XVII. Restauracyjne odpady kuchenne jako substrat do produkcji biogazu

Transkrypt

1 Współczesne Problemy Ochrony Środowiska XVII. Restauracyjne odpady kuchenne jako substrat do produkcji biogazu Kamil Kozłowski 1, Mateusz Jas 1, Wojciech Czekała 1, Marta Cieślik 2, Kamil Witaszek 1, Anna Smurzyńska 1 ; 1 Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Instytut Inżynierii Biosystemów, ul. Wojska Polskiego 50, Poznań, kamil.koz11@gmail.com 2 Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, ul. Wojska Polskiego 48, Poznań Streszczenie Każdego dnia produkowane są znaczne ilości odpadów kuchennych i restauracyjnych. Stanowią one odpad organiczny bogaty w węgiel oraz inne pierwiastki m. in: azot, fosfor i potas, którego potencjał często nie jest wykorzystywany. Oznacza to, że w procesach biologicznych takich jak kompostowanie lub fermentacja metanowa, mogą być doskonałym substratem energetycznym, a po przetworzeniu nawozem stosowanym do użyźniania ogródków działkowych lub pól uprawnych. Studenckie Koło Naukowe Ekoenergetyki działające na Uniwersytecie Przyrodniczym w Poznaniu postanowiło zebrać dane dotyczące ilości produkowanych odpadów oraz zbadać ich wydajność biogazową. Wyniki badań świadczą, że odpady kuchenne mogą być stosowane jako substrat do biogazowni, zmniejszając przy tym koszt ich unieszkodliwiania, natomiast produkcja biogazu z Mg świeżej masy wyniosła 122,8 m 3. Słowa kluczowe: fermentacja metanowa, biogaz, metan, odpady kuchenne 1. Wstęp Obecnie kwestie związane z zagospodarowaniem odpadów żywnościowych regulowane są przez ustawę o odpadach z dnia 14 grudnia 2012 r. Zgodnie z nią wszystkie zakłady obrotu żywnością, dotyczy to również placówek handlowych oraz gastronomicznych, zobowiązane są do podpisania umowy na odbiór odpadów z firmami posiadającymi odpowiednie uprawnienia, a także znajdującymi się w rejestrze działalności regulowanej w zakresie odbioru odpadów. Właściciele zakładów zobligowani są wypełnić deklaracje o wysokości opłaty za gospodarowanie odpadami komunalnymi, tzw. deklaracje śmieciowe [1]. Wypełnienie deklaracji pozwala określić, czy odpady produkowane przez klientów oraz pracowników poddawane będą selektywnej zbiórce. Niestety, w związku z wysokimi kosztami unieszkodliwiania odpadów żywnościowych, punkty gastronomiczne bardzo często pozbywają się ich w sposób niekontrolowany. Stanowi to problem z gromadzeniem dokładnych danych oraz utrudnia prawidłową gospodarkę odpadami. W przypadku odpadów kuchennych znaczący problem stanowi ich duża produkcja przy jednoczesnym braku możliwości alternatywnego zagospodarowania. Tego rodzaju odpady powinny zostać poddane procesom biologicznego przetwarzania odpadów takim jak: kompostowanie, czy fermentacja metanowa [2,3]. Właściciele restauracji, w dużej większości nie są zwolennikami segregacji odpadów, dlatego wszystkie ich rodzaje najczęściej trafiają do jednego pojemnika, co utrudnia poddanie ich odzyskowi. Kolejnym problemem dotyczącym odpadów kuchennych jest ich niekontrolowany rozkład, któremu towarzyszy wydzielanie się odorów. Na problem odpadów żywnościowych zwraca uwagę również Unia Europejska. Według danych zawartych w raporcie Komisji Europejskiej z 2010 roku, w 27 państwach Unii Europejskiej powstało rocznie ok. 90 mln Mg odpadów żywnościowych, z czego 12,3 mln Mg stanowiły odpady restauracyjne [4]. W tym samym czasie w Polsce powstało ok. 9 mln Mg odpadów żywnościowych, na które składało się ponad 6,5 mln Mg odpadów z przemysłu spożywczego, ok. 2 mln Mg odpadów z gospodarstw domowych oraz ok. 350 tys. Mg odpadów z usług kulinarnych [5].

