Biogazownia to zespół urządzeń, które produkują jednocześnie energię elektryczną, cieplną i nawóz ekologiczny. Głównym zadaniem jest produkcja biogazu, która następuje w procesie beztlenowej fermentacji metanowej różnorodnych substancji lub odpadów organicznych.

Reklama

Substancje organiczne, które znajdują się w substratach, są rozkładane przy pomocy bakterii metanowych. Fermentacja metanowa jest procesem wielofazowym. Pierwszym etapem jest hydroliza, która  prowadzi do rozkładu polimerów organicznych do związków o prostszej budowie, obejmuje ona w szczególności rozkład białek do aminokwasów, lipidów do alkoholi i wyższych kwasów tłuszczowych oraz węglowodanów do monosacharydów. Drugi etap to acidogeneza, podczas której z produktów hydrolizy wytwarzane są kwasy karboksylowe. Kolejnym etapem jest acetogeneza, podczas której powstaje octan produkowany przez heterotrofy z glukozy oraz przez autotrofy z dwutlenku węgla i wodoru. Etap czwarty to metanogeneza, czyli wytworzenie metanu przez metanogeny z octanu lub na drodze redukcji dwutlenku węgla wodorem. Pierwsze trzy etapy trwają kilkanaście minut, natomiast czas generacji bakterii metanogennych kilkadziesiąt do kilkuset godzin.

Podstawowym składnikiem biogazu jest metan, stanowi on od 52 do 85 proc. całej mieszaniny. To właśnie zawartość metanu jest decydującym czynnikiem, który wpływa na możliwość zastosowania biogazu do celów energetycznych. Kolejno co do objętości kwalifikuje się dwutlenek węgla, jest go od 14 do 48 proc. Oprócz tych dwóch składników, w śladowych ilościach, mogą występować także: siarkowodór (0,08-5,5 proc.), wodór (0-5,5 proc.), tlenek węgla (0-2,1 proc.), azot (0,6-7,5 proc.) i tlen (0-1 proc.), a także wilgoć i cząstki stałe.

Lista możliwych do wykorzystania w biogazowni substratów jest bardzo długa, znajdują się na niej m.in.: zboża, trawy, odpady komunalne, osady ze ścieków lub wysypisk śmieci, gnojowica, rośliny bulwiaste, serwatka, kiszonki, odpady poubojowe  i wiele innych. Najbardziej produktywna jest kiszonka z kukurydzy, niektóre odpady ściekowe oraz trawy. Obecnie powszechnie stosowane jest przetwarzanie przez biogazownię mieszaniny kilku substratów, zwane kofermentacją. Zróżnicowanie substratów jest zjawiskiem sprzyjającym uzyskaniu lepszych parametrów procesu i zwiększającym bezpieczeństwo zapewnienia dostaw surowca. Wsad do biogazowni powinien zapewniać wysoką wydajność produkcji biogazu, stabilny przebieg procesu fermentacji oraz możliwość wykorzystania powstałej masy pofermentacyjnej zgodnie z obowiązującym prawem. W dużych biogazowniach stosuje się wspólną fermentację mieszaniny odchodów zwierzęcych z odpadami z przemysłu rolno-spożywczego lub roślinami energetycznymi. Dobór właściwej kompozycji mieszaniny na etapie projektowym powinien zaproponować doświadczony technolog, a dla bezpieczeństwa procesu fermentacji wskazane jest systematyczne badanie laboratoryjne substratów.

Podstawowe elementy budowy biogazowni to: układ podawania biomasy, komora fermentacyjna, zbiornik magazynowy dla przefermentowanego substratu, zbiornik biogazu oraz agregat prądotwórczy (w przypadku gdy produkowana jest tylko energia elektryczna) lub agregat kogeneracyjny (kiedy występuje kogeneracja energii elektrycznej i cieplnej).Biogaz może powstawać w oczyszczalniach ścieków, na składowiskach odpadów oraz w gospodarstwach rolnych (tzw. biogaz rolniczy).

