Анаэробное разложение: процессы и применение

Анаэробное разложение: бактерии расщепляют биоразлагаемые материалы без кислорода. Применение в промышленности, энергетике и природе. Метан как продукт.

25 мин чтения

100%

Источник: Anaerobic digestion — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Процессы, при которых микроорганизмы разлагают биоразлагаемые материалы в отсутствие кислорода.

Анаэробное сбраживание – это последовательность процессов, при которых микроорганизмы разлагают биоразлагаемые материалы в отсутствие кислорода. Этот процесс используется в промышленных или бытовых целях для переработки отходов или производства топлива. Большая часть ферментации, используемой в промышленности для производства продуктов питания и напитков, а также домашняя ферментация, основана на анаэробном сбраживании. Анаэробное сбраживание происходит естественным образом в некоторых почвах, а также в донных отложениях озер и океанов, где оно обычно называется "анаэробной активностью". Именно этот процесс является источником болотного газа – метана, открытого Алессандро Вольтой в 1776 году. Процесс сбраживания начинается с бактериального гидролиза исходных материалов. Нерастворимые органические полимеры, такие как углеводы, расщепляются до растворимых производных, которые становятся доступными для других бактерий. Затем кислотообразующие бактерии превращают сахара и аминокислоты в углекислый газ, водород, аммиак и органические кислоты. В процессе ацетогенеза бактерии преобразуют эти органические кислоты в уксусную кислоту, а также в другие соединения, такие как аммиак, водород и углекислый газ. Наконец, метаногены превращают эти продукты в метан и углекислый газ. Популяции метаногенных архей играют незаменимую роль в анаэробной очистке сточных вод. Анаэробное сбраживание используется как часть процесса переработки биоразлагаемых отходов и осадка сточных вод. В рамках комплексной системы управления отходами анаэробное сбраживание снижает выбросы парниковых газов в атмосферу. В анаэробные реакторы также можно загружать специально выращенные энергетические культуры, такие как кукуруза. Анаэробное сбраживание широко используется как источник возобновляемой энергии. В результате процесса образуется биогаз, состоящий из метана, углекислого газа и следов других "загрязняющих" газов, либо он может быть преобразован в биометан, соответствующий качеству природного газа. Образующийся богатый питательными веществами дигестат также может использоваться в качестве удобрения. Благодаря повторному использованию отходов в качестве ресурса и новым технологическим решениям, снизившим капитальные затраты, анаэробное сбраживание в последние годы получило повышенное внимание со стороны правительств ряда стран, включая Соединенное Королевство (2011), Германию, Данию (2011) и Соединенные Штаты.

Anaerobic digestion is a sequence of processes by which microorganisms break down biodegradable material in the absence of oxygen. The process is used for industrial or domestic purposes to manage waste or to produce fuels. Much of the fermentation used industrially to produce food and drink products, as well as home fermentation, uses anaerobic digestion. Anaerobic digestion occurs naturally in some soils and in lake and oceanic basin sediments, where it is usually referred to as "anaerobic activity". This is the source of marsh gas methane as discovered by Alessandro Volta in 1776. The digestion process begins with bacterial hydrolysis of the input materials. Insoluble organic polymers, such as carbohydrates, are broken down to soluble derivatives that become available for other bacteria. Acidogenic bacteria then convert the sugars and amino acids into carbon dioxide, hydrogen, ammonia, and organic acids. In acetogenesis, bacteria convert these resulting organic acids into acetic acid, along with additional ammonia, hydrogen, and carbon dioxide amongst other compounds. Finally, methanogens convert these products to methane and carbon dioxide. The methanogenic archaea populations play an indispensable role in anaerobic wastewater treatments. Anaerobic digestion is used as part of the process to treat biodegradable waste and sewage sludge. As part of an integrated waste management system, anaerobic digestion reduces the emission of landfill gas into the atmosphere. Anaerobic digesters can also be fed with purpose grown energy crops, such as maize. Anaerobic digestion is widely used as a source of renewable energy. The process produces a biogas, consisting of methane, carbon dioxide, and traces of other 'contaminant' gases. or upgraded to natural gas quality biomethane. The nutrient rich digestate also produced can be used as fertilizer. With the re use of waste as a resource and new technological approaches that have lowered capital costs, anaerobic digestion has in recent years received increased attention among governments in a number of countries, among these the United Kingdom (2011), Germany, Denmark (2011), and the United States.

Процесс

Многие микроорганизмы влияют на анаэробное пищеварение, включая бактерии, образующие уксусную кислоту (ацетогены), и археи, образующие метан (метаногены). Эти организмы способствуют ряду химических процессов при преобразовании биомассы в биогаз. Газообразный кислород исключается из реакций посредством физической изоляции. Анаэробы используют электронные акцепторы из источников, отличных от кислорода. Эти акцепторы могут быть самим органическим материалом или поставляться неорганическими оксидами, содержащимися во входном материале. Когда источник кислорода в анаэробной системе происходит из самого органического материала, "промежуточными" продуктами являются преимущественно спирты, альдегиды и органические кислоты, а также углекислый газ. В присутствии специализированных метаногенов промежуточные продукты превращаются в "конечные" продукты – метан, углекислый газ и следовые количества сероводорода. В анаэробной системе большая часть химической энергии, содержащейся в исходном материале, высвобождается метаногенными археями в виде метана.

