Biogazownia Czajka: Budowa, Zasada Działania i Zbiorniki Biogazu
- Szczegóły
Biogazownia to zakład produkujący biogaz z różnorodnych materiałów organicznych. Należą do nich biomasa roślinna, odchody zwierzęce, odpady organiczne (np. z przemysłu spożywczego), odpady poubojowe oraz osady z oczyszczalni ścieków.
Rodzaje Biogazowni
Biogazownie można klasyfikować ze względu na rodzaj przetwarzanych materiałów i ich przeznaczenie:
- Biogazownie przy składowiskach odpadów
- Biogazownie przy oczyszczalniach ścieków
- Biogazownie rolnicze
- Biogazownie utylizacyjne
Proces Fermentacji Metanowej
Biogaz powstaje podczas beztlenowego rozkładu materii organicznej w procesie fermentacji metanowej. Fermentacja metanowa to rozkład substancji organicznych za pośrednictwem mikroorganizmów w warunkach beztlenowych.
Produktem tego procesu jest biogaz, który jest mieszanką gazów, a jego głównym składnikiem jest metan (CH4). Metan to bezbarwny i bezwonny gaz, który ma szerokie zastosowanie w energetyce oraz przemyśle chemicznym. Jego średnia zawartość w biogazie wynosi około 60%. W skład biogazu wchodzi również dwutlenek węgla (CO2) na poziomie około 40%. Pojawiają się również niewielkie ilości zanieczyszczeń, głównie siarkowodoru, azotu, wodoru oraz tlenu. Dokładny skład biogazu zależy przede wszystkim od rodzaju surowców oraz warunków fermentacji.
W wyniku fermentacji powstaje substancja pofermentacyjna (tzw. poferment lub pulpa pofermentacyjna), zawierająca cenne składniki odżywcze roślin, takie jak azot, fosfor i potas.
Przeczytaj także: Przydomowe oczyszczalnie ścieków Zawiercie
Czynniki Wpływające na Fermentację Metanową
- Temperatura:
- Proces psychrofilowy: 10-25⁰C
- Proces mezofilowy: 30-40⁰C
- Proces termofilowy: 50-60⁰C
- Hydrauliczny czas retencji: Czas retencji substratu musi być dostosowany do rodzaju wsadu w taki sposób, aby zagwarantować pełny rozkład. Dla gnojowicy wynosi zazwyczaj 20 dni, a dla roślin energetycznych 60 dni.
- Obciążenie komory ładunkiem zanieczyszczeń: Stosunek ilości dostarczanego materiału, jego uwodnienia i zawartości substancji organicznych do pojemności komory.
- Mieszanie biomasy: Niezbędne do zapewnienia jednorodnego przebiegu procesu, utrzymania jednakowej temperatury i konsystencji oraz ułatwienia odgazowania.
- Odczyn pH procesu: Bakterie metanogenne wymagają odczynu obojętnego, w przedziale pH 6,8-7,2.
- Składniki pokarmowe: Jakość i prawidłowe zbilansowanie dostarczanego substratu jest podstawą prawidłowego i wydajnego procesu fermentacji. Ważny jest stosunek C:N.
Inhibitory Procesu Fermentacji
Inhibitory to czynniki, które powodują zahamowanie lub nieodwracalne zatrzymanie procesu produkcji biogazu. Mogą to być parametry technologiczne, techniczne fermentatora, czynniki fizyczne i substancje chemiczne.
Przykłady:
- Tlen: Nawet śladowe ilości tlenu mogą być toksyczne dla mikroorganizmów.
- Amoniak: Zbyt duże stężenie amoniaku hamuje proces fermentacji metanowej.
- Siarkowodór: Gaz powstający w wyniku redukcji siarczanów do siarczków.
