Метановое брожение (по-другому иногда неверно называется анаэробным брожением) — процесс биологического разложения органических веществ с выделением свободного метана.

Органические соединения (белки, углеводы, жиры), которые присутствуют в биомассе, начинают распадаться на простейшие органические соединения (аминокислоты, сахара, жирные кислоты) под действием гидролитических ферментов. Эта стадия называется гидролизом и протекает под воздействием ацетогенных бактерий. На второй стадии происходит гидролизное окисление части простейших органических соединений под воздействием гетероацетогенных бактерий, в результате которой получается ацетат, диоксид углерода и свободный водород. Другая часть органических соединений с полученным на 2 стадии ацетатом образует С1 соединения (простейшие органические кислоты). Полученные вещества являются питательной средой для метанообразующих бактерий 3 стадии. 3 стадия протекает по двум процессам, вызванным различными группами бактерий. Эти две группы бактерий преобразуют питательные соединения 2-й стадии в метан СН4, воду H2O и диоксид углеродаАнаэробное сбраживание ; из книги Форстер К. Ф. «Экологическая биотехнология» стр 225 «2.4.2 Гетероацетогенные бактерии (II группа)».

Процесс происходит в бактериальной биомассе и включает конверсию сложных органических соединений — полисахаров, жиров и белков в метан СН4 и оксид углерода СО (4).

Классификация бактерий, участвующих в метановом брожении

По своим пищевым потребностям бактерии разделяются на три типа: первый тип — гидролизные или ацетогеные; к этому типу принадлежат протеолитические, целлюлолитические, облигатные анаэробы, факультативные анаэробы; ко второму типу относят гомоацетатные бактерии; к третьему типу относят метаногенные бактерии — хемолитотрофные бактерии З-й стадии, перерабатывающие оксид углерода и водород на метан и воду стадия А, и бактерии стадии В — ниткоподобные палочки, кокки и ланцетоподобные, которые перерабатывают муравьиную и уксусную кислоты, а также метанол на метан и оксид углерода. Кроме природных субстратов, анаэробные популяции расщепляют фенолы и сернистые соединения. В зависимости от состава раствора биомассы и вида бактерий в биологическом реакторе будет происходит изменение значений рН, температуры и редокс-потенциала среды.

Сырье Наиболее важным исходным вопросом при рассмотрении вопроса о применении систем анаэробного сбраживания является сырье для данного процесса. Почти любой органический материал может быть переработан с помощью анаэробного сбраживания; однако, если целью является производство биогаза, то уровень гниения является ключевым фактором его успешного применения. Чем более гнилостный (усваиваемый) материал, тем выше выход газа из системы.

Сырье может включать биоразлагаемые отходы, такие как макулатура, обрезки травы, остатки пищи, сточные воды и отходы животноводства. Древесные отходы являются исключением, потому что они в значительной степени не подвержены пищеварению, так как большинство анаэробов не способны разлагать лигнин. Для расщепления лигнина можно использовать ксилофалгические анаэробы (потребители лигнина) или использовать высокотемпературную предварительную обработку, такую как пиролиз. Анаэробные дигесторы также могут питаться специально выращенными энергетическими культурами, такими как силос, для специализированного производства биогаза. В Германии и континентальной Европе эти установки называются «биогазовыми». Установка для коферментации обычно представляет собой сельскохозяйственный анаэробный реактор, который принимает два или более исходных материала для одновременного переваривания.

Продолжительность времени, необходимого для анаэробного сбраживания, зависит от химической сложности материала. Материал, богатый легкоусвояемыми сахарами, быстро разрушается, тогда как неповрежденный лигноцеллюлозный материал, богатый целлюлозой и гемицеллюлозными полимерами, может разрушаться гораздо дольше. Анаэробные микроорганизмы, как правило, не способны расщеплять лигнин, непокорный ароматический компонент биомассы.

Анаэробные реакторы изначально были предназначены для работы с осадком сточных вод и навозом. Сточные воды и навоз, однако, не являются материалом с наибольшим потенциалом для анаэробного переваривания, поскольку биологически разлагаемый материал уже имеет большую часть энергии, поглощенной животными, которые его произвели. Поэтому многие варочные котлы работают с кодигестией двух или более видов сырья. Например, в фермерском варочном котле, использующем молочный навоз в качестве основного сырья, производство газа может быть значительно увеличено путем добавления второго сырья, например травы и кукурузы (типичное фермерское сырье), или различных органических побочных продуктов, таких как отходы скотобойни, жиры, масла и жиры из ресторанов, органические бытовые отходы и т. д.

Дигесторы, перерабатывающие выделенные энергетические культуры, могут достигать высоких уровней деградации и производства биогаза. Системы только навозной жижи, как правило, дешевле, но генерируют гораздо меньше энергии, чем те, которые используют сельскохозяйственные культуры, такие как кукуруза и травяной силос; используя небольшое количество растительного материала (30 %), установка анаэробного сбраживания может увеличить выработку энергии в десять раз и только в три раза увеличить капитальные затраты по сравнению с системой только навозной жижи.

