A globális éghajlatváltozás kezelése és az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának mérséklése érdekében egyre fontosabb a megújuló energiaforrások használatára összpontosítani. [1] [2] Egyre nagyobb jelentőséggel bír a fenntartható fejlődés szükségessége a megújuló energia előállításához és felhasználásához. [3]Ez az oldal ezt az igényt az anaerob lebontás során előállított biogáz formáján keresztül kívánja kezelni, különös tekintettel a hordós bioemésztőkre. A hordós bioemésztés a biogáz előállítására és összegyűjtésére használt szerves anyagok anaerob emésztésének egyik formája, és könnyen elvégezhető házilag. Az anaerob folyamat egy "hordóban" (55 gallonos acéldobban vagy hasonlóban) zajlik. Az ilyen típusú emésztés során keletkező termékek elsősorban biogáz és tápanyagban gazdag szennyvíz, de számos egyéb előnnyel is jár. [4]
Contents
Anaerob emésztés
Az anaerob emésztés egy mikrobiális folyamat, amely oxigén hiányában megy végbe, és metanogén folyamat. E folyamat során a szénanyag metabolizálódik, és számos gáz keletkezik. Az anaerob lebontás egy viszonylag régi folyamat, az első ipari folyamatra 1859-ben, a biogáz első begyűjtésére és felhasználására 1895-ben került sor. [5] Az anaerob lebontás a természetes és a mesterséges környezet számos különböző területén megtalálható, beleértve az üledékeket és az állatokat. a belekben és a hulladéklerakókban [6] , és bevált módszer a magas nedvességtartalmú szerves hulladékok kezelésére. [7] A metabolizálódó szerves anyag háromlépéses folyamaton megy keresztül, vagyis hidrolízisen, ecetsav-képződésen és metántermelésen megy keresztül. [8]A hőmérséklet nagymértékben befolyásolja az anaerob folyamat robusztusságát és a biogáz előállításának sebességét. A két elsődleges hőmérsékleti kategória a mezofil és a termofil. [9]
Mezofil
A mezofil emésztés 35-42 C között megy végbe. A mezofil anaerob emésztés az emésztés leggyakoribb formája, és robusztusabb és toleránsabb rendszer, mint a termofil anaerob emésztés. [9] [10] A mezofil mikroorganizmusokról kimutatták, hogy tolerálják a +/-3 C-os hőmérséklet-ingadozásokat. [4]
Termofil
A termofil emésztés 45-60 C között megy végbe. Annak ellenére, hogy a rendszer megnövekedett érzékenysége a mezofil emésztéshez képest, vonzó előnyei vannak, és bizonyos forgatókönyvekhez megfelelő lehet. A termofil anaerob emésztés gyorsabb reakciósebességgel jár, gyorsabban pusztítja el a kórokozókat és a gyommagvakat, és több biogázt termel, mint a mezofil rendszerek. [9] [4]
A rendszer pH-ja is jelentős hatással van az emésztési folyamatra. A metán képződése az anaerob emésztés során 6,5 és 8,0 között megy végbe, az optimális tartomány 7,0-8,0. Amint a pH kilép a metántermelési tartományból, nem megy végbe teljes metanogenezis, és nem képződik metán biogáz. [4] A megfelelő anaerob lebontás végtermékei egy gáznemű termék biogáz és egy magas tápanyagtartalmú szilárd hulladéktermék.
Biogáz
Az anaerob lebontással előállított biogáz viszonylag szagtalan, színtelen, stabil, nem mérgező és gyúlékony. [10] A tipikus anaerob lebontási folyamatok során és az emésztéshez használt nyersanyagtól függően a biogáz körülbelül 60% metánból, 40% szén-dioxidból, valamint kis mennyiségű hidrogén-szulfidból és vízgőzből áll. [6] A metán mennyisége és a keletkező gáz mennyisége függ a felhasznált alapanyag típusától és mennyiségétől, az alkalmazott anaerob lebontás típusától, valamint az emésztési környezet körülményeitől. [11] Noha a biogáz előállításának számos módja létezik, a legköltséghatékonyabb módszernek az anaerob lebontással történő termelést találták [7].
