Anaerobic digestion (AD) kwa muda mrefu imekuwa kutumika kwa ajili ya utulivu na kupunguza sludge molekuli mchakato, hasa kwa sababu ya unyenyekevu wa operesheni, gharama ya chini na uzalishaji wa biogas kama uwezo chanzo nishati. Uwakilishi mkuu wa stoichiometric wa digestion anaerobic unaweza kuelezewa kama ifuatavyo:

$CNHAOB+ (n-a/4-b/2)\ cdot H_2O\ rarr (n/2-a/8+b/4)\ cdot CO_2+ (n/2+a/8-b/4)\ cdot CH4 $ (10.4)

Ulinganisho 10.4 Biogas jumla molekuli usawa (Marchaim 1992).

Na mkusanyiko wa methane ya kinadharia unaweza kuhesabiwa kama ifuatavyo:

$ [CH_4] =0.5+ (a/4+b/2) /2n$ (10.5)

Equation 10.5 Kinadharia inatarajiwa methane mkusanyiko katika biogas (Marchaim 1992).

Bidhaa za mwisho kutoka AD ni zaidi ya vifaa vya isokaboni (kwa mfano madini), misombo ya kikaboni iliyoharibika kidogo na biogas ambayo kwa kawaida inajumuisha\ > 55% ya methane (Chsub4/sub) na dioksidi kaboni (cosub2/sub), na viwango vidogo tu (\ 1%) vya sulfidi hidrojeni ya hidrojeni ya amonia (NHsub3/ subsup+/sup/NH4sup+/sup) (Appels et al. 2008).

Kielelezo 10.4 Mchoro wa mchoro unaoonyesha uharibifu wa anaerobic wa suala la kikaboni kulingana na Garcia et al. (2000)

Wakati wa mchakato wa AD, sludge ya kikaboni inakabiliwa na mabadiliko makubwa katika mali yake ya kimwili, kemikali na kibaiolojia na kimkakati inaweza kugawanywa katika hatua nne (Mchoro 10.4). Hatua ya kwanza ni hidrolisisi, ambapo vitu vingi vya kikaboni kama vile lipids, polysaccharides, protini na asidi ya nucleic huharibika katika vitu vyenye mumunyifu (sukari, amino asidi na asidi ya mafuta). Hatua hii kwa ujumla inachukuliwa kiwango cha kikwazo (Deublein na Steinhauser 2010). Katika hatua ya pili ya acidogenesis, monomers sumu katika hatua ya kwanza kupasuliwa zaidi, na tete fatty kali (VFA) huzalishwa na bakteria acidogenic (fermentative) pamoja na amonia, COsub2/sub, Hsub2/subs na bidhaa nyingine. Hatua ya tatu ni acetogenesis, ambapo VFA na alkoholi ni zaidi mwilini na acetogens kuzalisha hasa asidi asetiki kama vile COsub2/Sub na Hsub2/sub. Uongofu huu unadhibitiwa kwa kiasi kikubwa na shinikizo la sehemu ya Hsub2/sub katika mchanganyiko. Hatua ya mwisho ni methanogenesis ambapo methane huzalishwa hasa na makundi mawili ya bakteria ya methanogenic: acetotrophic archaea, ambayo imegawanya acetate katika methane na COSU2/Sub, na hidrojeni archaea, ambayo hutumia hidrojeni kama mfadhili wa elektroni na dioksidi kaboni kama kikubali elektroni kuzalisha methane (Appels et al. 2008).

Sababu mbalimbali kama vile sludge pH, chumvi, utungaji wa madini, joto, kiwango cha upakiaji, wakati wa kuhifadhi majimaji (HRT), uwiano wa kaboni-to-nitrojeni (C/N) na maudhui tete ya asidi ya mafuta huathiri digestibility ya sludge na uzalishaji wa biogas (Khalid et al. 2011).

Kielelezo 10.5 Mpango wa upflow anaerobic sludge blanketi Reactor (UASB)

Anaerobic sludge matibabu kutoka RAS ilianza 30 iliyopita na taarifa juu ya sludge kutoka maji safi RAS (Lanari na Franci 1998) ikifuatiwa na taarifa juu ya baharini (Arbiv na van Rijn 1995; Klas et al. 2006; McDermott et al. 2001) na shughuli za maji brackish (Gebauer na Eikebrokk 2006; Mirzok 2006; Mirzoyan et al. 2008). Hivi karibuni, matumizi ya UASB (Kielelezo 10.5) kwa AD ya sludge ya RAS ikifuatiwa na uzalishaji wa biogas kama chanzo mbadala cha nishati ilipendekezwa (Mirzoyan et al. 2010). Reactor ni ya tank, sehemu ambayo ni kujazwa na anaerobic punjepunje sludge blanketi zenye kazi microorganism. Sludge inapita juu kupitia ‘blanketi microbial ‘ambapo ni duni na microorganisms anaerobic na biogas ni zinazozalishwa. Mtoaji wa koni iliyoingizwa juu ya digester inaruhusu gesi - kujitenga kioevu. Wakati biogas inatolewa kutoka kwenye floc, inaelekezwa ndani ya koni na wafuasi wa kukusanywa. Kuchanganya polepole katika matokeo ya reactor kutoka mtiririko wa juu pamoja na harakati za asili za makundi ya microbial ambayo yanaunganishwa na Bubbles za biogas. Kwa wakati fulani, floc huacha Bubble ya gesi na huweka nyuma chini kuruhusu majivu kuwa huru kutoka kwa TSS, ambayo yanaweza kurejeshwa tena kwenye mfumo au kutolewa. Faida kuu za UASB ni gharama za uendeshaji na unyenyekevu wa operesheni wakati wa kutoa high (\ > 92%) ufanisi solidremoval kwa taka na chini (1— 3%) TSS maudhui (Marchaim 1992; Yogev et al. 2017).

Masomo mawili ya hivi karibuni ya kesi yalionyesha matumizi ya UASB kama matibabu ya yabisi katika majaribio wadogo wa baharini na salini RAS, ambayo hutoa mfano wa faida za kitengo hiki katika aquaponics (Tal et al. 2009; Yogev et al. 2017). Kuangalia kwa kina katika usawa wa kaboni ilipendekeza kuwa asilimia 50 ya kaboni iliyoanzishwa (kutoka kwenye malisho) iliondolewa na usawa wa samaki na kupumua, 10% iliondolewa na biodegradation ya aerobic katika bioreactor nitrification na 10% iliondolewa katika reactor denitrification (Yogev et al. 2017). Kwa hiyo, jumla kuhusu 25% kaboni ilianzishwa ndani ya Reactor ya UASB ambayo 12.5% ilibadilishwa kuwa methane, 7.5% hadi COSub2/Sub na wengine (\ ~ 5%) walibaki kama kaboni isiyoweza kuharibika katika UAASB. Kwa muhtasari, ilionyeshwa kuwa matumizi ya UASB kuruhusiwa bora maji recirculation (\ > 99%), ndogo (\ 8%) uzalishaji wa sludge ikilinganishwa na RAS kawaida ambazo hazina kwenye tovuti ya matibabu imara, na ahueni ya nishati ambayo inaweza akaunti kwa 12% ya mahitaji ya jumla ya nishati ya RAS. Ikumbukwe kwamba kutumia UASB katika aquaponics pia itaruhusu urejesho mkubwa wa hadi 50% virutubisho zaidi kama vile nitrojeni, fosforasi na potasiamu kwa vile hutolewa ndani ya maji kutokana na biodegradation imara (Goddek et al. 2018).

Bioreactor ya membrane ya anaerobic (AnMBR) ni teknolojia ya juu zaidi. Mchakato kuu unajumuisha kutumia membrane maalum ili kutenganisha yabisi kutoka kwenye kioevu badala ya kutumia mchakato wa decanting kama katika UASB. Fermentation ya sludge hutokea katika tank rahisi ya anaerobic na majivu huondoka kupitia membrane. Kulingana na ukubwa wa pore ya membrane (kwenda chini hadi 0.1—0.5 μm) hata vidubini vinaweza kubaki. Kuna aina mbili za kubuni ya bioreactor ya membrane: moja hutumia mode ya mkondo wa nje ya tank, na nyingine ina kitengo cha membrane kilichoingia ndani ya tank (Mchoro 10.6), mwisho kuwa bora zaidi katika maombi ya AnmbR kutokana na usanidi wake zaidi wa kompakt na matumizi ya chini ya nishati (Chang 2014). Utando wa vifaa mbalimbali kama vile kauri au polymeric (kwa mfano polyvinylidene floridi (PVDF), polyethilini, polyethersulfone (PES), polyvinyl hidrojeni (PVC)) inaweza kusanidiwa kama sahani na fremu, fibre mashimo au vitengo tubular (Gander et al. 2000; Huang et al. 2010). AnmbR ina faida kadhaa muhimu juu ya mitambo ya kawaida ya kibiolojia kama vile UASB, yaani, kupungua kwa muda mrefu wa kuhifadhi sludge (SRT) na (mfupi) wakati wa makazi ya hydraulic (HRT), hivyo kuwezesha tatizo la kinetics polepole ya mchakato wa AD kushinda; ubora wa juu sana wa majivu ambao wengi virutubisho kubaki; na kuondolewa kwa vimelea na footprint ndogo (Judd na Judd 2008). Aidha, ufanisi wa uzalishaji wa biogas katika AnMBR unaweza uwezekano wa kusababisha usawa wa nishati wavu.

