< Anaerobic digestion

Anaerobic digestion/id

Pabrik Biogas Pencernaan Anaerobik - Skema Aliran Massa.jpg

adalah proses di mana mikroorganisme memecah bahan yang dapat terurai secara biologis tanpa adanya oksigen. Produk dari proses ini adalah biogas (campuran karbon dioksida (CO2) dan metana) dan digestate (pupuk yang kaya nitrogen). Biogas dapat dibakar untuk menghasilkan panas, atau dapat dibersihkan dan digunakan dengan cara yang sama seperti gas alam atau sebagai bahan bakar mobil. Limbah digestate kaya akan mineral dan dapat digunakan sebagai pupuk pertanian atau pengkondisi tanah.

Aplikasi

Proses anaerobik basah banyak digunakan untuk mengolah lumpur air limbah dan limbah organik karena menghasilkan pengurangan volume dan massa bahan masukan. Sebagai bagian dari sistem pengelolaan limbah terpadu, pencernaan anaerobik mengurangi emisi gas TPA ke atmosfer.

Pencernaan anaerobik kering juga telah digunakan secara luas. Misalnya, ada sistem Axpo Kompogas AG. Ini adalah sistem yang dikembangkan sepenuhnya dan telah menghasilkan 27 juta Kwh listrik dan Biogas pada tahun 2009. Truk tertua milik perusahaan telah mencapai jarak tempuh 1.000.000 kilometer dengan biogas dari limbah rumah tangga dalam 15 tahun terakhir. [1]

Pencernaan anaerobik merupakan sumber energi terbarukan karena proses ini menghasilkan biogas yang kaya akan metana dan karbon dioksida yang cocok untuk produksi energi yang membantu menggantikan bahan bakar fosil. Selain itu, padatan kaya nutrisi yang tersisa setelah pencernaan dapat digunakan sebagai pupuk.

Proses

Ada 2 jenis proses: proses untuk pencernaan anaerobik basah dan untuk pencernaan anaerobik kering . Dalam kedua jenis proses tersebut, ada sejumlah bakteri yang terlibat dalam proses pencernaan anaerobik termasuk bakteri pembentuk asam asetat (asetogen) dan bakteri pembentuk metana (metanogen). Bakteri ini memakan bahan baku awal, yang menjalani sejumlah proses berbeda yang mengubahnya menjadi molekul antara termasuk gula, hidrogen & asam asetat sebelum akhirnya diubah menjadi biogas.
Spesies bakteri yang berbeda mampu bertahan hidup pada rentang suhu yang berbeda. Yang hidup optimal pada suhu antara 35-40 ° C disebut mesofil atau bakteri mesofilik. Beberapa bakteri dapat bertahan hidup pada kondisi yang lebih panas dan lebih keras yaitu 55-60 ° C, ini disebut termofil atau bakteri termofilik. Metanogen berasal dari kelompok primitif archaea. Famili ini mencakup spesies yang dapat tumbuh dalam kondisi yang keras dari ventilasi hidrotermal. Spesies ini lebih tahan terhadap panas dan karena itu dapat beroperasi pada suhu termofilik, suatu sifat yang unik bagi keluarga bakteri.

Seperti halnya sistem aerobik, bakteri dalam sistem anaerobik, mikroorganisme yang tumbuh dan bereproduksi di dalamnya memerlukan sumber oksigen unsur untuk bertahan hidup.

Dalam sistem anaerobik, tidak ada oksigen gas. Dalam digester anaerobik, oksigen gas dicegah masuk ke dalam sistem melalui penahanan fisik dalam tangki tertutup. Bakteri anaerobik memperoleh oksigen dari sumber selain udara sekitar. Sumber oksigen untuk mikroorganisme ini dapat berupa bahan organik itu sendiri atau sebagai alternatif dapat dipasok oleh oksida anorganik dari dalam bahan masukan.
Ketika sumber oksigen dalam sistem anaerobik berasal dari bahan organik itu sendiri, maka produk akhir 'antara' utamanya adalah alkohol, aldehida, dan asam organik ditambah karbon dioksida. Dengan adanya metanogen khusus, zat antara diubah menjadi produk akhir 'akhir' metana, karbon dioksida dengan sedikit hidrogen sulfida. Dalam sistem anaerobik, sebagian besar energi kimia yang terkandung dalam bahan awal dilepaskan oleh bakteri metanogen sebagai metana.