Nyersanyag
A biomassza az a szervesanyag-anaerob rothasztó, amelyet biogáz előállítására használnak, és növényekből állítják elő fotoszintézis útján. A biomasszát sokféle módszerrel lehet kategorizálni, de a biomassza négy fő típusa a következő: [1]
A rothasztóba betáplált alapanyag biomasszából áll, és a nyersanyag minősége a biomassza jellemzőitől függ. Az alapanyag nedvességtartalma és illóanyag-tartalma fontos szerepet játszik az alapanyag minőségének meghatározásában. [11] A magas nedvességtartalmú szerves anyagok, mint például a gyümölcsök, zöldségek [12] és a cukornád, jól alkalmazhatók metán előállítására anaerob lebontással. Az illékony tartalom az emésztés során keletkező gáz mennyiségét jelzi. [1] A nyersanyaggal való manipuláció bizonyos esetekben növeli a termelt biogáz sebességét és mennyiségét.
Mechanikus előkezelés
A hulladékok előkezelése gyakran anaerob rothasztókban történik [13] , és a vizsgálatok összefüggést mutattak ki az előkezelés és a megnövekedett biogázhozam között. [14] Bár nem minden előkezelés alkalmas minden anaerob emésztési művelethez, a mechanikai előkezelés a folyamat egyszerűsége miatt a fejlett és a fejlődő világban egyaránt megfelelő az emésztéshez. A mechanikus előkezelés egyszerűen a rothasztóba betáplált részecskék méretének csökkentéséből áll, ami növeli a mikroorganizmusok számára elérhető felületet. Kimutatták, hogy a méretcsökkentés fokozza az emésztés sebességét és fokozza a gáztermelést. [14] Tanulmányok kimutatták, hogy a hulladékrészecskék csökkentése akár 25%-kal is növelheti a gáztermelést [15]és 25%-kal növeli a szilárdanyag-csökkentést. [16]
Együttemésztés
Az együttemésztés az elsődleges biomassza-típusok keverését jelenti, hogy anaerob emésztéssel növeljék a biogáz sebességét és termelését. Az együttemésztésnek számos előnye van, különösen a biogáz-termelés növekedése és a szennyvíz jobb műtrágyaminősége. [17] Az együttemésztés fő előnye elsősorban abban rejlik, hogy egyetlen nyersanyag sem tökéletes, az alapanyagok keverése pedig lehetővé teszi a tökéletlenségek minimalizálását a tápanyagok kiegyensúlyozásával. [18] Számos tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy az együttes emésztés növelte az anaerob rothasztóból származó biogáz-termelést, különös tekintettel a trágyára és az élelmiszer-hulladék keverékekre [17] [18] [19]
Megtartási idő és betöltési arány
A hidraulikus retenciós idő az emésztőben és az alapanyag betöltési sebessége az emésztőben két olyan tényező, amelyeket könnyen lehet emberileg szabályozni. Tanulmányok kimutatták, hogy a retenciós idő és a gáztermelés nagyon csekély korrelációt mutat, míg a terhelési sebesség és a gáztermelés sokkal erősebb korrelációt mutat. [20] Bár egy bizonyos reaktor számára meg lehet határozni az ideális tartózkodási időt, az idő attól függ, hogy mit próbálunk maximalizálni. A biogáz-termelés, a metánhozam és a szennyvíz minősége mind-mind maximalizálva van különböző tartózkodási időkben. [21]