Конфигурация

Анаэробные реакторы могут быть спроектированы и сконструированы для работы в различных конфигурациях и классифицируются по типу процесса – периодическому или непрерывному, температурным условиям – мезофильным или термофильным, содержанию сухого вещества – низкому или высокому, а также по количеству стадий – одностадийному или многостадийному. Непрерывный процесс требует более сложной конструкции, но может оказаться более экономичным, чем периодический, поскольку для периодического процесса требуются большие первоначальные инвестиции в строительство и больший объем реакторов (распределенный между несколькими партиями) для переработки того же количества отходов, что и реактор непрерывного процесса. Термофильная система требует большего количества тепловой энергии по сравнению с мезофильной, но обеспечивает значительно меньшее время переваривания, больший выход газа и более высокое содержание метана, поэтому необходимо тщательно взвесить эти преимущества и недостатки. Низкое содержание сухого вещества предполагает до 15%. Содержание выше этого уровня считается высоким и также известно как сухая ферментация. В одностадийном процессе все четыре этапа анаэробного разложения происходят в одном реакторе. Многостадийный процесс использует два или более реакторов для разделения фаз метаногенеза и гидролиза.

Партийное или непрерывное

Анаэробное сбраживание может осуществляться как периодическим, так и непрерывным способом. В периодической системе биомасса добавляется в реактор в начале процесса, после чего реактор герметизируется на весь период процесса. В простейшем варианте для запуска анаэробного сбраживания требуется инокуляция уже переработанным материалом. В типичном сценарии производство биогаза будет следовать нормальному распределению во времени. Операторы могут использовать этот факт для определения момента завершения процесса разложения органического вещества. Вскрытие и опорожнение периодического реактора до полного завершения процесса может привести к серьезным проблемам с запахом. Более совершенный периодический подход позволяет снизить проблемы с запахом за счет интеграции анаэробного сбраживания с компостированием в закрытых емкостях. В этом подходе инокуляция осуществляется с использованием рециркулированного дегазированного фильтрата. После завершения анаэробного сбраживания биомасса остается в реакторе, который затем используется для компостирования в закрытой емкости перед вскрытием. Периодическое сбраживание проще, требует меньше оборудования и меньших затрат на проектирование, поэтому обычно является более экономичным способом. Использование нескольких периодических реакторов на установке обеспечивает постоянное производство биогаза. В процессах непрерывного сбраживания органическое вещество постоянно добавляется (непрерывное полное перемешивание) или добавляется порциями в реактор (непрерывный проточный режим; принцип "первым пришел – первым ушел"). Конечные продукты постоянно или периодически удаляются, что обеспечивает непрерывное производство биогаза. Может использоваться один или несколько последовательно соединенных реакторов. Примеры данной формы анаэробного сбраживания включают реакторы с непрерывным перемешиванием, реакторы с анаэробным осадком, расширенные гранулярные осадочные слои и реакторы внутренней циркуляции.

Сложность

Системы пищеварения могут быть сконфигурированы с различной степенью сложности. Поэтому биологические реакции разных видов в одноступенчатом реакторе могут находиться в прямой конкуренции друг с другом. Другой пример одноступенчатой реакционной системы – анаэробная лагуна. Эти лагуны представляют собой прудообразные, земляные бассейны, используемые для очистки и длительного хранения навоза. Здесь анаэробные реакции протекают в естественном анаэробном иле, содержащемся в бассейне. В двухступенчатой (многоступенчатой) системе пищеварения различные реакционные емкости оптимизируются для обеспечения максимального контроля над бактериальными сообществами, обитающими в биореакторах. Кислотообразующие бактерии производят органические кислоты и растут и размножаются быстрее, чем метаногенные археи. Метаногенным археям для оптимальной работы необходимы стабильный pH и температура. В обычных условиях гидролиз, ацетогенез и кислотогенез происходят в первой реакционной емкости. Затем органический материал нагревается до требуемой рабочей температуры (мезофильной или термофильной) перед перекачкой в метаногенный реактор. Первичные емкости для гидролиза или кислотогенеза, предшествующие метаногенному реактору, могут служить буфером для скорости подачи сырья. В некоторых европейских странах требуется дополнительная термическая обработка для уничтожения вредных бактерий во входящих отходах. В этом случае может быть предусмотрена стадия пастеризации или стерилизации до начала процесса пищеварения или между двумя емкостями для пищеварения. Важно отметить, что полностью изолировать различные фазы реакции невозможно, и часто некоторое количество биогаза образуется в емкостях гидролиза или кислотогенеза.

Время проживания

Время пребывания в реакторе (метантенке) зависит от количества и типа исходного сырья, а также от конфигурации системы анаэробного сбраживания. При типичном двухступенчатом мезофильном сбраживании время пребывания варьируется от 15 до 40 дней, в то время как при одноступенчатом термофильном сбраживании процесс обычно протекает быстрее и занимает около 14 дней. Проточный характер некоторых из этих систем может означать, что полное разложение материала не завершается за указанный период времени. В этом случае выходной субстрат (дигестат) будет иметь более темный цвет и, как правило, более выраженный запах. В случае реактора с анаэробным шлам-одеялом с восходящим потоком (UASB), гидравлическое время пребывания может составлять от 1 часа до 1 дня, а время удержания твердой фазы – до 90 дней. Таким образом, система UASB способна разделять время удержания твердой фазы и гидравлическое время пребывания за счет использования шлам-одеяла. Непрерывные реакторы оснащены механическими или гидравлическими устройствами, в зависимости от содержания твердых веществ в сырье, для перемешивания содержимого, обеспечивая контакт бактерий с питательными веществами. Они также позволяют непрерывно удалять избыточный материал для поддержания относительно постоянного объема в реакторах.

Давление

Недавняя разработка в конструкции анаэробных реакторов – высокотемпературное анаэробное сбраживание под давлением (HPAD), также известное как автогенеративное высокотемпературное сбраживание под давлением (AHPD). Эта технология позволяет получать биогаз с повышенным содержанием метана. Выделяющийся в биогазе углекислый газ лучше растворяется в водной фазе под давлением, чем метан. Следовательно, образующийся биогаз обогащен метаном. Исследования, проведенные в Университете Гронингена, показали, что состав бактериального сообщества изменяется под воздействием давления. У каждого вида бактерий существуют оптимальные условия для роста и размножения. Обычно известны pH, температура, соленость и т.д., но давление также является одним из таких факторов. Некоторые виды адаптировались к жизни в глубоководных океанах, где давление значительно выше, чем на уровне моря. Это позволяет, подобно другим параметрам процесса, таким как температура, время удержания и pH, оказывать влияние на процесс анаэробного сбраживания.

