1 Biotechnologia rozruchu i eksploatacji biogazowi rolniczejdr inż. Artur Olesienkiewicz XVI FORUM CZYSTEJ ENERGII POL-ECO-SYSTEM r
2 Rozruch biologiczny biogazowniZaplanowane działania mające na celu kontrolowane rozmnożenie konsorcjum bakterii uczestniczących w procesie fermentacji metanowej i tym samym doprowadzenie do wydzielania strumienia biogazu (metanu) z wydajnością gwarantującą produkcję energii z mocą nominalną biogazowni lub maksymalną możliwą do osiągnięcia z użyciem dostępnych substratów.
3 Rozruch biologiczny biogazowniETAPY ROZRUCHU BIOLOGICZNEGO: Zakończony rozruch technologiczny – tzn. sprawdzenie poprawnego działania: pomp, mieszadeł, systemu dozowania substratów, systemu ogrzewania fermentorów, czujników i bezpieczników ciśnienia biogazu oraz poziomu i temperatury cieczy w zbiornikach, działająca pochodnia biogazu; Zapewnienie na miejscu dostępu do substratów; Wypełnienie fermentora(ów) cieczą inicjującą proces; Podgrzanie zawartości fermentora(ów) do zadanej temperatury (zakres dla bakterii mezofilnych lub termofilnych); Dodanie do wygrzanych fermentorów tzw. inokulatu z innej biogazowni; Start dozowania substratu(ów) – i stopniowe podnoszenie obciążenia fermentora do momentu osiągnięcia produkcji biogazu na zakładanym poziomie;
4 Rozruch biologiczny biogazowni - ZALECENIAKonieczny zakończony rozruch technologiczny Przystąpienie do rozruchu bez poprawnego działania poszczególnych systemów opóźnia go i grozi utratą kontroli nad prawidłowym jego przebiegiem. Może to skutkować koniecznością rozpoczynania rozruchu od początku lub z zastosowaniem procedur awaryjnych, które są droższe, a cały rozruch trwa dłużej. Zapewnienie na miejscu dostępu do substratów Najlepiej by biogazownia była uruchamiana za pomocą biomasy (lub mieszanki), która będzie dla niej substratem docelowym. Wówczas w reaktorach pojawia się od razu konsorcjum bakterii najlepiej przystosowane do rozkładu danej materii organicznej. Substrat powinien być dostępny w ilościach niezbędnych do ciągłego dozowania. Jego jakość powinna być możliwie jak najlepsza. Kiszonki i/lub odpady nie mogą być: porośnięte pleśniami, zgniłe, zagrzane w procesie kompostowania, przesuszone. Nie mogą zawierać zanieczyszczeń chemicznych i/lub mechanicznych. Substrat powinien być odpowiednio rozdrobniony.
5 Ważna jest jakość substratówKiszonka z trawy – słabo rozdrobniona, źle przechowana, „zagrzana”, w której rozpoczęły się procesy kompostowania, porośnięta pleśniami – nie jest dobrym substratem dla biogazowni. Wnętrze fermentora wypełnione piaskiem i kamieniami, które pochodziły z zanieczyszczonych substratów. Spowodowały poważną awarię mieszadeł i zaburzenia procesu biologicznego. Konieczne było oczyszczenie i ponowny rozruch już po 3 latach pracy biogazowni.
6 Rozruch biologiczny biogazowni - ZALECENIAWypełnienie fermentora(ów) cieczą inicjującą proces Materiałem inicjującym proces mogą być: Gnojowca świńska Gnojowica bydlęca Mieszanina gnojowicy świńskiej i bydlęcej Mieszanina wody i gnojowic(y) – jeżeli dostępne gnojowice mają suchą masę większą niż 4-5%. Stopień wypełnienia uruchamianego fermentora powinien zapewniać sprawne mieszanie jego zawartości (ważny jest zachowanie minimalnego poziomu, przy którym bezpiecznie mogą pracować mieszadła) oraz przykrycie rur systemu ogrzewania zawartości fermentora. NIE UŻYWAMY INNYCH NIŻ GNOJOWICA SUBSTRATÓW PŁYNNYCH LUB INNYCH STAŁCYH JAKO SKŁADNIKA MIESZANINY INICJUJĄCEJ PROCES !
