澳大利亚家庭的日常生活消耗了全国26%的能源,同时产生近30%的固体废弃物。在世界各地和澳大利亚的家庭中使用的能源主要来源于中央热电站产生的电能,其中2/3在传送中丢失。
家庭生活废水,其中很大一部分是由于冲刷人类排泄物而产生的,同时,还要为种植植物购买大量的昂贵的水资源。以同样的方式,固体废物也要收集和长距离运输到大型垃圾工厂或填埋。废物和废水,往往对健康和环境有危害,尤其是在没有基础处理设施的情况下。但是,它们也是一种宝贵的资源,可以通过广泛的新兴市场和完善的技术来获取能源和有价值的产品,如厌氧消化。
由于澳大利亚城市的人口密度低以及一些偏远地区和原住民社区没有连接电网或下水道,所以存在大量的具有替代功能的小规模的分散式系统。
小规模的厌氧消化
(SSAD)是一种很有前途的分散技术,不同原料在缺氧的情况下降解,产生甲烷、二氧化碳(沼气)、残余物和沼渣沼液。
在这些系统中的能量平衡具有积极意义,因为沼气可以用来作为能量的来源,而沼渣沼液可以用来作为一种有价值的肥料。
目前,许多小型沼气池安装在中国的农村地区、印度和其他国家,容积从2m3~20m3。产生的沼气用来点燃炉具做饭,但还有其他更广泛的应用,如沼气的地幔灯、冰箱和发电机,正变得越来越普遍。
另一种用于小规模应用的新兴技术是微型热电联供(MCHP)装置的发动机、涡轮机或燃料电池来产生热和电。虽然已经使用了几十年的大型热电联产系统,MCHP系统相对于它们仍处在婴儿期,但具有广泛的使用潜力。MCHP系统通常产生在5~20kW之间。由于成本原因,它们被更广泛地在发达国家使用,以取代传统的锅炉。
因此,这两种技术的结合,可以使澳大利亚家庭的电能和热能可持续生产。
一个组合系统
在澳大利亚沼气池的大小是根据家庭产生的废物量决定的。沼气池产生的沼气,输送到MCHP装置,而产生的沼渣沼液可以进行后期处理,并作为有机肥料使用,最好用在自家的花园,以消除运输成本。
MCHP的选择要根据产生的沼气量而定。最后,由装置产生的热和电,供给家庭能源。
在澳大利亚试验期间,假设沼气池是一个单级连续搅拌反应釜(CSTR)。它的大小是计算输入流动及水力停留时间(HRT)得出,将其设定在15天以内,因为这被公认为处理污水和厨房垃圾的最佳时期。
在评估沼气池最佳原料组合时,进行了两种方案的审议。在第一种方案中的厨房垃圾和废水共同组成原料。由于水在澳大利亚的某些地区是一种稀缺和宝贵的资源,所以第二个方案是用真空厕所的污水替代废水。真空厕所每次冲水0.7~1L而常规厕所是7~9L。
使用这些废弃物能显著减少水的使用量,每天可节省22.2L。使用真空厕所的污水和其他对环境无害的废水,在工地再用,产生较小的液态沼渣沼液,这样便于处置和更少的甲烷逃逸。此外,一些研究认为潜在的共同处理厨房垃圾的两个成功项目在德国的Lübek Flintenbreite和荷兰的斯内克。
生物甲烷的两种使用方案,是用巴斯韦尔的方程计算的,假设1g化学需氧量(COD)产生0.35L的CH4。
在沼气池生产沼气的情况下,MCHP的输出功率直接取决于燃料输入。要获得使装置运行的气体流量,得划分出燃料输入的能量中沼气所含量。
对于一个典型的成分65%CH4,后者占6.25kwh/m3。作为一个例子,最低沼气流量需要运行一个Honda's Ecowill,燃气发动机MCHP装置与输入能量为4.4kW(假设它是适应沼气运行)。最后,收集到的电和热提供澳大利亚家庭每年需求量的5840kWh电和13000kWh热。
试验结果
对于第一种方案,估算为8m3,符合其他研究报告中6m3到10m3的沼气池容量。在第二种方案中,真空厕所的污水代替废水,流量大幅度降低,得到的体积为0.6m3,从而在经济上更便捷。
这两种方案下的气体顶部体积为10%的工作容积。理论上在两种情况下,沼气生产量是相同的,因为它完全取决于生产有机物质的家庭和每天占用的276LCH4。
不过,沼气生产预期要高的第二个方案中,在混合物中有较高的总固体(TS)含量。一些研究指出,浓缩废水比稀释废水有更好的生物性能。
结果表明,这种类型的混合物具有较高的甲烷,以及降解性高达96%的COD。由于这些原因,可以认为第二个方案中,沼气池几乎达到理论生产能力。
根据沼气生产理论,沼气池生产的一次能源总量相当于每年970kWh。假设气体用于运行一个MCHP装置,并具有典型的85%有效率,最后的能源将覆盖澳大利亚家庭每年能源需求的5%左右。这个数字并没有考虑到添加沼气池块(沼气池加热到37℃,泵送和混合),所用的263kWh。每年所需的能量,根据计算使用的数据在Poeschl研究报告中(2010年)。