1

Podstawowe zasady

fermentacji metanowej z

wykorzystaniem substratów

rolniczych

Prof. dr hab. inż. Wacław Romaniuk

2

Wprowadzenie

Jednym z najbardziej uciążliwych dla środowiska

sektorów produkcji rolnej jest intensywny chów

zwierząt, będący odpowiedzią na wzrastającą

konsumpcję mięsa we współczesnych społeczeństwach

oraz efektem specjalizacji w rolnictwie. Wiąże się to z

koniecznością przeznaczania coraz większych obszarów

rolnych na paszę dla zwierząt oraz produkcją

ogromnych ilości gnojowicy, stanowiącej znaczne

obciążenie dla środowiska.
Produkcja i wykorzystanie energii pochodzenia

rolniczego to szansa na dywersyfikację i wzrost

przychodów rolniczych oraz bezpieczeństwa

energetycznego wsi a także poprawa ochrony

środowiska na terenach rolniczych.

3

Wprowadzenie

Według danych Ministerstwa Rolnictwa rozważając

możliwość wykorzystania na cele energetyczne

biomasy pochodzenia rolniczego należy mieć na

uwadze długoterminowe perspektywy i zadania

stawiane przed rolnictwem. Zakłada się, że do 2050 r.

w skali świata produkcja żywności powinna zostać

dwukrotnie zwiększona. Cel ten wymaga nie tylko

wzrostu produkcji jednostkowej, ale również

utrzymywania dostępnego rolniczego potencjału

produkcyjnego we właściwej kulturze do czasu, kiedy

zostanie on w całości przeznaczony do produkcji

żywności. Sprzyja temu obecne przeznaczenie

nadwyżek produkcji na cele energetyczne do

momentu, kiedy rozwój technologii umożliwi

wykorzystanie innych odnawialnych nośników energii.

4

Wprowadzenie

Rolnik w wielu przypadkach może i powinien

być nie tylko dostawcą surowca, ale również

producentem energii elektrycznej i cieplnej czy

też dostawcą do gazowych sieci

dystrybucyjnych biogazu oczyszczonego do

jakości gazu ziemnego.
W Polsce jest miejsce zarówno dla

mikrobiogazowni rolniczych poniżej 100 kW

zainstalowanej mocy jak też dla obiektów

wielokrotnie większych. Ostateczna decyzja

inwestycyjna winna wynikać z

wszechstronnego rachunku możliwości i

potrzeb.

5

Zasada przetwarzania materii

organicznej

6

Definicja biogazowni i biogazu

Biogazownia rolnicza to zespół urządzeń, służących do

prowadzenia fermentacji metanowej substratów

organicznych, wytworzonych w gospodarstwie rolnym,

jak również umożliwiających ich wykorzystanie po

zakończonym procesie fermentacji. Zgodnie z

regulacją prawną biogaz rolniczy to paliwo gazowe,

otrzymywane w procesie fermentacji metanowej

surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa,

płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych,

produktów ubocznych lub pozostałości z przetwórstwa

rolniczego lub biomasy leśnej, z wyłączeniem gazu

pozyskanego z surowców pochodzących z

oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów.

7

Fermentacja metanowa

Fermentacja metanowa jest złożonym procesem

biochemicznym zachodzącym w warunkach beztlenowych.

Wielocząsteczkowe substancje organiczne rozkładane są

przez bakterie na związki proste, chemicznie

ustabilizowane – głównie metan ( CH

4

) i dwutlenek węgla

(CO

2

)

Fermentacja ma na celu przetworzenie osadu ściekowego

lub gnojowicy w nie zagniwającą, łatwo odwadniającą się i

bez drażniącego zapachu, masę. Organiczną masę

gnojowicy tworzą głównie tłuszcze, białka i węglowodany.

W procesach beztlenowego rozkładu, część z nich w

wyniku przemian biochemicznych mineralizuje się do

prostych związków. Pozostałe części, np. trudno

rozkładalna celuloza i ligniny, nie zamieniają się i w swej

pierwotnej postaci usuwane są do komory fermentacyjnej.

8

Ogólny przebieg procesu

technologicznego w uzyskiwaniu

biogazu

9

Schemat biogazowni rolniczej

stosującej kosubstraty

10

Surowce do fermentacji

Surowcem do fermentacji metanowej mogą być

prawie wszystkie organiczne odpady produkcji rolnej.

Poszczególne materiały różnią się jednak znacznie,

jeżeli chodzi o szybkość ich rozkładu oraz wydajność

produkcji metanu.

