biogaz

Biogaz — Biogaz – mieszanina gazów powstająca w procesie biologicznym, z masy organicznej, do której nie ma dostępu tlen. Proces powstawania biogazu występuje powszechnie w przyrodzie, na przykład na torfowiskach, w gnojowicy, czy na dnie mórz. Podczas procesu przemiany masy organicznej, pozostaje jedynie biogaz.

Z czego jest otrzymywany biogaz

Biogaz może być otrzymywany z następujących substancji organicznych:

• odpadów roślinnych,
• ścieków komunalnych,
• ścieków z zakładów przetwórczych,
• gnojowicy.

W procesie fermentacji beztlenowej dochodzi do szeregu skomplikowanych przemian, jak:

• hydrolizy, podczas której substancje takie jak węglowodory, białka czy tłuszcze rozkładane są do cukrów prostych i gliceryny, aminokwasów oraz kwasów tłuszczowych.
• acidogenezy, podczas której powstają krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, alkohole oraz dwutlenek węgla, wodór i metan.
• acetogenezy, – podczas której z kwasów tłuszczowych powstaje kwas octowy, dwutlenek węgla i wodór.
• metanogenezy, – podczas której, w wyniku przemian kwasu octowego i wodoru, powstaje mieszanina metanu i dwutlenku węgla, która jest produktem końcowym.

W zależności od rodzaju materiału organicznego użytego do fermentacji oraz warunków, w jakich ona przebiegała, skład oraz ilość biogazu może się różnić. Zawartość składowych gazu, takich jak metan może się wahać od 40 do 80%, dwutlenku węgla od 20 do 55%, siarkowodoru od 0,1 do 5,5%. Natomiast pozostałe składowe, takie jak wodór, tlenek węgla, azot i tlen występują w ilościach śladowych.

Biogaz to sposób na otrzymywanie zielonej energii – shutterstock.com

Metody otrzymywania biogazu

Biogaz może tworzyć się w sposób samorzutny lub może być produkowany celowo w procesie rozkładu substancji organicznych. Samorzutnie powstaje na przykład na składowiskach odpadów komunalnych, natomiast by powstał celowo, jego produkcję prowadzi się w oczyszczalniach ścieków czy w biogazowniach rolniczych.

Biogaz ze składowiska odpadów

W składowisku odpadów powstaje głównie metan i dwutlenek węgla, a dodatkowo, w niewielkich ilościach także azot, wodór, tlen, siarkowodór, tlenek węgla oraz amoniak. Procentowa zawartość metanu do dwutlenku węgla może się zmieniać w szerokich granicach, w zależności od tego, jak intensywnie będą w składowisku przebiegały przemiany tlenowe i beztlenowe. Podczas stabilnie przebiegającej metanogenezy, zawartość metanu zazwyczaj waha się w granicach 50-60%, natomiast dwutlenku węgla w granicach 30-40%. W gazie składowiskowym w porównaniu do biogazów wytwarzanych innymi metodami różni się tym, że w ilościach śladowych występuje w nim znaczna liczba substancji organicznych. Zależy ona w dużej mierze od warunków panujących na danym składowisku, jak szybkość oraz mechanizm rozkładu odpadów.

Biogaz z oczyszczalni ścieków

W oczyszczalniach ścieków biogaz powstaje w procesie fermentacji osadów ściekowych. Odbywa się to w specjalnych wydzielonych komorach fermentacyjnych (WKF). Osady ściekowe powstają w procesie oczyszczania ścieków. Są częścią tego procesu i powstają w wyniku przeprowadzenia wszystkich metod oczyszczania. Osady mają zazwyczaj zróżnicowany skład chemiczny, który jest zależny od składu ścieków, zastosowanej technologii ich oczyszczania oraz późniejszej przeróbki osadów. W oczyszczalniach ścieków budowanych obecnie stosowane są wysokoefektywne biologiczne metody oczyszczania ścieków. Bardzo często usuwanie związków biogennych wspomaga się stosowaniem metod chemicznych, dzięki czemu gromadzone są spore ilości osadów ściekowych. Aby zneutralizować organizmy niebezpieczne dla zdrowia oraz substancje chemiczne, które zgromadziły się w osadzie, poddaje się go fermentacji. Fermentacja przebiega z udziałem tlenu lub bez jego udziału. Gdy fermentacja przebiega bez udziału tlenu, powstaje biogaz. Fermentacja osadów jest procesem przebiegającym znacznie bardziej intensywnie w porównaniu do biodegradacji na składowisku.