Ингибирование

Процесс анаэробного сбраживания может быть подавлен различными соединениями, влияющими на одну или несколько групп бактерий, ответственных за разные этапы разложения органического вещества. Степень подавления зависит, в частности, от концентрации ингибитора в реакторе. Потенциальными ингибиторами являются аммиак, сульфид, ионы легких металлов (Na, K, Mg, Ca, Al), тяжелые металлы, некоторые органические соединения (хлорофенолы, галогенированные алифаты, N-замещенные ароматические соединения, жирные кислоты с длинной цепью) и т.д. Общий аммиачный азот (TAN) способен ингибировать производство метана. Кроме того, он дестабилизирует микробное сообщество, оказывая влияние на синтез уксусной кислоты. Уксусная кислота является одним из ключевых факторов производства метана. При концентрации TAN, превышающей 5000 мг/л, требуется корректировка pH для поддержания стабильности процесса. Концентрация TAN выше 1700–1800 мг/л ингибирует выработку метана, а при более высоких концентрациях TAN снижается выход продукта. Высокие концентрации TAN приводят к закислению реакционной среды и вызывают каскадный эффект подавления. Концентрация TAN также может оказывать влияние на процессы гидролиза и ацидогенеза. В мезофильных условиях ингибирование гидролиза наблюдается при 5500 мг/л TAN, а ингибирование ацидогенеза – при 6500 мг/л TAN.

Сырье

Наиболее важным первоначальным вопросом при рассмотрении применения систем анаэробного сбраживания является исходное сырье для процесса. Практически любой органический материал может быть переработан посредством анаэробного сбраживания; однако, если целью является производство биогаза, степень разлагаемости является ключевым фактором успешного применения. Чем более разлагаемый (поддающийся сбраживанию) материал, тем выше потенциальный выход газа из системы. Исходным сырьем могут служить биоразлагаемые отходы, такие как макулатура, скошенная трава, пищевые отходы, сточные воды и животноводческие отходы. Продолжительность анаэробного сбраживания зависит от химической сложности материала. Материал, богатый легкоусвояемыми сахарами, распадается быстро, в то время как неповрежденный лигноцеллюлозный материал, богатый полимерами целлюлозы и гемицеллюлозы, может разлагаться значительно дольше. Анаэробные микроорганизмы, как правило, не способны расщеплять лигнин – устойчивый ароматический компонент биомассы. Анаэробные реакторы изначально разрабатывались для работы с использованием осадка сточных вод и навоза. Однако сточные воды и навоз не являются материалами с наибольшим потенциалом для анаэробного сбраживания, поскольку большая часть энергии, содержащейся в биоразлагаемом материале, уже извлечена животными, которые его произвели. Поэтому многие реакторы работают с ко-сбраживанием двух или более видов сырья. Например, на ферме, использующей коровяк в качестве основного сырья, производство газа может быть значительно увеличено путем добавления второго сырья, например, травы и кукурузы (типичного для фермы), или различных органических побочных продуктов, таких как отходы мясокомбинатов, жиры, масла и смазки из ресторанов, органические бытовые отходы и т.д. (типичное сырье, поступающее извне). Реакторы, перерабатывающие специализированные энергетические культуры, могут достигать высокой степени разложения и производства биогаза. Системы, использующие только жидкую фракцию навоза, обычно дешевле, но производят гораздо меньше энергии, чем те, которые используют культуры, такие как кукурузный и травяной силос; используя умеренное количество растительного материала (30%), установка анаэробного сбраживания может увеличить выход энергии в десять раз при увеличении капитальных затрат всего в три раза по сравнению с системой, использующей только жидкую фракцию навоза.

The most important initial issue when considering the application of anaerobic digestion systems is the feedstock to the process. Almost any organic material can be processed with anaerobic digestion; however, if biogas production is the aim, the level of putrescibility is the key factor in its successful application. The more putrescible (digestible) the material, the higher the gas yields possible from the system. Feedstocks can include biodegradable waste materials, such as waste paper, grass clippings, leftover food, sewage, and animal waste. The length of time required for anaerobic digestion depends on the chemical complexity of the material. Material rich in easily digestible sugars breaks down quickly, whereas intact lignocellulosic material rich in cellulose and hemicellulose polymers can take much longer to break down. Anaerobic microorganisms are generally unable to break down lignin, the recalcitrant aromatic component of biomass. Anaerobic digesters were originally designed for operation using sewage sludge and manures. Sewage and manure are not, however, the material with the most potential for anaerobic digestion, as the biodegradable material has already had much of the energy content taken out by the animals that produced it. Therefore, many digesters operate with codigestion of two or more types of feedstock. For example, in a farm based digester that uses dairy manure as the primary feedstock, the gas production may be significantly increased by adding a second feedstock, e. g., grass and corn (typical on farm feedstock), or various organic byproducts, such as slaughterhouse waste, fats, oils and grease from restaurants, organic household waste, etc. (typical off site feedstock). Digesters processing dedicated energy crops can achieve high levels of degradation and biogas production. Slurry only systems are generally cheaper, but generate far less energy than those using crops, such as maize and grass silage; by using a modest amount of crop material (30%), an anaerobic digestion plant can increase energy output tenfold for only three times the capital cost, relative to a slurry only system.