Keverés
Az alapanyag előkezeléséhez hasonlóan az emésztési folyamat során végrehajtott bizonyos intézkedések növelhetik a gáztermelést. Az elsődleges teendő az emésztő keverése. A keverés vagy keverés előnyei háromszorosak; növeli a mikroorganizmusok és a szerves anyag közötti érintkezést, megkönnyíti a buborékok feláramlását, és csökkenti a hőmérséklet-különbségeket a rothasztóban. [4] Bár a keverés nem szükséges a rothasztó működéséhez, számos tanulmány megerősítette, hogy a rothasztó keverése növeli a rothasztó gáztermelését [22]
Kifolyó
Az emésztési folyamat során a szerves nitrogénben lévő szerves nitrogén ionizált ammóniává alakul, amely a nitrogén alapú műtrágyák 90%-ának kulcsfontosságú része. [20] [23] Ez a nitrogénátalakítás lehetővé teszi, hogy a szennyvizet közvetlenül a növényekbe juttatják, fokozott hatékonysággal. [20] Az anaerob emésztési folyamat inaktiválja a gyommagvakat, baktériumokat és vírusokat (E.coli, Salmonella), gombákat és parazitákat is, amelyek az alapanyagban voltak. Ez az inaktiválás fontos előnye az anaerob emésztésnek, ha a szennyvizet műtrágyaként használják fel. [4]
Építkezés
Ez a rész egy hordós bioemésztő felépítését tárgyalja, amely folyamatosan kevert tartályreaktorként működik, nem pedig szakaszos reaktorként. A hordós bioemésztő anaerob emésztése egy 55 gallonos acéldobban történik. Az alábbiakban egy lépésről lépésre található útmutató segíti a hordós bioemésztő felépítését egy szalagos felső dob segítségével, amely egy eltávolítható fedelet tartalmazó dob.
1. lépés: Szennyvízcsap, adagolócső, gáztömlő
Először a szennyvízcsapot, az adagolócsövet és a gáztömlőt kell rávezetni a rothasztóra. A szennyvíz-elvezető és gáztömlő a hordó megfelelő oldalán és tetején lévő menetes nyílásokhoz illeszthető, míg az adagolócsőhöz lyukat kell vágni a fedélbe.
Szennyvízcsap
Az 1. ábrán látható szennyvízcsap egy 1"-es PVC golyóscsapból áll, amely a csőben lévő 2" menetes csatlakozáshoz van csatlakoztatva PVC-csatlakozón keresztül. A hordó belsejében egy PVC leeresztő rendszer van kialakítva 2" PVC-ből, amelybe lyukak vannak fúrva (2. ábra).
Gáztömlő
A 3. ábrán látható gáztömlő egy 1"-es menetes furatból áll a hordófedélen, amely a gáztömlőhöz vezető 1/4"-os sárgaréz csőhöz van csatlakoztatva. Az ábrázolt sárgaréz csőcsatlakozás egy nyomásmérőt és két golyóscsapot tartalmaz. A rendszer kívánt egyszerűségétől függően csak egy szelepre van szükség, amely lehetővé teszi az egyik golyóscsap és a nyomásmérő eltávolítását. Egy 3/8"-os gumitömlő van a sárgaréz csőrendszerhez rögzítve az egyik végén, a másik végén pedig egy 1/4"-es légtokmány. A légtokmány lehetővé teszi a biogáz összegyűjtését és tárolását kerékpárban vagy autógumikban.
