаэробное сбраживание представляет собой последовательность процессов, посредством которых микроорганизмы разрушают биоразлагаемый материал в отсутствие кислорода. Этот процесс используется в промышленных или бытовых целях для управления отходами или для производства топлива. Большая часть ферментации, используемой в промышленности для производства продуктов питания и напитков, а также в домашней ферментации, использует анаэробное сбраживание.

Анаэробное пищеварение происходит естественным образом в некоторых почвах и в озерах и океанических бассейнах отложениях, где оно обычно называется «анаэробной активностью». Это источник метана болотного газа, обнаруженного Алессандро Вольта в 1776 году.

Процесс разложения 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 превращают сахара и аминокислоты в диоксид углерода, водород, аммиак и органические кислоты. В процессе ацетогенеза бактерии превращают полученные органические кислоты в уксусную кислоту вместе с дополнительными аммиаком, водородом и диоксидом углерода. Наконец, метаногены превращают эти продукты в метан и диоксид углерода. Популяции метаногенных архей играют незаменимую роль в анаэробной очистке сточных вод.

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

Анаэробное сбраживание широко используется в качестве источника возобновляемой энергии. В процессе производства биогаз, состоящий из метана, двуокиси углерода и следов других «загрязняющих» газов. Этот биогаз может использоваться непосредственно в качестве топлива в двигателях комбинированного производства тепла и электроэнергии или повышен до качества природного газа биометана. Богатый питательными веществами дигестат также может быть использован в качестве удобрения.

с повторным использованием отходов в качестве ресурса и новых технологических подходов, которые снизили капитальные затраты, В последние годы анаэробное пищеварение привлекает повышенное внимание правительств ряда стран, в том числе Великобритании (2011 г.), Германии, Дании (2011 г.) и США.

Содержание

  • 1 Процесс
    • 1.1 Этапы процесса
    • 1.2 Конфигурация
      • 1.2.1 Периодическая или непрерывная
      • 1.2.2 Температура
      • 1.2.3 Содержание твердых частиц
      • 1.2.4 Сложность
      • 1.2.5 Время пребывания
    • 1.3 Ингибирование
  • 2 Сырье
    • 2.1 Содержание влаги
    • 2.2 Загрязнение
    • 2.3 Состав субстрата
  • 3 Области применения
    • 3.1 Очистка сточных вод
    • 3.2 Производство электроэнергии
    • 3.3 Ввод в сеть
    • 3.4 Автомобильное топливо
    • 3.5 Удобрение и почвенный кондиционер
    • 3.6 Кулинарный газ
  • 4 Продукты
    • 4.1 Биогаз
    • 4.2 Дигестат
    • 4.3 Сточные воды
  • 5 История
  • 6 См. Также
  • 7 Ref ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Процесс

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

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

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

Этапы процесса

Четыре ключевые стадии анаэробного переваривания включают гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. Общий процесс может быть описан химической реакцией, в которой органический материал, такой как глюкоза, биохимически переваривается анаэробными микроорганизмами до двуокиси углерода (CO 2) и метана (CH 4).

C6H12O6→ 3CO 2 + 3CH 4

  • Гидролиз

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

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

  • Ацидогенез

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

  • Ацетогенез

Третья стадия анаэробного переваривания - ацетогенез. Здесь простые молекулы, созданные в фазе ацидогенеза, далее перевариваются ацетогенами с образованием в основном уксусной кислоты, а также углекислого газа и водорода.

