Nr. 101 - 2010/1

Przegl

ą

d technologii produkcji biogazu (cz

ęść

druga)

mgr in

ż

., Dipl.-Ing. Olaf Kujawski (LimnoTec GmbH, Hille)

in

ż

. Jerzy Kujawski (INEKO, Iława)

Komory fermentacji stanowi

ą

centralny element ka

ż

dej biogazowni. Na wybór

ich technologii ma wpływ szereg czynników, z których najwa

ż

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

ż

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

ż

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

ż

nie od wyboru technologii.

Komory fermentacji mog

ą

pracowa

ć

w ró

ż

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

ż

fermentacja jest procesem egzotermicznym komory fermentacji musz

ą

by

ć

wyposa

ż

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

ż

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

ż

liwej grupy bakterii

produkuj

ą

cych metan.

W komorach fermentacji musi by

ć

zapewnione równie

ż

odpowiednie wymieszanie.

Proces ten spełnia bardzo wa

ż

na rol

ę

gdy

ż

wspomaga metabolizm bakterii,

przyczynia si

ę

do równomiernego rozkładu

ś

wie

ż

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

ż

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

ęż

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

ż

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

ż

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

żą

pojemno

ś

ci

ą

(nawet klika tysi

ę

cy

m

3

) poniewa

ż

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

ż

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

ż

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

ż

niejszych zalet takiego rozwi

ą

zania technologicznego nale

żą

: łatwo

ść

obróbki i transportu substratów, stosunkowo niskie koszty inwestycyjne, mo

ż

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

ż

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

ż

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

ż

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

ż

sze rozwi

ą

zania technologiczne pozwalaj

ą

na skrócenie wymaganego czasu

zatrzymania substratów w komorze fermentacji oraz przedłu

ż

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

ęż

enie suchej

masy w komorach fermentacji jest na poziomie powy

ż

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

żą

ce komory fermentacji lub gara

ż

owe

(kontenerowe) komory fermentacji

[1]

.

Le

żą

ca komora fermentacji to walcowy zbiornik wykonany ze stali lub

ż

elbetu,

wygl

ą

dem przypominaj

ą

cy cystern

ę

(rys 4). Zbiornik mo

ż

e by

ć

równie

ż

wyposa

ż

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

żą

ce do mieszania oraz przemieszczania substratu (rys 5).

Niekiedy mieszadło mo

ż

e by

ć

wyposa

ż

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

ęż

enie suchej masz w komorze

utrzymywane jest na odpowiednim poziomie, w zale

ż

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

ż

na zaliczy

ć

trudno

ś

ci konstrukcyjne przy budowie komór o

wi

ę

kszych gabarytach, wyst

ę

powanie du

ż

ych napr

ęż

e

ń

w osiach mieszadeł oraz

stosunkowo wysokie nakłady inwestycyjne.

Rys 4 Przykład komory fermentacji typu le

żą

cego (

ź

ródło: firma KompoGas)

Rys 5 Przekrój komory fermentacji typu le

żą

cego

[2]

Rozwi

ą

zanie technologiczne fermentacji gara

ż

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

ż

e lub kontenery (st

ą

d nazwa, rys 6).

Ś

wie

ż

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

ż

zraszania ciepłym perkolatem czy te

ż

zatapiania substratu podgrzanymi

odciekami.

Nr. 101 - 2010/1

Rys 6 Przykład komór fermentacji typu gara

ż

owego

[1]

Zaletami tego typu technologii jest mo

ż

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

ż

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

ż

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

ż

nianiem oraz napełnianiem komór, brak mieszania

substratu powoduj

ą

cy ni

ż

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

ż

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)