Anaërobiese vertering

Anaerobiese verteringsaanleg in Israel

Anaërobiese vertering is 'n reeks prosesse waarin mikro-organismes bioafbreekbare materiale in die afwesigheid van suurstof afbreek. Die proses word dikwels gebruik om afvalwater en -slyk en ook organiese afval te behandel omdat dit die volume en massa van die voermateriaal verminder. As deel van 'n geïntegreerde afvalbestuurstelsel kan anaerobiese vertering die uitlaatgas van vullishope na die atmosfeer verminder. Anaerobiese vertering is 'n bron van hernubare energie omdat die proses 'n metaan- en koolstofdioksiedryke biogas oplewer wat geskik is om fossielbrandstowwe te vervang. Die voedingryke vastestowwe wat agtergelaat word na vertering kan gebruik word as bemesting.

Die verteringsproses begin met bakteriese hidrolise van die voermateriale om die onoplosbare organiese polimere soos koolhidrate af te breek en dit beskikbaar te maak vir ander bakterieë. Asidogeniese bakterieë kan die suikers en aminosure dan na koolstofdioksied, waterstof, ammoniak, waterstof en organiese sure omskakel. Asetogeniese bakterieë skakel dan hierdie organiese sure om na asynsuur saam met nog meer ammoniak, waterstof en koolstofdioksied. Metanogeniese bakterieë skakel dan uiteindelik hierdie produkte na metaan en koolstofdioksied om.

Die tegniese vaardigheid wat vereis word om anaerobiese verteerders optimaal te onderhou tesame met hoë kapitale kostes en lae prosesrendemente het tot dusver die toepassing daarvan vir afvalbestuur in die nywerheid beperk. Anaerobiese verteringsaanlegte is egter geïdentifiseer as een van die belowendste gedesentraliseerde bronne van energie, aangesien hulle minder kapitaal verg as groot kragsentrales.

Versigtige beheer van die verteerder se temperatuur, pH en voertempo is belangrik om doeltreffende ontbinding van die materiaal te verkry. Versteurings in die ontbindingsproses kan ook lei tot algehele faling van die proses. Dit is baie belangrik dat die kwaliteit van die voermateriale onderhou word en dat die proses effektief gemonitor word om te verseker dat die verrigting van die verteerder betroubaar en voorspelbaar bly.

Geskiedenis

Wetenskaplike belangstelling in die gasse wat ontstaan vanuit die natuurlike ontbinding van organiese materiaal is vir die eerste keer in die sestiende eeu deur Robert Boyle en Stephen Hale aangeteken. Hulle het opgemerk dat 'n vlambare gas vrygestel word wanneer die sediment in strome en mere versteur word. In 1808 het Sir Humphry Davy bepaal dat metaan teenwoordig was in die gasse wat deur beesmis afgeskei is. Die eerste anaërobies verteerder is deur 'n melaatse kolonie in Bombaai Indië in 1859 gebou. In 1895 is tegnologie in Exeter, Engeland ontwikkel waar 'n septiese tenk gebruik is om gas te ontwikkel vir straatligte. In 1904 is daar ook in Engeland vir die eerste keer van 'n dubbeldoel tenk vir beide sedimentasie en slykbehandeling in Hampton geïnstalleer. In 1907 in Duitsland is 'n patent toegeken vir die Imhoff tenk, 'n soort verteringstenk.

In die 1930's het anaërobiese vertering toenemend erkenning as 'n navorsingsveld in wetenskaplike kringe geniet. Navorsing in hierdie tyd het gelei tot die ontdekking van anaërobies bakterieë, die mikro-organismes wat die proses ondersteun. Verdere navorsing is ook gedoen om vas te stel onder watter toestande die metanogeniese bakterieë groei en voortplant.

Gebruike

Anaërobiese vertering kan veral goed op nat organiese materiaal toegepas word en word dikwels gebruik vir die behandeling van uitvloeisels en riool. Anaërobiese vertering is 'n eenvoudige proses wat die hoeveelheid organiese materiaal drasties kan verminder wat andersins op 'n vullishoop gestort sou moes word of verbrand sou moes word.

Byna enige organiese materiaal kan deur middel van anaërobiese vertering verwerk word. Dit sluit biodegradeerbare afval soos papiervullis, grassnysels, oorskietkos, riool en dieremis in. Die uitsondering hierop is houtagtige afval wat baie moeilik ontbind word aangesien anaërobe nie lignien kan afbreek nie. Anaërobiese verteerders kan ook met gewasse gevoer word wat vir die spesifieke doeleinde gekweek word soos byvoorbeeld kuilvoer.

