Przygotowanie substratu do biogazowni – dobra praktyka czy konieczność?

Przygotowanie substratu do biogazowni to dobra praktyka czy też konieczność konieczność? Oto, co na ten temat sądzą mgr inż. Mateusz Nowak oraz prof. dr hab. inż. Wojciech Czekała z Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu.

Wprowadzenie

Rozwój technologii biogazowych jest jednym z innowacyjnych podjeść do wytwarzania energii, która może być przyjazna dla klimatu i otaczającego środowiska. Kluczowym elementem procesu fermentacji metanowej jest substrat, czyli materiał organiczny ulegający biodegradacji. Biogaz to produkt, który może zostać wykorzystany m.in. do produkcji energii elektrycznej i ciepła, a także przekształcony do wysokoenergetycznego paliwa gazowego, czyli biometanu.

Jednak, aby uzyskać optymalne wyniki w zakresie wydajności biogazowej, konieczne jest pozyskanie i skrupulatne przygotowanie substratu. W artykule omówiono aspekty dotyczące przygotowania substratu do biogazowni. Podjęto próbę oceny czy przygotowanie substratu do produkcji biogazu stanowi jedynie dobrą praktykę czy też jest koniecznością, mając na uwadze zarówno efektywność procesu, jak i wpływ instalacji na środowisko [1].

Rola substratów i ich właściwe magazynowania

W odniesieniu do konieczności przygotowania substratu do biogazowni, warto zrozumieć kluczową rolę, jaką odgrywa dany materiał w aspekcie technologii procesu wytwarzania biogazu. Substrat, będący głównym źródłem materii organicznej, jest podstawowym surowcem, który ulega procesowi naturalnego rozkładu w reaktorze.

Proces ten prowadzi do wydzielenia się biogazu, bogatego w metan, który można wykorzystać m.in. do produkcji energii cieplnej i elektrycznej lub po oczyszczaniu bezpośrednio jako wysokoenergetyczne biopaliwo gazowe. W związku z tym, jakość i właściwości substratu mają kluczowe znaczenie dla efektywności całego procesu oraz ilości wyprodukowanego biogazu. Biomasa wykorzystywana w biogazowniach charakteryzuje się m.in. zmiennością składu chemicznego oraz wielkością cząstek. Wsadem fermentacyjnym mogą być m.in. nawozy naturalnej, kiszonki roślinne czy odpady powstające przy wytwarzaniu żywności z surowców roślinnych i zwierzęcych, które są uciążliwe dla środowiska i wymagają właściwej technologii składowania i zagospodarowania [2].

Do podstawowych etapów ogólnie pojętej tematyki przygotowania substratów należy zaliczyć ich dostawę na teren instalacji. Proces ten jest szczególnie ważny w przypadku, gdy biogazownia jest zaopatrywana w substraty spoza własnego przedsiębiorstwa lub gospodarstwa rolnego. Niewątpliwie pierwszym krokiem jaki należy wykonać jest dokonanie kontroli dostarczonego substratu. Bezpośrednio na instalacji możliwa jest kontrolna jedynie wizualna, która pozwala wstępnie ocenić przydatność substratu np. obecność pleśni czy zanieczyszczeń. W przypadku pojawienia się na etapie kontroli wizualnej wątpliwości, należy taki substrat skierować do analizy laboratoryjnej.

Ponadto zaleca się, aby okresowo pobierać reprezentatywne próbki wsadu, które pozwolą ocenić zgodność podstawowych parametrów materiału z zadeklarowanymi przez dostawcę. Po przyjęciu kolejnym etapem jest ich przechowywania na terenie instalacji, zanim trafią bezpośrednio do reaktorów fermentacyjnych. Na etapie projektowania należy obliczyć wielkość wymaganej powierzchni magazynowej, która to jest uzależniona od ilości i częstotliwości dostaw. Zaleca się jednak, aby czas magazynowania ograniczyć do minimum lub nawet od razu kierować surowce do procesu fermentacji beztlenowej. Nawet krótkie przerwy w dostawie mogą obniżyć dyspozycyjność instalacji, która bezpośrednio przekłada się na straty finansowe [3].

