Fermentacja beztlenowa wytwarza biogaz i nawóz dzięki kilku etapom mikrobiologicznego rozkładu materii organicznej. Proces odbywa się w szczelnych zbiornikach bez dostępu tlenu. Różne grupy bakterii i archeonów stopniowo rozkładają złożone związki, takie jak węglowodany, białka i tłuszcze zawarte w odpadach rolniczych. W ten sposób powstaje palna mieszanina metanu i dwutlenku węgla, czyli biogaz. Pozostała, zmineralizowana masa zmienia się w poferment bogaty w azot, fosfor i potas. Może on być bezpiecznie stosowany jako nawóz naturalny.

Dzisiejsze rolnictwo musi łączyć wysoką wydajność z surowymi wymaganiami dotyczącymi ochrony środowiska. Zamiana odpadów hodowlanych i resztek roślinnych w wartościowe surowce stanowi podstawę gospodarki obiegu zamkniętego. W takim modelu nic się nie marnuje. Materiały, które wcześniej oznaczały koszty utylizacji i uciążliwe zapachy, stają się stałym źródłem zielonej energii, ciepła oraz nawozu organicznego poprawiającego stan gleby.

Odpady rolnicze jako źródło energii i nawozu

Czym są odpady rolnicze wykorzystywane w biogazowni?

Odpady rolnicze trafiające do biogazowni to różne rodzaje biomasy organicznej pochodzącej z produkcji zwierzęcej i roślinnej. Należą do nich przede wszystkim produkty uboczne chowu zwierząt gospodarskich, takie jak odchody bydła, trzody chlewnej i drobiu. Uzupełniają je resztki pożniwne, słoma, łęciny, zepsute kiszonki, wytłoki owocowo-warzywne oraz wywary gorzelniane.

Instalacje rolnicze coraz częściej korzystają także z odpadów powstających w przetwórstwie rolno-spożywczym i gastronomii. Wartościowym surowcem o bardzo wysokiej wydajności gazowej są zużyte tłuszcze roślinne. Profesjonalny odbiór olejów z restauracji przez REFOOD umożliwia skierowanie trudnych do zagospodarowania olejów posmażalniczych do produkcji zielonej energii. Dzięki temu biogazownia łączy rolnictwo z gospodarką komunalną i gastronomią.

Dlaczego fermentacja beztlenowa ogranicza problem odpadów?

Niekontrolowane przechowywanie odchodów zwierzęcych w lagunach lub na płytach obornikowych prowadzi do dużej emisji gazów cieplarnianych, głównie metanu i podtlenku azotu. Towarzyszą temu uciążliwe zapachy powodowane przez lotne kwasy tłuszczowe, siarkowodór i amoniak. Fermentacja beztlenowa przenosi rozkład do szczelnych, specjalnie przygotowanych reaktorów. Dzięki temu gazy zostają przechwycone i wykorzystane jako źródło energii.

Proces ten ogranicza także liczbę patogenów chorobotwórczych i nasion chwastów. W zwykłym nawozie naturalnym mogłyby one później trafić z powrotem na pola. Fermentacja stabilizuje materię organiczną, dlatego po jej zakończeniu maleje ryzyko zanieczyszczenia wód gruntowych i spływów powierzchniowych. Jest to jeden z głównych problemów związanych z tradycyjnym przechowywaniem i stosowaniem nawozów.

Biogaz, energia i poferment jako produkty jednego procesu

Fermentacja metanowa jest wyjątkowa, ponieważ w tym samym procesie powstaje energia oraz wartościowy materiał. Z jednej tony wsadu instalacja odzyskuje energię chemiczną w postaci biogazu i składniki mineralne znajdujące się w pofermencie. Surowiec nie jest tu spalany, lecz przetwarzany przez mikroorganizmy. Wsadem mogą być m.in. odpady spożywcze z gastronomii i handlu, które do biogazowni dostarczają firmy takie jak REFOOD.

