BIOGAZOWNIE_ROLNICZE_KATOWICE-2005.pdf

Dr inż. Jan Cebula

Instytut Inżynierii Wody i Ścieków

Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Politechnika Śląska

ul. Konarskiego 18

44-100 Gliwice

tel. 0-32 2372978, 692074712

e-mail: Jan.Cebula@polsl.pl

Mgr inż. Ludwik Latocha

ul. Fitelberga 16

40-588 Katowice

tel. 0-32 2047375, 0601244123

BIOGAZOWNIE ROLNICZE ELEMENTEM GOSPODARCZEGO

WYKORZYSTANIA POZOSTAŁOŚCI Z PRODUKCJI ROLNICZEJ ORAZ

ROZWOJU ROZPROSZONEJ ENERGETYKI ODNAWIALNEJ

1. Wprowadzenie.

Biogazownie rolnicze spełniają w różnych krajach różne zadania. W krajach Azji, gdzie

powstało wiele milionów małych biogazowni wykorzystywane są głównie do oświetlania i

gotowania. W Chinach realizowane jest wiele programów naukowych przez instytut naukowy

biogazownictwa. Biogazownie w USA rozwiązują głownie problemy ochrony środowiska i

produkcji energii. W Europie biogazownie rolnicze spełniają rolę czynnika napędzającego

rozwój wielu dziedzin gospodarki. W Dani powstały drogie, zautomatyzowane duże

najczęściej zbiorcze biogazownie centralne. We Włoszech, Wielkiej Brytanii, Hiszpanii

biogazownie spełniają głównie rolę ochrony środowiska. W Austrii zwraca się szczególną

uwagę na fermentację odchodów zwierzęcych, upraw energetycznych i poplonów. W

Niemczech istnieją małe, średnie i duże biogazownie rolnicze. Rozwijają się one najszybciej i

najpełniej oraz spełniają rolę kompleksowych rozwiązań ochrony środowiska i lokalnych

rozproszonych źródeł energii. W najbliższej przyszłości ma powstać w Niemczech

kilkadziesiąt tysięcy biogazowni rolniczych. Docelowo ilość osób zatrudnionych w tej branży

ma wynosić 280000 [6]. Wprowadzenie biogazu do szerokiej praktyki realizowane jest przez

ponad 150 biur konstrukcyjnych i badawczych. Biogazownie wpływają na ochronę

środowiska, wytwarzanie energii odnawialnej oraz zagospodarowanie i wykorzystanie

odpadów i biomasy rolniczej uprawianej na glebach odłogowanych. W Polsce prace związane

z biogazem były odwzorowywane na doświadczeniach Szwajcarii. Zostały zatrzymane w

latach 80 tych. Obecnie podjęte prace przez Instytut Inżynierii Wody i Ścieków Politechniki

Śląskiej w Gliwicach zmierzają do nawiązania współpracy z wiodącymi ośrodkami

biogazowymi w świecie. Biogaz rolniczy nie znajduje jak do tej pory w Polsce zrozumienia w

kręgach decedentów oraz środowiskach zarządzających i doradczych. Brak jest całkowity

odzwierciedlenia postępu zachodzącego w Europie i świecie.

2. Powstawanie biogazu

Fermentacja beztlenowa to zespół procesów biochemicznych, w których związki

organiczne pochodzenia naturalnego takie jak węglowodany - celuloza, skrobia, pektyny,

hemiceluloza, cukry, oraz białka i tłuszcze roślinne i zwierzęce rozkładane są do metanu i

dwutlenku węgla. Proces ten od dawna wykorzystywany jest w oczyszczalniach ścieków

komunalnych, gdyż umożliwia on przetworzenie osadów ściekowych w łatwo odwadniającą

się masę. Produktem gazowym otrzymanym w wyniku fermentacji jest biogaz składający się z

metanu w 55-75% i dwutlenku węgla 25 – 45%. Produkty gazowe powstałe podczas

fermentacji metanowej hipotetycznego związku organicznego można zapisać:

C c H h O o N n S s + yH 2 O nNH 3 + sH 2 S + xCH 4 + (c-x)CO 2

W zależności od składu fermentowanej biomasy ilość biogazu jest różna. Najwięcej biogazu

można otrzymać w trakcie fermentacji tłuszczy roślinnych i zwierzęcych (tablica 1).

