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厌氧消化

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可持续能源
Wind turbines near Vendsyssel, Denmark (2004)
概述
节约能源
可再生能源
可持续交通系统

厌氧消化（英语：anaerobic digestion）是微生物在缺乏氧气的环境中，进行生物降解的一系列过程。[1]它可用于处理工业或生活废物，并生产燃料。很多用于工业生产的食品和饮料产品的发酵，以及家庭发酵，采用厌氧消化。

厌氧消化天然存在一些土壤中和存在湖泊和海洋盆地的沉积物中，它通常被称为“无氧活动”[2][3]。这是1776年由伏打发现的沼气甲烷的来源[4][5]。

厌氧消化用于可生物降解的废物和污水，[6]作为一个综合废物管理系统的一部分，减少垃圾和减少排放气体到大气中。一般农作物也可以被送入厌氧沼气池，产生能量。[7]

厌氧消化被广泛用作可再生能源的来源，微生物产生的沼气、甲烷、二氧化碳和其他污染物。这沼气可直接用于燃料，热电联产和电力燃气发动机，或提炼成天然气。它可产生出沼气作为燃料取代化石燃料，也可产生营养丰富的沼渣（英语：digestate）可以用作肥料。

厌氧菌在新陈代谢过程中，因所产生之能量较低，故细菌之生长缓慢，生产时间（generation time）较长，以葡萄糖之分解为例，好氧性分解每摩尔之葡萄糖可获得六百八十六卡能量，而厌氧分解仅可得五十二卡，故要获得相等之能量，厌氧性细菌细胞消化之物质，当为好氧性细菌者之十倍以上，此即为高浓度之有机废水或污泥常利用厌氧消化法处理之原因所在，且因此厌氧消化所需之营养剂如氮、磷等均较少，而消化后之污泥也相对减少。

过程

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许多微生物会影响厌氧消化，包括乙酸形成细菌（产乙酸菌（英语：产乙酸菌））和甲烷形成古菌（产甲烷菌（英语：Methanogen））。这些微生物促进生物质转化成沼气的一些化学过程[8]。

过程阶段

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厌氧消化的四个关键阶段包括水解，产酸作用（英语：acidogenesis），产乙酸作用（英语：acetogenesis）和甲烷生成[9]。

整个过程可以通过化学反应来被描述，其中有机材料例如葡萄糖被厌氧微生物生物化学的消化成二氧化碳（CO2）和甲烷 （CH4）。

C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4


应用

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废物和废水处理

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厌氧消化是特别适合于有机材料，并且通常用于工业污水，废水和污水污泥的处理[10]。厌氧消化这一个简单的过程，可以大大减少可能注定倾倒在海上[11]，倾倒在垃圾填埋场，或焚烧炉的垃圾焚烧[12]的有机物数量。

发电

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在发展中国家，简单的家庭和农场为基础的厌氧发酵系统提供做饭和照明的低成本能源的潜力[13][14][15][16]。

产物

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厌氧消化的三个主要产物是沼气，沼渣（英语：Digestate），和水[17][18]。

沼气

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主条目：沼气
沼气的典型成分
化合物 分子式 %
甲烷 CH
4 		50–75
二氧化碳 CO
2 		25–50
氮 N
2 		0–10
氢 H
2 		0–1
硫化氢 H
2S 		0–3
氧 O
2 		0–0
来源: www.kolumbus.fi, 2007[19]

在例如瑞士，德国，和瑞典这些国家，在沼气中的甲烷可被压缩而被用作车辆运输的燃料，或直接输入到气体主干线管道[20]。在驾驶员使用厌氧消化是因为可再生电力补贴的国家，这种处理路径的可能性较小，因为在该处理阶段需要能量，从而减少了可销售的整体水平[21]。

带有防雷杆和备用沼气火炬的沼气罐。
沼气承载管道。

沼渣

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产酸厌氧沼渣。

沼渣是消化器中微生物不能使用的原始输入材料的固体残余。它还包括在沼气池中死细菌的矿化遗体。沼渣可以有三种形式：纤维，液体，或这两部分的污泥为基础的组合。在两级消化系统，不同形式的沼渣来自不同的消化池。在单级消化系统，这两个级分将被合并，如果需要的话，通过进一步的处理分离[22][23]。

废水

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厌氧消化系统最后的输出是水，其起源既有从被处理过的原始废物的水分含量，还有是从在消化系统的微生物反应产生的水分。这种水可以是在沼渣的脱水处理被释放出来的，或者可以是在沼渣隐含分离出来的。

厌氧消化设施排出的废水将通常具有升高的生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）水平。流出物的反应活性的这些测量指示污染的能力。一些这种材料被称为“硬化学需氧量”，这意味着它不能被厌氧菌获取以转换成沼气。如果污水被直接放入水道，它会造成通过引起水体富营养化的负面影响。因此，通常需要进一步处理废水。这种处理通常是一个氧化阶段，其中空气通过水在顺序批量式反应器或反渗透单元[24][25][26]。

