Cum producem biogaz și energie termică din deșeuri agricole

Chinezii au fost primii care au folosit energia biogazului cu o sută de ani înainte de era noastră. În perioada modernă, tehnologiile biogazului sunt utilizate pe scară largă în China – aproximativ 30 de milioane staţii de biogaz în 2000.

Biogazul este gazul metan și substanţele sale naturale însoţitoare, obţinut ca urmare a descompunerii fără aer (anaerobe) a produselor de origine vegetală și animală, sub influenţa bacteriilor metanice.

• Metanul este cea mai simplă hidrocarbură, gaz incolor inodor (în condiţii normale), formula chimică – CH4. Ușor solubil în apă, mai ușor decât aerul.
• Biogazul este un amestec de gaze, inclusiv metan 50–75%, dioxid de carbon 25–50%, hidrogen 0–1%, azot 0–10%, oxigen 0–2% și compuși de sulf (0–3%). În funcţie de materia organică și de evoluţia procesului de fermentare, biogazul poate conţine cantităţi semnificative de hidrogen și monoxid de carbon. Puterea calorică a biogazului este de 18–26 MJ/m3 (în medie, aproximativ 6 kWh/m3), ceea ce corespunde puterii calorifice de 0,6 litri de păcură sau 1,3 kg de lemn.
• Biogazul este utilizat pe scară largă pentru producerea de electricitate și căldură, ce sunt utilizate pe scară largă în întreprinderile mijlocii și mici și în gospodării casnice.

Conversia deșeurilor de origine vegetală și animală

Pe Glob, această activitate se realizează pe baza utilizării a aproximativ 60 de variaţii de tehnologii de biogaz.

Etapele procesului de fermentare a metanului

Procesul de producţie a metanului biologic, la prima vedere, pare a fi foarte simplu. Deșeurile organice, diluate cu apă până la consistenţa necesară, sunt plasate într-un rezervor – bioreactor (fermentator) ermetizat.

Aici, bacteriile care formează metan, consumându-le, eliberează metan, dioxid de carbon și hidrogen sulfurat. Gazul este colectat și deviat pentru implementare practică.

Biomasa poate fi transformată în biogaz printr-un proces denumit digestie anaerobă (AD). Acesta este un proces biologic etapizat, prin care diverse tipuri de microorganisme descompun biomasa digerabilă în absenţa oxigenului.

Biomasa este transformată în biogaz, care conţine în principal metan (CH4), dioxid de carbon (CO2) și în cantităţi mult mai mici hidrogen (H2) și hidrogen sulfurat (H2S).

Pentru a asigura executarea ciclului complex de lucrări și procese tehnologice staţia de biogaz este compusă din următoarele elemente de bază:

• instalaţii de transport;
• depozit pentru materia primă;
• maşini de mărunţire a materiei prime;
• sistem de alimentare cu materie primă (dozator);
• pompe;
• bazin de fermentare (fermentator, digestor, reactor) cu amestecătoarele din interiorul lui;
• sistem de colectare a biogazului;
• sistem de colectare a reziduurilor;
• sistem de utilizare a biogazului produs (instalaţii de cogenerare).

Toate aceste dispozitive și utilaje sunt unite într-un conveier
tehnologic logic amplasat astfel ca procesele să se
desfășoare cu cel mai înalt randament și comoditate pentru personal.

Etapele producerii biogazului

Producţia de biogaz din biomasă are loc în patru etape: hidroliză, acidogeneză, acetogeneză și metanogeneză.

La fiecare etapă procesul este realizat de diferite grupuri de microorganisme, parţial interconectate, demonstrând diferenţa de cerinţe pentru condiţiile mediului unde se află.

Ca procesele să se desfășoare cu o eficienţă cât mai înaltă din punct de vedere tehnic trebuie asigurate cerinţele de bază ce influenţează fermentarea anaerobă.

