Odpady w produkcji biogazu. Cz. II

 

Obecnie najczęściej stosowane są instalacje wykorzystujące kofermentację, czyli mieszaninę kilku substratów. Zróżnicowanie substratów sprzyja uzyskaniu lepszych parametrów biogazu oraz zwiększa bezpieczeństwo dostaw surowca. Wsad do produkcji biogazu powinien być dobierany również pod kątem maksymalizacji uzysków biogazu, stabilności procesu fermentacji oraz możliwości wykorzystania powstałej masy pofermentacyjnej. Główne surowce możliwe do zastosowania w biogazowniach ukazuje tabela 1.

W wykazie tym pominięto uprawowe rośliny energetyczne, gdyż o wiele bardziej korzystnym surowcem są odpady. Rozwiązany jest wówczas problem zagospodarowania odpadów i produkcji surowca bioenergetycznego, tj. biogazu.

Produkcja biogazu w dużym stopniu zależy od składu materiału wejściowego, tj. substancji wprowadzonej do komory fermentacyjnej. Surowcami podlegającymi fermentacji metanowej praktycznie mogą być wszystkie odpady zawierające składniki organiczne, a szczególnie odpady produkcji roślinnej i odchody zwierzęce. Znajdujące się w masie organicznej składniki różnią się znacznie zarówno w zakresie szybkości rozkładu, jak i pod względem wydajności w produkcji metanu. Przykładowy przebieg procesu rozkładu różnych materiałów w odpadach z produkcji zwierzęcej przedstawia tabela 2.

W celu usystematyzowania danych na temat substratów wykorzystywanych do produkcji biogazu opracowano tzw. atlasy substratów. W europejskim atlasie, sporządzonym w ramach projektu EU Agrobiogas, realizowanym w latach 2006-2009 w ramach 6. Programu Ramowego UE, znajduje się ponad 200 substancji organicznych, ocenianych pod kątem przydatności do pozyskiwania biogazu.

Charakterystykę stosowanych w procesie fermentacji odpadów wraz z ich potencjałem w zakresie produkcji biogazu przedstawia tabela 3. Są to jedynie wybrane substraty. W rzeczywistości przebadano ok. 200 różnych substancji organicznych.

Obecnie ze względu na uciążliwość zapachową głównym substratem do produkcji biogazu rolniczego jest najczęściej gnojowica (bydła, trzody chlewnej i drobiu). Dzięki dodawaniu materiału uzupełniającego o większym potencjale rośnie efektywność ekonomiczna fermentacji, wskutek czego coraz powszechniejsze staje się uzupełnianie odchodów zwierzęcych innymi substratami.

 

Do produkcji biogazu z powodzeniem można wykorzystać produkty uboczne i odpady z przemysłu rolno-spożywczego – wywar gorzelniany, młóto, wysłodki buraczane, pulpę ziemniaczaną, wytłoki z owoców (powstające przy produkcji soków), pestki z jabłek, melasę buraczaną, tłuszcze odpadowe, odpady z rzeźni (krew, treść przewodu pokarmowego zwłaszcza przeżuwaczy). Ponadto otręby i odpady z czyszczenia ziarna, odpady z młyna, śruty poekstrakcyjne, makuchy, maślankę, serwatkę, glicerynę powstającą przy produkcji estrów metylowych (biodiesla) z olejów roślinnych, tłuszcze posmażalnicze, obierki ziemniaczane i odpady ziemniaków, pozostałości z zakładów zbiorowego żywienia (stołówek), odpady owoców, warzyw, kawy, herbaty, tytoniu i wielu tym podobnych⁴.

W zakładach przetwarzających płody rolne, takich jak gorzelnie i browary, powstają produkty uboczne, tj.: wywar gorzelniany i młóto (wysłodziny) browarnicze, które mogą być bazowymi substratami do produkcji biogazu. Jako kosubstraty znajdują zastosowanie odpady z przetwórstwa warzyw. Koncepcja łączenia biogazowni z gorzelnią jest racjonalna pod warunkiem stabilnej sytuacji krajowego gorzelnictwa. Gorzelnia jest wówczas dostawcą podstawowego kosubstratu, jak i odbiorcą ciepła z biogazowni, co znacząco podnosi efektywność inwestycji.