Wydajność biogazowa, a wybrane metody przygotowania wsadu

Właścicielowi biogazowni zależy na uzyskaniu jak najlepszych wyników związanych z eksploatacją instalacji. Wpływa na nie bezpośrednio rodzaj wykorzystywanych substratów i ich wydajność metanowa. Optymalizacja tego procesu jest kluczowa przy biogazowni wykorzystującej szeroką gammę substratów charakteryzująca się zmiennością wsadu, który jest determinowany najczęściej przez analizę dostępności w korelacji ceny za tonę. W przypadku substratów płynnych problemy związane z obróbką wstępną występują rzadziej, dlatego w ocenie autorów wybrano i wskazano metody związane z przygotowaniem surowców występujących w formie stałej.

Wśród metod obróbki wstępnej wymienić można m.in. metody mechaniczne, termiczne, chemiczne czy biologiczne. Pierwsze z nich należą do najbardziej popularnych, gdzie wskazać można podstawową metodę jaką jest mechaniczne rozdrobnienie substratu. Rozdrobnienie na mniejsze cząstki pozwala zwiększyć powierzchnie dostępna dla mikroorganizmów, co z kolei wpływa korzystnie na ich rozkład w czasie fermentacji. Z przeprowadzonych badań wynika, że dla wielu substratów, wraz ze zwiększeniem stopnia rozdrobnienia substratów wzrasta również szybkość ich rozkładu. Dodatkowo mniejsze cząsteczki sprzyjają homogenizacji pozwalając na jednolite warunki fermentacji w całej objętości komory fermentacyjnej [3,5].

Metody termiczne obejmują procesy pozwalające na higienizację substratów zaliczanych do odpadów np. kategorii III. Obecnie coraz częściej wykorzystywane jako wsad do instalacji biogazowych są odpadów poubojowe czy też przeterminowana żywność. Ten rodzaj wsadu wymaga jednak przeprowadzenie procesu higienizacji przed dostarczeniem do zbiornika fermentacyjnego. Analizując dane statystyczne zamieszczone na stronie KOWR z 2023 należy stwierdzić, że omawiany wsad ma bardzo ważną rolę w strukturze surowców wykorzystywanych do produkcji biogazu rolniczego. Prawidłowo prowadzony proces termicznej obróbki wsadu prowadzony jest w temperaturze 70°C przez okres (bez przerw) co najmniej 60 min. Jeśli zhigienizowany substrat ma być podany bezpośrednio do zbiornik fermentacyjnego, to wtedy konieczne jest schłodzenie go do temperatury tam panującej (zazwyczaj około 40°C). Projektując instalację biogazową ważnym jest więc odpowiednie rozeznanie substratowe, które wpływa bądź nie, na zastosowanie tego rodzaju technologii [4, 5].

Kolejną istotną, jednak mało popularną metodą stosowaną w instalacjach biogazowych jest proces separacji ciał obcych. Konieczność oddzielenia elementów obcych zależy od pochodzenia i składu substratu. Kamienie będące tu najczęściej spotykanymi ciałami obcymi są w większości oddzielane w zbiorniku wstępnym, którego dno trzeba wówczas od czasu do czasu oczyszczać z tychże kamieni. Inne ciała obce zostają wysortowane ręcznie przy dostawie substratu lub przy napełnianiu urządzeń zasypowych. Wysokim stopniem zanieczyszczenia ciałami obcymi odznaczają się odpady pochodzące z selektywnej zbiórki. Najczęstszym zanieczyszczeniem występującym w strumieniu tego rodzaju materiałów są takie elementy jak metal, szkło, drewno czy plastik, które wpływają na szybsze zużycie mieszadeł, ale również zanieczyszczają poferment. Jeśli mają być one zastosowane jako kosubstrat w biogazowniach rolniczych, to niezbędne jest zastosowanie tej metody obróbki wstępnej [6].

