Αναερόβια πέψη ή χώνευση (Anaerobic digestion) είναι μια σειρά από διεργασίες με τις οποίες κάποιοι μικροοργανισμοί αποσυνθέτουν βιοδιασπάσιμα υλικά απουσία οξυγόνου.[1] Η διεργασία χρησιμοποιείται για βιομηχανικούς ή οικιακούς σκοπούς στη διαχείριση αποβλήτων και/ή στην παραγωγή καυσίμων. Μεγάλο τμήμα της ζύμωσης χρησιμοποιείται βιομηχανικά για την παραγωγή τροφίμων και ποτών.
Η αναερόβια πέψη συμβαίνει φυσιολογικά σε κάποια εδάφη και σε ιζήματα λιμνών και ωκεάνιων λεκανών, όπου συνήθως αναφέρεται ως "αναερόβια δραστηριότητα (anaerobic activity)".[2][3] Η αναερόβια πέψη είναι μια πηγή του μεθανίου όπως ανακάλυψε ο Αλεσάντρο Βόλτα το 1776.[4][5]
Η διεργασία της πέψης ξεκινά με βακτηριακή υδρόλυση των αρχικών υλικών. Αδιάλυτα οργανικά πολυμερή, όπως οι υδατάνθρακες, διασπώνται σε διαλυτά παράγωγα που γίνονται διαθέσιμα για άλλα βακτήρια. Στη συνέχεια οξεογόνα βακτήρια μετατρέπουν τους υδατάνθρακες και τα αμινοξέα σε διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο, αμμωνία και οργανικά οξέα. Στη συνέχεια, μετατρέπονται σε αιθανικό οξύ, μαζί με πρόσθετη αμμωνία, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Τελικά, τα μεθανιογόνα (methanogens) μετατρέπουν αυτά τα προϊόντα σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα.[6] Οι μεθανογενείς πληθυσμοί αρχαίων παίζουν έναν απαραίτητο ρόλο στην αναερόβια κατεργασία των λυμάτων.[7]
Χρησιμοποιούνται ως τμήμα της διεργασίας επεξεργασίας βιοδιασπάσιμων λυμάτων και λυματολάσπης (sewage sludge). Ως μέρος ενός ολοκληρωμένου συστήματος διαχείρισης αποβλήτων, η αναερόβια πέψη μειώνει την εκπομπή αερίων χωματερών στην ατμόσφαιρα. Οι αναερόβιοι χωνευτήρες μπορούν επίσης να τροφοδοτηθούν με ενεργειακές καλλιέργειες, όπως καλαμπόκι.[8]
Η αναερόβια πέψη χρησιμοποιείται πλατιά ως πηγή ανανεώσιμης μορφής ενέργειας. Η διεργασία παράγει βιοαέριο, που αποτελείται από μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα και ίχνη άλλων ‘προσμείξεων’ αερίων.[1] Το βιοαέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα ως καύσιμο σε αεριοκινητήρες συνδυασμένης θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας.[9], ή να αναβαθμιστεί σε φυσικό αέριο ποιότητας βιομεθανίου. Το παραγόμενο πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά προϊόν της πέψης μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης ως λίπασμα.
Με την επαναχρησιμοποίηση των λυμάτων ως πόρου και τις νέες τεχνολογικές προσεγγίσεις έχουν μειωθεί το κόστος του κεφαλαίου και η αναερόβια πέψη έχει αυξήσει το ενδιαφέρον μεταξύ των κυβερνήσεων κάποιων χωρών, όπως το Ενωμένο Βασίλειο[10], η Γερμανία και η Δανία (2011).[11]
Πολλοί μικροοργανισμοί επηρεάζουν την αναερόβια πέψη, συμπεριλαμβανομένων των ακετογόνων βακτηρίων που παράγουν οξικό οξύ και των μεθανογόνων αρχαίων που παράγουν μεθάνιο. Αυτοί οι οργανισμοί προάγουν έναν αριθμό χημικών διεργασιών στη μετατροπή της βιομάζας σε βιοαέριο.[12]
Το αέριο οξυγόνο αποκλείεται από τις αντιδράσεις με φυσικό εγκλωβισμό. Οι αναερόβιοι οργανισμοί χρησιμοποιούν δέκτες ηλεκτρονίων από πηγές διαφορετικές από το αέριο οξυγόνο. Αυτοί οι δέκτες μπορεί να είναι η ίδια η οργανική ύλη ή μπορεί να παρέχονται από ανόργανα οξείδια μέσα από το αρχικό υλικό. Όταν η πηγή οξυγόνου σε ένα αναερόβιο σύστημα παράγεται από την ίδια την οργανική ύλη, τα 'ενδιάμεσα' τελικά προϊόντα είναι κυρίως αλκοόλες, αλδεΰδες και οργανικά οξέα, συν διοξείδιο του άνθρακα. Παρουσία εξειδικευμένων μεθανογόνων, τα; ενδιάμεσα μετατρέπονται στα 'οριστικά' τελικά προϊόντα του μεθανίου, διοξείδιο του άνθρακα και ίχνη υδροθείου.[13] Σε ένα αναερόβιο σύστημα, η πλειοψηφία της περιεχόμενης χημικής ενέργειας στα αρχικά υλικά απελευθερώνεται από μεθανογονικά βακτήρια ως μεθάνιο.[14]
Οι πληθυσμοί των αναερόβιων μικροοργανισμών χρειάζονται συνήθως αρκετό χρόνο για να γίνουν πλήρως λειτουργικοί. Συνεπώς, η συνηθισμένη πρακτική είναι η εισαγωγή των αναερόβιων μικροοργανισμών από υλικά με υφιστάμενους πληθυσμούς, μια διεργασία γνωστή ως "σπορά (seeding)" των χωνευτήρων και ολοκληρώνεται συνήθως με την προσθήκη λυματολάσπης ή απόβλητα αγελάδων.[15]
Στάδια διεργασίας
Τα τέσσερα βασικά στάδια της αναερόβιας πέψης περιλαμβάνουν την υδρόλυση, την οξεογένεση (acidogenesis), την ακετογένεση (acetogenesis) και τη μεθανογένεση (methanogenesis).[16] Η συνολική διεργασία μπορεί να περιγραφεί από την παρακάτω χημική αντίδραση, όπου η οργανική ύλη όπως η γλυκόζη μετατρέπεται βιοχημικά σε διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και μεθάνιο (CH4) από τους αναερόβιους μικροοργανισμούς.
C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4
- Υδρόλυση
Στις περισσότερες περιπτώσεις, η βιομάζα αποτελείται από μεγάλα οργανικά πολυμερή. Για να μπορέσουν τα βακτήρια στους αναερόβιους χωνευτήρες να προσπελάσουν το υλικό, θα πρέπει πρώτα οι αλυσίδες των ενώσεων να διασπαστούν σε μικρότερα συστατικά τμήματα. Αυτά τα συστατικά τμήματα, ή μονομερή, όπως τα σάκχαρα, είναι άμεσα διαθέσιμα σε άλλα βακτήρια. Η διεργασία θραύσης αυτών των αλυσίδων και η διάσπαση σε μικρότερα μόρια στο διάλυμα λέγεται υδρόλυση. Συνεπώς, η υδρόλυση αυτών των υψηλού μοριακού βάρους πολυμερών συστατικών είναι το αναγκαίο πρώτο βήμα στην αναερόβια πέψη.[17] Μέσω της υδρόλυσης τα σύνθετα οργανικά μόρια διασπώνται σε μονοσακχαρίτες, αμινοξέα και λιπαρά οξέα.
Τα οξικά και το υδρογόνο που παράγονται στα πρώτα στάδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα από τα μεθανογόνα. Άλλα μόρια, όπως τα πτητικά λιπαρά οξέα (VFAs) με μήκος αλυσίδας μεγαλύτερο από το μήκος των οξικών πρέπει πρώτα να καταβολιστούν σε ενώσεις που να μπορούν άμεσα να χρησιμοποιηθούν από τα μεθανογόνα.[18]
- Οξεογένεση
Η βιολογική διεργασία της οξεογένεσης καταλήγει σε παραπέρα διάσπαση των συστατικών που απομένουν από οξεογόνα (ζυμωτικά) βακτήρια. Εδώ, τα πτητικά λιπαρά οξέα δημιουργούνται μαζί με την αμμωνία, το διοξείδιο του άνθρακα και το υδρόθειο, καθώς και με άλλα παραπροϊόντα.[19] Η διεργασία της οξεογένεσης είναι παρόμοια με τον τρόπο που ξινίζει το γάλα.
