GBRSRB
Početna
Foto
Video
Novosti
Katalozi
Kontakt

Neophodni uslovi anaerobne digestije

Obnovljivi Izvori Energije | Biogas | Neophodni uslovi anaerobne digestije

Neophodni tehnološki uslovi anaerobnog vrenja

Iz predhodnog poglavlja može se videti da su procesi anaerobnog vrenja – digestije kompleksni i da je potrebno ostvariti određene uslove kako bi se digestija odvijala u optimalnim uslovima. Međutim, pojedini procesi imaju različite operativne parametre rada u odnosu na narednu fazu rada, gde se prvenstveno razlikuju vrednosti u temperaturi i u pH vrednosti između procesa 3. i 4. Zato je potrebno da se napravi optimalna sredina za celokupan proces digestije koji daje uslove koji su delimično optimalni za celokupan proces digestije. Bakterije koje daju enzime za vrenje, odnosno početan proces što je hidroliza se nalaze u digestivnom traktu životinja u stočarstvu i razvijaju se kada je biomasa ostavljena u vidu silaže, ali u procesu proizvodnje biogasa ulaze u uslove rasta i razvoja koje im odgovara.

Da bi se postigao rezultat sa višim stepenom razgradnje organske materije i zadovoljavajućim prinosom i kvalitetom biogasa moraju se ispuniti odgovarajući uslovi.

Osnovni uslovi koji se moraju zadovoljiti su


Krupnoća i vrsta materijala i prisutnost nerastverenih čestica

Organski materijal koji se uvodi u digestor mora da bude što sitniji, kako bi proces vrenja imao normalan tok. Supstrat krupnijih čestica produžava vreme anaerobnog vrenja, što za sobom povlači povećanje potrebne zapremine digestora. Zato je na postrojenju za prečišćavanje gradskih otpadnih voda, neophodna ugradnja rešetaka, peskolova i taložnika za prethodnu obradu. Zato je potrebno da se izvrši separacija tečne faze, zajedno sa sitnim česticama koje su rastvorene u toj tečnoj fazi, ili da se izvrši usložnjavanje procesa. Prema ranije utvrđenim odnosima ulaznog materijala, za otpad koji je došao iz domaćinstava ili od uzgajanja živine, neohodno je da taj odnos bude 1:1, odnosno da na oko 100kg izmeta bude 100kg vode. Što u slučaju tečne faze koja je u biodigestoru odgovara oko 8 do 11% koncentracije čvrstih čestica u ukupnoj smeši tečnosti. Ovaj odnos je takođe vezan za tip biomase koji se javlja u biodigestoru i od podatka ukupne količine apsolutno suve biomase koja se može iskoristiti u anaerobnoj digestiji


Količina unešenog materijala – opterećenje biodigestora

Veličina digestora zavisi od opterećenja, koja je određena od strane željenog kapaciteta snage postrojenja, odnosno neophodne količine sadržaja suve materije za digestiju dovoljne količine biogasa, vremenom zadržavanja i temperaturom (posredno pH vrednosti digestora). Optimalni stepen opterećenja varira sa različitim vrstama digestora i sa njihovim načinima konstrukcije objekata na zadatoj lokaciji. Više vrednosti stepena opterećenja mogu da se koriste kada je spoljna temperatura visoka, odnosno u slučaju kada biodigestor brže dostiže optimalnu temperaturu što je u principu leti i kada prelazi sa mezogenog režima rada na termogeni režim. U praksi, računanje stepena opterećenja digestora treba da bude izraz koji zavisi od mase ukupnih isparljivih materija - (TVS) koja se dodaje dnevno po jedinici zapremine digestora, ili težine TVS supstanci koje se dodaju dnevno po jedinici težine prosečne mase TVS u digestoru. Drugi princip računanja mase TVS supstanci se obično koristi za proračun stepena opterećenja i za neometan rad digestora, a ovi stepeni zavise pre svega od količine biomase koja se prerađuje u biodigestoru.