Innym odpadem powstającym przy przerobie surowców pochodzenia rolniczego jest serwatka. Jako uboczny produkt powstający w zakładach mleczarskich podczas wytwarzania serów twardych i twarogów, jest złożoną mieszaniną wielu wartościowych składników: węglowodanów (zwłaszcza laktozy), białek, tłuszczu, kwasów organicznych, witamin i soli mineralnych. Z całkowitej objętości mleka wykorzystywanego do produkcji serów blisko 80-90% opuszcza proces jako serwatka. Pomimo istnienia wielu możliwości przemysłowego zagospodarowania serwatki, stanowi ona w mleczarni olbrzymi problem. Dlatego wciąż poszukuje się nowatorskich i efektywnych metod transformacji serwatki do użytecznych produktów. Serwatka jest doskonałym substratem fermentacyjnym. Ocenia się, że w Polsce objętość powstającej serwatki wynosi blisko 2 mln m³/rok. Ilość energii, jaką można uzyskać z takiej ilości serwatki w procesie fermentacji metanowej, mieści się w przedziale 198-560 GWh/rok⁵.

W sektorze rolno-spożywczym rocznie produkuje się ok. 590 tys. Mg odpadów z przetwórstwa mięsa oraz ponad 377 tys. Mg z przetwórstwa owoców i warzyw. Uwzględniając średnią zawartość w tych odpadach suchej masy organicznej oraz ich produktywność w przeliczeniu na biogaz, na ich bazie rocznie można by uzyskać ok. 60 mln m³ biogazu⁶.

Natomiast wg badań Instytutu Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa (IBMER), realnie dostępny potencjał surowcowy produkcji biogazu, zawarty w produktach ubocznych rolnictwa i pozostałościach przemysłu rolno-spożywczego wynosi odpowiednio: z produktów ubocznych produkcji rolnej – ok. 1540 mln m³ oraz z produktów ubocznych przetwórstwa rolno-spożywczego – ok. 100 mln m³.

Łącznie, wg IBMER, z surowców ubocznych i pozostałości roślinnych przemysłu rolno-spożywczego można wytworzyć ok. 1700 mln m³ biogazu rocznie. W Polsce zużywa się rocznie ok. 14 000 mln m³ gazu ziemnego, w tym odbiorcy indywidualni z terenów wiejskich wykorzystują ok. 500 mln m³ gazu. Szacowana ilość biogazu po oczyszczeniu mogłaby pokryć ok. 10% zapotrzebowania kraju na biogaz lub w całości zaspokoić potrzeby odbiorców z terenów wiejskich oraz dostarczyć dodatkowo 125 tys. MWh_e (energii elektrycznej) i 200 tys. MWh_c (energii cieplnej)⁷.

 

Szeroko dostępnym, a zarazem uciążliwym odpadem jest gnojowica, dlatego wiele biogazowni powstaje właśnie przy fermach trzody chlewnej i bydła. Fermentacja gnojowicy pozwala na jej odpowiednie zagospodarowanie, poprawę jakości tego naturalnego nawozu, a równocześnie przynosi dodatkowy dochód dla gospodarstwa. Gnojowica jest podstawowym substratem w pierwszych rolniczych biogazowniach, jakie powstały w Polsce. Jednak doświadczenia biogazowni duńskich wykazują, że fermentacja samej gnojowicy jest nieefektywna. Aby zintensyfikować proces, należy zwiększyć zawartość suchej masy w komorze przez dodanie kosubstratów. Mogą to być odpady z przetwórni owoców i warzyw, substraty pochodzenia zwierzęcego z ubojni i rzeźni, odpadowy tłuszcz, frakcja glicerynowa itp.

Do produkcji biogazu nadaje się zarówno gnojowica pochodząca z ferm trzody chlewnej, jak i bydła. Porównanie jednostkowej wydajności tych substratów okazuje się korzystne dla gnojowicy trzody chlewnej. Ponadto biogaz z gnojowicy bydlęcej charakteryzuje się niższą zawartością biometanu. Różnice te wynikają z faktu, że w żołądkach bydła, a więc zwierząt przeżuwających, zachodzi już wstępna fermentacja związków organicznych, w wyniku czego gnojowica jest nieco uboższa.

