Fermentația metanului (uneori numită incorect fermentație anaerobă într-un mod diferit ) este procesul de descompunere biologică a substanțelor organice cu eliberarea de metan liber .
Compuși organici + H 2 O → CH 4 + CO 2 + C 5 H 7 NO 2 + NH 4 + HCO 3 .
Compușii organici ( proteine , carbohidrați , grăsimi ) care sunt prezenți în biomasă încep să se descompună în cei mai simpli compuși organici ( aminoacizi , zaharuri , acizi grași ) sub acțiunea enzimelor hidrolitice . Această etapă se numește hidroliză și se desfășoară sub influența bacteriilor acetogene . În a doua etapă, oxidarea hidrolitică a unora dintre cei mai simpli compuși organici are loc sub influența bacteriilor heteroacetogene , care are ca rezultat acetat , dioxid de carbon și hidrogen liber . O altă parte din compușii organici cu acetatul obținut în etapa a 2-a formează compuși C 1 (cei mai simpli acizi organici). Substanțele rezultate sunt un mediu nutritiv pentru bacteriile formatoare de metan din stadiul 3 . Etapa 3 trece prin două procese cauzate de diferite grupuri de bacterii. Aceste două grupuri de bacterii transformă compușii nutritivi din etapa a 2-a în metan CH 4 , apă H 2 O și dioxid de carbon [1] .
Procesul are loc în biomasa bacteriană și include conversia compușilor organici complecși - polizaharide, grăsimi și proteine în metan CH 4 și monoxid de carbon CO (4).
Bacteriile sunt împărțite în trei tipuri în funcție de nevoile lor nutriționale:
Cel mai important punct de plecare atunci când se ia în considerare utilizarea sistemelor de digestie anaerobă este materia primă pentru proces. Aproape orice material organic poate fi reciclat folosind digestia anaerobă [2] ; totuși, dacă scopul este producerea de biogaz, atunci nivelul de degradare este un factor cheie în aplicarea cu succes a acestuia [3] . Cu cât materialul este mai putred (digerabil), cu atât este mai mare producția de gaz din sistem.
Materiile prime pot include deșeuri biodegradabile, cum ar fi deșeurile de hârtie, tăieturi de iarbă, resturi de alimente, canalizare și deșeuri animale [4] . Deșeurile de lemn sunt o excepție, deoarece sunt în mare parte nedigerate, deoarece majoritatea anaerobilor nu sunt capabili să degradeze lignina . Pentru descompunerea ligninei, pot fi utilizați anaerobi xilofalgi (consumatori de lignină) sau poate fi utilizat un pretratament la temperatură ridicată, cum ar fi piroliza. Digestoarele anaerobe pot fi, de asemenea, hrănite cu culturi energetice special cultivate , cum ar fi silozul , pentru producția specializată de biogaz. În Germania și Europa continentală, aceste instalații sunt numite „instalații de biogaz”. Instalația de cofermentare este de obicei un reactor agricol anaerob care acceptă două sau mai multe materii prime pentru digestia simultană [5] .
Durata de timp necesară pentru digestia anaerobă depinde de complexitatea chimică a materialului. Materialul bogat în zaharuri ușor digerabile se degradează rapid, în timp ce materialul lignocelulozic intact bogat în celuloză și polimeri hemicelulozici poate dura mult mai mult pentru a se degrada [6] . Microorganismele anaerobe sunt în general incapabile să descompună lignina, componenta aromatică recalcitrantă a biomasei [7] .