  • Метаногенез

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

Конфигурация

Сравнение распространенных биогазовых технологий Сравнение распространенных биогазовых технологий

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

Периодический или непрерывный

Анаэробный процесс разложения может осуществляться как периодический процесс или непрерывный процесс. В периодической системе биомасса добавляется в реактор в начале процесса. Затем реактор герметично закрывают на время процесса. В простейшей форме для обработки партии требуется инокуляция уже обработанным материалом для начала анаэробного сбраживания. В типичном сценарии производство биогаза будет формироваться по схеме нормального распределения с течением времени. Операторы могут использовать этот факт, чтобы определить, когда, по их мнению, процесс переваривания органических веществ завершился. Если реактор периодического действия открыть и опорожнить до того, как процесс будет полностью завершен, могут возникнуть серьезные проблемы с запахом. Более продвинутый тип периодического подхода ограничил проблемы запаха за счет интеграции анаэробного сбраживания с компостированием в емкости. В этом подходе инокуляция происходит за счет использования рециркулируемого дегазированного перколята. После завершения анаэробного сбраживания биомасса хранится в реакторе, который затем используется для внутрикорпусного компостирования перед его открытием. Поскольку периодическое сбраживание является простым и требует меньшего количества оборудования и меньшего объема проектных работ, оно обычно является более дешевой формой пищеварения. Использование более чем одного реактора периодического действия на установке может обеспечить постоянное производство биогаза.

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

Температура

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

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

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

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

Содержание твердых веществ

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

  • Высокие твердые частицы (сухой - штабелируемый субстрат)
  • Высокий сухой остаток (влажный - перекачиваемый субстрат)
  • Низкий твердый остаток (влажный - перекачиваемый субстрат)
Проект биогазовой установки для сухого / твердотельного анаэробного сбраживания (AD) Конструкция биогазовой установки для сухого / твердотельного анаэробного сбраживания (AD)

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

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

Варочные котлы с низким содержанием твердых частиц (мокрые) могут транспортировать материал через систему с помощью стандартных насосов, требующих значительно меньшего энергозатрат. Для варочных котлов с низким содержанием твердых частиц требуется большее количество земли, чем для варочных котлов с высоким содержанием твердых веществ, из-за увеличения объемов, связанного с повышенным соотношением жидкости к сырью в варочных котлах. Есть преимущества, связанные с работой в жидкой среде, поскольку это обеспечивает более тщательную циркуляцию материалов и контакт между бактериями и их пищей. Это дает бактериям более легкий доступ к веществам, которыми они питаются, и увеличивает скорость газообразования.

Сложность

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

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

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

Время пребывания

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

В случае анаэробного сбраживания ила с восходящим потоком (UASB) гидравлическое время пребывания может быть всего от 1 часа до 1 дня, а время удерживания твердого вещества может достичь 90 дней. Таким образом, система UASB способна разделять твердые частицы и время гидравлического удерживания с помощью слоя ила. Варочные котлы непрерывного действия имеют механические или гидравлические устройства, в зависимости от уровня твердых частиц в материале, для перемешивания содержимого, позволяя бактериям и продуктам контактировать. Они также позволяют непрерывно извлекать излишки материала, чтобы поддерживать постоянный объем в резервуарах для разложения.

Ингибирование

Слева: ферма кукуруза варочный котел для силоса, расположенный недалеко от Ноймюнстер в Германии, 2007 г. г. - зеленый надувной держатель биогаза показан наверху варочного котла. Справа: двухэтапный, с содержанием твердых частиц, UASB компонент разложения механической биологической системы очистки около Тель-Авива ; технологическая вода видна в уравнительном резервуаре и реакторе периодического действия, 2005.

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

Сырье

Анаэробная лагуна и генераторы на молочной ферме Cal Poly, США

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

Другие биоразлагаемые отходы, такие как макулатура, обрезки травы, остатки пищи, сточные воды и отходы животноводства. Древесные отходы являются исключением, потому что они в основном анаэробов не могут разлагать лигнин. Ксилофалгические анаэробы (пользовательские лигнина) или использование предварительной высокотемпературной обработки, такой как разложения лигнина, можно использовать для разложения лигнина. Анаэробные варочные котлы также могут питаться специально выращенными энергетическими культурами, такими как силос, для специального производства биогаза. В Германии и континентальной Европе эти установки называют «биогазовыми». Завод по совместному пищеварению или коферментации обычно представляет собой сельскохозяйственный анаэробный варочный котел, который принимает два или более исходных материалов для одновременного сбраживания.

