Interpretacja wyników badańlaboratoryjnych i ich przełożenie na parametry biotechnologiczne fermentacji metanowej

Transkrypt

1 BIOGAZ ZENERIS Sp. z o.o. Laboratorium Biotechnologiczne Interpretacja wyników badańlaboratoryjnych i ich przełożenie na parametry biotechnologiczne fermentacji metanowej dr inż. Artur Olesienkiewicz Forum Czystej Energii POLEKO, listopad 2010 r.

2 Jak powstaje BIOGAZ?

3 JAK POWSTAJE BIOGAZ? (1) bakterie hydrolizujące; (2) bakterie wytwarzające wodór i kwas octowy; (3) bakterie metanogenne CH 3 COOH CH 4 + CO 2 kwas octowy + ok. 2-5% H 2 O oraz H 2, NH 3, H 2 S i in. metan 50-60% dwutlenek węgla 40-50%

4 Z czego powstaje BIOGAZ?

5 Analizy podstawowe SUBSTRATU 1) Ocena wizualna makroskopowa; 2) ph; 3) Analiza suchej masy [%] i suchej masy organicznej [% s.m.]; 4) Azot ogólny Kjeldahla [% s.m.]; 5) TOC [% s.m.]; 6) Oznaczenia makro- i mikroelementów: P, Ca, Mg, S, Co, Fe, Mn, Mo, Ni, Se; 7) Oznaczenia metali: Cd, Cu, Cr, Hg, Pb, Zn; 8) Oznaczenia ChZT;

6 Z czego powstaje BIOGAZ? BIOMASA (100%)

7 Z czego powstaje BIOGAZ? H 2 O BIOMASA (100%) SUCHA MASA (s.m.); [% BIOMASY] WODA [% BIOMASY] SUCHA MASA (s.m.) Suszenie BIOMASY metodą zgodną z PN-EN 12880

8 Z czego powstaje BIOGAZ? H 2 O POPIÓŁ [% s.m.] BIOMASA (100%) SUCHA MASA (s.m.); [% BIOMASY] WODA [% BIOMASY] SUCHA MASA ORGANICZNA (s.m.o.); [% s.m.] POPIÓŁ [% s.m.] s.m.o. [% s.m.] s.m.[g] popiół[g] = s.m.o. [g] Spalanie SUCHEJ MASY metodą zgodną z PN-EN 12879

9 Z czego powstaje BIOGAZ? H 2 O POPIÓŁ [% s.m.] s.m.o. [% s.m.] BIOMASA (100%) SUCHA MASA (s.m.); [% BIOMASY] WODA [% BIOMASY] SUCHA MASA ORGANICZNA (s.m.o.); [% s.m.] POPIÓŁ [% s.m.] KONWERSJA W BIOGAZ BIOGAZ Mieszanina: CH 4, CO 2, O 2, H 2, NH 3, H 2 S; Odfermentowanie 60-90% s.m.o. i jej konwersja w BIOGAZ

10 Właściwości fizykochemiczne wybranych substratów Lp. ODPAD ph s.m. [%] Wywar gorzelniany Kiszonka kukurydziana Pulpa ziemniaczana odpad z produkcji skrobi Odpady poubojowe tkanki miękkie Wysłodki buraka cukrowego Gnojowica bydlęca s.m.o. [% s.m.] Popiół [% s.m.] ChZT [g O2/g s.m.] Azot ogólny [% s.m.] 3,2-4, ,0-1,7 3,5-5,6 3,4-4, ,1-1,7 1,16-1,65 3,5-4, ,2-1,7 ~0,01 6,5-7, ,5-2,5 5-9,5 3,2-5, ,0-1,3 1,2-1, ,7-1,5 1-8

11 Analizy podstawowe SUBSTRATU 1) Ocena wizualna makroskopowa; 2) ph; 3) Analiza suchej masy [%] i suchej masy organicznej [% s.m.]; 4) Azot ogólny Kjeldahla [% s.m.]; 5) TOC [% s.m.]; 6) Oznaczenia makro- i mikroelementów: P, Ca, Mg, S, Co, Fe, Mn, Mo, Ni, Se; 7) Oznaczenia metali: Cd, Cu, Cr, Hg, Pb, Zn;