Содержание влаги

Второе соображение, касающееся сырья, – содержание влаги. Сухие, штабелируемые субстраты, такие как пищевые и садовые отходы, подходят для переваривания в туннельных камерах. Системы туннельного типа обычно характеризуются практически нулевым сбросом сточных вод, поэтому этот тип систем имеет преимущества в тех случаях, когда сброс жидкости из реакторов является проблемой. Чем выше влажность материала, тем лучше он подходит для перекачки стандартными насосами, а не энергоемкими бетонными насосами и механическими средствами перемещения. Кроме того, чем влажнее материал, тем больший объем и площадь он занимает по отношению к объему производимого газа. Содержание влаги в целевом сырье также влияет на тип системы, используемой для его обработки. Для использования анаэробного реактора с высоким содержанием твердых веществ для разбавленного сырья следует добавлять объемные добавки, такие как компост, для увеличения содержания твердых веществ в исходном материале. Другим ключевым фактором является соотношение углерода к азоту в исходном материале. Это соотношение представляет собой баланс питательных веществ, необходимых микробам для роста; оптимальное соотношение C:N составляет 20–30:1. Избыток азота может привести к ингибированию процесса переваривания аммиаком. Если его не удалить, реакторы могут заблокироваться и работать неэффективно. Эта проблема загрязнения не возникает на установках сухого переваривания или твердофазного анаэробного переваривания (SSAD), поскольку SSAD обрабатывает сухую, штабелируемую биомассу с высоким содержанием твердых веществ (40–60%) в герметичных камерах, называемых ферментерами. Именно с учетом этого проектируются установки механической биологической очистки. Чем выше степень предварительной обработки сырья, тем больше потребуется перерабатывающего оборудования и, следовательно, выше будут капитальные затраты проекта. Национальный центр непищевых культур. После сортировки или просеивания для удаления любых физических загрязнений из сырья материал часто измельчают, рубят и механически или гидравлически пульпируют для увеличения площади поверхности, доступной микробам в реакторах, и, следовательно, ускорения процесса переваривания. Измельчение твердых веществ можно осуществить с помощью насоса-измельчителя для подачи сырья в герметичный реактор, где происходит анаэробная обработка.

A second consideration related to the feedstock is moisture content. Drier, stackable substrates, such as food and yard waste, are suitable for digestion in tunnel like chambers. Tunnel style systems typically have near zero wastewater discharge, as well, so this style of system has advantages where the discharge of digester liquids are a liability. The wetter the material, the more suitable it will be to handling with standard pumps instead of energy intensive concrete pumps and physical means of movement. Also, the wetter the material, the more volume and area it takes up relative to the levels of gas produced. The moisture content of the target feedstock will also affect what type of system is applied to its treatment. To use a high solids anaerobic digester for dilute feedstocks, bulking agents, such as compost, should be applied to increase the solids content of the input material. Another key consideration is the carbon:nitrogen ratio of the input material. This ratio is the balance of food a microbe requires to grow; the optimal C:N ratio is 20–30:1. Excess N can lead to ammonia inhibition of digestion. If it is not removed, then the digesters can be blocked and will not function efficiently. This contamination issue does not occur with dry digestion or solid state anaerobic digestion (SSAD) plants, since SSAD handles dry, stackable biomass with a high percentage of solids (40 60%) in gas tight chambers called fermenter boxes. It is with this understanding that mechanical biological treatment plants are designed. The higher the level of pretreatment a feedstock requires, the more processing machinery will be required, and, hence, the project will have higher capital costs. National Non Food Crops Centre. After sorting or screening to remove any physical contaminants from the feedstock, the material is often shredded, minced, and mechanically or hydraulically pulped to increase the surface area available to microbes in the digesters and, hence, increase the speed of digestion. The maceration of solids can be achieved by using a chopper pump to transfer the feedstock material into the airtight digester, where anaerobic treatment takes place.

Состав субстрата

Состав субстрата является ключевым фактором, определяющим выход метана и скорость его производства при анаэробном сбраживании биомассы. Существуют методы определения характеристик состава исходного сырья, при этом такие параметры, как содержание твердых веществ, элементный и органический анализ, важны для проектирования и эксплуатации биогазовой установки. Выход метана можно оценить на основе элементного состава субстрата и оценки его степени разложения (доли субстрата, которая преобразуется в биогаз в реакторе). Для прогнозирования состава биогаза (относительного содержания метана и углекислого газа) необходимо оценить распределение углекислого газа между водной и газовой фазами, что требует дополнительной информации (температуры реактора, pH и состава субстрата) и модели химического видового состава. Прямые измерения потенциала биометанизации также проводятся с использованием методов газовыделения или более современных гравиметрических анализов.

Очистка отходов и сточных вод

Анаэробное сбраживание особенно эффективно для переработки органических материалов и широко применяется для очистки промышленных сточных вод, канализационных стоков и осадка сточных вод. Анаэробное сбраживание – это простой процесс, который может значительно уменьшить количество органических веществ, которые в противном случае могли бы быть сброшены в море, захоронены на полигонах или сожжены на мусоросжигательных заводах. Ужесточение экологического законодательства в развитых странах, касающегося методов утилизации твердых отходов, привело к увеличению использования анаэробного сбраживания для сокращения объемов отходов и получения полезных побочных продуктов. Его можно использовать для переработки отдельно собранной фракции муниципальных отходов или, альтернативно, в сочетании с механическими системами сортировки для переработки остаточных смешанных муниципальных отходов. Такие установки называются комплексами механико-биологической обработки отходов. Если подлежащие разложению отходы, переработанные в анаэробных реакторах, были бы захоронены на полигоне, они бы разлагались естественным путем, часто анаэробно. В этом случае газ в конечном итоге попал бы в атмосферу. Поскольку метан примерно в 20 раз сильнее воздействует на парниковый эффект, чем углекислый газ, это оказывает значительное негативное воздействие на окружающую среду. В странах, где осуществляется сбор бытовых отходов, использование местных установок анаэробного сбраживания может помочь сократить объем отходов, требующих транспортировки на централизованные полигоны или мусоросжигательные заводы. Снижение нагрузки на транспортировку уменьшает выбросы углекислого газа от мусоровозов. Если локальные установки анаэробного сбраживания интегрированы в электрическую распределительную сеть, они могут помочь снизить потери электроэнергии, связанные с ее транспортировкой по национальной сети.