7 Rozruch biologiczny biogazowni - ZALECENIAPodgrzanie zawartości fermentora(ów) do zadanej temperatury Podgrzewanie zawartości fermentora - za pomocą kotła, który może być zasilany biogazem. Już po kilku dniach dozowania substratu pojawia się biogaz, który można wykorzystać do ogrzewania fermentorów. Ważny jest właściwy dobór mocy kotła. Szybkość podgrzewania od +0,5 do +2,0oC/dobę. Zbyt szybkie podgrzanie może niekorzystanie wpłynąć na rozwój bakterii. Temperatury docelowe: 36-42oC – dla bakterii mezofilnych 52-55oC – dla bakterii termofilnych Podgrzanie mieszaniny inicjującej często powoduje wydzielanie pierwszych porcji biogazu (metanu). Czasami może być go na tyle dużo, że znacząco podniesie ciśnienie pod membranami. Prawidłowe działanie czujników ciśnienia i zaworów bezpieczeństwa oraz pochodni jest więc bardzo ważne już na tym etapie.
8 Rozruch biologiczny biogazowni - ZALECENIADodanie do wygrzanych fermentorów tzw. inokulatu z innej biogazowni; Dopiero gdy temperatura masy inicjującej osiągnie zakładany poziom – powinno się dodawać do fermentora tzw. inokulat. Zapobiega to szokowi termicznemu bakterii i znacznie podnosi efektywność działania inokulatu. Inokulat – powinien być pobrany z innej biogazowni, z prawidłowo działającego fermentora (lub z ogrzewanego zbiornika na dofermentowanie), o temperaturze takiej samej lub zbliżonej do naszych założeń technologicznych. W optymalnych warunkach biogazownia, z której pochodzi inokulat powinna być zasilana takimi samymi lub podobnymi substratami jak dostępne w uruchamianej instalacji. Mało efektywne jest stosowanie: inokulatu z bakteriami mezofilnymi w celu uruchomienia procesu z bakteriami termofilnymi - i odwrotnie. Zadozowany inkulat powinien stanowić minimum 10% objętości mieszaniny inicjującej zgromadzonej w fermentorze. Im więcej go dodamy – tym szybciej uruchomiona zostanie produkcja z pełną mocą biogazowni. Warto rozważyć możliwość podania do uruchamianego fermentora – mieszaniny mikroelementów, które również mogą znacząco przyspieszyć i ustabilizować rozruch biologiczny biogazowni.
9 Rozruch biologiczny biogazowni - ZALECENIAParametr SUBSTRAT MASA FERMENTUJĄCA pH (+) Sucha masa Sucha masa organiczna FOS, TAC i FOS/TAC (-) Stężenie azotu amonowego (-/+) Stężenie azotu ogólnego Kjeldahla Profil chromatograficzny LKT Stężenia makro- i mikroelementów* Start dozowania substratu(ów) – i stopniowe podnoszenie obciążenia fermentora do momentu osiągnięcia produkcji biogazu na zakładanym poziomie; Rozpoczęcie dozowania oraz każda znacząca zmiana (zwłaszcza wzrost dawki) w ilości dozowanych substratów powinny być poprzedzone badaniami laboratoryjnymi. Na podstawie ich można optymalizować skład dozowanej do fermentorów mieszanki substratów i ewentualnych suplementów w taki sposób, by produkcja biogazu była stabilna i wydajna Badaniom podlegają parametry wymienione w tabeli: (+) wykonuje się badanie (-) zwykle nie wykonuje się badania (-/+) w niektórych przypadkach wykonuje się badanie * Se, Ni, Co, Mn, Mo, Zn, Cu, Fe, B, W, P, Mg, K, Na, S, Pb, Hg, Cr, Cd.
10 Rozruch biologiczny biogazowni - ZALECENIAStart dozowania substratu(ów) – i stopniowe podnoszenie obciążenia fermentora do momentu osiągnięcia produkcji biogazu na zakładanym poziomie; Przy prawidłowo i profesjonalnie prowadzonym rozruchu i dociążaniu - dawki substratów dobiera się obliczając obciążenie fermentora suchą masą organiczną (s.m.o.), VS: VS [kg s.m.o./m3*d] VS - to ilość kilogramów s.m.o. jaka każdej doby trafia do każdego 1 m3 aktualnej objętości roboczej fermentora. Pierwsze dawki substratów na ogół wahają się w przedziale obciążenia: 0,5-0,8 kg s.m.o./m3*d Co kilka (4-7) dni, pod warunkiem zachowania prawidłowych wartości parametrów takich jak: pH, FOS/TAC, skład biogazu - można podnieść dawkę substratów tak, by obciążenie nie wzrosło jednorazowo o więcej niż 0,3-0,5 kg s.m.o./m3*d. Podnoszenie obciążenia może też następować częściej, np. co 1-3 dni, ale wówczas należy zastosować odpowiednio mniejszy jego skok. Krótsze okresy między zmianami obciążenia można niekiedy stosować również w przypadku, gdy zastosowano przy rozruchu dodatek mikroelementów i/lub duże objętości inokulatu. SZYBSZE TEMPO DOCIĄŻANIA JEST NIEBEZPIECZNE i MOŻE DOPROWADZIĆ DO PRZECIĄŻENIA* i KONIECZNOŚCI PONOWNEGO URUCHAMIANIA LUB STOSOWANIA PROCEDUR AWARYJNYCH (*) objawia się szybkim spadkiem pH zawartości fermentora, zatrzymaniem produkcji biogazu i metanu (dużo CO2 i H2S oraz mało CH4 w biogazie), zmianą zapachu wydzielanego przez masę fermentującą na ostry, kwaśny, gryzący.
