Produkcja biogazu w procesach fermentacji i ko-fermentacji

Transkrypt

1 PROGRAM STRATEGICZNY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII Produkcja biogazu w procesach fermentacji i ko-fermentacji Irena Wojnowska-Baryła, Katarzyna Bernat Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Katedra Biotechnologii w Ochronie Środowiska Olsztyn, ul. Słoneczna 45 G Gdańsk r. CENTRUM BADAŃ ENERGII ODNAWIALNEJ UNIWERSYTETU WARMIŃSKO-MAZURSKIEGO W OLSZTYNIE Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego 8, Tel. (089) cbeo@uwm.edu.pl

2 Fermentacja w układach wieloskładnikowych definiowana jest jako ko-fermentacja (współfermentacja). Jest proces beztlenowej biodegradacji mieszaniny z dwu lub więcej substratów pozwalającym na wyższy uzysk biogazu, niż w przypadku pojedynczych substratów.

3 Zalety współfermentacji: zwiększenie ilości łatwo dostępnego węgla, poprawa stosunku C:N:P w fermentowanej masie (za optymalny przyjmuje się 300:5:1), zbilansowanie składników mineralnych Na, K, Mg, Mn, lepsze wykorzystanie objętości komory fermentacyjnej, zwiększenie stopnia przefermentowania substratów.

4 Do wad ko-fermenatcji należą: konieczność doboru substratów, dobór rozwiązań technologicznych w tym: stopnia recyrkulacji odcieków i przefermentowanej masy, konieczność homogenizacji i higienizacji substratów, ryzyko rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń pochodzących z odpadów przemysłowych, odpadów kuchennych, i zielonych.

5 Zasadą ko-fermentacji jest przygotowanie mieszaniny substratów w taki sposób, aby uzyskać: konieczne uwodnienie masy fermentacyjnej (w technologii mokrej), wzbogacenie procesu substratami o wyższej wydajności produkcji biogazu niż odpady z produkcji zwierzęcej. Aby proces produkcji biogazu z substratów odpadowych (pochodzących z produkcji rolniczej, spożywczej) był wydajniejszy, stosuje się gnojowicę, obornik, wywary przemysłu spożywczego oraz wzbogaca się je substratem z roślin energetycznych lub odpadami zawierającymi tłuszcze (odpady poubojowe).

6 Ilość i udział metanu w biogazie zależą od składu chemicznego związków organicznych z 1 kg: węglowodanów powstaje średnio 0,42 m 3 CH 4, białek powstaje średnio 0,47 m 3 CH 4, tłuszczów powstaje średnio 0,75 m 3 CH 4. W przybliżeniu wsad energetyczny komory określa się: V(CH 4 ) = 0,35. (ChZT w ChZT o ). Q gdzie: V(CH 4 ) ChZT w ChZT o Q produkcja metanu m 3 /d, zawartość substancji organicznej we wsadzie do reaktora kg ChZT/kg s.m., zawartość substancji organicznej w masie po fermentacji kg ChZT/kg s.m., masowe natężenie przepływu m 3 /d.

7 Klasyfikując substraty odpadowe do następujących kategorii: odpady spożywcze, odpady poubojowe, gnojowica, do rozwiązań technologicznych zakłada się następujący skład mieszaniny fermentacyjnej: 25% gnojowica, 75% kiszonka, 68% kiszonka, 7% odpady poubojowe, 25% gnojowica, 77,5% wywar gorzelniany, 7% odpady poubojowe, 5,5% gnojowica, 68% odpady spożywcze, 7% odpady poubojowe, 25% gnojowica.

8 Odpady z produkcji zwierzęcej są powszechnie wykorzystywane do produkcji energii. Odchody zwierzęce nie zapewniają efektywnej produkcji biogazu ze względu na skład chemiczny cechujący się niedoborem węgla (czyli niskim stosunkiem węgla do azotu - C/N). W gnojowicy świńskiej C/N wynosi 6-8 i zależy od wieku zwierząt. Stosunek ten jest zbyt niski by fermentacja metanowa była efektywna. Podobne dane dotyczą sprawności fermentacji metanowej, gdy substratem jest gnojowica bydlęca.