Surowcem dla biogazowni mogą być również odchody o większej zawartości suchej masy, np. obornik czy odchody drobiu.

Obecnie w Polsce obornik w całości wykorzystuje się w rolnictwie jako nawóz organiczny, natomiast kurzeniec często powoduje problemy, gdyż fermy kurze prowadzące chów bezściółkowy nie potrzebują gruntów, na których mógłby on być stosowany. W tej sytuacji fermentacja jest racjonalnym sposobem zagospodarowania odchodów i zmniejszenia obciążenia środowiska biogenami wprowadzanymi wraz ze świeżym kurzeńcem. Ze względu na fakt, że odchody drobiu charakteryzują się dość wysokim stężeniem (zawartość suchej masy na poziomie 25-40% w zależności od systemu utrzymania zwierząt), niezbędne jest do produkcji biogazu zastosowanie kosubstratów płynnych, które pozwolą na odpowiednie rozcieńczenie wsadu do poziomu poniżej 15%, co jest wartością graniczną dla procesu fermentacji mokrej.

Do rozcieńczania odchodów można stosować wodę, której część jest następnie zawracana z odcieku do komory fermentacyjnej, co równocześnie pozwala ograniczyć wykorzystanie czystej wody w celach produkcyjnych. Zamiast wody można też zastosować inne ciecze, np. serwatkę, jednak wówczas należy uwzględnić zawartość poszczególnych składników w ciekłym kosubstracie, gdyż mogą one wpływać znacząco na przebieg procesu, choćby wskutek zmiany stosunku C:N.

Odchody drobiu nie są łatwym surowcem dla procesu fermentacji metanowej. Najważniejszym utrudnieniem dla efektywnej fermentacji jest wysoka zawartość azotu w formie amonowej oraz substancji mineralnych, stanowiących popiół. Amoniak w dużym stężeniu jest toksyczny dla bakterii fermentacji metanowej. Problem ten można jednak rozwiązać poprzez rozcieńczenie dodatkiem innych substancji oraz stosowanie specjalistycznych szczepów bakterii, odpornych na podwyższoną zawartość azotu amonowego.

Budowa biogazowni przy fermie drobiu pozwala zagospodarować ciepło do ogrzewania budynków inwentarskich. Zagospodarowanie pozostałości po fermentacji powoduje znacznie mniej problemów w porównaniu z odchodami świeżymi, zwłaszcza dzięki zmianie ich właściwości, tj.: zmniejszeniu uciążliwości zapachowej, ograniczeniu emisji amoniaku do atmosfery, lepszej przyswajalności składników przez rośliny. Istnieje też możliwość suszenia odpadu pofermentacyjnego i stosowania go jako biomasy stałej w procesie spalania lub po certyfikacji – jako nawozu⁵.

Obecnie polski przemysł mięsny zbiera i przerabia ok. 800 tys. Mg odpadów rocznie (z 1,2 mln Mg odpadów, jakie są wytwarzane podczas uboju ponad 24,5 mln sztuk trzody chlewnej, 1,3 mln sztuk bydła oraz ponad 1,5 mln Mg drobiu). Odpady te są przetwarzane na mączkę mięsno-kostną oraz tłuszcz i spalane lub używane jako polepszacz gleby. Proces ten jest jednak bardzo kosztowny, dlatego współczesny przemysł mięsny poszukuje nowych, alternatywnych metod utylizacji, o większej ekonomicznej opłacalności. Specyfiką odpadów wytwarzanych w zakładach przemysłu mięsnego jest duża zawartość materii organicznej, którą można wykorzystać jako surowiec do fermentacji metanowej. Produkcja biogazu jest w opinii wielu ekspertów skuteczną i obecnie najbliższą ekonomicznej opłacalności metodą zagospodarowania odpadów poubojowych⁸.

