Co to jest biogazownia!
Pojęcie biogazownia dotyczy zespołu urządzeń i instalacji służących do produkcji biogazu, czyli gazu z substratów organicznych roślinnych lub zwierzęcych. Z uwagi na prowadzony proces i rodzaj substratów biogazownie można dalej dzieli na:
- rolnicze – przetwarzające produkty wytworzone w gospodarstwie rolnym
- komunalne – przetwarzające na biogaz odpady powstające w gospodarstwach domowych; można je dalej dzielić na wysypiskowe (produkujące biogaz z odpadów, na wysypisku) i osadów pościekowych (wytwarzające biogaz z fermentacji osadów w oczyszczalniach ścieków)
- przemysłowe, zwane też utylizacyjnymi – produkujące biogaz w wyniku wtórnego przetwarzania odpadków z zakładów przetwórstwa żywności.
Poniżej zostaną scharakteryzowane biogazownie rolnicze.
Budowa biogazowni rolniczej
Z punktu widzenia przepisów, biogazownią rolniczą jest zakład przetwórczy wytwarzający biogaz oraz tzw. poferment, w wyniku fermentacji metanowej:
- produktów ubocznych stałych i płynnych powstających przy hodowli zwierzęcej
- odpadów i produktów roślinnych pochodzenia rolniczego
- odpadów produkcji leśnej, lub odpadów roślinnych zebranych z terenów zielonych innych niż rolne i leśne
W biogazowniach rolniczych nie wykorzystuje się odpadów komunalnych! Typowa biogazownia rolnicza, a także mikrobiogazownia rolnicza, składa się zazwyczaj z następujących elementów:
– zbiornika wstępnego do magazynowania substratu płynnego (np. gnojowicy),
– silosu na substrat roślinny (np. kiszonkę z kukurydzy),
– komory (lub komór) fermentacyjnej (bioreaktor),
– zbiornika gazu,
– generatora prądotwórczego w układzie kogeneracyjnym,
– zbiornika na substrat przefermentowany z biogazowni (poferment).
Rys. Schemat pracy biogazowni rolniczej. 1- Budynki inwentarskie, 2- zbiornik na gnojowicę, 3-silos na odpady organiczne, 4- zbiornik higienizujący, 5- bioreaktor (fermentor), 6-zbiornik biogazu, 7- instalacja kogeneracyjna do produkcji prądu i ciepła z biogazu, 8 zbiornik pofermentu, 9 – uprawa rolna nawożona pofermentem
Zasada działania biogazowni
Odpady ciekłe powstające w budynkach inwentarskich gromadzone są w osobnym zbiorniku gnojowicy, a następnie okresowo dostarczane pompą gnojowicy do biorekatora. Razem z ciekłą frakcją trafia do bioreaktora biomasa stała, w postaci kiszonki. Szybkość fermentacji, tym samym przepustowość instalacji, zależy od temperatury całego procesu. Najkorzystniejsza jest z udziałem bakterii termofilnych, ale wymaga dużej ilości ciepła, tym samym częściej prowadzi się ją w warunkach mezofilnych, w temperaturach od 30-40C. Ciepła dostarcza spalony biogaz, a zapewnienie jego równomiernego rozprowadzenia w całej komorze bioreaktora – mechaniczne mieszanie. W wyniku fermentacji wsadu, w procesie metanogenezy wytwarza się biogaz i ciekła frakcja pofermentacyjna, tzw. poferment. Biogaz, po usunięciu siarki gromadzony jest w osobnym zbiorniku i spalany w urządzeniu kogeneracyjnym. W wyniku spalania produkowane jest ciepło i energia mechaniczna napędzająca generator. Nadmiar gazu, niemożliwy w danym momencie do zagospodarowania, spalany jest w osobnej pochodni (świeczce) zlokalizowanej na terenie biogazowni.
Poferment przesyłany jest rurociągiem do osobnego zbiornika osadu przefermentowanego, skąd pobierany jest taborem asenizacyjnym i wykorzystywany rolniczo, jako pełnowartościowy nawóz.