- Ακετογένεση
Το τρίτο στάδιο της αναερόβιας πέψης είναι η ακετογένεση. Εδώ, απλά μόρια που δημιουργήθηκαν μέσω της φάσης της οξεογένεσης χωνεύονται παραπέρα από ακετογόνα για να παραγάγουν κυρίως οξικό οξύ, καθώς και διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο.[20]
- Μεθανογένεση
Το τελικό στάδιο της αναερόβιας πέψης είναι η βιολογική διεργασία της μεθανογένεσης. Εδώ, τα μεθανογόνα χρησιμοποιούν τα ενδιάμεσα προϊόντα των προηγούμενων σταδίων και τα μετατρέπουν σε μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αυτά τα συστατικά αποτελούν την πλειοψηφία του εκπεμπόμενου βιοαερίου από το σύστημα. Η μεθανογένεση είναι ευαίσθητη και στα υψηλά και στα χαμηλά pH και συμβαίνει μεταξύ pH 6,5 και pH 8.[21] Το υπολειπόμενο δύσπεπτο υλικό που δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα μικρόβια και οποιοδήποτε νεκρό βακτηριακό υλικό συνιστούν το χωνευμένο υλικό.[22]
Διαμόρφωση
Οι αναερόβιοι χωνευτήρες μπορούν να σχεδιαστούν και να οργανωθούν ώστε να λειτουργούν χρησιμοποιώντας έναν αριθμό διαφορετικών διαμορφώσεων και μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε ασυνεχή - συνεχή κατάσταση διεργασίας, μεσόφιλες - θερμόφιλες συνθήκες θερμοκρασίας, υψηλό - χαμηλό τμήμα στερεών και διεργασίες μοναδικού σταδίου - πολλών σταδίων. Μεγαλύτερο αρχικό κόστος κατασκευής και μεγαλύτερος όγκος χωνευτήρα απαιτούνται για την επεξεργασία της ίδιας ποσότητας αποβλήτων σε συνεχή διεργασία.[23] Απαιτείται υψηλότερη θερμική ενέργεια σε ένα θερμόφιλο σύστημα συγκριτικά με ένα μεσόφιλο σύστημα και έχει μεγαλύτερη δυναμικότητα εξόδου αερίου και υψηλότερο περιεχόμενο σε αέριο μεθάνιο.[24] Η στερεή περιεκτικότητα θεωρείται χαμηλή μέχρι ποσοστού 15%. Πάνω από αυτό το επίπεδο θεωρείται και είναι γνωστή και ως ξηρή χώνευση.[25] Σε μια διεργασία ενός σταδίου, ένας αντιδραστήρας περιλαμβάνει και τα τέσσερα βήματα της αναερόβιας πέψης. Μια διεργασία πολλαπλών σταδίων χρησιμοποιεί δύο ή περισσότερους αντιδραστήρες για την πέψη ώστε να διαχωριστούν οι φάσεις της μεθανογένεσης και της υδρόλυσης.[26]
Ασυνεχής ή συνεχής
Η αναερόβια πέψη μπορεί να εκτελεστεί ως ασυνεχής ή συνεχής διεργασία. Σε ένα ασυνεχές σύστημα η βιομάζα προστίθεται στον αντιδραστήρα στην αρχή της διεργασίας. Στη συνέχεια, ο αντιδραστήρας σφραγίζεται για τη διάρκεια της διεργασίας. Στην πιο απλή μορφή ασυνεχούς επεξεργασίας απαιτείται εμβολιασμός με ήδη επεξεργασμένο υλικό για να ξεκινήσει η αναερόβια πέψη. Σε ένα τυπικό σενάριο, η παραγωγή βιοαερίου θα σχηματιστεί με ρυθμό κανονικής κατανομής σταδιακά. Οι χειριστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτό το γεγονός για να καθορίσουν πότε έχει ολοκληρωθεί η διεργασία της πέψης της οργανικής ύλης. Τότε, μπορεί να υπάρχουν έντονα προβλήματα οσμής, αν ο ασυνεχής αντιδραστήρας ανοιχτεί και αδειαστεί πριν την πλήρη ολοκλήρωση της διεργασίας. Ένας πιο προχωρημένος τύπος ασυνεχούς προσέγγισης έχει περιορίσει τα προβλήματα οσμής ενσωματώνοντας την αναερόβια πέψη με λιπασματοποίηση του περιέκτη (in-vessel composting). Σε αυτήν την προσέγγιση ο εμβολιασμός λαμβάνει χώρα μέσω της χρήσης επανακυκλοφορίας του απαερωμένου διηθήματος (recirculated degasified percolate). Αφού η αναερόβια πέψη έχει ολοκληρωθεί, η βιομάζα κρατιέται στον αντιδραστήρα που στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη λιπασματοποίηση πριν να ανοιχθεί.[27] Επειδή η ασυνεχής πέψη είναι απλή και απαιτεί λιγότερο εξοπλισμό και χαμηλότερο επίπεδο σχεδίασης, είναι συνήθως μια πιο φθηνή μορφή πέψης.[28] Η χρήση περισσότερων από έναν ασυνεχών αντιδραστήρων σε μια εγκατάσταση μπορεί να διασφαλίσει σταθερή παραγωγή βιοαερίου.
Στις συνεχείς διεργασίες πέψης, προστίθεται οργανική ύλη πλήρως αναμειγμένη είτε με σταθερό ρυθμό ή σταδιακά στον αντιδραστήρα (με συνεχή στρωτή ροή· ίδια σειρά εισόδου και εξόδου). Εδώ, τα τελικά προϊόντα αφαιρούνται με σταθερό ρυθμό ή περιοδικά, με αποτέλεσμα σταθερή παραγωγή βιοαερίου. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν απλοί ή πολλαπλοί χωνευτήρες σε σειρά. Παραδείγματα τέτοιας μορφής αναερόβιας πέψης περιλαμβάνουν αντιδραστήρες συνεχώς αναδευόμενης δεξαμενής (continuous stirred-tank reactors), ανοδικής ροής μέσα από αναερόβια στρώση λάσπης (upflow anaerobic sludge blankets), εκτεταμένης κοκκώδους κλίνης λάσπης (expanded granular sludge beds) και εσωτερικής κυκλοφορίας (internal circulation reactors).[29][30]
Θερμοκρασία
Τα δύο συμβατικά επίπεδα λειτουργικής θερμοκρασίας για αναερόβιους χωνευτήρες καθορίζουν τα είδη των μεθανογόνων στους χωνευτήρες:[31]
- Η μεσοφιλική πέψη λαμβάνει χώρα βέλτιστα γύρω στους 30 με 38°C, ή σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος μεταξύ 20 και 45°C, όπου τα μεσόφιλα είναι οι κύριοι παρόντες μικροοργανισμοί.
- Η θερμοφιλική πέψη λαμβάνει χώρα γύρω στους 49 με 57°C, ή σε αυξημένες θερμοκρασίες μέχρι τους 70°C, όπου τα θερμόφιλα είναι οι κύριοι παρόντες μικροοργανισμοί.