2 168 Współczesne Problemy Ochrony Środowiska Cel projektu Celem projektu Studenckiego Koła Naukowego Ekoenergetyki było przebadanie odpadów kuchennych ze Stołówki Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu pod względem wydajności biogazowej, następnie oszacowanie ilości energii elektrycznej i ciepła, które w wyniku fermentacji metanowej można z nich uzyskać oraz oszczędności, jakie może przynieść takie działanie. Drugim istotnym celem było określenie ilości produkowanych w/w odpadów. Aby projekt miał szerszy zakres, oprócz danych dotyczących resztek pożywienia ze Stołówki Uniwersytetu Przyrodniczego, zebrane zostały dodatkowe informację o ilości produkowanych odpadów z 8 okolicznych restauracji i stołówek, w których jadają studenci. Ze względu na chęć przeprowadzenia niezależnych i obiektywnych badań, zdecydowano się nadać poszczególnym restauracjom symbole zamiast nazw. Pozwoli to zachować anonimowość (tabela 2.1.). Tabela Ilość produkowanych dziennie oraz miesięcznie odpadów w poszczególnych stołówkach/ restauracjach L.p. Nazwa stołówki/restauracji Dzienna ilość produkowanych odpadów żywnościowych [kg] Miesięczna ilość produkowanych odpadów żywnościowych [kg] 1. A B C D E F G H I Suma Metodyka projektu 3.1 Opis pobranego materiału Materiał badawczy zebrany został przez pracowników Stołówki Studenckiej Uniwersytetu Przyrodniczego Poznaniu 5 maja 2014 r. Przez cały dzień, do plastikowego 10-litrowego pojemnika, odkładane były wszystkie resztki pożywienia pozostawiane przez klientów stołówki. Odpady kuchenne składały się przede wszystkim z pozostałości surówek (buraki, czerwona i biała kapusta, marchew) i ziemniaków. Zaobserwowano również nieznaczne ilości pieczonego mięsa. 3.2 Pobieranie próbek Zebrane pozostałości zostały poddane homogenizacji i dokładnemu rozdrobnieniu w młynku kuchennym w celu uzyskania jednorodnej masy pozwalającej na pobranie reprezentatywnych próbek. W materiale oznaczono: ph konduktywność, sucha masa,

3 sucha masa organiczna i popiół Pomiar wartości ph i konduktywności Współczesne Problemy Ochrony Środowiska W celu dokonania pomiaru wartości ph i konduktywności odważono 20 g badanego materiału, dodano 180 g wody destylowanej uzyskując roztwór wodny. Po odczekaniu 30 minut dokonano pomiarów, do których wykorzystane zostało urządzenie wielofunkcyjne CPC-411 firmy Elmetron. Pomiaru ph dokonano w oparciu o normę PN-90/A , natomiast konduktywność zgodnie z normą PN-EN 27888: Oznaczenie zawartości suchej masy Oznaczenie zawartości suchej masy wykonano metodą suszarkową, pobierając trzy reprezentatywne próbki, ważąc je i poddając procesowi suszenia w temperaturze 105 o C przez 24 h zgodnie normą PN-75 C-04616/ Oznaczenie suchej masy organicznej i popiołu Po oznaczeniu suchej masy, próbki umieszczone zostały w piecu muflowym, w temperaturze 550 o C na trzy godziny, w celu oznaczenia zawartości suchej masy organicznej i popiołu według zmodyfikowanej normy PN-Z Badania wydajności biogazowej Badanie wydajności biogazowej pozostałości kuchennych zostało wykonane w Pracowni Ekotechnologii działającej przy Instytucie Inżynierii Biosystemów na Uniwersytecie Przyrodniczym w Poznaniu. Pomiarów dokonano zgodnie z obowiązująca niemiecką normą DIN /S8. Fermentacje założone zostały w trzech rektorach będących częścią 21-reaktorowego stanowiska badawczego wykonanego przez pracowników Pracowni (rys 3.1). Analiza gazowa przeprowadzana była codziennie analizatorem gazowym GA5000, firmy Geotech i obejmowała pomiar następujących gazów: CH 4, CO 2, NH 3, O 2, H 2 S. Rys Stanowisko fermentacyjne: 1 ogrzewacz wody z regulatorem temperatury, 2 pompa wodna, 3 przewody cieczy ogrzewającej, 4 płaszcz wodny, 5 biofermentor o pojemności 1,8 dm3, 6 zawór do pobierania prób wsadu, 7 przewód odprowadzający biogaz, 8 zawór do pobierania prób gazu, 9 wyskalowany zbiornik na biogaz

