BADANIA BIODEGRADACJI SUROWCÓW KIEROWANYCH DO BIOGAZOWNI Dr Magdalena Woźniak Politechnika Świętokrzyska Wydział Inżynierii Środowiska, Geomatyki i Energetyki Katedra Geotechniki, Geomatyki i Gospodarki Odpadami
Plan prezentacji 1. Wprowadzenie 2. Charakterystyka substratów do biogazowni 3. Metody badań substratów 4. Badania własne 5. Wnioski
Konieczność rozwoju i promowania OZE Rozwój odnawialnej energetyki w Polsce ma istotne znaczenie dla realizacji podstawowych celów polityki energetycznej naszego kraju. Zostało to podkreślone w jednym z najważniejszych dokumentów strategicznych - Polityce energetycznej Polski do 2030 roku przyjętej w 2009 roku przez Radę Ministrów. Wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE) jest szczególnie ważny przede wszystkim ze względu na: możliwości zwiększenia stopnia uniezależnia się od dostaw energii z importu, dywersyfikacji źródeł dostaw, stwarzania warunków do rozwoju energetyki rozproszonej bazującej na lokalnie dostępnych surowcach.
Wykorzystanie biogazu produkcja energii cieplnej w kotłach gazowych, produkcja energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach produkcja energii cieplnej i elektrycznej w kogeneracji (np. wykorzystując silniki tłokowe) pojazdy i silniki trakcyjne może stanowić paliwo, sieć gazowa po wzbogaceniu może być do niej wtłaczany produkcja metanolu (może być wykorzystywany również w innych procesach technologicznych)
Substraty dla biogazowni według Ustawy o OZE. Zgodnie z definicją zaproponowaną w projekcie Ustawy o odnawialnych źródłach energii z dnia 20 lutego 2015 roku biogaz rolniczy jest paliwem gazowym, otrzymywanym w procesie fermentacji metanowej surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów ubocznych lub pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia rolniczego lub biomasy leśnej, z wyłączeniem gazu pozyskiwanego z surowców pochodzących z oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów.
Odpady z przemysłu spożywczego wytłoki owocowe wytłoki winorośli serwatka wywar ziemniaczany wysłodziny browarniane Z produkcji roślinnej, uprawy roślin energetycznych kiszonki traw żyto kiszonki kukurydzy burak cukrowy lucerna słonecznik SUROWCE DO PRODUKCJI BIOGAZU Wysypiska śmieci, osady ściekowe osad ściekowy odpady z terenów zielonych odpady organiczne z wysypisk komunalnych odpady kuchenne, przeterminowane produkty spożywcze Odchody zwierząt gnojowica bydlęca gnojowica świńska obornik bydła obornik świński nawóz kurzy
uprawy roślin energetycznych 7
Przebieg procesu fermentacji 8
Istotne parametry procesu fermentacji Czynnikami mającymi wpływ na proces fermentacji są m.in.: temperatura, ph, zawartość suchej masy, czas przebywania substratu w komorze (hydrauliczny czas retencji), stosunek węgla do azotu, czynniki toksyczne (inhibitory), sposób mieszania wsadu,
Inhibitory procesu INHIBITORY WPROWADZANE Z SUBSTRATEM antybiotyki środki dezynfekujące rozpuszczalniki pestycydy sole metale ciężkie środki chwastobójcze POWSTAŁE PODCZAS FERMENTACJI amoniak siarkowodór
Metody obróbki wstępnej odpadów organicznych kierowanych do produkcji biogazu Wstępna obróbka mechaniczna Wstępna obróbka cieplna Wstępna obróbka chemiczna Wstępna obróbka biologiczna Wstępna obróbka enzymatyczna
Respirometryczne metody oceny jakości biomasy kierowanej do biogazowni Podstawą oszacowania efektywności procesu fermentacji metanowej w biogazowni może być badanie podatności substratów organicznych na mineralizację. Wśród szeregu metod oceniających podatność surowców organicznych na rozkład biologiczny wyróżnić można testy respirometryczne z podziałem na: metody tlenowe (bazujące na pomiarach zużycia tlenu lub produkcji ditlenku węgla) beztlenowe (mierzące ilość wytworzonego biogazu)
METODYKA BADAŃ Metody beztlenowe Ze względu na zasadę pomiaru biogazu, testy anaerobowe wykonywane są w kontrolowanych, optymalnych metanogennych warunkach. Najpopularniejszą metodą beztlenową jest pomiar potencjału gazotwórczego GB 21. Parametry próbki badawczej: masa 50 g, rozdrobnienie < 10 mm, dodatek 300 ml wody. Badanie polega na pomiarze ilości skumulowanego biogazu powstałego w ciągu 21 dni w temperaturze 35 C w warunkach beztlenowych.
METODYKA BADAŃ Metody tlenowe Metody badania ubytku O 2 dzielimy na: statyczne dynamiczne W metodach dynamicznych powietrze do Sapromat badanej próbki dostarczane jest w sposób ciągły. Limit ilości tlenu w komorze eksperymentalnej ma bezpośredni wpływ na uzyskanie miarodajnych wyników końcowych
Cel badań własnych 1. Przeprowadzenie badań podatności na rozkład biologiczny odpadów komunalnych 2. Porównanie wyników badań uzyskanych dwiema metodami respirometrycznymi tlenowymi: dynamiczną i statyczną (na podstawie badań własnych) 3. Określenie współzależności metod tlenowych i beztlenowych
Materiał pobrany do badań Materiał badawczy stanowiły zmieszane odpady komunalne pobrane z instalacji przemysłowej po procesie mechaniczno-biologicznego przetwarzania (MBP). Odpady skierowane do instalacji zawierały około 35 % części łatwodegradowalnych (odpady zielone, papier). Masa próbek badawczych wynosiła minimum 30 g przy wilgotności 40-50 %, (zgodne z niemieckimi wytycznymi OENORM S 2027-4,Standards Association of Germany, 2012).
Stanowisko badawcze Respirometr kompostowy Oxymax ER-10 stosowany do badania metodą dynamiczną aktywności oddechowej odpadów, gleb, kompostu ocena aktywności oddechowej dokonywana jest na podstawie pomiaru zawartości CO 2 i O 2 zakres pomiarowy czujników: CO 2 0% 0,9%, O 2 5% 25%.
Metodyka badań własnych W przeprowadzonych badaniach podatność na rozkład biologiczny odpadów komunalnych mierzono dwiema metodami respirometrycznymi tlenowymi: dynamiczną i statyczną. Dynamiczny wskaźnik respirometrii O 2 /96h badano za pomocą respirometru Oxymax ER-10 firmy Columbus Instruments, który służy do rejestrowania zmian ilości dwóch gazów: tlenu i ditlenku węgla. Jednocześnie na tych samych próbach prowadzono badania metodą statyczną w laboratorium akredytowanym przy użyciu Sapromatu, gdzie badano wskaźnik AT 4 zgodnie z procedurą OENORM S 2027-4 (Standards Association of Germany, 2012)
Wyniki badań własnych Próba* METODA BADAŃ tlenowa dynamiczna Wskaźniki zbadane tlenowa statyczna O 2 /96 h [mg O 2 / g s.m.] AT 4 [mg O 2 /g s.m.] 1 9,80 8,50 2 9,14 7,43 3 22,58 18,40 4 10,02 7,46 5 10,03 7,45 6 7,80 6,86 7 19,06 17,00 8 3,80 1,00 9 9,05 8,99 10 4,01 1,72 *próby do badań pobierano z instalacji przemysłowej w odstępach miesiąca
AT4 [mg O 2 / g s.m.] Wyniki badań własnych 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 O 2 /96h [mg O 2 /g sm.] R 2 =0,98 Rys. 1. Wyniki badań współczynnika korelacji parametrów O 2 /96 h i AT 4 dla odpadów po procesie MBP
Wyniki badań Wyniki pomiarów AT 4 i O 2 /96 h zinterpretowano na podstawie wytycznych dotyczących wymagań dla procesów kompostowania, fermentacji i mechaniczno-biologicznego przetwarzania odpadów. Zapotrzebowanie próbki na tlen mierzone metodą statyczną (AT 4 ) było niższe w porównaniu z metodą dynamiczną (O 2 /96 h). Podobne rezultaty otrzymali Scagalia i in., 2000 oraz Adani i in., 2004. Współczynnik korelacji Pearsona obliczony dla wartości indeksów respirometrycznych tlenowych O 2 /96 h i AT 4 wynosi 0,98. Oznacza to, że między metodami statyczną i dynamiczną istnieje silna korelacja dodatnia. Pomiary respirometryczne tlenowe trwają krócej niż beztlenowe, a ich wysoka dodatnia korelacja z metodami beztlenowymi może skłaniać do powszechnego wykorzystywania badań tlenowych oceniających podatność substratów na rozkład w biogazowniach.
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