Metanová fermentace (někdy nesprávně jinak nazývaná anaerobní fermentace ) je proces biologického rozkladu organických látek s uvolňováním volného metanu .
Organické sloučeniny + H 2 O → CH 4 + CO 2 + C 5 H 7 NO 2 + NH 4 + HCO 3 .
Organické sloučeniny ( bílkoviny , sacharidy , tuky ), které jsou přítomné v biomase , se působením hydrolytických enzymů začnou rozkládat na nejjednodušší organické sloučeniny ( aminokyseliny , cukry , mastné kyseliny ) . Tato fáze se nazývá hydrolýza a probíhá pod vlivem acetogenních bakterií . Ve druhém stupni dochází vlivem heteroacetogenních bakterií k hydrolytické oxidaci některých nejjednodušších organických sloučenin , jejímž výsledkem je acetát , oxid uhličitý a volný vodík . Další část organických sloučenin s acetátem získaným ve 2. stupni tvoří sloučeniny C 1 (nejjednodušší organické kyseliny). Výsledné látky jsou živným médiem pro bakterie tvořící metan 3. stupně . Stádium 3 probíhá prostřednictvím dvou procesů způsobených různými skupinami bakterií. Tyto dvě skupiny bakterií přeměňují sloučeniny živin 2. stupně na metan CH 4 , vodu H 2 O a oxid uhličitý [1] .
Proces probíhá v bakteriální biomase a zahrnuje přeměnu složitých organických sloučenin – polysacharidů, tuků a bílkovin na metan CH 4 a oxid uhelnatý CO (4).
Bakterie jsou rozděleny do tří typů podle jejich nutričních potřeb:
Nejdůležitějším výchozím bodem při zvažování použití systémů anaerobní digesce je surovina pro proces. Téměř jakýkoli organický materiál lze recyklovat pomocí anaerobní digesce [2] ; pokud je však cílem produkce bioplynu, pak je míra rozkladu klíčovým faktorem jeho úspěšné aplikace [3] . Čím více hnilobného (stravitelného) materiálu, tím vyšší je výstup plynu ze systému.
Suroviny mohou zahrnovat biologicky rozložitelný odpad, jako je odpadový papír, posekaná tráva, zbytky jídla, splašky a živočišný odpad [4] . Dřevní odpad je výjimkou, protože je z velké části nestrávený, protože většina anaerobů není schopna rozložit lignin . K rozkladu ligninu lze použít xylofalgické anaeroby (spotřebitelé ligninu) nebo použít vysokoteplotní předúpravu, jako je pyrolýza. Anaerobní fermentory mohou být také krmeny speciálně pěstovanými energetickými plodinami , jako je siláž , pro specializovanou produkci bioplynu. V Německu a kontinentální Evropě se těmto zařízením říká „bioplynové stanice“. Kofermentační zařízení je typicky zemědělský anaerobní reaktor, který přijímá dvě nebo více surovin pro simultánní vyhnívání [5] .
Doba potřebná pro anaerobní vyhnívání závisí na chemické složitosti materiálu. Materiál bohatý na snadno stravitelné cukry rychle degraduje, zatímco intaktní lignocelulózový materiál bohatý na celulózu a hemicelulózové polymery může trvat mnohem déle, než se rozloží [6] . Anaerobní mikroorganismy obecně nejsou schopny rozložit lignin, odolnou aromatickou složku biomasy [7] .