12 Optymalny stosunek C:N:P:S to 600:15:5:1 Produkując biogaz bakterie zuŝywają składniki pokarmowe substratu w ściśle określonych proporcjach. JeŜeli C:N jest zbyt wysoki - węgiel [C] nie zostanie do końca zuŝyty, pozostając w cieczy pofermentacyjnej, tzn. nie ulegnie w pełni konwersji w biogaz (CH 4, CO 2 ). W odwrotnej sytuacji, tj. gdy N jest za duŝo w stosunku do C w fermentującej masie pojawia się podwyŝszone stęŝenie toksycznego amoniaku NH 3. JeŜeli w danej lokalizacji moŝliwe naleŝy tak dobierać jakość i proporcje kosubstratów, które będą dozowane do fermentora, by zachować w/w stosunek makroskładników. JeŜeli skład chemiczny dostępnych kosubstratów nie gwarantuje utrzymania w/w stosunku C/N, to dla utrzymania stabilności fermentacji, przy ustalaniu proporcji w jakich wymieszane będą kosubstraty, naleŝy zwrócić uwagę na dozowaną do fermentora ilość azotu.

13 SPOSOBY SZACOWANIA ILOŚCI I JAKOŚCI BIOGAZU JAKI MOśNA OTRZYMAĆ Z DOSTĘPNEGO SUBSTRATU 1) Obliczenia na podstawie zawartości w substracie białek, tłuszczy i węglowodanów; 2) Badania BIOGAZODOCHODOWOŚCI Badania pojedynczych substratów; Badania mieszanek substratów; 3) Badania SYMULACYJNE Fermentacje quasi-ciągłe lub ciągłe jednoetapowe; Fermentacje quasi-ciągłe lub ciągłe wieloetapowe;

14 Obliczanie BIOGAZODOCHODOWOŚCI na podstawie składu chemicznego substratu Do szacunkowych obliczeń biogazodochodowości moŝemy wykorzystać fakt, Ŝe procesy zachodzące w biogazowni są bardzo podobne do tych, jakie mają miejsce w przewodzie pokarmowym przeŝuwaczy. Biorąc pod uwagę, Ŝe niektóre z potencjalnych substratów dla biogazowni bywają wykorzystywane jako pasza - moŝna wykorzystać tabele opisujące ich wartość pokarmową, tzn. zawartość popiołu (RA), włókna surowego (RF), tłuszczu (RL), białka (RP), bezazotowych substancji wyciągowych (NfE) i ich przyswajalności (VQ). W tym wypadku przyswajalność pozwala na wyliczenie jaka część poszczególnych składników substratu moŝe ulec konwersji w biogaz. Posługując się tymi danymi i znając suchą masę i suchą masę organiczną substratu moŝna obliczyć ile przyswajalnego białka, tłuszczu i węglowodanów przypada na 1 kg s.m.o., a znając dodatkowo dane z tabeli poniŝej moŝna obliczyć ile biogazu i metanu moŝna otrzymać z 1 kg s.m.o. danego substratu; Grupa związków organicznych Uzysk biogazu [dm 3 /kg s.m.o.] Zawartość metanu w biogazie [%] Białka przyswajalne Tłuszcz przyswajalny Węglowodany przyswajalne źródło: Poradnik - Biogaz, produkcja, wykorzystanie Institut fur Energetik und Umwelt GmbH, A.Schattauer, P. Weiland

