Biogazownie- zagospodarowanie bioodpadów

W przeciągu ostatnich lat coraz większy staje się problem związany ze wzrostem ilości powstających odpadów. Duży wpływ na wzrost ilości wytwarzanych odpadów w gospodarstwach domowych ma czynnik ekonomiczny. Po wprowadzeniu selektywnej zbiórki bioodpadów biogazownie będą jednym z sposobów na ich przetwarzanie.

Odpady żywnościowe – problem ich zmniejszenia i zagospodarowania podnoszony jest przez liczne światowe, jak i lokalne organizacje pozarządowe.

Polska jest w czołówce tej haniebnej klasyfikacji zajmujemy 5. miejsce (2017 r.) z 9 mln t wyrzuconych przetworów i surowców konsumpcyjnych. Corocznie z tego tytułu przeciętna czteroosobowa rodzina traci ok. 2000-2500 zł.

Według ustawy z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach (Dz.U. 2013 poz. 21) odpad definiuje się jako „każdą substancję lub przedmiot, który posiadacz pozbywa się, zamierza się pozbyć lub do ich pozbycia jest zobowiązany”. Natomiast zmieszane odpady komunalne są definiowane jako „zmieszane odpady komunalne, nawet jeżeli zostały poddane czynności przetwarzania odpadów, która nie zmieniła w sposób znaczący ich właściwości”. Natomiast do odpadów żywnościowych najczęściej zalicza się produkty przeterminowane, pozostałości gastronomiczne, jak również wycofane ze sprzedaży partie produktów oraz pozostałości poprodukcyjne. Odpady te charakteryzują się specyficznymi właściwościami i wymagają odpowiedniego zagospodarowania. Wyliczono, że w roku 2017 z tytułu „zmarnowanej żywności” wartość wynosiła ok. 14,5 mld euro na samą Polskę. Wartość nie tyle zastanawiająca, co zawstydzająca. Marnowana żywność to 8% gazów cieplarnianych, a 9 mln t zmarnowanej rocznie żywności w Polsce to również szkodliwe emisje gazów cieplarnianych do atmosfery. Według szacunkowych wyliczeń za rok 2017, to równowartość łącznej emisji dwutlenku węgla wszystkich samochodów osobowych poruszających się po polskich drogach – ok. 22,77 mln t CO².

Biogazownie będą coraz bardziej potrzebnym elementem rynku energii i utylizacji odpadów w Polsce. Wdrażanie biogazowni jest bardzo rozsądnym posunięciem zarówno pod względem ekonomicznym jak i ze względu na ekologię.

Chcąc produkować biogaz to przede wszystkim trzeba się zastanowić, czy mamy wystarczającą ilość substratu. Najlepiej by było gdyby produkując tę zieloną energię, wykorzystywać odpady, które powstają z naszej głównej produkcji np. żywności.

Biogaz pozyskuje się w procesie beztlenowej fermentacji biomasy roślinnej, odchodów zwierzęcych, odpadów organicznych lub osadu ze ścieków. Należy pamiętać, że biogaz jest mieszaniną gazową składającą się głównie z metanu i dwutlenku węgla, a także z pewnych ilości zanieczyszczeń w postaci siarkowodoru, azotu, tlenu i wodoru. Skład biogazu oraz jego wartość opałowa zależą od substratów wykorzystanych do jego produkcji.

Każda z instalacji służących do produkcji biogazu charakteryzuje się indywidualną konstrukcją, dostosowaną do różnego składu materiału wsadowego. Produkując biogaz możemy wykorzystać m. in.: odpady z przemysłu spożywczego, mleczarskiego, cukrowniczego, farmaceutycznego, kosmetycznego, biochemicznego, papierniczego, mięsnego. Biogaz produkuje się również z odchodów zwierząt, resztek roślin, ścinki trawy i odpady czy resztki jedzenia. Do produkcji biogazu można wykorzystać też uprawy celowe tzw. roślin energetycznych takich jak: trawa, koniczyna, ziemniaki, kukurydza, rzepak, słonecznik i inne.

W większości istniejących instalacji biogazowych podstawowym substratem jest kiszonka z kukurydzy. Lecz z uwagi na jej wysoką cenę poszukuje się dla niej alternatyw jak kiszonka z trawy i odpady z przetwórstwa rolno-spożywczego.

Niezależnie od substratu istotny jest jego stopień odfermentowania i biotransformacji związków organicznych w metan. Pomagają w tym enzymy hydrolityczne, które przyśpieszają rozkład dużych cząstek do substancji o strukturach prostszych, ułatwiając ich przyswajanie i zamianę w metan przez bakterie.

