Trawienie beztlenowe - Anaerobic digestion

System fermentacji beztlenowej
System fermentacji beztlenowej w Niemczech

Fermentacja beztlenowa to sekwencja procesów, w których mikroorganizmy rozkładają biodegradowalny materiał bez dostępu tlenu . Proces jest wykorzystywany do celów przemysłowych lub domowych do zagospodarowania odpadów lub do produkcji paliw. Duża część fermentacji wykorzystywanej przemysłowo do produkcji żywności i napojów, a także fermentacja domowa, wykorzystuje fermentację beztlenową.

Fermentacja beztlenowa występuje naturalnie w niektórych glebach oraz w osadach jeziornych i oceanicznych , gdzie zwykle określana jest mianem „aktywności beztlenowej”. Jest to źródło metanu z gazu bagiennego, odkrytego przez Alessandro Voltę w 1776 roku.

Proces fermentacji rozpoczyna się hydrolizą bakteryjną materiałów wejściowych. Nierozpuszczalne polimery organiczne , takie jak węglowodany , są rozkładane na rozpuszczalne pochodne, które stają się dostępne dla innych bakterii. Bakterie kwasogenne przekształcają następnie cukry i aminokwasy w dwutlenek węgla, wodór , amoniak i kwasy organiczne . W acetogenezie bakterie przekształcają powstałe kwasy organiczne w kwas octowy wraz z dodatkowym amoniakiem, wodorem i dwutlenkiem węgla między innymi związkami. Wreszcie metanogeny przekształcają te produkty w metan i dwutlenek węgla. Populacje archeonów metanogennych odgrywają nieodzowną rolę w beztlenowym oczyszczaniu ścieków.

Fermentacja beztlenowa jest częścią procesu przetwarzania odpadów ulegających biodegradacji i osadów ściekowych . W ramach zintegrowanego systemu gospodarki odpadami fermentacja beztlenowa ogranicza emisję gazów wysypiskowych do atmosfery. Fermentatory beztlenowe mogą być również zasilane specjalnie hodowanymi roślinami energetycznymi, takimi jak kukurydza .

Fermentacja beztlenowa jest szeroko stosowana jako źródło energii odnawialnej . W wyniku procesu powstaje biogaz składający się z metanu , dwutlenku węgla i śladowych ilości innych „zanieczyszczeń” gazów. Biogaz ten może być wykorzystany bezpośrednio jako paliwo, w kogeneracyjnych silnikach gazowych lub zmodernizowany do biometanu o jakości gazu ziemnego . Produkowany również bogaty w składniki odżywcze poferment może być użyty jako nawóz .

Dzięki ponownemu wykorzystaniu odpadów jako zasobu i nowym podejściom technologicznym, które obniżyły koszty kapitałowe , fermentacja beztlenowa zyskała w ostatnich latach większą uwagę rządów w wielu krajach, w tym w Wielkiej Brytanii (2011), Niemczech, Danii ( 2011) oraz Stany Zjednoczone.

Proces

Na trawienie beztlenowe wpływa wiele mikroorganizmów, w tym bakterie tworzące kwas octowy ( acetogeny ) i archeony tworzące metan ( metanogeny ). Organizmy te wspomagają szereg procesów chemicznych w przekształcaniu biomasy w biogaz .

Tlen gazowy jest wykluczony z reakcji przez fizyczne zamknięcie. Beztlenowce wykorzystują akceptory elektronów ze źródeł innych niż gazowy tlen. Te akceptory mogą być samym materiałem organicznym lub mogą być dostarczane przez tlenki nieorganiczne z materiału wejściowego. Gdy źródło tlenu w systemie beztlenowym pochodzi z samego materiału organicznego, „pośrednimi” produktami końcowymi są przede wszystkim alkohole , aldehydy i kwasy organiczne oraz dwutlenek węgla. W obecności wyspecjalizowanych metanogenów, związki pośrednie są przekształcane w „końcowe” produkty końcowe metanu, dwutlenku węgla i śladowych ilości siarkowodoru . W systemie beztlenowym większość energii chemicznej zawartej w materiale wyjściowym jest uwalniana przez bakterie metanogenne w postaci metanu.

Populacje mikroorganizmów beztlenowych zazwyczaj potrzebują znacznego czasu, aby osiągnąć pełną skuteczność. Dlatego powszechną praktyką jest wprowadzanie mikroorganizmów beztlenowych z materiałów z istniejących populacji, proces znany jako „zaszczepianie” komór fermentacyjnych, zwykle realizowany z dodatkiem osadu ściekowego lub gnojowicy bydlęcej.

Etapy procesu

Cztery kluczowe etapy fermentacji beztlenowej obejmują hydrolizę , kwasogenezę , acetogenezę i metanogenezę . Cały proces można opisać reakcją chemiczną, w której materiał organiczny, taki jak glukoza, jest biochemicznie rozkładany na dwutlenek węgla (CO 2 ) i metan (CH 4 ) przez mikroorganizmy beztlenowe.

C 6 H 12 O 6 → 3CO 2 + 3CH 4

  • Hydroliza

W większości przypadków biomasa składa się z dużych polimerów organicznych. Aby bakterie w beztlenowych komorach fermentacyjnych mogły uzyskać dostęp do potencjału energetycznego materiału, łańcuchy te muszą najpierw zostać rozbite na mniejsze części składowe. Te części składowe lub monomery, takie jak cukry, są łatwo dostępne dla innych bakterii. Proces rozrywania tych łańcuchów i rozpuszczania mniejszych cząsteczek w roztworze nazywa się hydrolizą. Dlatego hydroliza tych wysokocząsteczkowych składników polimerycznych jest niezbędnym pierwszym etapem rozkładu beztlenowego. Poprzez hydrolizę złożone cząsteczki organiczne rozkładane są na cukry proste , aminokwasy i kwasy tłuszczowe .

Octan i wodór wytworzone w pierwszych etapach mogą być bezpośrednio wykorzystywane przez metanogeny. Inne cząsteczki, takie jak lotne kwasy tłuszczowe (VFA) o długości łańcucha większej niż octan, muszą najpierw zostać katabolizowane do związków, które mogą być bezpośrednio wykorzystane przez metanogeny.

  • kwasogeneza

Biologiczny proces kwasogenezy powoduje dalszy rozkład pozostałych składników przez bakterie kwasogenne (fermentacyjne). Tutaj powstają VFA wraz z amoniakiem, dwutlenkiem węgla i siarkowodorem , a także innymi produktami ubocznymi. Proces kwasogenezy jest podobny do kwaśnego mleka .

  • Acetogeneza

Trzecim etapem fermentacji beztlenowej jest acetogeneza . Tutaj proste cząsteczki powstałe w fazie kwasogenezy są dalej trawione przez acetogeny w celu wytworzenia głównie kwasu octowego, a także dwutlenku węgla i wodoru.