Производство электроэнергии

В развивающихся странах простые системы анаэробного сбраживания, применяемые в домашних условиях и на фермах, открывают возможности для получения недорогой энергии для приготовления пищи и освещения. Начиная с 1975 года, Китай и Индия реализовали крупные, поддерживаемые государством программы по адаптации небольших биогазовых установок для использования в быту с целью приготовления пищи и освещения. В настоящее время проекты по анаэробному сбраживанию в развивающемся мире могут получить финансовую поддержку через Механизм чистого развития Организации Объединенных Наций, если они смогут продемонстрировать снижение выбросов углерода. Метан и электроэнергия, производимые на установках анаэробного сбраживания, могут использоваться для замены энергии, получаемой из ископаемого топлива, что позволяет сократить выбросы парниковых газов, поскольку углерод в биоразлагаемых материалах является частью углеродного цикла. Углерод, выделяемый в атмосферу при сжигании биогаза, был поглощен растениями для их роста в недавнем прошлом, обычно в течение последнего десятилетия, но чаще – в течение последнего вегетационного периода. Если растения будут восстановлены, поглощая углерод из атмосферы повторно, система станет углеродно-нейтральной. В отличие от этого, углерод, содержащийся в ископаемом топливе, был изолирован в земной коре на протяжении миллионов лет, и его сжигание увеличивает общий уровень углекислого газа в атмосфере. Производство электроэнергии с помощью анаэробных реакторов наиболее эффективно для крупномасштабных операций, а не для небольших ферм, поскольку крупные предприятия располагают достаточным количеством навоза для обеспечения экономической целесообразности систем. Биогаз, получаемый при очистке осадка сточных вод, иногда используется для привода газового двигателя, вырабатывающего электроэнергию, часть или вся из которой может использоваться для работы очистных сооружений. Часть отработанного тепла двигателя затем используется для нагрева реактора. Как правило, отработанного тепла достаточно для нагрева реактора до требуемой температуры. Потенциал выработки электроэнергии на очистных сооружениях ограничен – в Великобритании общая установленная мощность составляет около 80 МВт, с возможностью увеличения до 150 МВт, что несущественно по сравнению со средним спросом на электроэнергию в Великобритании, составляющим около 35 000 МВт. Объем производства биогаза из нефекальных биологических отходов – энергетических культур, пищевых отходов, отходов скотобоен и т.д. – значительно выше и оценивается примерно в 3000 МВт. Ожидается, что фермы, производящие биогаз из отходов животноводства и энергетических культур, будут способствовать сокращению выбросов CO2 и укреплению энергосистемы, одновременно обеспечивая британских фермеров дополнительным доходом. Некоторые страны предлагают стимулы в виде, например, «зеленых» тарифов на электроэнергию, поставляемую в энергосеть, для субсидирования производства экологически чистой энергии. В Окленде, штат Калифорния, на главной очистной станции сточных вод муниципального округа Ист-Бей (EBMUD) пищевые отходы в настоящее время подвергаются совместному сбраживанию с первичными и вторичными осадками сточных вод и другими отходами высокой концентрации. По сравнению с самостоятельным сбраживанием осадков сточных вод, совместное сбраживание пищевых отходов имеет множество преимуществ. Анаэробное сбраживание пищевой пульпы, полученной в процессе переработки пищевых отходов EBMUD, обеспечивает более высокую нормализованную энергетическую выгоду по сравнению с осадками сточных вод: от 730 до 1300 кВтч на тонну сухих пищевых отходов по сравнению с 560–940 кВтч на тонну сухих осадков сточных вод.

In developing countries, simple home and farm based anaerobic digestion systems offer the potential for low cost energy for cooking and lighting. From 1975, China and India have both had large, government backed schemes for adaptation of small biogas plants for use in the household for cooking and lighting. At present, projects for anaerobic digestion in the developing world can gain financial support through the United Nations Clean Development Mechanism if they are able to show they provide reduced carbon emissions. Methane and power produced in anaerobic digestion facilities can be used to replace energy derived from fossil fuels, and hence reduce emissions of greenhouse gases, because the carbon in biodegradable material is part of a carbon cycle. The carbon released into the atmosphere from the combustion of biogas has been removed by plants for them to grow in the recent past, usually within the last decade, but more typically within the last growing season. If the plants are regrown, taking the carbon out of the atmosphere once more, the system will be carbon neutral. In contrast, carbon in fossil fuels has been sequestered in the earth for many millions of years, the combustion of which increases the overall levels of carbon dioxide in the atmosphere. Power generation through anaerobic digestors is best suited to large scale operations, rather than small farms, as large operations have the volume of manure that is able to make the systems financially viable. Biogas from sewage sludge treatment is sometimes used to run a gas engine to produce electrical power, some or all of which can be used to run the sewage works. Some waste heat from the engine is then used to heat the digester. The waste heat is, in general, enough to heat the digester to the required temperatures. The power potential from sewage works is limited – in the UK, there are about 80 MW total of such generation, with the potential to increase to 150 MW, which is insignificant compared to the average power demand in the UK of about 35,000 MW. The scope for biogas generation from nonsewage waste biological matter – energy crops, food waste, abattoir waste, etc. is much higher, estimated to be capable of about 3,000 MW. Farm biogas plants using animal waste and energy crops are expected to contribute to reducing CO2 emissions and strengthen the grid, while providing UK farmers with additional revenues. Some countries offer incentives in the form of, for example, feed in tariffs for feeding electricity onto the power grid to subsidize green energy production. In Oakland, California at the East Bay Municipal Utility District's main wastewater treatment plant (EBMUD), food waste is currently codigested with primary and secondary municipal wastewater solids and other high strength wastes. Compared to municipal wastewater solids digestion alone, food waste codigestion has many benefits. Anaerobic digestion of food waste pulp from the EBMUD food waste process provides a higher normalized energy benefit, compared to municipal wastewater solids: 730 to 1,300 kWh per dry ton of food waste applied compared to 560 to 940 kWh per dry ton of municipal wastewater solids applied.

