Substraty, charakterystyka, przechowywanie

Wstęp

Proces produkcji biogazu polega na fermentacji metanowej w warunkach beztlenowych substancji organicznych. Przy prawidłowo prowadzonym procesie powstający biogaz zawiera około 60% metanu. Cały proces metanogenezy opisałem już wcześniej, poniżej skupię się na składnikach procesu, czyli materiale wsadowym w biogazowni.

Aby uzyskać wysoki poziom produkcji biogazu i nie zużywać nadmiernie pojemności komory fermentacyjnej, czas przetrzymywania surowca powinien wynosić ok. trzech do czterech tygodni w temperaturze 35–38°C. Przyjmuje się, że z 1 kg suchej pozostałości organicznej można uzyskać około 0,6m3 biogazu, natomiast w przeliczeniu na objętość komory bioreaktora, ilość ta wynosi około 1,2 m3 biogazu na każdy metr sześcienny komory na dobę.

Pojęcie 1kg suchej masy niewiele nam mówi, dlatego częściej literatura posługuje się przelicznikiem na m3 masy płynnej, lub 1tonę masy stałej substratu i tak:

  • z 1 m3 płynnych nawozów mineralnych (gnojowicy) potencjalnie można uzyskać średnio 20 m3 biogazu,
  • z 1 tony obornika uzyskuje się średnio 45 m3 biogazu

Przyjmując takie przeliczniki można podać w przybliżeniu możliwą produkcję biogazu w skali całego kraju. W Polsce produkuje się rocznie około 38mln m3 gnojowicy i 51 mln ton obornika. Jest to potencjał do wytworzenia około 3mld m3 biogazu o wartości opałowej 23MJ/m3.   

Wśród substratów można wyróżnić takie, które przyspieszają lub opóźniają proces fermentacji, jak i takie które czynią go bardziej wydajnym. Do tych ostatnich należą przede wszystkim węglowodany, białka i tłuszcze. Ogólnie surowce do produkcji biogazu dzielimy na monosubstraty i kosubstraty.

Monosubstraty – to substancje, które mają zdolność samoczynnej fermentacji, tj. zawierają odpowiedni
bilans składników pokarmowych oraz odpowiednią ilość bakterii metanogennych.  Zalicza się do nich np. gnojowicę bydła czy osad ściekowy, które są bogate w mikroorganizmy prowadzące fermentację metanową.
Kosubstraty – to materiały, które dodawane są do komór fermentacyjnych w celu zwiększenia wydajności procesu i zbilansowania obciążenia substancją organiczną. Substraty można scharakteryzować ze względu na cechy funkcyjne i technologiczne, źródło pochodzenia i znaczenie (zob. tabela 1.)

Tabela 1. Podział i cechy ogólne substratów. (źr. Myczko A. ” Budowa i eksploatacja biogazowni rolniczych”)

Poniżej przedstawiam krótka charakterystykę substratów. W artykule wykorzystano materiały z publikacji „Biogazownie szansą dla rolnictwa i środowiska”, autor: dr Alina Kowalczyk-Juśko. Gorąco polecam tę pozycję.

Gnojowica – to podstawowy substrat wykorzystywany w biogazowniach rolniczych. Z uwagi na małą zawartość substancji organicznych, nie może stanowić jedynego składnika procesu i musi być uzupełniany substratami roślinnymi, lub pochodzącymi z produkcji zwierzęcej, przemysłu spożywczego, itp. Gnojowica pochodząca nawet od tych samych zwierząt hodowlanych ma zróżnicowany skład, zależny od sposobu prowadzenia hodowli (np., chów ściółkowy,  na rusztach), ilości używanej wody, rodzaju paszy. Często zawiera zanieczyszczenia nieorganiczne, jak piasek, żużel. Odczyn gnojowicy jest zwykle lekko kwaśny lub lekko zasadowy (pH w granicach 6,5-7,9). Zamarza w temperaturze -2C zwiększając przy tym objętość o 10-12%. W czasie magazynowania części stałe zawarte w gnojowicy ulegają sedymentacji i dochodzi do jej rozwarstwienia. Na górze tworzy się lekki kożuch, w którym jest mała zawartość suchej masy (poniżej 18%), podczas gdy w części dennej zbiornika przekracza nawet 60%.

Gnojowica bydła jest dobrze uwodniona i nie wymaga dodawania wody procesowej. W przypadku odchodów drobiarskich zawartość suchej masy jest dużo większa, dlatego przed wprowadzeniem do komory fermentora rozcieńczana jest wodą lub kosubstratami płynnymi (np. serwatka). Odchody drobiu mogą sprawiać problemy w procesach fermentacji z uwagi na dużą zawartość azotu amonowego. Wydzielający się w procesie fermentacji amoniak jest toksyczny dla bakterii fermentacyjnych.