9 Tabela 1. Produkcja biogazu (Ndm 3 ) z wykorzystaniem gnojowicy i roślinnej biomasy odpadowej (Wu i in. 2010) Stosunek Biogaz Słoma Kolby Słoma Gnojowica C/N pszeniczna kukurydzy owsiana świńska 16:1 Gaz 24,2 ± 3,2 CH 4 8,9 ± 2,6 50,1 ± 7,5 23,4 ± 3,8 47,5 ± 5,9 26,0 ± 4,2 7,2 ± 3,3 2,6 ± 2,1 20:1 Gaz 44,0 ± 5,7 CH 4 16,6 ± 4,3 81,7 ± 14,4 41,6 ± 12,1 60,8 ± 6,6 35,0 ± 4,3 7,2 ± 3,3 2,6 ± 2,1 25:1 Gaz CH 4 59,4 ± 7,4 25,3 ± 6,2 83,3 ± 10,9 44,2 ± 9,3 7,2 ± 3,3 2,6 ± 2,1

10 W badaniach * określono produktywność gazową następujących surowców roślinnych: kiszonka kukurydzy (K), kiszonka traw (T 1 ) - mieszanina traw: 80% życica wielokwiatowa westerwoldzka, 20% koniczyna perska, kiszonka traw (T 2 ) - mieszanina traw: 80% kupkówka pospolita, 20% życica trwała, lucerna, lucerna (L), ślazowiec pensylwański (S). Fot. 1. System pomiarowy OxiTop *(4.2.A. Metody wstępnego przygotowania surowca do fermentacji)

11 dm 3 /kg s.m. dm 3 /kg s.m.o. dm 3 /kg s.m. dm 3 /kg s.m.o. dm 3 /kg s.m. dm 3 /kg s.m.o. dm 3 /kg s.m. dm 3 /kg s.m.o. dm 3 /kg s.m. dm 3 /kg s.m.o. a) b) Produkcja biogazu w procesach fermentacji i ko-fermentacji czas pomiaru [d] c) 400 d) czas pomiaru [d] e) czas pomiaru [d] czas pomiaru [d] czas pomiaru [d] Rys. 1. Krzywe produkcji biogazu (GB 21 ); a) kukurydza (K), b) mieszanka traw (T 1 ), c) mieszanka traw (T 2 ), d) lucerna (L), e) ślazowiec pensylwański (S) (4.2.A. Metody wstępnego przygotowania surowca do fermentacji)

12 Tabela 2. Potencjalna produkcja biogazu z jednostki masy substratu 4.2.A. Metody wstępnego przygotowania surowca do fermentacji Produkcja biogazu Biomasa roślinna dm 3 kg s.m. dm 3 kg s.m.o. Kiszonka kukurydzy 230,0 252,5 Mieszanina traw (T 1 ) 237,9 298,3 Mieszanina traw (T 2 ) 342,7 386,9 Lucerna (L) 300,3 360,5 Ślazowiec pensylwański (S) 327,8 356,3

13 Tabela 3. Proporcje substratów wykorzystywanych do kofermentacji (4.2.A. Metody wstępnego przygotowania surowca do fermentacji) Substrat Ilość (t/d) %* Ilość (t/d) % Ilość (t/d) Obornik bydlęcy (O) 19,1 20,9 19,1 19,7 19,1 18,0 Wywar gorzelniany (W) 67,0 73,1 67,0 69,0 67,0 63,2 Kiszonka kukurydzy (K) 5,5 6,0 11,0 11,3 20,0 18,8 Razem 91, , ,1 100 * procentowy udział w mieszaninie %

14 dm 3 /kg s.m., dm 3 /kg s.m.o. dm 3 /kg s.m., dm 3 /kg s.m.o. dm 3 /kg s.m., dm 3 /kg s.m.o. Produkcja biogazu w procesach fermentacji i ko-fermentacji a) ,5 d b) czas pomiaru [d] c) d czas pomiaru [d] d dm 3 /kg s.m.o. dm 3 /kg s.m. czas pomiaru [d] Rys. 2. Produkcji biogazu (GB 21 ) mieszaniny obornika (O), wywaru gorzelnianego (W) oraz kiszonki kukurydzy (K) 4.2.A. Metody wstępnego przygotowania surowca do fermentacji a) 20,9% (O); 73,1% (W);6% (K) b) 19,7% (O);69,0% (W);11,3% (K) c) 18% (O); 63,2% (W); 18,8% (K)

15 Tabela 4. Parametry kinetyczne produkcji biogazu GB21 mieszaniny obornika, wywaru gorzelnianego oraz kiszonki kukurydzy Parameter Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 Max. produkcja biogazu etapu I dm 3 /kg s.m. 90,7 105,9 101,7 dm 3 /kg s.m.o. 122,6 141,3 131,1 I etap Stała szybkości produkcji biogazu (k 1 ) d -1 1,14 1,18 1,31 Czas etapu I (t 1 ) [d] 5,5 10,0 14,0 Szybkość produkcji biogazu (r 1 ) dm 3 /kg s.m. d 91,3 97,5 119,4 dm 3 /kg s.m.o. d 123,3 129,9 153,9 Max. produkcja biogazu etapu II dm 3 /kg s.m. 169,7 171,9 173,1 dm 3 /kg s.m.o. 229,3 229,2 223,04 II etap Stała szybkości produkcji biogazu (k 2 ) d -1 0,54 0,63 0,27 Czas etapu II (t 2 ) [d] 15,5 11,0 7,0 Szybkość produkcji biogazu (r 2 ) dm 3 /kg s.m. d 46,4 47,1 24,3 dm 3 /kg s.m.o. d 62,7 62,7 33,9

16 Najpowszechniej stosowanym rozwiązaniem technologicznym w przypadku biogazowi rolniczych/utylizacyjnych jest prowadzenie fermentacji metanowej w układzie jednostopniowym przy: hydraulicznym czasie zatrzymania (HRT) od 45 do 60 dni, obciążeniu objętości reaktora substancją organiczną (OLR) 1,8 do 2 kg/m 3 d, zawartości suchej masy w reaktorze 10%, temperaturze C. Ko-fermentacja wymaga rozbudowy instalacji o moduł do przygotowania substratów oraz moduł mieszania i hydrolizy substratów do fermentacji.

17 Tabela 5. Charakterystyka substratów surowcowych 4.2.C Fermentacja i współ-fermentacja odpadowej biomasy z przemysłu rolno-spożywczego oraz pozyskiwanej z dedykowanych upraw energetycznych Parametr Jednostka Kukurydza zwyczajna Obornik bydlęcy Wywar gorzelniany Sucha masa ogólna (s.m.) Sucha masa organiczna (s.m. org ) g/kg 418 (±5,81) 228,03 (±2,83) 71,37 (±1,49) g/kg 380,02 (±6,45) 87,93 (±1,95) 55,71(±1,63) Zawartość wody % 58,20 77,20 92,86 Supernatant: Amoniak mg/dm 3 7, Lotne kwasy tłuszczowe mg/dm ChZT mg/dm

18 Warunki technologiczne ko-fermentacji: reaktor okresowym o pełnym wymieszaniu, obciążenie komory ładunkiem związków organicznych (OLR) 1,65 g s.m.o./dm 3. d, hydrauliczny czas zatrzymania (HRT) 45 d. skład mieszaniny fermentacyjnej: kiszonka kukurydzy (K), obornik bydlęcy (O), wywar gorzelniany (W), stosunek K:O:W 6:21:73. Fot. 1. Fermentor laboratoryjny z pełnym wymieszaniem 4.2.C Fermentacja i współ-fermentacja odpadowej biomasy z przemysłu rolnospożywczego oraz pozyskiwanej z dedykowanych upraw energetycznych

19 Tabela 6. Wskaźniki zanieczyszczeń wód pofermentacyjnych 4.2.C Fermentacja i współ-fermentacja odpadowej biomasy z przemysłu rolno-spożywczego oraz pozyskiwanej z dedykowanych upraw energetycznych Parametr Jednostka kiszonka kukurydza obornik bydlęcy wywar gorzelniany Supernatant Odczyn ph 7,62 Zasadowość mval/dm mg CaCO 3 /dm Lotne kwasy tłuszczowe mg/dm ChZT mg/dm Amoniak mg N-NH 4 /dm Fosfor mg P/dm 3 37

20 Tabela 7. Charakterystyka odpadów pofermentacyjnych 4.2.C Fermentacja i współ-fermentacja odpadowej biomasy z przemysłu rolno-spożywczego oraz pozyskiwanej z dedykowanych upraw energetycznych Parametr Jednostka kiszonka kukurydza obornik bydlęcy wywar gorzelniany Sucha masa ogólna (s.m.) g/dm 3 42,40 Sucha masa organiczna (s.m.o.) Sprawność usuwania związków organicznych g/dm 3 29,13 % 60,7

21 Tabela 8. Produkcja biogazu w procesie kofermentacji 4.2.C Fermentacja i współ-fermentacja odpadowej biomasy z przemysłu rolno-spożywczego oraz pozyskiwanej z dedykowanych upraw energetycznych Parametr Jednostka kiszonka kukurydza obornik bydlęcy wywar gorzelniany Jednostkowa szybkość produkcji biogazu (r B ) Współczynnik wydajności biogazu (Y B ) Współczynnik wydajności metanu (Y M ) dm 3 /dm 3. d 1,07 dm 3 /g s.m.o. 0,65 dm 3 CH 4 /g s.m.o. 0,44 Metan % 68

22 Przykładowe rozwiązanie technologiczne z wykorzystaniem ko-fermentacji Surowce zasilające biogazownię to: kiszonka z kukurydzy, sianokiszonka, gnojowica pochodząca od bydła i trzody chlewnej, odpady przemysłu cukrowniczego. W ciągu doby mieszankę zasilającą instalację stanowiły średnio: 15 ton kiszonki z kukurydzy, 5 ton sianokiszonki, 25 ton gnojowicy, 1 do 6 ton odpadów z przemysłu cukrowniczego (w zależności od pory roku).

23 Rys. 3. Reaktor typu koło w kole: 1 komora fermentacyjna; 2 zbiornik pofermentacyjny; 3 system dozujący; 4 centralny system pompowania mieszaniny

24 Tabela 9. Produktywność instalacji do ko-fermentacji (Rudnicki, 2011) Ilość energii Skład gazu Ilość Energia Wyprodukowana Pobrana CH 4 O 2 CO 2 H 2 S surowca elektryczna do sieci elektryczna+ cieplna z sieci t kwh kwh kwh % % % ppm 51, ,08 0,8 46,0 84,0 57, ,08 0,8 45,0 34,0 60, ,08 0,9 42,0 44,0 32, ,7 1,0 43,8 46,0 51, ,0 0,8 42,0 84,0 61, ,5 0,9 46,3 40,8 27, ,8 0,8 44,6 36,0 19, ,9 1,0 44,6 61,0 51, ,7 0,8 44,7 35 Wartość średnia 50,84 0,76 45,72 47,8

25 Ko-fermentacja wymaga stosowania modułowego układu instalacji. W skład instalacji fermentacyjnej m. in. wchodzi: moduł przygotowania substratów, moduł do hydrolizy, reaktor fermentacyjny, moduł przechowywania przefermentowanej masy, system do recyrkulacji, system do wiązania azotu amonowego w wodach wydzielonych podczas zagęszczania, system do odwadniania masy przefermentowanej, układ kogeneracyjny.

26 Efektywność kofermentacji można zwiększyć poprzez: dobór substratów oraz sposób ich przygotowania, zastosowanie, w odpowiedniej proporcji, zaszczepienia masy poddawanej stabilizacji beztlenowej, dobór parametrów technologicznych, w tym hydraulicznego czasu zatrzymania (HRT), obciążenia objętości komory ładunkiem związków organicznych (OLR), sposobu prowadzenia fermentacji, stąd tak istotne są badania technologiczne, które dostarczają danych do projektowania i eksploatacji istniejących biogazowni.