Szczególnie odpowiedni skład mają odpady

pochodzące z produkcji zwierzęcej, takie jak:

gnojowica, obornik, czy pomiot z hodowli drobiu.

Mniej przydatne są odpady o dużej zawartości ligniny.

Aktualnie:

Działania intensyfikacji produkcji energii poprzez

stosowanie komponentów roślin energetycznych –

kiszonka, gliceryna itp. np. buraki cukrowe

11

Rodzaje nawozów

naturalnych

Jaka część nawozów zwierzęcych jest zbierana w różnej postaci
(szacunkowo)?
Podstawa obliczeń: świeża masa jednostki:
mln ton

Tylko

ciekły

nawóz

(gnojowica

)

Nawóz płynny

(gnojówka) w

systemie

ściółkowym

Tylko

nawóz

stały

(obornik)

Pastwisk

a

Bydło

mleczne

17,9

16,2

32,0

3,6

Bydło mięsne

4,0

4,0

8,2

-

Owce/kozy

-

0,5

1,0

-

Konie

-

3,6

1,3

-

Świnie

12,1

7,7

18,9

-

Kury nioski

0,2

-

1,1

-

Pozostały

drób

0,3

-

0,9

-

Razem

34,5

32,0

69,4

3,6

12

Województwo

Obornik [tys. t]

Gnojowica [tys.

m

3

]

Dolnośląskie

2 070

173

Kujawsko-

pomorskie

6 625

602

Lubelskie

6 267

591

Lubuskie

1 152

89

Łódzkie

6 440

618

Małopolskie

3 966

364

Mazowieckie

12 565

1 217

Opolskie

2 203

195

Podkarpackie

2 839

260

Podlaskie

8 299

834

Pomorskie

3 231

283

Śląskie

2 161

184

Świętokrzyskie

2 640

241

Warmińsko-

mazurskie

5 171

479

Wielkopolskie

13 249

1 161

Zachodniopomorski

e

1 916

165

Polska

80 757

7 459

13

Potencjał teoretyczny produkcji

biogazu rolniczego na bazie nawozów

naturalnych

14

Nawozy naturalne a biogaz

15

Charakterystyka gnojowicy przed i

po fermentacji metanowej

Oznaczenie

Jednostk

a

Przed

fermentacją

Po

fermentacji

ChZT (K

2

Cr

2

O

7

)

mg/dm

3

810,0

600,0

BZT

5

mg/dm

3

476,0

290,0

Zawiesina ogólna

g/dm

3

55,5

44,0

Zawiesina mineralna

g/dm

3

4,4

3,6

Sucha pozostałość

g/dm

3

74,0

59,0

Pozostałość po
prażeniu

g/dm

3

15,4

15,0

Fosforany

g/dm

3

0,032

0,022

Fosfor ogólny

g/dm

3

0,011

0,007

Azot amonowy

g/dm

3

0,208

0,126

Azot azotanowy

g/dm

3

0,078

0,050

16

• Maksymalna dawka nawozów

naturalnych ustalana jest według
ilości wprowadzanego do gleby N
(170kgN

.

ha

-1

)

• Roczna dawka gnojowicy nie powinna

przekraczać 45 m

3.

ha

-1

(170 kg N)

• Roczna dawka obornika nie powinna

przekraczać 40 ton

.

ha

-1

(170 kg N)

17

Charakterystyczne stopnie produktywności

gazu dla reaktorów beztlenowej fermentacji

ścieków (odpadów)

Materiał obrabiany

Produktywność gazu, w

odniesieniu do pojemności

reaktora w m

3

STP/(m

3.

d)

Osad ściekowy

-osad podstawowy

-osad pozostały

1,4-2,0

1,2-1,4

Organiczne odpady miejskie

2,4-2,6

Pozostałe odpady (wstępnie

przetworzone)

0,4-0,6

Gnojowica

-bydlęca

-świńska

-mieszana (bydlęca + świńska)

0,9-1,3

0,8-1,3

1,1-1,6

Połączona fermentacja

(kofermentacja)

-gnojowica, substraty tłuszczowe

-rolnicze i przemysłowe pozostałości

odpadowe (obrzynki buraków,

wysłodki, odpady przemysłu

kosmetycznego i farmaceutycznego)

5,5-6,0

4,0-5,0

STP – warunki normalne ciśnienia i temperatury
Źródło: Langhans 1997

18

Zależność ilości wytworzonego biogazu

od rodzaju zwierząt inwentarskich

Rodzaj

zwierząt

1

DJP/zwierzę

Specyfikacja

wytwarzania

ilości gazu m

3

/

(DJP

.

d)