Tabela 2. Wydajność biogazu z odchodów bydła i trzody.

Odpady z przemysłu spożywczego

Posiadają znaczny potencjał w produkcji biogazu. Szczególne znaczenie mają tutaj odpady z cukrowni, browarnictwa, gorzelni. Odpady takie maja często bardzo różny skład chemiczny (zob. tabela poniżej), w zależności od wyrobu, a nawet zakładu produkcyjnego. Są więc trudne w aplikowaniu, wymagają też często higienizacji. Utylizacja takich odpadów jest natomiast bardzo opłacalna, szczególnie z przyrodniczego punktu widzenia.

Biogazownie wykorzystujące do produkcji biogazu produkty przemysłu mięsnego, muszą być wyposażone w urządzenia do pasteryzacji (sterylizacji), jak też stanowiska dezynfekcji pojazdów przewożących uboczne produkty zwierzęce nie poddane obróbce.

Tabela 3. Parametry wybranych odpadów przemysłu spożywczego (źr. Pracownie badawczo-projektowe Ekosystem Zielona Góra 2005)

Podstawowe surowce zielone

Z upraw polowych jako substraty do biogazowni zaleca się następujące rośliny: kukurydza, zboża w czystym siewie, mieszanki zbożowe, mieszanki zbożowo – strączkowe, słonecznik, topinambur (słonecznik bulwiasty), trawy, lucerna, koniczyna, mieszanki lucerny lub koniczyny z trawami, liście buraków cukrowych i inne, które występują lokalnie. Wartościowe są zielonki z trawników miejskich, pól golfowych, stadionów, lotnisk. Potencjalnym źródłem materii organicznej jest rzęsa wodna oraz glony. Wielkość produkcji biogazu z poszczególnych roślin lub ich części pokazuje  tabela 4.

Tabela 4. Po lewej – produkcja biogazu z wybranych roślin zielonych.

Rośliny zielone w procesie wzrostu charakteryzują się duża zmiennością pod względem składu chemicznego. W biogazowniach nie mają więc zastosowania świeże plony, tylko składowane w pryzmach kiszonki. Ich sporządzenie odbywa się na podobnych zasadach, jak kiszonki dla bydła, z  tą różnicą, ze są wszystkie produkty są bardziej rozdrobnione. Kieszenie może się odbywać różnymi metodami, w rękawach, zbiornikach, pryzmach. W biogazowniach najpopularniejszą metoda kiszenia jest silos lub pryzma.

Poszczególne surowce roślinne charakteryzują się zróżnicowaną łatwością zakiszania.  Trudno kiszą się – lucerna, koniczyna, groch, wyka, żyto. Nieco łatwiejsze w zakiszaniu sa: trawy, seradela, łubin. Łatwo kiszą się natomiast  – kukurydza, sorgo, rzepak, CCM (kiszonka z kolb kukurydzy – Corn Colb Mix), słonecznik, liście buraczane, zielonka z owsa i jęczmienia, buraki, ziemniaki parowane, wilgotne ziarno zbóż.

Magazynowanie substratów

Biogazownia jest obiektem działającym przez cały rok, 24 godziny na dobę. Przypomina pod tym względem klasyczny zakład energetyczny opalany paliwem stałym, z tą różnicą, że zamiast węgla surowcem energetycznym są odpady roślinne i zwierzęce. Dla zapewnienia ciągłości procesu fermentacji konieczne jest zgromadzenie odpowiednio dużych zapasów substratów, szczególnie w odniesienie do frakcji stałej, związanej z produktami roślinnymi (np. kiszonka kukurydziana), którą cechuje sezonowość występowania. 

  Magazynowanie substratów o małym stopniu uwodnienia odbywa się głównie w pryzmach, pod przykryciem foliowym, skąd okresowo są transportowane do fermentora ładowarkami i przenośnikami taśmowymi. Taki sposób magazynowania jest wygodny i tani, szczególnie w dużych biogazowniach, gdzie objętość zgromadzonych kiszonek sięga tysięcy m3. Średni czas magazynowania kiszonki sięga 12 miesięcy. Plac składowy powinien być zabezpieczony przed odciekami do gruntu. Dno może być wybetonowane, pokryte asfaltem, lub przykryte specjalną geomembraną,  o podobnej budowie, jak przy wysypiskach odpadów.

Fot. Pryzma z kiszonką kukurydzianą. Przykrycie – folia i zużyte opony, które w tym wypadku okazują się bezcenne. (agrofakt.pl)

Pryzma musi być gazoszczelna, z jednej strony pozwala to na kiszenie zgromadzonego wsadu, z drugiej chroni przed odoryzacją sąsiedztwo biogazowni. Pryzmy przykrywane są specjalną folią. Popularna jest tutaj BÖCK Blue 9, o niemal 100% gazoszczelności. Nazwa folii wzięła się z ilości warstw z których jest zbudowana. Folia taka może pracować w ekstremalnych warunkach w temp. od -50 do +70°C. Zastosowano w niej górną, niebieską barwę odporną na przenikanie światła UV. Jej wytrzymałość na rozciąganie wynosi aż 28 MPa, podczas gdy typowych folii pryzmowych nie przekracza 20 MPa. Folia pozwala przykryć pryzmy o szerokości do 34 m i długości do 200m (na specjalne zamówienie do 500m).

Fot. Przykrywanie folia bockblue 9 pryzmy kiszonki. Tylko jedna warstwa. 

W mikrobiogazowniach przykrycie pryzmy, lub silosu (rys. poniżej), odbywa się zwykle dwuwarstwowo. Pierwszą warstwę stanowi folia podkładowa, drugą wytrzymała na promieniowanie UV folia ochronna. Folie w każdym rozwiązaniu pryzmy muszą być zabezpieczone przed silnym wiatrem poprzez obciążenie. Stosowane są tutaj stare opony, lub worki wypełnione żwirem (zapewnia to przepuszczalność wody). Jeśli pryzma narażona jest na działanie zwierząt, dziobów ptaków, gryzoni, stosuje się często dodatkową warstwę w postaci siatki ochronnej. Siatki mają dużą wytrzymałość na rozerwanie i są wielokrotnego użytku.

Rys. (po lewej) Przekrój przez pryzmę kiszonki. U góry zagłębionej w ziemi (silos). U dołu, wersja układana bezpośrednio na gruncie.

Przy zastosowaniu siatki ochronnej dodatkowe worki obciążeniowe nie muszą przykrywać całej pryzmy. Siatka jest stabilna sama w sobie i ma dużą masę 200-300g/m2. Worki najczęściej stosuje się   na brzegach siatki, oraz sporadycznie na szerokości pryzmy (fot. u dołu).

Fot. Rozmieszczenia worków obciążeniowych na pryzmie kiszonki z siatką zabezpieczającą.

W dużych biogazowniach place na kiszonkę są najczęściej całkowicie wybetonowane i posiadają ściany boczne, umożliwiające pryzmowanie do wysokości kilku metrów. Rozwiązanie takie ułatwia składowanie i późniejszy transport biomasy ładowarkami. Betonowe podłoże wykonane jest ze spadkiem w kierunku studzienek odciekowych. 

Fot. Magazyn naziemny betonowy dla kiszonki (WOLF)

Substraty płynne

Magazynowane są w zamkniętych zbiornikach wykonanych są na ogół z betonu, rzadziej ze stali lub tworzyw sztucznych. Zbiorniki takie mogą być częściowo zagłębione w ziemi lub posadowione bezpośrednio na gruncie. W każdym przypadku silos musi być szczelny, aby nie stanowił zagrożenia dla ujęć wód podziemnych.

Fot. Zbiornik betonowy na gnojowicę (WOLF)

Zbiorniki na gnojowicę betonowe wykonywane są na konstrukcji szkieletowej,  zbrojonej przez zalewanie betonem bezpośrednio na placu budowy, lub w wersji prefabrykowanej, z gotowych płyt łączonych ze sobą. Płyty prefabrykowane mają tutaj kształt łupin i wymagają wykonania pionowych wieńców. Jedno z rozwiązań firmy Thye-lockenberg pokazuję poniżej. Wszystkie zbiorniki mogą być wykonywane z przykryciem lub bez. Przykrycie może stanowić dach z folii, stali (zbiorniki stalowe), lub płyt betonowych (zbiorniki betonowe prefabrykowane). Pojemności zbiorników, w zależności od wysokości i średnicy,  dochodzą do 10.000m3.

Fot. Zbiornik na gnojowicę z prefabrykowanych płyt firmy Thye-lockenberg. Przykrycie wykonane ze specjalnej folii  HSPO wzmacnianej polietylenem, odpornej na promienie UV.

Rys. Szczegół łączenia płyt prefabrykowanych w zbiorniku jw.

Rys. Zbiornik betonowy na gnojowicę w wersji prefabrykowanej z przykryciem systemowym z betonu. (BISPROL)

Doprowadzenie obornika do zbiornika może się odbywać grawitacyjnie (zbiorniki zagłębione w gruncie) lub przy użyciu pompy. 

Fot. Zbiornik stalowy gnojowicy w wersji otwartej.