A metános fermentáció (néha helytelenül anaerob fermentációnak nevezik más módon ) a szerves anyagok biológiai lebontásának folyamata szabad metán felszabadulásával .
Szerves vegyületek + H 2 O → CH 4 + CO 2 + C 5 H 7 NO 2 + NH 4 + HCO 3 .
A biomasszában található szerves vegyületek ( fehérjék , szénhidrátok , zsírok ) hidrolitikus enzimek hatására a legegyszerűbb szerves vegyületekké ( aminosavak , cukrok , zsírsavak ) kezdenek bomlani . Ezt a szakaszt hidrolízisnek nevezik , és acetogén baktériumok hatására megy végbe . A második szakaszban a legegyszerűbb szerves vegyületek hidrolitikus oxidációja megy végbe heteroacetogén baktériumok hatására , ami acetátot , szén-dioxidot és szabad hidrogént eredményez . A szerves vegyületek másik része a 2. szakaszban kapott acetáttal C 1 vegyületeket (a legegyszerűbb szerves savakat) képez. A kapott anyagok táptalajt képeznek a 3. stádiumú metánképző baktériumok számára. A 3. szakasz két különböző baktériumcsoport által okozott folyamaton megy keresztül. Ez a két baktériumcsoport a 2. szakasz tápvegyületeit metánná CH 4 -é , vízzé H 2 O -vá és szén-dioxiddá alakítja [1] .
A folyamat a bakteriális biomasszában megy végbe, és magában foglalja az összetett szerves vegyületek – poliszacharidok, zsírok és fehérjék – metánná CH 4 -vé és szén-monoxiddá CO (4) átalakulását.
A baktériumokat táplálkozási szükségleteik szerint három típusra osztják:
Az anaerob emésztőrendszerek használatának mérlegelésekor a legfontosabb kiindulópont a folyamat nyersanyaga. Szinte bármilyen szerves anyag újrahasznosítható anaerob lebontással [2] ; ha azonban biogáz előállítása a cél, akkor a bomlás mértéke kulcsfontosságú tényező a sikeres alkalmazásban [3] . Minél rothább (emészthető) anyag, annál nagyobb a gázkibocsátás a rendszerből.
A nyersanyagok közé tartozhatnak a biológiailag lebomló hulladékok, például papírhulladék, levágott fű, ételmaradék, szennyvíz és állati hulladék [4] . A fahulladék kivétel, mivel nagyrészt emésztetlen, mivel a legtöbb anaerob nem képes lebontani a lignint . A lignin lebontására xilofalgikus anaerobokat (ligninfogyasztókat) lehet alkalmazni, vagy magas hőmérsékletű előkezelést, például pirolízist lehet alkalmazni. Az anaerob rothasztók speciálisan termesztett energianövényekkel , például szilázssal is táplálhatók speciális biogáz-termelés céljából. Németországban és a kontinentális Európában ezeket az üzemeket "biogázüzemeknek" nevezik. A kofermentáló üzem jellemzően mezőgazdasági anaerob reaktor, amely két vagy több alapanyagot fogad be egyidejű emésztésre [5] .
Az anaerob emésztéshez szükséges idő az anyag kémiai összetettségétől függ. A könnyen emészthető cukrokban gazdag anyag gyorsan lebomlik, míg az érintetlen, cellulózban és hemicellulóz polimerekben gazdag lignocellulóz anyag lebomlása sokkal tovább tart [6] . Az anaerob mikroorganizmusok általában nem képesek lebontani a lignint, a biomassza ellenszegült aromás összetevőjét [7] .