Hydroliza – uniwersalna sposób obróbki substratów ulegających biodegradacji

Proces hydrolizy jest od dawna znany, ale stosowany w wybranych krajowych instalacjach dopiero od kilkunastu lat. Metoda hydrolizy pozwala na zarówno zmniejszenie wielkości ziaren substratu, którą trudnej osiągnąć w klasycznych mechanicznych metodach rozdrabniania, częściowym rozkładzie związków organicznych, szczególnie ligninocelulozy, co prowadzi do znaczącego zwiększenia wygazowania masy organicznej i zwiększenie produkcji biogazu przy takim samym wsadzie. Poprzedzenie właściwej fermentacji procesem hydrolizy pozwala także na poprawę i przyspieszenie procesu fermentacji metanowej, co przekładana się zwiększenie sprawności procesu konwersji energii chemicznej na energię zawartą w biogazie. Dodatkowym atutem jest skrócenie czasu przebywania substratu w fermentorach, co w konsekwencji skutkuje mniejszymi objętościami zbiorników fermentacyjnych, a więc mniejszymi nakładami inwestycyjnymi na ich budowę [7].

Podsumowanie

Odpowiednie przygotowanie wsadu jest nie tylko dobrą praktyką, ale również koniecznością pozwalającą na osiągnięcie najbardziej efektywnych wyników w zakresie uzysku biogazu z danej masy substratu. Odpowiednio przygotowany wsad nie tylko zwiększa efektywność procesu fermentacji, ale również przyczynia się do zrównoważonej produkcji energii, co stanowi kluczowy krok w kierunku osiągnięcia zysków.

Pytanie postawione na początku artykułu o konieczność czy jedynie dobrą praktykę przygotowania substratu do biogazowni staje się obecnie coraz bardziej istotne. Analizując kluczowe aspekty tego zagadnienia, można jednoznacznie stwierdzić, że tylko odpowiednie przygotowanie substratu stanowi kluczowy element pozwalający osiągnąć satysfakcjonujący efekt zarówno energetyczny oraz finansowy.

Dobra praktyka związana z przygotowaniem substratu oraz monitorowanie warunków procesu, są nie tylko korzystne, ale wręcz niezbędne dla utrzymania stabilności przebiegu procesu. Zarządzanie substratem pozwala nie tylko na zwiększenie produkcji energii, lecz także minimalizuje ilość odpadów i wpływ instalacji biogazowych na środowisko.

CHCESZ WIEDZIEĆ WIĘCEJ? CZYTAJ MAGAZYN BIOMASA. SPRAWDŹ PONIŻEJ:

Autorzy
Mgr inż. Mateusz Nowak – Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
Prof. dr hab. inż. Wojciech Czekała – Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

Zdjęcie: Shutterstock

---

Bibliografia

[1] Czekała W., Nowak M., Piechota G. 2023. Sustainable management and recycling of anaerobic digestate solid fraction by composting: A review. Bioresource Technology 375, 128813. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.128813
[2] Yadvika, Santosh, Sreekrishnan T.R., Kohli S., Rana V. 2004. Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques––a review. Bioresource Technology 95, 1-10. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2004.02.010.
[3] Bochmann G., Montgomery L.F.R. 2013. 4 – Storage and pre-treatment of substrates for biogas production. Editor(s): Arthur Wellinger, Jerry Murphy, David Baxter, In Woodhead Publishing Series in Energy, The Biogas Handbook, Woodhead Publishing, Pages 85-103. https://doi.org/10.1533/9780857097415.1.85.
[4] Krajowy Ośrodek Wsparcia Rolnictwa. Dane dotyczące wytwórców biogazu rolniczego https://www.gov.pl/web/kowr/dane-dotyczace-dzialalnosci-wytworcow-biogazu-rolniczego (dostęp 25.01.2024)
[5] Piekutin J., Puchlik M., Haczykowski M., Dyczewska K. 2021. The Efficiency of the Biogas Plant Operation Depending on the Substrate Used. Energies 14(11), 3157. https://doi.org/10.3390/en14113157.
[6] Deepanraj B., Sivasubramanian V., Jayaraj S. 2017. Effect of substrate pretreatment on biogas production through anaerobic digestion of food waste. International Journal of Hydrogen Energy Vol. 42(42). 26522-26528. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.06.178.
[7] Kasinath A., Fudala-Ksiazek S., Szopinska M., Bylinski H., Artichowicz W., Remiszewska-Skwarek A., Luczkiewicz A. 2021. Biomass in biogas production: Pretreatment and codigestion. Renewable and Sustainable Energy Reviews 150, 111509, https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111509.