厭氧消化(英語:anaerobic digestion)是微生物在缺乏氧氣的環境中,進行生物降解的一系列過程。[1]它可用於處理工業或生活廢物,並生產燃料。很多用於工業生產的食品和飲料產品的發酵,以及家庭發酵,採用厭氧消化。
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厭氧消化天然存在一些土壤中和存在湖泊和海洋盆地的沉積物中,它通常被稱為「無氧活動」[2][3]。這是1776年由伏打發現的沼氣甲烷的來源[4][5]。
厭氧消化用於可生物降解的廢物和污水,[6]作為一個綜合廢物管理系統的一部分,減少垃圾和減少排放氣體到大氣中。一般農作物也可以被送入厭氧沼氣池,產生能量。[7]
厭氧消化被廣泛用作可再生能源的來源,微生物產生的沼氣、甲烷、二氧化碳和其他污染物。這沼氣可直接用於燃料,熱電聯產和電力燃氣發動機,或提煉成天然氣。它可產生出沼氣作為燃料取代化石燃料,也可產生營養豐富的沼渣可以用作肥料。
厭氧菌在新陳代謝過程中,因所產生之能量較低,故細菌之生長緩慢,生產時間(generation time)較長,以葡萄糖之分解為例,好氧性分解每摩爾之葡萄糖可獲得六百八十六卡能量,而厭氧分解僅可得五十二卡,故要獲得相等之能量,厭氧性細菌細胞消化之物質,當為好氧性細菌者之十倍以上,此即為高濃度之有機廢水或污泥常利用厭氧消化法處理之原因所在,且因此厭氧消化所需之營養劑如氮、磷等均較少,而消化後之污泥也相對減少。
過程
許多微生物會影響厭氧消化,包括乙酸形成細菌(產乙酸菌)和甲烷形成古菌(產甲烷菌)。這些微生物促進生物質轉化成沼氣的一些化學過程[8]。
厭氧消化的四個關鍵階段包括水解,產酸作用,產乙酸作用和甲烷生成[9]。
整個過程可以通過化學反應來被描述,其中有機材料例如葡萄糖被厭氧微生物生物化學的消化成二氧化碳(CO2)和甲烷 (CH4)。
C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4
應用
厭氧消化是特別適合於有機材料,並且通常用於工業污水,廢水和污水污泥的處理[10]。厭氧消化這一個簡單的過程,可以大大減少可能註定傾倒在海上[11],傾倒在垃圾填埋場,或焚燒爐的垃圾焚燒[12]的有機物數量。
產物
在例如瑞士,德國,和瑞典這些國家,在沼氣中的甲烷可被壓縮而被用作車輛運輸的燃料,或直接輸入到氣體主幹線管道[20]。在駕駛員使用厭氧消化是因為可再生電力補貼的國家,這種處理路徑的可能性較小,因為在該處理階段需要能量,從而減少了可銷售的整體水平[21]。
沼渣是消化器中微生物不能使用的原始輸入材料的固體殘餘。它還包括在沼氣池中死細菌的礦化遺體。沼渣可以有三種形式:纖維,液體,或這兩部分的污泥為基礎的組合。在兩級消化系統,不同形式的沼渣來自不同的消化池。在單級消化系統,這兩個級分將被合併,如果需要的話,通過進一步的處理分離[22][23]。
厭氧消化系統最後的輸出是水,其起源既有從被處理過的原始廢物的水分含量,還有是從在消化系統的微生物反應產生的水分。這種水可以是在沼渣的脫水處理被釋放出來的,或者可以是在沼渣隱含分離出來的。
厭氧消化設施排出的廢水將通常具有升高的生化需氧量(BOD)和化學需氧量(COD)水平。流出物的反應活性的這些測量指示污染的能力。一些這種材料被稱為「硬化學需氧量」,這意味着它不能被厭氧菌獲取以轉換成沼氣。如果污水被直接放入水道,它會造成通過引起水體富營養化的負面影響。因此,通常需要進一步處理廢水。這種處理通常是一個氧化階段,其中空氣通過水在順序批量式反應器或反滲透單元[24][25][26]。
參見
參考文獻
參考書
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