Nr. 101 - 2010/1
Przegl
ą
d technologii produkcji biogazu (cz
ęść
druga)
mgr in
Ŝ
., Dipl.-Ing. Olaf Kujawski (LimnoTec GmbH, Hille)
in
Ŝ
. Jerzy Kujawski (INEKO, Iława)
Komory fermentacji stanowi
ą
centralny element ka
Ŝ
dej biogazowni. Na wybór
ich technologii ma wpływ szereg czynników, z których najwa
Ŝ
niejszy jest
rodzaj oraz skład substratów wej
ś
ciowych.
Pierwszy artykuł z cyklu na temat technologii produkcji i wykorzystania biogazu
po
ś
wi
ę
cony został technologiom składowania, przetwarzania, przesyłania i
dozowania substratów do komór fermentacji. W niniejszym artykule poruszony został
temat technologii komór fermentacji. Z uwagi na ograniczony zakres publikacji
poło
Ŝ
ono nacisk na omówienie jedynie powszechnie stosowanych i sprawdzonych
rozwi
ą
za
ń
na tak zwanych biogazowniach przemysłowych i rolniczych. Produkcja
biometanu z osadów
ś
ciekowych na oczyszczalniach
ś
cieków lub biogazu
wysypiskowego
stanowi
oddzielne,
z
technologicznego
punktu
widzenia,
zagadnienie, dlatego nie została tutaj omówiona.
Od czego zale
Ŝ
y wybór technologii komór fermentacji?
Wyboru technologii komory fermentacji dokonuje si
ę
bior
ą
c mi
ę
dzy innymi pod
uwag
ę
wielko
ść
planowanej instalacji oraz sposób magazynowania i buforowania
biogazu. Najistotniejsz
ą
rol
ę
odgrywa jednak rodzaj oraz skład substratów a w
szczególno
ś
ci nast
ę
puj
ą
ce zagadnienia: zawarto
ś
ci suchej masy i suchej masy
organicznej, dynamika rozkładu substratów oraz zawarto
ść
substancji mog
ą
cych
powodowa
ć
potencjalne uszkodzenia jak i utrudnienia pracy instalacji (np. pomp,
mieszadeł).
Warunki procesu fermentacji
Dla zapewnienia przebiegu procesu fermentacji potrzebne s
ą
odpowiednie warunki,
które musz
ą
by
ć
spełnione niezale
Ŝ
nie od wyboru technologii.
Komory fermentacji mog
ą
pracowa
ć
w ró
Ŝ
nych temperaturach. Obok najcz
ęś
ciej
stosowanej fermentacji mezofilnej (przedział temperatur od 32 do 42
o
C) coraz
cz
ęś
ciej eksploatuje si
ę
komory fermentacji w przedziale temperatur termofilnych (od
50 do 57
o
C)
[1]
. Z uwagi na znikom
ą
efektywno
ść
procesu eksploatacja w
temperaturze psychrofinej (< 25
o
C) nie znalazła zastosowania. Pomimo faktu i
Ŝ
fermentacja jest procesem egzotermicznym komory fermentacji musz
ą
by
ć
wyposa
Ŝ
one w odpowiednie instalacje dla zapewnienia temperatury ich pracy. S
ą
to
zwykle rury grzewcze umieszczone wewn
ą
trz lub na przegrodach poziomych lub
pionowych komór.
Poszczególne grupy bakterii odpowiedzialne za kolejne procesy rozkładu
beztlenowego (hydroliza, acidogeneza, acetogeneza i metanogeneza) maj
ą
znacznie
odbiegaj
ą
ce od siebie optymalne przedziały odczynu pH, jednak poniewa
Ŝ
wszystkie
te procesy w komorach fermentacji w praktyce zachodz
ą
równocze
ś
nie, optymalny
Nr. 101 - 2010/1
przedział pH jest ustalony pod k
ą
tem najbardziej wra
Ŝ
liwej grupy bakterii
produkuj
ą
cych metan.
W komorach fermentacji musi by
ć
zapewnione równie
Ŝ
odpowiednie wymieszanie.
Proces ten spełnia bardzo wa
Ŝ
na rol
ę
gdy
Ŝ
wspomaga metabolizm bakterii,
przyczynia si
ę
do równomiernego rozkładu
ś
wie
Ŝ
ego substratu w komorze,
wspomaga ujednolicenie rozkładu temperatury oraz uwalnianie si
ę
p
ę
cherzyków
biogazu z mieszaniny substratu.