Biogaz na oczyszczalniach ścieków

Produkcja biogazu w instalacjach oczyszczalni ścieków jest powszechnie stosowanym rozwiązaniem. Plusem jest nie tylko dostarczanie energii na potrzeby własne oczyszczalni, ale również zapewnienie stabilizacji powstałych osadów ściekowych. Substratem do produkcji biogazu w tym przypadku są osady ściekowe, czyli produkt uboczny procesu oczyszczania ścieków. Kierowane są one do komory fermentacyjnej, tam następuje rozkład substancji organicznych przez bakterie metanowe. Powstały gaz ujmowany jest w stropie komory poprzez znajdujący się tam dzwon. Następnie biogaz trafia do odsiarczalników w celu usunięcia wybuchowego siarkowodoru. Do magazynowania powstałego biogazu używa się zbiornika magazynowego. Stanowi on buforową pojemność dla biogazu, która jest niezbędna z uwagi na nierównomierność w wytwarzaniu i odbiorze gazu. Należy na bieżąco kontrolować stan napełnienia zbiornika. Instalacja do pozyskania i odbioru biogazu powoduje, że oczyszczalnie ścieków, przy których znajdują się biogazownie, przyczyniają się do ochrony środowiska naturalnego oraz czerpią korzyści finansowe wynikające z wykorzystania własnego źródła energii.

Biogaz na składowiskach odpadów

Biogaz powstaje na każdym składowisku odpadów komunalnych, nazywany jest potocznie gazem składowiskowym,  i w sposób naturalny wydostaje się do atmosfery. Jego ujmowanie jest ważne ze względu na ograniczenie do minimum możliwości wybuchu, gdyż metan w mieszaninie z powietrzem, przy zawartości 5-15 proc. jest wybuchowy. Stanowi zagrożenie również dla rozwoju roślin, jest ponadto gazem cieplarnianym oraz zagrożeniem dla warstwy ozonowej i należy ograniczyć jego przedostawanie się do atmosfery.

Istnieją dwa główne sposoby odgazowania składowisk. Pierwszym i zarazem najprostszym sposobem jest odgazowanie bierne. Polega ono na wykonaniu odwiertów przez całą grubość bryły wysypiska, ułożeniu w nich rur perforowanych umożliwiających migrację gazu do wnętrza rury i zabudowaniu tych rur pochodniami spalającymi biogaz wydobywający się pod własnym ciśnieniem. Jednak metoda ta nie przewiduje wykorzystania energetycznego uzyskanego biogazu, gdyż cały ulega spaleniu. Zupełnie inna jest metoda odgazowania aktywnego , która wykorzystuje takie same studnie gazowe, ale połączone przewodami gazowymi z modułem ssąco-regulacyjno-pompującym. Takim sposobem biogaz wysysa się ze składowiska delikatnym podciśnieniem. Aby wyeliminować możliwość wypływu biogazu do atmosfery, uszczelnia się bryłę składowiska poprzez pokrycie warstwą glinowo-piaskową i rekultywacyjną. Metoda ta pozwala na energetyczne zagospodarowanie biogazu.

Biogaz z biogazowni rolniczej

Specyficznym rodzajem biogazowni są te wykorzystujące do produkcji biogazu produkty pochodzące bezpośrednio z gospodarstwa rolnego (produkty rolne, pozostałości produkcji rolnej, pozostałości z przetwórstwa rolno-spożywczego, odchody zwierząt gospodarskich). Noszą one nazwę biogazowni rolniczych. W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie ich budową. Pozyskiwanie energii w biogazowniach rolniczych rozwiązuje problem składowania odpadów rolniczych, ograniczając jednocześnie emisję do atmosfery wysokich stężeń metanu, pochodzących z fermentacji wolno składowanej biomasy. Przetwarzanie substancji organicznych może też stanowić źródło cennego nawozu dla rolnictwa.