Populasi bakteri anaerobik biasanya memerlukan waktu yang lama untuk berkembang biak hingga menjadi efektif sepenuhnya. Oleh karena itu, merupakan praktik umum untuk memasukkan mikroorganisme anaerobik dari bahan-bahan yang sudah memiliki populasi. Proses ini disebut 'penyemaian' digester dan biasanya dilakukan dengan penambahan lumpur limbah atau bubur ternak.

Tahapan

Ada empat tahap biologis dan kimia utama dari pencernaan anaerobik:

  1. Hidrolisis
  2. Asidogenesis
  3. Asetogenesis
  4. Metanogenesis

Dalam kebanyakan kasus, biomassa terdiri dari polimer organik besar. Agar bakteri dalam digester anaerobik dapat mengakses potensi energi dari material tersebut, rantai ini harus dipecah terlebih dahulu menjadi bagian-bagian penyusunnya yang lebih kecil. Bagian-bagian penyusun atau monomer seperti gula ini tersedia dengan mudah oleh bakteri lain. Proses pemecahan rantai ini dan melarutkan molekul-molekul yang lebih kecil ke dalam larutan disebut hidrolisis. Oleh karena itu, hidrolisis komponen polimer berbobot molekul tinggi ini merupakan langkah pertama yang diperlukan dalam pencernaan anaerobik. Melalui hidrolisis, molekul organik kompleks dipecah menjadi gula sederhana, asam amino, dan asam lemak.

Asetat dan hidrogen yang diproduksi pada tahap awal dapat digunakan secara langsung oleh metanogen. Molekul lain seperti asam lemak volatil (VFA) dengan panjang rantai yang lebih besar dari asetat harus terlebih dahulu dikatabolisme menjadi senyawa yang dapat langsung digunakan oleh metanogen.

Proses biologis asidogenesis adalah proses penguraian lebih lanjut dari komponen yang tersisa oleh bakteri asidogenik (fermentatif). Di sini, VFA dibuat bersama dengan amonia, karbon dioksida, dan hidrogen sulfida serta produk sampingan lainnya. Proses asidogenesis mirip dengan proses pengasaman susu.

Tahap ketiga dari pencernaan anaerobik adalah asetogenesis. Molekul-molekul sederhana yang dibuat melalui fase asidogenesis dicerna lebih lanjut oleh asetogen untuk menghasilkan sebagian besar asam asetat serta karbon dioksida dan hidrogen.

Tahap akhir dari pencernaan anaerobik adalah proses biologis metanogenesis. Di sini, metanogen memanfaatkan produk antara dari tahap sebelumnya dan mengubahnya menjadi metana, karbon dioksida, dan air. Komponen-komponen inilah yang membentuk sebagian besar biogas yang dikeluarkan dari sistem. Metanogenesis sensitif terhadap pH tinggi dan rendah serta terjadi antara pH 6,5 dan pH 8. Sisa bahan yang tidak dapat dicerna yang tidak dapat dimakan oleh mikroba, bersama dengan sisa bakteri yang mati, membentuk digestat.

Persamaan kimia generik yang disederhanakan untuk keseluruhan proses yang diuraikan di atas adalah sebagai berikut:

C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4​​​​​

Tahapan.jpg

Konfigurasi digester anaerobik

Digester anaerobik dapat dirancang dan direkayasa untuk beroperasi menggunakan sejumlah konfigurasi proses yang berbeda:

  • Batch atau kontinyu
  • Suhu: Mesofilik atau termofilik
  • Kandungan padatan: Kandungan padatan tinggi atau kandungan padatan rendah
  • Kompleksitas: Tahap tunggal atau multitahap

Batch atau kontinyu

Sistem batch merupakan bentuk pencernaan yang paling sederhana. Biomassa ditambahkan ke reaktor pada awal proses secara batch dan disegel selama proses berlangsung. Produksi biogas akan terbentuk dengan pola distribusi normal dari waktu ke waktu. Operator dapat menggunakan fakta ini untuk menentukan kapan mereka yakin proses pencernaan bahan organik telah selesai.

Suhu

Ada dua tingkat suhu operasional konvensional untuk digester anaerobik, yang ditentukan oleh spesies metanogen dalam digester:

  • Mesofilik yang berlangsung optimal pada suhu 37°-41°C atau pada suhu ruangan antara 20°-45°C dimana mesofil merupakan mikroorganisme utama yang hadir
  • Termofilik yang berlangsung optimal pada suhu sekitar 50°-52° pada suhu tinggi hingga 70°C di mana termofil merupakan mikroorganisme utama yang ada.

