Biogazownia przy Oczyszczalni Ścieków: Efektywna Produkcja Energii Odnawialnej

Szczegóły: Opublikowano: 06. October 2025

Biogazownia to zakład produkujący biogaz z biomasy roślinnej, odchodów zwierzęcych, odpadów organicznych (na przykład z przemysłu spożywczego), odpadów poubojowych lub osadów z oczyszczalni ścieków.

Rodzaje Biogazowni

przy składowisku odpadów
oczyszczalni ścieków
rolnicza
utylizacyjna

Biogaz powstaje podczas beztlenowego rozkładu materii organicznej w wyniku procesu fermentacji metanowej. Średnio z 1 g substancji organicznych powstaje do 0,5 l biogazu.

Główne Składniki Biogazu

Główne składniki biogazu to:

metan (40-80%)
dwutlenek węgla (20-55%)
siarkowodór (0,1-5,5%)
wodór, tlenek węgla, azot i tlen w ilościach śladowych.

Elementy Biogazowni

Podstawowe elementy biogazowni to:

układ podawania biomasy
komory fermentacyjnej wstępnej i wtórnej
zbiornik magazynowy dla przefermentowanego substratu
zbiornik biogazu
instalacja oczyszczania biogazu
agregat prądotwórczy lub układ kogeneracyjny

Dodatkowe Elementy (dla Biometanu)

W przypadku produkcji biometanu, biogazownia wyposażona jest dodatkowo w:

Przeczytaj także: Budowa, Działanie i Zastosowanie Filtrów Powietrza

układ oczyszczania i tłoczenia biometanu do sieci
pochodnia biogazu
inne urządzenia awaryjne

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.

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.

Fermentacja Metanowa: Kluczowy Proces Produkcji Biogazu

Fermentacja metanowa to rozkład substancji organicznych za pośrednictwem mikroorganizmów, w warunkach beztlenowych. Produktem procesu jest biogaz - mieszanka gazów, którego głównym składnikiem jest metan (CH4) - bezbarwny i bezwonny gaz, mający szerokie zastosowanie w energetyce oraz przemyśle chemicznym. Jego średnia zawartość w biogazie wynosi 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. Skład biogazu może wahać się w zależności od rodzaju materii organicznej.

Przeczytaj także: Schemat działania oczyszczalni ścieków

Czynniki Wpływające na Fermentację Metanową

Fermentacja może być klasyfikowana ze względu na warunki, w jakich zachodzi:

Temperatura
- proces psychrofilowy - zachodzi w temperaturze 10-25⁰C
- proces mezofilowy - zachodzi w temperaturze 30-40⁰C
- proces termofilowy - zachodzi w temperaturze 50-60⁰C
Hydrauliczny czas retencji - różne substancje organiczne ulegają rozkładowi w różnym tempie. Czas retencji substratu musi być dostosowany do rodzaju wsadu w taki sposób aby zagwarantować pełny rozkład. W podwyższonej temperaturze substancje rozkładają się szybciej i czas retencji trwa krócej. Zazwyczaj czas retencji dla gnojowicy wynosi 20 dni, natomiast dla roślin energetycznych 60 dni.
Obciążenie komory ładunkiem zanieczyszczeń - jest stosunkiem ilości dostarczanego materiału, jego uwodnienia i zawartości substancji organicznych do pojemności komory. Przy zwiększeniu obciążenia do wartości granicznej zwiększa się produkcja biogazu. Obciążenie komory ma zasadniczy wpływ na przebieg procesu fermentacji i produkcji biogazu.
Mieszanie biomasy - mieszanie jest niezbędne w celu zapewnienia przebiegu procesu w sposób jednorodny w całej objętości komory, utrzymania jednakowej temperatury, jednorodnej konsystencji, umożliwienia łatwiejszego odgazowania. Ponadto mieszanie zwiększa dostęp bakterii do cząstek substancji organicznej.
Odczyn pH procesu - bakterie metanogenne wymagają odczynu obojętnego, przedział pH wynosi 6,8-7,2. W przypadku szybkiego procesu fermentacji obserwuje się obniżenie odczynu masy fermentującej do pH 6,2-6,5. Aby temu zapobiec stosuje się dodatek wapna. Zbyt niskie pH jest często rezultatem nadmiernego obciążenia substratem i sygnałem nieprawidłowej pracy biogazowni. Najczęściej jednak gdy dojdzie do znacznego obniżenia pH jest za późno aby uratować proces.
Składniki pokarmowe - komora fermentacyjna jest hodowlą mikroorganizmów, które trzeba regularnie dokarmiać. Jakość i prawidłowe zbilansowanie dostarczanego substratu jest podstawą prawidłowego i wydajnego procesu fermentacji. Ważnym elementem bilansu składników jest stosunek C:N, gdyż w procesie fermentacji azot organiczny z substratu przekształcany jest w azot amonowy, który częściowo wykorzystany jest do syntezy białka nowo powstających komórek.