  • Metanogeneza

Końcowym etapem fermentacji beztlenowej jest biologiczny proces metanogenezy . W tym przypadku metanogeny wykorzystują produkty pośrednie z poprzednich etapów i przekształcają je w metan, dwutlenek węgla i wodę. Składniki te stanowią większość biogazu emitowanego z systemu. Metanogeneza jest wrażliwa zarówno na wysokie, jak i niskie pH i zachodzi między pH 6,5 a 8. Pozostały, niestrawny materiał, którego drobnoustroje nie mogą wykorzystać, a wszelkie martwe resztki bakterii stanowią poferment.

Konfiguracja

Porównanie popularnych technologii biogazowych
Porównanie popularnych technologii biogazowych

Komory beztlenowe można zaprojektować i skonstruować do działania w wielu różnych konfiguracjach i można je podzielić na tryb wsadowy lub ciągły, mezofilny lub termofilny, warunki o wysokiej lub niskiej zawartości części stałych oraz procesy jednoetapowe i wieloetapowe. Proces ciągły wymaga bardziej złożonego projektu, ale nadal może być bardziej ekonomiczny niż proces wsadowy, ponieważ proces wsadowy wymaga większych nakładów początkowych i większej objętości komór fermentacyjnych (rozłożonych na kilka partii), aby obsłużyć taką samą ilość odpadów, jak proces ciągły fermentator procesowy. W systemie termofilnym wymagana jest wyższa energia cieplna w porównaniu z systemem mezofilnym, ale system termofilny wymaga znacznie mniej czasu i ma większą wydajność wyjściową gazu oraz wyższą zawartość metanu, więc należy dokładnie rozważyć ten kompromis. W przypadku zawartości ciał stałych, Low obsługuje do 15% zawartości ciał stałych. Powyżej tego poziomu jest uważana za wysoką zawartość części stałych i może być również znana jako sucha fermentacja. W procesie jednoetapowym w jednym reaktorze mieszczą się cztery etapy fermentacji beztlenowej. Proces wieloetapowy wykorzystuje dwa lub więcej reaktorów do rozkładu w celu oddzielenia faz metanogenezy i hydrolizy.

Partia lub ciągła

Fermentację beztlenową można przeprowadzić jako proces okresowy lub proces ciągły. W systemie okresowym biomasa jest dodawana do reaktora na początku procesu. Reaktor jest następnie uszczelniany na czas trwania procesu. W swojej najprostszej formie przetwarzanie wsadowe wymaga zaszczepienia już przetworzonym materiałem, aby rozpocząć fermentację beztlenową. W typowym scenariuszu produkcja biogazu będzie kształtowała się z normalnym rozkładem dystrybucji w czasie. Operatorzy mogą wykorzystać ten fakt do określenia, kiedy ich zdaniem proces trawienia materii organicznej został zakończony. Mogą wystąpić poważne problemy z zapachem, jeśli reaktor wsadowy zostanie otwarty i opróżniony przed prawidłowym zakończeniem procesu. Bardziej zaawansowany rodzaj podejścia wsadowego ograniczył problemy związane z zapachami poprzez połączenie fermentacji beztlenowej z kompostowaniem w zbiorniku . W tym podejściu inokulacja odbywa się poprzez zastosowanie recyrkulowanego odgazowanego perkolatu. Po zakończeniu fermentacji beztlenowej biomasa jest przechowywana w reaktorze, który jest następnie przed otwarciem wykorzystywany do kompostowania w zbiorniku Ponieważ fermentacja wsadowa jest prosta i wymaga mniej sprzętu oraz niższych poziomów prac projektowych, jest to zazwyczaj tańsza forma trawienie. Zastosowanie więcej niż jednego reaktora okresowego w zakładzie może zapewnić stałą produkcję biogazu.

W ciągłych procesach fermentacji materia organiczna jest dodawana w sposób ciągły (ciągłe całkowite wymieszanie) lub dodawana etapami do reaktora (ciągły przepływ tłokowy; pierwsze weszło – pierwsze wyszło). Tutaj produkty końcowe są stale lub okresowo usuwane, co skutkuje ciągłą produkcją biogazu. Można zastosować jeden lub wiele warników w sekwencji. Przykłady tej formy fermentacji beztlenowej obejmują reaktory zbiornikowe z mieszadłem ciągłym , beztlenowe płaszcze osadowe z przepływem do góry , ekspandowane granulowane złoża osadowe i reaktory z obiegiem wewnętrznym .

Temperatura

Rodzaje metanogenów w komorach fermentacyjnych określają dwa konwencjonalne poziomy temperatury operacyjnej dla komór fermentacyjnych:

  • Trawienie mezofilne odbywa się optymalnie około 30 do 38 °C lub w temperaturze otoczenia między 20 a 45 °C, gdzie głównymi obecnymi mikroorganizmami są mezofile.
  • Ciepłolubnych Trawienie odbywa się optymalnie około 49 do 57 ° C lub w podwyższonej temperaturze do 70 ° C, gdzie ciepłolubne są główną obecnych mikroorganizmów.

Przypadek graniczny został osiągnięty w Boliwii , gdzie fermentacja beztlenowa odbywa się w temperaturze roboczej poniżej 10 °C. Proces beztlenowy jest bardzo powolny i zajmuje ponad trzy razy więcej czasu niż normalny proces mezofilny. W pracach eksperymentalnych na University of Alaska Fairbanks , 1000-litrowy fermentator wykorzystujący psychrofile zebrane z „błota z zamarzniętego jeziora na Alasce” wyprodukował 200-300 litrów metanu dziennie, około 20 do 30% wyjścia z komór fermentacyjnych w cieplejszych warunkach klimaty. Gatunki mezofilne przewyższają liczebnie termofile, a ponadto są bardziej tolerancyjne na zmiany warunków środowiskowych niż termofile. Systemy mezofilne są zatem uważane za bardziej stabilne niż termofilne systemy trawienia. W przeciwieństwie do tego, podczas gdy termofilne systemy fermentacji są uważane za mniej stabilne, ich wkład energetyczny jest wyższy, przy czym więcej biogazu jest usuwane z materii organicznej w równym czasie. Podwyższone temperatury ułatwiają szybsze szybkości reakcji, a tym samym szybsze uzyski gazu. Praca w wyższych temperaturach umożliwia większą redukcję patogenów pofermentu. W krajach, w których przepisy, takie jak przepisy dotyczące produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego w Unii Europejskiej, wymagają, aby fermentat spełniał określone poziomy redukcji patogenów, może być korzystne stosowanie temperatur termofilnych zamiast mezofilnych.