Terdapat lebih banyak spesies mesofil daripada termofil. Bakteri ini juga lebih toleran terhadap perubahan kondisi lingkungan daripada termofil. Oleh karena itu, sistem mesofilik dianggap lebih stabil daripada sistem pencernaan termofilik. Sistem pencernaan termofilik dianggap kurang stabil, namun peningkatan suhu memfasilitasi laju reaksi yang lebih cepat dan karenanya menghasilkan gas yang lebih cepat. Pengoperasian pada suhu yang lebih tinggi memfasilitasi sterilisasi akhir digestate yang lebih baik.
Kelemahan pengoperasian pada suhu termofilik adalah lebih banyak masukan energi panas yang diperlukan untuk mencapai suhu operasional yang benar. Peningkatan energi ini tidak dapat diimbangi oleh peningkatan keluaran biogas dari sistem. Oleh karena itu, penting untuk mempertimbangkan keseimbangan energi untuk sistem ini.

Padatan

Umumnya ada dua parameter operasional berbeda yang terkait dengan kandungan padatan bahan baku untuk digester:

  • Padatan tinggi
  • Padatan rendah

Digester dapat dirancang untuk beroperasi pada kandungan padatan tinggi, dengan konsentrasi total padatan tersuspensi (TSS) lebih besar dari 20%, atau konsentrasi padatan rendah kurang dari 15%.

Digester padatan tinggi memproses bubur kental yang memerlukan masukan energi lebih banyak untuk memindahkan dan memproses bahan baku. Ketebalan material juga dapat menyebabkan masalah terkait abrasi. Digester padatan tinggi biasanya memiliki kebutuhan lahan yang lebih rendah karena volume yang lebih rendah terkait dengan kelembapan.

Digester padatan rendah dapat mengangkut material melalui sistem menggunakan pompa standar yang memerlukan masukan energi yang jauh lebih rendah. Digester padatan rendah memerlukan lahan yang lebih luas daripada digester padatan tinggi karena peningkatan volume yang terkait dengan peningkatan rasio cairan:bahan baku digester. Ada manfaat yang terkait dengan pengoperasian di lingkungan cair karena memungkinkan sirkulasi material yang lebih menyeluruh dan kontak antara bakteri dan makanannya. Hal ini memungkinkan bakteri untuk lebih mudah mengakses zat yang mereka makan dan meningkatkan kecepatan produksi gas.

Jumlah tahapan

Sistem pencernaan dapat dikonfigurasi dengan berbagai tingkat kompleksitas:

  • Satu tahap atau satu tahap
  • Dua tahap atau multitahap

Sistem pencernaan satu tahap adalah sistem yang semua reaksi biologisnya terjadi dalam satu reaktor atau tangki penampungan tertutup. Pemanfaatan satu tahap mengurangi biaya konstruksi, tetapi memudahkan kontrol reaksi yang terjadi dalam sistem. Bakteri asidogenik, melalui produksi asam, mengurangi pH tangki. Bakteri metanogenik beroperasi dalam rentang pH yang ditentukan secara ketat. Oleh karena itu, reaksi biologis dari berbagai spesies dalam reaktor satu tahap dapat bersaing secara langsung satu sama lain. Sistem reaksi satu tahap lainnya adalah laguna anaerobik. Laguna ini adalah cekungan tanah seperti kolam yang digunakan untuk pengolahan dan penyimpanan pupuk kandang dalam jangka panjang. Di sini, reaksi anaerobik terkandung dalam lumpur anaerobik alami yang terkandung dalam kolam.
Dalam sistem pencernaan dua tahap atau multitahap, berbagai wadah pencernaan dioptimalkan untuk memberikan kontrol maksimum atas komunitas bakteri yang hidup di dalam digester. Bakteri asidogenik menghasilkan asam organik dan tumbuh serta berkembang biak lebih cepat daripada bakteri metanogenik. Bakteri metanogenik memerlukan pH dan suhu yang stabil untuk mengoptimalkan kinerjanya.

Biasanya hidrolisis, asetogenesis, dan asidogenesis terjadi di dalam bejana reaksi pertama. Bahan organik kemudian dipanaskan hingga mencapai suhu operasional yang dibutuhkan (baik mesofilik maupun termofilik) sebelum dipompa ke dalam reaktor metanogenik. Tangki hidrolisis atau asidogenesis awal sebelum reaktor metanogenik dapat menyediakan penyangga terhadap laju penambahan bahan baku.

