Fermentory

Wstęp

Fermentory, fermentatory, lub inaczej bioreaktory, to zbiorniki w których zachodzi właściwy proces fermentacji metanowej. Z punktu widzenia zasady działania, fermentor do złudzenia przypomina żołądek przeżuwaczy. Produkcja biogazu odbywa się tutaj w podwyższonej temperaturze (najczęściej 36-38°C), w obecności bakterii fermentacyjnych i enzymów. Ilość fermentorów w biogazowni zależy od prowadzonego procesu i mocy produkcyjnej. W małych biogazowniach stosowany jest jeden fermentor. W większych mogą być dwa, a nawet trzy i więcej fermentorów, różniących się prowadzonym procesem (np. fermentor mezofilny i termofilny, wstępny i główny). Fermentory ze względu na budowę i zasadę działania można podzielić na:

  • pionowe
  • poziome

A ze względu na sposób mieszania wsadu na fermentory:

  • z mechanicznym mieszaczem
  • z mieszaniem przy użyciu gazu (technologia Valorga)

Z uwagi na sposób podawania substratów do fermentora można wprowadzić też podział na:

  • fermentory pracujące w systemie ciągłym, w której substrat podawany jest na bieżąco, podobnie odprowadzany jest z bioreaktora poferment
  • fermentory pracujące w systemie okresowym, substrat doprowadzany jest do reaktora jednorazowo, następnie dopływ substratu na czas wymagany do zajścia reakcji biologicznych jest ograniczany, a po procesie stabilizacji reaktor jest opróżniany i następuje kolejny cykl

Wymagania ogólne dla fermentorów

Fermentory konstrukcyjnie przypinają w budowie zbiorniki gnojowicy, bo z zasady są takimi samymi zbiornikami, tylko adaptowanymi do produkcji biogazu. Mogą mieć postać leżącą, lub stojącą, wykonaną pod ziemią, częściowo zagłębioną w ziemi, lub całkowicie odkrytą, naziemną. Niezależnie od rodzaju i sposobu prowadzenia procesu (suchy, mokry) wszystkie fementory powinny spełniać określone, podstawowe wymagania, do których zalicza się:

  • gazo- i płynoszczelność; fermentory muszą posiadać szczelny dach zapobiegający przed przenikaniem powstającego biogazu (metanu) do środowiska, jak też chronić środowisko przed uciążliwym zapachem. Muszą też posiadać szczelne ściany i podłogę chroniące grunt przed odciekami
  • izolacja termiczna; wysoka i stabilna temperatura procesu metanizacji wymaga ochrony zbiornika przed utratą ciepła, musi on posiadać izolację cieplną wykonaną wokół ścian zewnętrznych i od strony gruntu
  • ogrzewanie; proces fermentacji sam w sobie nie jest w stanie wydzielić wystarczającej ilości ciepła, dlatego fermentor posiada system grzewczy w postaci rur wymiennika ciepła, umieszczony zwykle na ścianie zewnętrznej, w którym płynie gorąca woda, lub gorąca para wodna
  • mieszanie zawartości; wyrównanie temperatury w całej zawartości biomasy i przyspieszenie procesu fermentacji wymaga jej mieszania, fermentory realizują to za pomocą mieszadeł mechanicznych lub strumieniem przepływającego przez substrat pod ciśnieniem gazu
  • urządzenia do odprowadzania biogazu;
  • urządzenia do odprowadzania osadu przefermentowanego
  • monitoring procesu; urządzenia pomiarowe do kontroli temperatury, pH, składu powstającego biogazu, wzierniki, punkty do pobierania próbek, itp. 

Dodajmy, że z uwagi na agresywność korozyjną procesu i powstającego w biogazie siarkowodoru, wszystkie materiały użyte do wykonania fermentora, a szczególnie te w strefie gazowej, muszą być z materiałów odpornych na korozję (beton, tworzywa sztuczne, stal nierdzewna).

Budowa fermentorów

Fermentory leżące – mogą mieć postać leżącego walca lub prostopadłościanu, którego długość znacznie przekracza wysokość.  Wykonane są ze stali nierdzewnej lub tworzyw sztucznych (małe fermentory), przy czym prostopadłościenne, to na ogół konstrukcje betonowe. Przemieszczanie się substratu w fermentorze leżącym odbywa się na zasadzie tłokowej. Substrat podawany jest z jednego końca zbiornika i powoli przemieszcza się do przeciwległego końca, ulegając po drodze fermentacji. Mieszanie odbywa się systemem łopat wykonanych na niemal całej długości. Rozwiązanie takie zapobiega wyniesieniu z fermentora osadu nieprzefermentowanego.

Fot. (po prawej) przykładowy fermentor leżący ze stali nierdzewnej (fot. A. Kowalczyk-Juśko)

Rys. Fermentor leżący.