11 Rozruch biologiczny biogazowni - ZALECENIAPrzy dociążaniu procesu należy pamiętać również o kontroli hydraulicznego czasu retencji (HRT). Obciążenie fermentora ma wpływ na: ilość, skład i szybkość powstawania biogazu stabilność fermentacji BIOGAZ SUROWIEC Vr = const. POFERMENT Z BAKTERIAMI METANOWYMI
12 Rozruch biologiczny biogazowni - ZALECENIA
13 Biogazownie rolnicze – problemy eksploatacyjneNajczęściej notowane problemy podczas eksploatacji biogazowni rolniczych 1) Skutki niewłaściwego wysterowania mieszadeł i ich awarii; 2) Problemy z utrzymaniem właściwej temperatury w fermentorach i stopnia natlenienia przy odsiarczaniu biologicznym; 3) Problemy z dozowaniem substratów - w tym - problemy techniczne (z urządzeniami do dozowania) technologiczne (z właściwym doborem dawek substratów i problemy z jakością substratów); 4) Obecność czynników hamujące proces - w tym brak i nadmiar substancji limitujących szybkość i wydajność oraz stabilność procesu ; 5) Stabilizacja produkcji biogazu i kontrola jego składu (kalibracja analizatorów, badania składu biogazu zapobieganie zasiarczeniu); 6) Drogie substraty = nieopłacalna produkcja
14 Biogazownie rolnicze – problemy eksploatacyjneSkutki niewłaściwego wysterowania mieszadeł i ich awarii Brak homogennych warunków w całej objętości roboczej w fermentorze nierównomierny rozkład dozowanej biomasy – powstawanie stref lokalnego przeciążenia = niestabilna produkcja biogazu postawanie na powierzchni fermentującej masy kożucha zbudowanego z flotującej frakcji substratów sedymentacja substratów (w tym zanieczyszczeń - piasku i kamieni) w słabiej mieszanych regionach fermentora problemy z utrzymaniem stałej i stabilnej temperatury w fermentorach piana w fermentorze
15 Biogazownie rolnicze – problemy eksploatacyjneProblemy z dozowaniem substratów - w tym - problemy techniczne (z urządzeniami do dozowana) i technologiczne (z właściwym doborem dawek substratów); 1) Systemy dozujące substraty na ogół nie są uniwersalne; 2) Systemy przystosowane do dozowania kiszonki z kukurydzy – nie zawsze będą odpowiednie do dozowania odpadów w postaci np. całych owoców i warzyw lub słabo rozdrobnionej kiszonki z traw (substraty wymagające wymagają wstępnego rozdrobnienia); 3) NIE PRAWDĄ JEST, że 12% - to granica pompowalności układów „ciekłych”. Bardzo dużo zależy od konsytencji masy pompowanej, więc zdarza się , że 12% s.m.- to już zbyt dużo, by dało się coś pompować, albo że z powodzeniem udaje się pompować substrat o s.m %. 4) Biogazownie na ogół nie posiadają odpowiedniej ilości i pojemności zbiorników wstępnych, potrzebnych do prawidłowego dozowania substratów płynnych; 5) Biogazownie przystosowane do produkcji na bazie substratów „suchych”, np. kiszonki z kukurydzy – mają zbyt małe zbiorniki magazynowe (laguny) na masę pofermentacyjną powstającą w skutek dozowania odpadów o wyższej zawartości wody; 6) Brak świadomości operatorów biogazowni – jak ważna jest kontrola nad obciążeniem fermentorów jest często przyczyną destabilizacji fermentacji i dużych wahań produkcji biogazu.
