Barrel Biodigester/Vatvormige biovergister

Om de wereldwijde klimaatverandering aan te pakken en de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, wordt het steeds belangrijker om te focussen op het gebruik van hernieuwbare energiebronnen. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Ook de behoefte aan duurzame ontwikkeling om hernieuwbare energie te creëren en te gebruiken, neemt toe. ^{[ 3 ]} Deze pagina zal ingaan op deze behoefte door middel van biogas dat wordt geproduceerd via het proces van anaerobe vergisting, met de nadruk op vatbiodigestoren. Vatbiodigestie is een vorm van anaerobe vergisting van organisch materiaal die wordt gebruikt om biogas te produceren en op te vangen en kan gemakkelijk op huishoudelijke schaal worden uitgevoerd. Het anaerobe proces vindt plaats in een "vat" (een stalen vat van 55 gallon of iets dergelijks). De resulterende producten van dit type vergisting zijn voornamelijk biogas en voedingsrijk effluent, maar er zijn tal van andere voordelen. ^{[ 4 ]}

Anaerobe vergisting is een microbiologisch proces dat plaatsvindt in afwezigheid van zuurstof en een methaanproducerend proces is. Tijdens dit proces wordt koolstofhoudend materiaal gemetaboliseerd om een ​​reeks gassen te produceren. Anaerobe vergisting is een relatief oud proces; het eerste geïndustrialiseerde proces vond plaats in 1859 en de eerste winning en het gebruik van biogas in 1895. ^{[ 5 ]} Anaerobe vergisting komt voor in veel verschillende gebieden van de natuurlijke en door de mens gecreëerde omgeving, waaronder sedimenten, dierlijke darmen en stortplaatsen, ^{[ 6 ]} en is een beproefde methode voor de behandeling van organisch afval met een hoog vochtgehalte. ^{[ 7 ]} Het gemetaboliseerde organische materiaal ondergaat een proces in drie stappen: hydrolyse, azijnzuurvorming en methaanproductie. ^{[ 8 ]} De temperatuur heeft een grote invloed op de robuustheid van het anaerobe proces en de snelheid waarmee biogas wordt geproduceerd. De twee belangrijkste temperatuurcategorieën zijn mesofiel en thermofiel. ^{[ 9 ]}

Mesofiele vergisting vindt plaats tussen 35 en 42 °C. Mesofiele anaerobe vergisting is de meest voorkomende vorm van vergisting en is een robuuster en toleranter systeem dan thermofiele anaerobe vergisting. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Er is aangetoond dat mesofiele micro-organismen temperatuurschommelingen van +/- 3 °C kunnen verdragen. ^{[ 4 ]}

Thermofiele vergisting vindt plaats tussen 45 en 60 °C. Ondanks de verhoogde gevoeligheid van het systeem in vergelijking met mesofiele vergisting, heeft het aantrekkelijke voordelen en kan het geschikt zijn voor bepaalde scenario's. Thermofiele anaerobe vergisting zal snellere reactiesnelheden hebben, een hogere vernietigingssnelheid van pathogenen en onkruidzaden vertonen en meer biogas produceren dan mesofiele systemen. ^{[ 9 ] [ 4 ]}

De pH van het systeem heeft ook een significant effect op het vergistingsproces. De vorming van methaan bij anaerobe vergisting vindt plaats tussen 6,5 en 8,0, met een optimaal bereik van 7,0-8,0. Zodra de pH buiten het bereik voor methaanproductie komt, zal er geen volledige methanogenese plaatsvinden en zal er geen methaanbiogas worden geproduceerd. ^{[ 4 ]} De eindproducten van een goede anaerobe vergisting zijn een gasvormig biogas en een vast afvalproduct met een hoog nutriëntengehalte.