Tempat tinggal

Waktu tinggal dalam digester bervariasi tergantung pada jumlah dan jenis bahan pakan, konfigurasi sistem pencernaan, dan apakah sistem tersebut satu tahap atau dua tahap.

Dalam kasus pencernaan termofilik tahap tunggal, waktu tinggal mungkin sekitar 14 hari, yang relatif cepat dibandingkan dengan pencernaan mesofilik. Sifat aliran sumbat dari beberapa sistem ini akan berarti bahwa degradasi penuh bahan mungkin tidak terwujud dalam rentang waktu ini. Dalam hal ini, hasil pencernaan yang keluar dari sistem akan berwarna lebih gelap dan akan lebih berbau.

Dalam pencernaan mesofilik dua tahap, waktu tinggal dapat bervariasi antara 15 dan 40 hari.

Dalam kasus pencernaan UASB mesofilik, waktu tinggal hidrolik dapat mencapai (1 jam-1 hari) dan waktu retensi padatan dapat mencapai 90 hari . Dengan cara ini, sistem UASB mampu memisahkan padatan dan waktu retensi hidrolik dengan memanfaatkan lapisan lumpur.

Pencerna kontinyu memiliki perangkat mekanis atau hidrolik, tergantung pada tingkat padatan dalam material, untuk mencampur isinya sehingga memungkinkan bakteri dan makanan saling bersentuhan. Pencerna kontinyu juga memungkinkan material berlebih diekstraksi secara terus-menerus untuk mempertahankan volume yang cukup konstan di dalam tangki pencernaan.

Pencernaan anaerobik kering

Proses ini sama sekali tidak menggunakan pupuk kandang dan karenanya lebih cocok untuk aplikasi tertentu yang tidak memerlukan pengolahan pupuk kandang. Proses ini dapat dilakukan dengan beberapa cara. Misalnya, ada proses Wiessmann-Bioferm "Kompoferm". [2] [3] Ada juga sistem Axpo Kompogas AG, [4] proses Dranco yang dirancang oleh OWS, [5] serta sistem oleh Jan Klein Hesselink. [6] [7]

Produk

Ada tiga produk utama pencernaan anaerobik: biogas, digestate, dan air.

Biogas

Biogas adalah produk limbah utama dari bakteri yang memakan bahan baku yang dapat terurai secara hayati, dan sebagian besar berupa metana dan karbon dioksida, dengan sedikit hidrogen dan jejak hidrogen sulfida. Sebagian besar biogas diproduksi selama pertengahan proses pencernaan, setelah populasi bakteri tumbuh, dan berkurang saat bahan yang dapat membusuk habis. Gas biasanya disimpan di atas digester dalam gelembung gas yang dapat digelembungkan atau diekstraksi dan disimpan di samping fasilitas dalam penampung gas.
Metana dalam biogas dapat dibakar untuk menghasilkan panas dan listrik, biasanya dengan mesin resiprokal atau turbin mikro yang sering kali dalam pengaturan kogenerasi di mana listrik dan panas limbah yang dihasilkan digunakan untuk menghangatkan digester atau memanaskan bangunan. Kelebihan listrik dapat dijual ke pemasok atau dimasukkan ke jaringan listrik lokal. Listrik yang dihasilkan oleh digester anaerobik dianggap sebagai energi terbarukan dan dapat menarik subsidi. Biogas tidak berkontribusi terhadap peningkatan konsentrasi karbon dioksida atmosfer karena gas tersebut tidak dilepaskan langsung ke atmosfer dan karbon dioksida berasal dari sumber organik dengan siklus karbon pendek.
Biogas mungkin memerlukan pengolahan atau 'penggosokan' untuk memurnikannya agar dapat digunakan sebagai bahan bakar. Hidrogen sulfida adalah produk beracun yang terbentuk dari sulfat dalam bahan baku dan dilepaskan sebagai komponen jejak biogas. Jika kadar hidrogen sulfida dalam gas tinggi, peralatan penggosokan dan pembersihan gas (seperti pengolahan gas amina) akan diperlukan untuk memproses biogas hingga ke tingkat yang diterima secara regional (ditentukan oleh US EPA atau Badan Lingkungan Inggris dan Welsh). Metode alternatif untuk ini adalah dengan menambahkan besi klorida FeCl3 ke tangki pencernaan untuk menghambat produksi hidrogen sulfida.
Siloksan yang mudah menguap juga dapat mencemari biogas; senyawa tersebut sering ditemukan dalam limbah rumah tangga dan air limbah. Di fasilitas pencernaan yang menerima bahan-bahan ini sebagai komponen bahan baku, siloksan dengan berat molekul rendah menguap menjadi biogas. Ketika gas ini dibakar dalam mesin gas, turbin atau boiler, siloksan diubah menjadi silikon dioksida (SiO 2 ) yang mengendap secara internal di dalam mesin, meningkatkan keausan dan kerusakan juga dapat mencemari biogas; senyawa tersebut sering ditemukan dalam limbah rumah tangga dan air limbah.
Di fasilitas pencernaan yang menerima bahan-bahan ini sebagai komponen bahan baku, siloksan dengan berat molekul rendah menguap menjadi biogas. Ketika gas ini dibakar dalam mesin gas, turbin atau boiler, siloksan diubah menjadi silikon dioksida (Si02) yang mengendap secara internal di dalam mesin, meningkatkan keausan dan kerusakan.