Μια οριακή περίπτωση έχει εμφανιστεί στη Βολιβία, με αναερόβια πέψη σε συνθήκες λειτουργικής θερμοκρασίας μικρότερες από 10°C. Η αναερόβια διεργασία είναι πολύ αργή και παίρνει περισσότερο από το τριπλάσιο του κανονικού χρόνου της μεσόφιλης διεργασίας.[32] Σε πειραματική εργασία στο Πανεπιστήμιο της Αλάσκας Φέρμπανκς, ένας χωνευτήρας 1.000 λίτρων χρησιμοποιώντας ψυχρόφιλα που συλλέχθηκαν από "λάσπη από μια παγωμένη λίμνη στην Αλάσκα" έχει παραγάγει 200–300 λίτρα μεθανίου την ημέρα, περίπου το 20 με 30% της παραγωγής από χωνευτήρες σε πιο θερμά κλίματα.[33] Τα μεσόφιλα είδη υπερτερούν αριθμητικά των θερμόφιλων και είναι επίσης περισσότερο ανθεκτικά σε αλλαγές των περιβαλλοντικών συνθηκών από τα θερμόφιλα. Τα μεσόφιλα συστήματα θεωρούνται, συνεπώς, πιο σταθερά από τα θερμόφιλα συστήματα πέψης. Αντίθετα, ενώ τα θερμόφιλα συστήματα πέψης θεωρούνται λιγότερο σταθερά, η προσφερόμενη ενέργειά τους είναι πιο υψηλή, με περισσότερο βιοαέριο να αφαιρείται από την οργανική ύλη στον ίδιο χρόνο. Οι αυξημένες θερμοκρασίες διευκολύνουν πιο γρήγορους ρυθμούς αντίδρασης και συνεπώς πιο γρήγορες αποδόσεις του αερίου. Η λειτουργία σε πιο υψηλές θερμοκρασίες διευκολύνει τη μεγαλύτερη μείωση των παθογόνων οργανισμών στο χωνευμένο υλικό. Σε ώρες όπου η νομοθεσία, όπως ο κανονισμός για τα ζωικά υποπροϊόντα στην Ευρωπαϊκή Ένωση, απαιτεί το χωνευμένο υλικό να να ανταποκρίνεται σε συγκεκριμένα επίπεδα μείωσης των παθογόνων μικροοργανισμών, μπορεί να υπάρχει κάποιο όφελος από τη χρήση θερμόφιλων αντί μεσόφιλων θερμοκρασιών.[34]
Επιπρόσθετη προεπεξεργασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μειώσει τον αναγκαίο χρόνο κατακράτησης προς παραγωγή βιοαερίου. Παραδείγματος χάρη, συγκεκριμένες διεργασίες θρυμματίζουν τα υποστρώματα για να αυξήσουν το εμβαδόν της επιφάνειας ή χρησιμοποιούν ένα θερμικό στάδιο προκατεργασίας (όπως η παστερίωση) για να βελτιώσουν σημαντικά το παραγόμενο βιοαέριο. Η διεργασία της παστερίωσης μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στη μείωση της συγκέντρωσης των παθογόνων οργανισμών σε ένα χωνευμένο υλικό που αφήνει τον αναερόβιο χωνευτήρα. Η παστερίωση μπορεί να επιτευχθεί με θερμική επεξεργασία σε συνδυασμό με τη διαβροχή των στερών.
Περιεκτικότητα σε στερεά
Σε ένα τυπικό σενάριο, τρεις διαφορετικές λειτουργικές παράμετροι σχετίζονται με την περιεκτικότητα σε στερεά της πρώτης ύλης στους χωνευτήρες:
- Υψηλά στερεά (ξηρό—στοιβαζόμενο υπόστρωμα)
- Υψηλά στερεά (υγρό—αντλήσιμο υπόστρωμα)
- Χαμηλά στερεά (υγρό—αντλήσιμο υπόστρωμα)
Οι χωνευτήρες υψηλών στερεών (ξηρών) σχεδιάζονται για να επεξεργάζονται υλικά με περιεκτικότητα σε στερεά μεταξύ 25 και 40%. Αντίθετα με τους υγρούς χωνευτήρες που επεξεργάζονται αντλήσιμα υγρά, οι χωνευτήρες υψηλών στερεών (ξηρού – στοιβαζόμενου υποστρώματος) σχεδιάζονται ώστε να επεξεργάζονται στερεά υποστρώματα χωρίς την προσθήκη νερού. Οι κύριες τεχνικές των ξηρών χωνευτήρων είναι συνεχείς κάθετοι στρωτής ροής και ασυνεχείς οριζόντιας διοχέτευσης. Οι συνεχείς κάθετοι στρωτής ροής χωνευτήρες είναι όρθιες, κυλινδρικές δεξαμενές όπου η πρώτη ύλη τροφοδοτείται συνεχώς στην κορυφή του χωνευτήρα και ρέει προς τα κάτω λόγω βαρύτητας κατά τη διάρκεια της πέψης. Στους ασυνεχείς χωνευτήρες οριζόντιας διοχέτευσης, η πρώτη ύλη κατακάθεται σε σηραγγοειδείς θαλάμους με μια αεροστεγή θύρα. Καμιά από τις προσεγγίσεις δεν έχει ανάμειξη μέσα στον χωνευτήρα. Η προεπεξεργασία, όπως η αφαίρεση των προσμείξεων, εξαρτάται και από τη φύση των ροών των αποβλήτων και από την επιθυμητή ποιότητα του χωνευμένου υλικού. Η μείωση του μεγέθους (άλεση) είναι ευνοϊκή για συνεχή κάθετα συστήματα, επειδή επιταχύνει τη χώνευση, ενώ τα ασυνεχή συστήματα αποφεύγουν την άλεση και απαιτούν αντίθετα τέτοια δομή που θα επιτρέψει τη μείωση της συμπίεσης της στοίβας. Οι συνεχείς κάθετοι ξηροί χωνευτήρες έχουν πιο μικρό εμβαδόν λόγω του μικρότερου ενεργού χρόνου κατακράτησης και του κάθετου σχεδιασμού. Οι υγροί χωνευτήρες μπορεί να σχεδιαστούν ώστε να λειτουργούν είτε με υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά, με μια συγκέντρωση ολικά αιωρούμενων στερεών (total suspended solids ή TSS) μεγαλύτερη από ~20%, ή με χαμηλή συγκέντρωση στερεών μικρότερη από ~15%.[35][36]
Οι χωνευτήρες υψηλών στερεών (υγροί) επεξεργάζονται έναν παχύ πολτό που απαιτεί περισσότερη ενέργεια εισόδου για τη μετακίνηση και την επεξεργασία της πρώτης ύλης. Το πάχος επίσης του υλικού μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα που συνδέονται με τη διάβρωση. Οι χωνευτήρες υψηλών στερεών έχουν συνήθως μικρότερες απαιτήσεις γης λόγω των μικρότερων όγκων λόγω υγρασίας. Οι χωνευτήρες υψηλών στερεών απαιτούν επίσης τη διόρθωση των συμβατικών υπολογισμών απόδοσης (π.χ, παραγωγή αερίου, χρόνος κατακράτησης, κινητική, κλπ.) αρχικά με βάση τη χώνευση πολύ αραιών αποβλήτων, επειδή μεγαλύτερα κλάσματα της μάζας της πρώτης ύλης μπορούν δυνητικά να μετατραπούν σε βιοαέριο.[37]
Οι χωνευτήρες χαμηλών στερεών (υγροί) μπορούν να μεταφέρουν το υλικό μέσω του συστήματος χρησιμοποιώντας τυπικές αντλίες που απαιτούν σημαντικότερη ενέργεια. Οι χωνευτήρες χαμηλών στερεών απαιτούν μεγαλύτερη γη από τους χωνευτήρες υψηλών στερεών λόγω των αυξημένων όγκων που σχετίζονται με την αυξημένη αναλογία υγρού προς πρώτη ύλη των χωνευτήρων. Υπάρχουν οφέλη που σχετίζονται με τη λειτουργία σε υγρό περιβάλλον, επειδή η πιο ενδελεχής κυκλοφορία των υλικών και η επαφή μεταξύ των βακτηρίων και των τροφών τους τα ενεργοποιεί περισσότερο και έτσι τα βακτήρια προσπελάζουν πιο άμεσα τις ουσίες με τις οποίες τροφοδοτούνται και αυξάνεται ο ρυθμός παραγωγής αερίου.