Dodatkowa obróbka wstępna może być zastosowana w celu skrócenia czasu retencji niezbędnego do produkcji biogazu. Na przykład niektóre procesy rozdrabniają substraty w celu zwiększenia powierzchni lub wykorzystują etap wstępnej obróbki termicznej (takiej jak pasteryzacja), aby znacznie zwiększyć wydajność biogazu. Proces pasteryzacji można również wykorzystać do zmniejszenia stężenia patogenów w pofermencie opuszczającym komorę fermentacyjną beztlenową. Pasteryzację można osiągnąć przez obróbkę cieplną połączoną z maceracją części stałych.

Zawartość ciał stałych

W typowym scenariuszu trzy różne parametry operacyjne są związane z zawartością substancji stałych w surowcu w komorach fermentacyjnych:

  • Wysoka zawartość części stałych (suche podłoże do układania w stos)
  • Wysoka zawartość ciał stałych (mokre – pompowalne podłoże)
  • Niska zawartość ciał stałych (mokre – pompowalne podłoże)
Projekt biogazowni suchej/stałej fermentacji beztlenowej (AD)
Projekt biogazowni suchej/stałej fermentacji beztlenowej (AD)

Komory fermentacyjne o wysokiej zawartości części stałych (suche) są przeznaczone do przetwarzania materiałów o zawartości części stałych od 25 do 40%. W przeciwieństwie do komór fermentacyjnych na mokro, które przetwarzają szlam, które można pompować, komory fermentacyjne o wysokiej zawartości części stałych (substrat suchy – do układania w stos) są zaprojektowane do przetwarzania substratów stałych bez dodawania wody. Podstawowymi typami suchych komór fermentacyjnych są komory fermentacyjne z ciągłym pionowym przepływem tłokowym oraz komory fermentacyjne z tunelem wsadowym. Komory fermentacyjne z ciągłym pionowym przepływem tłokowym są pionowymi, cylindrycznymi zbiornikami, w których surowiec jest stale podawany do górnej części komory fermentacyjnej i spływa grawitacyjnie w dół podczas fermentacji. W okresowych komorach fermentacyjnych tunelowych surowiec jest umieszczany w komorach przypominających tunele z gazoszczelnymi drzwiami. W żadnym z tych podejść nie ma mieszania w komorze fermentacyjnej. Stopień obróbki wstępnej, takiej jak usuwanie zanieczyszczeń, zależy zarówno od charakteru przetwarzanych strumieni odpadów, jak i od pożądanej jakości fermentatu. Rozdrabnianie (mielenie) jest korzystne w ciągłych systemach pionowych, ponieważ przyspiesza rozkład, podczas gdy systemy wsadowe unikają rozdrabniania i zamiast tego wymagają struktury (np. odpadów na placu), aby zmniejszyć zagęszczenie ułożonego stosu. Ciągłe pionowe suche fermentatory zajmują mniejszą powierzchnię ze względu na krótszy efektywny czas retencji i pionową konstrukcję. Mokre komory fermentacyjne mogą być zaprojektowane do pracy przy wysokiej zawartości substancji stałych, przy stężeniu całkowitej zawiesiny (TSS) powyżej ~20% lub stężeniu o niskiej zawartości substancji stałych poniżej ~15%.

Komory fermentacyjne o wysokiej zawartości części stałych (mokre) przetwarzają gęstą gnojowicę, która wymaga większego wkładu energii do przemieszczania i przetwarzania surowca. Grubość materiału może również prowadzić do problemów związanych ze ścieraniem. Komory fermentacyjne o wysokiej zawartości substancji stałych będą zazwyczaj miały mniejsze zapotrzebowanie na grunty ze względu na mniejsze objętości związane z wilgocią. Komory fermentacyjne o wysokiej zawartości substancji stałych wymagają również korekty konwencjonalnych obliczeń wydajności (np. produkcja gazu, czas retencji, kinetyka, itp.), pierwotnie opartych na koncepcjach fermentacji ścieków o bardzo rozcieńczonej zawartości, ponieważ większe frakcje masy surowca mogą być potencjalnie przekształcane w biogaz.

Komory fermentacyjne o niskiej zawartości substancji stałych (mokre) mogą transportować materiał przez system za pomocą standardowych pomp, które wymagają znacznie mniejszego nakładu energii. Komory fermentacyjne o niskiej zawartości substancji stałych wymagają większej ilości ziemi niż o wysokiej zawartości substancji stałych ze względu na zwiększone objętości związane ze zwiększonym stosunkiem cieczy do surowca w komorach fermentacyjnych. Istnieją korzyści związane z pracą w środowisku płynnym, ponieważ umożliwia to dokładniejszy obieg materiałów i kontakt bakterii z pokarmem. Umożliwia to bakteriom łatwiejszy dostęp do substancji, którymi się żywią, i zwiększa tempo produkcji gazu.

Złożoność

Systemy fermentacyjne można konfigurować z różnymi poziomami złożoności. W jednostopniowym systemie fermentacji (jednostopniowym) wszystkie reakcje biologiczne zachodzą w pojedynczym, szczelnym reaktorze lub zbiorniku magazynowym. Zastosowanie jednego etapu zmniejsza koszty budowy, ale skutkuje mniejszą kontrolą reakcji zachodzących w systemie. Bakterie kwasogenne poprzez produkcję kwasów obniżają pH zbiornika. Bakterie metanogenne, jak wspomniano wcześniej, działają w ściśle określonym zakresie pH. Dlatego reakcje biologiczne różnych gatunków w jednostopniowym reaktorze mogą być ze sobą w bezpośredniej konkurencji. Innym jednoetapowym układem reakcyjnym jest laguna beztlenowa . Te laguny są podobnymi do stawów, ziemnymi basenami używanymi do obróbki i długotrwałego przechowywania obornika. Tutaj reakcje beztlenowe są zawarte w naturalnym osadzie beztlenowym zawartym w basenie.

W dwustopniowym systemie fermentacyjnym (wielostopniowym) różne naczynia fermentacyjne są zoptymalizowane, aby zapewnić maksymalną kontrolę nad społecznościami bakteryjnymi żyjącymi w komorach fermentacyjnych. Bakterie kwasogenne wytwarzają kwasy organiczne i rosną i rozmnażają się szybciej niż bakterie metanogenne. Bakterie metanogenne wymagają stabilnego pH i temperatury, aby zoptymalizować swoje działanie.

W typowych warunkach hydroliza, acetogeneza i kwasogeneza występują w pierwszym naczyniu reakcyjnym. Materiał organiczny jest następnie podgrzewany do wymaganej temperatury roboczej (albo mezofilnej lub termofilnej) przed przepompowaniem do reaktora metanogennego. Zbiorniki do wstępnej hydrolizy lub kwasogenezy przed reaktorem metanogennym mogą zapewnić bufor do szybkości, z jaką dodawany jest surowiec. Niektóre kraje europejskie wymagają podwyższonej obróbki cieplnej w celu zabicia szkodliwych bakterii w odpadach wejściowych. W takim przypadku może nastąpić etap pasteryzacji lub sterylizacji przed fermentacją lub między dwoma fermentorami. Warto zauważyć, że nie jest możliwe całkowite wyizolowanie różnych faz reakcji i często część biogazu jest wytwarzana w zbiornikach do hydrolizy lub kwasogenezy.