Bakterie wydzielają enzymy i dzięki nim pozyskują niezbędne im substancje. Początkowo rozkładają wielkocząsteczkowe białka, peptydy, polisacharydy do związków prostszych, które ulegają zmianie w kwasy organiczne, alkohole, aldehydy, a te z kolei ulegają konwersji w składniki biogazu: CH_4, CO₂, O₂, H₂S i inne.

Zapewnianie surowca dla biogazowni powinno spełniać podstawowe kryteria:

region przeznaczony do uzyskiwania surowca nie powinien być za duży
efektywna logistyka przewozu,
uzyskany surowiec powinien być odpowiedni do produkcji biogazu, żeby nie przewozić surowca o niskiej zawartości organicznej masy suchej, istotne ze względu na produkcję biogazu,
poszczególne uzyskane surowce powinny pochodzić z jednego miejsca w wystarczającej ilości, żeby zabezpieczyć efektywny przewóz za pośrednictwem pojazdów o wielkiej pojemności.

Z punktu widzenia surowca wejściowego istnieją w zasadzie dwa główne typy biogazowni: biogazownia przeznaczona do przeróbki celowo uprawianej biomasy i biogazownia przeznaczona do przeróbki odpadów rolniczych i komunalnych.

W przypadku „odpadowej“ biogazowni można liczyć na odpady pochodzące z utrzymania publicznych terenów zielonych (z wyjątkiem drewna):

odpady domowe
odpady z ogrodów,
artykuły spożywcze po okresie przydatności do spożycia
bioodpady z supermarketów,
odpady z przemysłu spożywczego (piekarnie, gorzelnie, cukrownie, browary, zakłady mięsne), odpady z hodowli zwięrząt gospodarczych (gnojowica, obornik, podściółka, odchody drobiu itp.).

Minimalna ilość surowca koniecznego do eksploatacji biogazowni wynosi 10 t/dobę, jednak dopiero od 20 t/dobę biogazownia jest rentowna. Wsad ten powinien być odpowiednio dobrany, ponieważ należy utrzymać odpowiedni stosunek substancji organicznych azotu i fosforu: CHSK:N:P – (300 – 500):6,7:1 oraz ilość suchej masy organicznej i wilgotność.

Ze względu na to, już na etapie projektu należy uzyskać informacje dotyczące dostawców, od których będzie realizowany odbiór surowca wejściowego, ewentualnie należy uzgodnić media robocze stosowane przez dostawcę , żeby umożliwić przeróbkę tych odpadów w procesie fermentacji beztlenowej.

Wszystkie surowce wejściowe powinny być odpowiednio wstępnie przygotowane (np. kości powinny być po mielone na mączkę mięso-kostną), surowce wymagające higienizacji powinny być w zgodzie z obowiązującym prawodawstwem higienizowane przed wejściem do biogazowni.

Jeżeli surowce wejściowe zawierają duże ilości azotu istnieje ryzyko powstawania amoniaku, likwidującego potrzebną florę bakteryjną. Gnojówka i ścieki zawierają zwykle mało masy suchej, odchody drobiu zawierają mało organicznej masy suchej (drób przyjmuje z pożywieniem również piasek i tynk) oraz antybiotyki (składnik mieszanek paszowych), które mogą naruszać potrzebną florę bakteryjną, tak samo odchody świń mogą zawierać środki dezynfekcyjne, zagrażające regularnemu ruchowi biogazowni. Bardzo wartościowym wejściowym surowcem energetycznym jest masa zawierająca tłuszcz, jednak nie powinna być surowcem jedynym. Trzeba zwracać uwagę na zawartość siarki w tych odpadach np. w odpadach z przemysłu mleczarskiego, w wywarach gorzelniczych oraz w odpadach z browarów mogą występować związki siarki. Biogazownia, w której flora bakteryjna ulega likwidacji stwarza duże problemy. Cała zawartość zbiorników fermentacyjnych stanowi w takim razie odpad niebezpieczny, którego dotyczą obowiązujące przepisy prawa w zakresie gospodarowania odpadami niebezpiecznymi.

Biogazownia powinna być zbudowana w taki sposób, żeby zapewniała odpowiednie warunki rozwoju drobnoustrojów beztlenowych, które stopniowo degradują masę organiczną na biogaz:

wilgotne środowisko
zapobieganie dostępu powietrza,
zapobieganie dostępu światła,
stała temperatura,
wartość pH,
dostawa substancji odżywczych,
duże powierzchnie styku,
inhibitory,
obciążenie przestrzeni fermentacji,
równomierna dostawa substratu,
odgazowywanie substratu.

Dużą liczbę różnych rozwiązań biogazowni można zredukować do kilku typowych rozwiązań technologicznych, różniących się w zależności od:

sposobu ładowania (dawkowy, przepływowy),
procesu produkcyjnego (jednostopniowy, wielostopniowy),
konsystencji substratu (stały, ciekły).