Cały powyższy proces można podzielić na kilka etapów:
- Przygotowanie substratów do produkcji biogazu – w jego skład wchodzi dowóz substratów do biogazowni ich składowanie, następnie sortowanie, rozdrabnianie, homogenizacja (uzyskiwanie jednakowej struktury z różnych składników), czasem dodatkowa higienizacja w celu pozbycia się bakterii i drobnoustrojów, lub innych substancji szkodliwych dla procesu fermentacji; wreszcie dozowanie do bioreaktora. Zakres działań na tym etapie jest zależny od źródła pochodzenia substratów, ich składu chemicznego, stopnia zanieczyszczenia, itp
- Produkcja biogazu – kontrola procesu metanogenezy, stabilizacja pH procesu i jego temperatury, nadzór nad poziomem stężenia metanu w pomieszczeniach biogazowni, ciśnieniem gazu w zbiorniku, itp.
- Zagospodarowania powstającego pofermentu z komór biorektorów – składowanie pofermentu, jego ewentulane uzdatnianie, oddzielanie frakcji stałej od ciekłej na wirówkach i prasach, rolnicze zagospodarownie frakcji stałej i ciekłej
- Zagospodarowania biogazu, jego ewentualne odsiarczanie i odwadnianie, następnie wykorzystanie do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w procesie kogeneracji
Francuska firma AgriKomp podzieliła biogazownie według mocy agregatu prądotwórczego na biogazownie typu G, S, M, L, XL i XXL. Do każdej wielkości przyporządkowała wymaganą wielkość substratów, w postaci objętości gnojowicy, czy wielkości upraw w ha, a także wymaganą objętość komory fermentacyjnej czy silosa (rys. poniżej)
Rys.Charakterystyka danych wejściowych w zależności od potrzeb mocy agregatu według katalogu firmy AgriKomp France.
W opracowaniu mikrobiogazownie, to biogazownie z grupy G. Obecnie, po zmianie przepisów moc agregatu wynosi w nich do 50kW.
Biogazownie ze względu na proces produkcji biogazu można podzielić na:
- biogazownie o fermentacji mokrej – gdzie substraty suche (np. kiszonka kukurydziana) mieszane są z gnojowicą w fermentorze. Proces fermentacji może być jednostopniowy i odbywac sie w jednym fermentorze, lub dwustopniowy, gdzie w fermentorze wstępnym następuje optymalizacja procesów (np. wstępna hydroliza i octanogeneneza), po czym tak przygotowany wsad kierowany jest do głównego fermentora. Fermentacja mokra zwykle jest procesem ciągłym, to znaczy materiał wsadowy jest na bieżąco dawkowany do fermentora.
Rys. Przykład fermentacji mokrej jednoetapowej. 1 – obora; 2 – system dozowania biomasy; 3 – zbiornik fermentacyjny; 4 – membrana zbiornika biogazu; 5 – przewód biogazowy; 6– mieszadło, 7 – instalacja grzewcza; 8 – maszynownia z agregatem; 9 – odwadniacz; 10, 11 –energia cieplna zasilająca; 12 –energia elektryczna do wykorzystania w gospodarstwie lub sprzedaży; 13 –energia cieplna do wykorzystania w gospodarstwie, 14 – zbiornik wstępny na substrat (rys. Publikacja – „Mikrobiogazownia rolnicza”)
- biogazownie o fermentacji suchej – gdzie stałe substraty poddawane są procesowi inokulacji (szczepienia bakteriami przefermentowanej masy) w wyniku mieszania substratów świeżych z przefermentowanymi. Wydzielający się w procesie fermentacji płyn (perkolat) jest wyłapywany w układzie drenażu, a następnie w obiegu zamkniętym ponownie doprowadzony do materiału fermentacyjnego w celu zwiększenia jego wilgotności.
Rys. Przykład technologii fermentacji suchej firmy BEKON.