Produkcja biogazu z odpadów biodegradowalnych.

Głównym problemem cywilizacyjnym XXI wieku jest generowanie coraz większej ilości odpadów, pochodzących z rolnictwa oraz różnych gałęzi przemysłu. Specyficzną frakcją w strumieniu całych odpadów stanowią odpady komunalne. Wytwarzane są one głównie w gospodarstwach domowych, chociaż nie jest to jedyne miejsce ich powstawania. Według danych GUS w 2015 r. w Polsce zebranych zostało 10 863,5 tys. ton odpadów komunalnych, a więc o 5,2% więcej niż rok wcześniej. Na jednego mieszkańca Polski przypadało średnio 283 kg zebranych odpadów komunalnych. Stwierdza się ponadto, że wśród frakcji zebranych selektywnie w 2015 r. frakcja biodegradowalna (m.in. owoców/warzyw czy pochodzenia zwierzęcego) stanowiła ok. 26%. Skład chemiczny tej frakcji stwarza doskonałe warunki do rozwoju mikroorganizmów. Bakterie w warunkach tlenowych i beztlenowych rozkładają związki organiczne w procesie fermentacji. Efektem zachodzących wewnątrz składowiska procesów jest – między innymi – powstawanie gazu składowiskowego, bogatego w metan i dwutlenek węgla, oraz niewielkie ilości azotu, wodoru, tlenu, siarkowodoru, tlenku węgla i amoniaku. Składowisko odpadów komunalnych jest zatem swoistym „bioreaktorem”. Niemniej jednak, biogaz, który samorzutnie powstaje na składowiskach odpadów jest źródłem zanieczyszczeń powietrza. Może jednak stanowić alternatywne źródło energii, którego wykorzystanie przyczynia się do ochrony powietrza. Ponadto, wykorzystywany do produkcji energii biogaz bogaty w metan zwiększa możliwość wypełnienia przez Polskę Narodowych Celów Wskaźnikowych oraz postanowień Pakietu Klimatyczno-Energetycznego (15% energii ze źródeł odnawialnych do 2020 roku).

W Europie już w XIX wieku powstawały pierwsze przemysłowe instalacje wykorzystujące odpady i osady ściekowe w procesach beztlenowych. Niemniej jednak dopiero od lat 90. ubiegłego wieku obserwuje się wzrost wykorzystania odpadów do produkcji biogazu. Instalacje o największej wydajności przetwarzania odpadów powstały w Niemczech, Hiszpanii, Holandii, Szwajcarii, Francji, Belgi oraz Szwecji. Aktualnie biogaz uzyskiwany jest:
• z odgazowania składowisk odpadów komunalnych,
• w biogazowniach funkcjonujących przy oczyszczalniach ścieków,
• w biogazowniach rolniczych lub odpadowych.

FERMENTACJA METANOWA
W związku z tym, że w wytwarzaniu biogazu z odpadów biodegradowalnych kluczową rolę odgrywa fermentacja metanowa warto wyjaśnić czym ona jest i jakie jest jej zadanie. Otóż fermentacja metanowa jest, zachodzącym pod wpływem mikroorganizmów, procesem przemian biochemicznych, w skład którego wchodzą 4 odrębne fazy (hydroliza, acydogeneza, octanogeneza, metanogeneza). Pierwszy oraz drugi etap fermentacji metanowej dla uproszczenia nazywany jest często „fermentacją kwaśną”, natomiast trzeci i czwarty „fermentacją metanogenną”. W wyniku przemian zachodzących w trakcie ostatniej z faz powstaje biogaz, którego głównymi składnikami są metan (około 60%) oraz ditlenek węgla (około 39% produkcji). Pozostałe gazy powstające w tracie fermentacji nie mają znaczenia od strony energetycznej procesu, gdyż ich ilość nie przekracza zazwyczaj 1% całkowitej produkcji. W każdym etapie fermentacji metanowej udział biorą mikroorganizmy odmiennego typu i o odmiennych granicach tolerancji na parametry takie jak temperatura, zasolenie, pH, ilość substancji pokarmowych i toksycznych. Poprzez dostosowanie odpowiednich parametrów do odpowiedniego etapu możliwe jest uzyskanie większej ilości biogazu wyróżniającego się lepszą jakością. Aby to osiągnąć technologicznie wprowadzono tzw. fermentację wielostopniową, która odbywa się w wielu reaktorach, z których każdy jest przystosowany do przeprowadzania innego etapu fermentacji. Poza podziałem na fermentację jedno- i wielostopniową, technologie produkcji biogazu można podzielić również w zależności od:
• Zawartości suchej masy w substracie (fermentacja mokra i sucha);
• Temperatury prowadzenia procesu (mezofilna, termofilna),
• Sposobu dozowania substratów (ciągły, okresowy, sekwencyjny).

METODA MECHANICZNO-BIOLOGICZNEGO PRZETWARZANIA
W Polsce do produkcji biogazu z odpadów biodegradowalnych wyselekcjonowanych z odpadów komunalnych wykorzystywana jest metoda mechaniczno-biologicznego przetwarzania. W metodzie tej odpady są poddane obróbce mechanicznej (procesy rozdrabniania, przesiewania, sortowania, homogenizacji, separacja metali żelaznych i nieżelaznych, wydzielenia frakcji palnej), a następnie rozdziela się je na frakcje dające się w całości lub w części wykorzystać energetycznie (paliwo stałe), materiałowo (surowce wtórne) oraz na frakcję ulegającą biodegradacji. Frakcja ta przetwarzana jest w warunkach tlenowych (stabilizacja/ kompostowanie) bądź beztlenowych z udziałem mikroorganizmów. Proces beztlenowej stabilizacji odpadów/fermentacji metanowej jest procesem biologicznego unieszkodliwiania odpadów w warunkach beztlenowych, w wyniku którego wytworzony zostanie nowy odpad (tj. stabilizat, który nie spełnia wymagań dla nawozów organicznych lub środków wspomagających uprawę roślin) oraz biogaz. Oszacowano, że średnia wartość opałowa biogazu uzyskiwanego z bioodpadów komunalnych wynosi ok. 21,54 MJ/m3. Energia zawarta w 1 m3 takiego biogazu odpowiada energii zawartej w 0,93 m3 gazu ziemnego. 1 dm3 oleju napędowego, 1,25 kg węgla lub odpowiada 9,4 kWh energii elektrycznej.

BIOGAZOWNIA ROLNICZA
W chwili obecnej w Polsce wzrasta zainteresowanie biogazowniami rolniczymi. Budowa tego typu biogazowni w kraju jest i będzie wspierana przez specjalne finansowanie. Docelowo, w każdej gminie w Polsce powinna działać przynajmniej jedna biogazownia rolnicza, w których wykorzystuje się odpady z produkcji rolnej, np. gnojowica czy obornik, kiszonkę kukurydzy, zboża, trawy, liście buraków i ziemniaków oraz inne rośliny (w tym z tzw. rośliny energetycznych). W biogazowniach rolicznych znajdują zastosowanie metoda jednostopniowa (cały proces fermentacyjnego w jednej komorze) lub dwustopniowa (proces fermentacji podzielony na dwa reaktory).
Wytwarzany w biogazowni rolniczej biogaz jest odprowadzany do zbiorników magazynowych:
• mokrych- zainstalowane są bezpośrednio nad komorą fermentacji i służą do zbierania biogazu z bieżącej produkcji,
• lub suchych- zbierają biogaz przesyłany z bioreaktora i stanowią rodzaj rezerwy.