Etetőcső
Az adagolócső lehetővé teszi a hulladék hozzáadását a fermentorhoz, lehetővé téve a folyamatos gáztermelést, miután a rothasztó érett, ellentétben a szakaszos rothasztóval, ahol a hulladékot az indítóiszaphoz adják, és a rothasztót lezárják, amíg a gáztermelés meg nem szűnik. Az adagolócső lehetővé teszi a rothasztó anaerob állapotának fenntartását takarmányozás közben is, mivel az etetési folyamat során oxigénnel érintkező rendkívül kis mennyiségű rothasztóanyag van kitéve. Először egy 4"-os lyukat kell a fedélbe vágni. Ezt megtehetjük hegesztési kellékekkel és tudással vagy plazmavágóval. A 4. ábrán látható adagolócső egy 3"-os PVC cső, melynek hossza 24". Az adagolás A cső két 4X3 PVC pop top karimával van rögzítve a fedélhez, egy-egy a fedél mindkét oldalán. A külső karimát 4"-es PVC tisztító és dugó borítja,[24]
1. ábra: Szennyvízcsap a hordós bioemésztőn
Fig. 1: Effluent tap on the barrel biodigester
Fig. 2: Internal draining system
Fig. 3: Gas release mechanism for the barrel biodigester
Fig. 4: The internal components of the feeding tube: 3" PVC
Fig. 5: The external components of the feeding tube: pop top flange & cleanout and plug
2. lépés: A lyukak és szivárgások tömítése
Az építkezés első lépése a hordóban esetlegesen előforduló szivárgások vagy lyukak felkutatása és lezárása. A szivárgások megtalálásához töltse fel a dobot vízzel, és vizsgálja meg a dob külsejét, hogy nincs-e benne szivárgás. Ha szivárgást talál, jelölje meg a helyét későbbi hivatkozás céljából. Miután minden szivárgást azonosított, ürítse ki a vizet a dobból, és folytassa a szivárgások lezárását. A szivárgások lezárhatók kátrány felhordásával. Folytassa a dob vízzel való feltöltését, és a szivárgásokat kátránnyal foltozza be, amíg nem talál semmit. [25]
Üzembe helyezés
Az anaerob rothasztó beindítása kulcsfontosságú eleme a rothasztó sikerének. A gáztermelés addig nem éri el teljes potenciálját, amíg a rothasztó be nem éri. Míg a rothasztó beindítható egyszerűen a hulladékok és a víz összekeverésével és lezárásával, ez a folyamat rendkívül hosszú ideig tart, amíg kifejlődik és eléri teljes kapacitását. A kutatásban és a gyakorlatban ma már mindennapos, hogy az emésztőt egy másik működő emésztőből származó szennyvízzel "bevetik". [20] [17] [26]Ennek a szennyvíznek a hozzáadása kiindulási blokkot biztosít a rothasztó számára, és növeli az érettség elérésének sebességét. Az ebben az „indítási” fázisban keletkező gáz nem rendelkezik ugyanazokkal a tűzveszélyes jellemzőkkel, mint egy érett rothasztó által termelt gáz, ezért nem szabad összegyűjteni. Korábban elhangzott, hogy a keverés előnyös az érett bioemésztő számára, de ez nem mondható el az indulási fázisról. Kimutatták, hogy az indítási szakaszban történő keverés megnöveli azt az időt, amely alatt az új rothasztó érett. [27]
Használat
Amint azt korábban tárgyaltuk, a biogáz előállításához szerves anyagokra van szükség. Mivel a rothasztó folyamatos tartályreaktorként működik, naponta ugyanabban az időben kell betáplálni. A hulladékok betöltési sebessége 1-6,8 g/l*nap tartományban legyen. [28] Az állandó térfogat fenntartása érdekében a hozzáadott hulladék mennyiségével megegyező mennyiségű szennyvizet kell elszívni. [11] A rothasztó érlelése után a gázgyűjtés megkezdhető. A gázgyűjtés történhet állandóan a tárolóberendezésen lévő reteszelő légtokmány használatával, vagy időszakosan, amikor biogázra van szükség.
Társadalmi és gazdasági hatás
A biológiai emésztésnek jelentős társadalmi és gazdasági hatásai vannak mind a fejlett, mind a fejlődő világban. Mindkét esetben jelentős szervesanyag-pazarlásról és növekvő energiaszükségletről van szó. Míg a fejlett világban az anaerob emésztés lényegesen nagyobb léptékben megy végbe, mint az otthoni rendszerekben, mindkettőnek ugyanaz a fogalma: hulladékból hasznosítható energiát termelni. A kifejlesztett léptékben az anaerob rothasztást szennyvíztisztító telepeken, sörfőzdékben, kereskedelmi gazdaságokban és nagyméretű biopiacokon végzik, amelyek gyakran anaerob rothasztást végeznek. [29] [30] [31]Jelentős munka folyik, hogy tovább vigyék a bioemésztő anyagokat a fejlődő világba. A perui és nepáli projektek jelentős hatást mutattak az anaerob rothasztók bevezetése miatt. Bár ezeket a projekteket biztosan nem reprodukálják világszerte, meglehetősen gyakran hajtják végre változó sikerrel. Ezek a projektek pozitív egészségügyi hatásokat találtak a tisztább tüzelőanyag használatából, a mezőgazdasági hozamok javulásának gazdasági hatásai, a kisebb faanyag-felhasználásból fakadó alacsonyabb erdőirtás környezeti hatásai, valamint a nőkre és gyermekekre gyakorolt társadalmi hatások, amelyek miatt nem kell sok időt tölteniük. fa gyűjtése. [32] [3]
Jegyzetek és hivatkozások
- ↑Ugrás ide:1.0 1.1 1.2 McKendry, P. (2002). Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. Bioresource technology, 83(1), 37-46.