Συνθετότητα
Τα συστήματα χώνευσης μπορούν να ρυθμιστούν με διαφορετικά επίπεδα συνθετότητας.[35] Σε ένα σύστημα χώνευσης ενός σταδίου, όλες οι βιολογικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα σε έναν μοναδικό, κλειστό αντιδραστήρα ή δεξαμενή κατακράτησης. Η χρήση συστήματος ενός σταδίου μειώνει το κόστος κατασκευής, αλλά έχει μικρότερο έλεγχο των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στο σύστημα. Τα οξεογόνα βακτήρια, μέσω της παραγωγής των οξέων, μειώνουν το pH της δεξαμενής. Τα μεθανογόνα βακτήρια, όπως υπογραμμίστηκε πιο νωρίς, λειτουργούν σε μια αυστηρά καθορισμένη περιοχή pH.[38] Συνεπώς, οι βιολογικές αντιδράσεις των διαφόρων ειδών σε έναν αντιδραστήρα ενός σταδίου μπορούν να ανταγωνίζονται άμεσα μεταξύ τους. Ένα άλλο σύστημα αντίδρασης ενός σταδίου είναι η αναερόβια δεξαμενή (anaerobic lagoon). Αυτές οι δεξαμενές μοιάζουν με λιμνούλες, χωμάτινες λεκάνες που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία και μακροχρόνια αποθήκευση των αποβλήτων.[39] Εδώ οι αναερόβιες αντιδράσεις γίνονται στη φυσική αναερόβια λάσπη της λίμνης.
Σε ένα σύστημα πέψης δύο σταδίων, διαφορετικά δοχεία πέψης βελτιστοποιούνται για την επίτευξη μέγιστου ελέγχου στις βακτηριακές κοινότητες που ζουν στους χωνευτήρες. Τα οξεογόνα βακτήρια παράγουν οργανικά οξέα και αναπτύσσονται και αναπαράγονται πιο γρήγορα από τα μεθανογόνα βακτήρια. Τα μεθανογόνα βακτήρια απαιτούν σταθερό pH και θερμοκρασία για να βελτιστοποιήσουν την απόδοσή τους.[40]
Σε τυπικές συνθήκες, η υδρόλυση, η ακετογένεση και η οξεογένεση συμβαίνουν στο πρώτο δοχείο της αντίδρασης. Η οργανική ύλη θερμαίνεται, στη συνέχεια, στην απαιτούμενη θερμοκρασία λειτουργίας (είτε μεσόφιλη είτε θερμόφιλη) πριν να αντληθούν στον μεθανογόνο αντιδραστήρα. Οι αρχικές δεξαμενές υδρόλυσης και οξεογένεσης πριν τον μεθανογόνο αντιδραστήρα μπορούν να παρέχουν μια ρύθμιση στον ρυθμό προσθήκης της πρώτης ύλης. Κάποιες ευρωπαϊκές χώρες απαιτούν έναν βαθμό αυξημένης θερμικής επεξεργασίας για να σκοτώσουν τα επιβλαβή βακτήρια στην είσοδο των αποβλήτων.[41] Σε αυτήν την περίπτωση, μπορεί να υπάρχει ένα στάδιο παστερίωσης ή αποστείρωσης πριν την πέψη ή μεταξύ των δύο δεξαμενών πέψης. Ας σημειωθεί ότι δεν είναι δυνατή η πλήρης απομόνωση των διαφόρων φάσεων της αντίδρασης και συχνά παράγεται κάποιο βιοαέριο στις δεξαμενές υδρόλυσης ή οξεογένεσης.
Χρόνος παραμονής
Ο χρόνος παραμονής σε έναν χωνευτήρα ποικίλλει ανάλογα με την ποσότητα και τον τύπο του υλικού τροφοδοσίας, καθώς και με τη ρύθμιση του συστήματος πέψης. Σε μια τυπική μεσόφιλη πέψη δύο σταδίων, ο χρόνος παραμονής ποικίλει μεταξύ 15 και 40 ημερών,[42] ενώ για θερμόφιλη πέψη ενός σταδίου, οι χρόνοι παραμονής είναι κανονικά πιο γρήγοροι και παίρνουν περίπου 14 ημέρες. Η φύση της εμβολικής ροής κάποιων από αυτά τα συστήματα μπορεί να οδηγήσει σε πλήρη υποβάθμιση και μπορεί να μην πραγματοποιηθεί σε αυτήν την κλίμακα χρόνου. Σε αυτήν την περίπτωση, το χωνευμένο υλικό που εξέρχεται του συστήματος θα έχει πιο σκούρο χρώμα και συνήθως περισσότερη οσμή.
Στην περίπτωση πέψης με ανοδική ροή μέσα από αναερόβια στρώση λάσπης (UASB), οι υδραυλικοί χρόνοι παραμονής μπορεί να είναι μεταξύ 1 ώρας και 1 ημέρας και οι χρόνοι συγκράτησης στερεών μέχρι 90 ημέρες. Κατ' αυτόν τον τρόπο, ένα σύστημα UASB μπορεί να ξεχωρίσει τα στερεά με τη χρήση μιας στρώσης λάσπης.[43] Οι συνεχείς χωνευτήρες έχουν μηχανικές και υδραυλικές συσκευές, ανάλογα με την ποσότητα των στερεών στο υλικό, την ανάμειξη των περιεχομένων, την ενεργοποίηση των βακτηρίων και την τροφή που βρίσκεται σε επαφή. Οι συνεχείς χωνευτήρες επιτρέπουν τη συνεχή αφαίρεση της περίσσειας του υλικού, για να διατηρείται ένας λογικά σταθερός όγκος μέσα στις δεξαμενές πέψης.
Παρεμπόδιση
Η διεργασία της αναερόβιας πέψης μπορεί να παρεμποδιστεί από πολλές ενώσεις, οι οποίες επηρεάζουν μία ή περισσότερες από τις βακτηριακές ομάδες που είναι υπεύθυνες για τα διάφορα στάδια αποσύνθεσης της οργανικής ύλης. Ο βαθμός της παρεμπόδισης εξαρτάται, μεταξύ άλλων παραγόντων, από τη συγκέντρωση του παρεμποδιστή στον χωνευτήρα. Δυνητικοί παρεμποδιστές είναι η αμμωνία, σουλφίδια, ιόντα ελαφρών μετάλλων (Na, K, Mg, Ca, Al), βαριά μέταλλα, κάποιες οργανικές ενώσεις (χλωροφαινόλες, αλογονωμένες αλιφατικές ενώσεις, Ν-υποκατεστημένες αρωματικές ενώσεις, λιπαρά οξέα μεγάλης αλυσίδας), κλπ.[44]
Το πιο βασικό αρχικό θέμα κατά την εξέταση της εφαρμογής των αναερόβιων συστημάτων πέψης είναι οι πρώτες ύλες στη διεργασία. Σχεδόν όλες οι οργανικές ουσίες μπορούν να επεξεργαστούν με αναερόβια πέψη· [45] όμως, εάν ο σκοπός είναι η παραγωγή βιοαερίου, το επίπεδο της σηπτικότητας είναι ο κύριος παράγοντας στην επιτυχημένη εφαρμογή της.[46] Όσο πιο σηπτό (εύπεπτο) το υλικό, τόσο υψηλότερες οι δυνατές αποδόσεις του συστήματος.