In ontwikkelende lande bied eenvoudige anaërobiese verteringstelsels die moontlikheid van goedkoop, lae-koste energie vir kook- en beligtingsdoeleindes. Anaërobiese verteringsfasiliteite is deur die Verenigde Nasies se Ontwikkelingsprogram erken as een van die belowendste gedesentraliseerde energiebronne.

Sjina en Indië het beide groot regeringsgesteunde skemas sedert 1975 gehad vir die aanpas van klein biogas-aanlegte vir huishoudelike kook- en beligtingsdoeleindes. Tans kan projekte vir anaërobiese vertering in die ontwikkelende wêreld finansiering bekom deur middel van die Verenigde Nasies se skoon omgewingsontwikkelingsprogram as hulle 'n verlaging in koolstofuitlate kan aantoon.

Druk vanweë omgewingswette rondom die bestuur van vaste afval in die ontwikkelde lande het gelei tot 'n toename in die gebruik van anaërobiese vertering as 'n proses vir die vermindering van afvalvolumes en die gepaardgaande nuttige byprodukte. Anaërobiese vertering kan gebruik word om die voorafgeskeide organiese gedeelte van munisipale afval te verwerk of saam met meganiese sorteringstelsels gebruik word om die oorblywende gemengde munisipale afval te verwerk.

Die gebruik van anaërobiese verteringstegnologie kan bydra tot die vermindering van skadelike uitlaatgasse op verskeie maniere.

• Deur fossielbrandstowwe te vervang
• Deur die metaanbevattende afgasse vanaf vullishope te verminder
• Deur kunsmis te vervang
• Deur voertuie se bewegings te verminder (kleiner volume afval om te vervoer)
• Deur die oordragsverliese in die elektrisiteitsnetwerk te verminder deur middel van verspreide kragopwekking

Metaan en die krag wat vanaf anaerobiese verteringsfasiliteite verkry word kan gebruik word om die energie wat uit fossielbrandstowwe verkry word te verminder en daarom ook die aflaat van kweekhuisgasse te verminder. Al word koolstofdioksied ook vrygestel deur die metaanverbranding is die koolstof sodoende verkry reeds deel van die koolstofkringloop.

Die koolstof wat in die atmosfeer vrygestel word deur die verbranding van biogas is deur plante uit die atmosfeer verwyder. As die plante dus weer groei verwyder dit weer die koolstof uit die atmosfeer en daarom veroorsaak die stelsel nie 'n opbou van koolstofdioksied in die atmosfeer nie. Dit staan in starre kontras met fossielbrandstowwe waar die koolstof reeds miljoene jare gelede in die aardkors vasgelê is en daarom lei die verbranding daarvan tot 'n verhoging in die oorhoofse koolstofdioksiedvlakke in die atmosfeer.

As die verrottende afval wat in anaërobiese verteerders op vullishope mee weggedoen word sal dit natuurlik ontbind en ook dikwels op anaërobiese wyse. In hierdie geval sal die gas uiteindelik in die atmosfeer beland. Metaan is ongeveer twintig keer meer skadelik as 'n kweekhuisgas as koolstofdioksied en daarom het dit 'n beduidende negatiewe impak op die omgewing.

Die oorskot vloeistof kan gebruik word as bemesting wat noodsaaklike voedingstowwe aan die grond kan verskaf. Die soliede, veselagtige komponent van die verteerde materiaal kan ook gebruik word om die organiese inhoud van die grond te verhoog. In sommige lande waar daar baie arm grond bestaan kan die mark vir die vaste uitskot van die verteringsproses byna net so belangrik wees as die biogas wat gelewer word.

In lande waar huishoudelike afval herwin word kan die gebruik van plaaslike anaërobiese verteringsfasiliteite help om die hoeveelheid afval wat vervoer moet word na vullishope of verbrandingsaanlegte te verminder.

Die proses

Daar bestaan 'n aantal bakterieë wat betrokke is in die anaërobiese verteringsproses insluitende asynsuurvormende bakterieë (asetogenese) en metaanvormende bakterieë (metanogenese). Hierdie bakterieë verteer die voermateriaal wat dan 'n verskillende aantal prosesse ondergaan om dit na intermediêre molekules omskakel insluitend suikers, waterstof en asynsuur alvorens dit uiteindelik na biogas omgeskakel word.