- ↑ Amon, T., Amon, B., Kryvoruchko, V., Machmüller, A., Hopfner-Sixt, K., Bodiroza, V.,... & Zollitsch, W. (2007). Methane production through anaerobic digestion of various energy crops grown in sustainable crop rotations.Bioresource Technology, 98(17), 3204-3212.
- ↑ Jump up to: 3.0 3.1 Garfí, M., Ferrer-Martí, L., Velo, E., & Ferrer, I. (2012). Evaluating benefits of low-cost household digesters for rural Andean communities. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 575-581.
- ↑ Jump up to: 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Weiland, P. (2010). Biogas production: current state and perspectives. Applied microbiology and biotechnology, 85(4), 849-860.
- ↑ Monnet, F. (2003). An introduction to anaerobic digestion of organic wastes. Remade Scotland, 1-48.
- ↑ Jump up to: 6.0 6.1 Chynoweth, D. P., Owens, J. M., & Legrand, R. (2001). Renewable methane from anaerobic digestion of biomass. Renewable energy, 22(1), 1-8.
- ↑ Jump up to: 7.0 7.1 McKendry, P. (2002). Energy production from biomass (part 2): conversion technologies. Bioresource technology, 83(1), 47-54.
- ↑ Lastella, G., Testa, C., Cornacchia, G., Notornicola, M., Voltasio, F., & Sharma, V. K. (2002). Anaerobic digestion of semi-solid organic waste: biogas production and its purification. Energy conversion and management, 43(1), 63-75.
- ↑ Jump up to: 9.0 9.1 9.2 Kim, J. K., Oh, B. R., Chun, Y. N., & Kim, S. W. (2006). Effects of temperature and hydraulic retention time on anaerobic digestion of food waste. Journal of bioscience and bioengineering, 102(4), 328-332.
- ↑ Jump up to: 10.0 10.1 YALDIZ, O. O., SOZER, S. S., CAGLAYAN, N. N., ERTEKIN, C. C., & KAYA, D. D. (2011). Methane Production from Plant Wastes and Chicken Manure at Different Working Conditions of a One-stage Anaerobic Digester. Energy Sources Part A: Recovery, Utilization & Environmental Effects, 33(19), 1802-1813. doi:10.1080/15567030903419463
- ↑ Jump up to: 11.0 11.1 11.2 Nallathambi Gunaseelan, V. (1997). Anaerobic digestion of biomass for methane production: a review. Biomass and bioenergy, 13(1), 83-114.
- ↑ Viswanath, P., Sumithra Devi, S., & Nand, K. (1992). Anaerobic digestion of fruit and vegetable processing wastes for biogas production. Bioresource Technology, 40(1), 43-48.
- ↑ Gray, D. M., Suto, P., & Peck, C. (2008). Anaerobic Digestion of Food Waste.USEPA No. EPA-R9-WST-06, 4.
- ↑ Jump up to: 14.0 14.1 Mata-Alvarez, J., Mace, S., & Llabres, P. (2000). Anaerobic digestion of organic solid wastes. An overview of research achievements and perspectives.Bioresource technology, 74(1), 3-16.