Biogaz można od razu wykorzystać w agregacie kogeneracyjnym do produkcji prądu i ciepła albo oczyścić do parametrów biometanu. Poferment pozostaje w gospodarstwie jako dobra alternatywa dla energochłonnych nawozów sztucznych. W ten sposób składniki mineralne mogą krążyć w obrębie tego samego gospodarstwa rolnego.

Jakie odpady rolnicze nadają się do produkcji biogazu?

Obornik, gnojowica i pomiot drobiowy

Odchody zwierzęce są podstawowym surowcem w wielu biogazowniach rolniczych. Gnojowica świńska i bydlęca ma umiarkowaną wydajność biogazu z tony świeżej masy, wynoszącą odpowiednio około 25-30 m³ i 40-50 m³. Mimo to pełni ważną funkcję w procesie. Dostarcza wodę potrzebną do fermentacji, wprowadza do zbiornika naturalne kultury bakterii i pomaga utrzymać właściwe pH.

Obornik stały i pomiot drobiowy zawierają znacznie więcej suchej masy organicznej, dlatego mają większy potencjał produkcji gazu. Pomiot ptasi wymaga jednak ostrożnego dozowania. Zbyt duża ilość azotu może spowodować nagromadzenie wolnego amoniaku, który hamuje rozwój mikroorganizmów wytwarzających metan. Z tego powodu skład mieszanki trzeba dokładnie kontrolować.

Resztki pożniwne, kiszonki i odpady roślinne

Biomasa roślinna dostarcza węgla organicznego potrzebnego mikroorganizmom biorącym udział w fermentacji. Tradycyjnie stosowana kiszonka z kukurydzy ma bardzo wysoką wydajność, sięgającą nawet 200-220 m³ biogazu z tony. Coraz częściej wykorzystuje się jednak materiały, które nie konkurują z produkcją żywności. Są to między innymi słoma zbóż, łodygi kukurydzy, liście buraczane i trawy z użytków zielonych.

Problemem przy przetwarzaniu odpadów roślinnych jest lignoceluloza, czyli trudny do rozłożenia materiał budujący ściany komórkowe roślin. Takie odpady trzeba rozdrabniać, poddawać maceracji lub wstępnej obróbce hydrotermalnej. Dzięki temu enzymy bakteryjne mogą łatwiej dotrzeć do cukrów prostych i celulozy.

Odpady z gospodarstw hodowlanych i przemysłu rolno-spożywczego

Przemysł rolno-spożywczy dostarcza odpady zawierające dużo materii organicznej, które dobrze pobudzają produkcję biogazu. Wytłoki owocowe, melasa, serwatka z mleczarni i wywar gorzelniany szybko rozkładają się w reaktorze. W wielu krajach wywar pogorzelniany jest jednym z głównych surowców, ponieważ jest łatwo dostępny i zawiera dużo składników odżywczych.

Dodanie takich produktów do reaktora pomaga zakładowi przetwórczemu zmniejszyć opłaty związane z ochroną środowiska. Biogazownia może natomiast zwiększyć dzienną produkcję biogazu bez powiększania komór fermentacyjnych.

Współfermentacja różnych substratów zwiększa wydajność instalacji

Oparcie procesu na jednym surowcu rzadko daje najlepsze wyniki biologiczne. Współfermentacja, nazywana też kofermentacją, polega na łączeniu co najmniej dwóch rodzajów odpadów. Celem jest uzyskanie właściwych parametrów fizycznych i chemicznych mieszanki. Duże znaczenie ma stosunek węgla do azotu, czyli C:N. Powinien on wynosić od 20:1 do 30:1.

Gnojowica zawiera mało węgla, ale dużo azotu i wody. Połączenie jej ze słomą lub odpadami owocowymi, bogatymi w węgiel, pomaga zapobiegać zakwaszeniu środowiska i zatruciu amoniakiem. Dobrze dobrana mieszanka może dać nawet o kilkadziesiąt procent więcej metanu niż oddzielna fermentacja każdego z tych surowców.