Materia primă trebuie să aibă o compoziţie integră după elementele nutritive necesare microbilor metanogeni, să nu conţină substanţe toxice (acestea pe orice cale nu trebuie să pătrundă în ciclul de producere), iar înainte de alocare în fermentator să fie omogenizată cât mai intens.

Omogenizarea masei organice se efectuează și înăuntrul fermentatorului prin asigurarea bunei funcţionări a amestecătoarelor interne.

Deoarece rata maximă de evoluţie a metanului, are loc la temperatura în intervalul 30–45°C, în locurile corespunzătoare se efectuează izolarea termică, iar la necesitate se execută încălzirea suplimentară.

În acest caz, cea mai mare parte a „combustibilului” încărcat este procesată în 12–15 zile.

Microorganismele care efectuează procesul de fermentare în condiţii acide și neutre în ceea ce privește pH-ul pot avea cerinţe similare faţă de mediul în care se desfășoară activitatea lor și poate fi normal să împărţim procesul de fermentare în două faze: acidă și metană, care poate fi separată în procesul de producere a biogazului.

Echilibrul acestor faze este foarte important, deoarece hidroliza prea rapidă mărește concentraţia de acid și scade nivelul pH-ului sub 7, ceea ce limitează activitatea metanogenilor, iar dacă etapa de fermentare a metanului se desfășoară prea repede, acest lucru poate fi limitat de un ritm lent hidroliză.

Scăderea temperaturii la 15°C mărește timpul de funcţionare al bioreactorului cu o singură încărcătură de 3–4 ori. Acest lucru explică interesul limitat pentru astfel de inovaţii în regiunile nordice, deoarece o parte semnificativă de până la 60% din gazul produs trebuie ars pentru a încălzi procesul de lucru.

Substraturile cu conţinut de materie uscată sub 20% sunt folosite pentru așa-numita digestie umedă (fermentaţie umedă).

Această categorie include gunoiul de grajd lichid (tulbureală) și îngrășământul de la animale, precum și diferite deșeuri organice umede din industria alimentară.

Când conţinutul de materie uscată este mai mare de 35%, aceasta constituie digestie uscată (fermentaţie uscată) și este tipică pentru culturile energetice și însilozări.

Substraturile care conţin o cantitate mare de lignin, celuloză și semiceluloză pot fi și ele codigerate, dar în această situaţie se aplică de obicei un tratament preliminar pentru a îmbunătăţi digestibilitatea acestora.

Materiile prime pentru producerea de biogaz sunt foarte diverse în ceea ce privește caracteristicile lor, deoarece lista deșeurilor organice adecvate pentru producerea de biogaz este foarte extinsă.

Producţia de biogaz din materii prime agricole și agroindustriale

Pentru producerea biogazului pot fi utilizate:

1. Deșeuri de la animale de fermă (gunoi de grajd, nămol), așternut, precum și deșeuri de la abatoare și întreprinderi de prelucrare a cărnii.
2. Deșeuri de la prelucrarea produselor agricole: tărâţe, melasă, deșeuri din vinificaţie, producerea de conserve, fabrici de bere și alcool, zer etc.
3. Produse vegetale prime din culturi energetice și cantităţi posibile din culturi cultivate: miscanthus, nalba Pennsylvanian, ierburi perene, leguminoase și amestecurile acestora, paie
   de diferite culturi, frunze din parcurile publice, frunze de sfeclă, iarbă, masă verde sau siloz din porumb, sorg etc.
4. Deșeuri organice de origine agricolă: deșeuri biologice menajere, reziduuri alimentare, grăsimi uzate și uleiuri vegetale etc.

Toate substraturile utilizate de staţia de biogaz trebuie să fie lipsite de agenţi patogeni și sunt procesate la 70°C înainte de fermentare sau sterilizate la aproximativ 130 °C.

Prin supunerea gunoiului de grajd la fermentarea metanogenă, care se efectuează într-un proces de fermentare anaerobă, este posibil să se obţină biogaz care conţine 60-65% metan și 30–35% dioxid de carbon.

