Tehnologii actuale de obtinere a biogazului

Detalii

Categorie: Energie regenerabila

23 Iunie 2013

Procesul biologic de digestie anaeroba

Producerea biogazului prin digestie anaeroba (AD) este considerata a fi tratamentul optim in cazul gunoiului animal, precum si in acela al unei largi varietati de deseuri organice pretabile acestui scop, deoarece astfel respectivele substraturi sunt transformate in energie regenerabila si in ingrasamant organic pentru agricultura.

Digestia anaeroba (AD) este un proces biologic complex, prin intermediul caruia, in absenta oxigenului, substanta organica este transformata in biogaz (sau gaz biologic), constituit in principal din metan si anhidrida carbonica. Procentul de metan din biogaz variaza in functie de tipul de substanta organica digerata si de conditiile de proces, de la un minim de circa 50% pana la 80%.

In prezent, cea mai importanta aplicatie a proceselor AD o reprezinta producerea de biogaz in instalatii speciale, prin procesarea substraturilor provenite din agricultura, precum gunoiul animal, reziduurile vegetale, culturile energetice sau deseurile organice rezultate din activitatile agro-industriale si din industria alimentara. Conform Agentiei Internationale pentru Energie (IEA), un numar de cateva mii de fabrici agricole care utilizeaza procesul AD sunt functionale in Europa si in America de Nord. Multe dintre acestea sunt reprezentate de instalatii avansate din punct de vedere tehnologic, construite la scara mare, numarul lor cunoscand o crestere considerabila in ultimii ani.

Se estimeaza ca la nivel european exista un potential considerabil pentru cresterea productiei actuale de biogaz, pe baza activitatilor din domeniul zootehnic. Dupa largirea UE, noile tari membre ale Europei de Est trebuie, de asemenea, sa utilizeze aceste tehnologii si sa beneficieze de pe urma potentialului lor ridicat pentru biogaz. Implementarea tehnologiilor AD in aceste tari va contribui la reducerea unui numar mare de probleme de poluare a mediului, odata cu intensificarea dezvoltarii durabile a comunitatilor rurale si a sectorului agricol in ansamblu.

Biogazul produs prin procesul AD este ieftin si constituie o sursa de energie regenerabila, acesta producand, in urma combustiei, CO₂ neutru si oferind posibilitatea tratarii si reciclarii unei intregi varietati de reziduuri si produse agricole secundare, a diverselor bioreziduuri, a apelor reziduale organice provenite din industrie, a apelor menajere si namolurilor de canalizare, pe o cale sustenabila si “prietenoasa” cu mediul inconjurator. In acelasi timp, biogazul aduce un mare numar de beneficii de natura socio-economica, atat pentru fermierii implicati in mod direct in producerea acestuia, cat si la nivelul intregii societati.

Circuitul nutrientilor, prin procesul producerii biogazului – de la productia de materii prime la aplicarea digestatului ca ingrasamant – este unul inchis. Compusii cu carbon (C) sunt redusi, prin procesul de digestie anaeroba, metanul (CH₄) fiind folosit pentru producerea de energie, in timp ce dioxidul de carbon (CO₂) este eliberat in atmosfera, de unde este preluat de catre plante, in cursul fotosintezei. Unii compusi ai carbonului raman in digestat, imbunatatind continutul in carbon al solurilor, atunci cand digestatul este utilizat ca ingrasamant. Productia de biogaz poate fi perfect integrata in activitatea fermelor conventionale sau a fermelor organice, unde digestatul inlocuieste ingrasamintele anorganice obisnuite, produse obtinute cu consumul unei mari cantitati de energie fosila. (Fig.1)

Fig.1 Circuitul sustenabil al biogazului provenit din procesul AD

Ca procesul AD sa poata avea loc, este necesara actiunea diferitelor grupuri de microorganisme, in masura sa transforme substanta organica in compusi intermediari, in principal acid acetic, anhidrida carbonica si hidrogen, utilizabile de microorganismele metanogene care conduc procesul, producand metanul.

Microorganismele anaerobe prezinta o viteza scazuta de dezvoltare si o viteza mica de reactie si deci e necesar sa se mentina optime, pe cat posibil, conditiile mediului de reactie. Timpii de proces sunt relativ lungi daca se compara cu cei ai altor procese biologice, avantajul procesului este ca materia organica complexa este transformata intr-un gaz combustibil ieftin de o inalta putere calorica. In ambientul de reactie, numit de obicei digestor( sau reactor anaerob), va trebui sa rezulte un compromis intre exigentele tuturor grupelor de bacterii, pentru a permite dezvoltarea simultana a tuturor microorganismelor implicate. ph-ul optim este de 7 – 7,5. Temperatura optima a procesului este in jur de 35 ⁰C, daca se utilizeaza bacterii mezofile, sau in jur de 55 ⁰C, daca se utilizeaza bacterii termofile. La proces participa urmatoarele grupuri de bacterii:

• bacterii hidrolitice, care descompun macromoleculele biodegradabile in substante mai simple;
• bacterii acidogene, care utilizeaza ca substrat compusii organici simpli eliberati de bacteriile hidrolitice si produc acizi organici cu lant scurt, care la randul lor reprezinta substratul pentru grupurile urmatoare de bacterii;
• bacterii acetogene, producatoare obligate de hidrogen (OPHA: Obbligate Hydrogen Producing Acetogens), care utilizeaza ca substrat produsele din bacterii acidogene dand nastere la acetat, hidrogen si anhidride carbonice;
• bacterii omacetogene care sintetizeaza acetat plecand de la anhidride carbonice si hidrogen;
• bacterii metanogene, diferentiate in doua grupe:
  1. 1. cele care produc metan si anhidride carbonice din acid acetic, numite acetoclastici;
     2. cele care produc metan plecand de la dioxid de carbon si hidrogen, numite bacterii hidrogenotrofice.

In timp ce metanul este eliberat aproape in totalitate in stare de gaz, din cauza solubilitatii sale scazute in apa, dioxidul de carbon participa la echilibrul carbonatilor din biomasa, in conformitate cu reactia. Diferitele specii de bacterii au interactiuni stranse si produsele metabolismului unor specii pot fi utilizate de catre alte specii ca substrat sau de factori de crestere.

Influenta calitatii dejectiilor

Biodegradabilitatea generala a dejectiilor analizata la nivelul bazinului de colectare a canalizarilor, poate varia intre 60 si 80%, in functie de ,,varsta’’ si tipul de alimentatie. In tabelul 1.1 sunt prezentate estimativ cantitatile de biogaz ce se pot produce prin fermentarea anaeroba a diferite tipuri de dejectii provenite din crescatorii.

O clasificare ulterioara a fractiunilor biodegradabile , permite distingerea in interiorul fractiunii solubile a unei parti rapid biodegradabila (circa 20% din SSV) si a uneia mai lente, iar in interiorul partii suspendate se disting o parte usor hidrolizabila si una mai greu.

Tabel 1.1

In tabelul 1.2 sunt prezentate estimativ cantitatile de biogaz ce se pot produce prin fermentarea anaeroba a diferite tipuri de materiale organice provenite din agricultura sau din industria de procesare a produselor agricole.

Tabel 1.2

Datele recoltate din probele de laborator pe termen lung, in conditii normale ale reactorului anaerob, cu timpi de stabilitate hidraulica limitati. ating niveluri de transformare a substantei organice in gaz biologic intre 70 si 90% din biodegradabilitatea maxima, in functie de starea dejectiilor. Nivelurile scazute de transformare se pot datora temperaturilor joase, timpilor de retentie hidraulica prea scurti, incarcaturilor organice prea ridicate cat si prezentei substantelor inhibante sau antibiotice in concentratii mari.

O ulterioara reducere de circa 12,5% din substanta organica transformabila in biogaz rezulta din operatiile de pretratare a dejectiilor, necesare pentru remiscarea solidelor mai grosolane care pot provoca probleme de cruste superficiale in reactoarele fara amestecator. La sfarsit se calculeaza randamentul de biogaz, recurgandu-se la analiza stechiometrica, din care se obtine ca pentru fiecare gram de COD distrus se produc 0,35 l de metan in conditii standard (volum calculat la temperatura de 0ºC si la presiune de 1 atmosfera absoluta). In realitate aceasta valoare va fi corectata in masura in care o fractiune medie de 5% din COD distrus este utilizata pentru cresterea celulara a biomasei anaerobe responsabile de proces. Factorul de transformare scade asadar la 0,33 l. Dat fiindca biogazul este de obicei masurat la o temperatura si o presiune diferite de conditiile standard, aceasta valoare va fi multiplicata printr-un factor egal cu (273 + T)/273 unde T este temperatura de masurat in ºC, si impartita printr-un factor (10,33 + P)/10,33 unde P este presiunea de masurat in mm de coloana de apa.(Procedura inversa va fi facuta daca se vrea o determinare in conditii de reactor, cunoscandu-se valorile in conditii standard).

Deseori insa, dupa cum este indicat mai sus, se estimeaza randamentele de productie de biogaz cu parametrii, ce se considera mai usor de determinat la nivel zootehnic, si totusi corelate la COD, ca substanta organica prezenta in dejectii.

In tabelul 1.3 sunt prezentate estimativ volumul de biogaz obtinut si cantitatea de energie, obtinute din diverse produse, in urma digestiei anaerobe.

Tabel 1.3

Producerea de biogaz si implicit cogenerarea de energie electrica, respectiv caldura, prin arderea sa, genereaza si alte fenomene benefice cum ar fi:

1. Eliminarea mirosurilor si emisiilor poluante (NH₃ si CH₄) deoarece substantele rau mirositoare care eventual se formeaza in timpul procesului de AD ( hidrogen sulfurat, mercaptan, amoniac) sunt arse impreuna cu biogazul.
2. Stabilizarea dejectiilor prin eliminarea incarcaturii organice datorita AD, ceea ce confera dejectiilor o stabilitate suficienta in perioadele ulterioare de stocaj, prin incetinirea proceselor degradante si fermentative, precum si diminuirea producerii de compusi urat mirositori.
3. Reducerea incarcaturii patogene prin digestia anaeroba in mezofilie. Aceasta poate reduce partial eventuala incarcatura patogena prezenta in dejectiile lichide. Digestia anaeroba in termofilie poate genera completa igienizare a dejectiilor, cu distrugerea totala a patogenilor.

Proiectul ManProEnv

In practicile agricole traditionale, fertilizatori minerali si dejectii animaliere sunt aplicate pe solul agricol pentru a creste aportul de nutrienti si a imbunatati calitatea culturii. Cand acest surplus de nutrienti se infiltreaza prin terenul agricol si ajung in mediul inconjurator exista riscul ca acestia sa devina poluanti, in principal din cauza nitratilor proveniti din compusii azotati. Prin urmare, imprastierea fertilizatorilor minerali si a dejectiilor animaliere trebuie facuta cu atentie, atat in ceea ce priveste cantitatea, cat si perioada aplicarii, pentru a reduce riscul supra-acumularii nutrientilor si infiltrarea acestora. Proiectul ManProEnv isi propune sa vina in intampinarea acestor probleme prin identificarea si diversificarea mijloacelor de protectie a mediului, prin valorificarea dejectiilor animale, prin cresterea gradului de angajare al autoritatilor locale in indeplinirea prevederilor referitoare la protectia mediului, dar si prin cresterea nivelului de informare si constientizare publica. 

Proiectul ManProEnv - Dezvoltarea unui sistem de management pentru protectia mediului prin valorificarea superioara a dejectiilor animaliere in zona transfrontaliera Teleorman-Veliko-Tarnovo - face parte din Programul de Cooperare Transfrontaliera Romania-Bulgaria 2007 – 2013, Axa prioritara 2: Mediu, Aria majora de interventie 1: Dezvoltarea unor sisteme comune de management pentru protectia mediului.

    Data de incepere a proiectului 30/12/2011
    Data de finalizarea a proiectului 30/06/2013
    Valoarea totala: 962 941.460 Euro

Proiectul ManProEnv este realizat de Institutul National de Cercetare-Dezvoltare Chimico-Farmaceutica (ICCF- Bucuresti), in parteneriat cu Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Masini si Instalatii Destinate Agriculturii si Industriei Alimentare (INMA-Bucuresti), Institutul pentru stiinta solului, tehnologie agricola si protectia plantelor „N.Poushkarov” si Centrul de afaceri “Svishtov”. Scopul proiectului il reprezinta constientizarea populatiei din zona transfrontaliera Teleorman-Veliko-Tarnovo asupra riscului prezentat de gestionarea necorespunzatoare a dejectiilor animaliere in ceea ce priveste poluarea cu azot si derivati ai acestuia, atat a solului cat si a apelor subterane si de suprafata, cu grave impacte asupra fluviului Dunarea.

• < Anterior
• Următor >