Odpady organiczne, bez względu na miejsce ich powstania, stanowią istotny problem ze względu na swe oddziaływanie na środowisko. W Europie dąży się do ograniczania ich wytwarzania, a także do odzysku substancji w nich zawartych. Jedną z alternatywnych do obecnie stosowanych rozwiązań metod zagospodarowania takich odpadów jest produkcja biogazu.
1. Proces produkcji biogazu
Produkcja biogazu obejmuje cztery etapy [2, ]:
- hydrolizę, w której nierozpuszczalne w wodzie związki organiczne (np.: celuloza, białka, tłuszcze) są rozkładane do swych mono- lub dimerów przez enzymy wydzielane przez bakterie;
- kwasogenezę, w której produkty otrzymane z etapu hydrolizy ulegają rozkładowi przez mikroorganizmy do lotnych kwasów tłuszczowych, alkoholi, aldehydów oraz do produktów gazowych;
- octanogenezę, w której produkty z etapu kwasogenezy rozkładane są przez bakterie do substratów metanogennych, do których należą kwas (etanowy) octowy, ditlenek węgla, wodór i metanol;
- metanogenezę, w której w warunkach ściśle beztlenowych, głównie przez bakterie metanogenne, z ditlenku węgla, wodoru oraz z kwasu octowego następuje formowanie metanu.
2. Surowce do produkcji biogazu
Do produkcji biogazu mogą być wykorzystane różnego rodzaju surowce, będące odpadem organicznym (biodegradowalnym) pochodzenia: rolniczego, przemysłowego lub spożywczego. Zalicza się do nich odpady pochodzące z produkcji spożywczej (np. wytłoki, wywar pogorzelniany, wysłodziny browarniane, odpady tłuszczowe i nabiałowe), płynne lub stałe odchody zwierzęce (np. gnojowica, obornik), osady ściekowe, organiczne odpady komunalne, resztki jedzenia, odpady poubojowe kategorii K2 i K3, odpady z produkcji roślinnej oraz celowe uprawy energetyczne (np. kukurydza, lucerna, trawy łąkowe) i biomasę leśną.
Odpady te różnią się od siebie m.in. właściwościami fizykochemicznymi, podatnością na rozkład (dostępnością dla bakterii) oraz uzyskiem biogazu. Głównym czynnikiem przesądzającym o wyborze substratów do produkcji biogazu jest lokalizacja biogazowni (bliskość do źródeł substratu). Wykorzystanie lokalnego surowca w istotny sposób obniża koszty biogazowi (niższy koszt transportu), a tym samym poprawia ekonomikę procesu.
Na rys. 2. przedstawiono możliwości produkcyjne biometanu z odpadów organicznych różnego pochodzenia.
3. Technologie produkcji biogazu
Technologie produkcji biogazu można podzielić ze względu na [ ]:
- liczbę etapów procesu fermentacji (jedno-, dwu-, wieloetapowa);
- zawartość suchej masy w komorze fermentacyjnej (fermentacja sucha, fermentacja mokra);
- temperaturę prowadzenia procesu (mezofilowa, termofilowa);
- sposób dozowania substratów (ciągły, okresowy).
Ze względu na temperaturę prowadzenia fermentacji proces dzieli się na mezofilowy (temp. 34-37°C, czas 15-30 dni) i termofilowy (temp. 55-60°C, czas 12-14 dni). Technologia termofilowa, z uwagi na wyższe temperatury procesu, przebiega szybciej i z większą wydajnością produkcji metanu. Dodatkowo eliminuje mikroorganizmy chorobotwórcze z substratu, wymaga jednak wyższych nakładów energetycznych.
Ze względu na konsystencję substratu wyróżnia się fermentację suchą (dla substratów składowanych luzem) i mokrą (dla substratów pompowanych). Przyjmuje się, że fermentacja mokra przeprowadzana jest przy zawartości suchej masy w substracie poniżej 16%, gdy możliwe jest komponowanie materiału. Jeśli zawartość suchej masy przekroczy 16%, substrat traci zdolność do przepompowania, a fermentacja jest uznawana za suchą.