Anaerobní reaktory byly původně navrženy pro zpracování čistírenských kalů a hnoje. Odpadní voda a hnůj však nejsou materiálem s největším potenciálem pro anaerobní digesci, protože biologicky rozložitelný materiál již má většinu energie absorbovanou zvířaty, která jej vyrobila. Mnoho fermentorů proto pracuje s kodigescí dvou a více surovin. Například ve farmářském fermentoru využívajícím mléčný hnůj jako hlavní surovinu [8] lze produkci plynu výrazně zvýšit přidáním druhé suroviny, jako je tráva a kukuřice (typická zemědělská surovina), nebo různé organické vedlejší produkty, jako je odpad z jatek. , tuky, oleje a tuky z restaurací, organický domovní odpad atd. [9]
Digestory zpracovávající izolované energetické plodiny mohou dosáhnout vysoké úrovně degradace a produkce bioplynu [10] [11] [12] . Systémy využívající pouze kejdu bývají levnější, ale generují mnohem méně energie než systémy využívající plodiny, jako je kukuřice a travní siláž; s použitím malého množství rostlinného materiálu (30 %) může zařízení na anaerobní vyhnívání zvýšit produkci energie o faktor deset a pouze ztrojnásobit kapitálové náklady systému pouze s kejdou [13] .
Druhým problémem souvisejícím se vstupní surovinou je obsah vlhkosti. Sušší, stohovatelné substráty, jako je jídlo a odpad ze dvora, jsou vhodné pro trávení v tunelových komorách. Tunelové systémy mají také typicky téměř nulové vypouštění odpadních vod, takže tento styl systému má výhody tam, kde je vypouštění kapalin z fermentoru překážkou. Čím vlhčí materiál, tím vhodnější bude pro manipulaci se standardními čerpadly namísto energeticky náročných betonových čerpadel a fyzických vozidel. Kromě toho, čím vlhčí materiál, tím větší objem a plochu zaujímá vzhledem k hladinám produkovaného plynu. Obsah vlhkosti cílové suroviny také ovlivní, jaký typ systému se používá k jejímu zpracování. Pro použití anaerobního vyhnívacího zařízení s vysokým obsahem pevných látek k ředění suroviny by měla být použita plniva, jako je kompost, aby se zvýšil obsah pevných látek ve vstupní surovině [14] . Dalším klíčovým faktorem je poměr uhlíku k dusíku suroviny. Tento poměr je rovnováha potravy potřebná pro růst mikroba; optimální poměr C:N je 20-30:1 [15] . Nadbytek dusíku může vést k inhibici trávení amoniakem [11] .
Úroveň kontaminace vstupních surovin je klíčovým faktorem při použití mokrého rozkladu nebo rozkladu korku.
Pokud surovina fermentoru obsahuje významné úrovně fyzikálních kontaminantů, jako jsou plasty, sklo nebo kovy, bude pro použití materiálu nutné zpracování k odstranění kontaminantů [16] . Pokud se neodstraní, vyhnívací nádrže se mohou zablokovat a nebudou efektivně fungovat. Tento problém s kontaminací nevzniká při suché digesci nebo anaerobní digesci v pevném stavu (SSAD) rostlin, protože SSAD zpracovává suchou stohovatelnou biomasu s vysokým procentem pevných látek (40–60 %) v plynotěsných komorách nazývaných fermentační boxy [17] . S tímto pochopením jsou navržena zařízení pro mechanickou a biologickou úpravu. Čím vyšší je úroveň předúpravy suroviny, tím více zpracovatelského zařízení bude zapotřebí, a proto bude mít projekt vyšší kapitálové náklady [18] .
Po třídění nebo prosévání za účelem odstranění jakýchkoli fyzikálních kontaminantů ze suroviny je materiál často drcen, rozemlet a mechanicky nebo hydraulicky rozmělněn na prášek, aby se zvětšila povrchová plocha dostupná pro mikroby ve fermentorech, a tím se zvýšila rychlost vyhnívání. Maceraci pevných látek lze dosáhnout použitím drtícího čerpadla k přemístění suroviny do utěsněného fermentoru, kde probíhá anaerobní zpracování.