Struktura głównych elementów biogazowego ciągu technologicznego powinna zawierać:

źródło materiałów organicznych,
przyjmowanie i przygotowanie wstępne materiału,
beztlenowe zbiorniki fermentacyjne dla materiału ciekłego,
końcówka biogazowa,
końcówka mułowa.

Obecnie projektowanie biogazowni jednostopniowej jest nie opłacalne. Za optymalne rozwiązanie techniczne dla biogazowni odpadowej uważa się biogazownię dwustopniową o komputerowo sterowanym procesie dozowania i mieszania surowca wejściowego, z ciągłą dostawą surowca wejściowego oraz odbiorem pozostałości stałej po procesie fermentacji. Dla pierwszego stopnia biogazowni stosowane są poziome albo pionowe zbiorniki fermentacyjne, przy czym oba typy mają swoje zalety i wady.

Dla drugiego stopnia biogazowni projektowane są w większości pionowe zbiorniki fermentacyjne. Bardzo ważnym czynnikiem jest projektowany czas zatrzymania surowca w zbiorniku, z którego następnie wynika obliczenie wymiarów zbiornika fermentacyjnego. W biogazowniach rolniczych czas zatrzymania surowca wynosi na pierwszym stopniu 30 dni, podczas gdy w biogazowniach odpadowych czas ten wynosi do 100 dni. Czas zatrzymania na drugim stopniu jest jeszcze dłuższy, chociaż uzysk biogazu z drugiego stopnia wynosi tylko 10–20 % z ogólnej ilości wyprodukowanego biogazu, co z kolei wymaga dużej powierzchni zabudowanej i środków inwestycyjnych. Tylko w ten sposób można zbudować i prowadzić dobrze funkcjonującą biogazownię, niebędącą źródłem uciążliwego zapachu, o stabilnej wydajności i jakościowym produkcie końcowym, nie tylko w formie biogazu, ale również nawozu organicznego. Końcówka mułowa przeznaczona jest dla przefermentowanej pozostałości z drugiego stopnia. Przefermentowana masa jest następnie odwadniana i przekazywana do dojrzewania w procesie kompostowania.

Dopiero w ten sposób przygotowany materiał można wykorzystać jako nawóz organiczny, pod warunkiem spełnienia wymagań na wartości graniczne metali ciężkich. Problem ten można rozwiązać wyłącznie za pośrednictwem wymaganej jakości surowca wejściowego. W regularnie prowadzonej biogazowni nie występują problemy z higienizacją materiału.

Sposoby wykorzystania energetycznego biogazu:

bezpośrednie spalanie (gotowanie, oświetlenie, chłodzenie, ogrzewanie, suszenie, ogrzewanie wody użytkowej itp.),
produkcja energii elektrycznej i ogrzewanie przenośnika ciepła,
produkcja energii elektrycznej i ogrzewanie przenośnika ciepła, produkcja chłodu,
napęd silników spalinowych albo turbin w celu uzyskania energii mechanicznej,
wykorzystanie biogazu w ogniwach paliwowych.

Obecnie kogeneracyjna produkcja ciepła i elektryczności należy do najbardziej typowych sposobów wykorzystania biogazu nie tylko z biogazowni, ale też na składowiskach odpadów komunalnych oraz na końcówce mułowej w oczyszczalniach ścieków. Sprawność elektryczna jednostek kogeneracyjnych wynosi zwykle 35–45%. Część wyprodukowanego ciepła można wykorzystać do utrzymywania stałej temperatury w zbiorniku fermentacyjnym, mianowicie w przypadku procesu termofilnego (55° C). Największym problemem dotyczącym wykorzystania ciepła jest niska temperatura gazu i duża odległość od ewentualnych odbiorców ciepła. Temperatura wody z chłodzenia silnika kogeneracyjnego wynosi ca 90° C, po dostawie do sieci ciepłowniczej już tylko 80° C. Wodę można wprawdzie podgrzać za pomocą wyprodukowanego gazu, jednak w pobliżu biogazowi.

Aspekt ekonomiczny przetwórstwa odpadów jest jedną z najważniejszych części planowania systemowej gospodarki odpadami.

Istnieją dwa typy dochodów biogazowni: dochody związane z wprowadzeniem produktów do obrotu i dochody związane z utylizacją i unieszkodliwianiem odpadów.

Produktem ubocznym biogazowni jest ciekła faza nawozowa w formie ciekłego nawozu stajennego o podobnym działaniu. Jeżeli jednostka prowadząca biogazownię nie posiada własnych gruntów rolnych, na których można nawóz ten wykorzystać, powinna współpracować z rolnikami.