Впрыск в сетку

Впрыск биогаза в сеть – это подача биогаза в сеть природного газа. Сырой биогаз должен быть предварительно очищен до биометана. Эта очистка включает удаление примесей, таких как сероводород или силоксаны, а также углекислого газа. Для этого существует несколько технологий, наиболее распространенными из которых являются адсорбция при переменном давлении (PSA), абсорбция водой или аминами (процессы поглощения) и, в последние годы, мембранное разделение. В качестве альтернативы, электроэнергия и тепло могут быть использованы для выработки на месте, что позволяет снизить потери при транспортировке энергии. Типичные потери энергии в системах передачи природного газа составляют от 1 до 2%, в то время как текущие потери энергии в крупных электроэнергетических системах варьируются от 5 до 8%. В октябре 2010 года очистные сооружения Didcot Sewage Works первыми в Великобритании начали производить биометан, который подается в национальную сеть для обеспечения до 200 домов в Оксфордшире. К 2017 году британская энергетическая компания Ecotricity планирует использовать установки, работающие на местно заготовленной траве, для снабжения 6000 домов.

Двигательное топливо

После модернизации с использованием вышеупомянутых технологий биогаз (преобразованный в биометан) может использоваться в качестве топлива для автомобилей, переоборудованных для работы на газе. Это применение широко распространено в Швеции, где насчитывается более 38 600 газомоторных транспортных средств, и 60% автомобильного газа – это биометан, производимый на установках анаэробного сбраживания.

Удобрение и кондиционер почвы

Твердый волокнистый компонент переработанного материала может использоваться в качестве улучшителя почвы для повышения содержания органических веществ в почве. Жидкость из биогазовой установки может использоваться в качестве удобрения для обеспечения почвы необходимыми питательными веществами вместо химических удобрений, производство и транспортировка которых требуют больших затрат энергии. Таким образом, использование минеральных удобрений более углеемко, чем использование удобрений из биогазовой установки. В странах, таких как Испания, где многие почвы обеднены органическими веществами, рынки для переработанных твердых остатков могут быть столь же важны, как и биогаз.

Газ для приготовления пищи

Используя биодигестер, который производит бактерии, необходимые для разложения органических веществ, вырабатывается газ для приготовления пищи. Органические отходы, такие как опавшие листья, кухонные отходы, пищевые отходы и т.д., подаются в дробильную установку, где смешиваются с небольшим количеством воды. Полученная смесь затем поступает в биодигестер, где археи разлагают ее, производя газ для приготовления пищи. Этот газ подается по трубопроводу к кухонной плите. Биодигестер объемом 2 кубических метра может производить 2 кубических метра газа для приготовления пищи, что эквивалентно 1 кг сжиженного нефтяного газа (СНГ). Важным преимуществом использования биодигестера является образующийся осадок – ценное органическое удобрение.

Продукты

Три основных продукта анаэробного сбраживания – биогаз, дигестат и вода.

Биогаз

+ Типичный состав биогаза Соединение Формула % Метан 50–75 Диоксид углерода 25–50 Азот 0–10 Водород 0–1 Сульфид водорода H2S 0–3 Кислород 0–0 Источник: www.kolumbus.fi, 2007

Биогаз является конечным продуктом жизнедеятельности бактерий, перерабатывающих биоразлагаемое сырье (стадия метаногенеза при анаэробном сбраживании осуществляется археями – микроорганизмами, относящимися к совершенно иной ветви филогенетического дерева жизни, чем бактерии), и состоит преимущественно из метана и углекислого газа, с небольшим содержанием водорода и следовыми количествами сероводорода. (Образующийся биогаз также содержит водяной пар, объем которого зависит от температуры биогаза). Газ обычно хранится над реактором в надувном газовом резервуаре или извлекается и хранится рядом с установкой в газгольдере. Метан, содержащийся в биогазе, может быть использован для производства тепла и электроэнергии, как правило, с помощью двигателя внутреннего сгорания или микротурбины (Ненадежный источник: причина=домен в WP:BLACKLIST), часто в когенерационной установке, где вырабатываемая электроэнергия и тепло используются для обогрева реакторов или зданий. Избыточная электроэнергия может быть продана поставщикам или передана в местную электросеть. Электроэнергия, производимая анаэробными реакторами, считается возобновляемой и может быть субсидирована. Биогаз не способствует увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере, поскольку он не выбрасывается непосредственно в атмосферу, а углекислый газ образуется из органического сырья с коротким углеродным циклом. Биогазу может потребоваться очистка или "скруббирование" для повышения его качества в качестве топлива. Сульфид водорода, токсичный продукт, образующийся из сульфатов, содержащихся в сырье, выделяется в биогазе в виде микрокомпонента. Национальные природоохранные органы, такие как Агентство по охране окружающей среды США или Агентство по охране окружающей среды Англии и Уэльса, устанавливают строгие ограничения на содержание газов, содержащих сероводород, и при высоком содержании сероводорода в газе потребуется оборудование для очистки и обработки биогаза (например, аминная очистка) для приведения его в соответствие с региональными нормами. Альтернативно, добавление хлорида железа (FeCl2) в реакционные резервуары подавляет образование сероводорода. Биогаз также может быть загрязнен летучими силоксанами, которые часто встречаются в бытовых отходах и сточных водах. На установках, перерабатывающих эти материалы, силоксаны с низкой молекулярной массой испаряются в биогаз. При сжигании этого газа в газовом двигателе, турбине или котле силоксаны превращаются в диоксид кремния (SiO2), который оседает внутри оборудования, вызывая износ. В настоящее время доступны практичные и экономически эффективные технологии для удаления силоксанов и других загрязнителей биогаза. В некоторых случаях возможно проведение очистки непосредственно в реакторе для повышения чистоты метана за счет снижения содержания углекислого газа и его удаления во вторичном реакторе. В таких странах, как Швейцария, Германия и Швеция, метан, содержащийся в биогазе, может быть сжат для использования в качестве моторного топлива или подаваться непосредственно в газопроводную сеть. В странах, где основным стимулом для использования анаэробного сбраживания являются субсидии на возобновляемую электроэнергию, этот способ обработки менее вероятен, поскольку он требует затрат энергии и снижает общий объем энергии, доступной для продажи.