4 170 Współczesne Problemy Ochrony Środowiska Metody obliczeń ekonomicznych Dla obliczeń przychodów ze sprzedaży energii elektrycznej i ciepła oraz produkcji energii z OZE, przyjęto następujące wzory i dane przedstawione poniżej: Objętość wytworzonego metanu w ciągu roku V CH4 = masa odpadów [t/miesiąc] x produkcja metanu [m 3 /t św. m.] x 12 miesięcy (3.4.1.) Ilość energii elektrycznej wyprodukowanej w kogeneracji = 4 0,009 0,4 (3.4.2.) Ilość ciepła wyprodukowanego w kogeneracji = 4 0,009 0,45 (3.4.3.) = [ h/ ] 0,274 (3.4.4.) 4 - Objętość wytworzonego metanu w ciągu roku [m 3 /rok], - Ilość energii elektrycznej wyprodukowanej w kogeneracji [MWh/rok], Ilość ciepła wyprodukowanego w kogeneracji [MWh/rok], Ilość ciepła wyprodukowanego w kogeneracji [GJ/rok], * 1 m 3 CH 4 = 9 kwh = 0,009 MWh, ** Sprawność elektryczna agregatu kogeneracyjnego przyjęto na poziomie 40%, *** Sprawność cieplną agregatu kogeneracyjnego przyjęto na poziomie 45%, **** 1 GJ = 0,274 MWh. Przychód ze sprzedaży energii elektrycznej i ciepła wyprodukowanego w kogeneracji = (3.4.5.) = (3.4.6.) Ż = Żół (3.4.7.) = ł (3.4.8.) hó = + + Ż + [zł/rok] (3.4.9.) - przychód roczny za sprzedaż energii elektrycznej [zł/rok], przychód roczny za sprzedaż zielonych certyfikatów [zł/rok], Ż - przychód roczny za sprzedaż żółtych certyfikatów [zł/rok], przychód roczny za sprzedaż ciepła [zł/rok].

5 Współczesne Problemy Ochrony Środowiska Tabela 3.1. Przyjęte do obliczeń ceny świadectw pochodzenia oraz sprzedaży energii elektrycznej i ciepła Cena Jednostka Zielony Certyfikat 200 zł/mwh Żółty Certyfikat 104 zł/mwh Energia elektryczna 181 zł/mwh GJ ciepła 50 zł/gj 4. Wyniki badań i dyskusja 4.1 Wydajność biogazowa oraz przebieg procesu fermentacji Zebrany materiał badawczy charakteryzował się zawartością suchej masy na poziomie ok. 18,5%. Zawartość suchej masy organicznej i popiołu ustalona została na poziomie 94,35% suchej masy. Według danych literaturowych średnia zawartość suchej masy w resztkach pożywienia może mieścić się w granicach od 9 do 37%, natomiast zawartość suchej masy organicznej od 75 do 98% [7,8,9]. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że w wyniku procesu fermentacji metanowej biogaz uzyskuje się z materii organicznej. Wysoka zawartość łatwo rozkładalnej substancji organicznej, może powodować ryzyko zakwaszenia reaktora biogazowni. Wartość ph zebranych odpadów kuchennych określona została na poziomie 5,69, natomiast konduktywności wyniosła 2,2 ms. Po dodaniu do próby zaszczepki fermentacyjnej zawierającej mikroorganizmy, w/w parametry wzrosły do poziomu odpowiednio do 7,77 i 16,65 ms. Proces fermentacji badanych pozostałości trwał 20 dni (rys.4.1.). Największą produkcje biogazu można zaobserwować w ciągu pierwszych 8 dni. Z badań przeprowadzanych przez innych naukowców wnioskuje się, że hydrauliczny czas retencji (HRT) odpadów żywnościowych w komorze fermentacyjnej może wynosić od 13 do 30 dni [10, 11]. Szybki czas retencji (HRT) świadczy o dostępie bakterii do łatwo rozkładalnej materii organicznej. Procentowy udział metanu oraz ilość produkowanego biogazu dowodzi, że substrat składał się przede wszystkim z białek i węglowodanów [6]. Rys Przebieg procesu fermentacji odpadów kuchennych

