FERMENTACJA METANOWA
ODPADÓW - BIOGAZ

OTRZYMYWANIE I ZASTOSOWANIE

BIOGAZU

Fermentacja metanowa

Fermentacja metanowa

– proces

mikrobiologiczny rozkładu substancji

organicznych przeprowadzany w warunkach

beztlenowych przez mikroorganizmy

anaerobowe z wydzieleniem metanu.
Nazwa "fermentacja metanowa" została nadana

przed poznaniem istoty tego procesu i może być

myląca.
W rzeczywistości jest to zespół przemian

biochemicznych, które łączy brak tlenu.

Anaerob

– organizm rozwijający się w warunkach

beztlenowych

Fermentacja metanowa składa się z czterech

następujących faz:

1. faza hydroliczna

- (związki organiczne, czyli białka,

węglowodory, tłuszcze, ulegają reakcjom hydrolizy
przy katalitycznym udziale enzymów bakterii z
grupy względnych beztlenowców)

2. faza acidogenna

- (produkty hydrolizy przetwarzane

są przez fakultatywne bakterie acidogenne do
prostych kwasów organicznych, alkoholi, aldehydów
oraz wodoru i dwutlenku węgla)

3. faza octanogenna

- (kwasy organiczne rozkładane są

do kwasu octowego dzięki współpracy różnych
gatunków bakterii)

4. faza metanogenna

- (bakterie metanowe

przetwarzają produkty poprzednich faz: kwas
octowy, dwutlenek węgla i wodór na metan)

Fermentacja metanowa

Fermentacja metanowa prowadzona jest w zamkniętych

komorach bez dostępu powietrza. Temperatura podczas

fermentacji wynosi ok. 35

o

C lub ok. 55

o

C.

W rezultacie produktami rozkładu substancji

organicznych są biogaz i naturalny nawóz.

Zaletami technologii fermentacji metanowej są:

►

produkcja biogazu będącego odnawialnym źródłem

energii,

►

nie jest potrzebna tak wielka ilość terenu jak przy

innych

sposobach utylizacji odpadów (składowanie czy

kompostowanie),

►

nie jest tak uciążliwa dla środowiska,

►

mniejsza energochłonność procesu,

►

lepsze warunki oczyszczania końcowych produktów

Fermentacja metanowa

psychrofilna

– zachodzi w temperaturze otoczenia

(poniżej 25 stopni), trwa minimum 70–80 dni, zwykle
zachodzi w szambie, osadniku Imhoffa oraz w otwartych
basenach fermentacyjnych; powstający biogaz nie jest
ujmowany i stanowi zanieczyszczenie atmosfery.

mezofilna

– przeprowadzana w temperaturze 30–40

stopni, trwa około 30 dni, w zamkniętych komorach
fermentacyjnych z których ujmowany jest biogaz. Mimo
konieczności podgrzewania komory fermentacyjnej,
fermentacja mezofilna posiada dodatni bilans energii.

termofilna

– trwa od 15 do 20 dni, zachodzi w

temperaturze powyżej 40 stopni w zamkniętych
komorach, przy ujemnym bilansie energetycznym

Fermentacja metanowa

Typy fermentacji metanowej

W wyniku procesu fermentacji metanowej powstają
biogaz i inne produkty fermentacji

.

Biogaz otrzymywany jest z odpadów organicznych, takich
jak:

ścieki,
stałe odpady komunalne,
osady ściekowe.

W zależności od warunków prowadzenia fermentacji oraz
od substratów z jednego grama substancji organicznych
można uzyskać do 500 ml biogazu

.

Głównymi składnikami biogazu są:

metan

(40–80%),

dwutlenek węgla

(20–55%),

siarkowodór

(0,1–5,5%) oraz

wodór, tlenek węgla, azot i tlen

w ilościach śladowych.

Fermentacja metanowa

Oprócz biogazu po fermentacji pozostaje również
przefermentowany osad. Jest on nieczynny
biologicznie, zawiera 30–40% związków humusowych.
Jest on zwykle niebezpieczny pod względem sanitarno-
epidemiologicznym. Po przeprowadzeniu wapnowania
może być stosowany jako nawóz.

Fermentacja metanowa

Fermentacja metanowa

w pryzmach

Proces fermentacji metanowej jest
wykorzystywany w procesie unieszkodliwiania
odpadów na składowiskach w tzw. pryzmach
energetycznych.
Odzysk biogazu z pryzm energetycznych może
być prowadzony na składowiskach odpadów
poprzez wydzielenie kwater, gdzie w sposób
kontrolowany odpady układa się z odpowiednią
instalacją nawadniającą i odgazowującą.
Eksploatacja gazu odbywa się po szczelnym
przykryciu pryzm i osiągnięciu po 6 miesiącach
stabilnej fazy fermentacji.

W celu uzyskania optymalnego rozkładu w pryzmie

energetycznej w warunkach beztlenowych konieczne jest

spełnienie następujących warunków:

►

odpowiednie rozdrobnienie materiału,

►

stosunek dostępnego węgla do azotu na poziomie 60:1 do

40:1,

►

poziom wilgotności odpadu 60 - 70%,

►

wartość pH około 7.

Odpady po rozdrobnieniu układa się w pryzmę o objętości około

20tys. m3, a następnie szczelnie przykrywa. Kształt pryzmy może być

dowolny, z zapewnieniem jednak możliwości realizacji drenażu

grawitacyjnego odcieków. Objętość pryzmy może wynosić od 3000m3

wzwyż (około 2500 Mg).
Górna granica rozmiarów pryzmy limitowana jest czasem

potrzebnym do osiągnięcia stabilnej fazy fermentacji

metanowej, tj. zwykle około 6 miesięcy. Zaleca się układanie dwóch

pryzm każdego roku.

Fermentacja metanowa

w pryzmach

Schemat pryzmy energetycznej

wg SWECO

Fermentacja metanowa

w pryzmach

Wewnątrz pryzmy znajdują się dwa systemy rur:



do zbierania gazu oraz



do recyrkulacji wód odciekowych.

W pierwszym okresie przemian pryzmę podgrzewa się
gazem, uzyskanym z pryzm starszych, do temperatury
55°C celem przyspieszenia procesów z udziałem
organizmów termofilnych.
Ważnym źródłem surowego materiału do beztlenowego
procesu jest osad z oczyszczalni ścieków.
Surowy osad posiada wartość energetyczną 3500 kWh
energii gazowej w jednej tonie substancji suchej.

Wody odciekowe z pryzm, łącznie z wodami

opadowymi, drenowane są grawitacyjnie do

studzienki zbiorczej, skąd pompowane są przez

system kompresora i system grzewczy kotła

gazowego, a następnie ponownie

przepompowywane przez dysze wstrzykujące do

masy odpadowej. Zapewnia to optymalne warunki

temperaturowo-wilgotnościowe do przebiegu

procesów fermentacyjnych, a zarazem eliminuje

problem unieszkodliwiania odcieków.
Cykl eksploatacji pryzmy energetycznej wynosi 5 lat.
Wartość energii wyrażonej produkcją biogazu w

warunkach fermentacji w pryzmach energetycznych

wynosi około 800 kWh/tonę odpadów.

Fermentacja metanowa

w pryzmach

Po zakończeniu eksploatacji pryzmy (po 5 latach)
pryzmę odsłania się.
Przefermentowaną masę rozsortowuje się na
sitach, oddziela metale i balast mineralny.
Masa przefermentowana wykorzystywana jest jako
nawóz.

Fermentacja metanowa

w pryzmach

Celowa produkcja biogazu następuje w komorach
fermentacyjnych biogazowni. Najczęściej fermentacja
zachodzi w nich w temperaturze 30-40 stopni
(fermentacja mezofilna)
Biogaz powstaje również w sposób naturalny np. na
torfowiskach (głównie z celulozy), nazywamy go wtedy
gazem błotnym lub gazem gnilnym.
Czasami biogaz określa się jako agrogaz, zwłaszcza
jeżeli uzyskujemy go z gnojowicy lub obornika.
Z 1m3 gnojowicy można uzyskać w przybliżeniu 20m3
biogazu, natomiast z 1m3 obornika nawet 30m3.
Pozostałość po fermentacji stanowi cenny nawóz.

ŹRÓDŁA BIOGAZU

Biogazownia

- instalacja służąca do celowej

produkcji

biogazu z:

biomasy roślinnej,
odchodów zwierzęcych,
organicznych odpadów (np. z przemysłu

spożywczego),

odpadów poubojowych,
biologicznego osadu ze ścieków.

Typowa instalacja składa się zazwyczaj:

układu podawania biomasy,
komory fermentacyjnej,
zbiornika magazynowego dla przefermentowanego

substratu,

zbiornika biogazu,
agregatu kogeneracyjnego.

Wytwarzanie biogazu- biogazownia

Produkcja biogazu w
Europie
W różnych krajach
dominują inne
technologie:

Biogaz rolniczy:
Niemcy, Austria,
Dania
Biogaz
wysypiskowy: UK,
Włochy, Hiszpania
Polska: biogaz z
oczyszczalni ścieków

Biogaz rolniczy w Polsce
w 2010r

7 istniejących
biogazowni rolniczych
300 projektów
przygotowywanych
30 zaawansowanych
projektów

Biogaz rolniczy w Polsce
w 2010r

Gaz wysypiskowy



W Polsce istnieje ok. 800 ewidencjonowanych

wysypisk odpadów komunalnych



Odpady pochodzenia organicznego, zawierające

celulozę, białko, węglowodany i skrobię, składowane w

postaci hałd, sprasowanych pod własnym ciężarem

lub przy pomocy kompaktorów, znajdują się w

warunkach beztlenowych, które sprzyjają fermentacji

mezofilnej.



Powstały gaz wysypiskowy jest źródłem

charakterystycznego i nieprzyjemnego zapachu, który

utrzymuje się dłużej niż niekontrolowana

fermentacja wysypisk, trwająca 15–25 lat.

Kompaktory

Kompaktory

Gaz wysypiskowy

Gęstość gazu wysypiskowego jest ok. 1,04 razy

większa niż powietrza, co powoduje, że gromadzi się on

przy powierzchni ziemi i jej zagłębieniach.
Nie jest on toksyczny, można się nim jednak udusić,

gdyż zawiera zbyt małą ilość tlenu.
Większe zagrożenie stanowi łatwopalność tego

gazu. Przy stężeniu metanu, będącego głównym

składnikiem, w granicach 5–15% powstaje, w połączeniu

z powietrzem, mieszanina wybuchowa.
Pożar na wysypisku, podobnie jak na torfowisku, jest

trudny do opanowania i może trwać miesiącami,

emitując w tym czasie do atmosfery znaczne ilości CO,

CO2, dioksan, furanów i sadzy.

Gaz wysypiskowy

Emisja metanu z wysypisk śmieci wywołuje
27-krotnie większy efekt cieplarniany niż CO2,
a roczna wartość energii traconej z gazem
wysypiskowym jest równoważna 4,39 x10

8

m3 gazu

ziemnego.
Gaz wysypiskowy różni się od innych biogazów
zawartością znacznej liczby śladowych substancji
organicznych, których do tej pory wykryto około 300.
Oprócz metanu i dwutlenku węgla w gazie
wysypiskowym może też występować w niewielkich
ilościach azot, wodór, tlen, siarkowodór, tlenek
węgla i amoniak.

Gaz wysypiskowy



Z 1 tony odpadów komunalnych powstaje w ciągu

ok. 20 lat przeciętnie 230 m3 gazu wysypiskowego.



Potencjał energetyczny wysypisk śmieci, w zakresie

możliwości wykorzystania biogazu, wynosi w Polsce

ok. 595 mln m3/rocznie przy ok. 13 mln ton

zgromadzonych odpadów.



Dla lepszego zobrazowania potencjału

energetycznego: z odpadów komunalnych

zgromadzonych w ciągu roku z 1-milionowego miasta

powstaje taka ilość gazu, z której w okresie 12

miesięcy można uzyskać 24000 MW mocy cieplnej.

Schemat pozyskiwania biogazu na
wysypisku śmieci

Gaz wysypiskowy

Odgazowanie składowiska odpadów może odbywać się

w sposób pasywny lub aktywny.
Odgazowanie pasywne polega na wykonaniu

odwiertów (tzw. studni) w składowisku, przez całą jego

głębokość i zainstalowaniu pochodni spalających gaz

wydobywający się pod własnym ciśnieniem, lub tylko

kominów wentylacyjnych.
W odgazowaniu aktywnym studnie poboru gazu

połączone są ze sobą kolektorami poziomymi, a całość

podłączona jest do odpowiednich urządzeń

wytwarzających w układzie podciśnienie o stałej

wartości.

Gaz wysypiskowy



W Polsce znacząca większość (81%) z 340

kontrolowanych składowisk z instalacją służącą do

odgazowywania to takie, w których ujmowany gaz

składowiskowy uchodzi

do atmosfery

.



Kolejne 16% to składowiska, gdzie ujmowany gaz jest

używany do

produkcji energii odnawialnej

(cieplnej

lub elektrycznej)



a pozostałe 3% to takie, gdzie

gaz jest spalany w

pochodni bez odzysku energii

(następuje

przekształcanie metanu w dwutlenek węgla)

Produkcja biogazu

w oczyszczalni ścieków



W Polsce funkcjonuje ponad 4 tysiące

oczyszczalni ścieków komunalnych i

przemysłowych.



W wielu takich instalacjach powstają znaczne

ilości osadów, które mogą stanowić doskonały

surowiec do produkcji biogazu, gdyż nie

zawierają toksycznych substancji, natomiast

zawartość suchej masy na poziomie 4-5%, w tym

ponad 90% masy organicznej, pozwala na ich

beztlenową fermentację.



Tymczasem najczęściej są one deponowane na

składowiskach odpadów, co staje się coraz

większym problemem, szczególnie w świetle

przepisów prawa UE.

Surowiec z oczyszczalni

ścieków do produkcji Biogazu



Osady ściekowe stanowią uboczny produkt
oczyszczania ścieków. W ich skład wchodzą cząstki
stałe mineralne i organiczne, ciecz osadowa z
rozpuszczonymi w niej substancjami oraz pęcherzyki
gazów.



Wyróżniamy następujące rodzaje osadów ściekowych:



osady wstępne – wydzielane są w osadnikach
wstępnych, w procesie mechanicznego
oczyszczania ścieków



osady wtórne (nadmierne) – powstają w
osadnikach wtórnych, w wyniku oddzielania ze
ścieków osadu czynnego.

Wymienione osady noszą nazwę Osadów Surowych



Osady Surowe

, charakteryzują się:



dużą zagniwalnością,



nieprzyjemnym zapachem oraz ze
względu na zawartość mikroorganizmów
chorobotwórczych,



znacznym zagrożeniem sanitarnym.



Stanowią 1-2% ogólnej objętości
dopływających ścieków. Zawierają wodę na
poziomie 99% i materię organiczną na
poziomie 81,5%.

Surowiec z oczyszczalni

ścieków do produkcji Biogazu



Aby osady surowe mogły być wykorzystane muszą ulec
przetworzeniu na ciągu osadowym.



Procesy przetwarzania polegają na zmniejszeniu:



ich objętości – przez ich zagęszczanie i odwadnianie



ich uciążliwości zapachowej,



Ich zdolności do zagniwania



zagrożeń sanitarnych – na drodze fermentacji i
higienizacji.



Na kolejnych etapach przeróbki powstają:



osady zagęszczone



osady przefermentowane



osady odwirowane



osady higienizowane.

Surowiec z oczyszczalni

ścieków do produkcji Biogazu



Do bezpośredniej produkcji biogazu najlepiej

dostosowane są oczyszczalnie biologiczne, które

mają zastosowanie we wszystkich oczyszczalniach

ścieków komunalnych oraz w części oczyszczalni

przemysłowych.



Ponieważ oczyszczalnie ścieków mają stosunkowo

wysokie zapotrzebowanie własne zarówno na

energię cieplną i elektryczną, energetyczne

wykorzystanie biogazu z fermentacji osadów

ściekowych może w istotny sposób poprawić

rentowność usług komunalnych.



Ze względów ekonomicznych pozyskanie biogazu do

celów energetycznych jest uzasadnione na tylko

większych oczyszczalniach ścieków przyjmujących

średnio 8 000 m3/dobę.

Surowiec z oczyszczalni

ścieków do produkcji Biogazu



Fermentacja metanowa jest jedną z najstarszych

metod stabilizacji osadów ściekowych.



Zachodzi ona zarówno w zbiornikach otwartych,

w warunkach panujących w danym czasie w

środowisku, jak również w wydzielonych

komorach fermentacji (WKF), w beztlenowych,

kontrolowanych warunkach.



Fermentacja w WKF-ach wymaga ogrzewania,

aby zachować stałą temperaturę procesu, oraz

mieszania zawartości komory, które zapobiega

rozwarstwieniu i tworzeniu miejsc przeciążonych

substancją organiczną.

Technologia fermentacji

osadów ściekowych

Na cząstkach właściwie
mieszanej zawiesiny o
postaci kłaczków lub
granul, tworzy się
specyficzny zespół
drobnoustrojów,
biorących udział w
poszczególnych
etapach procesu
fermentacji.

Produkcja biogazu

w oczyszczalni ścieków

Struktura granuli beztlenowego osadu

1

bakterie kwasogenne, redukcyjne bakterie siarkowe, bakterie homooctanowe

,

2

bakterie homooctanowe, bakterie metanowe

,

3

bakterie metanowe

Biogaz powstający podczas procesu

Fermentacji metanowej zawiera:



50-75% biometanu,



25-45% dwutlenku węgla,



0,2-1,0% wodoru,



0,2-3,0% siarkowodoru.

Często w oczyszczalniach ścieków biogaz

spalany jest w pochodni, jednak bardziej

racjonalne jest jego spalanie w kotłach

gazowych lub silnikach przystosowanych

do spalania gazu połączonych z prądnicą,

produkujących ciepło i energię

elektryczną.

Pochodnie powinny służyć tylko do

spalania nadmiaru gazu, w przypadku

jego nadprodukcji.

Produkcja biogazu

w oczyszczalni ścieków



Przyjmuje się, że z 1 m3 osadu o zawartości 5% suchej

masy, uzyskuje się 10-20 m3 biogazu o wartości

opałowej wahającej się w granicach

16,7-23 MJ/m3 (w zależności od zawartości metanu).



Najlepsze efekty produkcji biogazu otrzymuje się

w oczyszczalniach biologicznych, które mają wysokie

zapotrzebowanie własne na energię cieplną oraz

elektryczną, dlatego odzysk części energii z biogazu

ma istotny wpływ również na rentowność tych

zakładów.



W przypadku miejskich oczyszczalni ścieków produkcja

taka staje się opłacalna przy przepustowości około

8-10 tys. m3 ścieków na dobę.

Produkcja biogazu

w oczyszczalni ścieków



Fermentację metanową można stosować nie

tylko przy utylizacji osadów ściekowych, ale

również procesowi temu można poddawać

ścieki bogate w substancje organiczne,

szczególnie gdy w procesach technologicznych

powstają ścieki podgrzane lub istnieje

odpadowe źródło ciepła technologicznego.



Procesowi temu poddawane są ścieki

przemysłowe, szczególnie z:



cukrowni,



drożdżowni,



zakładów produkujących mączkę
ziemniaczaną.

Produkcja biogazu

w oczyszczalni ścieków

Przefermentowane osady, które nie zawierają związków
toksycznych, są po zagęszczeniu i odwodnieniu
wykorzystane przyrodniczo, najczęściej do:



nawożenia



użyźniania gleby,



zakładania trawników,



zagospodarowania nieużytków,



rekultywacji itp.

Produkcja biogazu

w oczyszczalni ścieków - zagospodarowanie

pozostałości po procesie fermentacji

Oczyszczalnie często oferują rolnikom taki organiczny nawóz
bez jakiejkolwiek odpłatności, a skład i jakość tego osadu
badany jest regularnie (zgodnie z obowiązującymi przepisami),
nie ma więc ryzyka zanieczyszczenia gruntu metalami ciężkimi
czy biogenami.



Takie wykorzystanie osadów uzależnione jest od

spełnienia wszystkich wymogów higieniczno-

sanitarnych, a przeznaczenie ich do rolniczego

wykorzystania poprzedzane jest oceną

przydatności i oddziaływania na środowisko,

ponieważ mogą one zawierać substancje

szkodliwe (metale ciężkie) i toksyczne.



Gdy stężenie substancji niekorzystnych w

przefermentowanym substracie jest wysokie,

osady poddawane są procesom termicznym, z

możliwością odzysku energii z ich spalania.

Uzyskane popioły, których ilość jest zdecydowanie

mniejsza w porównaniu do wyjściowej ilości

osadów, są ostatecznie deponowane na

składowiskach odpadów.

Oczyszczanie i odsiarczanie

biogazu



W celu podwyższenia parametrów energetycznych
biogazu i podwyższenia jego jakości poddaje się go
oczyszczaniu. Procesami, które również wpływają na
wzbogacenie biogazu jest usunięcie z niego
czynników szkodliwych dla instalacji i środowiska.



Do oczyszczenia biogazu wykorzystuje się trzy
procesy chemiczne:



Pierwszym z nich jest usunięcie CO2 poprzez
wypłukiwanie wodą, m.in. w płuczkach.



Następnie dokonuje się osuszania poprzez
usunięcie wody przy użyciu filtrów, cyklonów i
separatorów.



Następnie z biogazu należy usunąć wszelkie
związki siarki.

Oczyszczanie i odsiarczanie

biogazu



Do odsiarczenia biogazu można wykorzystać

metodę:



ze złożem stałym, np. ziemię darniową;



z roztworem alkalicznym,



z bakteriami



z roztworami chemicznymi.



Odsiarczanie biogazu jest niezwykle istotne,
gdyż biogaz zawierający siarkę powoduje
korozję armatury, rur i elementów kotła, co
może być przyczyną częstych awarii instalacji

.

Oczyszczanie i odsiarczanie

biogazu



Siarkowodór jest toksyczny także dla
ludzi, nawet w bardzo małych ilościach.



Proces odsiarczania polega na konwersji
siarkowodoru do siarki elementarnej.



Produktem ubocznym tego procesu jest
pulpa siarkowa – substancja niereaktywna
i nietoksyczna. W związku z tym instalacja
nie wytwarza ścieków, trujących oparów
lub wyziewów.