Dobrze zaprojektowana i prowadzona instalacja, mająca na celu odzysk energii w postaci biogazu, powinna przynosić zakładom gospodarki odpadami mierzalne korzyści finansowe. Na co należy zwrócić szczególną uwagę?

W ramach gospodarowania odpadami oprócz odzysku surowców konieczne jest przetwarzanie frakcji biologicznej odpadów. Jednym z wariantów biologicznego przetwarzania odpadów jest proces beztlenowy, popularnie zwany metanizacją.

W przeciwieństwie do procesu tlenowego, zwanego kompostowaniem, proces beztlenowy oferuje dodatkowo odzysk energii w postaci powstającego w procesie biogazu.

Biogaz składa się głównie z metanu (CH4) w ilości 50-60% oraz dwutlenku węgla (CO2). Fermentacja metanowa jest naturalnym procesem, w którym uczestniczą drobnoustroje (bakterie), używające związków organicznych do wzrostu.

Cztery etapy procesu

Metanizacja przebiega w czterech, następujących po sobie etapach: hydrolizie, kwasogenezie, acetogenezie i metanogenezie.

W pierwszym etapie duże cząstki lub polimery (tłuszcze, białka i węglowodany) są „dzielone” na cząstki prostsze monomery (kwasy tłuszczowe, aminokwasy, cukry proste). Proces hydrolizy jest tym dłuższy, im cząsteczki są bardziej złożone. Niektóre cząstki, np. lignina, nie ulegają degradacji przez bakterie. Inne, np. włókna celulozy, ulegają bardzo długiej degradacji.

Drugi etap polega na przemianie cząstek wyprodukowanych podczas hydrolizy. W tym etapie produkowane są przede wszystkim kwasy tłuszczowe (kwas octowy, kwas propionowy, kwas masłowy), wodór i dwutlenek węgla. Proces acetogenezy z kolei umożliwia przetworzenie związków z poprzedniej fazy na związki poprzedzające powstanie metanu: kwas octowy, dwutlenek węgla oraz wodór. W ostatnim etapie następuje synteza metanu, który uzyskiwany jest z dwóch produktów końcowych poprzednich reakcji.

W pierwszej reakcji bierze udział CO2/H2 produkujący metan (CH4) oraz wodę (H2O) – w reakcji tej jest zużywany wodór, który został wyprodukowany w poprzednim etapie. Ma to podstawowe znaczenie dla prawidłowego przebiegu procesu.

W drugiej reakcji w procesie produkcji metanu i CO2 bierze udział kwas octowy. Ta ostatnia reakcja jest najważniejsza, ponieważ odpowiada za 70% produkcji metanu.

Prawidłowy przebieg reakcji, czyli produkcji metanu, zależy od równowagi między kolejnymi etapami. Stąd czasami rozdziela się poszczególne etapy na kilka reaktorów. Jednak najbardziej popularne są pojedyncze reaktory, w których kolejne fazy fermentacji metanowej przebiegają w poszczególnych odcinkach.

Pod względem temperatury, w której prowadzony jest proces, wyróżnia się fermentację mezofilową (35-37°C) i termofilową (53-56°C). Z kolei biorąc pod uwagę zawartość suchej masy we wsadzie, proces dzieli się na fermentację mokrą i suchą. W przypadku biogazowni rolniczych dominują mokre i mezofilowe procesy. Odwrotnie sytuacja wygląda w przypadku biogazowni przemysłowych, gdzie przeważają termofilne suche fermentacje.

Fermentacje przemysłowe

Zarówno powstające, jak i już eksploatowane biogazownie przemysłowe ukierunkowane są na przetwarzanie frakcji biodegradowalnej, wydzielanej ze zmieszanych odpadów komunalnych. Składają się one z kilku podstawowych modułów: przygotowanie wsadu, zasilanie komór fermentacyjnych i komór fermentacyjnych z układem ogrzewania i mieszaniem, ekstrakcja pofermentatu, odwadnianie, przygotowanie biogazu i kogeneracji oraz ujmowanie i oczyszczanie powietrza procesowego.

Z uwagi na morfologię frakcji biodegradowalnej wydzielanej ze zmieszanych odpadów komunalnych konieczne jest jej doczyszczenie przed podaniem do komór fermentacyjnych. Notowane ilości szkła i elementów ciężkich na poziomie 30-40% mogłyby zniszczyć instalację fermentacji. Dopuszczalna zawartość inertów wynosi poniżej 8-10%. Również frakcja drobna, zawierająca (zwłaszcza w okresie zimowym) dużo popiołów, jest niepożądana do fermentacji ze względu na właściwości ścierne. Do oczyszczenia frakcji wydzielanej podczas mechanicznego przetwarzania odpadów stosuje się zwykle układ przenośników taśmowych wraz z sitem o oczku od 8 do 15 mm, najczęściej typu flip-flop, oraz sortowniki balistyczne. Wykorzystując pęd materiału, separatory te odbijają go od poprzecznej blachy, rozdzielając na frakcję ciężką, toczącą się oraz lekką, płaską. Materiał następnie spada na pochylony skośnie przenośnik, który zabiera doczyszczoną frakcję stanowiącą wsad do komór fermentacyjnych. Z kolei frakcja balastowa spada po nim w dół. Z uwagi na wspomnianą wysoką zawartość inertów, skuteczność rozwiązań nie jest całkowicie satysfakcjonująca, a doczyszczanie powoduje utratę strumienia materiału mogącego stanowić wsad do komór. Z obserwacji wynika, że doczyszczona frakcja biodegradowalna nadająca się do fermentacji stanowi 28-35% masy zmieszanych odpadów komunalnych przywożonych do zakładów zajmujących się ich zagospodarowaniem. W związku z powyższym poszukuje się innych metod doczyszczania frakcji. Nacisk powinien być położony również na zbiórkę selektywną u źródła, aby ograniczyć ilość szkła, kamieni, materiałów budowlanych czy popiołów w strumieniu zmieszanych odpadów komunalnych.

Komory fermentacyjne

Z uwagi na to, że fermentacja jest procesem biologicznym i wymaga zabezpieczenia podawania pożywki dla bakterii, w instalacjach wykonuje się zbiorniki buforowe. Magazynowanie pośrednie jest również zasadne z racji tego, że sortownie odpadów pracują zwykle na dwie zmiany, przez 5-6 dni w tygodniu. Nie pracują w dni wolne, a procesy, w które są zaangażowane mikroorganizmy, wymagają dostarczania niezbędnych substancji odżywczych w sposób ciągły. Wsad z buforów podawany jest do komór automatycznie poprzez nadawę z wagą, układ przenośników i podajniki śrubowe. Osobnymi rurociągami zawracane są odcieki, odpady płynne czy zaszczep. Spotyka się również wstawienie mieszalnika ślimakowego przed komorą, do którego trafiają wspomniane składniki, gdzie ulegają wymieszaniu i ujednoliceniu, po czym podawane są do komór pompami tłokowymi. Niezależnie od rozwiązania układ podawania powinien zapewnić stabilność zasilania komór.

Spośród możliwych orientacji komór fermentacyjnych, pionowej lub poziomej, w warunkach polskich sprawdziły się tylko horyzontalne. Funkcjonują one w trybie ciągłym na zasadzie przepływu tłokowego, który wymuszany jest zasysaniem na końcu komory. Jednolitość wsadu zapewnia mieszanie. W zależności od technologii stosowane jest jedno wolnoobrotowe mieszadło wzdłuż całej komory albo kilka mieszadeł ustawionych w poprzek. Mieszanie powinno ograniczać do minimum martwe strefy, stąd ważny jest również przekrój komory, np. okrągły. Warto ponadto zwrócić uwagę na liczbę i rodzaj elementów wymienialnych, takich jak łożyska wewnątrz komór. Jakakolwiek inspekcja wiąże się z zatrzymaniem procesu, całkowitym opróżnieniem i ponownym zaszczepieniem, co wymaga od 4 do 6 miesięcy.

Komory fermentacyjne muszą być zabezpieczone przed nadmiernym wzrostem ciśnienia biogazu w jej wnętrzu. Oprócz pochodni spalającej awaryjnie powszechnie stosowane są zabezpieczenia hydrauliczne i dyski bezpieczeństwa.

Z uwagi na fakt, iż proces fermentacji wymaga zapewnienia stałych temperatur, komory ogrzewane są siecią rurociągów i lanc z gorącą wodą w zamkniętym obiegu, pochodzącą zazwyczaj z kogeneracji spalającej uzyskany biogaz.

Po przejściu odpadów przez komory fermentacyjne odbywa się ich ekstrakcja. Zasysany materiał, za pomocą pop tłokowych albo systemu podciśnieniowo-nadciśnieniowego, podawany jest na prasy celem odwodnienia. W wyniku prasowania powstaje odwodniony pofermentat o zawartości wody 50-60% i odciek o suchej masie poniżej 20%. Aby zmniejszyć zawartość suchej masy w odciekach celem ich recyrkulacji do komór, stosuje się II stopień odwadniania za pomocą wirówki albo hydrocyklonu. Po tej operacji zakładana zawartość suchej masy w odcieku powinna wynosić do 10%.

Odzysk biogazu

Uzyskany w procesie fermentacji biogaz może być poddany odzyskowi energetycznemu poprzez spalenie z uzyskaniem prądu i ciepła w jednostkach kogeneracyjnych albo wprowadzony do sieci gazowniczej. W Polsce obecnie spotyka się pierwszy sposób postępowania. Drugi jest popularny np. w Niemczech.

Biogaz przed podaniem do jednostek kogeneracyjnych wymaga oczyszczenia i uzdatnienia. Pierwszym zagrożeniem, które trzeba wyeliminować, jest zawartość siarkowodoru. Z uwagi na specyfikę odpadów komunalnych i wsadu stężenie to w surowym biogazie mogłoby zakłócać proces, dlatego stosuje się już odsiarczanie chemiczne bezpośrednio w komorach fermentacyjnych. Dostępne środki, niezależnie od tego, czy są w postaci płynnej, czy stałej, bazują na żelazie i reakcji strącania siarki do trudno rozpuszczalnych osadów. Po redukcji chemicznej biogaz uzdatnia się jeszcze na II stopniu odsiarczania. Tutaj z kolei stosowane są rozwiązania oparte na płuczkach biologicznych albo na adsorpcji, np. na węglu aktywnym.

Oprócz pozbycia się siarkowodoru uzdatnianie biogazu składa się z operacji mających na celu zapewnienie parametrów zgodnych z wymaganiami stawianymi przez dostawców jednostek kogeneracyjnych. Wśród zabiegów wyróżnia się suszenie poprzez następujące po sobie schłodzenie i podgrzanie gazu, z odprowadzeniem powstałego kondensatu, czy sprężanie. W skład ścieżki biogazowej wchodzą również analizatory online metanu i siarkowodoru. Powszechnie stosuje się także zbiorniki na biogaz.

Uzdatniony biogaz podawany jest do kogeneratorów. W wyniku spalenia w silnikach powstaje prąd elektryczny oraz ciepło. Ciepło odzyskiwane z procesu najczęściej magazynowane jest w postaci zbiornika z gorącą wodą i wykorzystywane do ogrzewania komór fermentacyjnych czy nawet całych zakładów zajmujących się zagospodarowaniem odpadów, tak jak w ZGO Gać. Jeśli z ciepłej wody wytwarza się również wodę lodową, to mamy do czynienia z tzw. trigeneracją. Woda o temperaturze ok. 7-8°C może być wykorzystywana w lecie przez zakłady do schładzania kabin sortowniczych i innych pomieszczeń, co znacząco obniża koszty. W skład instalacji chłodu wchodzą: agregat absorpcyjny, wieża chłodnicza i zbiornik magazynujący wodę.

Skomplikowane działania

Celem obniżenia uciążliwości działania instalacji i zmniejszenia emisji odorów na zewnątrz z hal i pomieszczeń ujmuje się powietrze i poddaje oczyszczeniu. Układ obejmuje instalację wyciągową z układem rur i wentylatorem, płuczkę oraz biofiltr. Z racji zawartości w powietrzu amoniaku stosuje się płuczki kwasowe.

Nowoczesne i złożone instalacje wymagają też przyjaznego systemu centralnego sterowania. Oprogramowanie służące m.in. do zbierania informacji dotyczących urządzeń, sygnalizacji zdarzeń awaryjnych, gromadzenia i przetwarzania informacji powinno zapewnić operatorowi całkowity pogląd na instalację z jednego miejsca, a dla zakładu zminimalizować niezbędny personel do obsługi.

Instalacja fermentacji łączy w sobie wiele modułów, różniących się pomiędzy sobie specyfiką czy mechanizmem działania. W związku z tym jej eksploatacja na pewno nie należy do łatwych. Dodatkowym utrudnieniem jest specyfika wsadu.

Jak wspomniano, we frakcji podsitowej jest dużo zanieczyszczeń inertnych, przeszkadzających w procesie. Obecne szkło powoduje wycieranie elementów czy przecinanie taśm. Popioły skutkują wzrostem zawartości siarkowodoru w procesie oraz, podobnie jak piaski, szlifują rurociągi i mieszadła. Z kolei kamienie przyczyniają się do mechanicznych zniszczeń podajników. Nigdy nie uda się ich wyeliminować na instalacji, dlatego ważny jest nacisk na selektywną zbiórkę bioodpadów u źródła. Instalacje fermentacji powinny być ukierunkowane na możliwość zmiany wsadu i przejście ze zmieszanych odpadów na odpady selektywnie zbierane.

Charakterystyka wsadu: obecność lekkich tworzyw i ciężkich kamieni często powoduje jego rozdzielenie w komorach. Stąd krytyczne jest ich ograniczenie i zapewnienie odpowiedniego mieszania w komorach. Również moduł ekstrakcji powinien być odporny na działanie elementów ciężkich i w razie konieczności dostępny do czyszczenia.

Strumień wsadu nie jest jednorodny – ani pod względem morfologii, ani pod względem ilości. Wbudowanie bufora magazynującego zapewnia margines bezpieczeństwa, jednak warto zwrócić uwagę również na elastyczność podawania i napełnienia komór fermentacyjnych. W przypadku zmniejszenia strumienia możliwość obniżenia poziomu napełnienia komory może zapobiec załamaniu procesu. Zbyt długie przetrzymanie odpadów w komorze, np. w wyniku zmniejszenia wsadu, przyczyni się np. do wzrostu stężenia jonów amonowych.

Czynności konserwacyjne powinny w jak najmniejszym stopniu dotyczyć wnętrza komór fermentacyjnych. Nie powinno w nich być żadnych elementów zużywających się, np. łożysk. Jakakolwiek inspekcja wiąże się z zatrzymaniem procesu na kilka miesięcy i dużymi stratami dla zakładu.

Należy również pamiętać, że fermentacji i produkcji biogazu towarzyszy wytwarzanie produktów ubocznych: odcieków nadmiarowych i odwodnionego pofermentatu.

Chociaż odcieki są w większości zawracane, to okresowo mogą pojawić się w nadmiarze. Warto to mieć na uwadze i pomyśleć nad możliwością ich uśrednienia czy podczyszczenia w zależności od warunków zakładu.

Niezależnie od technologii instalacja fermentacji metanowej jest skomplikowana. Łączy w sobie procesy mechaniczne oraz biologiczne, które wymagają nieustannego podtrzymania i są wrażliwe na zachwiania. Dodatkowo łączy w sobie przenośniki taśmowe i śrubowe, układy hydrauliczne i sprężonego powietrza, układy pomp i rurociągów wodnych, sieci gazowe czy silniki i prądnice. Jednakże, w porównaniu ze stabilizacją tlenową, pozwala odzyskać energię tkwiącą w odpadach i przynosi wartość dodaną w procesie zagospodarowania odpadów. Ukierunkowanie na stopniowe przechodzenie na wsad pochodzący ze zbiórki selektywnej, tak jak będą nakazywały przepisy UE, powinno być brane pod uwagę już przy wykonywaniu instalacji. Zmiana surowca na pewno obniży koszty eksploatacyjne związane z utrzymaniem urządzeń instalacji i poprawi wynik finansowy. Dobrze zaprojektowana i prowadzona instalacja powinna przynosić zakładom gospodarki odpadami mierzalne korzyści finansowe.

Przemysław Seruga

kierownik Działu Biologicznego Przetwarzania Odpadów

Andrzej Sobolak

prezes Zarządu

ZGO Gać