15 Badanie BIOGAZODOCHODOWOŚCI Metoda wg normy DIN (8) lub DIN ; Test polega na pomiarze ilości wytworzonego biogazu z jednorazowo dodanej do fermentora porcji substratu. Wraz z substratem w fermentorze umieszcza się tzw. INOKULAT zawierający bakterie fermentacji metanowej. Analizie podlegają dobowe przyrosty objętości biogazu oraz jego skład, przy czym oznacza się % udział: CH 4, CO 2, O 2 i opcjonalnie H 2 S, NH 3, H 2 [ppm]; Ilość b io g a z u [N d m 3 /kg św eŝ ej m as y] (k rz y w a n ieb ie sk a ) 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 Biogazodochodowość, KISZONKA TRAWY 500,0 450,0 400,0 350,0 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 Ilość b io g a z u [N d m 3 /kg su c h ej m a sy o rg an icz n ej] ( krz yw a cz ew o n a ) 50,0 0,0 0, czas fermentacji [doby] CH 4 59%; CO 2 29%; O 2 1%; H 2 S - 30 ppm; H ppm; NH 3-7 ppm

16 Badanie BIOGAZODOCHODOWOŚCI Wydajność produkcji biogazu w [Ndm 3 /kg s.m.o.] Gdy istnieje podejrzenie I N H I B I C J I wykonuje się badania przy róŝnych początkowych obciąŝeniach fermentora CZAS [dni] a normalny przebieg krzywej; b opóźniony przyrost objętości biogazu; c inhibicja powstawania biogazu; d inhibicja i opóźnienie powstawania biogazu;

17 Raport z badań BIOGAZODOCHODOWOŚCI Wyniki badań podstawowych substratu Informacje nt. metody i warunków prowadzenia badań Skład i ilość biogazu w przeliczeniu na: - jednostkę masy substratu; - suchą masę; - suchą masę organiczną; Krzywa biogazodochodowości Wyniki analiz dodatkowych zawartości fermentora przed i po zakończeniu fermentacji

18

19

20 Kiedy naleŝy robić badania podstawowe substratów i BIOGAZODOCHODOWOŚCI 1) Zanim przystąpimy do projektowania biogazowni w celu weryfikacji załoŝeń ekonomicznych; 2) Gdy chcemy skontrolować nowy substrat dla budowanej lub działającej biogazowni; 3) Gdy mamy pewne źródło substratu w danej lokalizacji z gwarancją ograniczonej zmienności jego parametrów fizyko-chemicznych; 4) Gdy chcemy sprawdzić wpływ czasu i warunków przechowywania (sposób konserwacji) substratu na osiąganą biogazodochodowość; 4) Gdy podejrzewamy zanieczyszczenie substratu; 5) Gdy chcemy sprawdzić wpływ kosubstratów na osiągane wydajności produkcji biogazu;

21 PROGNOZOWANIE WYDAJNOŚCI BIOGAZOWNI W OPARCIU O WYNIKI BIOGAZODOCHODOWOŚCI Znając s.m. i s.m.o. substratów oraz ich biogazodochodowość (G) moŝna obliczyć ile biogazu (lub metanu) powinno powstawać (ME mix ) w wyniku fermentacji określonej mieszanki substratów. Przykład: Planujemy dodawać do fermentora substraty A, B i C, dla których znamy parametry takie jak: s.m., s.m.o., (M) dozowana masa [t/rok] oraz biogazodochodowość [G] wyraŝoną w (m 3 CH 4 /kg s.m.o.); Dla kaŝdego obliczamy roczną produkcję metanu (Me), wg wzoru: Me A = M A x s.m. A x s.m.o. A x G A Me B = M B x s.m. B x s.m.o. B x G B Me C = M C x s.m. C x s.m.o. C x G C A następnie sumujemy otrzymane wartości: ME mix = Me A + Me B + Me C

22 BIOGAZODOCHODOWOŚĆ BADANIE MIESZANEK KOSUBSTRATÓW Po wymieszaniu kosubstratów - otrzymujemy nową jakość wsadu; Niekiedy składniki kosubstratów mogą ze sobą wchodzić w reakcje, których efektem moŝe być zarówno WZROST jak i OBNIśENIE BIOGAZODOCHODOWOŚCI; W takiej sytuacji wydajność biogazu (metanu) z 1 kg s.m.o. mieszanki w praktyce moŝe okazać się inna niŝ ta wynikająca z obliczeń; MoŜna wówczas rozwaŝyć wykonanie BADAŃ BIOGAZODOCHODOWOŚCI ZDEFINIOWANEJ MIESZANKI SUBSTRATÓW

23 SYMULACJA FERMENTACJI CIĄGŁYCH lub QUASI-CIĄGŁYCH 1) Badanie, podczas którego symuluje się w skali laboratorium pracę biogazowni. 2) Fermentor jest zasilany - jeden lub kilka razy dziennie określonym substratem lub mieszanką kosubstratów. Jednocześnie odbierany jest biogaz oraz nadmiar osadu fermentującego dzięki czemu objętość robocza fermentora nie zmienia się. ANALIZA SKŁADU BIOGAZU OPJONALNE DOZOWANIE KWASÓW i ZASAD (regulacja ph) DOZOWANIE SUBSTRATU i ODBIÓR OSADU KOLEKTOR BIOGAZU z POM. OBJĘTOŚCI TERMOSTAT BIOREAKTOR z MIESZADŁEM

24 SYMULACJA FERMENTACJI CIĄGŁYCH lub QUASI-CIĄGŁYCH c.d. 3) Ilość dozowanego substratu w ciągu doby jest ściśle kontrolowana i na ogół wzrasta stopniowo co kilka-kilkanaście dni. 4) Podstawowym parametrem wydajnościowym fermentacji ciągłej jest tzw. MPR (na wykresie P CH4 ) czyli wskaźnik określający ilość metanu [CH 4 ] jaką otrzymano w ciągu doby z 1 m 3 objętości roboczej fermentora;

25 Wpływ HRT na szybkość i wydajność (odfermentowanie) produkcji biogazu ObciąŜenie fermentora moŝe być wyraŝone w [kg s.m.o./(m 3 *d)] Kryteria doboru obciąŝenia fermentora: Zapewnić moŝliwie jak największą wydajność i szybkość produkcji biogazu oraz moŝliwie krótki HRT; Zapewnić stabilność procesu; źródło: Poradnik - Biogaz, produkcja, wykorzystanie Institut fur Energetik und Umwelt GmbH, A.Schattauer, P. Weiland

26 Optymalne obciąŝenie fermentora i HRT ObciąŜenie fermentora ma wpływ na: - ilość i szybkość powstawania biogazu; - skład biogazu; BIOGAZ - stabilność fermentacji (ph, rozwój bakterii); SUROWIEC OSAD PRZEFERMENTOWANY + BAKTERIE Vr = const.

27 SYMULACJA FERMENTACJI CIĄGŁYCH lub QUASI-CIĄGŁYCH c.d. Podczas badań oznaczeniom podlegają parametry, tj.: - Ilość i skład biogazu otrzymywanego biogazu; - ph i potencjał redox; - stęŝenie i profil LKT; - zasadowość; - współczynnik FOS/TAC; - stęŝenie azotu amonowego; - s.m. i s.m.o. osadu pofermentacyjnego; - zawartość NPK oraz stęŝenia makro- i mikroelementów w pofermencie; Są to wskaźniki, które pozwalają ocenić wydajność produkcji biogazu (równieŝ w przeliczeniu na masę substratu) oraz umoŝliwiają kontrolę stabilności procesu.

28 ph i potencjałredoks (RX) oraz stężenie CH 4 W/ST PRODUKCJA BIOGAZU SP W/ST STĘśENIE CH 4 SP W wzrost; ST stabilny; SP spadek; W/ST STĘśENIE CH 4 SP SP ph W W ph SP SP ph W W ph SP W RX SP SP RX W W RX SP SP RX W Proces stabilny z tendencją do przeciąŝenia Proces stabilny z tendencją do redukcji wydajności Proces stabilny z nieznaczną tendencją do redukcji wydajności Proces niestabilny DUśE RYZYKO CAŁKOWITEGO ZAŁAMANIA FERMENTACJI DUśE RYZYKO ZNISZCZENIA BIOCENOZY FERMENTORA Proces stabilny z nieznaczną tendencją do redukcji wydajności PRZYPADEK SZCZEGÓLNY (wyst. przy dozowaniu odp. tłuszczowych) Proces niestabilny DUśE RYZYKO CAŁKOWITEGO ZAŁAMANIA FERMENTACJI