Reactoarele anaerobe au fost proiectate inițial pentru a gestiona nămolurile de epurare și gunoiul de grajd. Cu toate acestea, apele uzate și gunoiul de grajd nu sunt materialul cu cel mai mare potențial de digestie anaerobă, deoarece materialul biodegradabil are deja cea mai mare parte a energiei absorbită de animalele care l-au produs. Prin urmare, multe digestoare lucrează cu codigestia a două sau mai multe materii prime. De exemplu, într-un digestor de fermă care utilizează gunoi de grajd din lapte ca materie primă principală [8] , producția de gaz poate fi crescută foarte mult prin adăugarea unei a doua materii prime, cum ar fi iarba și porumbul (materie prima tipică pentru fermă), sau diferite produse secundare organice, cum ar fi deșeurile de abator. , grăsimi, uleiuri și grăsimi din restaurante, deșeuri menajere organice etc. [9]
Digestoarele care prelucrează culturi energetice izolate pot atinge niveluri ridicate de degradare și producție de biogaz [10] [11] [12] . Sistemele numai cu șlam tind să fie mai ieftine, dar generează mult mai puțină energie decât cele care folosesc culturi precum porumb și iarbă siloz; folosind o cantitate mică de material vegetal (30%), o instalație de digestie anaerobă poate crește producția de energie cu un factor de zece și poate doar tripla costul de capital al unui sistem numai cu șlam [13] .
A doua problemă legată de materia primă este conținutul de umiditate. Substraturile uscătoare, stivuibile, cum ar fi alimentele și deșeurile din curte, sunt potrivite pentru digestie în camere asemănătoare tunelului. De asemenea, sistemele de tunel au, de obicei, evacuarea efluentului aproape de zero, astfel încât acest stil de sistem are avantaje în cazul în care evacuarea lichidelor de digestor este o piedică. Cu cât materialul este mai umed, cu atât va fi mai potrivit pentru manipularea cu pompe standard în loc de pompe de beton și vehicule fizice consumatoare de energie. În plus, cu cât materialul este mai umed, cu atât mai mult volum și suprafață ocupă în raport cu nivelurile de gaze produse. Conținutul de umiditate al materiei prime țintă va afecta, de asemenea, ce tip de sistem este utilizat pentru procesarea acesteia. Pentru a utiliza un digestor anaerob cu conținut ridicat de solide pentru a dilua materia primă, ar trebui aplicate materiale de umplutură, cum ar fi compostul, pentru a crește conținutul de solide al materiei prime [14] . Un alt factor cheie este raportul carbon/azot al materiei prime. Acest raport este echilibrul de hrană necesar pentru creșterea microbilor; raportul optim C:N este 20-30:1 [15] . Excesul de azot poate duce la inhibarea digestiei cu amoniac [11] .
Nivelul de contaminare a materiei prime este un factor cheie atunci când se utilizează digestia umedă sau digestia cu plută.
Dacă materia primă a digestorului conține niveluri semnificative de contaminanți fizici, cum ar fi materiale plastice, sticlă sau metale, atunci va fi necesară prelucrarea pentru a elimina contaminanții pentru a utiliza materialul [16] . Dacă nu este îndepărtat, digestoarele pot fi blocate și nu vor funcționa eficient. Această problemă de contaminare nu apare în digestia uscată sau digestia anaerobă în stare solidă (SSAD) a plantelor, deoarece SSAD prelucrează biomasă uscată, stivuită cu un procent mare de solide (40-60%) în camere etanșe la gaze numite cutii de fermentare [17] . Cu această înțelegere sunt proiectate instalațiile de tratare biologică mecanică. Cu cât este mai mare nivelul de pretratare a materiei prime, cu atât vor fi necesare mai multe echipamente de procesare și, prin urmare, proiectul va avea un cost de capital mai mare [18] .
După sortare sau sortare pentru a elimina orice contaminanți fizici din materia primă, materialul este adesea zdrobit, măcinat și pulverizat mecanic sau hidraulic pentru a crește suprafața disponibilă microbilor din digestoare și, prin urmare, pentru a crește viteza de digestie. Macerarea solidelor poate fi realizată prin utilizarea unei pompe de măcinare pentru a transfera materia primă într-un digestor etanș, unde are loc tratamentul anaerob.
