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厭氧消化

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可持續能源
Wind turbines near Vendsyssel, Denmark (2004)
概述
節約能源
可再生能源
可持續交通系統

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。

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（英語：digestate）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

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許多微生物會影響厭氧消化，包括乙酸形成細菌（產乙酸菌（英語：产乙酸菌））和甲烷形成古菌（產甲烷菌（英語：Methanogen））。這些微生物促進生物質轉化成沼氣的一些化學過程[8]。

過程階段

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厭氧消化的四個關鍵階段包括水解，產酸作用（英語：acidogenesis），產乙酸作用（英語：acetogenesis）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

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廢物和廢水處理

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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。

發電

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在發展中國家，簡單的家庭和農場為基礎的厭氧發酵系統提供做飯和照明的低成本能源的潛力[13][14][15][16]。

產物

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厭氧消化的三個主要產物是沼氣，沼渣（英語：Digestate），和水[17][18]。

沼氣

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主條目：沼氣
沼氣的典型成分
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
氫 H
2 		0–1
硫化氫 H
2S 		0–3
氧 O
2 		0–0
來源: www.kolumbus.fi, 2007[19]

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]。

帶有防雷杆和備用沼氣火炬的沼氣罐。
沼氣承載管道。

沼渣

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產酸厭氧沼渣。

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]。

廢水

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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

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參考文獻

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  1. ^ National Non-Food Crops Centre. "NNFCC Renewable Fuels and Energy Factsheet: Anaerobic Digestion" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, 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. （原始內容 (PDF)存檔於2013年12月16日）.  參數|journal=與模板{{cite web}}不匹配（建議改用{{cite journal}}或|website=） (幫助); |volume=被忽略 (幫助); |issue=被忽略 (幫助)
  4. ^ Zehnder, Alexander J. B. Ecology of methane formation. Mitchell, Ralph (編). 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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Retrieved 22.02.2010.
  7. ^ Agricultural Biogas （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, 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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  9. ^ Anaerobic digestion （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, waste.nl. Retrieved 19.08.07.
  10. ^ Anaerobic Digestion （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, 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) （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, bookrags.com. Retrieved 22.02.2010.
  13. ^ Transfer of low-cost plastic biodigester technology at household level in Bolivia （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, lrrd.org
  14. ^ Friends of the Earth (2004) Anaerobic digestion Briefing Paper （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, foe.co.uk. Retrieved 17.08.07.
  15. ^ Cardiff University (2005) Anaerobic Digestion Page （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, wasteresearch.co.uk. Retrieved 17.08.07.
  16. ^ Doelle, H. W. (2001) Biotechnology and Human Development in Developing Countries （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, ejbiotechnology.info. Retrieved 19.08.07.
  17. ^ Abstract from Operation of Municipal Wastewater Treatment Plants Manual of Practice-MOP 11 Fifth Edition （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, e-wef.org. Retrieved 19.08.07.
  18. ^ Anaerobic Digestion – An Introduction and Commercial Status in the US – As of 2006 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, anaerobic-digestion.com. Retrieved 07.12.14
  19. ^ Basic Information on Biogas （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, www.kolumbus.fi. Retrieved 2.11.07.
  20. ^ Biogas as a road transport fuel （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） nfuonline.com. Retrieved 24.10.07.
  21. ^ Haase biogas energy centre （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） haase-energietechnik.de. Retrieved 19.08.07.
  22. ^ Fact sheet on anaerobic digestion （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, waste.nl. Retrieved 19.08.07.
  23. ^ Biomass and biogas （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 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. （原始內容存檔於2020-10-21）. 
  25. ^ Clarke Energy Reverse Osmosis Unit （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, clarke-energy.co.uk. Retrieved 24.10.07.
  26. ^ BOD Effluent Treatment, virtualviz.com. Retrieved 24.10.07.

參考書

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