Fermentacja mokra
Zdecydowana wi
ę
kszo
ść
biogazowni jest eksploatowana w technologii fermentacji
mokrej. Terminem tym okre
ś
la si
ę
proces fermentacji w którym substrat w komorze
fermentacji przez cały czas jej trwania pozostaje w stanie płynnym (mo
Ŝ
liwe
mieszanie i pompowanie substratu). W praktyce granic
ę
płynno
ś
ci substratu stanowi
sucha masa substratu o warto
ś
ci 15%.
Najcz
ęś
ciej stosowanym rozwi
ą
zaniem technologicznym na biogazowniach
pracuj
ą
cych w systemie fermentacji mokrej s
ą
zintegrowane komory fermentacji i
zbiorniki buforowe biogazu (rys. 1). St
ęŜ
enie suchej masy substratu w komorach
utrzymuje si
ę
w przedziale od 5 do 12 %. Zbiorniki komór s
ą
stosunkowo niskie
(wysoko
ść
ś
cian od 6 do 8 m) w porównaniu do ich
ś
rednicy (od kilkunastu do około
35 m). Zbiornik komory zwykle wykonany jest z
Ŝ
elbetu oraz przykryty dwu- lub
jedno-powłokowym samono
ś
nym dachem gazoszczelnym (rys 1). Taki typ
konstrukcji jest stosunkowo korzystny pod wzgl
ę
dem kosztów inwestycyjnych. Dla
zapewnienia odpowiedniej temperatury dla przebiegu procesu komory tego typu
wyposa
Ŝ
one s
ą
w rury grzewcze zamontowane na lub w
ś
cinanie zbiornika. Niekiedy
rury grzewcze montowane s
ą
w płycie dennej zbiornika. Substrat mieszany jest za
pomoc
ą
mieszadeł zanurzeniowych oraz mieszadeł o długich osiach (rys 2). Komory
fermentacji charakteryzuj
ą
si
ę
stosunkowo du
Ŝą
pojemno
ś
ci
ą
(nawet klika tysi
ę
cy
m
3
) poniewa
Ŝ
substrat jest dozowany w sposób ci
ą
gły. Pojemno
ść
oraz ilo
ść
dozowanego substratu s
ą
tak dobrane aby czas hydraulicznego zatrzymania
substratu, w zale
Ŝ
no
ś
ci od jego rodzaju, wynosił od kilkunastu do kilkudziesi
ę
ciu dni.
W praktyce najlepiej sprawdziły si
ę
rozwi
ą
zania szeregowe ł
ą
czenia dwóch lub
wi
ę
kszej ilo
ś
ci komór fermentacji. Taki rodzaj eksploatacji odznacza si
ę
znacznie
lepszymi ni
Ŝ
jednostopniowe komory wynikami uzysku biogazu. W przestrzeni
gazowej zintegrowanych zbiorników realizowany jest pierwszy proces uzdatniania
biogazu polegaj
ą
cy na jego biologicznym odsiarczaniu. Odbywa si
ę
to przez
wtłaczanie małej ilo
ś
ci powietrza atmosferycznego. W wyniku reakcji biochemicznej
siarka z H
2
S jest utleniana i wytr
ą
cana si
ę
w postaci granulek w zbiorniku.
Nr. 101 - 2010/1
Rys 1 Przykład zintegrowanych komór fermentacji i zbiorników biogazu na
biogazowni rolniczej Sachsenhagen (archiwum LimnoTec GmbH).
Rys 2 Przykłady mieszadeł o długich osiach w komorach fermentacji mokrej
[2].
Do najwa
Ŝ
niejszych zalet takiego rozwi
ą
zania technologicznego nale
Ŝą
: łatwo
ść
obróbki i transportu substratów, stosunkowo niskie koszty inwestycyjne, mo
Ŝ
liwo
ść
cz
ęś
ciowego oddzielenia poszczególnych procesów fermentacji (procesów hydrolizy,
produkcji kwasów organicznych oraz metanogenezy), zapewnienie stabilnej
temperatury, odczynu pH oraz równomierny rozkład substratu, biomasy bakteryjnej i
pierwiastków biogennych.