Содержание влаги Второй вопрос, связанный с исходным сырьем, — это содержание влаги. Более сухие, штабелируемые субстраты, такие как пищевые и дворовые отходы, подходят для переваривания в туннелеобразных камерах. Туннельные системы, как правило, также имеют почти нулевой сброс сточных вод, поэтому этот стиль системы имеет преимущества там, где сброс жидкостей варочного котла является помехой. Чем влажнее материал, тем более пригодным он будет для обработки стандартными насосами вместо энергоемких бетононасосов и физических средств передвижения. Кроме того, чем влажнее материал, тем больший объём и площадь он занимает относительно уровней добываемого газа. Влажность целевого сырья также будет влиять на то, какой тип системы применяется для его обработки. Чтобы использовать анаэробный варочный котел с высоким содержанием твердых веществ для разбавления исходного сырья, следует применять наполнители, такие как компост, чтобы увеличить содержание твердых веществ в исходном материале. Ещё одним ключевым фактором является соотношение углерода и азота в исходном материале. Это соотношение является балансом пищи, необходимой микробу для роста; оптимальное соотношение C:N составляет 20-30:1. Избыток азота может привести к аммиачному торможению пищеварения.

Загрязнение Уровень загрязнения исходного материала является ключевым фактором при использовании мокрого сбраживания или пробкового сбраживания.

Если исходное сырье для варочных котлов содержит значительные уровни физических загрязнений, таких как пластик, стекло или металлы, то для использования материала потребуется обработка для удаления загрязнений. Если его не удалить, то дигесторы могут быть заблокированы и не будут функционировать эффективно. Эта проблема загрязнения не возникает при сухом сбраживании или твердотельном анаэробном сбраживании (SSAD) растений, поскольку SSAD обрабатывает сухую, штабелируемую биомассу с высоким процентом твердых веществ (40-60 %) в газонепроницаемых камерах, называемых коробками ферментера. Именно с таким пониманием проектируются механические биологические очистные сооружения. Чем выше уровень предварительной обработки исходного сырья, тем больше потребуется перерабатывающего оборудования, и, следовательно, проект будет иметь более высокие капитальные затраты.

После сортировки или просеивания для удаления любых физических загрязнений из исходного сырья материал часто измельчают, измельчают и механически или гидравлически измельчают, чтобы увеличить площадь поверхности, доступную микробам в варочных котлах, и, следовательно, увеличить скорость переваривания. Мацерация твердых веществ может быть достигнута с помощью измельчающего насоса для передачи исходного материала в герметичный варочный котел, где происходит анаэробная обработка.

Состав субстрата Состав субстрата является основным фактором, определяющим выход метана и скорость производства метана при переваривании биомассы. Существуют методы определения композиционных характеристик исходного сырья, в то время как такие параметры, как твердые вещества, элементный и органический анализы, важны для проектирования и эксплуатации варочного котла. Выход метана может быть оценен по элементному составу субстрата наряду с оценкой его разлагаемости (доля субстрата, которая преобразуется в биогаз в реакторе). Для прогнозирования состава биогаза (относительных долей метана и углекислого газа) необходимо оценить распределение углекислого газа между водной и газовой фазами, что требует дополнительной информации (температура реактора, рН и состав субстрата) и модели химического видообразования. Прямые измерения потенциала биометанирования также производятся с использованием газовыделения или более поздних гравиметрических анализов.

Приложения Использование технологий анаэробного сбраживания может помочь снизить выбросы парниковых газов несколькими ключевыми способами:

Замена ископаемого топлива; Сокращение или устранение энергетического следа очистных сооружений; Сокращение выбросов метана со свалок; Вытеснение промышленно производимых химических удобрений; Сокращение движения транспортных средств; Снижение транспортных потерь в электросетях; Сокращение использования сжиженного газа для приготовления пищи; Важный компонент инициатив безотходной технологии.

Очистка отходов и сточных вод Анаэробное сбраживание особенно подходит для органического материала и обычно используется для очистки промышленных сточных вод, сточных вод и осадка сточных вод. Анаэробное сбраживание, простой процесс, может значительно уменьшить количество органического вещества, которое в противном случае могло бы быть сброшено в море, выброшено на свалки или сожжено в мусоросжигательных установках.

Давление со стороны природоохранного законодательства в отношении методов удаления твердых отходов в развитых странах привело к расширению применения анаэробного сбраживания в качестве процесса сокращения объёмов отходов и получения полезных побочных продуктов. Он может быть использован либо для переработки отделенной от источника фракции коммунальных отходов, либо альтернативно объединен с механическими сортировочными системами для переработки остаточных смешанных коммунальных отходов. Эти установки называются механическими биологическими очистными сооружениями.

Если гнилостные отходы, перерабатываемые в анаэробных реакторах, выбрасываются на свалку, они разрушаются естественным и часто анаэробным путем. В этом случае газ в конце концов уйдет в атмосферу. Поскольку метан является примерно в 20 раз более мощным парниковым газом, чем углекислый газ, это оказывает значительное негативное воздействие на окружающую среду.

В странах, собирающих бытовые отходы, использование местных установок анаэробного сбраживания может помочь сократить количество отходов, требующих транспортировки на централизованные свалки или мусоросжигательные установки. Это снижение нагрузки на транспорт снижает выбросы углекислого газа от мусоровозов. Если локализованные установки анаэробного сбраживания встроены в электрическую распределительную сеть, они могут помочь уменьшить электрические потери, связанные с транспортировкой электроэнергии по национальной сети.

Производство электроэнергии