Czas pobytu

Czas przebywania w komorze fermentacyjnej zależy od ilości i rodzaju materiału paszowego oraz od konfiguracji systemu fermentacyjnego. W typowym dwuetapowym roztwarzaniu mezofilnym czas przebywania waha się od 15 do 40 dni, podczas gdy w przypadku jednoetapowego roztwarzania termofilnego czas przebywania jest zwykle krótszy i zajmuje około 14 dni. Charakterystyczna natura niektórych z tych systemów będzie oznaczać, że pełna degradacja materiału mogła nie zostać zrealizowana w tym czasie. W takim przypadku poferment opuszczający system będzie miał ciemniejszy kolor i zazwyczaj będzie miał więcej zapachu.

W przypadku beztlenowej fermentacji w płaszczu osadowym z przepływem w górę (UASB), hydrauliczne czasy przebywania mogą wynosić od 1 godziny do 1 dnia, a czasy retencji substancji stałych mogą wynosić do 90 dni. W ten sposób system UASB jest w stanie oddzielić cząstki stałe i czasy retencji hydraulicznej za pomocą kożucha osadowego. Komory ciągłe mają urządzenia mechaniczne lub hydrauliczne, w zależności od zawartości części stałych w materiale, do mieszania zawartości, umożliwiając kontakt bakterii i żywności. Pozwalają również na ciągłą ekstrakcję nadmiaru materiału, aby utrzymać w miarę stałą objętość w zbiornikach fermentacyjnych.

Zahamowanie

Po lewej: Farma fermentacyjna na kiszonkę do kukurydzy zlokalizowana w pobliżu Neumünster w Niemczech, 2007 - zielony, nadmuchiwany zbiornik na biogaz jest pokazany na górze komory fermentacyjnej. Po prawej: Dwuetapowy , nisko osadowy komponent rozkładu UASB systemu mechaniczno-biologicznego oczyszczania w pobliżu Tel Awiwu ; woda procesowa jest widoczna w zbiorniku wyrównawczym i sekwencyjnym reaktorze okresowym , 2005.

Proces fermentacji beztlenowej może być hamowany przez kilka związków, wpływających na jedną lub więcej grup bakterii odpowiedzialnych za różne etapy degradacji materii organicznej. Stopień hamowania zależy między innymi od stężenia inhibitora w warniku. Potencjalnymi inhibitorami są amoniak, siarczki, jony metali lekkich (Na, K, Mg, Ca, Al), metale ciężkie, niektóre związki organiczne (chlorofenole, chlorowcowane związki alifatyczne, N-podstawione związki aromatyczne, długołańcuchowe kwasy tłuszczowe) itp.

Surowce

Laguna beztlenowa i generatory w Cal Poly Dairy, Stany Zjednoczone

Najważniejszą kwestią początkową przy rozważaniu zastosowania systemów fermentacji beztlenowej jest surowiec do procesu. Prawie każdy materiał organiczny może być przetwarzany za pomocą fermentacji beztlenowej; jeśli jednak celem jest produkcja biogazu, poziom gnicia jest kluczowym czynnikiem w jego pomyślnym zastosowaniu. Im bardziej gnijący (strawny) materiał, tym wyższy możliwy uzysk gazu z systemu.

Surowce mogą obejmować biodegradowalne materiały odpadowe, takie jak makulatura, ścinki trawy, resztki żywności, ścieki i odchody zwierzęce. Woody odpady są wyjątkiem, ponieważ są one w dużej mierze nienaruszone przez trawienie, ponieważ większość beztlenowce są w stanie degradacji ligniny . Do rozkładania ligniny można stosować beztlenowce ksylofalge (konsumenci ligniny) lub stosując obróbkę wstępną w wysokiej temperaturze, taką jak piroliza. Fermentatory beztlenowe mogą być również zasilane specjalnie uprawianymi roślinami energetycznymi , takimi jak kiszonka , do dedykowanej produkcji biogazu. W Niemczech i Europie kontynentalnej instalacje te nazywane są biogazowniami. Zakład kofermentacji lub kofermentacji to zazwyczaj agrotechniczna komora fermentacji beztlenowej, która przyjmuje dwa lub więcej materiałów wejściowych do jednoczesnej fermentacji.

Czas potrzebny do fermentacji beztlenowej zależy od złożoności chemicznej materiału. Materiał bogaty w łatwo przyswajalne cukry ulega szybkiemu rozkładowi, podczas gdy nienaruszony materiał lignocelulozowy bogaty w celulozę i polimery hemicelulozowe może się rozkładać znacznie dłużej. Mikroorganizmy beztlenowe na ogół nie są w stanie rozłożyć ligniny, opornego aromatycznego składnika biomasy.

Komory beztlenowe zostały pierwotnie zaprojektowane do pracy z osadami ściekowymi i obornikiem. Ścieki i obornik nie są jednak materiałem o największym potencjale fermentacji beztlenowej, ponieważ materiał biodegradowalny został już pochłonięty przez zwierzęta, które go wyprodukowały. Dlatego wiele komór fermentacyjnych działa w oparciu o współfermentację dwóch lub więcej rodzajów surowców. Na przykład w fermentatorze opartym na gospodarstwie, który wykorzystuje nawóz mleczny jako podstawowy surowiec, produkcję gazu można znacznie zwiększyć poprzez dodanie drugiego surowca, np. trawy i kukurydzy (typowy surowiec w gospodarstwie) lub różnych organicznych produktów ubocznych, takich jak jako odpady z rzeźni, tłuszcze, oleje i tłuszcze z restauracji, organiczne odpady z gospodarstw domowych itp. (typowe surowce poza terenem zakładu).

Fermentatory przetwarzające dedykowane uprawy energetyczne mogą osiągnąć wysoki poziom degradacji i produkcji biogazu. Systemy wykorzystujące tylko gnojowicę są na ogół tańsze, ale generują znacznie mniej energii niż systemy wykorzystujące uprawy, takie jak kukurydza i kiszonka z trawy; przy użyciu niewielkiej ilości materiału roślinnego (30%), instalacja do fermentacji beztlenowej może zwiększyć wydajność energetyczną dziesięciokrotnie tylko przy trzykrotnym koszcie kapitałowym, w porównaniu z systemem opartym wyłącznie na gnojowicy.