Verskillende spesies bakterieë kan by verskillende temperature oorleef. Die batkerieë wat optimaal leef by temperature van tussen 35-40°C word die mesofiele genoem. Sommige bakterieë kan by warmer temperature van 55-60°C oorleef en word termofiele genoem. Metanogenese ontstaan deur 'n primitiewe groep van archaea. Hierdie familie sluit spesies in wat in ongunstige toestande by warm ondersese fonteine bestaan. Hierdie spesies bied meer weerstand teen hitte en kan daarom by termofiliese temperature leef, 'n eienskap wat uniek is aan bakteriese families.

Soos in die geval van aërobiese stelsels vereis die bakterieë in anaërobiese stelsels 'n bron van elementêre suurstof om te kan groei en voort te plant. In 'n anaërobiese stelsel is daar nie suurstofgas teenwoordig nie, aangesien die geseëlde houers verhoed dat suurstof vanuit die lug die stelsel binnegaan. Anaërobe verkry dus hul suurstof vanuit ander bronne as die atmosfeer. Die suurstofbron vir hierdie mikro-organismes kan die organiese materiaal self wees of alternatiewelik die anorganiese oksiede in die voermateriaal. As die suurstof afkomstig is van die organiese materiaal is die intermediêre eindprodukte gewoonlik alkohole, aldehiede en organiese sure plus koolstofdioksied. In die teenwoordigheid van gespesialiseerde metanogene word die intermediêre produkte omgeskakel na die 'finale' eindprodukte naamlik metaan, koolstofdioksied en spoorhoeveelhede waterstofsulfied. In 'n anaërobiese stelsel word die chemiese energie in die organiese materiaal vervat grootliks deur die metanogeniese bakterieë vrygestel.

Die bakteriebevolking neem tipies 'n beduidende hoeveelheid tyd alvorens hulle sodanig gevestig is dat hulle doeltreffend is. Dit is daarom algemene praktyk om anaërobiese mikro-organismes vanaf bestaande bevolkings by te voeg. Hierdie saadproses vind dikwels plaas deur die byvoeging van rioolslyk of slyk vanaf beeskrale.

Stadia

Daar is vier sleutel biologiese en chemiese stappe van anaërobiese vertering:

1. Hidrolise
2. Asidogenese
3. Asetogenese
4. Metanogenese

In die meeste gevalle bestaan biomassa uit groot organiese polimere. Vir die anaërobiese verteerder om die energiepotensiaal van hierdie materiaal te tap, moet die kettings eers afgebreek word na hul kleiner onderdele. Hierdie kleiner deeltjies of monomere soos suikers kan geredelik deur ander bakterieë afgebreek word. Die afbreekproses van hierdie kettings en die oplos van die kleiner molekule word hidrolise genoem. Hidrolise is daarom ook die noodsaaklike eerste stap in die anaërobiese verteringsproses. Deur middel van hidrolise word die komplekse organiese molekules afgebreek na eenvoudige suikers, aminosure en vetsure.

Asetaat en watersntof wat in die eerste stadia geproduseer word kan direk deur die metanogene benut word. Ander molekules soos die vlugtige vetsure met 'n kettinglengte wat langer is as asetaat moet eers biologies ontbind word na verbindings wat direk deur die metanogene gebruik kan word. Die biologiese proses van asidogenese is waar hierdie verdere ontbinding van die oorblywende komponente plaasvind deur asidogeniese (gistende) bakterieë. Hier word vlugtige vetsure geskep tesame met ammoniak, koolstofdioksied en waterstofsulfied asook ander byprodukte. Die proses van asidogenese is soortgelyk aan die proses wat plaasvind as melk suur word.

Die derde stadium van anaërobiese vertering is asetogenese. Hier word eenvoudige molekules wat deur die asidogeniese fase geskep is verder afgebreek deur asetogene om hoofsaaklik asynsuur, koolstofdioksied en waterstof te vorm.

Die finale stadium van anaërobiese vertering is die biologiese metanogenese proses. Die metanogene gebruik die intermediêre produkte van die voorafgaande stadia en skakel dit om na metaan, koolstofdioksied en water. Dit is hierdie komponente wat die grootste deel uitmaak van biogas wat deur die stelsel opgewek word. Metanogenese is sensitief vir hoë en lae pH's en vind plaas tussen 'n pH van tussen 6.5 en 8. Die oorblywende, materiaal wat nie deur die mikrobes verteer kan word nie saam met enige dooie bakteriese materiaal maak die oorskot uit.

'n Eenvoudige generiese chemiese vergelyking van die oorhoofse proses kan as volg geskryf word:

C₆H₁₂O₆ → 3CO₂ + 3CH₄