Οι πρώτες ύλες μπορούν να περιλαμβάνουν βιοδιασπάσιμα απόβλητα υλικά, όπως απορρίμματα χαρτιού, υπολείμματα χόρτου, αποφάγια, λύματα και ζωικά απόβλητα.[1] Τα απόβλητα από ξύλο ανήκουν στις εξαιρέσεις, επειδή δεν επηρεάζονται σε σημαντικό βαθμό από την πέψη, επειδή οι περισσότεροι αναερόβιοι οργανισμοί δεν μπορούν να διασπάσουν τη λιγνίνη. Ξυλοφάγοι αναερόβιοι οργανισμοί (καταναλωτές λιγνίνης) ή η χρήση επεξεργασίας με υψηλή θερμοκρασία, όπως η πυρόλυση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διασπάσει τη λιγνίνη. Οι αναερόβιοι χωνευτήρες μπορούν επίσης να τροφοδοτηθούν με ειδικά αναπτυγμένες ενεργειακές καλλιέργειες, όπως το ενσίρωμα, για αποκλειστική παραγωγή βιοαερίου. Στη Γερμανία και στην ηπειρωτική Ευρώπη, αυτές οι εγκαταστάσεις αναφέρονται ως εγκαταστάσεις "βιοαερίου". Μια εγκατάσταση ταυτόχρονης πέψης ή ζύμωσης είναι ένας συνήθως ένας αγροτικός αναερόβιος χωνευτήρας που δέχεται δύο ή περισσότερα υλικά εισόδου για ταυτόχρονη πέψη.[47]
Ο απαιτούμενος χρόνος για την αναερόβια πέψη εξαρτάται από τη χημική πολυπλοκότητα του υλικού. Υλικά που είναι πλούσια σε εύπεπτα σάκχαρα διασπώνται γρήγορα, ενώ λιγνοκυτταρινούχα πλούσια σε πολυμερή κυτταρίνης και ημικυτταρίνης μπορεί να χρειαστούν πολύ περισσότερο χρόνο για να διασπαστούν.[48] Οι αναερόβιοι μικροοργανισμοί δεν μπορούν, γενικά, να διασπάσουν τη λιγνίνη, που αποτελεί μη συνεργάσιμο αρωματικό συστατικό της βιομάζας.[49]
Οι αναερόβιοι χωνευτήρες σχεδιάστηκαν αρχικά για λειτουργία με χρήση λυματολάσπης και κοπριάς. Τα λύματα και η κοπριά είναι θερμά· όμως, το υλικό με το περισσότερο δυναμικό για την αναερόβια χώνευση, όπως στο βιοδιασπάσιμο υλικό έχει ήδη αφαιρεθεί το μεγαλύτερο μέρος του ενεργειακού του περιεχομένου από τα ζώα που το παράγουν. Συνεπώς, πολλοί χωνευτήρες λειτουργούν με ταυτόχρονη πέψη δύο ή περισσότερων τύπων πρώτων υλών. Παραδείγματος χάρη, σε έναν χωνευτήρα με βάση ένα αγρόκτημα που χρησιμοποιεί γαλακτοκομική κοπριά ως πρωτεύουσα πρώτη ύλη, η παραγωγή αερίου μπορεί να αυξηθεί σημαντικά προσθέτοντας μια δεύτερη πρώτη ύλη όπως χορτάρι και δημητριακά (συνηθισμένα σε πρώτες ύλες αγροκτημάτων) ή διάφορα οργανικά παραπροϊόντα, όπως απόβλητα σφαγείων, λίπη και έλαια από εστιατόρια, οικιακά οργανικά λύματα, κλπ. (τυπικές πρώτες ύλες εκτός εγκαταστάσεων).[50]
Οι χωνευτήρες που επεξεργάζονται αποκλειστικά ενεργειακές καλλιέργειες μπορούν να πετύχουν υψηλά επίπεδα διάσπασης και παραγωγής βιοαερίου.[36][51][52] Συστήματα που χρησιμοποιούν μόνο λύματα είναι γενικά πιο φθηνά, αλλά παράγουν πολύ λιγότερη ενέργεια από αυτά που χρησιμοποιούν καλλιέργειες, καλαμπόκι και ενσίρωση χόρτου· χρησιμοποιώντας μια μέτρια ποσότητα καλλιεργειών (30%), μια εγκατάσταση αναερόβιας πέψης μπορεί να αυξήσει δέκα φορές την εξερχόμενη ενέργεια επιβαρύνοντας μόνο με τρεις φορές το κεφαλαιακό κόστος, συγκρίνοντας τη με ένα σύστημα που χρησιμοποιεί μόνο απόβλητα.[53]
Περιεχόμενη υγρασία
Ένα δεύτερο θέμα σχετικά με την πρώτη ύλη είναι η περιεχόμενη υγρασία. Ξηραντήρες, στοιβαζόμενα υποστρώματα, όπως τροφές και απορρίμματα κήπων, είναι κατάλληλα για πέψη σε σηραγγοειδείς θαλάμους. Τα σηραγγοειδή συστήματα έχουν συνήθως σχεδόν μηδενική απόρριψη από απόνερα και συνεπώς αυτή η μορφή συστήματος έχει πλεονεκτήματα, εκεί όπου η απόρριψη υγρών χωνευτήρα είναι μειονέκτημα. Όσο πιο υγρό το υλικό, τόσο πιο κατάλληλο θα είναι στον χειρισμό του με τυπικές αντλίες αντί για ενεργοβόρες αντλίες και φυσικά μέσα μετακίνησης. Επίσης, όσο πιο υγρό το υλικό, τόσο περισσότερο όγκο και εμβαδόν απορροφά σχετικά με τα επίπεδα του παραγόμενου αερίου. Η περιεκτικότητα σε υγρασία της στοχευόμενης πρώτης ύλης θα επηρεάσει επίσης τον τύπο του συστήματος που θα εφαρμοστεί στην επεξεργασία του. Η χρήση αναερόβιων χωνευτήρων με υψηλά στερεά για αραιές πρώτες ύλες, διογκωτικούς παράγοντες, όπως κοπρόχωμα, πρέπει να εφαρμόζεται για να αυξήσει την περιεκτικότητα των στερεών του αρχικού υλικού.[54] Ένας άλλος βασικός παράγοντας είναι ο λόγος άνθρακα:αζώτου του αρχικού υλικού. Αυτός ο λόγος αποτελεί την ισορροπημένη τροφή ενός μικροοργανισμού που απαιτείται για να αναπτυχθεί· ο βέλτιστος λόγος C:N είναι 20–30:1.[55] Υπερβολικό N μπορεί να οδηγήσει σε παρεμπόδιση της πέψης λόγω αμμωνίας.[51]
Μόλυνση
Το επίπεδο της μόλυνσης της πρώτης ύλης αποτελεί βασικό παράγοντα. Αν η πρώτη ύλη στους χωνευτήρες έχει σημαντικά επίπεδα από φυσικούς ρυπαντές, όπως πλαστικά, γυαλί, η μέταλλα, τότε απαιτείται η αφαίρεση των ρυπαντών για να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί η πρώτη ύλη.[56] Αν δεν αφαιρεθεί, τότε οι χωνευτήρες μπορεί να φραχτούν και να μην δουλεύουν αποτελεσματικά. Με αυτήν τη γνώση σχεδιάζονται οι εγκαταστάσεις μηχανικής βιολογικής επεξεργασίας. Όσο μεγαλύτερο επίπεδο προκατεργασίας της πρώτης ύλης απαιτείται, τόσο περισσότερο θα απαιτούνται μηχανήματα επεξεργασίας και, συνεπώς, τόσο υψηλότερα τα κεφαλαιακά κόστη.[57]
Μετά τον διαχωρισμό ή την εξέταση της πρώτης ύλης για να αφαιρεθούν όλοι οι φυσικοί ρυπαντές, η πρώτη ύλη, συνήθως, θρυμματίζεται, ψιλοκόβεται και πολτοποιείται μηχανικά ή υδραυλικά για να αυξηθεί το διαθέσιμο εμβαδόν της επιφάνειας για τους μικροοργανισμούς στους χωνευτήρες και για να αυξηθεί, συνεπώς, η ταχύτητα της πέψης. Η διαβροχή των στερεών μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μιας φυγοκεντρικής αντλίας κοπής για να μεταφερθεί η πρώτη ύλη στον αεροστεγή χωνευτήρα, όπου λαμβάνει χώρα αναερόβια επεξεργασία.