Zawartość wilgoci

Drugim czynnikiem związanym z surowcem jest zawartość wilgoci. Suszone substraty, które można układać w stosy, takie jak odpady spożywcze i odpady ogrodowe, nadają się do fermentacji w komorach przypominających tunele. Systemy typu tunelowego zwykle mają również prawie zerowy zrzut ścieków, więc ten rodzaj systemu ma zalety, gdy zrzut cieczy fermentacyjnych jest obciążony. Im bardziej wilgotny materiał, tym bardziej nadaje się do obsługi za pomocą standardowych pomp zamiast energochłonnych pomp do betonu i fizycznych środków ruchu. Ponadto im bardziej wilgotny materiał, tym więcej objętości i powierzchni zajmuje w stosunku do poziomu wytworzonego gazu. Zawartość wilgoci w docelowym surowcu będzie również wpływać na rodzaj systemu zastosowanego do jego obróbki. Aby użyć beztlenowej komory fermentacyjnej o wysokiej zawartości części stałych do rozcieńczonych surowców, należy zastosować środki wypełniające, takie jak kompost, w celu zwiększenia zawartości części stałych w materiale wejściowym. Inną kluczową kwestią jest stosunek węgla do azotu w materiale wejściowym. Ten stosunek jest równowagą pokarmu, którego potrzebuje drobnoustrój do wzrostu; optymalny stosunek C:N wynosi 20-30:1. Nadmiar N może prowadzić do zahamowania trawienia amoniaku.

Zanieczyszczenie

Poziom zanieczyszczenia materiału wsadowego jest kluczowym czynnikiem przy stosowaniu rozkładu na mokro lub rozkładu z przepływem tłokowym.

Jeśli surowiec do komór fermentacyjnych zawiera znaczne ilości zanieczyszczeń fizycznych, takich jak plastik, szkło lub metale, dla użytego materiału wymagane będzie przetwarzanie w celu usunięcia zanieczyszczeń. Jeśli nie zostanie usunięty, warniki mogą zostać zablokowane i nie będą działać wydajnie. Ten problem zanieczyszczenia nie występuje w instalacjach do suchej fermentacji lub fermentacji beztlenowej w stanie stałym (SSAD), ponieważ SSAD obsługuje suchą, nadającą się do układania w stosy biomasę o wysokiej zawartości części stałych (40-60%) w gazoszczelnych komorach zwanych komorami fermentacyjnymi. Z takim zrozumieniem projektuje się mechaniczno-biologiczne oczyszczalnie ścieków. Im wyższy poziom wstępnej obróbki wymaga surowiec, tym więcej będzie potrzebnych maszyn do przetwarzania, a co za tym idzie, projekt będzie miał wyższe koszty kapitałowe. Krajowe Centrum Upraw Niespożywczych .

Po sortowaniu lub przesiewaniu w celu usunięcia wszelkich fizycznych zanieczyszczeń z surowca, materiał jest często rozdrabniany, mielony i mechanicznie lub hydraulicznie rozdrabniany w celu zwiększenia powierzchni dostępnej dla drobnoustrojów w komorach fermentacyjnych, a tym samym zwiększenia szybkości fermentacji. Macerację ciał stałych można osiągnąć za pomocą pompy rozdrabniającej w celu przeniesienia materiału wsadowego do hermetycznego komory fermentacyjnej, gdzie odbywa się obróbka beztlenowa.

Skład podłoża

Skład substratu jest głównym czynnikiem decydującym o wydajności metanu i szybkości produkcji metanu z fermentacji biomasy. Dostępne są techniki określania właściwości składu surowca, podczas gdy parametry, takie jak analiza substancji stałych, pierwiastkowych i organicznych, są ważne dla projektu i działania komory fermentacyjnej. Wydajność metanu można oszacować na podstawie składu pierwiastkowego substratu wraz z oszacowaniem jego podatności na rozkład (frakcja substratu, która jest przekształcana w biogaz w reaktorze). W celu przewidzenia składu biogazu (względnych frakcji metanu i dwutlenku węgla) konieczne jest oszacowanie podziału dwutlenku węgla pomiędzy fazę wodną i gazową, co wymaga dodatkowych informacji (temperatura reaktora, pH i skład substratu) oraz chemiczny model specjacji . Bezpośrednie pomiary potencjału biometanacji są również wykonywane przy użyciu wydzielania gazu lub nowszych testów grawimetrycznych.

Aplikacje

Schemat komory fermentacyjnej beztlenowej jako części systemu sanitarnego . Produkuje przefermentowaną gnojowicę ( fermentat ), którą można wykorzystać jako nawóz oraz biogaz, który można wykorzystać na energię.

Korzystanie z technologii fermentacji beztlenowej może przyczynić się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych na kilka kluczowych sposobów:

  • Zastąpienie paliw kopalnych
  • Zmniejszenie lub wyeliminowanie śladu energetycznego oczyszczalni ścieków
  • Ograniczenie emisji metanu ze składowisk
  • Wypieranie produkowanych przemysłowo nawozów chemicznych
  • Ograniczenie ruchów pojazdu
  • Zmniejszenie strat transportowych sieci elektrycznej
  • Zmniejszenie zużycia gazu LPG do gotowania
  • Ważny element inicjatyw Zero Waste .

Oczyszczanie ścieków i ścieków

Fermentatory beztlenowe w oczyszczalni ścieków . Gaz metanowy jest zarządzany poprzez spalanie w pochodni gazowej .

Fermentacja beztlenowa nadaje się szczególnie do materiałów organicznych i jest powszechnie stosowana do oczyszczania ścieków przemysłowych , ścieków i osadów ściekowych . Fermentacja beztlenowa, prosty proces, może znacznie zmniejszyć ilość materii organicznej, która w innym przypadku mogłaby zostać wyrzucona do morza, na wysypisko lub spalona w spalarniach .

Presja ze strony przepisów dotyczących ochrony środowiska dotyczących metod unieszkodliwiania odpadów stałych w krajach rozwiniętych zwiększyła zastosowanie fermentacji beztlenowej jako procesu zmniejszania objętości odpadów i generowania użytecznych produktów ubocznych. Może być wykorzystany do przetwarzania oddzielonej u źródła frakcji odpadów komunalnych lub alternatywnie w połączeniu z mechanicznymi systemami sortowania do przetwarzania resztkowych zmieszanych odpadów komunalnych. Obiekty te nazywane są mechaniczno-biologicznymi oczyszczalniami ścieków.

Gdyby gnijące odpady przetwarzane w beztlenowych komorach fermentacyjnych były składowane na składowisku, rozkładałyby się one naturalnie, a często w warunkach beztlenowych. W takim przypadku gaz ostatecznie ucieknie do atmosfery. Ponieważ metan jest około 20 razy silniejszym gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla, ma to znaczący negatywny wpływ na środowisko.