Compoziția substratului este principalul factor care determină randamentul de metan și rata de producție a metanului în timpul digestiei biomasei. Există metode pentru determinarea caracteristicilor compoziționale ale materiei prime, în timp ce parametrii precum solidele, analizele elementare și organice sunt importanți pentru proiectarea și funcționarea digestorului [19] . Randamentul de metan poate fi estimat din compoziția elementară a substratului împreună cu o estimare a degradabilității acestuia (proporția substratului care este transformată în biogaz în reactor) [20] . Pentru a prezice compoziția biogazului (partea relativă de metan și dioxid de carbon), este necesar să se estimeze distribuția dioxidului de carbon între fazele de apă și gaze, ceea ce necesită informații suplimentare (temperatura reactorului, pH -ul și compoziția substratului) și un model. de speciație chimică [21] . Măsurătorile directe ale potențialului de biometanare se fac, de asemenea, folosind degazare sau analize gravimetrice mai recente [22] .
Utilizarea tehnologiilor de digestie anaerobă poate ajuta la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră în mai multe moduri cheie:
Digestia anaerobă este deosebit de potrivită pentru materialul organic și este utilizată în mod obișnuit pentru tratarea apelor uzate industriale, a apelor uzate și a nămolurilor de canalizare [24] . Digestia anaerobă, un proces simplu, poate reduce semnificativ cantitatea de materie organică care altfel ar putea fi aruncată în mare [ 25] , depozitată la gunoi sau incinerate [26] .
Presiunea din legislația de mediu asupra practicilor de eliminare a deșeurilor solide din țările dezvoltate a condus la o creștere a utilizării digestiei anaerobe ca proces de reducere a deșeurilor și de producere a produselor secundare utile. Poate fi folosit fie pentru a procesa fracțiunea separată la sursă a deșeurilor municipale, fie, alternativ, combinat cu sisteme de sortare mecanică pentru a procesa deșeurile municipale reziduale amestecate. Aceste instalații se numesc stații de epurare mecanică biologică [27] [28] [29] .
Dacă deșeurile putrefactive procesate în reactoare anaerobe sunt aruncate într-o groapă de gunoi, se descompun în mod natural și adesea anaerob. În acest caz, gazul va scăpa în cele din urmă în atmosferă. Deoarece metanul este de aproximativ 20 de ori mai puternic ca gaz cu efect de seră decât dioxidul de carbon, are un impact negativ semnificativ asupra mediului [30] .
În țările care colectează deșeuri menajere, utilizarea instalațiilor locale de digestie anaerobă poate ajuta la reducerea cantității de deșeuri care trebuie transportate la depozitele centralizate de gunoi sau la incineratoare. Această încărcătură de transport redusă reduce amprenta de carbon a vehiculelor cu numerar în tranzit. Dacă în rețeaua de distribuție electrică sunt construite instalații de digestie anaerobă localizată, acestea pot contribui la reducerea pierderilor electrice asociate cu transportul energiei electrice pe rețeaua națională [31] .
În țările în curs de dezvoltare, sistemele simple de digestie anaerobă de acasă și de fermă oferă energie ieftină pentru gătit și iluminat [32] [33] [34] [35] . Din 1975, au existat mari scheme susținute de guvern în China și India pentru a adapta mici instalații de biogaz pentru uz casnic pentru gătit și iluminat. Proiectele de digestie anaerobă din țările în curs de dezvoltare sunt în prezent eligibile pentru sprijin financiar prin Mecanismul Națiunilor Unite pentru Dezvoltare Curată, dacă se poate demonstra că reduc emisiile de carbon [36] .
Metanul și energia produsă în instalațiile de digestie anaerobă pot fi folosite pentru a înlocui energia derivată din combustibilii fosili și, prin urmare, pentru a reduce emisiile de gaze cu efect de seră, deoarece carbonul din materialul biodegradabil face parte din ciclul carbonului . Carbonul eliberat în atmosferă din arderea biogazului a fost îndepărtat de plante pentru creșterea lor în trecutul recent, de obicei în ultimul deceniu, dar cel mai adesea în ultimul sezon de vegetație. Dacă plantele cresc, luând din nou carbon din atmosferă, sistemul va deveni neutru în carbon [4] [36] . Dimpotrivă, carbonul conținut de combustibilii fosili este stocat în pământ timp de multe milioane de ani, a cărui ardere crește nivelul total de dioxid de carbon din atmosferă.