Az anaerob reaktorokat eredetileg szennyvíziszap és trágya kezelésére tervezték. A szennyvíz és a trágya azonban nem a legnagyobb potenciállal rendelkező anyag az anaerob emésztésre, mivel a biológiailag lebomló anyagok már a legtöbb energiát felszívják az azt előállító állatok által. Ezért sok emésztő két vagy több nyersanyag emésztésével működik. Például a tejtrágyát fő alapanyagként használó mezőgazdasági rothasztóban [8] a gáztermelés nagymértékben növelhető egy második alapanyag, például fű és kukorica (tipikus mezőgazdasági alapanyag), vagy különféle szerves melléktermékek, például vágóhídi hulladék hozzáadásával. , éttermekből származó zsírok, olajok és zsírok, szerves háztartási hulladék stb. [9]
Az izolált energianövényeket feldolgozó emésztőgépek magas szintű lebomlást és biogáztermelést érhetnek el [10] [11] [12] . A csak hígtrágyát használó rendszerek általában olcsóbbak, de sokkal kevesebb energiát termelnek, mint azok, amelyek olyan növényeket használnak, mint a kukorica és a fűszilázs; kis mennyiségű növényi anyag (30%) felhasználásával egy anaerob rothasztó üzem tízszeresére növelheti az energiatermelést, és csak háromszorosára növelheti a csak zagyos rendszer tőkeköltségét [13] .
A második, az alapanyaggal kapcsolatos kérdés a nedvességtartalom. A szárító, egymásra rakható szubsztrátumok, mint például az élelmiszerek és a kerti hulladékok alkalmasak alagútszerű kamrákban történő emésztésre. Az alagútrendszerek jellemzően közel nulla szennyvízkibocsátással is rendelkeznek, így ennek a rendszernek megvannak az előnyei, ahol az emésztőfolyadékok kibocsátása akadályt jelent. Minél nedvesebb az anyag, annál alkalmasabb lesz az energiaigényes betonszivattyúk és fizikai járművek helyett szabványos szivattyúkkal történő kezelésre. Ezenkívül minél nedvesebb az anyag, annál nagyobb térfogatot és területet foglal el a termelt gáz mennyiségéhez képest. A megcélzott alapanyag nedvességtartalma azt is befolyásolja, hogy milyen típusú rendszert használnak a feldolgozásához. A nagy szárazanyag-tartalmú anaerob rothasztó használatához az alapanyag hígításához töltőanyagokat, például komposztot kell alkalmazni az alapanyag szilárdanyag-tartalmának növelésére [14] . Egy másik kulcsfontosságú tényező a nyersanyag szén-nitrogén aránya. Ez az arány a mikroba növekedéséhez szükséges táplálék egyensúlya; az optimális C:N arány 20-30:1 [15] . A túlzott nitrogén az ammónia gátlásához vezethet az emésztésben [11] .
Az alapanyag szennyezettségének mértéke kulcsfontosságú tényező a nedves emésztés vagy a parafa emésztés alkalmazásakor.
Ha a rothasztó nyersanyaga jelentős mennyiségű fizikai szennyeződést, például műanyagot, üveget vagy fémeket tartalmaz, akkor az anyag felhasználásához a szennyeződések eltávolítására irányuló feldolgozásra lesz szükség [16] . Ha nem távolítja el, a rothasztók eltömődhetnek, és nem működnek hatékonyan. Ez a szennyeződési probléma nem merül fel a növények száraz emésztésében vagy szilárd állapotú anaerob emésztésében (SSAD), mivel az SSAD száraz, egymásra rakható biomasszát dolgoz fel magas (40-60%) szilárdanyag-tartalommal gáztömör kamrákban, úgynevezett fermentor boxokban [17] . A mechanikus biológiai tisztítóberendezések ezen ismerete alapján készülnek. Minél magasabb az alapanyag előkezelés szintje, annál több feldolgozó berendezésre lesz szükség, és ennélfogva a projektnek nagyobb a tőkeköltsége [18] .
A válogatás vagy szűrés után, hogy eltávolítsák az alapanyagból a fizikai szennyeződéseket, az anyagot gyakran összezúzzák, őrlik és mechanikusan vagy hidraulikusan porítják, hogy növeljék a mikrobák számára elérhető felületet a rothasztókban, és ezáltal növeljék az emésztés sebességét. A szilárd anyagok macerálása úgy valósítható meg, hogy egy darálószivattyúval a nyersanyagot egy zárt rothasztóba szállítják, ahol anaerob kezelés történik.