Kontrola Parametrów Pracy Biogazowni
Efektywne zarządzanie biogazownią wymaga ścisłego nadzoru nad parametrami procesu fermentacji:
- Rodzaj oraz ilość materiału wsadowego
- Temperatura procesu
- Wartość pH
- Ilość i skład biogazu
- Poziom napełnienia
- System wczesnego ostrzegania przed wybuchem
- Zawartość lotnych kwasów tłuszczowych
- Potencjał REDOX
- Zawartość NH3
Biogaz Rolniczy
Zgodnie z ustawą o OZE, biogaz rolniczy to gaz otrzymywany w procesie fermentacji metanowej surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów ubocznych, odpadów lub pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia rolniczego lub biomasy leśnej, lub biomasy roślinnej zebranej z terenów innych niż zaewidencjonowane jako rolne lub leśne, z wyłączeniem biogazu pozyskanego z surowców pochodzących ze składowisk odpadów, a także oczyszczalni ścieków, w tym zakładowych oczyszczalni ścieków z przetwórstwa rolno-spożywczego, w których nie jest prowadzony rozdział ścieków przemysłowych od pozostałych rodzajów osadów i ścieków.
Opis Procesu Technologicznego Przykładowej Biogazowni
Proces produkcyjny polega na przetwarzaniu surowców pochodzenia rolniczego w procesie mokrej fermentacji metanowej na biogaz, które przetwarzane są na energię elektryczną i ciepło w jednostce kogeneracji. Technologia zakłada przetwarzanie substratów pochodzenia rolniczego takich jak kiszonka z kukurydzy, kiszonka traw, pulpa ziemniaczana i gnojowica w różnych proporcjach. W zależności od ilości stosowanej gnojowicy do procesu może być dozowana woda technologiczna w celu rozcieńczania fermentującej biomasy.
Przeczytaj także: Oczyszczalnia oksydacyjna: zasady działania
Kiszonka z kukurydzy jest magazynowana w silosie kiszonki. Gnojowica jest dostarczana na teren biogazowi bezpośrednio z sąsiednich gospodarstw hodowlanych. Wszystkie substraty stałe będą dostarczane do zasobnika dozującego ładowarką, skąd w sposób automatyczny transportowane będą do komór fermentacji. Substraty płynne są dowożone i przetłaczane bezpośrednio rurociągiem do zbiornika wstępnego. Dozowanie substratów ze zbiornika wstępnego do procesu produkcji odbywa się automatycznie. Substraty stałe wymieszane z ciekłymi w zbiorniku dozującym, są transportowane do komór fermentacyjnych.
Jednorodna mieszanina substratów jest następnie pompowana do dwóch głównych komór fermentacji w odpowiednich ilościach i proporcjach. Cały układ zapewnia możliwość prowadzenia procesu technologicznego w dwóch etapach: fermentacja wstępna i fermentacja wtórna, lub przestawienia się na fermentację jednoetapową z dozowaniem tych samych ilości substratów do dwóch głównych komór fermentacji. Wybór opcji prowadzenia procesu uzależniony jest od rodzaju przetwarzanych substratów.
Fermentacja zachodzi w dwóch komorach fermentacyjnych. W obu zbiornikach fermentacyjnych zachodzi proces intensywnej produkcji biogazu. W obu zbiornikach zainstalowano instalację grzewcza zapewniająca utrzymanie stabilnej temperatury procesu w zakresie 37- 40⁰C.
Biogaz powstający w procesie fermentacji podlega procesowi odsiarczania - w przestrzeni gazowej reaktorów zachodzi proces biologicznego odsiarczania polegający na dozowaniu niewielkich ilości powietrza co pozwala na rozwój bakterii redukujących stężenie siarkowodoru w biogazie. Odsiarczony biogaz przepływa przez ujęcie biogazu z komory fermentacyjnej 2 do sieci biogazu, którą transportowany jest do urządzeń sprężania i uzdatniania II stopnia. II stopień uzdatniania polega na odwodnieniu polegającym na wykraplaniu wilgoci na skutek spadku temperatury gazu. Skropliny z biogazu w postaci kondensatu spływają grawitacyjnie do studzienki kondensatu, z której przepompowywane są do zbiornika pozostałości pofermentacyjnych.