Biogazul provenit din tratarea nămolului de epurare este uneori folosit pentru a porni un motor cu gaz pentru a genera electricitate, o parte sau toate putând fi folosite pentru a rula lucrări de canalizare [37] . O parte din căldura reziduală de la motor este apoi folosită pentru a încălzi digestorul. Căldura reziduală este de obicei suficientă pentru a încălzi digestorul la temperaturile necesare. Potențialul energetic al instalațiilor de canalizare este limitat - există doar aproximativ 80 MW de astfel de generare în Marea Britanie, cu potențialul de a crește la 150 MW, ceea ce este nesemnificativ în comparație cu cererea medie de energie electrică din Marea Britanie de aproximativ 35.000 MW. Volumul producției de biogaz din deșeuri biologice netratate - culturi energetice, deșeuri alimentare, deșeuri de abator etc. - este mult mai mare, estimându-se că ar putea fi de circa 3000 MW. este de așteptat ca instalațiile agricole de biogaz care utilizează deșeuri animale și culturi energetice să contribuie la reducerea emisiilor de CO 2 și să consolideze rețeaua, oferind în același timp fermierilor britanici venituri suplimentare [38] .
Unele țări oferă stimulente sub formă de tarife alimentare, de exemplu, pentru a subvenționa producția de energie verde [4] [39] .
În Oakland , California , stația principală de tratare a zonei municipale din East Bay (EBMUD) co-digeră în prezent deșeurile alimentare cu solidele din canalizare municipală primară și secundară și alte deșeuri de mare rezistență. În comparație cu doar digerarea solidelor din apele uzate urbane, co-digestia deșeurilor alimentare are multe avantaje. Digestia anaerobă a pulpei deșeurilor alimentare în procesul de producție a deșeurilor alimentare EBMUD oferă un beneficiu energetic normalizat mai mare în comparație cu solidele din apele uzate municipale: 730 până la 1300 kWh per tonă uscată de deșeuri alimentare aplicate față de 560 până la 940 kWh per tonă uscată de solide aplicate în ape uzate municipale [ 40] [41] .
Injecția în rețea de biogaz este injectarea de biogaz într-o rețea de gaze naturale [36] . Biogazul brut trebuie transformat în biometan în prealabil. Această actualizare implică eliminarea poluanților precum hidrogenul sulfurat sau siloxanii, precum și dioxidul de carbon. Există mai multe tehnologii în acest scop, cele mai utilizate în domenii precum adsorbția la presiune (PSA), purificarea apei sau aminelor (procedee de absorbție) și, în ultimii ani, separarea prin membrană [42] . Alternativ, electricitatea și căldura pot fi folosite pentru a genera electricitate la fața locului, rezultând pierderi mai mici de transport de energie [36] . Pierderile tipice de energie în sistemele de transport al gazelor naturale variază între 1-2%, în timp ce pierderile curente de energie într-un sistem electric mare variază între 5-8% [43] .
În octombrie 2010, instalația de canalizare Didcot a devenit primul producător de biometan din Marea Britanie furnizat rețelei naționale pentru a fi utilizat în 200 de case din Oxfordshire [44] .
Odată modernizat folosind tehnologiile de mai sus, biogazul (transformat în biometan) poate fi folosit ca combustibil pentru automobile în vehiculele adaptate. Această utilizare este foarte răspândită în Suedia unde există peste 38.600 de vehicule pe gaz și 60% din gazul vehiculului este biometan produs în instalațiile de digestie anaerobă [2] .
Componenta dură, fibroasă a materialului digerat poate fi folosită ca un agent de ameliorare a solului pentru a crește conținutul organic al solurilor. Leșia digestor poate fi folosită ca îngrășământ pentru a furniza solului nutrienți vitali în locul îngrășămintelor chimice care necesită multă energie pentru a produce și a transporta. Prin urmare, utilizarea îngrășămintelor industriale este mai intensivă în carbon decât utilizarea îngrășămintelor alcaline pentru reactoare anaerobe. În țări precum Spania , unde multe soluri sunt epuizate organic, piețele pentru solidele digerate pot fi la fel de importante ca biogazul [45] .