Tablica 1. Ilość i jakość biogazu otrzymywanego z różnych surowców.

Substrat

Produkcja biogazu Zawartość metanu

[%]

Zawartość dwutlenku

węgla [%]

Węglowodany

790 dm 3 /kg

50%

Tłuszcze

1250 dm 3 /kg

68%

32%

Białka

700 dm 3 /kg

71%

29%

W zależności od surowca biogaz jest otrzymywany z:

- osadów ściekowych – nadmierny osad czynny, osad z osadników wstępnych, skratki,

- ścieków lub odpadów przemysłowych – gorzelni, wytwórni drożdży,

- odpadów płynnych z przetwórstwa rolniczego – spożywczego, wywary z gotowania

mięs, zbitki z zakładów jajczarskich, wytłoki z owoców, treści żołądków i jelit, osady

z rzeźni i procesów spożywczych, przeterminowane mleko [1],

- odchodów zwierzęcych – gnojówka, gnojowica, obornik, wody gnojowe [2,7],

- odpadów organicznych - traw, słomy, liści buraków, liści ziemniaków, łętów

ziemniaczanych, kukurydzy, przeterminowanych i zepsutych kiszonek, resztek

pożniwnych takich jak słoma pszenna, słoma żytnia, słoma rzepakowa, organiczna

frakcja odpadów komunalnych.

- roślin energetycznych – poplony, zboża, trawy, miscantus gigantea.

3. Procesy biochemiczne zachodzące podczas fermentacji

Procesy rozkładu materii organicznej mogą przebiegać w warunkach tlenowych lub

beztlenowych. W warunkach tlenowych rozkład materii organicznej w skali przemysłowej

wykorzystywany jest do produkcji podłoża do hodowli pieczarek. W warunkach tlenowych

produktami końcowymi rozkładu węglowodanów są dwutlenek węgla i woda:

(C 6 H 10 O 5 ) n + 6nO 2 6nCO 2 + 5nH 2 O

W warunkach beztlenowych produktami rozkładu węglowodanów są metan i

dwutlenek węgla [3]. W pierwszej fazie procesu musi nastąpić hydroliza węglowodanów.

Uwodnienie węglowodanów można przedstawić zapisem:

(C 6 H 10 O 5 ) n + nH 2 O nC 6 H 12 O 6

W procesie metanogenezy z węglowodanów powstaje również metan i dwutlenek węgla.

Schematycznie można to zapisać:

nC 6 H 12 O 6 3nCO 2 + 3nCH 4

Związki zawierające azot takie jak białka po hydrolizie tworzą aminy, które fermentują

według schematu:

4(CH 3 ) 3 N + 6H 2 O 9CH 4 + 3CO 2 + 4NH 3

Ilość i skład chemiczny wydzielonego biogazu zależy od składu chemicznego

fermentowanych związków. Przykładowo, złożony hipotetyczny związek organiczny o

wzorze ogólnym C a H b O c N d S e P f Me g w trakcie fermentacji podlega w pierwszej kolejności

hydrolizie z udziałem enzymów na proste związki. Następnie związki te ulegają dalszemu

rozkładowi. Produktami tego rozkładu z poszczególnych pierwiastków są:

C  CO, CO 2 , CH 4 , C n H 2n+2 , C n H 2n+1 OH,

H  H 2 , H 2 O, H 2 S, PH 3 , C 2 H 2n+1 Cl, NH 3 ,

O  H 2 O, CO 2 , CO, C n H 2n+1 OH, C n H 2n+1 COOH, R-CO-R ’ ,

N  NH 3 , N 2 O, NO 3 - , NO 2 - , C n H 2n+1 NH 2 , (C n H 2n+1 ) 2 NH,

S  S, H 2 S , SO 2 , S 2 O 3 2- , SO 3 2- , SO 4 2- , COS, CS 2 , CH 3 SH, CH 3 SCH 3 , CH 3 SSCH 3

P  PH 3 , PO 4 3- , PO 3 3- ,

Me  MeS, MeSO 4 , MeCl x , MeCO 3 , MePO 4 , Me(NO 3 ) 2

Oprócz wyżej wymienionych związków, które powstają w wyniku rozkładu złożonych

związków organicznych, obserwowana jest synteza nowych połączeń. Pozostałe stałe

produkty organiczne po fermentacji noszą nazwę kompostu. Również w zależności od składu

chemicznego fermentowanego substratu w biogazie będą występować różne substancje

śladowe, które mają istotny wpływ na własności biogazu i na proces jego oczyszczania. W

biogazie wykryto kilkaset różnych lotnych związków występujących w ilościach śladowych.

Mają one jednak istotne znaczenie dla praktycznego wykorzystania biogazu. Zawarty w

biogazie siarkowodór jest usuwany na różne sposoby, jednak najtańszym sposobem jest jego

usuniecie poprzez utlenienie w reaktorze powietrzem. Zachodzi wtedy reakcja:

H 2 S + 1/2O 2 H 2 O + S

Instalację do usuwania siarkowodoru powietrzem z biogazu rolniczego przedstawiono na

fotografii 1 Jest to bardzo prosty, niezawodny, tani i skuteczny sposób.

Fotografia 1. Pompa dozująca powietrze do reaktora w celu usuwania siarkowodoru z biogazu

Tradycyjnie siarkowodór usuwany jest w kolumnach wypełnionych rudami darniowymi.

Uwodnione tlenki i wodorotlenki żelaza wiążą siarkowodór według reakcji:

2Fe(OH) 3 + 3H 2 S Fe 2 S 3 + 6H 2 O

Zasiarczone rudy darniowe regenerowane są powietrzem. Wtedy siarka utleniana jest do siarki

elementarnej.

Do usuwania siarkowodoru z biogazu powstałego na stacji oczyszczania ścieków

wykorzystywany jest wersenian żelaza(II) Fe(EDTA) 2 . Najnowsze badania prowadzone są z

wykorzystaniem alg.

3. Warunki konieczne do powstania biogazu

Na przebieg procesu fermentacji metanowej wpływ mają czynniki fizyczne, chemiczne i

biologiczne. Do najważniejszych czynników fizycznych należy zaliczyć:

- temperaturę,

- hydrauliczny czas zatrzymania,

- mieszanie,

- zawartość suchej masy,

- rodzaj biomasy,

- ładunek lotnych substancji organicznych.

Do najważniejszych czynników chemicznych kontrolowanych w czasie fermentacji

biomasy organicznej zalicza się:

- pH,

- zasadowość,

- zawartość lotnych kwasów organicznych,

- zawartość pierwiastków śladowych,

- zawartość związków toksycznych.

Jako inocullum (zaszczep) mogą być użyte bakterie żyjące w reaktorach, w których

przeprowadza się anaerobową fermentację ścieków, bakterie żyjące w osadach dennych oraz

znajdujące się w odchodach zwierzęcych. Adaptacja bakterii z tych źródeł do warunków

termofilowych trwa 2 - 4 miesięcy, a czasami nawet do jednego roku.

Temperatura procesu fermentacji metanowej ma decydujący wpływ na stopień

konwersji, kinetykę rozkładu biomasy, stabilność, jakość wytwarzanej pozostałości oraz ilość

powstającej energii netto. Procesy metanogenne zachodzą w przyrodzie w temperaturze 4

-98C, praktycznie natomiast rozróżnia się trzy zakresy optymalnej temperatury 20 - 25C dla

bakterii psychofilowych, 35 - 37C dla bakterii mezofilowych i 55 - 60C dla bakterii

termofilowych.