29 Stężenie i profil lotnych kwasów tłuszczowych (LKT) 9000 uv Kwas izobutrylowy Kwas butrylowy Kwas izowalerianowy Kwas n-walerianowy Kwas izokapronowy Kwas n-kapronowy sdt LKT_LB62650_46975-U_1_1.DATA Kwas heptanowy Badanie za pomocą GC - FID Kwas propionowy Kwas octowy ,8 TI ON 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6 6,2 6,4 6,6 6,8 7 7,2 TI OFF 7,4 RT[min] 7,6 7,8 kw. octowy : kw. propionowy 2 : 1

30 Współczynnik FOS/TAC i zasadowość Miareczkowa metoda oznaczania stęŝenia lotnych kwasów tłuszczowych (FOS) i zasadowości (TAC) Wartości 0,3 do 0,8 uznaje się za normatywne dla stabilnej fermentacji zaleŝnie od specyfiki zastosowanej technologii i składu dozowanych substratów Wartość FOS/TAC słuŝyć moŝe jako wskaźnik wielkości obciąŝenia (niedociąŝenia lub przeciąŝenia) procesu fermentacji metanowej

31 Sucha masa i sucha masa organiczna osadu fermentującego (przefermentowanego), oraz ChZT

32 Zmiany wartości MPR pod wpływem zmian: obciąŝenia fermentora, HRT i rodzaju substratu 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,

33 Po zakończeniu badań ciągłych (lub quasi-ciągłych) otrzymujemy następujące wskazówki: 1) Optymalny skład substratu (proporcje kosubstratów); 2) Wyniki analiz podstawowych substratów; 3) Optymalne obciąŝenie fermentora wyraŝone np. w [kg s.m.o./m 3 *d], (z gwarancją stabilnej fermentacji) oraz optymalne HRT (co umoŝliwia określenie wymaganej wielkości fermentorów); 4) Wyliczenie w skali roku niezbędnego zaopatrzenia w substraty oraz moŝliwe obliczenie wielkości zbiorników pofermentacyjnych; 5) Wydajność produkcji biogazu z 1 kg s.m.o. substratu (wartości najbardziej zbliŝone do wartości uzyskiwanych w biogazowni); 6) Wydajność produkcji biogazu i/lub metanu z 1 m 3 objętości roboczej fermentora w ciągu doby; 7) Stopień odfermentowania substratu; 8) Optymalną temperaturę procesu i częstotliwość dozowania substratu; 9) Informacje nt. koniecznej lub opcjonalnej SUPLEMENTACJI (dodatek mikroelementów, biokatalizatorów) lub WSTĘPNEJ OBRÓBKI SUBSTRATU a) Optymalizacja dozowania suplementów lub katalizatorów; 10) Opcjonalnie opis sposobu prowadzenia fermentacji dwuetapowej (z rozdzieleniem fazy hydrolizy i właściwej fermentacji); 11) MoŜna oznaczyć NPK, makro- i mikroelementy w osadzie pofermentacyjnym;

34 Uruchomienie biogazowni i serwis biotechnologiczny Kontrolowany strat i ciągły monitoring fermentacji w biogazowni Uruchamianie procesu fermentacji w biogazowni to bardzo newralgiczny moment. Pozostając pod kontrolą laboratorium i stosując 100 się do wytycznych wynikających z wyników P ro d u kacja b io g az u [% w yd ajn ości] pod kontrolą laboratorium czas bez kontroli laboratorium bieŝących analiz, układ szybciej dochodzi do maksimum swojej wydajności i pozostaje stabilny. Okresowym sprawdzeniom lub ciągłemu monitoringowi mogą podlegać np.: 1) Jakość dozowanych substratów; 2) ph osadu fermentującego; 3) Potencjał redox; 4) StęŜenie (FOS) i profil lotnych kwasów tłuszczowych; 1) Zasadowość (TAC); 2) Współczynnik FOS/TAC 3) StęŜenie azotu amonowego 4) ChZT w odcieku; 5) s.m. i s.m.o. osadu;

35 Dziękuję za uwagę.