Fermentacja

C/N=10:1-25:1 N/P/S=7:1:1 ChZT/N=400:7-1000:7 Optymalny skład wsadu C/N=10:1-25:1 N/P/S=7:1:1 ChZT/N=400:7-1000:7

Pozostałe substancje pokarmowe - rozpuszczalne formy K, Na, Fe, Mg, Ca - pierwiastki śladowe: Mo, Mn, Cu, Zn, Co, Ni, Se, W Dostępność pierwiastków śladowych może ograniczać obecność H2S w cieczy osadowej

Wilgotność substratów - fermentacja mokra – zawartość suchej masy do 15% - fermentacja półsucha – zawartość suchej masy ok. 20% - fermentacja sucha – maksymalna zawartość suchej masy 40%

Temperatura - ograniczenie temperatury: - odporność materiału biologicznego (denaturacja białka) - dezaktywacja enzymów

Substancje toksyczne obecne w surowcach - tlen - siarczany - kationy metali - metale ciężkie - niektóre związki organiczne (detergenty, pestycydy)

Produkty przemian – inhibitory procesu Kwasy lotne: - octowy - propionowy - masłowy

Wodór Rys. 5.9

Amoniak

Siarkowodór - działanie toksyczne - tworzenie trudno rozpuszczalnych związków z pierwiastkami śladowymi

Podstawowe parametry procesu fermentacji - szybkość fermentacji - stopień przereagowania - stabilność przemian

Hydrauliczny czas zatrzymania HRT=Vk/VD [d] Vk [m3] – objętość komory VD [m3/d] – objętość dobowa dopływu celuloza>hemicelulozy>białka>tłuszcze>węglowodany

Czas zatrzymania ciał stałych SRT=(Vk*Ck)/(V0C0) [d] Ck [kg/m3] – stężenie ciał stałych w objętości komory C0 [kg/m3] – stężenie ciał stałych w odpływie V0 [m3/d] – objętość dobowa osadów usuwana z komory - komora z pełnym wymieszaniem, z przepływem tłokowym SRT=HRT - reaktor z zatrzymaniem biomasy SRT>HRT - w efektywnych systemach SRT/HRT=3

ŁD=VD*CD [kg/d] CD [kg/m3] – stężenie ciał stałych w dopływie Ładunek dobowy ŁD=VD*CD [kg/d] CD [kg/m3] – stężenie ciał stałych w dopływie

Obciążenie komory ładunkiem OKŁ=(VD*CD)/Vk=(L*D)/Vk=CD/HRT [kg/(m3*d)]

Iloraz masy odpadów ulegających biodegradacji i masy mikroorganizmów B/M=VD*CD/(Vk*C0-Vk*CSNB) CSNB [kg/m3]– stężenie niebiodegradowalnych substancji organicznych

Stopień rozkładu substancji organicznych SRSO=(SD-S0)/SD SD – zawartość s.m.o. w dopływie S0 - zawartość s.m.o. w odpływie

Wydajność fermentacji - jednostkowa produkcja biogazu - efektywność fermentacji - szybkość produkcji biogazu

Jednostkowa produkcja biogazu JPB=G/ŁD [m3/kg s.m.o.] G [m3/d] – dobowa produkcja biogazu

Efektywność fermentacji Ge=G/Gmax Gmax [m3/d] – dobowa produkcja biogazu w warunkach optymalnych (wyznaczona laboratoryjnie)

Szybkość produkcji biogazu SPB =G/Vk [m3/(m3*d)] SPB=JPB*OKŁ

Warunki technologiczne procesu - wilgotność substratu (fermentacja sucha, półsucha, mokra) - temperatura fermentacji (fermentacja mezofilowa, termofiowa) - przepływ substncji (ciągły, okresowy) - liczba stopni fermentacji - sposób mieszania (mechaniczny, strumieniem gazu, perkolacją)

Typ reaktora - z pełnym wymieszaniem (technologie mokre) - o przepływie tłokowym (technologie suche) - perkolacyjne

Reaktory z pełnym wymieszaniem

Techniki mieszania - mieszadła mechaniczne - recyrkulacja zawiesiny - wewnętrzne mieszanie hydrauliczne - sprężonym gazem

Reaktory o przepływie tłokowym - zawartość s.m. 20-40% - konieczne zawracanie części odpadów w celu zaszczepienia - korzystne dla prowadzenia procesu w zakresie termofilowym

Reaktory perkolacyjne - działanie okresowe - rolę mieszania spełnia cyrkulacja wód procesowych - surowe odpady są zaszczepiane przefermentowanymi odpadami z innego reaktora

Technologie jednostopniowe

Obciążenie komory ładunkiem

Sprawność fermentacji

Zwiększenie wydajności fermentacji

Fermentacja sucha - zawarotść s.m. do 40% - duża produkcja biogazu na jednostkę pojemności reaktora

Przygotowanie odpadów do fermentacji - brak potrzeby usuwania frakcji ciężkich i lekkich - transport przy pomocy przenośników taśmowych, podajników ślimakowych i pomp do transportu bardzo lepkich cieczy

Obciążenie komór ładunkiem

Sprawność fermentacji

Technologie wielostopniowe Proces prowadzony w kilku bioreaktorach połączonych szeregowo, w których panują odmienne warunki środowiskowe Warianty: - w I reaktorze (upłynniającym) prowadzi się hydrolizę i fazę kwaśną, w II fazę octanogenną i metagenną - w I reaktorze wstępny rozkład substancji organicznych w warunkach termofilowych, a w II fermentacja mezofilową lub odwrotnie (fermentcja dwustopniowa, zmiennotemperaturowa)

Zalety perkolacji - tlenowy proces wymywania z odpadów substancji łatwo biodegradowalnych - możliwość przetwarzania odwodnionych odpadów na paliwo zastępcze - znaczne zmniejszenie masy odpadów - produkcja gazu w 2-4 dni - małe zapotrzebowanie terenu - modułowa konstrukcja instalacji - niskie koszty inwestycyjne, samowystarczalność energetyczna,niskie koszty eksploatacyjne

Technologie o działaniu okresowym

Sucha fermentacja okresowa

Zalety i wady technologii okresowych - tańsze rozwiązania reaktorów - wszystkie substraty mają ten sam czas przetrzymania - z reguły wymagane jest kilka reaktorów - wyższe koszty eksploatacji (personel, organizacja) - nierównomierność ilościowo-jakościowa produkcji biogazu - niekiedy niższy stopień rozkładu

Kofermentacja - odpady z rolnictwa lub przemysłu rolno-spożywczego - osady ściekowe - frakcja organiczna odpadów komunalnych - bioodpady zbierane selektywnie

Produkty procesu fermentacji - biogaz

Właściwości składników biogazu - Metan: gaz wysokoenergetyczny, nietoksyczny, bezwonny, lżejszy od powietrza, granica wybuchowości w powietrzu 5-15% - dwutlenek węgla – gaz inertny, bezbarwny, bezwonny, cięższy od powietrza - amoniak – gaz lżejszy od powietrza o specyficznym ostrym zapachu, powoduje łzawienie - siarkowodór – bezbarwny, toksyczny gaz, cięższy od powietrza, w niskich stężeniach wykazuje charakterystyczny zapach zgniłych jaj - gaz fermentacyjny jest nasycony parą wodną, kondensat ma silnie kwaśny odczyn (pH=1-4) i wykazuje dużą korozyjność

Wykorzystanie biogazu - produkcja energii cieplnej - produkcja energii elektrycznej - zasilanie sieci gazu ziemnego - produkcja paliwa do silników pojazdów - wykorzystanie w procesach technologicznych (np. produkcja metanolu)

Produkcja energii cieplnej - kotłownie gazowe

Produkcja energii elektrycznej - silniki spalinowe - turbiny gazowe - ogniwa paliwowe

Zasilanie sieci gazu ziemnego Usunięcie dwutlenku węgla, siarkowodorów, amoniaku i pary wodnej

Produkcja paliwa do silników pojazdów - sprężenie do ciśnienia 15-20 bar - odsiarczanie i usuwanie dwutlenku węgla przez wymywanie wodą - odwodnienie gazu metodą zmiennociśnieniową - usunięcie halogenowanych związków organicznych przez soprpcję na węglu aktywnym - sprężenie gazu do ciśnienia 250-350 bar

Oczyszczanie biogazu - zapobieganie korozji instalacji i urządzeń - spełnianie wymagań co do jakości biogazu

Odwadnianie i suszenie biogazu Wydzielenie skondensowanej wody: - filtry gruboziarniste (substancje stałe i skondensowana woda) - przegrody mikroporowate (siatki druciane, zatrzymywanie kropel wody) - cyklony - łapacze wilgoci (kondensacja i wydzialanie wody w wyniku ekspansji biogazu) - spusty wodne na gazociągu

Suszenie biogazu Etap I – zimne suszenie – schłodzenie i przepuszczenie przez mikroporowate przegrody Etap II – suszenie w suszarkach adsorpcyjnych - suszarki krzemionkowe (ewentualnie węgiel aktywny lub sita molekularne) - suszarki glikolowe

Usuwanie siarkowodoru - dawkowanie chlorku żelaza do komory fermentacyjnej - dawkowanie powietrza (tlenu) do systemu biogazu - adsorpcja na zasadowych złożach tlenków żelaza - absorpcja w roztworach substancji wiążących siarkowodór - procesy absorpcyjno-utleniające - adsorpcja na węglu aktywnym - złoża biologiczne

Usuwanie dwutlenku węgla - wymywanie w skruberach (sorpcja fizyczna lub chemiczna) - adsorpcja zmiennociśnieniowa - separacja membranowa

Inne zanieczyszczenia Halogenowane węglowodory - adsorpcja na węglu aktywnym Organiczne związki krzemu – absorpcja w rozpuszczalnikach organicznych

Materiał przefermentowany - zmniejszenie zawartości substancji organicznej - rozkład związków odorotwórczych - rozdrobnienie cząstek stałych - poprawa zdolności do odwadniania - częściowa lub całkowita higienizacja

Składniki odżywcze (N,P,K) Składniki odżywcze pozostają w większości w materiale przefermentowanym. Fermentat zawiera ok. 25% azotu dostępnego dla roślin i wykazuje wyższe pH niż surowiec.

Obróbka końcowa - odwadnianie - kompostowanie (stabilizacja tlenowa) - konfekcjonowanie

Ciecz osadowa - zawracanie do instalacji przygotowania zawiesiny - uzupełnianie wodą w celu zapobieżenia akumulacji soli - ścieki technologiczne można wykorzystywać jako ciekły nawóz, do nawadniania pryzm kompostowych lub kierować do oczyszczalni ścieków