Zgodnie z decyzją UE, odpady pochodzenia zwierzęcego dzielone są na trzy kategorie, określające stopień zagrożenia dla zdrowie ludzi i zwierząt: odpady niskiego ryzyka (Low Risk Material – LRM), kategoria III, odpady wysokiego ryzyka (High Risk Material – HRM), kategoria II, odpady szczególnego ryzyka (Specyfic Risk Material – SRM), kategoria I.

Poszczególne kategorie odpadów powstających w zakładach mięsnych muszą być zbierane oddzielnie i utylizowane bądź unieszkodliwiane, w ściśle określony sposób. W przypadku mieszaniny odpadów całość musi być zaliczona do kategorii składnika o wyższym stopniu ryzyka.

Wszystkie instalacje mające na celu unieszkodliwianie odpadów poubojowych powinny spełniać kryteria narzucone przez szereg regulacji krajowych, których podstawą jest Rozporządzenie Wspólnot Europejskich 1774/2002 z 3 października 2002 r. ustanawiające przepisy sanitarne dotyczące produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego, nie przeznaczonych do spożycia przez ludzi. Rozporządzenie dzieli odpady pochodzenia zwierzęcego na trzy wymienione już kategorie. Kategoria I wymaga bezwarunkowego unieszkodliwiania w spalarni, natomiast odpady poubojowe kategorii II i III mogą zostać przetworzone na metan i masę pofermentacyjną w procesie fermentacji beztlenowej, po uprzedniej obróbce termicznej z zachowaniem dodatkowych warunków.

W przypadku odpadów kategorii II cząstki rozdrobnione do średnicy poniżej 50 mm powinny być poddane procesowi sterylizacji, czyli obróbce termicznej poprzez działanie nasyconej pary wodnej o ciśnieniu 3 bar i temperaturze 133°C przez co najmniej 20 min.

W przypadku odpadów kategorii III cząstki rozdrobnione do średnicy poniżej 12 mm poddaje się procesowi pasteryzacji, który polega na higienizacji odpadów w temperaturze 70°C przez co najmniej 60 minut.

Pomimo że do odpadów kategorii II zalicza się gnojowicę i treści przewodów pokarmowych zwierząt, to te dwa substraty typowe dla biogazowni zostały zwolnione z konieczności obróbki termicznej i mogą być dostarczane do instalacji bezpośrednio.

W Polsce w 2007 r. zebrano ok. 800 tys. Mg odpadów, w tym 50 tys. Mg SRM, 100 tys. Mg HRM i 650 tys. Mg LRM.

Z prezentowanych w Polsce rozwiązań technicznych produkcji biogazu z odpadów pochodzenia zwierzęcego interesujący jest projekt holenderskiej firmy, która zakłada budowę dużych instalacji, o zdolności przerobu ok. 50 tys. Mg odpadów rocznie (III i II kategorii) i układzie kogeneracyjnym 1500-2500 kWe, gdzie pozostały po fermentacji osad ma być przetwarzany do formy ulepszacza gleby. W rozwiązaniu technologicznym przewidziana jest możliwość wykorzystywania, poza odpadami z linii ubojowych, wielu innych surowców pochodzenia zwierzęcego, np. gnojowicy, pomiotu drobiowego, oraz innych surowców, np. odpadów kuchennych, osadów poflotacyjnych z ubojni i odpadów organicznych komunalnych^8-10.

Celem funkcjonowania biogazowni rolniczych jest z jednej strony unieszkodliwianie odpadów i odchodów, redukcja emisji metanu do atmosfery, z drugiej zaś – produkcja biogazu lub energii elektrycznej i cieplnej, przynosząca dochód dla gospodarstwa¹¹.

 

Po 2013 r. nie będzie można składować odpadów komunalnych wcześniej nieprzetworzonych. Powstaje zatem problem, co z nimi zrobić. Dla całości zmieszanych odpadów komunalnych nie ma uniwersalnych rozwiązań, ale – po rozdzieleniu ich na poszczególne grupy rodzajowe – można je przetwarzać. I tak wydzielone odpady organiczne (biodegradowalne) można poddać kompostowaniu lub fermentacji. Selektywnie wydzielone odpady (resztki żywności, odpady zielone) mogą być doskonałym surowcem do produkcji biogazu, a pozostała ilość (znacznie już mniejsza) może być wykorzystana do kompostowania i do użyźniania gleb. Do tej grupy odpadów można by dołączyć odpady z restauracji i zakładów zbiorowego żywienia. Produkcja biogazu daje większe korzyści z punktu widzenia gospodarki odpadami, gdyż dzięki tej technologii otrzymuje się przede wszystkim biogaz, a dopiero pozostałość może być wykorzystana do upraw. Natomiast w procesie kompostowania całość odpadów po biodegradacji (ilościowo więcej) jest wykorzystywana do upraw. Wykorzystanie odpadów komunalnych w biogazowniach jest szeroko stosowane w Belgii, Holandii i Francji. Doświadczenia tych krajów wskazują, że jest to bardzo dobry kierunek, szczególnie dla gmin o charakterze miejskim¹², zwłaszcza że w Polsce władztwo nad odpadami komunalnymi zostało przekazane gminom.

Przedstawiona charakterystyka tylko wybranych odpadów nadających się do produkcji biogazu ukazuje dużą ich różnorodność i masowość, a równocześnie wielką szansę wykorzystania ich do produkcji biogazu. Pozyskany w ten sposób biogaz może być wykorzystany nie tylko tradycyjnie do produkcji energii, ale i do produkcji paliwa (biometanu) do transportu. Zatem zbyt na biogaz może być zapewniony.

Wykorzystanie biogazu do produkcji biometanu dla transportu miejskiego, czy dla maszyn rolniczych jest głównym celem realizowanego projektu BIOMASTER.

 

1.                  Pawilonis J., Kupczyk A.: Biogaz jako źródło energii odnawialnej w Polsce – potencjał produkcyjny, stan obecny oraz perspektywy rozwoju sektora. „Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-warzywny” 12/2006.

2.                  Dreszer K., Michałek R., Roszkowski A.: Energia odnawialna – możliwości jej pozyskiwania i wykorzystania w rolnictwie. Kraków, Lublin, Warszawa 2003.

3.                  Curkowski A., Oniszk-Popławska A.: Surowce do produkcji biogazu – uproszczona metoda wydajności biogazowni rolniczej. „Czysta Energia” 1/2010.

4.                  Podkówka W., Podkówka Z.: Substraty do produkcji biogazu rolniczego. „Przegląd Hodowlany” 6/2009.

5.                  Juśko-Kowalczyk A.: Przegląd technologii produkcji biogazu. „Czysta Energia” 9/2009.

6.                  Szymańska M., Łabętowicz J.: Dostępność i zasoby substratów do produkcji biogazu w Polsce. „Czysta Energia” 5/2009.

7.                  Żmuda K., Czerwiakowska-Bojko E.: Rolniczy potencjał energetyczny – biogazownie rolnicze przyszłością polskiej wsi. „Czysta Energia” 9/2009.

8.                  Florowski T., Pisula A.: Produkcja biogazu z organicznych odpadów przemysłu mięsnego. „Przemysł Spożywczy” 11/2009.

9.                  Zakrzewski P.: Technologia utylizacji odpadów poubojowych w instalacjach biogazowych. „Czysta Energia” 10/2009.

10.              Pisula A., Florowski T.: Odpady z przemysłu mięsnego jako surowiec do produkcji biogazu. „Czysta Energia” 11/2009.

11.              Kowalczyk-Juśko A.: Odchody przynoszą dochody. „Agroenergetyka” 2/2010.

12.              Koryl T.: Odpady organiczne z odpadów komunalnych jako substrat w biogazowni. „Czysta Energia” 12/2009.

 

drinż. Iwona Kuczyńska

Katedra Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Alicja Nogaj,

dr inż. Radosław Pomykała,

Katedra Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Tab. 1. Materiał wsadowy do produkcji biogazu¹

 

 

Tab. 2. Przebieg procesu rozkładu różnych materiałów w odpadach z produkcji zwierzęcej²

 

Tab. 3. Charakterystyka wybranych substratów wraz z potencjałem produkcji biogazu³