To rozwi
ą
zanie technologiczne posiada jednak pewne wady. W wypadku prac
naprawczych lub serwisowych w komorach fermentacji istnieje konieczno
ść
ich
cz
ęś
ciowego lub całkowitego opró
Ŝ
nienia. Ciała obce takie jak np. kamienie, resztki
opakowa
ń
lub włókna mog
ą
powodowa
ć
uszkodzenia mechaniczne lub
nieprawidłow
ą
prac
ę
urz
ą
dze
ń
takich jak pompy lub mieszadła b
ą
d
ź
te
Ŝ
odkłada
ć
si
ę
w komorach fermentacji w postaci sedymentów.
Nr. 101 - 2010/1
Specjalne rozwi
ą
zania komór fermentacji mokrej
W wypadku substratów o niskiej warto
ś
ci suchej pozostało
ś
ci (np.
ś
cieków o
stosukowo wysokim potencjale produkcji biogazu) du
Ŝ
o bardziej sensowne z
ekonomicznego punktu widzenia jest wykorzystanie wyspecjalizowanych technologii
fermentacji mokrej takich jak: UASB (ang. upflow anaerobic sludge blanket reaktor,
tłum. reaktor z osadem zawieszonym), EGSB (ang. expanded granular sludge bed
reaktor, tłum. reaktor z osadem granulowanym) FAR+SBR-reaktor beztlenowy (niem.
Festoffanreicheungsreaktor + SBR, tłum. reaktor sekwencyjny oraz reaktor
zag
ę
szczania osadu) wprowadzony na rynek przez firm
ę
LimnoTec GmbH (rys 3).
Powy
Ŝ
sze rozwi
ą
zania technologiczne pozwalaj
ą
na skrócenie wymaganego czasu
zatrzymania substratów w komorze fermentacji oraz przedłu
Ŝ
anie wieku osadu
(
ś
redniego czasu przebywania bakterii anaerobowych w komorach fermentacyjnych).
Rys 3 Przykład komór fermentacji SBR+FAR na biogazowni przemysłowej Gemüse
Meyer (archiwum LimnoTec).
Fermentacja sucha
W wypadku biogazowni działaj
ą
cych w procesie fermentacji suchej st
ęŜ
enie suchej
masy w komorach fermentacji jest na poziomie powy
Ŝ
ej 15 %. W zwi
ą
zku z tym
zarówno mieszanie jak i transport substratów o tych parametrach jest utrudniony. Dla
tego typu substratów stosuje si
ę
tak zwane le
Ŝą
ce komory fermentacji lub gara
Ŝ
owe
(kontenerowe) komory fermentacji
[1]
.
Le
Ŝą
ca komora fermentacji to walcowy zbiornik wykonany ze stali lub
Ŝ
elbetu,
wygl
ą
dem przypominaj
ą
cy cystern
ę
(rys 4). Zbiornik mo
Ŝ
e by
ć
równie
Ŝ
wyposa
Ŝ
ony
w gazoszczelny dach membranowy w celu buforowania wyprodukowanego biogazu.
W komorze zainstalowane jest centralne mieszadło o poziomej osi (pokrywaj
ą
ca si
ę
z osi
ą
zbiornika) słu
Ŝą
ce do mieszania oraz przemieszczania substratu (rys 5).
Niekiedy mieszadło mo
Ŝ
e by
ć
wyposa
Ŝ
one w instalacj
ę
grzewcz
ą
. Substrat do
komory dozowany jest w sposób ci
ą
gły oraz mieszany i przesuwany za pomoc
ą
mieszadła w kierunku wylotu ze zbiornika. St
ęŜ
enie suchej masz w komorze
utrzymywane jest na odpowiednim poziomie, w zale
Ŝ
no
ś
ci od wytrzymało
ś
ci
konstrukcyjnej zastosowanego mieszadła.
Podstawow
ą
zalet
ą
tego typu technologii jest optymalne wykorzystanie pojemno
ś
ci
komory oraz stosunkowo wysoka wydajno
ść
procesu fermentacji z uwagi na tak
zwany przepływ tłokowy w komorze.
Nr. 101 - 2010/1
Do wad tego systemu mo
Ŝ
na zaliczy
ć
trudno
ś
ci konstrukcyjne przy budowie komór o
wi
ę
kszych gabarytach, wyst
ę
powanie du
Ŝ
ych napr
ęŜ
e
ń
w osiach mieszadeł oraz
stosunkowo wysokie nakłady inwestycyjne.