Tak przygotowany biogaz kierowany jest do jednostki kogeneracyjnej, gdzie jego energia chemiczna ulega konwersji do energii elektrycznej i cieplnej. Energia elektryczna wykorzystywana jest na pokrycie potrzeb własnych obiektu i zasilania sieci elektroenergetycznej. Ciepło z kogeneracji ma postać gorącej wody i jest wykorzystywane do pokrycia potrzeb własnych obiektu z możliwością wykorzystania do innych celów użytkowych. W przypadku niewykorzystania całego ciepła z kogeneracji w postaci wody do celów użytkowych jego nadmiar kierowany jest na chłodnicę wentylatorową.
Przeczytaj także: Jak ustawić napowietrzanie?
Ciecz pofermentacyjna przetłoczona zostaje do separatora frakcji stałej nawozu pofermentacyjnego. Frakcja stała odbierana będzie w kontenerze, do którego stały nawóz spada grawitacyjnie. Frakcja ciekła nawozu kierowana będzie do zbiornika magazynowego - zbiornika pozostałości pofermentacyjnych.
Biogaz ze Ścieków Komunalnych
Biogaz ze ścieków komunalnych był produkowany w Polsce już przed II Wojną Światową. Produkcja biogazu w oczyszczalni ścieków mechaniczno-biologicznej odbywa się w części osadowej oczyszczalni, gdzie najczęściej osad wstępny i tzw. wtórny, poddawany jest procesom stabilizacji beztlenowej w wydzielonych zamkniętych komorach fermentacyjnych, zwanych też WKF. Produkowany biogaz może być w całości zużyty na potrzeby samej oczyszczalni, lub przy nadprodukcji wykorzystywany w sieci bądź do celów technologicznych.
Przyjmuje się, że z 1000 m3 ścieków wpływających do oczyszczalni można uzyskać 100-200 m3 biogazu. Standardowo z 1 m3 osadu (4-5% suchej masy) można uzyskać 10-20 m3 biogazu o zawartości ok. 60% metanu.
Według danych z 2012 roku w Polsce było czynnych 76 oczyszczalni ścieków z instalacjami odzysku biogazu ściekowego o łącznej mocy około 41 MW. Zgodnie z danymi Agencji Rynku Energii w Polsce z 2010 roku, potencjał produkcji biogazu z osadów ściekowych jest szacowany na 96,9 mln m3, co stanowi ekwiwalent ok. 2 PJ energii elektrycznej, o wartości opałowej równej 21,4 MJ/m3.
Maksymalne wykorzystanie biogazu ściekowego to zaledwie około 4% całkowitego potencjału biogazu w kraju. Warto jednak zwrócić uwagę, że beztlenowa stabilizacja osadów ściekowych pozwala na ich utylizację i późniejsze rolnicze wykorzystanie.
Proces stabilizacji beztlenowej osadu ściekowego ze ścieków komunalnych pozwala na znaczne ograniczenie stopnia jego szkodliwości. Osad surowy ma kolor jasno brązowy i odrażający zapach, trudno sedymentuje, jest sklejony. Po procesie fermentacji udział związków organicznych spada o co najmniej 30%, osad zmienia barwę do czarnej z powodu dużej zawartości substancji ziemistych, humusowych i siarczków, łatwiej też sedymentuje pozwalając na bezproblemowe odwadnianie. Nie wydziela już też nieprzyjemnego zapachu pozwalając niejednokrotnie na bezpieczne składowanie np. na lagunach osadowych.
Proces fermentacji zachodzi w wydzielonych zamkniętych komorach fermentacyjnych. Fermentacja metanowa zachodząca w WKF bez udziału tlenu jest biochemicznym procesem gazyfikacji złożonych wielkocząsteczkowych substancji organicznych (białek, węglowodanów i tłuszczów) bez obecności tlenu.