Jak fermentacja beztlenowa wytwarza biogaz?

Przygotowanie i dozowanie substratu do komory fermentacyjnej

Zanim odpady organiczne trafią do szczelnego zbiornika, trzeba je odpowiednio przygotować. Frakcje stałe, takie jak obornik i resztki roślinne, są ważone, rozdrabniane w maceratorach i łączone z frakcjami płynnymi, na przykład gnojowicą lub recyrkulatem pofermentu. Rozbicie włóknistej struktury zwiększa powierzchnię, na której mogą działać enzymy bakteryjne.

Wsad trafia do komory w sposób ciągły lub półciągły. Pompy śrubowe i podajniki ślimakowe podają dokładnie odmierzone porcje. Równomierne zasilanie reaktora chroni mikroorganizmy przed nagłym wzrostem ilości surowca. Taki skok mógłby zakłócić równowagę biologiczną w komorze.

Cztery etapy fermentacji: hydroliza, kwasogeneza, acetogeneza i metanogeneza

Zmiana materii organicznej w palny gaz nie jest wynikiem działania jednego gatunku mikroorganizmów. To seria reakcji prowadzonych przez różne grupy bakterii i archeonów. Proces przebiega w czterech kolejnych etapach:

• Hydroliza: Złożone związki, takie jak białka, tłuszcze i polisacharydy, są rozkładane przez enzymy na prostsze składniki: aminokwasy, kwasy tłuszczowe i cukry proste.
• Kwasogeneza (acidogeneza): Bakterie kwasotwórcze zmieniają te składniki w krótkołańcuchowe lotne kwasy tłuszczowe, między innymi kwas masłowy i propionowy, a także w alkohole, dwutlenek węgla i wodór.
• Acetogeneza: Bakterie octowe przekształcają produkty kwasogenezy w kwas octowy, wodór i CO₂. Są to składniki wykorzystywane później przez archeony metanogenne.
• Metanogeneza: Archeony żyjące bez tlenu wytwarzają metan. Mogą robić to przez rozkład octanu, czyli drogą octanoklastyczną, albo przez połączenie dwutlenku węgla z wodorem, czyli drogą hydrogenotroficzną.

Ostatni etap jest najbardziej wrażliwy na zmiany warunków. Archeony metanogenne rozmnażają się powoli i źle znoszą wahania temperatury, spadki pH oraz obecność substancji toksycznych.

Warunki procesu: temperatura, pH, wilgotność i czas retencji

Stabilna fermentacja beztlenowa wymaga stałej kontroli parametrów fizycznych i chemicznych. Najczęściej stosuje się fermentację mezofilową, która przebiega w temperaturze 37-42°C. Ten wariant jest biologicznie stabilny. Fermentacja termofilowa, prowadzona w temperaturze 50-55°C, jest wybierana rzadziej. Zachodzi szybciej, ale łatwiej w niej o zakłócenia.

Odczyn w reaktorze powinien mieścić się w zakresie pH 7,0-7,8. Wilgotność wsadu zależy od zastosowanej technologii. W większości instalacji mokrych zawartość suchej masy wynosi mniej niż 12-15%. Hydrauliczny czas retencji, czyli średni czas przebywania cząstki w komorze, wynosi zwykle od 30 do 60-80 dni. Długość procesu zależy od tego, jak łatwo dany surowiec ulega rozkładowi.

Ile trwa fermentacja i ile biogazu można uzyskać?

Czas potrzebny do wykorzystania całego potencjału gazotwórczego zależy od budowy chemicznej odpadu. Proste cukry i skrobia rozkładają się w ciągu kilkudziesięciu godzin. Gnojowica bydlęca i resztki zawierające dużo celulozy potrzebują co najmniej 30-45 dni stabilnej pracy reaktora.