Wadą fermentorów leżących jest brak możliwości szczepienia świeżego osadu, konieczność zawracania wsadu przy niedostatecznej jego fermentacji, oraz ograniczona pojemność. Inną, dość istotną wadą, jest też większy wydatek energetyczny w przeliczeniu na objętość substratów, związany z dużą powierzchnią ścian zewnętrznych w stosunku do objętości całego zbiornika. Praktycznym przykładem fermentora leżącego jest konstrukcja fermentora tłokowego LARAN® (rys. poniżej). 

Ten opatentowany przez STRABAG Umwelttechnik Gmbh proces suchej fermentacji został opracowany jako ciągły, termofilny lub mezofilny w leżącej betonowej komorze o pojemności od 1100-2420 m3. Wstępnie przygotowane substraty podawane są tutaj sekwencyjnie za pomocą ślimakowego podajnika do komory wyposażonej w szereg mieszadeł. Mieszadła zamocowane są na wałach umieszczonych poprzecznie do komory. Każde mieszadło ma własny napęd. Zapewnia to niezawodne działanie i możliwość ograniczenia zużycia energii poprzez sekwencyjne uruchamianie każdego mieszadła. Wzdłuż ścian znajduje się system grzewczy utrzymujący proces w wymaganej temperaturze. Przefermentowany wsad (poferment) odsysany jest z komory podciśnieniową pompą i drenowany z wody, która zawracana jest do obiegu. na rysunku u góry, po prawej, przekrój przez fermentor LARAN.

Nieco inne rozwiązanie poziomego fermentora opatentowała Austriacka firma Thöni.

Rys. Fermentor leżący firmy Thöni

Mieszadła zamocowane są tutaj na wspólnym wale biegnącym wzdłuż całej komory, której pojemność, w zależności od wielkości, waha się od 1400-2250m3. Mieszadła są dobrze ułożyskowane, dzięki czemu pobór energii w czasie pracy nie przekracza tutaj 11kW.

Fot. Wnętrze fermentora firmy Thöni. Widoczny wał i łopaty mieszadła.      

Film z zasady działania fermentora dostępny jest pod adresem: https://youtu.be/EBJgatDt8yA?si=MQyeU-hKFTEMJGSc

Fermentory pionowe

To najpopularniejsze rozwiązanie w biogazowniach. Zapewnia optymalną wydajność, większą dostępną pojemność zbiorników, lepszą izolację. Stosunek powierzchni ścian zewnętrznych zbiornika, do jego objętości jest tutaj mniejszy niż przy fermentorach poziomych.  Fermentory pionowe mają kształt walca o średnicy dochodzącej do kilkudziesięciu metrów i wysokości do 7-8, a nawet więcej m. Całkowita pojemność robocza takich zbiorników dochodzi teoretycznie do 30.000m3, ale w praktyce nie przekracza 6000m3. Powyżej tej granicy pojawiają się już problemy z zapewnieniem dokładnego mieszania wsadu.

Fermentory pionowe wykonywane są w trzech technologiach (rys. poniżej), z uwagi na sposób mieszania wsadu, jako reaktory firmy Lüthe, Valorga lub Entec.

Reaktor firmy Lüthe Gmbh

Ma postać walca ze stożkowym lub sferycznym dachem. Ściany zewnętrzne wykonane są z żelbetu lub stali nierdzewnej, zaizolowane wełną mineralną lub piankami EPS bądź PUR. Izolacja osłonięta jest dodatkowo płytami z blachy.   Dachy w fermentorach wykonywane są zwykle jako pneumatyczne, dwuwarstwowe, rzadziej jako betonowe. Pomiędzy membraną zewnętrzną i wewnętrzną znajduje się powietrze, pompowane za pomocą dmuchawy. Pod membraną wewnętrzną gromadzi się gaz fermentacyjny, odprowadzany na bieżąco do zbiornika gazu, lub urządzenia kogeneracyjnego. W środkowej części zbiornika znajduje się słup  z betonu lub stali nierdzewnej podtrzymujący zbiornik gazu.

Rys. (po prawej) Przekrój przez fermentor. ozn. 1 – zbiornik biogazu; 2 – zbiornik (pojemnik) powietrza regulowany ciśnieniem; 3 – osłona z siatki nylonowej; 4 – otwór kontrolny; 5 0 sprężarka (dmuchawa) do powietrza; 6 – wskaźnik poziomu masy w fermentatorze; 7 – słup podporowy ze stali kwasoodpornej lub betonu; 8 – przęsła podtrzymujące zbiornik biogazu (źr. Mikrobiogazownia rolnicza, praca zbiorowa)