Σύσταση υποστρώματος
Η σύσταση του υποστρώματος είναι ένας βασικός παράγοντας στον προσδιορισμό της απόδοσης του μεθανίου και τους ρυθμούς παραγωγής του από την πέψη της βιομάζας. Υπάρχουν τεχνικές προσδιορισμού των χαρακτηριστικών της σύστασης, ενώ παράμετροι όπως τα στερεά, η στοιχειακή και οργανική ανάλυση είναι σημαντικά για τη σχεδίαση και τη λειτουργία του χωνευτήρα.[58]
Η χρήση αναερόβιων τεχνολογιών πέψης μπορεί να βοηθήσει στη μείωση της εκπομπής αερίων του θερμοκηπίου με έναν αριθμό βασικών τρόπων:
- Αντικατάσταση ορυκτών καυσίμων
- Μείωση ή απάλειψη του ενεργειακού αποτυπώματος των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων
- Μείωση της εκπομπής μεθανίου από χωματερές
- Αντικατάσταση βιομηχανικά παραγόμενων χημικών λιπασμάτων
- Μείωση των κινήσεων οχημάτων
- Μείωση των μεταφορικών απωλειών του ηλεκτρικού δικτύου
Επεξεργασία λυμάτων και απόνερων
Η αναερόβια πέψη είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την οργανική ύλη και χρησιμοποιείται συνήθως για βιομηχανικά απόβλητα (industrial effluent), επεξεργασία λυμάτων (wastewater treatment) και βοθρολυμάτων.[60] Η αναερόβια πέψη, μια απλή διεργασία, μπορεί να μειώσει σημαντικά την ποσότητα της οργανικής ύλης που αλλιώς μπορεί να απορριφθεί στη θάλασσα,[61] σε χωματερές, ή να καεί σε αποτεφρωτές (incinerators).[62]
Η πίεση από σχετική περιβαλλοντική νομοθεσία στις μεθόδους διάθεσης στερεών απορριμμάτων στις ανεπτυγμένες χώρες έχει αυξήσει την εφαρμογή της αναερόβιας πέψης ως μιας διεργασίας μείωσης του όγκου των λυμάτων και δημιουργίας χρήσιμων παραπροϊόντων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε με το κλάσμα διαχωρισμένων στην πηγή αστικών αποβλήτων είτε σε συνδυασμό με μηχανικά συστήματα διαλογής, για να επεξεργαστεί τα υπολειπόμενα μεικτά αστικά απόβλητα. Αυτές οι εγκαταστάσεις ονομάζονται εγκαταστάσεις μηχανικής και βιολογικής επεξεργασίας (mechanical biological treatment plants).[63][64][65]
Εάν τα σηπτά επεξεργαζόμενα λύματα αφηνόντουσαν σε μια χωματερή, θα διεσπώντο φυσικά και συνήθως αναερόβια. Σε αυτήν τη περίπτωση, το αέριο θα διέφευγε ενδεχομένως στην ατμόσφαιρα. Επειδή το μεθάνιο είναι περίπου 20 φορές πιο δραστικό ως αέριο του θερμοκηπίου (greenhouse gas) από το διοξείδιο του άνθρακα, αυτό μπορεί να έχει σημαντικά αρνητικά περιβαλλοντικά αποτελέσματα.[66]
Σε χώρες που συλλέγονται τα οικιακά απόβλητα, η χρήση τοπικών εγκαταστάσεων αναερόβιας πέψης μπορεί να βοηθήσει στη μείωση της ποσότητας των αποβλήτων που απαιτούν μεταφορά σε κεντρικές τοποθεσίες χωματερών ή σε εγκαταστάσεις αποτέφρωσης. Αυτή η μειωμένη επιβάρυνση στη μεταφορά μειώνει τις εκπομπές του άνθρακα από τα οχήματα συλλογής. Αν οι τοπικές εγκαταστάσεις αναερόβιας πέψης ενσωματωθούν σε ένα δίκτυο ηλεκτρικής διανομής, μπορούν να συμβάλλουν στη μείωση των ηλεκτρικών απωλειών που σχετίζονται με τον ηλεκτρισμό μεταφοράς στο εθνικό δίκτυο.[67]
Παραγωγή ενέργειας
Στις αναπτυσσόμενες χώρες, τα απλά οικιακά ή αγροτικά συστήματα αναερόβιας πέψης προσφέρουν τη δυνατότητα για χαμηλού κόστους ενέργεια για μαγείρεμα και φωτισμό. [32][68][69][70] Από το 1975, η Κίνα και η Ινδία έχουν μεγάλα σχήματα που υποστηρίζονται από τις κυβερνήσεις για την προσαρμογή των μικρών εγκαταστάσεων βιοαερίου, ώστε να χρησιμοποιούνται στις κατοικίες για μαγείρεμα και φωτισμό.[71] Προς το παρόν, έργα για αναερόβια πέψη στον αναπτυσσόμενο κόσμο μπορούν να κερδίσουν οικονομική υποστήριξη μέσω του Μηχανισμού καθαρής ανάπτυξης (Clean Development Mechanism) των Ηνωμένων Εθνών, αν μπορούν να αποδείξουν ότι παράγουν μειωμένες εκπομπές άνθρακα.[72]
Το μεθάνιο και η παραγόμενη ενέργεια στις εγκαταστάσεις αναερόβιας πέψης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αντικαταστήσουν την ενέργεια που παράγεται από ορυκτά καύσιμα και να μειώσουν, συνεπώς, τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου, επειδή ο άνθρακας σε βιοδιασπάσιμα υλικά είναι μέρος του κύκλου του άνθρακα (carbon cycle). Ο εκπεμπόμενος άνθρακας στην ατμόσφαιρα από την καύση του βιοαερίου έχει αφαιρεθεί από τις εγκαταστάσεις, έτσι ώστε αυτές να αναπτυχθούν και στο πρόσφατο παρελθόν και περισσότερο πιο πρόσφατα. Αν οι εγκαταστάσεις παίρνουν τον άνθρακα από την ατμόσφαιρα ξανά, το σύστημα θα είναι ουδέτερο ως προς τον άνθρακα.[73][74] Αντίθετα, ο άνθρακας στα ορυκτά καύσιμα δεσμεύεται στη γη για πολλά εκατομμύρια χρόνια και η καύση τους αυξάνει τα συνολικά επίπεδα του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα.
Το βιοαέριο από τις εργασίες λυμάτων χρησιμοποιείται μερικές φορές για τη λειτουργία μιας αεριομηχανής (gas engine) που θα παραγάγει ηλεκτρική ενέργεια, από την οποία τμήμα της ή και όλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην εκτέλεση εργασιών αποχέτευσης.[75] Κάποια αποβαλλόμενη θερμότητα από τη μηχανή χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να θερμάνει τον χωνευτήρα. Η αποβαλλόμενη θερμότητα είναι, γενικά, επαρκής για να θερμάνει τον χωνευτήρα στις απαιτούμενες θερμοκρασίες.