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

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

Варочные котлы, перерабатывающие специальные энергетические культуры, достигли высоких уровней разложения и производства биогаза. Системы, работающие только на жидком навозе, обычно дешевле, но производят намного меньше энергии, чем системы, использующие зерновые культуры, такие как кукуруза и травяной силос; за счет использования небольшого количества растительного материала (30%) установка для анаэробного сбраживания может в три раза увеличить выход энергии всего за три раза по сравнению с системой, работающей только на жидком навозе.

Содержание влаги

Второе соображение, связанное с сырьем, - это влажность. Более сухие, штабелируемые субстраты, такие как пищевые и дворовые отходы, подходят для разложения в камерах туннельного типа. Системы туннельного типа также обычно имеют почти нулевой сброс сточных вод, поэтому такой тип системы имеет преимущества там, где сброс жидкостей из метантенка является препятствием. Чем влажнее материал, тем больше он подходит для работы с обычными насосами вместо энергоемких бетононасосов и физических средств передвижения. Кроме того, чем влажнее материал. Содержание влаги в целевом сырье также будет влиять на то, какой тип системы его обработки. Чтобы использовать анаэробный материал с высоким содержанием твердых веществ для разбавления сырья, следует использовать наполнители, такие как компост, для увеличения твердых веществ в исходном материале. Еще одним ключевым моментом является соотношение углерода и азота в исходном материале. Это соотношение - необходимого микробу для роста; оптимальное соотношение C: N составляет 20–30: 1. Избыток N может привести к ингибированию переваривания аммиаком.

Загрязнение

Уровень загрязнения используемым материалом является фактором при использовании влажного сбраживания или разложения в поршневом потоке.

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

После сортировки или просеивания для удаления любых физических загрязнителей из сырья материал часто измельчается, измельчается и механически или гидравлически измельчается для увеличения площади поверхности, доступной для микробов в варочных котлах и, как следствие, увеличивается скорость пищеварения. Мацерация твердых веществ может быть достигнута с помощью измельчающего насоса для переноса материала в герметичный варочный котел, где происходит анаэробная обработка.

Состав субстрата

Состав субстрата является основным фактором в определении выхода метана и скорости метана при вываривании биомассы. Доступны методы для описания характеристик состава сырья, в то время как такие параметры, как анализ твердых веществ, элементный и органический анализ, важны для проектирования и эксплуатации варочного котла. Выход метана можно оценить по элементному составу субстрата вместе с оценкой его способности к разложению (доля субстрата, которая превращается в биогаз в реакторе). Для прогнозирования состава биогаза (относительных метана и диоксида углерода) необходимо оценить диоксид углерода распределение между водной и газовой фазами, что требует дополнительной информации (температура реактора, pH и состав субстрата) и модель химического состава. Прямые измерения биометрического анализа также производятся с использованием газа или более поздних гравиметрических анализов.

Применения

Схема анаэробного варочного котла как части санитарной системы. Он производит переваренную суспензию (дигестат ), которую можно использовать как удобство, и биогаз, которое можно использовать для получения энергии.

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

Очистка отходов и сточных вод

Файл: Анаэробные варочные котлы на очистных сооружениях. Webm Воспроизвести Анаэробные варочные котлы на очистных сооружений. Газообразный метан обрабатывается путем сжигания в газовом факеле .

Анаэробное сбраживание особенно подходит для использования материалов и обычно используется для промышленных стоков, сточных вод и очистка осадка сточных вод. Анаэробное сбраживание, простой процесс, может значительно снизить количество вредных веществ, которые могут быть потеряны в море, сброшены на свалки или сожжены в мусоросжигательных печах.

