Анаеробна декомпозиција

Анаеробната декомпозиција, наречена и анаеробна дигестија или анаеробно варење, — низа процеси преку кои микроорганизмите го разградуваат биоразградливиот материјал во отсуство на кислород Процесот се користи за индустриски или домашни цели за управување со отпад или за производство на горива. Голем дел од ферментацијата што се користи индустриски за производство на храна и пијалаци, како и домашната ферментација, користи анаеробно дигестирање.
Анаеробната дигестија се јавува природно во некои почви и во седиментите на езерските и океанските басени, каде што обично се нарекува „анаеробна активност“. Ова е изворот на метан од мочуришниот гас, откриен од Алесандро Волта во 1776 година.
Анаеробната декомпозиција се состои од четири фази:
* Хидролиза
* Ацидогенеза
* Ацетогенеза
* Метаногенеза
Процесот на варење започнува со бактериска хидролиза на влезните материјали. Нерастворливите органски полимери, како што се јаглехидратите, се разградуваат на растворливи деривати кои стануваат достапни за други бактерии. Ацидогените бактерии потоа ги претвораат шеќерите и аминокиселините во јаглерод диоксид, водород, амонијак и органски киселини. Во ацетогенезата, бактериите ги претвораат овие добиени органски киселини во оцетна киселина, заедно со дополнителен амонијак, водород и јаглерод диоксид, меѓу другите соединенија. Конечно, метаногените ги претвораат овие производи во метан и јаглерод диоксид. Популациите на метаногените археи играат неопходна улога во анаеробниот третман на отпадните води.
Анаеробното дигестирање се користи како дел од процесот за третирање на биоразградлив отпад и канализациска талог. Како дел од интегриран систем за управување со отпад, анаеробната дигестија ја намалува емисијата на депониски гас во атмосферата. Анаеробните дигестори можат да се хранат и со енергетски култури одгледувани за таа намена, како што е пченката.
Анаеробната дигестија е широко користена како извор на обновлива енергија. Процесот произведува биогас, кој се состои од метан, јаглерод диоксид и траги од други „загадувачки“ гасови. Овој биогас може да се користи директно како гориво, во комбинирани мотори на гас за производство на топлина и енергија или да се надгради во биометан со квалитет на природен гас. Добиениот дигестат богат со хранливи материи може да се користи и како ѓубриво.
Со повторната употреба на отпадот како ресурс и новите технолошки пристапи што ги намалија капиталните трошоци, анаеробната дигестија во последниве години привлече зголемено внимание кај владите во голем број земји, меѓу кои Обединетото Кралство (2011), Германија,  Данска (2011), и Соединетите Американски Држави.
1 Процес
Многу микроорганизми влијаат на анаеробното варење, вклучувајќи ги бактериите што формираат оцетна киселина (ацетогени) и археите што формираат метан (метаногени). Овие организми поттикнуваат голем број на хемиски процеси во претворањето на биомасата во биогас.
Гасовитиот кислород е исклучен од реакциите со физичко ограничување. Анаеробите користат електронски акцептори од други извори кои не вклучуваат кислороден гас. Овие акцептори можат да бидат самиот органски материјал или можат да бидат обезбедени од неоргански оксиди од влезниот материјал. Кога изворот на кислород во анаеробен систем е изведен од самиот органски материјал, „средните“ крајни производи се првенствено алкохоли, алдехиди и органски киселини, плус јаглерод диоксид. Во присуство на специјализирани метаногени, меѓупроизводите се претвораат во „конечни“ крајни производи од метан, јаглерод диоксид и траги од водород сулфид. Во анаеробен систем, поголемиот дел од хемиската енергија содржана во почетниот материјал се ослободува од метаногените археи како метан.
На популациите на анаеробни микроорганизми обично им е потребен значителен временски период за да се воспостават и да бидат целосно ефикасни. Затоа, вообичаена практика е да се воведат анаеробни микроорганизми од материјали со постоечки популации, процес познат како „сеење“ на дигесторите, што обично се постигнува преку додавање на канализациска тиња или кашеста маса од добиток.
1.1 Фази на процесот
Четирите клучни фази на анаеробна декомпозиција вклучуваат хидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. Целокупниот процес може да се опише со хемиска реакција, каде што органскиот материјал како што е гликозата биохемиски се разградува во јаглерод диоксид (<sub>CO2</sub>) и метан (<sub>CH4</sub>) од страна на анаеробните микроорганизми.