Inhibitory Procesu Fermentacji

Inhibitory to czynniki powodujące zahamowanie lub nieodwracalne zatrzymanie procesu produkcji biogazu. Mogą to być zarówno parametry technologiczne procesu jak i techniczne fermentatora oraz czynniki fizyczne i substancje chemiczne. Związki chemiczne dostają się do komory fermentacyjnej wraz z substratem, ale również są produkowane podczas powstawania biogazu.

Przykłady:

Tlen - proces fermentacji metanowej prowadzony jest przez bakterie anaerobowe w środowisku beztlenowym, już śladowe ilości tlenu w komorze fermentacyjnej wpływają toksycznie na mikroorganizmy.
Amoniak - zbyt duże stężenie amoniaku powoduje zahamowanie procesu fermentacji metanowej poprzez inhibicję enzymów biorących udział w metanogenezie (gdy stosunek C/N jest nadmiernie przesunięty w kierunku N).
Siarkowodór - gaz powstający w wyniku redukcji siarczanów do siarczków.

Kontrola Parametrów Pracy Biogazowni

Aby móc efektywnie zarządzać pracą biogazowni i kontrolować proces technologiczny konieczny jest ścisły nadzór nad określonymi parametrami procesu fermentacji (aparatura kontrolno-pomiarowa). Zakres monitoringu obejmuje pomiar:

Rodzaj oraz ilość materiału wsadowego
Temperaturę procesu
Wartość pH
Ilość i skład biogazu
Poziom napełnienia
System wczesnego ostrzegania przed niebezpieczeństwem wybuchu
Zawartość lotnych kwasów tłuszczowych
Potencjał REDOX
Zawartość NH3

Wykonawca biogazowni obowiązany jest dostarczyć zakres wymaganych pomiarów/testów przeprowadzanych w sposób ciągły i w razie wystąpienia problemów technologicznych. Po stronie inwestora konieczne jest zapewnienie systemu ciągłej kontroli parametrów pracy biogazowni w postaci utrzymania własnego laboratorium lub korzystania z usług laboratorium zewnętrznego.

Przeczytaj także: Instrukcja: Chlorowanie studni głębinowej

Utrzymanie reżimu technologicznego, oznacza m.in. odpowiednie przechowywanie i przygotowanie substratów (niedotrzymanie warunków temperatury zmniejsza ich wartość energetyczną nawet o 60-70%, wydłużenie czasu przechowywania gnojowicy do tygodnia zmniejsza ilość uzyskiwanego biogazu o ok.

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.

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.

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, produkowany był w Polsce już przed II Wojną Światową. Potem zaniechano tego procesu, ze względów oszczędnościowych, by do niego ponownie wrócić w latach 90 XX wieku. 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.

Jak widać z powyższych danych, maksymalne wykorzystanie biogazu ściekowego to zaledwie około 4% całkowitego potencjału biogazu w kraju. Warto jednak zwrócić uwagę, że podobnie jak w przypadku wysypisk odpadów, 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 membrany zewnętrznej. Ciśnienie w zbiorniku utrzymywane jest za pomocą powietrza stale doprowadzanego wentylatorem do przestrzeni pomiędzy membraną wewnętrzną i zewnętrzną.

tags: #schemat #biogazowni #oczyszczalnia #ścieków