参见

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参考文献

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  1. ^ National Non-Food Crops Centre. "NNFCC Renewable Fuels and Energy Factsheet: Anaerobic Digestion" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Retrieved on 2011-11-22
  2. ^ Koyama, Tadashiro. Gaseous metabolism in lake sediments and paddy soils and the production of atmospheric methane and hydrogen. Journal of Geophysical Research. 1963, 68 (13): 3971–3973. doi:10.1029/JZ068i013p03971. 
  3. ^ Pamatmat, Mario Macalalag, and Bhagwat, Ashok M. Anaerobic metabolism in Lake Washington sediments (PDF). Limnology and Oceanography: 611–627. 1973 [2015年10月3日]. doi:10.4319/lo.1973.18.4.0611. （原始内容 (PDF)存档于2013年12月16日）.  参数|journal=与模板{{cite web}}不匹配（建议改用{{cite journal}}或|website=） (帮助); |volume=被忽略 (帮助); |issue=被忽略 (帮助)
  4. ^ Zehnder, Alexander J. B. Ecology of methane formation. Mitchell, Ralph (编). Water pollution microbiology 2. New York: Wiley. 1978: 349–376. ISBN 978-0-471-01902-2. 
  5. ^ MacGregor, A. N., and Keeney, D. R. Methane formation by lake sediments during in vitro incubations. Journal of the American Water Resources Association (JAWRA). 1973, 9 (6): 1153–1158. doi:10.1111/j.1752-1688.1973.tb05854.x. 
  6. ^ Hydrolysis, Sewage Sludge and Anaerobic Digestion （页面存档备份，存于互联网档案馆） Retrieved 22.02.2010.
  7. ^ Agricultural Biogas （页面存档备份，存于互联网档案馆）, www.clarke-energy.com, accessed 08.11.11
  8. ^ National Non-Food Crops Centre. Evaluation of Opportunities for Converting Indigenous UK Wastes to Fuels and Energy (Report), NNFCC 09-012 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  9. ^ Anaerobic digestion （页面存档备份，存于互联网档案馆）, waste.nl. Retrieved 19.08.07.
  10. ^ Anaerobic Digestion （页面存档备份，存于互联网档案馆）, wasteresearch.co.uk. Retrieved 24.10.07.
  11. ^ Sea Dumping of Sewage Sludge, encyclopedia.com. Retrieved 22.02.2010.
  12. ^ Ocean Dumping Ban Act (1988) （页面存档备份，存于互联网档案馆）, bookrags.com. Retrieved 22.02.2010.
  13. ^ Transfer of low-cost plastic biodigester technology at household level in Bolivia （页面存档备份，存于互联网档案馆）, lrrd.org
  14. ^ Friends of the Earth (2004) Anaerobic digestion Briefing Paper （页面存档备份，存于互联网档案馆）, foe.co.uk. Retrieved 17.08.07.
  15. ^ Cardiff University (2005) Anaerobic Digestion Page （页面存档备份，存于互联网档案馆）, wasteresearch.co.uk. Retrieved 17.08.07.
  16. ^ Doelle, H. W. (2001) Biotechnology and Human Development in Developing Countries （页面存档备份，存于互联网档案馆）, ejbiotechnology.info. Retrieved 19.08.07.
  17. ^ Abstract from Operation of Municipal Wastewater Treatment Plants Manual of Practice-MOP 11 Fifth Edition （页面存档备份，存于互联网档案馆）, e-wef.org. Retrieved 19.08.07.
  18. ^ Anaerobic Digestion – An Introduction and Commercial Status in the US – As of 2006 （页面存档备份，存于互联网档案馆）, anaerobic-digestion.com. Retrieved 07.12.14
  19. ^ Basic Information on Biogas （页面存档备份，存于互联网档案馆）, www.kolumbus.fi. Retrieved 2.11.07.
  20. ^ Biogas as a road transport fuel （页面存档备份，存于互联网档案馆） nfuonline.com. Retrieved 24.10.07.
  21. ^ Haase biogas energy centre （页面存档备份，存于互联网档案馆） haase-energietechnik.de. Retrieved 19.08.07.
  22. ^ Fact sheet on anaerobic digestion （页面存档备份，存于互联网档案馆）, waste.nl. Retrieved 19.08.07.
  23. ^ Biomass and biogas （页面存档备份，存于互联网档案馆） globalwarming101.com. Retrieved 19.08.07.
  24. ^ Dosta, Joan; Galí, Alexandre; Macé, Sandra; Mata‐Álvarez, Joan. Modelling a sequencing batch reactor to treat the supernatant from anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. February 2007, 82 (2): 158–64 [16 September 2013]. doi:10.1002/jctb.1645. （原始内容存档于2020-10-21）. 
  25. ^ Clarke Energy Reverse Osmosis Unit （页面存档备份，存于互联网档案馆）, clarke-energy.co.uk. Retrieved 24.10.07.
  26. ^ BOD Effluent Treatment, virtualviz.com. Retrieved 24.10.07.

参考书

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