Totodată se obţin ca deșeuri (fracţie solidă) îngrășământ organic de înaltă calitate, bogat și în azot, fosfor, potasiu și alte elemente, precum și fracţiunea lichidă, nu mai puţin
potrivită pentru udarea plantelor.

Ca exemplu, datorită bioconversiei gunoiului de grajd dintr-o fermă la care se întreţin 50 de vaci pe an, puteţi obţine 220 713 MJ de energie și, în consecinţă, la întreţinerea a 1000 de capete – 4,4 milioane de MJ.

Mulţi producători europeni de biogaz, împreună cu gunoiul de grajd și alte componente, utilizează pe scară largă silozul de porumb ca materie primă în acest scop. Acest lucru se explică prin faptul că silozul de porumb obţinut de la 1 ha permite producerea a 7 800–9 100 m3 de biogaz, ceea ce corespunde: 5 850–6 825 m3 de gaz natural, 4 758–5 551 kg de benzină, 5 616–6 552 kg de păcură, 11 544–13 468 kg de lemn de foc.

Echipamentele pentru producerea de biogaz

Capacitatea de producere a biogazului de către instalaţie depinde de mărimea volumului reactorului de fermentare. De exemplu, instalaţia cu volumul reactorului de fermentare de 5 m3 va produce timp de 24 de ore cca 10 m3 de biogaz.

Astfel, de fiecare dată volumul indicat (sau cel calculat) al fermentatorului înmulţit la 2 va rezulta volumul de biogaz ce poate fi produs timp de o zi la utilizarea acestui dispozitiv.

Schema de producere a biogazului este destul de simplă şi poate fi construită în condiţii casnice de orice doritor.

Schiţa tehnică a instalaţiei de biogaz de tip A, capacitate 6 m3

Tipul dat de construcţie este cel mai simplu. Substratul lichid se extrage prin fereastra de revărsare. Construcţia acestuia se face în modul următor:

Pe pământ se face marcarea conturului bioreactorului de gaz. Se extrage pământul. La prima etapă se betonează fundamentul. Pe partea de jos se montează cofrajele pentru turnarea betonului pe cerc. Apoi se toarnă pereţii la
fel utilizând cofraje după care se toarnă cupola.

Utilizarea deșeurilor din producţia de biogaz

Utilizarea deșeurilor din producţia de biogaz, atunci când îndeplinește criteriile de fertilizare organică, este o valoare adăugată.

În funcţie de consistenţa deșeurilor, acestea sunt pompate într-un rezervor de stocare sau umplu laguna, în care poate avea loc fermentarea secundară (până la 20% din biogaz) sau se ia fracţia solidă, iar apa poate fi refolosită în proces.

Prin supunerea gunoiului de grajd la fermentarea cu metan, care se efectuează într-un proces de fermentare anaerobă, este posibil să se obţină biogaz care conţine 60–65% metan și 30–35% dioxid de carbon și ca deșeuri (fracţie solidă) îngrășământ organic de înaltă calitate, bogat și în azot, fosfor, potasiu și alte elemente, precum și o fracţiune lichidă, nu mai puţin potrivită pentru udarea plantelor.

Deșeurile solide pe lângă faptul că sunt un îngrășământ de înaltă calitate, reprezintă și o materie primă pentru producerea biohumusului, un substrat pentru cultivarea ciupercilor.

Cu parametrii de instalare corespunzători și controlul conformităţii cu regimul de temperatură de funcţionare, deşeurile solide pot fi un aditiv pentru hrana animalelor care au nevoie de proteine pentru dezvoltare normală (porci, găini etc.) și alimente complementare pentru pești în fermele piscicole.

Bibliografie: Bunele practici de utilizare a energiei regenerabile în agricultură; Autori: Mihai Tîrșu, doctor în știinţe tehnice. Eugeniu Revenco, doctor în știinţe agricole.