Widok z góry na komunalną oczyszczalnię ścieków – shutterstock.com

Biogaz z biogazowni rolniczych

W biogazowniach rolniczych, do produkcji biogazu używa się odchody zwierząt, odpady organiczne oraz biomasę roślinną. Najczęściej używanymi surowcami są odchody zwierząt hodowlanych, trawa, słoma, łodygi oraz liście roślin uprawnych, rośliny uprawne, które celowo uprawiane są na masę organiczną mającą zasilić produkcję biogazu, odpady z przemysłu rolno-spożywczego jak melasa, obierki, wysłodki, a także osady ściekowe. Głównymi produktami powstającymi w takich biogazowniach są biogaz oraz nawóz organiczny. Rośliną uprawianą celowo, z której powstaje największa ilość metanu jest kukurydza. Zazwyczaj to od surowca wsadowego oraz od parametrów procesu, takich jak chociażby czas i temperatura fermentacji, czy dokładność wymieszania, zależy skład uzyskanego biogazu.

Proces produkcji biogazu w biogazowni

W procesie fermentacji składników organicznych w biogazowni rolniczej powstaje biogaz i nawóz. Fermentacja składa się z czterech etapów, jak hydrolizy, fazy acydofilnej, octanogennej oraz metanogennej. Proces ten przebiega z udziałem bakterii, dlatego aby otrzymać jak największą ilość gazu, należy stworzyć im jak najlepsze warunki. O poprawnie przeprowadzonej fermentacji decydują czynniki takie jak:

• temperatura – powinna być dostosowana do typu bakterii i stała.
• hydrauliczny czas retencji – powinien być na tyle długi, aby substancje organiczne w komorze fermentacyjnej rozłożyły się całkowicie oraz, aby nie wymywać zbyt szybko bakterii ze zbiornika.
• optymalne załadowanie komory fermentacyjnej – zbyt wysokie przeciąża układ, natomiast zbyt niskie może spowodować zanik procesu fermentacji.
• eliminacja inhibitorów procesu fermentacji, takich jak antybiotyki i środki ochrony roślin.

W niektórych biogazowniach przeprowadzany jest proces fermentacji dwustopniowej. Stosuje się ją w przypadku istnienia w materii organicznej dużej ilości odpadów tłuszczowych, które w wyniku rozpadu tłuszczu mogłyby spowodować nadmierne zakwaszenie środowiska. Fermentacja dwustopniowa jest stosowana także w przypadku substancji, które bardzo trudno ulegają rozkładowi, jak celuloza, hemiceluloza i lignina.

Schemat powstawania biogazu w biogazowni rolniczej – shutterstock.com

Wykorzystanie biogazu

Biogaz może być wykorzystywany do:

• produkcji energii niskoemisyjnej;
• wytwarzania energii cieplnej – do tego celu wykorzystywane są palniki, które są dostosowywane na potrzeby spalania różnych biopaliw, należy, więc dostosować takie urządzenie do wykorzystania biogazu;
• produkcji metanolu;
• przesyłania do sieci gazu ziemnego
• produkcji energii elektrycznej
• napędzania pojazdów mechanicznych (po odpowiednim uszlachetnieniu biogazu do biometanu).

• jest odnawialnym źródłem energii
• surowce do jego produkcji są łatwo dostępne;
• w procesie jego wytwarzania nie następuje degradacja środowiska
• odpady powstałe po fermentacji są stosowane jako nawóz naturalny
• pozyskana w ten sposób energia jest czysta;
• zmniejszane jest uwalnianie metanu do środowiska, co wpływa także na ograniczenie pogłębiania się efektu cieplarnianego
• biogaz wykazuje kaloryczność na poziomie 22 MJ/m³, tymczasem węgiel kamienny na poziomie 24-29 MJ/kg.

Wady biogazu

Zasadniczymi wadami biogazu są:

• niestabilność metanu, który jest gazem dość niebezpiecznym, mogącym doprowadzić do wybuchu;
• technologia produkcji nie jest jeszcze udoskonalona w stopniu pozwalającym na stuprocentowe spożytkowanie energii i ciepła powstających w procesie wytwarzania, co powoduje znaczne ich straty do środowiska;
• wciąż trudno jest wytwarzać go na większą skalę, proces jest ekonomicznie nieopłacalny;
• urządzenia zbudowane z części metali kolorowych oraz z gorszej jakości stopów metali, pracujące na biogazie, wymagają częstych przeglądów technicznych, ze względu na pojawianie się korozji związanej ze znajdującym się w biogazie siarkowodorem.