Давление со стороны окружающей среды Закон о методх удаления твердых отходов в развитых странах расширило применение анаэробного сбраживания в качестве процесса измерения отходов и использования полезных побочных продуктов. Его можно использовать либо для обработки отходов муниципальных отходов, либо в системе с системой механической сортировки для обработки остаточных смешанных отходов городского хозяйства. Эти сооружения называются установками механической биологической очистки.

Если бы гниющие отходы, обработанные в анаэробных варочных котлах, утилизировали на свалке, они бы разложились естественным образом и часто анаэробно. В этом случае газ со временем уйдет в атмосферу. Метан примерно в 20 более мощный парниковый газ, чем углекислый газ, это оказывает значительное негативное воздействие на Землю среду.

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

Производство электроэнергии

В мирных странах дом и Системы анаэробного сбраживания на фермах возможности для недорогой энергии для приготовления пищи и освещения. С 1975 года Китай Индия имела большие, поддерживаемые схемы адаптации небольших биогазовых установок для использования в домашних условиях для приготовления пищи и освещения. В настоящее время проекты по анаэробному сбраживанию в странах могут получить финансовую поддержку через ООН Механизм чистого развития, если они могут доказать, что обеспечить снижение выбросов углерода.

Метан и энергия, производимые в установках для анаэробного сбраживания, зажигания для замены энергии, получаемой из ископаемого топлива, и, как следствие, сокращения выбросов парниковых газов, химических веществ в биоразлагаемых материалах, связанных углеродного цикла. Углерод, выбрасываемый в атмосферу при сжигании биогаза, обычно в течение последнего десятилетия, чаще в течение последнего вегетационного периода. Если растения вырастить заново, удалив углерод из атмосферы, система станет углеродно-нейтральной. Напротив, углерод, содержащийся в ископаемом топливе, был поглощен землей в течение многих миллионов лет, сгорание которого увеличивает общий уровень углекислого газа в атмосфере.

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

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

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

Закачка в сеть

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

В октябре 2010 года канализационный завод Didcot Sewage Works стал первым в мире Великобритания будет производить газ биометан, поставляемый в национальную энергосистему, для использования в 200 домах в Оксфордшире. К 2017 году британская электроэнергетическая компания Ecotricity планирует снабдить варочный котел местной травой для топлива 6000 домов

Автомобильное топливо

После модернизации с использованием вышеупомянутых технологий биогаз (преобразованный в биометан) может использоваться в качестве автомобильного топлива в адаптированных транспортных средствах. Это использование очень широко в Швеции, где существует более 38 600 газовых транспортных средств, и 60% автомобильного газа - это биометан, генерируемый на заводах по анаэробному сбраживанию.

Удобрения и кондиционеры почвы

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

Газ для приготовления пищи

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

Продукты

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

Биогаз

Типичный состав биогаза
Соединение Формула %
Метан CH. 450–75
Двуокись углерода CO. 225–50
Азот N. 20–10
Водород H. 20–1
Сероводород H. 2S0–3
Кислород O. 20–0
Источник: www.kolumbus.fi, 2007
Держатель биогаза с молнией защитные стержни и резервный газовый факел трубы для подачи биогаза

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

Метан, содержащийся в биогазе, можно сжигать для производства как тепла, так и электроэнергии, обычно с помощью поршневого двигателя или микротурбины, часто в схеме когенерации где вырабатываемая электроэнергия и отработанное тепло используются для обогрева варочных котлов или зданий. Избыточное электричество можно продать поставщикам или поставить в местную сеть. Электроэнергия, производимая анаэробными метантенками, считается возобновляемой энергией и может потребовать субсидий. Биогаз не способствует увеличению концентрации двуокиси углерода в атмосфере, потому что газ не выбрасывается непосредственно в атмосферу, а двуокись углерода поступает из органического источника с коротким углеродным циклом.