Na słupie opierają się też przęsła, na których rozwieszona jest nylonowa siatka, bądź rozłożony drewniany ruszt. Ta dodatkowa osłona znajduje się bezpośrednio nad fermentującym wsadem i ma za zadanie wychwytywać z gazu siarkowodór. Wykorzystywane są do tego celu bakterie chemotroficzne, siarkowe, rozwijające sie na siatce i przekształcające siarkowodór w siarkę, która spada do wsadu i jest potem odbierana razem z pofermentem, nie stanowiąc zagrożenia dla upraw. Usuwanie siarkowodoru z biogazu ma duże znaczenie dla poprawności działania całej biogazowni. Siarkowodór jest gazem toksycznym, działa inhibitująco na proces fermentacji, sprzyja też korozji elementów stalowych. W urządzeniach kogeneracyjnych dopuszczalne stężenie siarkowodoru w spalanym gazie nie powinno przekraczać 200ppm. Większa zawartość grozi zwykle utratą gwarancji. Dodajmy, że w surowym biogazie, w biogazowni rolniczej, jego stężenie dochodzi do 1500ppm.  

Rys. Budowa fermentora.

W fermentorze firmy Lüthe, mieszanie odbywa się na ogół mieszadłem mechanicznym, skośnym, lub poziomym, wielołopatkowym, zamocowanym na wspólnym pręcie. W zależności od średnicy zbiornika ilość mieszadeł może wynosić od 1 do 3. Mieszanie ma charakter sekwencyjny, czyli uruchamiane jest tylko na pewien czas, po czym silnik napędu jest wyłączany. Ogrzewanie wsadu odbywa się systemem rur wymiennika ciepła rozmieszczonych na obwodzie ścian zewnętrznych zbiornika. Stosowane są do tego celu registry z rur PEX, lub polipropylenu, rzadziej rury ze stali nierdzewnej. Powyższy opis dotyczy typowych rozwiązań, co nie znaczy, że nie znajdziemy w praktyce innych. System mieszania wsadu, jak i sposób jego ogrzewania zależy od technologii prowadzonego procesu i składu materiału wsadowego. 

Fot. Mieszadło wielołopatkowe (fot. Agricomp). Na ścianach widoczny system rur grzewczych.

Rys. Mieszadło śmigłowe umieszczone w dwóch położeniach w zbiorniku fermentora.

Fot. Mieszadło śmigłowe (fot. Agricomp).

Reaktory firmy ENTEC

Mają również postać walców, ale w odróżnieniu do poprzedniego rozwiązania, zbiornik ma tutaj znaczną wysokość, a mniejszą średnicę. Rozwiązanie takie preferuje system mieszający zamocowany w centralnej części zbiornika, na wale, stąd inna jego nazwa (mieszadło osiowe). Technologia mieszania osiowego pochodzi z biogazowni duńskich i działa w sposób ciągły, zapewniając specyficzne przemieszczanie wsadu.  W części centralnej zostaje on zatłoczony w dół komory, a przy ścianach porusza się w kierunku odwrotnym. Mieszadło wykonuje do kilku obrotów na minutę, zapewniając bardzo dobre wymieszanie wsadu, przy niewielkim zapotrzebowaniu na energię.

Rys. Reaktor firmy Entec (rys. ENTEC Environmental Technology Umwelttechnik GmbH).

Napęd mieszacza umieszczony jest na zewnątrz komory, co zapewnia łatwą jego konserwację. Ogrzewanie zbiornika jest również inaczej rozwiązane. Na ogól nie ma tutaj registrów rurowych, a zewnętrzny wymiennik ciepła, w którym podgrzewany jest substrat surowy, dodawany potem do zbiornika. Odsiarczanie z kolei odbywa się w zintegrowanej odsiarczalni, umieszczonej w studni, na zewnątrz fermentora. 

Bioreaktor Valorga

Został opatentowany przez francuska firmę Valorga International S.A.S. i rozwijany jest już od lat 80-tych XX wieku. Bioreaktor Valorga może służyć do fermentacji beztlenowej zarówno odpadów częściowo uwodnionych jak i suchych. W tym drugim przypadku do procesu dodawana jest woda, lub odciek pozyskany w prasach pofermentu tak, aby wsad miał nie więcej niż 25-35% suchej masy.

Rys. Bioreaktor Valorga z mieszaniem wsadu przy pomocy strumienia gazu.

 Fermentacja przebiega mezofilowo w sposób jednostopniowy, w pionowym zbiorniku, w którym zastosowano nowatorskie rozwiązanie mieszania biomasy. Mieszanie odbywa się biogazem, pod wysokim ciśnieniem, który co 15 minut wtryskiwany jest przez sieć dysz ulokowanych w dolnej części komory (rys. poniżej). Cała komora bioreaktora podzielona jest pionową ścianką na dwie części, osadu surowego i przefermentowanego. Osad przefermentowany, w zależności od potrzeb procesowych może być częściowo recyrkulowany do reaktora, lub od razu kierowany na prasy. System Valorga nie nadaje się dla bioodpadów o dużym uwodnieniu i zawartości suchej masy <20%. W praktyce ten typ reaktora ma najczęściej zastosowanie dla odpadów komunalnych.