Het biogas dat door anaërobe vergisting wordt geproduceerd, is relatief geurloos, kleurloos, stabiel, niet-giftig en brandbaar. ^{[ 10 ]} Bij typische anaërobe vergistingsprocessen, en afhankelijk van de gebruikte grondstof, bestaat het biogas uit ongeveer 60% methaan, 40% koolstofdioxide en kleine hoeveelheden waterstofsulfide en waterdamp. ^{[ 6 ]} De hoeveelheid methaan en de hoeveelheid geproduceerd gas hangt af van het type en de hoeveelheid gebruikte grondstof, het type anaërobe vergisting en de omstandigheden van de vergistingsomgeving. ^{[ 11 ]} Hoewel er talloze manieren zijn om biogas te produceren, is gebleken dat productie door anaërobe vergisting de meest kosteneffectieve methode is. ^{[ 7 ]}

Biomassa is de organische stof die anaerobe vergisters gebruiken om biogas te produceren, en wordt door middel van fotosynthese uit planten verkregen. Biomassa kan op veel verschillende manieren worden gecategoriseerd, maar de vier belangrijkste soorten biomassa zijn: ^{[ 1 ]}

• houtachtige planten
• kruidachtige planten en grassen
• waterplanten
• mest

De grondstof die aan de vergister wordt toegevoerd, bestaat uit biomassa, en de kwaliteit van de grondstof hangt af van de eigenschappen van de biomassa. Het vochtgehalte en het gehalte aan vluchtige stoffen van de grondstof spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de kwaliteit ervan. ^{[ 11 ]} Organische stoffen met een hoog vochtgehalte, zoals fruit, groenten ^{[ 12 ]} en suikerriet, zijn zeer geschikt voor de productie van methaan door middel van anaerobe vergisting. Het gehalte aan vluchtige stoffen is een indicatie van de hoeveelheid gas die door vergisting zal worden geproduceerd. ^{[ 1 ]} Er is gebleken dat manipulatie van de grondstof in sommige gevallen de snelheid en het volume van de geproduceerde biogas kan verhogen.

Voorbehandeling van afvalstoffen vindt vaak plaats in anaerobe vergisters ^{[ 13 ]} en studies hebben een correlatie aangetoond tussen voorbehandeling en verhoogde biogasopbrengsten. ^{[ 14 ]} Hoewel niet alle voorbehandelingen geschikt zijn voor alle anaerobe vergistingsprocessen, is mechanische voorbehandeling geschikt voor vergisting in zowel ontwikkelde als ontwikkelingslanden vanwege de eenvoud van het proces. Mechanische voorbehandeling bestaat simpelweg uit het verkleinen van de deeltjes die aan de vergister worden toegevoerd, waardoor het beschikbare oppervlak voor de micro-organismen toeneemt. Het is aangetoond dat verkleining de vergistingssnelheid en de gasproductie verhoogt. ^{[ 14 ]} Studies hebben aangetoond dat het verkleinen van de afvaldeeltjes de gasproductie met wel 25% kan verhogen ^{[ 15 ]} en de reductie van vaste stoffen met 25%. ^{[ 16 ]}

Co-vergisting is het mengen van verschillende primaire biomassasoorten om de snelheid en de productie van biogas door anaërobe vergisting te verhogen. Co-vergisting heeft verschillende voordelen, met name een verhoogde biogasproductie en een verbeterde kwaliteit van de meststoffen in het effluent. ^{[ 17 ]} Het belangrijkste voordeel van co-vergisting ligt vooral in het feit dat geen enkele grondstof perfect is, en het mengen van grondstoffen maakt het mogelijk om imperfecties te minimaliseren door de nutriënten in evenwicht te brengen. ^{[ 18 ]} Talrijke studies hebben geconcludeerd dat co-vergisting de biogasproductie uit een anaërobe vergister verhoogt, met name bij mengsels van mest en voedselafval. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

De hydraulische verblijftijd in de vergister en de beladingssnelheid van de grondstof in de vergister zijn twee factoren die gemakkelijk door de mens te controleren zijn. Studies hebben aangetoond dat de verblijftijd en de gasproductie een zeer geringe correlatie vertonen, terwijl de beladingssnelheid en de gasproductie een veel sterkere correlatie laten zien. ^{[ 20 ]} Hoewel het mogelijk is om een ​​ideale verblijftijd voor een bepaalde reactor te bepalen, zal de tijd afhangen van wat men probeert te maximaliseren. Biogasproductie, methaanopbrengst en effluentkwaliteit worden allemaal gemaximaliseerd bij verschillende verblijftijden. ^{[ 21 ]}

Net als bij de voorbehandeling van de grondstof kunnen bepaalde handelingen tijdens het vergistingsproces de gasproductie verhogen. De belangrijkste handeling is het mengen van de vergister. Het mengen of roeren heeft drie voordelen: het vergroot het contact tussen de micro-organismen en het organische materiaal, vergemakkelijkt de opwaartse stroming van bellen en vermindert de temperatuurverschillen in de vergister. ^{[ 4 ]} Hoewel mengen niet noodzakelijk is voor de werking van een vergister, hebben talrijke studies bevestigd dat het mengen van het vergistingsresidu de gasproductie van de vergister verhoogt ^{[ 22 ].}