<sub>C6H12O6</sub><sub>→</sub><sub>3CO2</sub><sub>+</sub><sub>3CH4</sub>
1.2 Конфигурација
Анаеробните дигестори можат да бидат дизајнирани и конструирани да работат со користење на голем број различни конфигурации и можат да се категоризираат според тоа дали користат сериски наспроти континуиран процесен режим, мезофилни наспроти термофилни температурни услови, висок наспроти низок удел на цврсти материи и едностепени наспроти повеќестепени процеси. Континуираниот процес бара посложен дизајн, но сепак, може да биде поекономичен од серискиот процес, бидејќи серискиот процес бара повеќе почетни трошоци за изградба и поголем волумен на дигесторите (распоредени во неколку серии) за да се справи со истата количина отпад како дигесторот со континуиран процес. Во термофилниот систем е потребна поголема топлинска енергија во споредба со мезофилниот систем, но термофилниот систем бара многу помалку време и има поголем капацитет за производство на гас и поголема содржина на метан, па затоа внимателно се разгледува овој компромис. За содржина од цврсти материи, ниската температура ќе се справи со содржина од цврсти материи до 15%. Над ова ниво се смета за висока содржина на цврсти материи и може да се нарече и суво дигестирање. Во еднофазен процес, еден реактор ги опфаќа сите четири чекори на анаеробна дигестија. Повеќестепениот процес користи два или повеќе реактори за дигестирање за да ги одвои фазите на метаногенеза и хидролиза.
2 Апликации
Користењето на технологии за анаеробна дигестија може да помогне во намалувањето на емисијата на стакленички гасови на неколку клучни начини, и тоа преку:
* Замена на фосилни горива
* Намалување или елиминирање на енергетскиот отпечаток на постројките за обработка на отпад
* Намалување на емисијата на метан од депониите
* Заменување на индустриски произведените хемиски ѓубрива
* Намалување на движењето на возилата
* Намалување на загубите во транспортот на електричната мрежа
* Намалување на употребата на ЛП гас за готвење
* Важна компонента на иницијативите „Нулти отпад“.
Трите главни продукти на анаеробната дигестија се биогас, дигестат и вода.
3 Историја
Пријавениот научен интерес за производство на гас произведен преку природното распаѓање на органска материја датира од 17 век, кога Роберт Бојл (1627-1691) и Стивен Хејлс (1677-1761) забележале дека нарушувањето на седиментот на потоците и езерата ослободува запалив гас. Во 1778 година, италијанскиот физичар Алесандро Волта (1745-1827), таткото на електрохемијата, научно го идентификувал тој гас како метан.
Во 1808 година, Сер Хамфри Дејви докажал присуство на метан во гасовите произведени од говедско ѓубриво. Првиот познат анаеробен дигестер бил изграден во 1859 година во колонија на лепрозни во Бомбај, Индија. Во 1895 година, технологијата била развиена во Ексетер, Англија, каде што септичка јама се користела за производство на гас за ламбата за уништување на канализациски гас, еден вид осветлување на гас. Исто така, во Англија, во 1904 година, првиот резервоар со двојна намена за седиментација и обработка на тиња бил инсталиран во Хемптон, Лондон.
До почетокот на 20 век, анаеробните системи за дигестирање почнале да личат на технологијата каква што е денес. Во 1906 година, Карл Имхоф го создал резервоарот Имхоф; рана форма на анаеробен дигестер и модел на систем за пречистување на отпадни води во текот на почетокот на 20 век. По 1920 година, затворените резервоари почнале да ја заменуваат претходно вообичаената употреба на анаеробни лагуни - покриени земјени базени што се користеле за обработка на испарливи цврсти материи. Истражувањата за анаеробна дигестија започнале во 1930-тите години.
Околу периодот на Првата светска војна, производството со биогорива се забавило со зголемувањето на производството на нафта и идентификувањето на нејзината употреба. Иако недостигот на гориво за време на Втората светска војна повторно ја популаризирало анаеробната дигестија, интересот за технологијата повторно се намалил по завршувањето на војната. Слично на тоа, енергетската криза од 1970-тите години предизвикало интерес за анаеробната дигестија. Покрај високите цени на енергијата, факторите што влијаат врз усвојувањето на анаеробни системи за дигестија вклучуваат приемчивост кон иновации, казни за загадување, политички стимулации и достапност на субвенции и можности за финансирање.