W wyższej temperaturze rośnie szybkość procesów konwersji biomasy, ale spada

stabilność procesu. Przykładowo, jeżeli w temperaturze 55C zaszła konwersja biomasy w

ciągu kilku dni, to taki sam stopień konwersji zostanie osiągnięty w temperaturze 37C w

ciągu kilkunastu tygodni, zaś w temperaturze 15C w ciągu kilkunastu miesięcy. Wyższa

temperatura wpływa na efektywność rozpadu związków organicznych oraz wyginięcie

organizmów patogennych. Ilość energii potrzebnej na utrzymanie reakcji w temperaturze

55C jest o 120% wyższa niż w procesie mezofilowym, ale jest to kompensowane

kilkakrotnym wzrostem produkcji biogazu [4].

Mieszanie biomasy reakcyjnej może odbywać się mechanicznie, poprzez recyrkulację

kultur bakteryjnych oraz przemieszczanie gazu. Recyrkulacja kultur bakteryjnych ma wiele

zalet. Technika ta może być wprowadzona z zastosowaniem pomp. Dostarczanie świeżej

biomasy do reaktora odbywa się 1-3 razy w ciągu dnia, ale znane są rozwiązania

konstrukcyjne reaktorów, gdzie odpady ładowane są jednokrotnie, a następnie przez okres 20

dni odbywa się jedynie wymiana odcieków.

Biomasa może zawierać inhibitory w postaci różnych ksenobiotyków, takich jak np.:

antybiotyki, środki ochrony roślin oraz amoniak. Wysokie stężenie amoniaku wytwarzanego

podczas fermentacji biomasy wpływa katalizująco na hydrolizę węglowodanów, ale hamująco

na proces fermentacji odpadów zwłaszcza przy wysokim pH.

Zawartość suchej masy w fermentowanej biomasie może wynosić od poniżej 1% do

ponad 50%. Tak szeroki zakres zawartości biomasy podczas fermentacji termofilowej

znacznie zmienia wymagania cieplne. Znane są przykłady, gdzie podczas fermentowania

odpadów o zawartości suchej masy 1% w warunkach mezofilowych cała wytworzona energia

i jeszcze 10% dodatkowej energii jest zużywane na utrzymanie pracy fermentora. Gdy

zawartość suchej masy wynosi około 10 - 15%, to tylko kilkanaście % wytworzonej energii

przeznacza się na prowadzenie procesu. Właściwa izolacja reaktora oraz umieszczenie

reaktora pod ziemią może zredukować dalsze straty ciepła z reaktora.

Od warunków przebiegu procesu zależą ilości powstałego biogazu, jego skład, kaloryczność,

zanieczyszczenia jak również jakość masy pofermentacyjnej.

4. Substraty nadające się do pozyskania biogazu.

Znane są liczne substraty stosowane do produkcji biogazu. Najpopularniejsze to osady

nadmierne na oczyszczalniach ścieków komunalnych oraz odpady deponowane na

wysypiskach odpadów komunalnych. W rolnictwie i hodowli najpopularniejsze są produkty

uboczne hodowli zwierząt (tablica 2) oraz ostatnio specjalnie hodowane rośliny energetyczne

( tablica 3).

Tablica 2. Wydajność biogazu z różnych substratów

Substrat

Ilość biogazu

[dm 3 /kg s.org.]

Obornik świński

340 – 550

Obornik bydlęcy

200 – 300

Obornik owczy

90 –310

Odchody ptasie

310 – 620

Słoma żytnia

200 –300

Słoma pszenna

200 – 300

Słoma jęczmienna

250 – 300

Słoma owsiana

290 – 310

Trawa

280 – 550

Trzcina

170

Odpady rolnicze

310 – 430

Osady ściekowe

310 – 740

Części warzyw

330 – 360

Konopie

360

Tablica. 3 Wydajność biogazu z roślin przeznaczonych do metanowej fermentacji

Obornik koński

90 –310

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: