Biogazownie

Fermentacja metanowa osadów i odpadów

Fermentacja metanowa jako metoda rozkładu złożonych związków organicznych znalazła zastosowanie również w odniesieniu do stabilizacji osadów biologicznych na oczyszczalniach komunalnych oraz jako metoda utylizacji wszelkiego rodzaju odpadów zawierających związki organiczne.

Fermentacja metanowa tego rodzaju substratów przebiega w sposób podobny jak w przypadku fermentowania wysokostężonych ścieków przemysłowych, z tą różnicą, że związki organiczne w formie stałej zawarte w odpadach należy przeprowadzić w formę uwodnioną, dostępną dla bakterii beztlenowych. W związku z tym, aby proces upłynniania przebiegał z maksymalną szybkością, konieczne jest wstępne rozdrobnienie i wymieszanie substratów. Upłynnienie substratów, czyli hydroliza jest wstępnym etapem rozkładu, limitującym szybkość całego procesu fermentacji, a tym samym wpływa w decydujący sposób na wielkość reaktorów biogazowni. Ważnymi elementami właściwego prowadzenia fermentacji jest odpowiednia ilość osadu beztlenowego, optymalna temperatura w zakresie 36⁰C – 38⁰C i odczyn na poziomie 7,0 – 7,8 pH. Dobowa dawka substratów musi być uzależniona od ilości i jakości działającego osadu beztlenowego. Ma to bezpośredni wpływ na efektywność działania całego układu technologicznego, w tym szczególnie uzyskanego stopnia redukcji biomasy substratów i wytworzonej ilości energii z biogazu.
Produktami przemian bakterii beztlenowych jest biogaz i woda. Mieszanina ścieków z osadem biologicznym określana jest jako poferment.

Fermentacja metanowa znalazła zastosowanie jako:

• metoda stabilizacji nadmiernych osadów powstających w takcie oczyszczania ścieków komunalnych w miejskich oczyszczalniach,
• metoda utylizacji wszelkiego rodzaju odpadów organicznych, szczególnie pochodzących z przemysłu rolno – spożywczego
• metoda uzyskiwania energii odnawialnej z biogazu z fermentowania nadwyżek płodów rolnych i jako metoda utylizacji odpadów z hodowli zwierząt, w tym obornika i gnojowicy.

Zasadność i potrzeba budowy biogazowni przemysłowych

Budowa biogazowni przemysłowych wynika z dwóch powodów:

• jako metoda utylizacji odpadów organicznych, które z mocy prawa muszą być utylizowane ze względu na całkowity zakaz ich gromadzenia i składowania np. na wysypiskach,
• jako metoda produkcji energii odnawialnej w postaci biogazu, z którego produkowana jest energia elektryczna i cieplna w systemie kogeneracji.

Ze względu na korzyści wynikające z produkcji energii i zysk finansowy oraz możliwość 90% – 95% rozkładu odpadów, zastosowanie tej metody jest najbardziej optymalnym rozwiązaniem w tym zakresie.
Kolejną istotną zaletą tej metody jest możliwość fermentowania wszelkiego rodzaju mieszanek różnych odpadów, których procedura sporządzania oparta jest na charakterystyce ich składu. Ze wszystkich związków organicznych powstających w sposób naturalny, jedynie polimery organiczne, jak np. celulozy i ligniny w warunkach fermentacji metanowej nie ulegają biodegradacji, choć ostatnio prowadzi się prace w kierunku wstępnego rozkładu tych związków za pomocą enzymów do związków o prostszej budowie, które łatwo ulegną rozkładowi w reaktorze beztlenowym.

Substraty wykorzystywane w biogazowniach przemysłowych

W procesie fermentacji metanowej jako substraty można stosować wszelkiego rodzaju odpady zawierające w swym składzie cukry, białka i tłuszcze. Ulegają one w warunkach beztlenowych stopniowemu rozkładowi. Najszybciej rozkładane są cukry, następnie białka, a na końcu tłuszcze. Z tego też względu należy brać to pod uwagę przy sporządzaniu mieszanek odpadów. Odpady przemysłowe dla biogazowni można również mieszać w odpowiedniej proporcji z osadami biologicznymi w systemie kofermentacji.
W technologii ich stosowania bardzo istotne jest ich maksymalne rozdrobnienie, które zwiększa szybkość rozkładu, a tym samym skraca czas fermentacji.

Warunki zagospodarowania pofermentu i jego właściwości nawozowe

Produktami rozkładu beztlenowego odpadów, oprócz biogazu, jest mieszanina osadu beztlenowego ze ściekami. W zależności od składu chemicznego substratów koncentracja związków nawozowych w pofermencie będzie na zróżnicowanym poziomie, niemniej jednak zarówno azot, jak i fosfor znajduje się w formie mineralnej i asymilowanej przez rośliny. 
Pofermrent można zagospodarować poprzez bezpośrednie rozprowadzanie na polach i łąkach bez wcześniejszego przetworzenia (z zachowaniem warunków określonych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie procesu odzysku R10 z dnia 20.01.2015) lub poprzez separację osadu, jego odwodnienie, suszenie i sprzedaż jako nawóz, a pozostałe ścieki wywożone i rozprowadzane na pola.

Odpady z biogazowni muszą spełniać następując warunki:

• są spełnione zasady dla nawozów naturalnych, określone w ustawie z dnia 10.07.2007 o nawozach i nawożeniu,
• odpady są stosowane równomiernie na całej powierzchni gleby do głębokości 30 cm,
• materiał po procesie fermentacji pochodzenia zwierzęcego spełnia wymagania zawarte w rozporządzeniu Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1069/2009 z dnia 21.10.2009 określającym przepisy sanitarne dotyczące produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego, nieprzeznaczonych do spożycia przez ludzi.

Nowa ustawa o odpadach z dnia 14.12.2012 (Dz.U. poz.21) w artykule 2 pkt 6c określa co następuje: „Przepisów ustawy nie stosuje się do innych, niebedących niebezpiecznymi, naturalnych substancji pochodzących z produkcji rolniczej lub leśnej wykorzystywanej w  metod, które nie są szkodliwe dla środowiska ani nie stanowią zagrożenia dla życia i zdrowia ludzi.

Energia z biogazu

Jednym z głównych produktów fermentacji metanowej związków organicznych jest biogaz, czyli mieszanina metanu i dwutlenku węgla oraz w niewielkich ilościach siarkowodoru, azotu i tlenu. W zależności od sposobu i efektywności prowadzenia procesu fermentacji metanowej uzyskuje się również biogaz o różnej zawartości od 50% do 80% metanu. Im większy jest stopień rozkładu substratów w reaktorze beztlenowym, tym większy jest udział procentowy metanu w biogazie. Wartość opałowa biogazu waha się od 17 – 27MJ/m3, przy wartości opałowej czystego metanu 35,7MJ/m3. Biogaz przed spaleniem w kotle lub agregacie prądotwórczym musi być odwodniony i odsiarczony, czyli musi być usunięty z jego składu siarkowodór. 

Przykładowe zestawienie efektywności fermentacji i uzyskanych efektów:

1. Rodzaj substratu – osady ze ścieków przemysłowych z przewagą tłuszczy w składzie
2. Ładunek substratu – 1000 kg s.m.
3. Przy 70% redukcji części organicznej substratu uzyskuje się 530 m3 biogazu, 1,4 MW energii elektrycznej i cieplnej, wartość energii elektrycznej to ok. 560 zł
4. Przy 85% redukcji części organicznej substratu uzyskuje się 1,7 MW energii elektrycznej i cieplnej, czyli o 21% większą ilość energii z tej samej masy substratu, wartość energii elektrycznej to ok. 680 zł