W krajach, które zbierają odpady z gospodarstw domowych, korzystanie z lokalnych zakładów fermentacji beztlenowej może pomóc w zmniejszeniu ilości odpadów, które wymagają transportu na scentralizowane składowiska lub spalarnie. To zmniejszone obciążenie transportu zmniejsza emisje dwutlenku węgla z pojazdów zbierających. Jeśli zlokalizowane zakłady fermentacji beztlenowej są wbudowane w elektryczną sieć dystrybucyjną, mogą pomóc w zmniejszeniu strat energii elektrycznej związanych z transportem energii elektrycznej przez sieć krajową.

Wytwarzanie energii

W krajach rozwijających się proste systemy fermentacji beztlenowej w gospodarstwie domowym i gospodarstwie rolnym oferują możliwość uzyskania taniej energii do gotowania i oświetlania. Od 1975 r. Chiny i Indie mają duże, wspierane przez rząd programy adaptacji małych biogazowni do użytku w gospodarstwie domowym do gotowania i oświetlenia. Obecnie projekty fermentacji beztlenowej w krajach rozwijających się mogą uzyskać wsparcie finansowe za pośrednictwem Mechanizmu Czystego Rozwoju ONZ, jeśli są w stanie wykazać, że zapewniają redukcję emisji dwutlenku węgla.

Metan i energia wytwarzane w zakładach fermentacji beztlenowej mogą być wykorzystane do zastąpienia energii pochodzącej z paliw kopalnych, a tym samym do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych , ponieważ węgiel w materiale biodegradowalnym jest częścią cyklu węglowego . Węgiel uwalniany do atmosfery w wyniku spalania biogazu został usunięty przez rośliny, aby mogły rosnąć w niedalekiej przeszłości, zwykle w ciągu ostatniej dekady, ale częściej w ostatnim sezonie wegetacyjnym. Jeśli rośliny odrosną, ponownie usuwając węgiel z atmosfery, system będzie neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla . W przeciwieństwie do tego węgiel zawarty w paliwach kopalnych od wielu milionów lat jest zatrzymywany w ziemi, a jego spalanie zwiększa ogólny poziom dwutlenku węgla w atmosferze.

Biogaz z oczyszczania osadów ściekowych jest czasem wykorzystywany do napędzania silnika gazowego do produkcji energii elektrycznej, której część lub całość może być wykorzystana do uruchomienia oczyszczalni ścieków. Część ciepła odpadowego z silnika jest następnie wykorzystywana do ogrzewania komory fermentacyjnej. Ciepło odpadowe na ogół wystarcza do podgrzania komory fermentacyjnej do wymaganych temperatur. Potencjał mocy z oczyszczalni ścieków jest ograniczony – w Wielkiej Brytanii jest ich łącznie około 80 MW, z potencjałem wzrostu do 150 MW, co jest nieznaczne w porównaniu ze średnim zapotrzebowaniem na moc w Wielkiej Brytanii wynoszącym około 35 000 MW. Zakres wytwarzania biogazu z nieściekowej materii biologicznej – roślin energetycznych, odpadów spożywczych, odpadów z rzeźni itp. – jest znacznie wyższy i szacuje się, że jego moc wynosi około 3000 MW. Oczekuje się, że biogazownie wykorzystujące farmę upraw odpadów pochodzenia zwierzęcego i energii, aby przyczynić się do zmniejszenia emisji CO 2 emisji i wzmocnienia sieci, zapewniając jednocześnie rolnikom w Wielkiej Brytanii z dodatkowych przychodów.

Niektóre kraje oferują zachęty w postaci np. taryf gwarantowanych za dostarczanie energii elektrycznej do sieci elektroenergetycznej w celu dotowania produkcji zielonej energii.

W Oakland w Kalifornii w głównej oczyszczalni ścieków East Bay Municipal Utility District (EBMUD) odpady żywnościowe są obecnie kofermentowane z pierwotnymi i wtórnymi stałymi ściekami komunalnymi i innymi odpadami o wysokiej wytrzymałości. W porównaniu z samą fermentacją stałych ścieków komunalnych, współfermentacja odpadów spożywczych ma wiele zalet. Fermentacja beztlenowa miazgi odpadów spożywczych z procesu EBMUD zapewnia wyższą znormalizowaną korzyść energetyczną w porównaniu ze stałymi odpadami komunalnymi: 730 do 1300 kWh na suchą tonę zastosowanych odpadów spożywczych w porównaniu do 560 do 940 kWh na suchą tonę zastosowanych odpadów komunalnych .

Wstrzykiwanie siatki

Zatłaczanie biogazu do sieci polega na wtłaczaniu biogazu do sieci gazu ziemnego . Surowy biogaz musi być wcześniej uaktualniony do biometanu. To ulepszanie pociąga za sobą usunięcie zanieczyszczeń, takich jak siarkowodór lub siloksany, jak również dwutlenek węgla. W tym celu dostępnych jest kilka technologii, z których najszerzej wdrażane są adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA) , płukanie wodą lub aminami (procesy absorpcji) oraz, w ostatnich latach, separacja membranowa . Alternatywnie energia elektryczna i ciepło mogą być wykorzystywane do wytwarzania na miejscu , co skutkuje zmniejszeniem strat w transporcie energii. Typowe straty energii w systemach przesyłowych gazu ziemnego wahają się w granicach 1-2%, natomiast straty energii prądu na dużym systemie elektrycznym wahają się w granicach 5-8%.

W październiku 2010 r. firma Didcot Sewage Works jako pierwsza w Wielkiej Brytanii wyprodukowała gaz biometanowy dostarczany do sieci krajowej do użytku nawet w 200 domach w hrabstwie Oxfordshire . Do 2017 r. brytyjska firma energetyczna Ecotricity planuje mieć komorę fermentacyjną zasilaną z lokalnie pozyskiwanej trawy, która zasila 6000 domów

Paliwo samochodowe

Po uszlachetnieniu w/w technologiami biogaz (przekształcony w biometan) może być wykorzystany jako paliwo samochodowe w przystosowanych pojazdach. Wykorzystanie to jest bardzo rozległe w Szwecji, gdzie istnieje ponad 38 600 pojazdów napędzanych gazem, a 60% gazu samochodowego to biometan wytwarzany w zakładach fermentacji beztlenowej.

Nawóz i odżywka do gleby

Stały, włóknisty składnik przefermentowanego materiału może być stosowany jako środek kondycjonujący glebę w celu zwiększenia zawartości organicznej gleby. Likier pofermentacyjny może być używany jako nawóz dostarczający ważne składniki odżywcze do gleby zamiast nawozów chemicznych, których produkcja i transport wymagają dużych ilości energii. Stosowanie wytworzonych nawozów jest zatem bardziej emisyjne niż stosowanie nawozu w płynie z fermentacji beztlenowej. W krajach takich jak Hiszpania , gdzie wiele gleb jest zubożonych organicznie, rynki przefermentowanych ciał stałych mogą być równie ważne jak biogaz.