Биогаз может потребовать обработки или «очистки», чтобы очистить его для использования в качестве топлива. Сероводород, токсичный продукт, образующийся из сульфатов в исходном сырье, выделяется как следовой компонент биогаз. Национальные природоохранные органы, такие как США Агентство по охране окружающей среды или Английское и валлийское Агентство по охране окружающей среды устанавливает строгие ограничения на уровни газов, содержащих сероводород, и, если уровни сероводорода в газе высоки, проводят очистку и очистку газа. оборудование (такое как очистка газа амином ) потребуется для обработки биогаза в пределах региональных допустимых уровней. В качестве альтернативы добавление хлорида железа FeCl 2 в резервуары для разложения подавляет образование сероводорода.

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

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

Дигестат

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

Ацидогенный анаэробный дигестат

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

Третий побочный продукт - это жидкость (метаногенный дигестат), богатая питательными веществами, которую можно использовать в качестве удобрения, в зависимости от качества перевариваемого материала.. Уровни потенциально токсичных элементов (PTE) следует оценивать химически. Это будет зависеть от качества исходного сырья. В случае большинства чистых и разделенных по источникам потоков биоразлагаемых отходов уровни PTE будут низкими. В случае промышленных отходов уровни PTE могут быть выше, и их необходимо будет принимать 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 переваривания можно использовать стадию созревания или компостирования. Лигнин и другие материалы доступны для разложения аэробными микроорганизмами, такими как грибы, что помогает уменьшить общий объем материала для транспортировки. Во время этого созревания аммиак окисляется до нитратов, улучшая плодородие материала и делая его более подходящим в качестве улучшителя почвы. Большие стадии компостирования обычно используются в технологиях сухого анаэробного сбраживания.

Сточные воды

Конечным продуктом систем анаэробного сбраживания является вода, источником которой является как содержание влаги в исходных отходах, которые были обработаны, так и вода, образующаяся в ходе микробных реакций в пищеварительных системах. Эта вода может выделяться при обезвоживании дигестата или может быть неявно отделена от дигестата.

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

История

Газовая уличная лампа

История анаэробное сбраживание - длительный процесс, начавшийся еще в 10 веке до нашей эры в Ассирии, где биогаз использовался для нагрева воды в бане. Сообщаемый научный интерес к производству газа, полученного путем естественного разложения органических веществ, датируется 17 веком, когда Роберт Бойл (1627-1691) и Стивен Хейлз (1677-1761) заметил, что при нарушении отложений ручьев и озер выделяется горючий газ. В 1778 году итальянский физик Алессандро Вольта (1745-1827), отец Электрохимии, научно идентифицировал этот газ как метан.

. В 1808 году сэр Хамфри Дэви доказал присутствие метана в газах, производимых навозом навозом. Первый известный анаэробный варочный котел был построен в 1859 году в колонии прокаженных в Бомбее в Индии. В 1895 году технология была разработана в Эксетере, Англия, где использовался септик для выработки газа для лампы для разрушения канализационных газов, типа газовое освещение. Также в Англии, в 1904 году, первый резервуар двойного назначения для седиментации и обработки осадка был установлен в Хэмптоне, Лондон.

резервуар Имхоффа

К началу 20 века анаэробное сбраживание системы стали напоминать технологию, как она появляется сегодня. В 1906 году Карл Имхофф создал танк Имхоффа ; ранняя форма анаэробного варочного котла и модельной системы очистки сточных вод в начале 20 века. После 1920 года закрытые резервуарные системы начали заменять ранее распространенное использование анаэробных лагун - покрытых глиняных бассейнов, используемых для обработки летучих твердых частиц. Серьезные исследования по анаэробному пищеварению начались в 1930-х годах.

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

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

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

См. Также

  • icon Портал возобновляемых источников энергии
  • icon Энергетический портал
  • icon Экологический портал

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы, связанные с биогазовыми установками.

.

Последняя правка сделана 2021-06-10 22:01:13
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте