Biochemical methane potential of Estonian substrates and evaluation of some inhibitors of anaerobic digestion
Laen...
Failid
Kuupäev
2011
Kättesaadavus
Autorid
Ajakirja pealkiri
Ajakirja ISSN
Köite pealkiri
Kirjastaja
Eesti Maaülikool
Abstrakt
Energia sõltuvus fossiilsetest kütustest on sundinud riike üle maailma
leidma uusi alternatiive energia tootmiseks. Võimalike taastuvate ener-giaallikate seas peetakse üheks potentsiaalseks energia saamise alternatii-viks biogaasi tootmist, kuna samaaegselt lahendatakse ökoloogilisi prob-leeme. Anaeroobse kääritamise protsess, milles rühm spetsialiseerunud
anaeroobseid baktereid muudab orgaanilist biomassi biogaasiks, on hästi
dokumenteeritud. Siiski ei ole andmed tavaliste keemiliste näitajate ja
biomassi metaanitootlikkuse potentsiaali kohta alati esitatud standardi-seeritud vormis, mis teeb nende interpretatsiooni raskeks nii teadlaste
kui ka biogaasijaamade operaatorite jaoks.
Levinumad substraadid biogaasi tootmiseks Eestis võiksid olla looma-sõnnik, energiakultuurid, silod. Hinnanguliselt on Eestis umbes 286
000 ha vabanenud põllumajanduslikku maad, mida võib kasutada ener-giakultuuride kasvatamiseks, ja umbes 128 000 ha poollooduslikku
rohumaad. Siiski on Eestis 2011. aastal ainult üks põllumajanduslikul
toormel töötav biogaasijaam. Biogaasi toodetakse Eestis reoveepuhastites
ja prügilates.
Palju uurimusi on läbi viidud eesmärgiga suurendada biogaasi tootmi-se efektiivsust. Need uuringud keskenduvad uute reaktorite konfigurat-sioonile, erinevate substraatide kooskääritamisele ja samuti anaeroobse
kääritamise inhibiitorite väljaselgitamisele. Kirjandusest teadaolevad
inhibiitorid on ammoniaak, pika ahelaga rasvhapped, raskmetallid ja
teised. Viimastel aastatel on erinevates teadusvaldkondades (pinnateadu-sed, orgaaniline keemia, molekulaarbioloogia, pooljuhtide füüsika ja ka
põllumajandusteadused) suurenenud huvi nanotehnoloogia vastu, mis
võib põhjustada uute toksiliste ainete sattumist keskkonda. Uute kemi-kaalide – nanoosakeste – ökotoksilisus ja mõju anaeroobsetele mikro-organismidele pole veel teada.
Käesoleva doktoritöö peamisteks eesmärkideks olid
1) andmebaasi loomine, mis koondaks kirjanduses avaldatud teadustöö-de ja rakenduslike projektide andmeid erinevate substraatide keemili-se koostise ja metaanitootlikkuse potentsiaali kohta (artikkel I);
2) Eesti põllumajandusliku biomassi ja põllumajandustootmise jäätmete
metaanitootlikkuse potentsiaali ja metaani tootmise kineetika uuri-mine (artiklid II ja III);
3) metallioksiidide nanoosakeste kahjuliku mõju uurimine biogaasi
tootmisel, võrreldes neid tava- ehk mikrosuuruses osakestega (artikkel
IV).
Metoodika
Metaanitootlikkuse potentsiaali andmebaas loodi elektrooniliselt, kasu-tades kolme programmeerimiskeelt: HTML, PHP ja MySQL. See on
kättesaadav aadressil http://bioconversion.emu.ee/. Juurdepääs andme-baasile on vaba peale e-registreerimist ja andmebaasi administraatori
heakskiitu. Andmed on organiseeritud substraadi tüübi alusel. Iga subst-raadi jaoks on lisatud andmed koos viidetega algallikatele nii substraadi
kui olemasolul ka kääritusjäägi keemilise koostise ja metaanitootlikkuse
potentsiaali kohta pärast ühikute standardiseerimist (artikkel I).
Analüüsiti 61 Eestist pärit substraadi (rohtne biomass ja põllumajan-dustootmise jäätmed) keemilist koostist ja määrati nende metaanisaagis,
kasutades biokeemilise metaanitootlikkuse potentsiaali testi (artiklid II
ja III). Lisaks viidi läbi anaeroobne inhibeerimistest CuO ja ZnO nano-osakeste ja tavasuuruses osakestega (artikkel IV). Inokulum mõlemate
katsete jaoks saadi Tallinna reoveepuhasti anaeroobsest reaktorist. Testid
teostati hapnikuvabas keskkonnas temperatuuril 36 °C, metaani teket
mõõdeti gaaskromatograafiliselt. Metaani kumulatiivne saagis arvutati,
lahutades inkubatsiooni aja jooksul tekkinud metaani summast substraa-dita võrdluskatses tekkinud metaani saagis. Gaasi produktsiooni väljen-dati metaani liitrites, arvutatuna 0 °C ja 1 atm tingimustele katses lisatud
substraadi kuivaine või orgaanilise aine kilogrammi kohta (artiklid II
ja III). Metaanitootlikkuse potentsiaali (kõrgeim kumulatiivne metaani
saagis testi jooksul) ja protsessi kiiruskonstandi väärtuse sõltuvust subst-raadi keemilisest koostisest analüüsiti Pearsoni korrelatsioonanalüüsi
abil (artikkel III). Biogaasi ja metaani tootmise inhibeerumine arvuta-ti inhibiitorit sisaldavates katsetes tekkinud biogaasi ja metaani koguste
võrdlemisel kontrollkatsetega. REGTOXi programmi Log-Normali mu-
delit kasutades arvutati üldlevinud toksilisusparameetrid EC10, EC20 ja
EC50 (artikkel IV).
Tulemused ja arutelu
Loodud metaanitootlikkuse potentsiaali andmebaas sisaldas 2011. a
septembriks andmeid 226 erineva substraadi kohta 88 kirjandusallikast.
Sama substraadi kohta on sageli andmeid erinevatest publikatsioonidest.
Andmebaasis on 535 erinevat kirjet energiakultuuride, 63 sõnniku, 98
kooskääritamise ja 102 jäätmete rühmas (artikkel I).
Katsetöös uuritud substraatide keemilise koostise andmed sarnanesid teis-te autorite poolt avaldatud tulemustega. Rohtse biomassi (energiakultuu-rid, silod, hein) metaanisaagised olid vahemikus 286-323 L CH4/kg VS.
Vedelsõnniku proovidest oli sea vedelsõnnikul kõrgem metaanisaagis
(317 L CH4/kg VS) kui veise vedelsõnnikul (238 L CH4/kg VS). Ana-lüüsitud energikultuuridest oli metaanitootlikkus kõige kõrgem aas-rebasesaba korral (323 L CH4/kg VS). Uuritud toiduainetööstuse ülejää-kidest oli kõrgeim metaanisaagis juustul (658 L CH4/kg VS), samas kui
madalaim saagis leiti teraviljaveski jääkidest (328 L CH4/kg VS) (artiklid
II ja III).
Kõrgeim kineetiline kiiruskonstant määrati piima (0,344 ± 0,03 1/d) ja
madalaim (0,061 1/d) energiarohu Szarvasi-1 korral. Põllumajandus-liku rohtse biomassi (rohusilo, maisisilo, silosegu ja hein) korral olid
kiiruskonstandid vahemikus 0,086–0,230 1/d. Sea vedelsõnnikust oli
metaani tekkimine kiirem kui veise vedelsõnnikust, kiiruskonstandid
vastavalt 0,139 ja 0,092 1/d. Tööstuslikest jääkidest oli metaani tekki-mine aeglaseim katsetes piiritustööstuse praagaga. Erinevused protsessi
kiirustes on seletatavad substraatide erineva keemilise koostisega (artik-kel III).
Analüüsides substraatide metaanisaagise sõltuvust keemilisest koosti-sest, ilmnes metaani saagise positiivne korrelatsioon orgaanilise aine ja
valkude sisaldusega substraadi koostises. Ligniinisisaldus substraatides
mõjutas metaani produktsiooni negatiivselt. Olulised positiivsed seosed
keemilise koostise ja kiiruskonstandi vahel leiti P, Ca, Mg ja K puhul.
Mida kõrgem oli aga lignotselluloosse materjali (hemitselluloos, tsellu-loos, ligniin) sisaldus substraatides, seda väiksem oli metaani tekke kiirus
(artikkel III).