mencerna

Digestate adalah bahan yang tersisa setelah pencernaan anaerobik, mengandung nitrogen, fosfor, dan kalium sehingga digunakan sebagai pupuk. Digestate terdiri dari bahan yang tidak dapat dicerna dan organisme yang mati dan biasanya mengisi 90-95% kantong setelah pencernaan terjadi. Selama AD tidak ada nutrisi yang hilang sehingga siklus nutrisi ditutup dan bahan-bahan tersebut dapat digunakan kembali. Ada banyak insentif untuk menggunakan digestate untuk tanah Anda dan dianggap lebih bergizi dan sehat untuk tanah. Karena kandungannya, digestate menetralkan benih invasif, spesies invasif menciptakan persaingan untuk spesies asli sehingga pupuk ini akan sangat mengurangi ancaman ini. Patogen sangat berkurang karena praperlakuan untuk sistem serta mikroba di dalam digester. Digestate memungkinkan lebih sedikit emisi yang dilepaskan dan dari kelebihan air dan minyak yang digunakan. Menurut The Anaerobic Digestion and Bioresources Association "1 ton pupuk buatan yang diganti dengan digestate menghemat 1 ton minyak, 108 ton air, dan 7 ton emisi CO2".

Air

Air yang merupakan produk sampingan AD cukup minimal dan dapat digunakan kembali untuk siklus selanjutnya.

Keuntungan Pencernaan Anaerobik

Ketika limbah organik dibuang di tempat pembuangan akhir, ia menghasilkan sejumlah besar gas rumah kaca, termasuk Karbon Dioksida dan Metana . AD dapat memainkan peran penting sebagai sarana untuk menangani limbah organik dan menghilangkan, dengan penangkapan dan pengolahan yang lebih efisien, emisi gas rumah kaca ini; mengubahnya menjadi produk yang berguna. AD memulihkan energi yang seharusnya hilang ke atmosfer dan menghasilkan biofertiliser yang berharga. Biogas dapat digunakan untuk menghasilkan listrik, panas, biofuel atau dibersihkan dan disuntikkan ke jaringan gas. Sistem AD menghemat uang dan dapat menciptakan pendapatan kecil bagi mereka yang menghasilkannya juga. Transformasi dari pupuk kandang menjadi pupuk membantu menciptakan pupuk yang lebih bergizi dan menghilangkan bakteri yang dapat menyebabkan penyakit. AD dapat dibuat agar sesuai dengan sebagian besar pertanian dan bahkan dalam skala kecil dapat mengurangi penggunaan gas dan emisi secara signifikan.

Proyek terkait

Tidak ada hasil!

Lihat juga

Referensi

  1. ↑ Truk telah melaju mengelilingi bumi sebanyak 25 kali menggunakan gas dari limbah yang dapat terurai secara hayati
  2. ^ http://www.zerowasteenergy.com/content/dry-anaerobic-digestion
  3. ↑ Lihat brosur Bioferm_Trockenfermentation.pdf di www.graskracht.be
  4. ^ http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/OSTREM%202004%20Kompogas.jpg
  5. ^ Lihat graskracht_25-11-2011_Isabella Wierinck_OWS.pdf di www.graskracht.be
  6. ^ Lihat 25092012 Droogvergisten Jan klein Hesselink Ekwadraat.pdf di www.graskracht.be
  7. ↑ Perlu dicatat bahwa meskipun tampak mirip dengan pengomposan, keduanya tidaklah sama, karena pencernaan kering menggunakan pencernaan anaerobik, pengomposan menggunakan pencernaan aerobik. Udara dijauhkan dari proses pencernaan kering menggunakan segel kedap udara (tetap memungkinkan biogas keluar)
This article is issued from Appropedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.