Rys 4 Przykład komory fermentacji typu le
Ŝą
cego (
ź
ródło: firma KompoGas)
Rys 5 Przekrój komory fermentacji typu le
Ŝą
cego
[2]
Rozwi
ą
zanie technologiczne fermentacji gara
Ŝ
owej lub kontenerowej zakłada
sekwencyjn
ą
prac
ę
wi
ę
kszej ilo
ś
ci komór (kilka lub kilkana
ś
cie komór fermentacji)
eksploatowanych naprzemiennie w sposób sekwencyjny. Przypominaj
ą
one
wygl
ą
dem gara
Ŝ
e lub kontenery (st
ą
d nazwa, rys 6).
Ś
wie
Ŝ
y substrat miesza si
ę
z
pozostało
ś
ci
ą
pofermentacyjn
ą
po poprzednim cyklu i nast
ę
pnie za pomoc
ą
np.
ładowarki kołowej wprowadza do komory fermentacji. Mieszanka substratu i
pozostało
ś
ci przebywa w komorze przez kilka tygodni. W trakcie trwania procesu
zawarto
ść
fermentora nie jest mieszana. Procesy rozkładu beztlenowego
intensyfikuje si
ę
za pomoc
ą
zraszania lub zatapiania zawarto
ś
ci komory odciekami
poprzednio uzyskami w procesie (recyrkulacja perkolatu lub odcieków). Ciepło
potrzebne do ustalenia oraz podtrzymania odpowiedniej temperatury dostarcza si
ę
do komór za pomoc
ą
rur grzewczych umieszczonych w
ś
cianach / posadzce komory
lub równie
Ŝ
zraszania ciepłym perkolatem czy te
Ŝ
zatapiania substratu podgrzanymi
odciekami.
Nr. 101 - 2010/1
Rys 6 Przykład komór fermentacji typu gara
Ŝ
owego
[1]
Zaletami tego typu technologii jest mo
Ŝ
liwo
ść
produkcji biogazu z substratów o
znacznej zwarto
ś
ci substancji obcych lub mog
ą
cych powodowa
ć
uszkodzenia lub
utrudnienia w pracy urz
ą
dze
ń
mechanicznych (np. kamienie, opakowania, gruz). Z
uwagi na stosunkowo prost
ą
technologi
ę
, brak elementów ruchomych oraz
mo
Ŝ
liwo
ść
łatwej i cz
ę
stej konserwacji, taka konstrukcja komór fermentacji
charakteryzuje si
ę
nisk
ą
awaryjno
ś
ci
ą
.
Do wad tego typu technologii mo
Ŝ
na zaliczy
ć
: niejednostajn
ą
produkcj
ę
biogazu
spowodowan
ą
sekwencyjn
ą
prac
ą
fermentorów, stosunkowo wysoki nakład pracy
przy eksploatacji zwi
ą
zany z opró
Ŝ
nianiem oraz napełnianiem komór, brak mieszania
substratu powoduj
ą
cy ni
Ŝ
sz
ą
dynamik
ę
procesów beztlenowych, stosunkowo
wysokie nakłady inwestycyjne oraz konieczno
ść
dalszej obróbki pozostało
ś
ci
pofermentacyjnej
W nast
ę
pnej ostatniej ju
Ŝ
cz
ęś
ci cyklu artykułów po
ś
wi
ę
conych przegl
ą
dowi
technologii produkcji oraz wykorzystania biogazu b
ę
dzie mowa o sposobach
wykorzystania biogazu oraz pozostało
ś
ci pofermentacyjnej powstałych w procesie
fermentacji.
Literatura
1.
Fachagentur
Nachwachsende
Rohstoffe
e.V.
(2006)
Handreichung
Biogasgewinnung und –nutzung, Instytut für Energetyk und Umwelt gGmbH,
Bundesforschungsanstalt für Landwiirtschaft, Kuratorium für Technik und
Bauwesen in der Landwirtschaft e.V., Gülzow, Niemcy
2.
Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL)
(2007): Faustzahlen für Biogas, Herausgeber: KTBL und Fachagentur
Nachwachsende Roh-stoffe e.V. (FNR)