Ilość gazu zależy przede wszystkim od rodzaju wsadu. Z jednej tony gnojowicy uzyskuje się średnio 20-35 m³ biogazu. Tona kiszonki kukurydzianej może dać ponad 200 m³. Odpady tłuszczowe i oleje posmażalnicze mogą dostarczyć nawet 600-800 m³ gazu z tony. Planowanie pracy biogazowni polega na umiejętnym łączeniu surowców o różnej wydajności.

Co zawiera biogaz z odpadów rolniczych?

Metan stanowi zwykle około 50-70% biogazu

Metan (CH₄) jest najważniejszym składnikiem biogazu, ponieważ dostarcza energii. W zależności od składu rolniczego wsadu jego udział wynosi zwykle od 50% do prawie 70%. Większa ilość tłuszczów i białek w mieszance może zwiększać stężenie metanu. Przewaga węglowodanów powoduje zwykle większy udział dwutlenku węgla.

To ilość metanu decyduje o wartości opałowej surowego biogazu. Przyjmuje się, że gaz zawierający 60% CH₄ ma wartość opałową około 21-23 MJ/m³, czyli mniej więcej 6 kWh/m³. Pod tym względem przypomina gaz miejski.

Dwutlenek węgla, para wodna i siarkowodór

Drugim głównym składnikiem biogazu jest dwutlenek węgla (CO₂), który zwykle stanowi 30-45% jego objętości. Gaz opuszczający komorę fermentacyjną jest też całkowicie nasycony parą wodną. Jego wilgotność względna wynosi 100%. Przed skierowaniem paliwa do silnika trzeba usunąć wodę przez jej skroplenie.

Biogaz zawiera również niepożądane domieszki. Szczególnym problemem jest siarkowodór (H₂S), który powstaje podczas rozkładu białek zawierających siarkę. Dużo takich białek znajduje się między innymi w gnojowicy i pomiocie. Stężenie siarkowodoru może wynosić od kilkudziesięciu do kilku tysięcy ppm, czyli części na milion. W gazie występują też małe ilości amoniaku, azotu, tlenu i cząstek pyłowych.

Dlaczego biogaz wymaga oczyszczania przed wykorzystaniem?

Podanie surowego biogazu bezpośrednio do komory spalania szybko doprowadziłoby do uszkodzenia urządzeń energetycznych. Wilgoć połączona z siarkowodorem tworzy kwas siarkowy i siarkawy. Związki te powodują szybką korozję układu wydechowego, gniazd zaworowych, tłoków i wymienników ciepła w agregacie kogeneracyjnym.

Oczyszczanie biogazu zaczyna się od jego osuszenia. Gaz jest schładzany, a wilgoć zostaje skroplona. Kolejny etap to odsiarczanie. Siarkowodór można usuwać metodami biologicznymi, na przykład przez podawanie niewielkich, kontrolowanych ilości tlenu do górnej części zbiornika. Stosuje się także metody chemiczne, takie jak dozowanie chlorku żelaza do fermentora, oraz filtry z węglem aktywnym.

Biogaz a biometan: najważniejsze różnice

Biogaz to surowa mieszanina gazów zawierająca umiarkowaną ilość metanu. Najczęściej wykorzystuje się go na miejscu, w którym powstaje, na przykład do zasilania agregatów prądotwórczych. Biometan jest biogazem po dokładnym oczyszczeniu. W czasie tego procesu usuwa się prawie cały dwutlenek węgla, wodę i pozostałe zanieczyszczenia.

Gotowy biometan zawiera ponad 97-98% metanu. Jego właściwości fizyczne i chemiczne są takie same jak gazu ziemnego wysokometanowego z grupy E. Może być wtłaczany do krajowej sieci gazowej, sprężany jako bio-CNG lub skraplany do postaci bio-LNG. Takie paliwo może być wykorzystywane w ciężkim transporcie niskoemisyjnym.

Artykuł sponsorowany