A szubsztrát összetétele a fő tényező, amely meghatározza a metán hozamát és a metántermelés sebességét a biomassza emésztése során. Léteznek módszerek a nyersanyag összetételi jellemzőinek meghatározására, míg az olyan paraméterek, mint a szilárdanyag-, elem- és szervesanyag-elemzések fontosak a rothasztó tervezése és működése szempontjából [19] . A metán hozama megbecsülhető a szubsztrát elemi összetételéből, valamint lebonthatóságának becsléséből (a szubsztrátnak a reaktorban biogázzá alakuló aránya) [20] . A biogáz összetételének (a metán és a szén-dioxid relatív aránya) előrejelzéséhez meg kell becsülni a szén-dioxid eloszlását a víz- és gázfázis között, amihez további információkra (reaktorhőmérséklet, pH és szubsztrát összetétel) és modellre van szükség. kémiai specifikáció [21] . A biometanizációs potenciál közvetlen mérését gázkibocsátási vagy újabb gravimetriás elemzések segítségével is végezzük [22] .
Az anaerob lebontási technológiák használata számos kulcsfontosságú módon segíthet csökkenteni az üvegházhatású gázok kibocsátását:
Az anaerob rothasztás különösen alkalmas szerves anyagok esetében, és általában ipari szennyvíz, szennyvíz és szennyvíziszap kezelésére használják [24] . Az anaerob lebontással, egy egyszerű eljárással jelentősen csökkenthető az egyébként a tengerbe kerülő szerves anyag mennyisége [ 25] , hulladéklerakóban vagy elégetve [26] .
A környezetvédelmi jogszabályok által a szilárdhulladék- ártalmatlanítási gyakorlatokra nehezedő nyomás a fejlett országokban az anaerob lebontás, mint a hulladék csökkentését és a hasznos melléktermékek előállítását szolgáló folyamat növekedéséhez vezetett. Használható a települési hulladék forrás szerinti elkülönített frakciójának feldolgozására, vagy mechanikus válogatórendszerekkel kombinálva a maradék vegyes települési hulladék feldolgozására. Ezeket a létesítményeket mechanikus biológiai tisztítótelepeknek [27] [28] [29] nevezik .
Ha az anaerob reaktorokban feldolgozott rothadó hulladékot lerakóba dobják, az természetesen és gyakran anaerob módon bomlik le. Ebben az esetben a gáz végül a légkörbe kerül. Mivel a metán körülbelül 20-szor erősebb üvegházhatású gázként , mint a szén-dioxid, jelentős negatív hatással van a környezetre [30] .
A háztartási hulladékot gyűjtő országokban a helyi anaerob rothasztó üzemek használata segíthet csökkenteni a központosított hulladéklerakókba vagy égetőkbe szállítandó hulladék mennyiségét. Ez a csökkentett szállítási terhelés csökkenti a készpénzes szállító járművek szénlábnyomát. Ha helyi anaerob rothasztó üzemeket építenek be az elektromos elosztó hálózatba, akkor ezek segíthetnek csökkenteni a villamos energia országos hálózaton történő szállításával összefüggő elektromos veszteségeket [31] .
A fejlődő országokban az egyszerű otthoni és gazdaságos anaerob rothasztórendszerek alacsony költségű energiát biztosítanak a főzéshez és a világításhoz [32] [33] [34] [35] . 1975 óta Kínában és Indiában nagy, kormány által támogatott rendszerek működnek a kis biogázüzemek háztartási főzésre és világításra való adaptálására. A fejlődő országokban zajló anaerob lebontási projektek jelenleg pénzügyi támogatásra jogosultak az Egyesült Nemzetek Tiszta Fejlesztési Mechanizmusán keresztül , ha kimutatható, hogy csökkentik a szén-dioxid-kibocsátást [36] .
Az anaerob rothasztó üzemekben termelt metán és energia felhasználható a fosszilis tüzelőanyagokból származó energia helyettesítésére, és ezáltal csökkenthető az üvegházhatású gázok kibocsátása, mivel a biológiailag lebomló anyagokban lévő szén a szénciklus része . A biogáz égetése során a légkörbe kibocsátott szenet a növények növekedésük érdekében a közelmúltban távolították el, általában az elmúlt évtizedben, de leggyakrabban az utolsó vegetációs időszakban. Ha a növények újranövekednek, és ismét szenet vonnak el a légkörből, a rendszer szénsemleges lesz [4] [36] . Éppen ellenkezőleg, a fosszilis tüzelőanyagokban található szén sok millió évig raktározódik a földben, aminek elégetése megnöveli a légkör szén-dioxid-tartalmát.
A szennyvíziszap kezeléséből származó biogázt néha gázmotorok működtetésére használják villamos energia előállítására, amelynek egy része vagy egésze felhasználható csatornaművek működtetésére [37] . A motor hulladékhőjének egy részét ezután a rothasztó fűtésére használják fel. A hulladékhő általában elegendő ahhoz, hogy az emésztőt a kívánt hőmérsékletre melegítse. A csatornázási létesítmények energiapotenciálja korlátozott – az Egyesült Királyságban csak körülbelül 80 MW van ilyen termelésben, ami 150 MW-ra nőhet, ami elenyésző az Egyesült Királyság körülbelül 35 000 MW-os átlagos villamosenergia-igényéhez képest. A kezeletlen biológiai hulladékból - energianövényekből, élelmiszer-hulladékból, vágóhídi hulladékból stb. - termelt biogáz mennyisége jóval nagyobb, becslések szerint körülbelül 3000 MW lehet. várható, hogy az állati hulladékot és energianövényeket használó mezőgazdasági biogázüzemek hozzájárulnak a CO 2 -kibocsátás csökkentéséhez és a hálózat megerősítéséhez, miközben a brit gazdálkodóknak többletbevételt biztosítanak [38] .
Egyes országok átvételi tarifák formájában kínálnak ösztönzőket, például a zöldenergia-termelés támogatására [4] [39] .
A kaliforniai Oaklandben az East Bay Municipal Area Main Treatment Plant (EBMUD) jelenleg az élelmiszer-hulladékot az elsődleges és másodlagos települési szennyvíz szilárd anyagokkal és más nagy szilárdságú hulladékkal együtt emészti fel. A települési szennyvíz szilárd anyagának pusztán emésztéséhez képest az élelmiszer-hulladék együttes emésztésének számos előnye van. Az élelmiszer-hulladék pép anaerob lebontása az EBMUD élelmiszer-hulladék előállítási folyamatban magasabb normalizált energiahasznot biztosít a települési szennyvíz szilárd anyagokhoz képest: 730-1300 kWh/tonna élelmiszer-hulladék, szemben 560-940 kWh/száraz tonna települési szennyvíz-szilárdanyag . 40] [41] .
A biogáz-hálózati befecskendezés biogáz besajtolása egy földgázhálózatba [36] . A nyers biogázt előzetesen biometánra kell fejleszteni. Ez a korszerűsítés magában foglalja a szennyező anyagok, például a hidrogén-szulfid vagy a sziloxánok, valamint a szén-dioxid eltávolítását. Számos technológia létezik erre a célra, amelyeket legszélesebb körben olyan területeken alkalmaznak, mint a nyomás alatti adszorpció (PSA), a víz- vagy amintisztítás (abszorpciós eljárások), illetve az utóbbi években a membránszeparáció [42] . Alternatív megoldásként villamos energiát és hőt is fel lehet használni villamosenergia-termelésre a helyszínen, ami alacsonyabb energiaátviteli veszteséget eredményez [36] . A tipikus energiaveszteség a földgázszállító rendszerekben 1-2%, míg egy nagy elektromos rendszerben az áramveszteség 5-8% között mozog [43] .
2010 októberében a Didcot csatornamű lett az Egyesült Királyság első biometángyártója, amelyet a nemzeti hálózatba szállítottak 200 oxfordshire -i otthon felhasználására [44] .
A fenti technológiákkal történő korszerűsítést követően a biogáz (biometánná alakítva) felhasználható gépjárművek üzemanyagaként. Ez a felhasználás nagyon elterjedt Svédországban, ahol több mint 38 600 gázüzemű jármű van, és a járműgázok 60%-a az anaerob rothasztó üzemekben előállított biometán [2] .
Az emésztett anyag kemény, rostos komponense talajjavítóként használható a talajok szervesanyag-tartalmának növelésére. Az emésztőlúg műtrágyaként használható a talaj létfontosságú tápanyagokkal való ellátására a műtrágyák helyett, amelyek előállítása és szállítása sok energiát igényel. Ezért az ipari műtrágyák használata szén-dioxid-intenzívebb, mint az anaerob reaktorban alkalmazott lúgos műtrágya használata. Az olyan országokban, mint Spanyolország , ahol sok talaj szervesen kimerült, a lebontott szilárd anyagok piaca ugyanolyan fontos lehet, mint a biogáz [45] .
A lebontáshoz szükséges baktériumokat termelő bioemésztő használatakor főzőgáz keletkezik. A szerves törmeléket, például a lombhulladékot, a konyhai hulladékot, az élelmiszer-hulladékot stb. a darálóba táplálják, ahol a keveréket kis mennyiségű vízzel összekeverik. A keveréket ezután egy bioemésztőbe táplálják, ahol a baktériumok lebontják, és főzőgázt képeznek. Ezt a gázt a tűzhelyhez vezetik. Egy 2 köbméteres bioreaktor 2 köbméter főzőgázt képes előállítani. Ez 1 kg cseppfolyósított gáznak felel meg. A bioemésztő használatának jelentős előnye az iszap , amely gazdag szerves trágya [46] .
Az anaerob lebontás három fő terméke a biogáz, a fermentátum és a víz [47] [48] [49] .
A biogáz a biológiailag lebomló input nyersanyagokkal táplálkozó baktériumok létfontosságú tevékenységének végterméke [50] (az anaerob emésztés metanogenezis szakaszát az archaea végzi, egy mikroorganizmus, amely a filogenetikai életfa teljesen más ágán található, mint a baktériumok) , és főleg metánból és szén-dioxidból [51] [52 ] áll, kis mennyiségű hidrogénnel és nyomokban hidrogén-szulfiddal. (A biogáz a gyártási folyamat során vízgőzt is tartalmaz, a vízgőz frakcionált térfogata a biogáz hőmérsékletétől függ) [53] . A biogáz nagy része az emésztés közepén, a baktériumpopuláció növekedése után képződik, és a rothadó anyag elfogyásával szűkül [24] . A gázt általában a reaktor tetején, felfújható gáztömlőben tárolják, vagy eltávolítják és az üzem közelében, gáztartályban tárolják.
A biogázban lévő metán hő és villamos energia előállítására is elégethető, általában dugattyús motorral vagy mikroturbinával [54] , gyakran kapcsolt energiatermelő erőműben, ahol a megtermelt villamos energiát és a hulladékhőt rothasztók fűtésére vagy épületek fűtésére használják fel. A többlet villamos energia eladható a szolgáltatóknak, vagy betáplálható a helyi hálózatba. Az anaerob reaktorok által termelt villamos energia megújuló energiának számít, és támogatást vonzhat [55] . A biogáz nem járul hozzá a légkör szén-dioxid koncentrációjának növeléséhez, mivel a gáz nem kerül közvetlenül a légkörbe, hanem a szén-dioxid rövid szénciklusú szerves forrásból származik.
A biogáz feldolgozást vagy „tisztítást” igényelhet az üzemanyagként való felhasználáshoz [56] . A hidrogén-szulfid , egy toxikus termék, amely a nyersanyagban lévő szulfátokból képződik, a biogáz nyomelemeként szabadul fel. A nemzeti környezetvédelmi hatóságok, például az Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége , Anglia és Wales szigorú határértékeket határoztak meg a hidrogén-szulfidot tartalmazó gázok szintjére, és ha a gázban magas a hidrogén-szulfid szintje, akkor gázmosó és -kezelő berendezéseket (pl. amingáz-kezelés) lesz szükség. ) a biogáz feldolgozásához a regionálisan elfogadott szinteken belül [57] .
Az illékony sziloxánok a biogázt is szennyezhetik; az ilyen vegyületek gyakran megtalálhatók a háztartási hulladékban és a szennyvízben. Azokban a rothasztókban, amelyek ezeket az anyagokat nyersanyag-komponensként fogadják el, a kis molekulatömegű sziloxánok biogázzá párolognak el. Amikor ezt a gázt gázmotorban, turbinában vagy kazánban elégetik, a sziloxánok szilícium-dioxiddá (SiO2) alakulnak át, amely a gép belsejében lerakódik, növelve a kopást [58] [59] . A sziloxánok és más biogáz-szennyeződések eltávolítására már gyakorlati és költséghatékony technológiák állnak rendelkezésre [60] . Egyes esetekben in situ kezeléssel javítható a metán tisztasága a távozó gázok szén-dioxid-tartalmának csökkentésével úgy, hogy nagy részét a szekunder reaktorba fújják [61] .
Az olyan országokban, mint Svájc, Németország és Svédország, a biogázban lévő metán összepréselhető járművek üzemanyagaként vagy közvetlenül gázvezetékekbe való betáplálás céljából [62] . Azokban az országokban, ahol a megújuló villamosenergia-támogatások a hajtóereje az anaerob lebontás alkalmazásának, ez a feldolgozási mód kevésbé valószínű, mivel ebben a feldolgozási lépésben energiára van szükség, és csökkenti az eladásra kínált általános szintet [55] .
A lebontott anyag az eredeti alapanyag szilárd maradéka, amely az emésztőedényekbe kerül, és amelyet a mikrobák nem tudnak felhasználni. Ezenkívül az emésztőből származó elhalt baktériumok mineralizált maradványaiból áll. A fermentátum három formát ölthet: rostos, lúgos vagy a két frakció iszap alapú kombinációja. A kétlépcsős rendszerekben a fermentátum különböző formái különböző emésztőtartályokból származnak. Az egyfokozatú emésztési rendszerekben a két frakciót egyesítik, és adott esetben további feldolgozással elválasztják [63] [64] .
A második melléktermék, az acidogén fermentátum egy stabil szerves anyag, amely elsősorban ligninből és cellulózból, valamint különféle ásványi komponensekből áll az elhalt baktériumsejtek mátrixában; műanyag is előfordulhat. Ez az anyag a háztartási komposztra hasonlít, és felhasználható önmagában vagy alacsony minőségű építőipari termékek, például farostlemez előállítására [65] [66] . A szilárd fermentátum etanolgyártás alapanyagaként is használható [67] .
A harmadik melléktermék a metanogén fermentátum, egy tápanyagban gazdag folyadék, amely az emésztendő anyag minőségétől függően műtrágyaként használható. Ez az alapanyag minőségétől függ. A legtöbb tiszta és elkülönített biológiailag lebontható hulladékáram esetében a PTE szintje alacsony lesz. Az iparban keletkező hulladékok esetében a PTE-szint magasabb is lehet, és ezt figyelembe kell venni az anyag megfelelő végfelhasználásának meghatározásakor.
A fermentátum általában olyan elemeket tartalmaz, mint például a lignin, amelyet az anaerob mikroorganizmusok nem tudnak lebontani. Ezenkívül a fermentátum ammóniát tartalmazhat, amely fitotoxikus, és talajjavítóként történő felhasználás esetén megzavarhatja a növények növekedését. E két okból kifolyólag az emésztés után érési vagy komposztálási lépés alkalmazható. A lignin és más anyagok rendelkezésre állnak az aerob mikroorganizmusok, például gombák általi lebontáshoz, ami segít csökkenteni a szállítandó anyag teljes mennyiségét. Az érlelés során az ammónia nitráttá oxidálódik, ami javítja az anyag termékenységét, és alkalmasabbá teszi talajjavítóként. A száraz anaerob rothasztási technológiákban általában nagy komposztálási fokozatokat alkalmaznak [36] [68] .
Az anaerob emésztőrendszerek végterméke a víz, amely mind a kezelt nyershulladék nedvességtartalmából, mind az emésztőrendszerekben a mikrobiális reakciók során keletkező vízből képződik. Ez a víz felszabadulhat a fermentátum dehidratálásakor, vagy hallgatólagosan elválasztható a fermentátumtól.
Az anaerob rothasztó üzemből kilépő szennyvíz általában magasabb biokémiai (BOD) és kémiai oxigénigényű (KOI) szinttel rendelkezik. A szennyvíz reakciókészségének ezek a mutatói a környezetszennyezés képességét jelzik. A szennyvízben lévő anyagok egy része nehezen bomlik le, ami azt jelenti, hogy az anaerob baktériumok nem tudnak rájuk hatni, hogy biogázzá alakítsák azokat. Ha ezek a vizek közvetlenül a vízfolyásokba kerülnének, az eutrofizációt okozna . Ezért gyakran további szennyvízkezelésre van szükség. Ez a kezelés általában egy oxidációs lépés, ahol szakaszos reaktorokban levegőt vezetnek át vízen vagy fordított ozmózissal [69] [70] [71] .