- ↑ Hartmann, H., Angelidaki, I., & Ahring, B. K. (2000). Increase of anaerobic degradation of particulate organic matter in full-scale biogas plants by mechanical maceration. Water Science & Technology, 41(3), 145-153.
- ↑ Kruger, M. M., Kopp, J. J., Dichtl, N. N., & Engelhart, M. M. (2000). Effects of disintegration on anaerobic degradation of sewage excess sludge in downflow stationary fixed film digesters. Water Science & Technology, 41(3), 171.
- ↑ Jump up to: 17.0 17.1 17.2 Molinuevo-Salces, B., González-Fernández, C., Gómez, X., García-González, M. C., & Morán, A. (2012). Vegetable processing wastes addition to improve swine manure anaerobic digestion: Evaluation in terms of methane yield and SEM characterization. Applied Energy, 91(1), 36-42.
- ↑ Jump up to: 18.0 18.1 Brown, D., & Li, Y. (2012). Solid State Anaerobic Co-Digestion of Yard Waste and Food Waste for Biogas Production. Bioresource Technology.
- ↑ Zhang, L., Lee, Y. W., & Jahng, D. (2011). Anaerobic co-digestion of food waste and piggery wastewater: Focusing on the role of trace elements.Bioresource technology, 102(8), 5048-5059.
- ↑ Jump up to: 20.0 20.1 20.2 20.3 Thy, S., Preston, T. R., & Ly, J. (2003). Effect of retention time on gas production and fertilizer value of biodigester effluent. Livestock Research for Rural Development, 15(7), 2003.
- ↑ Kim, J. K., Oh, B. R., Chun, Y. N., & Kim, S. W. (2006). Effects of temperature and hydraulic retention time on anaerobic digestion of food waste. Journal of bioscience and bioengineering, 102(4), 328-332.
- ↑ Karim, K., Hoffmann, R., Klasson, T., & Al-Dahhan, M. H. (2005). Anaerobic digestion of animal waste: Waste strength versus impact of mixing. Bioresource technology, 96(16), 1771-1781.
- ↑ Gellings, C. W., & Parmenter, K. E. (2004). Energy efficiency in fertilizer production and use. Efficient Use and Conservation of Energy, Encyclopedia of Life Support Systems. Eolss Publishers, Oxford, UK. www. eolss. net.
- ↑ Beaster, T., Pomeroy, K., Smith, D. Barrel Biodigester
- ↑ Food and Agriculture Organization of the United Nations. (1986). Better Farming Series 32. Biogas 2: Building a Better Biogas Unit.
- ↑ Nand, K., Sumithra Devi, S., Viswanath, P., Deepak, S., & Sarada, R. (1991). Anaerobic digestion of canteen wastes for biogas production: process optimisation. Process biochemistry, 26(1), 1-5.
- ↑ Karim, K., Hoffmann, R., Thomas Klasson, K., & Al-Dahhan, M. H. (2005). Anaerobic digestion of animal waste: Effect of mode of mixing. Water research,39(15), 3597-3606.
- ↑ Bouallagui, H., Touhami, Y., Ben Cheikh, R., & Hamdi, M. (2005). Bioreactor performance in anaerobic digestion of fruit and vegetable wastes. Process Biochemistry, 40(3), 989-995.
- ↑ Kasapgil Ince, B., Ince, O., Anderson, G. K., & Arayici, S. (2001). Assessment of biogas use as an energy source from anaerobic digestion of brewery wastewater. Water, Air, & Soil Pollution, 126(3), 239-251.
- ↑ Mata-Alvarez, J., Llabres, P., Cecchi, F., & Pavan, P. (1992). Anaerobic digestion of the Barcelona central food market organic wastes: experimental study. Bioresource technology, 39(1), 39-48.
- ↑ Holm-Nielsen, J. B., Al Seadi, T., & Oleskowicz-Popiel, P. (2009). The future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresource Technology, 100(22), 5478-5484.
- ↑ Katuwal, H., & Bohara, A. K. (2009). Biogas: A promising renewable technology and its impact on rural households in Nepal. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(9), 2668-2674.