Složení substrátu je hlavním faktorem určujícím výtěžnost metanu a rychlost produkce metanu při vyhnívání biomasy. Existují metody pro stanovení kompozičních charakteristik vstupní suroviny, přičemž parametry jako pevné látky, elementární a organické analýzy jsou důležité pro návrh a provoz vyhnívací nádrže [19] . Výtěžek metanu lze odhadnout z elementárního složení substrátu spolu s odhadem jeho degradovatelnosti (podíl substrátu, který se v reaktoru přemění na bioplyn) [20] . Pro predikci složení bioplynu (relativní podíly metanu a oxidu uhličitého) je nutné odhadnout rozložení oxidu uhličitého mezi vodní a plynnou fází, což vyžaduje další informace (teplota reaktoru, pH a složení substrátu) a model chemické speciace [21] . Přímá měření biomethanačního potenciálu se také provádějí pomocí odplyňování nebo novějších gravimetrických analýz [22] .
Použití technologií anaerobní digesce může pomoci snížit emise skleníkových plynů několika klíčovými způsoby:
Anaerobní vyhnívání je vhodné zejména pro organický materiál a běžně se používá k čištění průmyslových odpadních vod, splašků a čistírenských kalů [24] . Anaerobní digesce, jednoduchý proces, může výrazně snížit množství organické hmoty, která by jinak mohla být vypuštěna do moře [ 25] , skládkována nebo spálena [26] .
Tlak environmentální legislativy na postupy likvidace pevného odpadu ve vyspělých zemích vedl k nárůstu používání anaerobní digesce jako procesu ke snížení odpadu a produkci užitečných vedlejších produktů. Může být použit buď ke zpracování zdrojově separované frakce komunálního odpadu, nebo alternativně v kombinaci s mechanickými třídicími systémy ke zpracování zbytkového směsného komunálního odpadu. Tato zařízení se nazývají mechanicko-biologické čistírny [27] [28] [29] .
Pokud je hnilobný odpad zpracovaný v anaerobních reaktorech odhozen na skládku, rozkládá se přirozeně a často anaerobně. V tomto případě plyn nakonec unikne do atmosféry. Protože metan je asi 20krát účinnější jako skleníkový plyn než oxid uhličitý, má významný negativní dopad na životní prostředí [30] .
V zemích, které shromažďují odpad z domácností, může používání místních zařízení na anaerobní vyhnívání pomoci snížit množství odpadu, který je třeba přepravovat na centralizované skládky nebo do spaloven. Toto snížené přepravní zatížení snižuje uhlíkovou stopu vozidel pro přepravu hotovosti. Pokud jsou do elektrické distribuční sítě zabudovány lokalizované anaerobní vyhnívací závody, mohou pomoci snížit elektrické ztráty spojené s přepravou elektřiny přes národní síť [31] .
V rozvojových zemích poskytují jednoduché domácí a farmářské systémy anaerobní digesce levnou energii pro vaření a osvětlení [32] [33] [34] [35] . Od roku 1975 existují v Číně a Indii velké vládou podporované programy na přizpůsobení malých bioplynových stanic pro domácí použití pro vaření a osvětlení. Projekty anaerobní digesce v rozvojových zemích jsou v současné době způsobilé pro finanční podporu prostřednictvím mechanismu OSN pro čistý rozvoj , pokud lze prokázat, že snižují emise uhlíku [36] .
Metan a energie produkované v zařízeních na anaerobní digesci lze použít k nahrazení energie získané z fosilních paliv, a tím snížit emise skleníkových plynů, protože uhlík v biologicky rozložitelném materiálu je součástí uhlíkového cyklu . Uhlík uvolněný do atmosféry při spalování bioplynu byl odstraňován rostlinami pro svůj růst v nedávné minulosti, obvykle v posledním desetiletí, nejčastěji však v posledním vegetačním období. Pokud rostliny znovu porostou a opět odebírají uhlík z atmosféry, systém se stane uhlíkově neutrálním [4] [36] . Naopak uhlík obsažený ve fosilních palivech se v zemi ukládá na mnoho milionů let, jehož spalování zvyšuje celkovou hladinu oxidu uhličitého v atmosféře.
Bioplyn z čištění odpadních kalů se někdy používá k provozu plynového motoru k výrobě elektřiny, z nichž některé nebo všechny lze použít k provozu kanalizací [37] . Část odpadního tepla z motoru je pak využita k ohřevu fermentoru. Odpadní teplo obvykle postačuje k ohřevu fermentoru na požadované teploty. Energetický potenciál kanalizačních zařízení je omezený – ve Spojeném království existuje pouze asi 80 MW takové výroby s potenciálem navýšení na 150 MW, což je zanedbatelné ve srovnání s průměrnou potřebou elektřiny ve Spojeném království, která činí asi 35 000 MW. Objem produkce bioplynu z neupraveného biologického odpadu – energetické plodiny, potravinářský odpad, odpad z jatek atd. – je mnohem vyšší, odhadem by to mohlo být cca 3000 MW. očekává se, že zemědělské bioplynové stanice využívající živočišný odpad a energetické plodiny pomohou snížit emise CO 2 a posílí síť, přičemž britským farmářům poskytnou dodatečný příjem [38] .
Některé země nabízejí pobídky ve formě výkupních cen, například pro dotování výroby zelené energie [4] [39] .
V Oaklandu , Kalifornie , hlavní čistírna městské oblasti East Bay (EBMUD) v současnosti společně tráví potravinový odpad s primárními a sekundárními pevnými komunálními odpadními vodami a dalším vysoce pevným odpadem. Ve srovnání s pouhým trávením pevných městských odpadních vod má společné trávení potravinového odpadu mnoho výhod. Anaerobní digesce buničiny potravinářského odpadu v procesu výroby potravinového odpadu EBMUD poskytuje vyšší normalizovaný energetický přínos ve srovnání s pevnými látkami z komunálních odpadních vod: 730 až 1300 kWh na suchou tunu použitého potravinového odpadu oproti 560 až 940 kWh na suchou tunu pevných látek z komunálních odpadních vod [ 40] [41] .
Vstřikování bioplynu do sítě je vstřikování bioplynu do sítě zemního plynu [36] . Surový bioplyn musí být předem upraven na biometan. Tato modernizace zahrnuje odstranění znečišťujících látek, jako je sirovodík nebo siloxany, a také oxid uhličitý. Pro tento účel existuje několik technologií, které se nejvíce používají v oblastech, jako je tlaková adsorpce (PSA), čištění vody nebo aminů (absorpční procesy) a v posledních letech membránová separace [42] . Alternativně lze elektřinu a teplo využít k výrobě elektřiny na místě, což vede k nižším ztrátám při přenosu energie [36] . Typické ztráty energie v přenosových soustavách zemního plynu se pohybují v rozmezí 1–2 %, zatímco současné energetické ztráty ve velkém elektrickém systému se pohybují v rozmezí 5–8 % [43] .
V říjnu 2010 se kanalizační zařízení Didcot stalo prvním britským výrobcem biometanu dodávaného do národní sítě pro použití ve 200 domácnostech v Oxfordshire [44] .
Po modernizaci pomocí výše uvedených technologií lze bioplyn (přeměněný na biometan) používat jako automobilové palivo v upravených vozidlech. Toto použití je velmi rozšířené ve Švédsku, kde je více než 38 600 plynových vozidel a 60 % automobilového plynu je biometan produkovaný v zařízeních na anaerobní vyhnívání [2] .
Tvrdá, vláknitá složka vyhnívaného materiálu může být použita jako půdní kondicionér ke zvýšení organického obsahu v půdách. Digestorový louh lze použít jako hnojivo pro zásobování půdy životně důležitými živinami namísto chemických hnojiv, jejichž výroba a přeprava vyžadují hodně energie. Proto je použití průmyslových hnojiv uhlíkově náročnější než použití anaerobního reaktorového alkalického hnojiva. V zemích, jako je Španělsko , kde je mnoho půd organicky ochuzeno, mohou být trhy s vyhnilými pevnými látkami stejně důležité jako bioplyn [45] .
Při použití biodigestoru, který produkuje bakterie potřebné k rozkladu, vzniká varný plyn. Organický odpad, jako je listová podestýlka, kuchyňský odpad, potravinový odpad atd. se přivádí do mlýnku, kde se směs smíchá s malým množstvím vody. Směs je poté přiváděna do bio-digestoru, kde ji bakterie rozkládají na plyn na vaření. Tento plyn je přiváděn do kamen. Bioreaktor o objemu 2 kubické metry dokáže vyprodukovat 2 metry krychlové kuchyňského plynu. To odpovídá 1 kg zkapalněného plynu. Významnou výhodou používání bio-digestoru je kal , což je bohatý organický hnůj [46] .
Tři hlavní produkty anaerobní digesce jsou bioplyn, digestát a voda [47] [48] [49] .
Bioplyn je konečným produktem vitální činnosti bakterií, které se živí biodegradabilními vstupními surovinami [50] ( metanogenezní stadium anaerobní digesce provádí archaea, mikroorganismus na zcela jiné větvi fylogenetického stromu života než bakterie) , a skládá se převážně z metanu a oxidu uhličitého [51] [52 ] s malým množstvím vodíku a stopových množství sirovodíku. (Bioplyn během výrobního procesu obsahuje i vodní páru a zlomkový objem vodní páry závisí na teplotě bioplynu) [53] . Většina bioplynu se tvoří uprostřed trávení, poté, co bakteriální populace narostla, a zužuje se, jak je hnilobný materiál vyčerpán [24] . Plyn je obvykle skladován v horní části reaktoru v nafukovacím plynovém vaku nebo je odstraněn a skladován v blízkosti elektrárny v plynové nádrži.
Metan v bioplynu lze spalovat za účelem výroby tepla i elektřiny, obvykle pomocí pístového motoru nebo mikroturbíny [54] , často v kogeneračním zařízení, kde se vyrobená elektřina a odpadní teplo využívá k vytápění vyhnívacích nádrží nebo k vytápění budov. Přebytky elektřiny lze prodat dodavatelům nebo dodávat do místní sítě. Elektřina vyrobená anaerobními reaktory je považována za obnovitelnou energii a může přitahovat dotace [55] . Bioplyn nepřispívá ke zvyšování koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře, protože plyn není vypouštěn přímo do atmosféry, ale oxid uhličitý pochází z organického zdroje s krátkým uhlíkovým cyklem.
Bioplyn může vyžadovat zpracování nebo „čištění“ pro jeho čištění pro použití jako palivo [56] . Sirovodík , toxický produkt vytvořený ze síranů v surovině, se uvolňuje jako stopová složka bioplynu. Národní úřady pro životní prostředí, jako je US Environmental Protection Agency , Anglie a Wales stanovily přísné limity na množství plynů obsahujících sirovodík, a pokud jsou hladiny sirovodíku v plynu vysoké, zařízení na čištění a úpravu plynu (např. bude vyžadováno. ) pro zpracování bioplynu v rámci regionálně akceptovaných úrovní [57] .
Těkavé siloxany mohou také kontaminovat bioplyn; takové sloučeniny se často nacházejí v domovním odpadu a odpadních vodách. Ve fermentorech, které přijímají tyto materiály jako surovinu, se siloxany s nízkou molekulovou hmotností těkají na bioplyn. Při spalování tohoto plynu v plynovém motoru, turbíně nebo kotli se siloxany přeměňují na oxid křemičitý (SiO2), který se ukládá uvnitř stroje a zvyšuje opotřebení [58] [59] . Nyní jsou k dispozici praktické a nákladově efektivní technologie pro odstraňování siloxanů a dalších bioplynových kontaminantů [60] . V některých případech lze ke zlepšení čistoty metanu použít úpravu in situ snížením obsahu oxidu uhličitého v odpadních plynech vyfukováním většiny do sekundárního reaktoru [61] .
V zemích jako Švýcarsko, Německo a Švédsko může být metan obsažený v bioplynu stlačen pro použití jako palivo pro vozidla nebo pro přímé přivádění do plynovodů [62] . V zemích, kde jsou dotace na elektřinu z obnovitelných zdrojů hnací silou pro využití anaerobní digesce, je tento způsob zpracování méně pravděpodobný, protože v tomto zpracovatelském kroku je zapotřebí energie a snižuje celkovou úroveň dostupnou k prodeji [55] .
Digestát je pevný zbytek původní suroviny vstupující do fermentorů, který mikroby nemohou využít. Skládá se také z mineralizovaných zbytků mrtvých bakterií z digestorů. Digest může mít tři formy: vláknitou, alkalickou nebo kombinaci dvou frakcí na bázi kalu. Ve dvoustupňových systémech pocházejí různé formy digestátu z různých trávicích nádrží. V jednostupňových systémech vyhnívání budou dvě frakce spojeny a případně odděleny dalším zpracováním [63] [64] .
Druhý vedlejší produkt, acidogenní digestát, je stabilní organický materiál složený především z ligninu a celulózy, jakož i různých minerálních složek v matrici mrtvých bakteriálních buněk; může být přítomen i plast. Tento materiál se podobá domácímu kompostu a může být použit jako takový nebo k výrobě nízkokvalitních stavebních produktů, jako jsou dřevovláknité desky [65] [66] . Pevný digestát lze také použít jako surovinu pro výrobu etanolu [67] .
Třetím vedlejším produktem je metanogenní digestát, tekutina bohatá na živiny, kterou lze použít jako hnojivo v závislosti na kvalitě tráveného materiálu. To bude záviset na kvalitě suroviny. U většiny čistých a oddělených toků biologicky rozložitelného odpadu budou úrovně PTE nízké. V případě průmyslového odpadu mohou být úrovně PTE vyšší a měly by být brány v úvahu při určování vhodného konečného použití materiálu.
Digest obvykle obsahuje prvky, jako je lignin, které anaerobní mikroorganismy nemohou rozložit. Kromě toho může digestát obsahovat amoniak, který je fytotoxický a může narušovat růst rostlin, pokud je použit jako půdní zlepšovač. Z těchto dvou důvodů lze po trávení použít krok zrání nebo kompostování. Lignin a další materiály jsou dostupné pro degradaci aerobními mikroorganismy, jako jsou houby, což pomáhá snižovat celkové množství materiálu, který má být transportován. Během tohoto zrání bude amoniak oxidován na dusičnany, čímž se zlepší úrodnost materiálu a bude vhodnější jako půdní zlepšovač. Velké kompostovací stupně se běžně používají v technologiích suché anaerobní digesce [36] [68] .
Konečným produktem systémů anaerobní digesce je voda, která vzniká jak z obsahu vlhkosti surového odpadu, který byl zpracován, tak z vody generované mikrobiálními reakcemi v systémech vyhnívání. Tato voda se může uvolnit při dehydrataci digestátu nebo může být implicitně oddělena od digestátu.
Odpadní voda opouštějící zařízení na anaerobní vyhnívání má obvykle zvýšené biochemické (BSK) a chemické hladiny kyslíku (CHSK). Tyto ukazatele reaktivity odpadních vod vypovídají o schopnosti znečišťovat životní prostředí. Některé látky obsažené v odpadních vodách jsou obtížně rozložitelné, což znamená, že na ně nemohou působit anaerobní bakterie, aby je přeměnily na bioplyn. Pokud by se tyto vody dostávaly přímo do vodních toků, byly by nepříznivě ovlivněny eutrofizací . Proto je často nutné další čištění odpadních vod. Tato úprava je obvykle oxidační krok, kdy vzduch prochází vodou v dávkových reaktorech nebo reverzní osmózou [69] [70] [71] .