Ze względu na wymagania Dyrektywy Rady UE 1999/31/WE „w sprawie składowisk odpadów“ w stosunku do przyjmowania odpadów ulegających biodegradacji na składowiska jest oczywiste, że w bliskiej przyszłości będą projektowane i budowane urządzenia do utylizacji odpadów ulegających biodegradacji. Jedną z najbardziej perspektywistycznych, chociaż jednocześnie najdroższych możliwości jest biogazownia. Biogazownia jest urządzeniem skomplikowanym i kosztownym i podczas jej projektowania trzeba wziąć pod uwagę nie tylko możliwości uzyskania dotacji, ale też jakość, dostępność i ilość surowca wejściowego, z tego wynikające konkretne technologie i możliwości eksploatacyjne, związane przede wszystkim ze zbytem produktów końcowych biogazu oraz nawozu naturalnego. Nawet błędy częściowe w projekcie mogą prowadzić do pogorszenia parametrów roboczych, do powstawania nieprzyjemnego zapachu, uciążliwego dla otoczenia, do niestabilnej produkcji biogazu, problematycznego albo wręcz niemożliwego wykorzystania pozostałości z procesu fermentacji i w końcu też do strat o wartości kilku milionów. Regularnie prowadzona biogazownia nie jest źródłem niepożądanego zapachu, charakteryzując się stałą wydajnością jakościowego biogazu.

Przykładowe biogazownie w Województwie Kujawsko- Pomorskim

Na terenie Torunia biogazownia zlokalizowana jest na składowisku odpadów. Od 2009 r. składowisko jest nieczynne i jedyną działalność jaką się tam prowadzi jest właśnie odzyskiwanie gazu wysypiskowego. Uwalniający się biogaz jest spalany w trzech kogenetratorach o łącznej mocy 1324 KWe (wytwarzana jest energia cieplna oraz elektryczna) . Do poboru biogazu wybudowane, aż 82 studnie biogazowe. Obecnie instalacja ta kończy swoją eksploatacje.
Działająca od 2013 r. biogazownia rolnicza w Starorypinie, o mocy 1,9 MW. Na powstaniu biogazowni w Starorypinie korzystają okoliczni rolnicy, ponieważ stworzyła im ona bardzo dobre warunki współpracy. Gospodarzom, którzy podpiszą z nią umowę na uprawę kukurydzy, spółka „Biogazownia Rypin” gwarantuje nasiona, usługę siewu, zbiór oraz transport zebranego surowca. A także, co bardzo ważne, rolnik ma zagwarantowaną minimalną cenę kukurydzy przed podpisaniem umowy. Hodowcy trzody chlewnej nie martwią się już przykrymi zapachami uwalniającymi się podczas rozlewania gnojowicy na polach, bo biogazownia używa jej do produkcji biogazu, a oddaje substrat pofermentacyjny pozbawiony przykrego zapachu. Na powstaniu instalacji biogazowej w Starorypinie skorzystało także pobliskie miasto Rypin. Jej właściciele wybudowali bowiem na swój koszt ciepłociąg, łączący ich biogazownię z siecią ciepłowniczą Rypina, należącą do Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej. Dzięki temu ciepło produkowane z biogazu jest wykorzystywane do ogrzewania wielu budynków w Rypinie.

Biogazownia kogeneracyjna o mocy elektrycznej 1,36 MW i mocy cieplnej 1,54 MW. Instalacja został zlokalizowana na terenach przemysłowych (po byłej cukrowni) w miejscowości Mełno. Projekt osiągnął wymierne korzyści dla samego Inwestora jak i dla otoczenia społeczno -gospodarczego, z którym bezpośrednio funkcjonuje.
Biogazownia w Liszkowie, gm. Rojewo, kujawsko-pomorskie, o zamierzonej łącznej mocy zainstalowanej 2,126 MW i łącznej powierzchni 2,3 ha. W chwili obecnej właścicielem obiektu jest koncern energetyczny ENEA.Technologia zastosowana w biogazowni pochodzi od niemieckiej firmy Schmack Biogas AG. Projektowana przez Aufwind jako intalacja na kiszonkę kukurydzianą produkuje w chwili obecnej energię z odpadów.
Bioelektrownia Buczek Sp. z o.o.rozpoczęła działalność w zakresie produkcji energii elektrycznej i utylizacji odpadów w 2014 roku. Obecnie etap rozruchu został zakończony a produkcja energii elektrycznej odbywa się na poziomie 80 – 90% mocy znamionowej (1,8 MW). Działa ona w oparciu miedzy innymi o Decyzję Starosty Świeckiego z dnia 13.11.2014 roku w zakresie pozwolenia zintegrowanego na unieszkodliwianie i odzyskiwanie odpadów; Decyzję nr 38/2014 Powiatowego Lekarza Weterynarii w Świeciu z dnia 23.10.2014r. w zakresie przetwarzania produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego w biogaz przy użyciu sterylizacji ciśnieniowej.