Κάποιες χώρες παρέχουν κίνητρα με τη μορφή, παραδείγματος χάρη, επιδοτήσεων για την παραγωγή πράσινης ενέργειας.[1][76]
Στο Oakland της Καλιφόρνια, τα υπολείμματα των τροφών χωνεύονται ταυτόχρονα με πρωτογενή και δευτερογενή αστικά στερεά απόνερων και άλλα λύματα υψηλής απόδοσης. Σε σύγκριση με την πέψη μόνο στερεών αστικών αποβλήτων, η ταυτόχρονη πέψη με απόβλητα τροφών έχει πολλά πλεονεκτήματα. Η αναερόβια πέψη πολτού αποβλήτων τροφών από τη διεργασία αποβλήτων τροφίμων EBMUD παρέχει ένα υψηλότερο πλεονέκτημα κανονικοποιημένης ενέργειας, συγκριτικά με τα αστικά στερεά των απόνερων: 730 με 1.300 kWh ανά ξηρό τόνο αποβλήτων τροφής, ενώ είναι 560 έως 940 kWh ανά ξηρό τόνο αστικών στερεών απόνερων.[77][78]
Έγχυση στο δίκτυο
Έγχυση βιοαερίου στο δίκτυο είναι η έγχυση βιοαερίου στο δίκτυο φυσικού αερίου.[79] Το ακατέργαστο βιοαέριο πρέπει να αναβαθμιστεί προηγουμένως σε βιομεθάνιο. Αυτή η αναβάθμιση υπονοεί την αφαίρεση επιμολυντών όπως υδρόθειο ή σιλοξάνια, καθώς και του διοξειδίου του άνθρακα. Πολλές τεχνολογίες είναι διαθέσιμες για αυτόν τον σκοπό, με πιο διαδεδομένες την προσρόφηση με εναλλαγή πίεσης (pressure swing adsorption ή PSA), καθαρισμός με νερό ή αμίνες (διεργασίες προσρόφησης) και τα τελευταία χρόνια, διαχωρισμός με μεμβράνη.[80] Ως μια εναλλακτική λύση, ο ηλεκτρισμός και η θερμότητα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επιτόπια παραγωγή,[81] που καταλήγει σε μείωση των απωλειών στη μεταφορά της ενέργειας. Οι τυπικές απώλειες στα συστήματα μεταφοράς φυσικού αερίου ποικίλλουν από 1–2%, ενώ οι τρέχουσες απώλειες ενέργειας σε μεγάλα ηλεκτρικά συστήματα κυμαίνονται από 5–8%.[82]
Καύσιμο οχημάτων
Μετά την αναβάθμιση με τις προαναφερθείσες τεχνολογίες, τη μετατροπή του βιοαερίου σε βιομεθάνιο, το βιοαέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο οχημάτων σε προσαρμοσμένα οχήματα. Αυτή η χρήση είναι ιδιαίτερα εκτεταμένη στη Σουηδία, όπου υπάρχουν πάνω από 38.600 οχήματα αυτού του τύπου και το 60% του αερίου οχημάτων είναι βιομεθάνιο που παράγεται σε εγκαταστάσεις αναερόβιας πέψης.[83]
Λιπάσματα και βελτιωτικά εδάφους
Το στερεό, ινώδες συστατικό του χωνευμένου υλικού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βελτιωτικό εδάφους για να αυξήσει το οργανικό περιεχόμενο των εδαφών. Τα υγρά της πέψης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως λιπάσματα για να παράσχουν ζωτικές θρεπτικές ουσίες στα εδάφη αντί για χημικά λιπάσματα που απαιτούν μεγάλα ποσά ενέργειας για την παραγωγή και τη μεταφορά. Η χρήση των παρασκευαζόμενων λιπασμάτων είναι, συνεπώς πιο εντατική ως προς τον άνθρακα συγκριτικά με τα υγρά λιπάσματα από αναερόβιους χωνευτήρες. Σε χώρες όπως η Ισπανία, όπου πολλά εδάφη είναι οργανικά εξαντλημένα, οι αγορές για χωνευμένα στερεά μπορεί να είναι εξίσου σημαντικές με το βιοαέριο.[84]
Αέριο μαγειρέματος
Χρησιμοποιώντας έναν βιοαντιδραστήρα, που παράγει τα απαιτούμενα βακτήρια για την αποσύνθεση, παράγεται αέριο μαγειρέματος. Τα οργανικά απορρίμματα όπως πεσμένα φύλλα, κουζινικά απορρίμματα, υπολείμματα τροφών κλπ. τροφοδοτούν μια μονάδα θραύσης, όπου το μείγμα συγχωνεύεται με μια μικρή ποσότητα νερού. Το μείγμα στη συνέχεια τροφοδοτεί τον βιοχωνευτήρα, όπου τα βακτήρια το αποσυνθέτουν παράγοντας αέριο μαγειρέματος. Αυτό το αέριο παροχετεύεται σε μαγειρικές εστίες. Ένας βιοχωνευτήρας μπορεί να παραγάγει 2 κυβικά μέτρα από μαγειρικό αέριο. Αυτό ισοδυναμεί με 1kg από LPG. Το σημαντικό πλεονέκτημα της χρήσης του βιοχωνευτήρα είναι η λάσπη που είναι ένα πλούσιο οργανικό λίπασμα.[85]
Τα τρία κύρια προϊόντα μιας αναερόβιας πέψης είναι το βιοαέριο, το χωνευμένο υλικό και το νερό.[35][86][87]
Βιοαέριο
Το βιοαέριο είναι το τελικό προϊόν των βακτηρίων που τροφοδοτεί την εισαγωγή της βιοδιασπάσιμης πρώτης ύλης (το στάδιο της μεθανογένεσης για την αναερόβια πέψη εκτελείται από τα αρχαία (έναν μικροοργανισμό σε έναν σαφώς διαφορετικό κλάδο του φυλογενετικού δένδρου της ζωής των βακτηρίων) και είναι κυρίως μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα,[89][90] με μια μικρή ποσότητα υδρογόνου και ίχνη υδρόθειου. (Όπως παράγεται, το βιοαέριο περιέχει επίσης υδρατμούς, με το ποσοστό του όγκου των υδρατμών να είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας του βιοαερίου).[37] Το περισσότερο βιοαέριο παράγεται κατά τη διάρκεια του μέσου της πέψης, αφού ο βακτηριακός πληθυσμός έχει αναπτυχθεί και μειώνεται καθώς το σηπτό υλικό εξαντλείται.[91] Το αέριο αποθηκεύεται κανονικά στην κορυφή του χωνευτήρα ή εξάγεται και αποθηκεύεται δίπλα στην εγκατάσταση σε ένα αεριοφυλάκιο.
Το μεθάνιο στο βιοαέριο μπορεί να καεί για να παραγάγει θερμότητα και ηλεκτρισμό, συνήθως με μια παλινδρομική μηχανή ή μικροστρόβιλους,[92] συχνά σε μία διάταξη συμπαραγωγής, όπου ο ηλεκτρισμός και η δημιουργούμενη αποβαλλόμενη θερμότητα χρησιμοποιούνται για να θερμάνουν τους χωνευτήρες ή τα κτίρια. Η περίσσεια του ηλεκτρισμού μπορεί να πουληθεί σε παρόχους ή να τροφοδοτήσει το τοπικό δίκτυο. Ο παραγόμενος ηλεκτρισμός από αναερόβιους χωνευτήρες θεωρείται ανανεώσιμη ενέργεια και μπορεί να πάρει επιδοτήσεις.[93] Το βιοαέριο δεν συνεισφέρει στην αύξηση των συγκεντρώσεων του ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα, επειδή δεν απελευθερώνεται άμεσα στην ατμόσφαιρα και το διοξείδιο του άνθρακα προέρχεται από μια οργανική πηγή με σύντομο κύκλο άνθρακα.
Το βιοαέριο μπορεί να απαιτεί επεξεργασία ή 'καθαρισμό' ώστε να εξευγενιστεί και να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο.[94] Το υδρόθειο, ένα τοξικό προϊόν που σχηματίζεται από θειικά στην πρώτη ύλη, εκλύεται ως συστατικό σε ίχνη στο βιοαέριο. Οι εθνικές υπηρεσίες περιβάλλοντος, θέτουν αυστηρά όρια στα επίπεδα των αερίων που περιέχουν υδρόθειο και αν τα επίπεδα του υδρόθειου είναι υψηλά, απαιτείται καθαρισμός του βιοαερίου (όπως με επεξεργασία με αμίνες) για να μεταπέσει σε αποδεκτά επίπεδα.[95] Εναλλακτικά, η προσθήκη διχλωριούχου σιδήρου FeCl2 στις δεξαμενές πέψης εμποδίζει την παραγωγή υδρόθειου.[96]
Πτητικά σιλοξάνια μπορούν επίσης να μολύνουν το βιοαέριο· τέτοιες ενώσεις βρίσκονται συνήθως σε οικιακά απόβλητα και υδατικά απόβλητα. Η αποδοχή τέτοιων υλικών σε εγκαταστάσεις πέψης ως συστατικών της πρώτης ύλης, προκαλεί την εξαέρωση των χαμηλής σχετικής μοριακής μάζας σιλοξανίων στο βιοαέριο. Όταν αυτό το αέριο καίγεται σε έναν αεριοκινητήρα, στρόβιλο ή ατμολέβητα, τα σιλοξάνια μετατρέπονται σε διοξείδιο του πυριτίου (SiO2), που καθιζάνει εσωτερικά στη μηχανή, αυξάνοντας τη φθορά και τη ρηγμάτωση.[97][98] Practical and cost-effective technologies to remove siloxanes and other biogas contaminants are available at the present time.[99] Σε συγκεκριμένες εφαρμογές, η επιτόπια επεξεργασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει την καθαρότητα σε μεθάνιο μειώνοντας το περιεχόμενο του διοξειδίου του άνθρακα στα καυσαέρια, με καθαρισμό του μεγαλύτερου μέρους του σε έναν δευτερογενή αντιδραστήρα.[100]
Σε χώρες όπως η Ελβετία, η Γερμανία και η Σουηδία, το μεθάνιο στο βιοαέριο μπορεί να συμπιεστεί για να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο οχημάτων μεταφοράς ή να εισαχθεί απευθείας στο δίκτυο φυσικού αερίου.[101]
Διάταξη βιοαερίου με ράβδους αντικεραυνικής προστασίας και εφεδρική υψικάμινο
Σωλήνες μεταφοράς βιοαερίου
Χωνευμένο υλικό
Το χωνευμένο υλικό είναι το στερεό υπόλειμμα του αρχικού υλικού στους χωνευτήρες που τα μικρόβια δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν. Περιλαμβάνει, επίσης, τα ορυκτοποιημένα υπολείμματα των νεκρών βακτηρίων από τους χωνευτήρες. Το χωνευμένο υλικό μπορεί να εμφανιστεί σε τρεις μορφές: ινώδες, υγρό ή ως συνδυασμός των δύο κλασμάτων με βάση τη λάσπη. Σε ένα σύστημα δύο σταδίων, διαφορετικές μορφές χωνευμένου υλικού προέρχονται από διαφορετικές δεξαμενές πέψης. Σε συστήματα πέψης ενός σταδίου, τα δύο κλάσματα θα συνδυαστούν και, εάν είναι επιθυμητό, θα διαχωριστούν με παραπέρα επεξεργασία.[102][103]
Το δεύτερο παραπροϊόν (οξεογόνο χωνευμένο υλικό) είναι ένα σταθερό, οργανικό υλικό που αποτελείται κυρίως από λιγνίνη και κυτταρίνη, αλλά και από μια ποικιλία από ορυκτά συστατικά από τα νεκρά βακτηριακά κύτταρα· κάποια πλαστικά μπορεί να είναι παρόντα. Το υλικό μοιάζει με οικιακό κοπρόχωμα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τέτοιο ή να παρασκευάσει οικοδομικά υλικά χαμηλής ποιότητας, όπως ινοσανίδες.[104][105] Το στερεό χωνευμένο υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί, επίσης, ως πρώτη ύλη για την παραγωγή αιθανόλης.[106]
Το τρίτο παραπροϊόν είναι ένα υγρό (μεθανογενικό χωνευμένο υλικό) πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως λίπασμα, ανάλογα με την ποιότητα του υλικού που χωνεύεται.[107] Τα επίπεδα των δυνητικά τοξικών στοιχείων (PTEs) πρέπει να εκτιμηθούν χημικά. Αυτό εξαρτάται από την ποιότητα των αρχικών πρώτων υλών. Στην περίπτωση των πιο καθαρών και διαχωρισμένων στην πηγή βιοδιασπάσιμων ροών αποβλήτων, τα επίπεδα των δυνητικά τοξικών στοιχείων θα είναι χαμηλά. Στην περίπτωση των βιομηχανικών αποβλήτων, τα επίπεδα των δυνητικά τοξικών στοιχείων μπορεί να είναι πιο υψηλά και να χρειάζεται να ληφθούν υπόψη, κατά τον προσδιορισμό της τελικής χρήσης του προϊόντος.
Το χωνευμένο υλικό περιέχει συνήθως ουσίες, που δεν μπορούν να διασπαστούν από τους αναερόβιους μικροοργανισμούς. Επίσης, το χωνευμένο υλικό μπορεί να περιέχει αμμωνία που είναι φυτοτοξική και μπορεί να παρεμποδίσει την ανάπτυξη των φυτών, αν χρησιμοποιηθεί ως βελτιωτικό του εδάφους. Για αυτούς τους δύο λόγους, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μετά τη χώνευση, ένα στάδιο ωρίμανσης και λιπασματοποίησης. Η λιγνίνη και άλλα υλικά είναι διαθέσιμα για διάσπαση από αναερόβιους μικροοργανισμούς, όπως μύκητες, βοηθώντας στη συνολική μείωση του όγκου των υλικών προς μεταφορά. Κατά τη διάρκεια αυτής της ωρίμανσης η αμμωνία θα οξειδωθεί σε νιτρικά, βελτιώνοντας την παραγωγικότητα και καθιστώντας το πιο κατάλληλο ως βελτιωτικό του εδάφους. Μεγάλα στάδια λιπασματοποίησης χρησιμοποιούνται συνήθως από ξηρές τεχνολογίες αναερόβιας πέψης.[108][109]
Τα απόνερα
Η τελική έξοδος από τα συστήματα αναερόβιας πέψης είναι το νερό, που παράγεται και την περιεχόμενη υγρασία των αρχικών αποβλήτων που επεξεργάστηκαν και από το παραγόμενο νερό κατά τη διάρκεια των μικροβιακών αντιδράσεων στα συστήματα πέψης. Αυτό το νερό μπορεί να απελευθερωθεί από την αφυδάτωση του χωνευμένου υλικού ή μπορεί να διαχωριστεί από το χωνευμένο υλικό.
Τα εξερχόμενα απόνερα από την εγκατάσταση της αναερόβιας πέψης θα έχουν, συνήθως, αυξημένα επίπεδα από βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (BOD) και χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD). Αυτές οι μετρήσεις δραστικότητας του λύματος δείχνουν τη δυνατότητα ρύπανσης. Μερικά από αυτά τα υλικά ορίζονται ως 'σκληρά χημικά απαιτούμενο οξυγόνο', που σημαίνει ότι δεν μπορούν προσπελαστεί από τα αναερόβια βακτήρια για να να μετατραπούν σε βιοαέριο. Αν αυτά τα απόνερα τοποθετηθούν απευθείας σε υδάτινες οδούς, θα μπορούσε να τις επηρεάσει αρνητικά προκαλώντας ευτροφισμό. Για τον λόγο αυτό, απαιτείται συχνά παραπέρα επεξεργασία των απόνερων. Αυτή η επεξεργασία αποτελείται, συνήθως, από ένα στάδιο οξείδωσης, όπου περνά αέρας μέσα από το νερό σε αντιδραστήρες διαλείπουσας ροής, ή από μια μονάδα αντίστροφης όσμωσης.[110][111][112]
Αναφέρεται, ότι επιστημονικό ενδιαφέρον για το παραγόμενο αέριο από τη φυσική αποσύνθεση της οργανικής ύλης χρονολογείται από τον 17ο αιώνα, όταν οι Ρόμπερτ Μπόιλ (1627-1691) και Stephen Hales (1677-1761) σημείωσαν ότι η ανατάραξη του ιζήματος των ρευμάτων και των λιμνών απελευθέρωνε εύφλεκτο αέριο.[14] Το 1808 ο Χάμφρι Ντέιβι (Humphry Davy) απέδειξε την παρουσία μεθανίου στα αέρια που παράγονται από τις κοπριές των αγελάδων.[16][113] Το 1859, σε ένα λεπροκομείο στη Βομβάη της Ινδίας κατασκευάστηκε ο πρώτος αναερόβιος χωνευτήρας. Το 1895, αναπτύχθηκε στο Exeter της Αγγλίας σχετική τεχνολογία, όπου χρησιμοποιήθηκε μια σηπτική δεξαμενή για την παραγωγή αερίου για δημοτικούς λαμπτήρες. Επίσης στην Αγγλία, το 1904, εγκαταστάθηκε στο Λονδίνο η πρώτη δεξαμενή διπλού σκοπού και για την κατακάθιση και την επεξεργασία της λάσπης. Το 1907, εκδόθηκε στη Γερμανία μια ευρεσιτεχνία για τη δεξαμενή Ίμχοφ (Imhoff tank),[114] μια πρώιμη μορφή χωνευτήρα.
Η έρευνα για την αναερόβια πέψη ξεκίνησαν σοβαρά του 1930.[115]
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