Gaz do gotowania

Dzięki zastosowaniu biofermentatora , który wytwarza bakterie potrzebne do rozkładu, generowany jest gaz do gotowania. Odpady organiczne, takie jak opadłe liście, odpady kuchenne, resztki żywności itp. są podawane do kruszarki, gdzie są mieszane z niewielką ilością wody. Mieszanina jest następnie podawana do biofermentatora, gdzie bakterie rozkładają ją na gaz do gotowania. Ten gaz jest podłączony do pieca kuchennego. Biofermentator o pojemności 2 metrów sześciennych może wytworzyć 2 metry sześcienne gazu do gotowania. Odpowiada to 1 kg LPG. Wymierną zaletą stosowania biofermentatora jest osad, który jest bogatym nawozem organicznym.

Produkty

Trzy główne produkty fermentacji beztlenowej to biogaz, poferment i woda.

Biogaz

Typowy skład biogazu
Pogarszać Formuła %
Metan CH
4
50–75
Dwutlenek węgla WSPÓŁ
2
25-50
Azot n
2
0–10
Wodór h
2
0–1
Siarkowodór h
2
S
0–3
Tlen O
2
0–0
Źródło: www.kolumbus.fi, 2007
Pojemnik na biogaz z odgromnikami i zapasową flarą gazową
Rury do transportu biogazu

Biogaz jest ostatecznym produktem odpadowym bakterii karmiących się wejściowym surowcem biodegradowalnym ( etap metanogenezy fermentacji beztlenowej jest przeprowadzany przez archeony , mikroorganizm na wyraźnie innej gałęzi filogenetycznego drzewa życia niż bakterie) i jest głównie metanem i dwutlenek węgla z niewielką ilością wodoru i śladowymi ilościami siarkowodoru. (Po produkcji biogaz zawiera również parę wodną, ​​przy czym ułamkowa objętość pary wodnej jest funkcją temperatury biogazu). Większość biogazu jest wytwarzana w połowie procesu trawienia, po wzroście populacji bakterii i zmniejsza się wraz z wyczerpywaniem się materiału gnilnego. Gaz jest zwykle przechowywany na górze komory fermentacyjnej w nadmuchiwanym bańce gazowej lub wydobywany i przechowywany obok obiektu w zbiorniku gazowym.

Metan zawarty w biogazie może być spalany w celu wytworzenia zarówno ciepła, jak i energii elektrycznej, zwykle za pomocą silnika tłokowego lub mikroturbiny, często w układzie kogeneracyjnym , gdzie wytworzona energia elektryczna i ciepło odpadowe są wykorzystywane do ogrzewania komór fermentacyjnych lub do ogrzewania budynków. Nadmiar energii elektrycznej można sprzedać dostawcom lub wprowadzić do lokalnej sieci. Energia elektryczna produkowana w beztlenowych komorach fermentacyjnych jest uważana za energię odnawialną i może wiązać się z dotacjami. Biogaz nie przyczynia się do wzrostu stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, ponieważ gaz nie jest uwalniany bezpośrednio do atmosfery, a dwutlenek węgla pochodzi ze źródła organicznego o krótkim obiegu węgla.

Biogaz może wymagać przetworzenia lub „oczyszczenia” w celu uszlachetnienia go do wykorzystania jako paliwo. Siarkowodór , toksyczny produkt powstający z siarczanów w surowcu, jest uwalniany jako śladowy składnik biogazu. Krajowe agencje ochrony środowiska, takie jak US Environmental Protection Agency lub English and Welsh Environment Agency , nakładają ścisłe ograniczenia na poziomy gazów zawierających siarkowodór, a jeśli poziom siarkowodoru w gazie jest wysoki, płukanie i czyszczenie gazu potrzebne będą urządzenia (takie jak obróbka gazu aminowego ) do przetwarzania biogazu do poziomu regionalnie akceptowanego. Alternatywnie, dodanie chlorku żelazowego FeCl 2 do wytwarzania siarkowodoru w zbiornikach Trawienie hamuje.

Lotne siloksany mogą również zanieczyszczać biogaz; takie związki są często znajdowane w odpadach domowych i ściekach. W zakładach fermentacyjnych przyjmujących te materiały jako składnik wsadu, siloksany o niskiej masie cząsteczkowej ulatniają się do biogazu. Gdy gaz ten jest spalany w silniku gazowym, turbinie lub kotle, siloksany są przekształcane w dwutlenek krzemu (SiO 2 ), który osadza się wewnątrz maszyny, zwiększając zużycie. Obecnie dostępne są praktyczne i opłacalne technologie usuwania siloksanów i innych zanieczyszczeń biogazowych. W niektórych zastosowaniach obróbkę in situ można zastosować w celu zwiększenia czystości metanu poprzez zmniejszenie zawartości dwutlenku węgla w gazie odlotowym, usuwając większość z niego w reaktorze wtórnym.

W krajach takich jak Szwajcaria, Niemcy i Szwecja metan zawarty w biogazie może być sprężony w celu wykorzystania go jako paliwa do transportu pojazdów lub wprowadzenia bezpośrednio do sieci gazowej. W krajach, w których czynnikiem decydującym o wykorzystaniu fermentacji beztlenowej są dotacje na energię elektryczną ze źródeł odnawialnych, ta droga przetwarzania jest mniej prawdopodobna, ponieważ energia jest wymagana na tym etapie przetwarzania i zmniejsza ogólne poziomy dostępne do sprzedaży.

poferment

Fermentat to stałe pozostałości pierwotnego materiału wejściowego do komór fermentacyjnych, których mikroorganizmy nie mogą wykorzystać. Składa się również ze zmineralizowanych pozostałości martwych bakterii z komór fermentacyjnych. Poferment może występować w trzech postaciach: włóknistej, ługowej lub będącej połączeniem dwóch frakcji na bazie osadu. W systemach dwustopniowych różne formy pofermentu pochodzą z różnych zbiorników fermentacyjnych. W jednostopniowych systemach fermentacji obie frakcje zostaną połączone i, jeśli to pożądane, rozdzielone przez dalsze przetwarzanie.

Kwasowy poferment beztlenowy

Drugi produkt uboczny (poferment kwasotwórczy) to stabilny, organiczny materiał składający się głównie z ligniny i celulozy, ale także z różnych składników mineralnych w matrycy martwych komórek bakteryjnych; może być obecny trochę plastiku. Materiał przypomina kompost domowy i może być używany jako taki lub do wytwarzania niskogatunkowych wyrobów budowlanych, takich jak płyta pilśniowa. Stały poferment może być również wykorzystany jako surowiec do produkcji etanolu.