Biogas is the ultimate waste product of the bacteria feeding off the input biodegradable feedstock (the methanogenesis stage of anaerobic digestion is performed by archaea, a micro organism on a distinctly different branch of the phylogenetic tree of life to bacteria), and is mostly methane and carbon dioxide, with a small amount hydrogen and trace hydrogen sulfide. (As produced, biogas also contains water vapor, with the fractional water vapor volume a function of biogas temperature). The gas is normally stored on top of the digester in an inflatable gas bubble or extracted and stored next to the facility in a gas holder. The methane in biogas can be burned to produce both heat and electricity, usually with a reciprocating engine or microturbineUnreliable source: reason=domain on WP:BLACKLIST often in a cogeneration arrangement where the electricity and waste heat generated are used to warm the digesters or to heat buildings. Excess electricity can be sold to suppliers or put into the local grid. Electricity produced by anaerobic digesters is considered to be renewable energy and may attract subsidies. Biogas does not contribute to increasing atmospheric carbon dioxide concentrations because the gas is not released directly into the atmosphere and the carbon dioxide comes from an organic source with a short carbon cycle. Biogas may require treatment or 'scrubbing' to refine it for use as a fuel. Hydrogen sulfide, a toxic product formed from sulfates in the feedstock, is released as a trace component of the biogas. National environmental enforcement agencies, such as the U. S. Environmental Protection Agency or the English and Welsh Environment Agency, put strict limits on the levels of gases containing hydrogen sulfide, and, if the levels of hydrogen sulfide in the gas are high, gas scrubbing and cleaning equipment (such as amine gas treating) will be needed to process the biogas to within regionally accepted levels. Alternatively, the addition of ferrous chloride FeCl2 to the digestion tanks inhibits hydrogen sulfide production. Volatile siloxanes can also contaminate the biogas; such compounds are frequently found in household waste and wastewater. In digestion facilities accepting these materials as a component of the feedstock, low molecular weight siloxanes volatilise into biogas. When this gas is combusted in a gas engine, turbine, or boiler, siloxanes are converted into silicon dioxide (SiO2), which deposits internally in the machine, increasing wear and tear. Practical and cost effective technologies to remove siloxanes and other biogas contaminants are available at the present time. In certain applications, in situ treatment can be used to increase the methane purity by reducing the offgas carbon dioxide content, purging the majority of it in a secondary reactor. In countries such as Switzerland, Germany, and Sweden, the methane in the biogas may be compressed for it to be used as a vehicle transportation fuel or input directly into the gas mains. In countries where the driver for the use of anaerobic digestion are renewable electricity subsidies, this route of treatment is less likely, as energy is required in this processing stage and reduces the overall levels available to sell.

Переваривать

Дигестат – это твердые остатки исходного сырья, поступившего в реактор, которые не могут быть использованы микроорганизмами. Он также состоит из минерализованных остатков мертвых бактерий, находящихся в реакторе. Дигестат может быть представлен в трех формах: волокнистой, жидкой или в виде смеси, основанной на шламе, сочетающей обе фракции. В двухступенчатых системах различные формы дигестата образуются в разных резервуарах для брожения. В одноступенчатых системах обе фракции объединяются и, при необходимости, разделяются дополнительной обработкой. Второй побочный продукт (ацидогенный дигестат) – это стабильный органический материал, состоящий преимущественно из лигнина и целлюлозы, а также различных минеральных компонентов в матрице из мертвых бактериальных клеток; возможно присутствие пластика. Материал похож на бытовой компост и может использоваться в качестве такового или для производства строительных материалов низкого качества, таких как древесноволокнистые плиты. Твердый дигестат также может использоваться в качестве сырья для производства этанола. Третий побочный продукт – жидкость (метаногенный дигестат), богатая питательными веществами, которую можно использовать в качестве удобрения, в зависимости от качества перерабатываемого материала.

Сточные воды

Конечным продуктом систем анаэробного сбраживания является вода, происходящая как из содержания влаги в исходных отходах, подвергшихся обработке, так и из воды, образующейся в ходе микробных реакций в этих системах. Эта вода может выделяться при обезвоживании дигестата или быть отделена от него. Сточные воды, выходящие с установки анаэробного сбраживания, как правило, содержат повышенные уровни биохимического потребления кислорода (БПК) и химического потребления кислорода (ХПК). Эти показатели реакционной способности сточных вод свидетельствуют о потенциале загрязнения. Часть этого вещества называется "трудноокисляемым ХПК", то есть оно недоступно для анаэробных бактерий для преобразования в биогаз. Попадание этих сточных вод непосредственно в водоемы негативно скажется на них, вызывая эвтрофикацию. Поэтому часто требуется дополнительная очистка сточных вод, которая обычно включает стадию окисления, при которой воздух пропускается через воду в реакторе периодического действия или установке обратного осмоса.