Tijdens het vergistingsproces wordt organische stikstof omgezet in geïoniseerde ammoniak, een belangrijk bestanddeel van 90% van de stikstofmeststoffen. ^{[ 20 ] [ 23 ]} Deze stikstofomzetting maakt het mogelijk om het effluent met verhoogde efficiëntie rechtstreeks op de planten toe te passen. ^{[ 20 ]} Het anaërobe vergistingsproces inactiveert ook onkruidzaden, bacteriën en virussen (E.coli, Salmonella), schimmels en parasieten die in de grondstof aanwezig waren. Deze inactivatie is een belangrijk voordeel van anaërobe vergisting als het effluent als meststof wordt gebruikt. ^{[ 4 ]}

In dit gedeelte wordt de constructie van een vatbiodigestor besproken, die functioneert als een continu geroerde tankreactor in plaats van een batchreactor. De anaerobe vergisting in een vatbiodigestor vindt plaats in een stalen vat van 55 gallon (ongeveer 208 liter). Hieronder volgt een stapsgewijze handleiding voor de constructie van een vatbiodigestor met een afneembaar deksel.

Eerst moeten de afvoerkraan, de toevoerbuis en de gasslang op de vergister worden aangesloten. De afvoerkraan en de gasslang kunnen worden bevestigd aan de schroefdraadopeningen aan respectievelijk de zijkant en de bovenkant van het vat, terwijl voor de toevoerbuis een gat in het deksel moet worden gemaakt.

De afvoerkraan in figuur 1 bestaat uit een 1" PVC-kogelkraan die via een PVC-koppeling is verbonden met de 2"-schroefdraadaansluiting in het vat. Aan de binnenzijde van het vat is een PVC-afvoersysteem gemaakt van 2" PVC met daarin geboorde gaten (figuur 2).

De gasslang in figuur 3 bestaat uit een 1" schroefdraadgat in het deksel van het vat, verbonden met een 1/4" messing buis die naar de gasslang leidt. De getoonde messing buisaansluiting is voorzien van een manometer en twee kogelkranen. Afhankelijk van de gewenste eenvoud van het systeem is slechts één klep nodig, waardoor één van de kogelkranen en de manometer weggelaten kunnen worden. Aan het messing buissysteem is aan het ene uiteinde een 3/8" rubberen slang bevestigd en aan het andere uiteinde een 1/4" luchtkoppeling. Met de luchtkoppeling kan biogas worden opgevangen en opgeslagen in een fiets- of autoband.

De toevoerbuis maakt het mogelijk om afval toe te voegen aan het digestaat, waardoor continue gasproductie mogelijk is zodra de vergister is gerijpt. Dit in tegenstelling tot een batchvergister, waar het afval wordt toegevoegd aan een startbrij en de vergister wordt afgesloten totdat de gasproductie stopt. De toevoerbuis zorgt er ook voor dat de anaerobe toestand van de vergister tijdens het toevoeren behouden blijft, doordat er tijdens het toevoeren extreem weinig digestaat aan zuurstof wordt blootgesteld. Eerst moet er een gat van 10 cm (4 inch) in het deksel worden gemaakt. Dit kan met lasmateriaal en -kennis of een plasmasnijder. De toevoerbuis in figuur 4 is een PVC-buis van 7,5 cm (3 inch) met een lengte van 61 cm (24 inch). De toevoerbuis is aan het deksel bevestigd met twee PVC-flenzen van 10 x 7,5 cm (4 x 3 inch), één aan elke kant van het deksel. De buitenste flens is afgedekt met een PVC-afvoeropening van 10 cm (4 inch) met een plug, waardoor de toevoerbuis kan worden afgesloten. Dit is te zien in figuur 5. Zie de onderstaande video voor verdere uitleg. ^{[ 24 ]}

• 

  Afbeelding 1: Aftapkraan voor afvalwater op de vatvormige biovergister
• 
  Afbeelding 1: Aftapkraan voor afvalwater op de vatvormige biovergister
• 
  Afbeelding 2: Intern afvoersysteem
• 
  Afbeelding 3: Gasafvoermechanisme voor de vatvormige biodigestor
• 
  Afbeelding 4: De interne componenten van de voedingsbuis: 3" PVC
• 
  Afbeelding 5: De externe componenten van de voedingsbuis: pop-top flens, reinigingsopening en afsluitplug.