6 172 Współczesne Problemy Ochrony Środowiska 2015 W czasie przeprowadzonej fermentacji beztlenowej (19 dni) z odpadów kuchennych w zamkniętym reaktorze otrzymano 19,34 dm 3 biogazu (rys. 4.2.), z czego 11,25 dm 3 stanowił skumulowany metan. Rys Produkcja biogazu w reaktorze z odpadów kuchennych Dostępne źródła literaturowe podają, że resztki pożywienia i odpady kuchenne cechują się uzyskiem biogazu z Mg świeżej masy i suchej masy organicznej na poziomie odpowiednio m 3 /Mg św. m. oraz m 3 /Mg s.m.o. [7,8,12,13]. Procentowa zawartość metanu w biogazie kształtuję się na poziomie 45-61% [7,8]. Przeprowadzone przez Koło Naukowe Ekoenergetyki badania i wyliczenia wykazały, że odpady kuchenne ze Stołówki Studenckiej Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu charakteryzują się ogólną produkcją biogazu na poziomie 122,80 m 3 /Mg świeżej masy. Produkcja metanu z Mg świeżej masy substratu kształtuję się na poziomie ok. 73,5 m 3, wynika z tego, że procentowa zawartość metanu w biogazie wynosi 59,90%. Natomiast produkcja biogazu i metanu z Mg suchej masy organicznej resztek pożywienia wyniosła odpowiednio 703,54 m 3 oraz 421,63 m Analiza ekonomiczna i obliczenia Z megagrama odpadów kuchennych uzyskano 122,80 m 3 biogazu, w tym 73,60 m 3 metanu. Z kg odpadów żywnościowych, wytwarzanych miesięcznie w 9 restauracjach, można uzyskać, więc 1 457,28 m 3 metanu rocznie. V CH4 = 1,65 Mg/miesiąc x 73,60 m 3 /Mg św. m. x 12 miesięcy = 1 457,28 m 3 CH 4 /rok Z podanej wyżej ilości metanu można wyprodukować rocznie 5,25 MWh energii elektrycznej i 5,90 MWh (21,54 GJ) ciepła. E E = 1457,28 m 3 CH 4 /rocznie x 0,009* x 0,4 = 5,25 MWh / rok Po obliczeniach otrzymuję się następującą wartość: E T = 1457,28 m 3 CH 4 /rocznie x 0,009 x 0,45 = 5,90 MWh/rok E TGJ = 5,90 MWh/rok / 0,274 = 21,54 GJ/rok

7 Współczesne Problemy Ochrony Środowiska Przychód: Szacowany przychód z tytułu sprzedaży w/w energii i ciepła do sieci, tylko dla 9 restauracji, wynosi 3 623,25 zł/rocznie. 5. Podsumowanie i wnioski 1. Odpadki kuchenne mogą być substratem do biogazowni, zmniejszając tym samym koszty ich unieszkodliwiania. 2. Produkcja biogazu z odpadów restauracyjnych wynosi 122,80 m 3 /Mg świeżej masy, a metanu 73,5 m 3 /Mg świeżej masy. 3. Roczny przychód ze sprzedaży energii elektrycznej i ciepła mógłby wynieść 3 623,25 zł. 4. W kalkulacji przeprowadzone zostały tylko obliczenia przychodów, nieuwzględnione zostały koszty instalacji oraz transportu. Literatura 1. Ustawa o odpadach z dnia 14 grudnia 2012 r. (Dz.U.2013 poz.21); 2. Wojciech Czekała, Kamil Witaszek, Pablo César Rodrigez Carmona, Mieczyław Grzelak. Instalacje do przemysłowego kompostowania bioodpadów: wady i zalety, [w:] Technika ogrodnicza i leśna, 2013; 3. Jędrczak Andrzej, Biologiczne przetwarzanie odpadów, PWN. Warszawa 2008; 4. European Commission (DG ENV), Directorate C Industry Preparatory study on food waste across EU 27; 5. Sapek A., Rozpraszanie składników nawozowych z żywności traktowanej, jako odpad, [w:] Water-Environment-Rural Areas, 2013; 6. DIN (1985): Bestimmung des Faulverhaltens Schlamm und Sedimente. Beuth Verlag, Berlin; 7. KTBL Arbeitspapier 249 Kofermentation, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft KTBL; Darmstadt 1998; 8. Schattner, S.; Gronauer, A., Methanbildung verschiedener Substrate Kenntnisstand und offene Fragen, [w:] Gülzower Fachgespräche, tom 15: Energetische Nutzung von Biogas: Stand der Technik und Optimierungspotenzial, Podkówka Witold, Biogaz rolniczy odnawialne źródło energii. Teoria. Praktyczne zastosowanie, PWRiL, 2012; 10. Rongping Li, Shulin Chen, Xiujiu Li.. Biogas Production from Anaerobic Co-digestion of Food Waste with Dairy Manure in a Two-Phase Digestion System, [w:] Humana Press, 2009;

8 174 Współczesne Problemy Ochrony Środowiska Jung Kon Kim, Baek Rock Oh, Young Nam Chun, Si Wouk Kim., Effects of Temperature and Hydraulic Retention Time on Anaerobic Digestion of Food Waste, [w:] The Society for Biotechnology, 2006; 12. Cho, J.K., Park, S.C., Biochemical methane potential and solid state anaerobic digestion of Korean food wastes, [w:] Bioresource Technology, 1995; 13. Ruihong Zhang, Hamed M. El-Mashad, Karl Hartman, Fengyu Wang,Guangqing Liu, Chris Choate, Paul Gamble, Characterization of food waste as feedstock for anaerobic digestion. Bioresource Technology, 2007.