Sposób przeróbki osadów ściekowych zależy od ich składu chemicznego, ilości i przyjętego schematu technologicznego. Ścieki surowe po przejściu przez halę krat i usunięciu największych zanieczyszczeń stałych (tzw. skratek), przechodzą do napowietrzanego piaskownika, gdzie usuwane są zanieczyszczenia łatwo opadające jak piasek, żwir, itp. Po piaskowniku ścieki wpływają do osadnika wstępnego, usuwany jest z nich osad zawierający duże ilości substancji organicznych. Osad ten kierowany jest bezpośrednio do komory fermentacyjnej (WKF-u), pozostałe ścieki płyną do komór osadu czynnego lub złóż biologicznych (głównie małe oczyszczalnie ścieków), gdzie poddawane są obróbce biologicznej przy wykorzystaniu tlenu z powietrza i mikroorganizmów. Powstały po tym procesie osad (tzw. wtórny) jest bardzo mocno uwodniony (nawet 98%), dlatego przed wprowadzeniem do komory WKF-u poddaje się go częściowej obróbce np. na prasach filtracyjnych.
Czas przetrzymania w komorach WKF wynosi (dane z oczyszczalni ścieków Czajka) od 22-33 dni, w temperaturze mezofilowej od 37-38 °C. Obciążenie komór to około 1,0-1,6 kg sm/m3 komory. Teoretycznie proces można prowadzić też w warunkach termofilnych w temperaturze >50°C, ale wydatek energetyczny z uwagi na olbrzymią objętość komór jest zbyt duży. W niektórych oczyszczalniach możemy spotkać jeszcze inne rozwiązanie komory typu otwartego z fermentacją psychrofilną, w temperaturze <25°C. Objętość takich komór z uwagi na wolniejsze tempo metanizacji jest jednak dużo większa.
Ciepło w przypadku WKF-ów nie jest wprowadzane bezpośrednio do komory. Wewnątrz komór nie ma żadnego wymiennika ciepła, tak jak dzieje się to w biogazowniach rolniczych.
Obie konstrukcje są idealne dla osadów ściekowych, charakteryzujących się dużą lepkością i agresywnością korozyjną. Biogaz ze ścieków ma stosunkowo dużą zawartość siarki i wilgoci i przed spalaniem musi być oczyszczony. Usuwanie siarki można prowadzić przepuszczając gaz przez rudę darniową, na związkach chelatowych żelaza, na węglu aktywnym, czy metodą płuczki wodnej. Wilgoć z biogazu usuwa się zwykle prze jego ochłodzenie i kondensację pary wodnej.
Oczyszczony gaz magazynowany jest w zbiornikach. Zbiorniki dwumebranowe zbudowane s a z dwóch powłok poliestrowych pokrytych PVC: membrany wewnętrznej w której przebywa gaz i memb...
Biometan - Paliwo Przyszłości
Biometan uzyskany jest w biogazowni podczas fermentacji metanowej. Po oczyszczeniu z siarkowodoru, odwodnieniu i uszlachetnieniu uzyskuje parametry gazu sieciowego, o gwarantowanej zawartości metanu. Po spełnieniu obowiązujących norm może być wtłaczany do sieci czy skraplany i sprzedawany w butlach tzw. BioLNG. W Unii Europejskiej działa obecnie wiele biogazowni produkujących biogaz o parametrach gazu sieciowego, który jest wtłaczany do sieci gazowej lub w inny sposób dociera do odbiorców.
Biogazownia to „ferma bakterii”, dlatego aby uzyskać wysoką wydajność biogazu - należy stworzyć dla nich jak najlepsze warunki.
tags: #oczyszczalnia #Czajka #zbiorniki #biogazu #budowa #zasada