De eerste stap bij de constructie is het opsporen en dichten van eventuele lekken of gaten in het vat. Om de lekken te vinden, vult u het vat met water en onderzoekt u de buitenkant van het vat op lekken. Als er lekken worden gevonden, markeert u de locatie ervan voor toekomstig gebruik. Nadat alle lekken zijn geïdentificeerd, leegt u het vat en gaat u verder met het dichten van de lekken. De lekken kunnen worden gedicht door teer op de betreffende plek aan te brengen. Blijf het vat vullen met water en dicht de lekken met teer totdat er geen lekken meer worden gevonden. ^{[ 25 ]}

De opstartfase van een anaërobe vergister is een cruciaal onderdeel voor het succes ervan. De gasproductie zal pas zijn volledige potentieel bereiken wanneer de vergister is gerijpt. Hoewel het mogelijk is om een ​​vergister op te starten door simpelweg afvalstoffen en water in de vergister te mengen en deze af te sluiten, zal dit proces extreem lang duren voordat de vergister zijn volledige capaciteit bereikt. Het is tegenwoordig gebruikelijk in onderzoek en praktijk om de vergister te "enten" met effluent van een andere functionerende vergister. ^{[ 20 ] [ 17 ] [ 26 ]} De toevoeging van dit effluent zorgt voor een startblok voor de vergister en verhoogt de snelheid waarmee deze rijpt. Het gas dat tijdens deze "opstartfase" wordt geproduceerd, heeft niet dezelfde ontvlambare eigenschappen als gas dat door een rijpe vergister wordt geproduceerd en mag daarom niet worden opgevangen. Er is eerder gesteld dat mengen gunstig is voor een rijpe biodigestor, maar hetzelfde geldt niet voor de opstartfase. Het is aangetoond dat mengen tijdens de opstartfase de tijd verlengt die een nieuwe vergister nodig heeft om rijp te worden. ^{[ 27 ]}

Zoals eerder besproken, is organisch materiaal nodig voor de productie van biogas. Omdat de vergister functioneert als een continue tankreactor, moet deze dagelijks op hetzelfde tijdstip worden gevoed. De toevoersnelheid van afvalstoffen moet tussen de 1 en 6,8 g/L*dag liggen. ^{[ 28 ]} Om een ​​constant volume te handhaven, moet een hoeveelheid effluent gelijk aan het toegevoegde afvalvolume worden afgetapt. ^{[ 11 ]} Na de rijping van de vergister kan de gaswinning beginnen. Gaswinning kan continu plaatsvinden door middel van een afsluitbare luchtklep op de opslaginrichting of periodiek wanneer biogas nodig is.

Biodigestie heeft aanzienlijke sociale en economische gevolgen, zowel in ontwikkelde als in ontwikkelingslanden. In beide gevallen is er sprake van aanzienlijke hoeveelheden organisch afval en een toenemende energiebehoefte. Hoewel anaerobe vergisting in ontwikkelde landen op een veel grotere schaal plaatsvindt dan in huishoudelijke systemen, is het concept in beide gevallen hetzelfde: bruikbare energie produceren uit afval. In ontwikkelde landen vindt anaerobe vergisting plaats bij afvalwaterzuiveringsinstallaties, brouwerijen, commerciële landbouwbedrijven en grote biologische markten. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} Er wordt veel werk verricht om biodigestoren ook in ontwikkelingslanden te introduceren. Projecten in Peru en Nepal hebben aanzienlijke effecten laten zien dankzij de introductie van anaerobe vergisters. Hoewel deze projecten zeker niet wereldwijd worden herhaald, worden ze wel regelmatig uitgevoerd met wisselend succes. Uit deze projecten bleek dat het gebruik van een schonere brandstof voor het koken positieve gevolgen had voor de gezondheid, economische gevolgen door verbeterde landbouwopbrengsten, milieueffecten door lagere ontbossingspercentages als gevolg van minder houtverbruik, en sociale gevolgen doordat vrouwen en kinderen niet langer veel tijd hoefden te besteden aan het verzamelen van hout. ^{[ 32 ] [ 3 ]}

• E305 biovergister voor in de achtertuin

• Anaerobe vergisting