Energia odnawialna z fermentacji beztlenowej odpadów organicznych

ENERGIA ODNAWIALNA Z FERMENTACJI BEZTLENOWEJ ODPADÓW ORGANICZNYCH

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej (z dnia 30 maja 2003 r. DzU nr 54, poz 348/1997 – Prawo energetyczne) do energii wytwarzanej z odnawialnych źródeł zalicza się, niezależnie od parametrów technicznych, źródła energii elektrycznej lub cieplnej pochodzące ze źródeł odnawialnych, a w szczególności ze źródeł wytwarzających energię z biomasy.

Obecnie stosowana w UE, jest metoda beztlenowej fermentacji metanowej – tj. odzysku energii odnawialnej z biomasy odpadów, takich jak: roślinnych, ściekowych, gnojowych oraz wyselekcjonowanych odpadów organicznych z przemysłu spożywczego, zakładów gastronomicznych i ferm hodowlanych. Proces tej fermentacji przeprowadzany jest w chemoodpornych aparatach, tj. bioreaktorach, w których przebiega biochemiczny rozkład substancji organicznych.
Wytwarzany w beztlenowej fermentacji metanowej biogaz jest wykorzystywany w urządzeniach energetycznych, a poprocesowy osad zawiesinowy po osuszeniu jest humusem (kompostem) stosowanym do nawożenia w rolnictwie, ogrodnictwie itp.
Technologia beztlenowej fermentacji obejmuje:
- przygotowanie i przeróbkę odpadów stałych odpadów stałych (po usunięciu z nich kamieni, metali, szkła, tworzyw sztucznych itp.), polegającą na ich rozdrobnieniu i wymieszaniu z osadami płynnymi, które po zmiksowaniu tworzą płynny wsad do bioreaktora;
- podstawowy proces fermentacji beztlenowej;
- odwodnienie i osuszenie przefermentowanego osadu (humusu).
Na rys.1 ...
pokazano budowę i funkcję robocze bioreaktora fermentacji beztlenowej, w którym rozkład części organicznych przebiega w temperaturze od 35 do 400C, bez dostępu powietrza. Proces produkcji metanu jednej szarży odpadów przebiega w czasie 15 – 25 dni. Przy czym optymalna zawartość suchej masy odpadów organicznych wprowadzanych do bioreaktora w postaci uwodnionej „pulpy” wynosi od 12 - 14%.
W procesie fermentacji metanowej w zakresie temperatur mezofilowych, tj. 34 – 400C, związki organiczne są hydrolizowane na związki chemiczne proste oraz na biogaz, o składzie 64% metanu, 35% dwutlenku węgla i ok. 1% śladowych odpadów gazowych.







Technologia procesu mokrej fermentacji metanowej odpadów biodegradowalnych ...

Kompleksową technologię mokrej fermentacji odpadów organicznych pokazano na schemacie rys.2
Technologia ta obejmuje:
- stację dostawy odpadów z urządzeniami do rozdrabiania i przesiewania tylko tej części odpadów, które nadają się do przeróbki fermentacyjnej.
- Urządzenia załadunkowe odpadów do wodnego miksera, z którego utworzono pulpę odpadów wsadowych pompuje się do bioreaktora,
- Proces wytwarzania biogazu w bioreaktorze z odwadnianiem poprocesowego osadu, który po osuszeniu i konfekcjonowaniu ma właściwości humusu nawozowego,
- Poprocesowe ścieki są oczyszczone i odprowadzane do właściwych odbiorników,
- Wytworzony biogaz jest zasysany specjalną sprężarką bocznokanałową z bioreaktora do silnika na paliwo biogazowe, który napędza generator prądu elektrycznego, stanowiący biogazowy blok energetyczny,
- Odzyskiwane ciepło z chłodnicy silnika jest wykorzystywane do ogrzewania wody w obiegu zamkniętym, z którego woda gorąca o temperaturze ok. 400C, kierowana jest do nagrzewania bioreaktora,
- Gaz z bioreaktora gromadzony jest w osobnym zbiorniku,
- Awaryjnie biogazowy blok energetyczny jest napędzany gazem ziemnym z oddzielnej instalacji,
- W przypadku awarii silnika, biogaz jest spalany w pochodni w temperaturze 12000C, w której następuje rozpad dioksyn gazowych na tlen, azot i dwutlenek węgla,

Technologiczne parametry eksploatacyjne bioreaktora fermentacji metanowej wykonane w 2001 r.
(schemat funkcji bioreaktora fermentacji pulsacyjnej)

1. W procesie beztlenowej, mokrej fermentacji metanowej wytwarza się z 1000 kg organicznych odpadów około 100 m3 biogazu o składzie 65% metanu, 34% dwutlenku węgla i 1% gazów śladowych.
2. Z 1 m3 wytwarzanego biogazu uzyskuje się około: 1,9 kWh (kilowatogodzin) energii elektrycznej oraz 3,4 kWh energii cieplnej do ogrzewania wody w obiegu zamkniętym do temperatury 900C.
3. Czas nagrzewania udowodnionego wsadu w bioreaktorze wynosi przeciętnie 17 dni, przy 70 – procentowym rozpadzie węgla organicznego w procesie fermentacji mezofilowej.
4. Pojemność eksploatacyjna bioreaktora, wynosząca 500m3, wynika z masy odpadów organicznych pozyskiwanych z 200 000 mieszkańców.
5. Poprocesowe pozostałości, w postaci upłynnionych zawiesin gnilnych, ocenia się na 30% masy fermentowanych odpadów. Są one utylizowane na nawóz kompostowy.
6. Wyziewy urządzeń przeładunkowych odpadów są eliminowane w 98% w biofiltrze, co zapewnia odczuwanie zapachu wyziewów na dopuszczalnym poziomie.
7. Ścieki poprocesowe są oczyszczane w zakresie wymagań dotyczących odprowadzania ścieków do kanalizacji komunalnej. Oczyszczane ścieki wykorzystywane są również do procesów nawadniania odpadów przed wsadem do bioreaktora.


Wysoko wydajne bioreaktory fermentacji pulsacyjnej

Nowy system pulsacyjnego, intensywnego fermentowania, np. szlamu oczyszczalnianego, przebiega zgodnie ze schematem pokazanym na rys. 3 oraz rys. 4, następująco.
Po napełnieniu szlamem zbiornika wyrównawczego, umieszczonego nad przegrodami sitowym bioreaktora, włącza się pompę pulsacyjną przetłaczającą fermentowany szlam, przemiennie – w dół i w górę.
To pionowe przemieszczanie szlamu przez dziurkowane przegrody półkowe (sitowe), wzmagają wzrost mezofilowej fermentacji i wynikający z tego wzrost wytwarzanego biogazu.
Prezentowane na rys. 3, 4 i 5 technologie intensywnej fermentacji upłynnionych odpadów biodegradowalnych, wyróżniają się zaletami:
1. wysokim, bo aż 45 – procentowym stopniem biologicznego rozkładu substancji organicznych
2. skróconym czasem maksymalnej fermentacji, np. szlamu oczyszczalnianego, wynoszącym od 5 do 7 dni, podczas gdy fermentacja wyżej wymienionych szlamów w typowych zamkniętych komorach fermentacyjnych wynosi od 14 do 25 dni.
3. homogenizacją poprocesowego osadu, przy braku tworzenia się pian
4. małą powierzchnią urządzeń i instalacji.


Wysoka wydajność fermentacji jest uzyskiwana dzięki cyklicznemu, pulsacyjnemu zasysaniu i tłoczeniem, określonej pojemności szlamu mieszczącego się w zbiorniku wyrównawczym bioreaktora – przez trzy przegrody sitowe.
W ten sposób uzyskuje się bardzo dokładne warstwowe wymieszanie szlamu, powodujące zwiększoną wydajność fermentacji biogazowej. Wydajność ta jest trzykrotnie większa od wydajności osiąganej z bioreaktorów wyposażonych w tradycyjne mieszadła.


Zalety beztlenowej fermentacji odpadów

- energia odnawialna wytwarzana w bioreaktorze zmniejsza zapotrzebowanie na naturalne nośniki energetyczne, takie jak gaz ziemny, ropa naftowa i węgiel kamienny;
- poprocesowa masa zawiesin szlamowych, po utylizacji odwadniania, suszenia i konfekcjonowania, odznacza się bardzo dobrymi właściwościami nawozowymi;
- energetyczne przetwarzanie: płynnych, półpłynnych i stałych odpadów organicznych znacznie zmniejsza masę deponowanych odpadów na składowiskach komunalnych do ok. 35%;
- powierzchnia potrzebna do montażu urządzeń (bioreaktor, stacja przygotowania wsadu, urządzenia utylizacji kompostu nawozowego, aparatura kontrolno-pomiarowa, instalacje rurowe i elektryczne) jest ok. 30% mniejsza niż w urządzeniach tradycyjnych.

ZAKOŃCZENIE


Przedstawione w prezentacji technologie i niektóre parametry instalacji i urządzeń mokrej fermentacji odpadów organicznych charakteryzują się tym, że:
- wytwarzany biogaz, będący nośnikiem energii odnawialnej, wykazuje bardzo dobry skład metanu i dwutlenku węgla o wartości opałowej od 4,8 do 5,6 kWh/m3
- wytwarzany biogaz uznawany jest za odpowiednie paliwo do napędu 4-suwowych silników typu OTTO, za zapłonem iskrowym,
- końcowym zespołem roboczym biogazowni jest odpowiedni silnik gazowy z blokiem kogeneracji energetyczne,
- awaryjne wyłączenie instalacji wytwarzania biogazu może być zastąpione gazem ziemnym (rys.2 i 3)
Podkreśla się, że koszty biogazowej produkcji energii elektrycznej są znacznie niższe od kosztów zakupu tej samej energii z publicznych zakładów energetycznych.

Prezentowane instalacje na rys. 1,2,3,4,5 powinny być zawsze dostosowane do lokalnych warunków:

- w rolnictwiedo zagospodarowania upraw zielonych, tzn odpadów roślinnych: trawy, słomy, zboża, roślin okopowych oraz gnojówki, obornika, odpadów z owoców i warzyw, odpadów pogorzelniczych itp.,
- w gminach i przedsiębiorstwach komunalnych do zagospodarowania wyselekcjonowanych odpadów organicznych z osiedli domowych, zakładów gastronomicznych oraz z fermentacji osadów z oczyszczalni ścieków itp.

Wymienione odpady zawierają dużo wilgoci, co znacznie usprawnia wytwarzanie uwodnionej biomasy wsadowej, wykorzystywanej do jakościowej produkcji biogazu, będącego nośnikiem energii odnawialnej.