История

Сообщается, что научный интерес к производству газа, полученного в результате естественного разложения органических веществ, датируется 17 веком, когда Роберт Бойл (1627-1691) и Стивен Хейлс (1677-1761) отметили, что при нарушении осадка в ручьях и озерах выделяется воспламеняющийся 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 наличие метана в газах, образующихся из навоза скота. Первый известный анаэробный реактор был построен в 1859 году в колонии прокаженных в Бомбее, Индия. В 1895 году технология была разработана в Эксетере, Англия, где газ из септика использовался для лампы-уничтожителя газа в канализации – типа газового освещения. Также в Англии, в 1904 году, в Хэмптоне, Лондон, был установлен первый резервуар двойного назначения для осаждения и обработки осадка. К началу 20-го века анаэробные системы пищеварения стали напоминать современные технологии. В 1906 году Карл Имхофф создал резервуар Имхоффа – раннюю форму анаэробного реактора и модель системы очистки сточных вод на протяжении всего начала 20-го века. После 1920 года закрытые системы реакторов начали заменять ранее распространенное использование анаэробных лагун – покрытых земляных бассейнов, используемых для обработки летучих твердых веществ. Исследования в области анаэробного пищеварения начались всерьез в 1930-х годах. Примерно во время Первой мировой войны производство биотоплива замедлилось, поскольку увеличилось производство нефти и были определены области ее применения. Нехватка топлива во время Второй мировой войны вновь популяризировала анаэробное пищеварение, однако интерес к технологии снова снизился после окончания войны. Аналогичным образом, энергетический кризис 1970-х годов вызвал новый всплеск интереса к анаэробному пищеварению. В Соединенном Королевстве к 2014 году насчитывалось 259 объектов, а к 2019 году планировалось ввести в эксплуатацию 500 проектов. В Соединенных Штатах в 2012 году было 191 действующий завод в 34 штатах. Политические меры могут объяснить различия в темпах внедрения в этих странах. В Германии в 1991 году были введены тарифы на продажу электроэнергии (FIT), предусматривающие долгосрочные контракты, компенсирующие инвестиции в производство возобновляемой энергии. В результате, в период с 1991 по 1998 год количество анаэробных реакторов в Германии выросло с 20 до 517. В конце 1990-х годов цены на энергоносители в Германии колебались, и инвесторы стали сомневаться в потенциале рынка. Правительство Германии отреагировало, четыре раза внеся изменения в FIT в период с 2000 по 2011 год, увеличив тарифы и повысив рентабельность анаэробного пищеварения, что привело к надежной прибыли от производства биогаза и сохранению высоких темпов внедрения в стране. Река Тейфи, Афон Ллинфи и случаи гибели людей (например, взрыв в Авонмуте).

Reported scientific interest in the manufacturing of gas produced by the natural decomposition of organic matter dates from the 17th century, when Robert Boyle (1627 1691) and Stephen Hales (1677 1761) noted that disturbing the sediment of streams and lakes released flammable gas. In 1778, the Italian physicist Alessandro Volta (1745 1827), the father of electrochemistry, scientifically identified that gas as methane. In 1808 Sir Humphry Davy proved the presence of methane in the gases produced by cattle manure. The first known anaerobic digester was built in 1859 at a leper colony in Bombay in India. In 1895, the technology was developed in Exeter, England, where a septic tank was used to generate gas for the sewer gas destructor lamp, a type of gas lighting. Also in England, in 1904, the first dual purpose tank for both sedimentation and sludge treatment was installed in Hampton, London. By the early 20th century, anaerobic digestion systems began to resemble the technology as it appears today. In 1906, Karl Imhoff created the Imhoff tank; an early form of anaerobic digester and model wastewater treatment system throughout the early 20th century. After 1920, closed tank systems began to replace the previously common use of anaerobic lagoons – covered earthen basins used to treat volatile solids. Research on anaerobic digestion began in earnest in the 1930s. Around the time of World War I, production from biofuels slowed as petroleum production increased and its uses were identified. While fuel shortages during World War II re popularized anaerobic digestion, interest in the technology decreased again after the war ended. Similarly, the 1970s energy crisis sparked interest in anaerobic digestion. In the United Kingdom, there were 259 facilities by 2014, and 500 projects planned to become operational by 2019. In the United States, there were 191 operational plants across 34 states in 2012. Policy may explain why adoption rates are so different across these countries. Feed in tariffs in Germany were enacted in 1991, also known as FIT, providing long term contracts compensating investments in renewable energy generation. Consequently, between 1991 and 1998 the number of anaerobic digester plants in Germany grew from 20 to 517. In the late 1990s, energy prices in Germany varied and investors became unsure of the market's potential. The German government responded by amending FIT four times between 2000 and 2011, increasing tariffs and improving the profitability of anaerobic digestion, and resulting in reliable returns for biogas production and continued high adoption rates across the country. River Teifi, Afon Llynfi, and loss of human life (e. g. Avonmouth explosion)

В США происходили взрывы анаэробных реакторов (завод Jay, Maine Pixelle Specialty Solutions, Андроскоггин; Пенсакола (Кантоном), 22 января 2017 года (взрыв реактора Kamyr); выход из строя EPDM в марте 2013 года, Орегон; 6 февраля 1987 года, Пенсильвания, два рабочих на очистной станции сточных вод сбрасывали содержимое реактора, когда взрыв поднял плавучую крышку весом 30 тонн, мгновенно убив обоих рабочих; очистная станция сточных вод в Спрингфилде, штат Миссури), в Великобритании (например, в Авонмуте и в Колледже Харпер Адамс, Ньюпорт, Шропшир), а также в Европе за период с 2005 по 2015 год произошло около 800 аварий на биогазовых установках, например, во Франции (Сен-Фаржо) (хотя большинство из них не были "серьезными" и не имели прямых последствий для населения). К счастью, по одному источнику, "менее дюжины из них привели к человеческим жертвам", например, инцидент в Радереистедте, Германия (4 погибших). Анализ безопасности включал исследование 2016 года, в результате которого была составлена база данных 169 аварий с участием анаэробных реакторов.