Inhibeerimistestides näitasid CuO ja ZnO nanoosakesed negatiivsemat
mõju anaeroobsele käärimisprotsessile kui nende tava- ehk mikrosuuru-ses osakesed. Katsetes ZnO nanoosakestega oli biogaasi ja metaani teke
vähem inhibeeritud kui katsetes CuO nanoosakestega. Metaani teket
uurides leitud EC50 väärtused tava- ja nanosuuruses CuO-osakestega
katsetes olid vastavalt 129 ja 10,7 mg Cu/L, ZnO puhul vastavalt 101
ja 57,3 mg Zn/L. Keemiline analüüs näitas CuO nanoosakeste suuremat
lahustuvust, võrreldes mikrosuuruses osakestega (artikkel IV). Tulemus-test selgus, et nanosuuruses CuO inhibeeriv mõju võib osaliselt olla põh-justatud lahustunud Cu2+-ioonidest katsekeskkonnas.
Järeldused
Loodud andmebaas võimaldab kasutajatel koondatult ja ühtsetele ühi-kutele viidult kätte saada andmeid erinevate kultuuride ja orgaaniliste
jäätmete keemilise koostise ja metaanitootlikkuse potentsiaali kohta koos
vastavate kirjandusviidetega Open Accessi keskkonnas. Teadlased saaksid
andmebaasi kasutada substraatide võrdlemisel, uurides biomassi koostise
mõju metaani saagisele, ja statistilise analüüsi eesmärgil. Inseneride jaoks
võiks andmebaas olla oluline abivahend biogaasijaamade projekteerimi-sel ja opereerimiseks vajalike andmete koondamisel.
Doktoritöö tulemused näitasid Eesti rohtse biomassi, loomade vedel-sõnniku ja põllumajandusjäätmete kõrget metaani tootlikkuse potent-siaali. Saadud metaanisaagised varieerusid vahemikus 238 L CH4/kg VS
(veise vedelsõnnik) kuni 658 L CH4/kg VS (juustujäägid). Kiireim
substraadi biokonversioon metaaniks toimus katsetes piimaga, kus ku-lus ainult kolm päeva ultimatiivsest metaani saagisest 80% saavutami-seni. Samas kulus energiarohu korral selleks 31 päeva. Kuigi tulemused
näitasid põllumajanduslikest substraatidest biogaasi tootmise suurt po-tentsiaali, on kääritamisprotsessi erinevate aspektide ja kommertsiaalse
süsteemi toimimise analüüsimiseks vajalik ka pilootseadmetega uurin-gute läbiviimine.
Nanoosakeste mõju kohta anaeroobsetes süsteemides on avaldatud üksi-kuid andmeid. Doktoritöös saadud tulemused on olulised, täiendamaks
nanoosakeste potentsiaalse mõju iseloomustamist anaeroobses käärita-misprotsessis. Tulemused näitasid, et CuO- ja ZnO-osakeste suurusel oli
otsene mõju biogaasi ja metaani saagisele. Nanoosakeste suurem inhi-beeriv toime võib osaliselt olla selgitatud toksiliste metalliioonide (Cu2+,
Zn2+) sattumisega vette. Edasised uuringud inhibeerimise mehhanismide
osas on olulised, et selgitada teiste võimalike tegurite mõju.
Rohtsest biomassist biogaasi tootmine, kasvatades vabanenud maal kõr-ge energiapotentsiaaliga sobivaid kultuure, võimaldaks Eestil täita taas-tuvenergia tootmise vajadust. Loomade vedelsõnnik ja tööstuse jäätmed
on sobivateks substraatideks kooskääritamisel, nende kasutamine bio-gaasi tootmiseks on tähtis ka jäätmetekke vältimise ning õhu ja veeko-gude keskkonnakaitse seisukohast. Võtmeküsimuseks on koostöö põllu-majandustootjate ja valitsusringkondade vahel, et soodustada investeeri-mist uute biogaasijaamade rajamisse.
Kirjeldus
Märksõnad
põllumajandustööstus, põllumajandusjäätmed, sõnnik, biogaas, tootmine, biomass, metaan, biokeemilised protsessid, inhibiitorid, uuringud, Eesti, dissertatsioonid