Trzecim produktem ubocznym jest ciecz (poferment metanogenny) bogata w składniki odżywcze, którą można wykorzystać jako nawóz, w zależności od jakości przetworzonego materiału. Poziomy potencjalnie toksycznych pierwiastków (PTE) powinny być ocenione chemicznie. Będzie to zależeć od jakości oryginalnego surowca. W przypadku większości czystych i segregowanych strumieni odpadów biodegradowalnych poziomy PTE będą niskie. W przypadku odpadów pochodzących z przemysłu poziomy PTE mogą być wyższe i będą musiały zostać wzięte pod uwagę przy określaniu odpowiedniego końcowego zastosowania materiału.

Poferment zazwyczaj zawiera elementy, takie jak lignina, które nie są rozkładane przez mikroorganizmy beztlenowe. Poferment może również zawierać amoniak, który jest fitotoksyczny i może hamować wzrost roślin, jeśli jest stosowany jako materiał poprawiający jakość gleby. Z tych dwóch powodów po trawieniu można zastosować etap dojrzewania lub kompostowania. Lignina i inne materiały są dostępne do degradacji przez mikroorganizmy tlenowe, takie jak grzyby, pomagając zmniejszyć całkowitą objętość materiału do transportu. Podczas tego dojrzewania amoniak zostanie utleniony do azotanów, poprawiając żyzność materiału i czyniąc go bardziej przydatnym jako polepszacz gleby. Duże etapy kompostowania są zwykle stosowane w technologiach suchej fermentacji beztlenowej.

Ścieki

Ostatecznym produktem z systemów fermentacji beztlenowej jest woda, która pochodzi zarówno z zawartości wilgoci w pierwotnych oczyszczonych odpadach, jak i wody wytworzonej podczas reakcji mikrobiologicznych w systemach fermentacji. Woda ta może być uwolniona z odwadniania fermentatu lub może być domyślnie oddzielona od fermentatu.

Ścieki opuszczające zakład fermentacji beztlenowej będą zazwyczaj miały podwyższone poziomy biochemicznego zapotrzebowania na tlen (BZT) i chemicznego zapotrzebowania na tlen (COD). Te miary reaktywności ścieków wskazują na zdolność do zanieczyszczania. Niektóre z tych materiałów są określane jako „twarde ChZT”, co oznacza, że ​​bakterie beztlenowe nie mają do nich dostępu w celu przekształcenia ich w biogaz. Gdyby ścieki te trafiały bezpośrednio do cieków wodnych, wpłynęłoby to negatywnie na nie, powodując eutrofizację . W związku z tym często wymagane jest dalsze oczyszczanie ścieków. Ta obróbka będzie zwykle etapem utleniania, w którym powietrze jest przepuszczane przez wodę w sekwencyjnych reaktorach okresowych lub jednostce odwróconej osmozy .

Historia

Gazowa lampa uliczna

Historia fermentacji beztlenowej jest długa, zaczyna się już w X wieku p.n.e. w Asyrii, gdzie do podgrzewania wody do kąpieli używano biogazu . Zgłoszone zainteresowanie naukowe wytwarzaniem gazu wytwarzanego przez naturalny rozkład materii organicznej datuje się na XVII wiek, kiedy Robert Boyle (1627-1691) i Stephen Hales (1677-1761) zauważyli, że zakłócając osady strumieni i jezior uwalniają łatwopalny gaz . W 1778 roku włoski fizyk Alessandro Volta (1745-1827), ojciec elektrochemii , naukowo zidentyfikował ten gaz jako metan .

W 1808 r. Sir Humphry Davy udowodnił obecność metanu w gazach wytwarzanych przez odchody bydlęce . Pierwsza znana komora fermentacji beztlenowej została zbudowana w 1859 roku w kolonii trędowatych w Bombaju w Indiach . W 1895 roku, technologia została opracowana w Exeter , w Anglii , gdzie szambo został użyty do generowania gazu w lampie gaz kanalizacja destructor , rodzaj oświetlenia gazowego . Również w Anglii, w 1904 roku, w Hampton w Londynie zainstalowano pierwszy dwufunkcyjny zbiornik do sedymentacji i przeróbki osadów .

Zbiornik Imhoffa

Na początku XX wieku systemy fermentacji beztlenowej zaczęły przypominać technologię, jaka wygląda dzisiaj. W 1906 roku Karl Imhoff stworzył czołg Imhoff ; wczesna forma beztlenowej komory fermentacyjnej i modelowego systemu oczyszczania ścieków na początku XX wieku. Po 1920 r. systemy zamkniętych zbiorników zaczęły zastępować dotychczas powszechnie stosowane laguny beztlenowe – przykryte gliniane baseny używane do oczyszczania lotnych ciał stałych. Badania nad fermentacją beztlenową rozpoczęły się na dobre w latach 30. XX wieku.

Mniej więcej w czasie I wojny światowej produkcja biopaliw spadła wraz ze wzrostem produkcji ropy naftowej i zidentyfikowaniem jej zastosowań. Podczas gdy niedobory paliwa podczas II wojny światowej ponownie spopularyzowały fermentację beztlenową, zainteresowanie tą technologią ponownie spadło po zakończeniu wojny. Podobnie kryzys energetyczny lat 70. wywołał zainteresowanie fermentacją beztlenową. Oprócz wysokich cen energii, czynniki wpływające na przyjęcie systemów fermentacji beztlenowej obejmują otwartość na innowacje, kary za zanieczyszczenie, zachęty polityczne oraz dostępność dotacji i możliwości finansowania.

Obecnie obok gospodarstw rolnych często znajdują się komory fermentacyjne beztlenowe, które ograniczają spływ azotu z obornika, lub oczyszczalnie ścieków, aby zmniejszyć koszty usuwania osadów. Rolnicza fermentacja beztlenowa do produkcji energii stała się najbardziej popularna w Niemczech, gdzie w 2014 r. istniało 8625 komór fermentacyjnych. W Wielkiej Brytanii do 2014 r. istniało 259 obiektów, a do 2019 r. zaplanowano uruchomienie 500 projektów. 191 działających zakładów w 34 stanach w 2012 r. Polityka może wyjaśniać, dlaczego wskaźniki przyjęcia są tak różne w tych krajach.

Taryfy gwarantowane w Niemczech zostały wprowadzone w 1991 r., znane również jako FIT, i zapewniają długoterminowe kontrakty rekompensujące inwestycje w wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych. W rezultacie w latach 1991-1998 liczba beztlenowych instalacji fermentacyjnych w Niemczech wzrosła z 20 do 517. Pod koniec lat 90. ceny energii w Niemczech były zróżnicowane, a inwestorzy nie byli pewni potencjału rynku. Niemiecki rząd odpowiedział, zmieniając FIT czterokrotnie w latach 2000-2011, zwiększając taryfy i poprawiając rentowność fermentacji beztlenowej, co skutkuje niezawodnymi zwrotami z produkcji biogazu i stałym wysokim wskaźnikiem przyjęcia w całym kraju.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki