Methangæring (nogle gange forkert kaldet anaerob fermentering på en anden måde ) er processen med biologisk nedbrydning af organiske stoffer med frigivelse af fri metan .
Organiske forbindelser + H 2 O → CH 4 + CO 2 + C 5 H 7 NO 2 + NH 4 + HCO 3 .
Organiske forbindelser ( proteiner , kulhydrater , fedtstoffer ), der er til stede i biomassen , begynder at nedbrydes til de enkleste organiske forbindelser ( aminosyrer , sukkerarter , fedtsyrer ) under påvirkning af hydrolytiske enzymer . Dette stadie kaldes hydrolyse og forløber under påvirkning af acetogene bakterier . På det andet trin sker hydrolytisk oxidation af nogle af de enkleste organiske forbindelser under påvirkning af heteroacetogene bakterier , hvilket resulterer i acetat , kuldioxid og frit brint . En anden del af de organiske forbindelser med acetatet opnået i 2. trin danner C 1 forbindelser (de simpleste organiske syrer). De resulterende stoffer er et næringsmedium for fase 3 metandannende bakterier . Trin 3 fortsætter gennem to processer forårsaget af forskellige grupper af bakterier. Disse to grupper af bakterier omdanner næringsforbindelserne fra 2. trin til metan CH 4 , vand H 2 O og kuldioxid [1] .
Processen foregår i bakteriel biomasse og omfatter omdannelse af komplekse organiske forbindelser - polysaccharider, fedtstoffer og proteiner til metan CH 4 og kulilte CO (4).
Bakterier er opdelt i tre typer efter deres ernæringsbehov:
Det vigtigste udgangspunkt, når man overvejer brugen af anaerobe fordøjelsessystemer, er råmaterialet til processen. Næsten ethvert organisk materiale kan genbruges ved hjælp af anaerob fordøjelse [2] ; men hvis målet er at producere biogas, så er henfaldsniveauet en nøglefaktor i dens succesfulde anvendelse [3] . Jo mere råddent (fordøjeligt) materiale, jo højere gasudgang fra systemet.
Råmaterialer kan omfatte biologisk nedbrydeligt affald såsom affaldspapir, græsafklip, madrester, spildevand og animalsk affald [4] . Træaffald er en undtagelse, fordi det stort set er ufordøjet, da de fleste anaerober ikke er i stand til at nedbryde lignin . For at nedbryde lignin kan der anvendes xylophalgiske anaerober (ligninforbrugere) eller højtemperaturforbehandling såsom pyrolyse. Anaerobe rådnetanke kan også fodres med specielt dyrkede energiafgrøder , såsom ensilage , til specialiseret biogasproduktion. I Tyskland og det europæiske kontinent kaldes disse anlæg "biogasanlæg". Kofermenteringsanlægget er typisk en anaerob landbrugsreaktor, der accepterer to eller flere råmaterialer til samtidig fordøjelse [5] .
Den tid, der kræves for anaerob fordøjelse, afhænger af materialets kemiske kompleksitet. Materiale rigt på letfordøjelige sukkerarter nedbrydes hurtigt, mens intakt lignocellulosemateriale rigt på cellulose og hemicellulosepolymerer kan tage meget længere tid at nedbryde [6] . Anaerobe mikroorganismer er generelt ude af stand til at nedbryde lignin, den genstridige aromatiske komponent i biomasse [7] .
Anaerobe reaktorer blev oprindeligt designet til at håndtere spildevandsslam og gødning. Spildevand og gødning er dog ikke det materiale, der har det største potentiale for anaerob fordøjelse, da bionedbrydeligt materiale allerede har det meste af energien optaget af de dyr, der har produceret det. Derfor arbejder mange rådnetanke med samtidig fordøjelse af to eller flere råstoffer. For eksempel, i en gårdrådnetank, der bruger mejerigødning som hovedråvare [8] , kan gasproduktionen øges kraftigt ved at tilføje et andet råmateriale såsom græs og majs (typisk gårdråvare) eller forskellige organiske biprodukter såsom slagteriaffald , fedtstoffer, olier og fedtstoffer fra restauranter, organisk husholdningsaffald osv. [9]
Rådnetanke, der behandler isolerede energiafgrøder, kan opnå høje niveauer af nedbrydning og biogasproduktion [10] [11] [12] . Kun gyllesystemer har tendens til at være billigere, men genererer langt mindre energi end dem, der bruger afgrøder som majs og græsensilage; ved at bruge en lille mængde plantemateriale (30 %) kan et anaerobt rådneanlæg øge energiproduktionen med en faktor på ti og kun tredoble kapitalomkostningerne for et gyllesystem [13] .
Det andet problem relateret til råmaterialet er fugtindholdet. Tørre, stabelbare underlag såsom mad og haveaffald er velegnede til fordøjelse i tunnellignende kamre. Tunnelsystemer har også typisk næsten nul spildevandsudledning, så denne type system har fordele, hvor udledning af rådnetanksvæsker er en hindring. Jo vådere materialet er, jo mere egnet vil det være til håndtering med standardpumper i stedet for energikrævende betonpumper og fysiske køretøjer. Hertil kommer, at jo vådere materialet er, jo mere volumen og areal optager det i forhold til niveauerne af produceret gas. Fugtindholdet i målråmaterialet vil også påvirke, hvilken type system der bruges til at behandle det. For at bruge en anaerob rådnetank med højt tørstofindhold til at fortynde råmaterialet, bør fyldstoffer såsom kompost påføres for at øge tørstofindholdet i råmaterialet [14] . En anden nøglefaktor er forholdet mellem kulstof og nitrogen i råmaterialet. Dette forhold er balancen mellem mad, der er nødvendig for at mikroben kan vokse; det optimale C:N-forhold er 20-30:1 [15] . Overskydende nitrogen kan føre til ammoniakhæmning af fordøjelsen [11] .
Niveauet af råmaterialeforurening er en nøglefaktor, når man bruger våd fordøjelse eller korkforrådnelse.
Hvis rådnetankens råmateriale indeholder betydelige niveauer af fysiske forurenende stoffer såsom plast, glas eller metaller, vil det være nødvendigt at behandle for at fjerne forureningerne for at bruge materialet [16] . Hvis det ikke fjernes, kan rådnetankene blive blokeret og vil ikke fungere effektivt. Dette forureningsproblem opstår ikke ved tør fordøjelse eller faststof anaerob nedbrydning (SSAD) af planter, fordi SSAD behandler tør, stabelbar biomasse med en høj procentdel af faste stoffer (40-60%) i gastætte kamre kaldet fermenteringskasser [17] . Det er med denne forståelse, at mekaniske biologiske behandlingsanlæg designes. Jo højere niveauet af råmaterialeforbehandling er, desto mere forarbejdningsudstyr vil der kræves, og projektet vil derfor have en højere kapitalomkostning [18] .
Efter sortering eller screening for at fjerne eventuelle fysiske forurenende stoffer fra råmaterialet, knuses materialet ofte, formales og mekanisk eller hydraulisk pulveriseres for at øge det tilgængelige overfladeareal for mikrober i rådnetankene og derfor øge fordøjelseshastigheden. Maceration af de faste stoffer kan opnås ved at bruge en kværnpumpe til at overføre råmaterialet til en forseglet rådnetank, hvor anaerob behandling finder sted.
Sammensætningen af substratet er den vigtigste faktor, der bestemmer udbyttet af metan og produktionshastigheden af metan under fordøjelsen af biomasse. Der findes metoder til at bestemme råstoffets sammensætningsegenskaber, mens parametre som faststof-, grundstof- og organiske analyser er vigtige for rådnetankens design og drift [19] . Udbyttet af metan kan estimeres ud fra grundstofsammensætningen af substratet sammen med et skøn over dets nedbrydelighed (andelen af substratet, der omdannes til biogas i reaktoren) [20] . For at forudsige sammensætningen af biogas (relative andele af metan og kuldioxid) er det nødvendigt at estimere fordelingen af kuldioxid mellem vand- og gasfaserne, hvilket kræver yderligere information (reaktortemperatur, pH og substratsammensætning) og en model af kemisk speciering [21] . Direkte målinger af biometaneringspotentiale foretages også ved hjælp af udgasning eller nyere gravimetriske analyser [22] .
Brugen af anaerobe fordøjelsesteknologier kan hjælpe med at reducere drivhusgasemissioner på flere vigtige måder:
Anaerob udrådning er særligt velegnet til organisk materiale og bruges almindeligvis til at behandle industrispildevand, spildevand og spildevandsslam [24] . Anaerob fordøjelse, en simpel proces, kan reducere mængden af organisk stof, der ellers ville blive dumpet i havet [ 25] , deponeret eller forbrændt markant [26] .
Pres fra miljølovgivningen om praksis for bortskaffelse af fast affald i udviklede lande har ført til en stigning i brugen af anaerob fordøjelse som en proces til at reducere affald og producere nyttige biprodukter. Det kan enten bruges til at behandle den kildesorterede fraktion af kommunalt affald, eller alternativt kombineres med mekaniske sorteringssystemer til at behandle restblandet kommunalt affald. Disse anlæg kaldes mekaniske biologiske renseanlæg [27] [28] [29] .
Hvis forrådnende affald behandlet i anaerobe reaktorer smides på en losseplads, nedbrydes det naturligt og ofte anaerobt. I dette tilfælde vil gassen til sidst undslippe ud i atmosfæren. Fordi metan er omkring 20 gange mere potent som drivhusgas end kuldioxid, har det en betydelig negativ indvirkning på miljøet [30] .
I lande, der indsamler husholdningsaffald, kan brugen af lokale anaerobe rådneanlæg hjælpe med at reducere mængden af affald, der skal transporteres til centraliserede lossepladser eller forbrændingsanlæg. Denne reducerede transportbelastning reducerer CO2-fodaftrykket for pengetransportkøretøjer. Hvis lokaliserede anaerobe rådneanlæg er indbygget i det elektriske distributionsnet, kan de hjælpe med at reducere de elektriske tab, der er forbundet med transport af elektricitet over det nationale net [31] .
I udviklingslande giver simple anaerobe fordøjelsessystemer i hjemmet og på gården billig energi til madlavning og belysning [32] [33] [34] [35] . Siden 1975 har der været store statsstøttede ordninger i Kina og Indien for at tilpasse små biogasanlæg til husholdningsbrug til madlavning og belysning. Anaerob fordøjelsesprojekter i udviklingslande er i øjeblikket berettiget til finansiel støtte gennem FN's mekanisme for ren udvikling , hvis det kan påvises, at de reducerer kulstofemissioner [36] .
Metan og energi, der produceres i anaerobe rådneanlæg, kan bruges til at erstatte energi fra fossile brændstoffer og dermed reducere drivhusgasemissionerne, da kulstoffet i bionedbrydeligt materiale er en del af kulstofkredsløbet . Det kulstof, der frigives til atmosfæren fra biogasforbrænding, er blevet fjernet af planter til deres vækst i den seneste tid, normalt inden for det sidste årti, men oftest i den sidste vækstsæson. Hvis planter vokser igen og igen tager kulstof fra atmosfæren, vil systemet blive kulstofneutralt [4] [36] . Tværtimod lagres kulstoffet i fossile brændstoffer i jorden i mange millioner år, hvis afbrænding øger det samlede niveau af kuldioxid i atmosfæren.
Biogas fra rensning af spildevandsslam bruges nogle gange til at drive en gasmotor til at generere elektricitet, hvoraf noget eller det hele kan bruges til at drive kloakværker [37] . En del af spildvarmen fra motoren bruges så til at opvarme rådnetanken. Spildvarmen er normalt tilstrækkelig til at opvarme rådnetanken til de nødvendige temperaturer. Energipotentialet i kloakanlæg er begrænset - der er kun omkring 80 MW af sådan produktion i Storbritannien, med potentiale til at stige til 150 MW, hvilket er ubetydeligt sammenlignet med det gennemsnitlige elbehov i Storbritannien på omkring 35.000 MW. Mængden af biogasproduktion fra ubehandlet biologisk affald - energiafgrøder, madaffald, slagteriaffald osv. - er meget højere, det anslås at kunne være omkring 3000 MW. det forventes, at landbrugsbiogasanlæg, der anvender animalsk affald og energiafgrøder, vil bidrage til at reducere CO 2 -emissioner og styrke netværket, samtidig med at de giver britiske landmænd yderligere indkomst [38] .
Nogle lande tilbyder incitamenter i form af feed-in-takster, for eksempel til at subsidiere grøn energiproduktion [4] [39] .
I Oakland , Californien , samfordøjer East Bay Municipal Area Main Treatment Plant (EBMUD) i øjeblikket madaffald med primært og sekundært kommunalt kloakvand og andet højstyrkeaffald. Sammenlignet med kun at fordøje faste stoffer i byspildevand, har samfordøjelse af madaffald mange fordele. Anaerob fordøjelse af madaffaldsmasse i EBMUD-produktionsprocessen for madaffald giver en højere normaliseret energifordel sammenlignet med faste stoffer i kommunalt spildevand: 730 til 1300 kWh pr. tørt ton madaffald påført versus 560 til 940 kWh pr. tørt ton kommunalt spildevandsfaststof anvendt [ 40] [41] .
Biogasnetinjektion er injektion af biogas i et naturgasnet [36] . Råbiogas skal på forhånd opgraderes til biometan. Denne opgradering indebærer fjernelse af forurenende stoffer som hydrogensulfid eller siloxaner samt kuldioxid. Der findes adskillige teknologier til dette formål, mest udbredt inden for områder som trykadsorption (PSA), vand- eller aminrensning (absorptionsprocesser) og i de senere år membranseparation [42] . Alternativt kan elektricitet og varme bruges til at generere elektricitet på stedet, hvilket resulterer i lavere energitransmissionstab [36] . Typiske energitab i naturgastransmissionssystemer spænder fra 1-2 %, mens nuværende energitab i et stort elektrisk system spænder fra 5-8 % [43] .
I oktober 2010 blev Didcot kloakanlægget Storbritanniens første producent af biomethan leveret til det nationale net til brug i 200 hjem i Oxfordshire [44] .
Når den er opgraderet ved hjælp af ovenstående teknologier, kan biogas (omdannet til biomethan) bruges som brændstof til biler i tilpassede køretøjer. Denne anvendelse er meget udbredt i Sverige, hvor der er over 38.600 gaskøretøjer, og 60 % af køretøjsgassen er biomethan, der produceres i anaerobe nedbrydningsanlæg [2] .
Den hårde, fibrøse komponent i det fordøjede materiale kan bruges som jordforbedringsmiddel til at øge det organiske indhold af jord. Digestor lud kan bruges som gødning til at forsyne jorden med livsvigtige næringsstoffer i stedet for kunstgødning, der kræver meget energi at producere og transportere. Derfor er brugen af industrigødning mere kulstofintensiv end brugen af anaerob reaktor alkalisk gødning. I lande som Spanien , hvor mange jorder er organisk udtømte, kan markeder for fordøjede faste stoffer være lige så vigtige som biogas [45] .
Når man bruger en bio-nedbrydningstank, der producerer de bakterier, der er nødvendige for nedbrydning, produceres der kogegas. Organisk affald som bladaffald, køkkenaffald, madaffald osv. føres ind i kværnen, hvor blandingen blandes med en lille mængde vand. Blandingen føres derefter ind i en bio-fordøjebeholder, hvor bakterier nedbryder den til kogegas. Denne gas tilføres brændeovnen. En 2 kubikmeter bioreaktor kan producere 2 kubikmeter kogegas. Det svarer til 1 kg flydende gas. En bemærkelsesværdig fordel ved at bruge en bionedbryder er slam , som er en rig organisk gødning [46] .
De tre hovedprodukter af anaerob fordøjelse er biogas, nedbrydning og vand [47] [48] [49] .
Biogas er slutproduktet af den vitale aktivitet af bakterier, der lever af bionedbrydelige råmaterialer [50] ( methanogenesestadiet af anaerob fordøjelse udføres af archaea, en mikroorganisme på en helt anden gren af livets fylogenetiske træ end bakterier) , og består hovedsageligt af metan og kuldioxid [51] [52] med en lille mængde brint og spor af svovlbrinte. (Under produktionsprocessen indeholder biogas også vanddamp, og brøkvolumen af vanddamp afhænger af biogassens temperatur) [53] . Det meste af biogassen dannes midt i fordøjelsen, efter bakteriepopulationen er vokset, og indsnævres i takt med at det forrådnende materiale udtømmes [24] . Gassen opbevares normalt oven på reaktoren i en oppustelig gasblære eller fjernes og opbevares nær anlægget i en gastank.
Metan i biogas kan afbrændes til at producere både varme og elektricitet, normalt med en stempelmotor eller mikroturbine [54] , ofte i et kraftvarmeværk , hvor den producerede el og spildvarme bruges til at opvarme rådnetanke eller til at opvarme bygninger. Overskydende elektricitet kan sælges til leverandører eller tilføres det lokale net. Elektricitet produceret af anaerobe reaktorer betragtes som vedvarende energi og kan tiltrække subsidier [55] . Biogas bidrager ikke til at øge koncentrationen af kuldioxid i atmosfæren, da gassen ikke frigives direkte til atmosfæren, men kuldioxid kommer fra en organisk kilde med et kort kulstofkredsløb.
Biogas kan kræve behandling eller "rensning" for at rense den til brug som brændstof [56] . Svovlbrinte , et giftigt produkt dannet af sulfater i råmaterialet, frigives som en sporbestanddel af biogas. Nationale miljømyndigheder som det amerikanske miljøbeskyttelsesagentur , England og Wales har sat strenge grænser for niveauerne af gasser, der indeholder svovlbrinte, og hvis niveauerne af svovlbrinte i gassen er høje, gasvaske- og behandlingsudstyr (f.eks. amingasbehandling) vil være påkrævet. ) for biogasbehandling inden for regionalt accepterede niveauer [57] .
Flygtige siloxaner kan også forurene biogas; sådanne forbindelser findes ofte i husholdningsaffald og spildevand. I rådnetanke, der accepterer disse materialer som en råvarekomponent, fordamper lavmolekylære siloxaner til biogas. Når denne gas brændes i en gasmotor, turbine eller kedel, omdannes siloxanerne til siliciumdioxid (SiO2), som aflejres inde i maskinen, hvilket øger sliddet [58] [59] . Praktiske og omkostningseffektive teknologier til fjernelse af siloxaner og andre biogasforureninger er nu tilgængelige [60] . I nogle tilfælde kan in situ-behandling bruges til at forbedre renheden af metan ved at reducere kuldioxidindholdet i afgangsgasserne ved at blæse det meste af det ind i den sekundære reaktor [61] .
I lande som Schweiz, Tyskland og Sverige kan metanen i biogassen komprimeres til brug som brændstof til køretøjer eller til direkte indføring i gasrørledninger [62] . I lande, hvor subsidier til vedvarende elektricitet er drivkraften for brugen af anaerob fordøjelse, er denne forarbejdningsrute mindre sandsynlig, fordi der kræves energi i dette forarbejdningstrin og reducerer det samlede niveau, der er tilgængeligt for salg [55] .
Digestat er den faste rest af det oprindelige råmateriale, der kommer ind i rådnetanke, som mikrober ikke kan bruge. Den består også af de mineraliserede rester af døde bakterier fra rådnetanke. Digestaten kan antage tre former: fibrøs, alkalisk eller slambaseret kombination af de to fraktioner. I to-trins systemer kommer forskellige former for digestat fra forskellige fordøjelsesreservoirer. I enkelttrins fordøjelsessystemer vil de to fraktioner blive kombineret og eventuelt adskilt ved yderligere forarbejdning [63] [64] .
Det andet biprodukt, acidogent digestat, er et stabilt organisk materiale, der primært består af lignin og cellulose, samt forskellige mineralske komponenter i en matrix af døde bakterieceller; plast kan også være til stede. Dette materiale minder om husholdningskompost og kan bruges som sådan eller til at lave byggeprodukter af lav kvalitet såsom træfiberplader [65] [66] . Fast digestat kan også bruges som råmateriale til ethanolproduktion [67] .
Det tredje biprodukt er methanogent digestat, en næringsrig væske, der kan bruges som gødning afhængigt af kvaliteten af det materiale, der fordøjes. Dette vil afhænge af kvaliteten af råmaterialet. For de fleste rene og adskilte biologisk nedbrydelige affaldsstrømme vil PTE-niveauerne være lave. I tilfælde af affald, der genereres af industrien, kan PTE-niveauerne være højere og bør tages i betragtning ved bestemmelse af den passende slutanvendelse af materialet.
Fordøjelsesstaten indeholder normalt elementer, såsom lignin, som ikke kan nedbrydes af anaerobe mikroorganismer. Derudover kan nedbrydningsvandet indeholde ammoniak, som er fytotoksisk og kan forstyrre plantevæksten, hvis det bruges som jordforbedringsmiddel. Af disse to grunde kan et modnings- eller komposteringstrin anvendes efter fordøjelsen. Lignin og andre materialer er tilgængelige til nedbrydning af aerobe mikroorganismer såsom svampe, hvilket er med til at reducere den samlede mængde materiale, der skal transporteres. Under denne modning vil ammoniakken blive oxideret til nitrat, hvilket forbedrer materialets frugtbarhed og gør det mere velegnet som jordforbedringsmiddel. Store komposteringstrin er almindeligt anvendt i tør anaerobe fordøjelsesteknologier [36] [68] .
Slutproduktet af anaerobe fordøjelsessystemer er vand, som dannes både af fugtindholdet i det råaffald, der er blevet behandlet, og det vand, der genereres fra mikrobielle reaktioner i fordøjelsessystemerne. Dette vand kan frigives ved dehydrering af fordøjelsesstaten eller kan implicit adskilles fra fordøjelsesmaterialet.
Spildevand, der forlader et anaerobt rådneanlæg, har typisk forhøjede niveauer af biokemisk (BOD) og kemisk iltbehov (COD). Disse indikatorer for spildevands reaktivitet indikerer evnen til at forurene miljøet. Nogle af stofferne i spildevandet er svære at nedbryde, hvilket betyder, at anaerobe bakterier ikke kan virke på dem for at omdanne dem til biogas. Hvis disse farvande skulle komme direkte ud i vandløb, ville de blive negativt påvirket ved at forårsage eutrofiering . Derfor er der ofte behov for yderligere spildevandsrensning. Denne behandling er normalt et oxidationstrin, hvor luft ledes gennem vand i batch-reaktorer eller omvendt osmose [69] [70] [71] .