Când se folosește un biodigestor care produce bacteriile necesare descompunerii, se produce gaz de gătit. Resturile organice, cum ar fi așternutul de frunze, deșeurile de bucătărie, deșeurile alimentare etc. sunt introduse în râșniță unde amestecul este amestecat cu o cantitate mică de apă. Amestecul este apoi introdus într-un biodigestor unde bacteriile îl descompun pentru a forma gaz de gătit. Acest gaz este furnizat la sobă. Un bio-reactor de 2 metri cubi poate produce 2 metri cubi de gaz de gătit. Acest lucru este echivalent cu 1 kg de gaz lichefiat. Un beneficiu notabil al utilizării unui biodigestor este nămolul , care este un gunoi organic bogat [46] .
Cele trei produse principale ale digestiei anaerobe sunt biogazul, digestatul și apa [47] [48] [49] .
Biogazul este produsul final al activității vitale a bacteriilor care se hrănesc cu materii prime biodegradabile [50] ( etapa de metanogeneză a digestiei anaerobe este realizată de arheea, un microorganism aflat pe o ramură complet diferită a arborelui filogenetic al vieții decât bacteriile) , și constă în principal din metan și dioxid de carbon [51] [52 ] cu o cantitate mică de hidrogen și urme de hidrogen sulfurat. (În timpul procesului de producție, biogazul conține și vapori de apă, iar volumul fracționat al vaporilor de apă depinde de temperatura biogazului) [53] . Majoritatea biogazului se formează în mijlocul digestiei, după ce populația bacteriană a crescut și se îngustează pe măsură ce materialul putrefactiv este epuizat [24] . Gazul este de obicei depozitat deasupra reactorului într-o vezică de gaz gonflabilă sau îndepărtat și depozitat lângă instalație într-un rezervor de gaz.
Metanul din biogaz poate fi ars pentru a produce atât căldură, cât și electricitate, de obicei cu un motor alternativ sau microturbină [54] , adesea într-o instalație de cogenerare în care electricitatea generată și căldura reziduală sunt folosite pentru a încălzi digestoarele sau pentru a încălzi clădirile. Surplusul de energie electrică poate fi vândut furnizorilor sau alimentat în rețeaua locală. Electricitatea produsă de reactoare anaerobe este considerată energie regenerabilă și poate atrage subvenții [55] . Biogazul nu contribuie la creșterea concentrației de dioxid de carbon în atmosferă, deoarece gazul nu este eliberat direct în atmosferă, dar dioxidul de carbon provine dintr-o sursă organică cu un ciclu scurt al carbonului.
Biogazul poate necesita procesare sau „curățare” pentru a-l purifica în vederea utilizării ca combustibil [56] . Hidrogenul sulfurat , un produs toxic format din sulfați din materia primă, este eliberat ca o urmă de componentă a biogazului. Autoritățile naționale de mediu, cum ar fi Agenția pentru Protecția Mediului din SUA , Anglia și Țara Galilor, au stabilit limite stricte pentru nivelurile de gaze care conțin hidrogen sulfurat și, dacă nivelurile de hidrogen sulfurat din gaz sunt ridicate, echipamentele de epurare și tratare a gazelor (de exemplu, tratarea gazelor cu amine) va fi necesar. ) pentru prelucrarea biogazului în cadrul nivelurilor regionale acceptate [57] .
Siloxanii volatili pot contamina, de asemenea, biogazul; astfel de compuși se găsesc adesea în deșeurile menajere și în canalizarea. În digestoarele care acceptă aceste materiale ca componentă de materie primă, siloxanii cu greutate moleculară mică se volatilizează în biogaz. Atunci când acest gaz este ars într-un motor cu gaz, turbină sau cazan, siloxanii sunt transformați în dioxid de siliciu (SiO2), care se depune în interiorul mașinii, crescând uzura [58] [59] . Tehnologii practice și rentabile pentru îndepărtarea siloxanilor și a altor contaminanți din biogaz sunt acum disponibile [60] . În unele cazuri, tratamentul in situ poate fi utilizat pentru a îmbunătăți puritatea metanului prin reducerea conținutului de dioxid de carbon al gazelor reziduale prin suflarea cea mai mare parte a acestuia în reactorul secundar [61] .