W zależności od sposobu dozowania substratu do komory fermentacyjnej, proces fermentacji podzielono na okresowy i ciągły. W fermentacji okresowej komora fermentacyjna napełniana jest surowcem jednorazowo, bez dodawania kolejnych porcji do końca procesu. Po zakończeniu fermentacji zbiornik fermentacyjny jest opróżniany i ponownie załadowywany świeżym substratem. W procesie ciągłym okresowo dodawane są partie nowego wsadu do procesu i jednocześnie odbierana przefermentowana pozostałość.
4. Wytwarzanie biogazu w biogazowni
W każdej biogazowni, bez względu na rodzaj wykorzystywanego substratu wyróżnia się cztery główne, uzależnione od siebie etapy procesu technologicznego:
- obróbka wstępna substratu,
- wytwarzanie biogazu,
- zagospodarowanie odpadów pofermentacyjnych,
- przechowywanie, uszlachetnianie i wykorzystanie biogazu.
Pierwszy etap procesu produkcji biogazu obejmuje dostawę surowca do biogazowni i jego obróbkę wstępną. Przygotowany surowiec jest następnie kierowany do komór fermentacyjnych (fermentorów), w których zachodzi najważniejszy proces beztlenowego rozkładu materii organicznej. Komora fermentacyjna może być zbudowana z tworzyw sztucznych, jednak najczęściej jest to izolowany zbiornik wykonany z żelbetonu, z gazoszczelnym przykryciem i ogrzewaniem. Fermentor dodatkowo wyposażony jest w urządzenia mieszające, zapewniające równomierny rozkład substancji dla bakterii odpowiedzialnych za proces oraz temperatury, a także w instalację gazową umożliwiającą odprowadzanie powstałego w procesie biogazu do zbiornika magazynowego [ , ]. Pozostałością po procesie są osady pofermentacyjne, które mogą być wykorzystane do użyźniania pól uprawnych.
5. Wykorzystanie biogazu
Wyprodukowany biogaz może być wykorzystany:
- do produkcji energii elektrycznej i ciepła w systemach kogeneracyjnych (CHP);
- do produkcji ciepła w przemyśle czy budownictwie mieszkalnym;
- w transporcie - biogaz oczyszczony do jakości gazu ziemnego może być paliwem dla pojazdów, jeśli są zaopatrzone w instalację na gaz ziemny.
Zastosowanie biogazu do produkcji energii elektrycznej lub cieplnej wymaga usunięcia siarkowodoru i pary wodnej, przyczyniających się do korozji i obniżenia żywotności urządzeń. Wtłaczanie biogazu do sieci dystrybucyjnej gazu ziemnego lub stosowanie do zasilania pojazdów wymaga oprócz usunięcia związków siarki i śladowych zanieczyszczeń, dodatkowo osuszenia biogazu oraz usunięcia z niego ditlenku węgla (uszlachetnienia do jakości gazu ziemnego).
Bibliografia
[ ] Curkowski A., Mroczkowski P., Oniszk-Popławska A., Wiśniewski G., „Biogaz rolniczy – produkcja i wykorzystanie”, Mazowiecka Agencja Energetyczna Sp. z o.o., Warszawa, grudzień 2009.
[ ] Batstone D.J., Keller K., Angelidaki I., Kalyuzhnyi S.V., Pavlostathis S.G., Rozzi A., Sanders W.T.M., Siegrist H., Vavilin V.A., „Anaerobic Digestion Model No. 1. Scientific and Technical Report No.13, 2002, IWA Publishing, Cornwall, UK.
[ ] Kujawski O., Limno Tec, Burgdorf „Przegląd technologii produkcji biogazu cz. I”, Czysta Energia, nr 12/2009.
[ ] Institut für Energetik und Umwelt gGmbH „Biogaz, produkcja, wykorzystanie“.
[ ] Instytut Mineralnych Materiałów Budowlanych, Pozyskiwanie i energetyczne wykorzystanie biogazu rolniczego, cz. I, Opole 2007.
KOMENTARZE (0)
Do artykułu: Biogaz - produkcja i wykorzystanie