Wartość

kaloryczna

netto

kWh/m

3

Cielęta

0,70

1,2

6,5

Trzoda

chlewna

0,09

1,5

6,5

Kury nioski

0,01

1,8

5,7

Źródło: Regional supplay concept Northern Upper
Palatinate 1987

19

Procentowa zawartość składników

biogazu

Składnik

Zawartość

zakres %

średnio %

Metan CH

4

Dwutlenek węgla
CO

2

Siarkowodór H

2

S

Wodór

Tlenek węgla
Azot

Tlen

52-85

14-48

0,08-5,5

0-5

0-2,1

0,6-7,5

0-1

65

34,8

0,2

ślady
ślady

ślady
ślady

20

Własności biogazu (65% CH

4

)i jego

składników

Własność

Jednostka

Wartość

Wartość opałowa
Temperatura
zapłonu

Prędkość płomienia
Granica
wybuchowości

Gęstość
Ciśnienie krytyczne
CH

4

CO

2

H

2

S

Temperatura
krytyczna:

CH

4

CO

2

H

2

S

MJ/m

3

o

C

cm/s

%CH4 w

powietrzu

kg/m

3

MPa
MPa
MPa

o

C

o

C

o

C

23

650-750

43

5,4-13,9

1,2

4,6
7,5
8,9

-82,5

31

100

21

Wartości opałowe innych

paliw

energia elektryczna
olej napędowy

1kW
1kg

=
=

864 kcal
10000

kcal

=
=

3,6 MJ
41,9 MJ

= 11,6 kWh

etylina i olej
opałowy

liczyć jak olej napędowy

węgiel kamienny
drewno opałowe
gaz ziemny

propan+butan

1 kg
1 kg
1m

3

1kg

=
=
=

=

5600
kcal
3200

kcal
8000
kcal

10800
kcal

=
=
=

=

23,4 MJ
13,4 MJ
33,4 MJ

45,2 MJ

=
=
=

=

6,5 kWh
3,7 kWh
9,2 kWh

12,5 kWh

22

Zużycie biogazu i minimalne średnice

podłączeń różnych odbiorników

Rodzaj odbiornika lub zużycie

biogazu do określonego celu

Zużycie gazu o

wartości opałowej

21,5 MJ/m

3

Minimalne

średnica

podłączenia

(mm)

Palnik normalny kuchenny

(m

3

/h)

0,2-0,45

15

Kuchnia z 3 lub 4 palnikami i z

piekarnikiem (m

3

/h)

2,0-2,5

20

Grzejnik wody, bojler do 80l

(m

3

/h)

1,2

15-20

Grzejnik wody przepływowej

(m

3

/h)

2,0-6,0

25

Zużycie do napędu silnika

spalinowego (m

3

/kMh)

0,5

-

Zużycie do napędu agregatu

prądotwórczego o mocy 16-20

kW (m

3

/h)

9-12

-

23

Rodzaje biogazowni

Wyróżnić można dwa typy biogazowni do celów

rolniczych:
Biogazownie indywidualne działają w poszczególnych

gospodarstwach i przetwarzają gnojowicę tylko z

danego gospodarstwa (oraz ewentualnie pochodzącą

z kilku gospodarstw sąsiednich).
Biogazownie zbiorcze są na ogół znacznie większe;

położone w okolicy charakteryzującej się intensywną

produkcją świń i / lub bydła, przetwarzają gnojowicę z

większości gospodarstw na tym obszarze.

Biogazownie zbiorowe (centralne) są często

stosowane np. w Danii.

24

Rodzaj fermentacji

Do najtrudniejszych zagadnień w fermentacji metanowej

należy znalezienie najkrótszego czasu tego procesu i

optymalnej temperatury, przy równoczesnej

maksymalnej produkcji biogazu i rozkładu substancji

organicznej. Fermentacja metanowa może przebiegać w

przedziale temperatur od + 4 do + 70, wraz ze

wzrostem temperatury wzrasta efektywność

mikroorganizmów. Przyjęto określać:

Fermentację psychrofilową w przedziale temp. + 4 do +

27 °C,
Fermentację mezofilową w temp. + 27 do + 42 °C,
Fermentację termofilową w temp. + 50 do + 70 °C.

25

Czynniki wpływające na przebieg

fermentacji

We wszystkich procesach biologicznych, a
więc i w przypadku fermentacji metanowej
warunki środowiskowe w znacznym stopniu
wpływają na wydajność i produktywność
procesu. Należy rozpatrzyć dwie grupy
czynników: fizyczne, takie jak temperatura i
mieszanie oraz chemiczne, takie jak pH,
potencjał redox, stosunek węgla do azotu
C/N.

26

Temperatura

Fermentacja metanowa może przebiegać w temperaturze

od 4 do 70 °C; wraz ze wzrostem temperatury wzrasta

efektywność mikroorganizmów. W związku z tym nie opłaci

się na ogół prowadzić fermentacji w warunkach

psychrofilnych, tzn. w temperaturze otoczenia. W klimacie

europejskim komory fermentacyjne pracują zwykle w

mezofilnym zakresie temperatur od 30 do 42 °C.
Mała liczba instalacji pracuje w warunkach powyżej 50 °C.

Trudno jest ustalić przyczynę, ale nie spotyka się komór

fermentacyjnych pracujących w zakresie od 40 do 50 °C.

Fermentacja termofilna jest rzadko stosowana ze względu

na konieczność zabezpieczenia dużych ilości energii na

ogrzanie surowca oraz uzupełnienie strat przez ścianki

zbiornika.

27

Temperatura c.d.

Optymalna temperatura w przypadku bakterii psychrofilowych
wynosi około 25°C. Skuteczność rozkładu i produkcja gazu jest
wyraźnie ograniczona.

Większość znanych bakterii metanowych posiada optymalną
temperaturę wzrostu w mezofilnym zakresie temperatur między 32
a 42°C. Instalacje pracujące w zakresie mezofilowym są w
praktyce najszerzej rozpowszechnione, ponieważ w tym zakresie
temperatur osiąga się relatywnie wysoki uzysk gazu przy
zachowaniu dobrej stabilności procesu.

Jeśli zachodzi konieczność zastosowania środków higienicznych
prowadzących do zabicia bakterii chorobotwórczych lub w
przypadku stosowania podłoży o wysokiej temperaturze własnej
(np. woda procesowa), zaleca się użycie do fermentacji
termofilnych kultur bakterii. Ich optymalna temperatura działania
wynosi od 50 do 57°C. Dzięki wysokiej temperaturze procesu
uzyskujemy wysoki uzysk gazu.

28

Wykres zależności jednostkowej produkcji

gazu od temperatury fermentacji w funkcji

czasu

Δ Etap 1, Obciążenie komory fermentacyjnej = 8,2 g SPO/kg/d
SPO – sucha pozostałość ogólna (wg PN-78/C-04554/1)

Źródło: Steppa 1985

29

Mieszanie

Wpływ mieszania na przebieg fermentacji
nie jest jeszcze dobrze rozpoznany. Zabieg
ten nie jest w zasadzie potrzebny dla
biologii procesu i nie zmienia on produkcji,
wydajności czy składu biogazu. W
przypadku fermentacji odpadów płynnych
zapobiega tworzeniu się osadu i kożucha,
jak również utrzymaniu jednakowej
temperatury zawartości zbiornika.

30

Odczyn pH

Bakterie wywołujące fermentację metanową

wymagają odczynu obojętnego, tj. pH ok. 7,0. Poniżej

pH 6 i powyżej pH 8 fermentacja szybko zanika. pH

zawartości komory fermentacyjnej jest funkcją

„zasadowości”, złożonego parametru wyznaczanego,

poza innymi czynnikami, koncentracją lotnych

kwasów tłuszczowych i obecnością wodorowęglanu

HCO

3-

. Jeśli koncentracja lotnych kwasów

tłuszczowych wzrośnie zbyt wysoko, potencjał

buforujący anionów wodorowęglanowych staje się

niewystarczający, aby utrzymać poziom pH około 7.

Koncentracja wodorowęglanu pomiędzy 2,5 i 6,0 g/l

zabezpiecza zwykle dostateczny potencjał buforujący.

31

Potencjał redox

Potencjał redox jest złożoną funkcją rozpuszczonych

składników obecnych w komorze fermentacyjnej,

takich jak: substraty, metabolity i produkty. Bakterie

uczestniczące w fermentacji metanowej wymagają

bardzo niskiego potencjału redox, rzędu 250 mV lub

niższego, aby żyć i produkować metan. Potencjał

redox jest tworzony przez pary: metan CH

4

i

dwutlenek węgla CO

2

oraz proton H

+

i wodór H

2

. Jeśli

w fermentującym substracie znajdują się inne pary

buforowe, co prowadzi do podwyższenia potencjału

redox, to aktywność bakterii metanowych spada.

Dzieje się tak np., gdy do komory fermentacyjnej

przypadkowo dostanie się powietrze.

32

Stosunek węgla do azotu C/N

Populacja bakterii uczestniczących w fermentacji
metanowej wymaga dostatecznej ilości pożywki,
aby rosnąć i rozmnażać się. Z tego względu
stosunek C/N nie powinien przekraczać 100/3.
Wynika to z budowy komórek bakteryjnych oraz
z faktu, że 15% węgla w substracie jest
asymilowane przez bakterie. Jeśli jednak w
surowcu (substracie) poddawanym fermentacji
znajdzie się zbyt dużo azotu, akumuluje się on w
postaci amoniaku aż do stężenia, w którym staje
się toksyczny dla bakterii metanowych.

33

Technologia fermentacji

metanowej

W chwili obecnej znanych jest kilkanaście technologii

fermentacji metanowej. Dwie z nich znalazły jednak

szersze zastosowanie w rolnictwie: fermentacja okresowa i

fermentacja ciągła.

Fermentacja okresowa
W biogazowniach rolniczych dawniej stosowano tylko

fermentację okresową : odpady wprowadzone do

zamkniętej komory fermentacyjnej przetrzymywane są tam

przez dłuższy czas (od 8 tygodni do kilku miesięcy). Wadą

takich komór fermentacyjnych jest bardzo niejednostajna

produkcja biogazu, wysoka na początku, bardzo mała przy

końcu. Ponadto technologia ta wymaga, od czasu do czasu

dłuższego nakładu robocizny. Mimo to okazała się ona, jak

na razie, najbardziej odpowiednia do fermentacji obornika.

34

Technologia fermentacji

metanowej

Fermentacja ciągła
Technologia ta jest od dawna stosowana w

oczyszczalniach ścieków komunalnych i

przemysłowych. Charakteryzuje się ona tym, że

odpady wprowadzane są i wypływają w sposób

ciągły lub regularnie, w krótkich okresach.

Jednostkowa produkcja biogazu utrzymuję się na

mniej lub bardziej stałym poziomie. W ten sposób

z 1 m3 objętości czynnej komory otrzymać można

średnio 1 m3 biogazu dziennie. Większość komór

fermentacyjnych tego typu wyposażona jest w

urządzenia do mieszania ich zawartości.

35

Własności biogazu

Głównymi składnikami biogazu są dwutlenek węgla (CO

2

) i

metan (CH

4

).

Biogaz, jak wszystkie gazy palne, po zmieszaniu z pewną

ilością powietrza tworzy mieszaninę wybuchową. Wybuch

może nastąpić od otwartego ognia, od iskry elektrycznej przy

przekręcaniu kontaktu elektrycznego lub przy zapalaniu latarki

elektrycznej. Mieszanina wybuchowa może powstać zarówno

w pomieszczeniu zamkniętym, jak i w otwartej przestrzeni.

Metan. Metan jest gazem łatwopalnym, nietrującym,

bezwonnym i znacznie lżejszym od powietrza. Spala się z

tlenem według następującego wzoru:

CH

4

+ 2O

2

= 2H

2

O + CO

2

36

Budowa biogazowni

rolniczej

Zasadniczymi częściami biogazowni rolniczej

są:

• Instalacja zasilająca,

• Komora fermentacyjna,

• Instalacja grzewcza,

• Instalacja gazowa wraz ze zbiornikiem

gazu,

• Agregat prądotwórczy z możliwością

odzysku energii cieplnej w postaci ciepłej

wody.

37

Technologia biogazu

Źródło: Archea Me-
Le

38

Biogazownia trzy stopniowa

Źródło: Archea Me-
Le

39

Podsumowanie

Realizacja projektu biogazowni rolniczej i rodzaj zastosowanej

fermentacji powinna uwzględniać:

• dostępność substratów;

• dostępność źródła wody;

• dostępność sieci przesyłowych do odbioru wyprodukowanej energii

elektrycznej i cieplnej;

• korzystny dojazd dla pojazdów dowożących substraty i

odbierających materiał poprocesowy do celów rolniczych;

• dobór modelu biogazowni (wynikający ze składu substratów i

zapotrzebowania własnego na energię do podtrzymania procesu

fermentacyjnego);

• zachowanie odległości w celu uniknięcia uciążliwości zapachowej,

mogącej stanowić dyskomfort dla okolicznych mieszkańców;

• ocenę prawną z uwzględnieniem prawa ochrony środowiska, prawa

energetycznego, warunków przyłączenia do sieci energetycznych i

sprzedaży energii, prawa budowlanego, itp.;

• wielkość produkcji biogazowni wynika z możliwości gospodarstwa;

• możliwość pozyskania substratów od sąsiadów lub lokalnych

producentów rolnych.

40

Dziękuję za uwagę!

adres:
ul. Rakowiecka 32
02-532 Warszawa

e-mail:

[e-mail]