În țări precum Elveția, Germania și Suedia, metanul conținut de biogaz poate fi comprimat pentru a fi utilizat ca combustibil pentru vehicule sau pentru alimentarea directă în conductele de gaze [62] . În țările în care subvențiile pentru energie electrică din surse regenerabile sunt forța motrice pentru utilizarea digestiei anaerobe, această rută de prelucrare este mai puțin probabilă deoarece este necesară energie în această etapă de procesare și reduce nivelul total disponibil pentru vânzare [55] .
Digestatul este reziduul solid al materiei prime originale care intră în digestoarele pe care microbii nu le pot folosi. De asemenea, constă din rămășițele mineralizate ale bacteriilor moarte din digestoare. Digestatul poate lua trei forme: combinație fibroasă, alcalină sau pe bază de nămol a celor două fracții. În sistemele în două etape, diferite forme de digestat provin din rezervoare digestive diferite. În sistemele de digestie cu o singură etapă, cele două fracții vor fi combinate și, opțional, separate prin procesare ulterioară [63] [64] .
Cel de-al doilea produs secundar, digestatul acidogen, este un material organic stabil compus în principal din lignină și celuloză, precum și din diverse componente minerale într-o matrice de celule bacteriene moarte; poate fi prezent și plasticul. Acest material seamănă cu compostul casnic și poate fi folosit ca atare sau pentru a face produse de construcție de calitate scăzută, cum ar fi plăcile de fibre [65] [66] . Digestatul solid poate fi folosit și ca materie primă pentru producția de etanol [67] .
Al treilea produs secundar este digestatul metanogen, un lichid bogat în nutrienți care poate fi folosit ca îngrășământ în funcție de calitatea materialului digerat. Acest lucru va depinde de calitatea materiei prime. Pentru majoritatea fluxurilor de deșeuri biodegradabile curate și separate, nivelurile de PTE vor fi scăzute. În cazul deșeurilor generate de industrie, nivelurile de PTE pot fi mai mari și ar trebui luate în considerare atunci când se determină utilizarea finală adecvată a materialului.
Digestatul conține de obicei elemente, cum ar fi lignina, care nu pot fi descompuse de microorganismele anaerobe. În plus, digestatul poate conține amoniac, care este fitotoxic și poate interfera cu creșterea plantelor dacă este utilizat ca ameliorator de sol. Din aceste două motive, după digestie poate fi folosită o etapă de coacere sau compostare. Lignina și alte materiale sunt disponibile pentru degradare de către microorganismele aerobe, cum ar fi ciupercile, ceea ce ajută la reducerea cantității totale de material care trebuie transportat. În timpul acestei maturări, amoniacul va fi oxidat la nitrat, îmbunătățind fertilitatea materialului și făcându-l mai potrivit ca ameliorator de sol. Etapele mari de compostare sunt utilizate în mod obișnuit în tehnologiile de digestie anaerobă uscată [36] [68] .
Produsul final al sistemelor de digestie anaerobă este apa, care se formează atât din conținutul de umiditate al deșeurilor brute care au fost tratate, cât și din apa generată din reacțiile microbiene din sistemele de digestie. Această apă poate fi eliberată la deshidratarea digestatului sau poate fi implicit separată de digestat.
Apele uzate care părăsesc o instalație de digestie anaerobă au, de obicei, niveluri ridicate de cerere biochimică (BOD) și de oxigen chimic (COD). Acești indicatori ai reactivității apelor uzate indică capacitatea de a polua mediul. Unele dintre substanțele conținute în apele uzate sunt greu de descompus, ceea ce înseamnă că bacteriile anaerobe nu pot acționa asupra lor pentru a le transforma în biogaz. Dacă aceste ape ar pătrunde direct în cursurile de apă, ar fi afectate negativ prin eutrofizarea . Prin urmare, este adesea necesară tratarea suplimentară a apelor uzate. Acest tratament este de obicei o etapă de oxidare în care aerul este trecut prin apă în reactoare discontinue sau osmoză inversă [69] [70] [71] .