16 Biogazownie rolnicze – problemy eksploatacyjneZnaczenie mikroelementów w procesie fermentacji: Stabilizują proces – czyniąc go bardziej odpornym na zaburzenia wynikające z nieprawidłowego dozowania lub wahań temperatury; Po zaburzeniu procesu – po dodaniu mikroelementów (zakładając ich niedobór) – proces szybciej wraca do stanu prawidłowego. Następuje lepsze odfermentowanie substratu (3-10%) i wzrost stężenia metanu w biogazie (o 1-5% więcej). Schemat działania enzymu – znaczenie mikroelementów m – atom metalu, np. Ni; e – enzym (tzw. metaloenzym) s – substrat (związek organiczny); P – produkty rozkładu substratu
17 Biogazownie rolnicze – problemy eksploatacyjneDostępne formy mikroelementów W idealnym układzie – prawidłowy dobór mieszanki różnych (3-5) substratów gwarantuje optymalny poziom mikroelementów w fermentorze; Można stosować preparaty – uniwersalne – zawierają zoptymalizowane przez producenta stężenia poszczególnych mikroelementów; Można stosować preparaty – dedykowane – zawierają indywidualnie dobrane dla konkretnej biogazowni stężenia poszczególnych mikroelementów. Przygotowanie takiego preparatu wymaga wcześniejszych analiz na próbkach pobranych z biogazowni;
18 Biogazownie rolnicze – problemy eksploatacyjneOdsiarczanie chemiczne – polepsza biodostępność mikroelementów Mikroelementy obecne w substratach lub dodawanych suplementach są bezpowrotnie tracone jeżeli stosowane substraty zawierają duże ilości siarki. Powstający podczas fermentacji siarkowodór reaguje z jonami metali – tworząc nierozpuszczalne i nie dostępne biologicznie siarczki metali. 2Fe3+ + HS- Fe2+ + S0 + H+ Fe2+ + HS- FeS↓ + H+ Aby temu zapobiec – najlepiej stosować chemiczne metody usuwania jonów wodorosiarczkowych za pomocą preparatów – zawierających jony żelaza (chlorki, telnki, wodorotlenki żelaza). Inne metody odsiarczania (np. wtłaczanie powietrza w przestrzeń gazową fermentora w celu pobudzenia wzrostu bakterii siarkowych) są często efektywne jeżeli chodzi o obniżenie stężenia siarkowodoru w biogazie – ale nie mają tak wyraźnego działania chroniącego obecne w substratach mikroelementy. Nie każda biogazownia posiada instalację odporną na działanie kwaśnego roztworu chlorku żelaza !
19 Odsiarczenie – metodą biologicznego utlenianiaBiogazownie rolnicze – problemy eksploatacyjne Odsiarczenie – metodą biologicznego utleniania Rozwiązania takie wymagają kontrolowanego dozowania powietrza (2-5% objętości powietrza w stosunku do objętości oczyszczanego biogazu) do przestrzeni gazowej fermentora, co ma na celu dostarczenie tlenu niezbędnego do biologicznego utleniania H2S. Wadami tego systemu są: Ograniczona wydajność (zwłaszcza w przypadku stosowania substratów bardzo zasiarczonych) oraz niebezpieczeństwo awarii systemu dozowania powietrza, która może doprowadzić do podwyższenia stężenia tlenu do wartości, które okażą się silnie toksyczne dla metanogenów. W skrajnym przypadku może dojść do powstania w fermentorze warunków sprzyjających zapłonowi biogazu. Należy pamiętać, że metan z powietrzem w ilości od 6 do 15% tworzy mieszaninę wybuchową.
20 Biogazownie rolnicze – problemy eksploatacyjneBadanie składu biogazu Okresowe analizy składu biogazu niezależnym analizatorem umożliwiają: weryfikację wskazań analizatorów stacjonarnych; weryfikację prawidłowego działania i regulację systemów oczyszczania biogazu (usuwanie wilgoci, pyłów, siloksanów, siarkowodoru i in.); zapobieganie awarii silnika i innych elementów instalacji biogazowni narażonej na kontakt z zanieczyszczonym biogazem
21 10 lat doświadczeń w badaniach nad fermentacją metanowąJako wyspecjalizowany zespół działamy od 2006 roku. PROWADZIMY: Badania laboratoryjne i konsultacje dla biogazowni i dostawców substratów do produkcji biogazu Analizy i interpretacje wyników badań próbek: biogazu, substratów, masy fermentującej (w tym również - stały monitoring biotechnologiczny) Analizy oleju i nagarów z silników zasilanych biogazem Badania biogazodochodowości substratów, wykonujemy szybkie testy inhibicji Poferment – badania wartości nawozowej, mikrobiologia, pasożyty oraz pomoc w uzyskaniu statusu nawozu organicznego lub polepszacza gleby Mikroelementy – analizy i aplikacja Analizy kalorymetryczne biopaliw Testy samozagrzewania się biomasy (materiału do kompostowania) Obecnie monitorujemy w sposób ciągły procesy biotechnologiczne w 21 biogazowniach rolniczych w Polsce. Wielu innym szybko dostarczamy wyniki badań wraz z ich interpretacją - w ramach ich bieżących potrzeb.