Mtini. 10.6 (a) Side-mkondo MBR na kitengo tofauti filtration na maji kubakia recycled nyuma bioreactor; (b) iliyoingia MBR: filtration kitengo jumuishi katika bioreactor. (Gander et al. 2000)

Wakati teknolojia hii inastahili mengi ya tahadhari na utafiti, ni lazima ieleweke kwamba kwa kuwa ni teknolojia ya haki mpya, bado kuna vikwazo kadhaa muhimu ambayo lazima kushughulikiwa kabla ya AnMBR itakuwa iliyopitishwa na sekta ya ufugaji wa samaki. Hizi ni gharama kubwa za uendeshaji kutokana na matengenezo ya membrane ili kuzuia biofouling, kubadilishana utando mara kwa mara na sehemu ya juu ya CO<sub2/sub (30— 50%) katika biogas ambayo inapunguza matumizi yake na huchangia chafu ya gesi (GHG) chafu (Cui et al. 2003). Kwa kumbuka chanya, katika siku za usoni, mbinu mpya za kuzuia biofouling zitatengenezwa wakati gharama ya membrane itashuka na matumizi mapana ya teknolojia hii. Mchanganyiko wa UASB na mtambo wa utando kuchuja majivu ya UASB umefanikiwa kujifunza kuondoa kaboni hai na nitrojeni (An et al. 2009). Mchanganyiko huu inaonekana chaguo la kuahidi kwa aquaponics kwa matumizi salama na usafi wa majivu ya UASB.

10.4.1 Utekelezaji

Suluhisho moja linalowezekana la kutekeleza mitambo ya anaerobic ni kwa njia ya usawa (angalia pia Chap. 8). Mchanganyiko wa ‘high pH—low pH’ unaruhusu kuvuna methane (na hivyo kupunguza kaboni) katika hatua ya kwanza ya juu ya pH na kuhamasisha virutubisho katika sludge ya decarbonised katika mazingira ya chini ya pH. Faida ya njia hii ni kwamba kupunguza kaboni chini ya hali ya juu ya pH husababisha VFAs chini, ambayo inaweza kutokea wakati wa hatua ya pili ya pH (Mchoro 10.7). Mbinu hii pia inaruhusu ushirikiano digestion ya kijani mimea jambo (yaani kutokana na kuvuna yoyote ya mimea, kutakuwa na taka mboga jambo ambalo linaweza kuweka kwa njia ya digester hiyo) ili kuongeza uzalishaji wa biogas na kupona virutubisho kutoka kwa mpango wa jumla.

Mwingine kiufundi ushirikiano uwezekano imekuwa iliyotolewa na Ayre et al. (2017). Wanapendekeza kutekeleza majivu ya digester ya juu ya pH anaerobic kwenye bwawa la utamaduni wa algal. Ndani ya bwawa hilo, mwani hupandwa, ambao biomasi inaweza kutumika kwa ajili ya mifugo-kulisha maji au biofertilisation (Kielelezo 10.8). Maelezo zaidi juu ya mbinu hii yanaweza kupatikana katika [Chap. 11](/jamiii/makala/sura 11-aquaponics-systems-modeling).

Mtini. 10.7 Mfumo wa anaerobic wa hatua mbili. Katika hatua ya kwanza (high pH), kaboni itakuwa kuondolewa kutoka sludge kama biogas, ambapo pH chini katika hatua ya pili inaruhusu virutubisho kwamba ni trapped katika sludge kufanya kufuta katika maji. Kwa kawaida, tete fatty kali (VFA) ingekuwa fomu katika mazingira ya chini pH. Kuondolewa kwa chanzo cha kaboni katika hatua ya kwanza, hata hivyo, hupunguza uzalishaji wa VFA katika kuanzisha vile

Mtini. 10.8 Anaerobic digestion mfumo jumuishi na aquaculture na mwani utamaduni kulingana na Ayre et al. (2017)