 

Početni materijal za digestiju

Uobičajena praksa podrazumeva dodavanje materijala, sa adekvatnim populacijama bakterija i onih bakterija koje daju kiselinu i one koje generišu metan, kako bi se otpočeo proces digestije. Aktivno digestirana masa – mulj koja predstavlja početnu klicu materijala za digestiju može da se vadi iz sistema za prečišćavanje otpadnih voda i ovaj mulj je potencijalno dobar material za rasejavanje. Prema novim regulativama, bakteriološke kulture je potrebno formirati u posebnim laboratorijskim uslovima i zaštićene doneti do bidigestora. Kao opšta smernica, ovaj početni materijal treba da bude dva puta zapremine u odnosu na zapreminu svežeg stajnjaka u toku početne faze, sa postepenim smanjenjem količine dodate tokom naredne tri sedmice. Ako digestor akumulira preveliku količinu isparljivih kiselina kao rezultat preopterećenja, situacija se može popraviti ponovnim dodavanjem početnog materijala, ili dodavanjem kreča ili drugih alkalnih materija koje menjaju pH vrednost i uravnotežuju proces


Temperatura odvijanja procesa

Različite vrste bakterija imaju različite optimalne temperature i različite vrednosti temperaturnih opsega i opsega u pH vrednosti za normalan razvoj i preživljavanje tih bakterija. Mezofilne bakterije - zove se set velikog broja bakterija koje se razvijaju pri temperaturama od 35 do 40°C. Drugi temeperaturni opseg za drugi set bakterija koje mogu da efikasno obave proces anaerobne digestije je od 55 do 60°C i nazivaju se termofilne bakterije, što su set većeg broja vrsta bakterija koje preživljavaju u toplijim uslovima i u daleko neprikladnijoj ili zagađenijoj sredini. Za razliku od mezofilnih bakterija, termofilne pokazuju unapređeno razlaganje biomase, naročito one vrste biomase koje su nastale od kafilerijskog otpada ili od konfiskata iz mesne industrije. Što se tiče temperaturnih uslova za formiranje i za razvoj metanogenih bakterija, koje pripadaju domenu archaea, ove bakterije imaju mogućnost da se razvijaju pri različitim vrednostima temperature, ukoliko je temperature veća od 20ºC i mogu da podnesu temperaturne uslove obrazovanja termofilnih bakterija. Tako da se može reći da je pretežno dominantno da se unapredi rast i razvoj bakterija koje obavljaju aktivnosti hidrolize i acidogeneze.

Temperatura pri kojoj se odvija proces anaerobnog vrenja je veoma važan parametar, od kojeg ne zavisi samo kojeg tipa će biti proces, nego i koliko će se biogasa dobiti, koliko dugo će trajati proces vrenja i koliki će biti stepen razgradnje organske materije. Na slici 8. prikazan je uticaj temperature na vreme truljenja - digestije, odnosno na relativno vreme truljenja (koje predstavlja odnos stvarnog vremena truljenja prema optimalnom).

Slika Uticaj temperature na truljenja – u odnosu na relativno vreme truljenja


Pritisak u digestoru

Pritisak biogasa u digestoru je uglavnom uslovljen potrebnim pritiskom biogasa kod potrošača i veličinom gubitaka u cevovodu i uređajima za prečišćavanje i regulaciju pritiska. Uzimajući u obzir sve navedeno može se reći da je uobičajena veličina nadpritiska gasa u digestoru između 2.5 - 4 kPa, i ovu vrednost treba održavati primenom pumpi i kompresora koji omogućavaju nesmetano izvlačenje biogasa


pH vrednost

pH vrednost je po važnosti jedan od bitnih tehnoloških uslova anaerobne digestije. Za vreme trajanja anaerobnog vrenja, zavisno od toga koja se faza odvija, pH vrednost se menja u granicama od 5.5 do 8.2. U slučaju da se supstrat dodaje u digestor kontinuirano svakog dana, tada se pH vrednost kreće u granicama od 6.5 do 7.5. Inače je poželjno da ovaj interval bude nešto uži, odnosno da se pH vrednost kreće u granicama od 6.8 do 7.2. Važno je znati da što je supstrat u digestoru kiseliji, slabiji je rad metanskih bakterija, a optimalna pH vrednost se može korigovati dodavanjem vode određene pH vrednosti u osnosu na celokupnu zapreminu digestata. Efikasno vrenje javlja se pri pH vrednosti koja je blizu neutralnosti, odnosno vrednosti od 7 na temperaturi digestata od 25°C. Blago alkalno stanje je pokazatelj da pH fluktuacija u biodigestoru nije previše drastična i da se može očekivati pozitivna proizvodnja metana. Niska vrednosti pH – pojava kisele sredine koja inhibira proces metanogeneze može da se ispravi razblaženjem– vode veće pH vrednosti ili dodavanjem kreča


Slika raspodela pH vrednosti u zavisnosti od broja dana digestije, napomena da biomasa po unosu ima izraženo malu pH vrednost, ali da mešanje sa drugim sirovinama omogućava povećanje, koje se vremenom stabilizuje u toku procesa digestije


Kvalitet metanskih bakterija


Brzina i obim proizvodnje biogasa, odnosno njegovog najvažnijeg sastojka – metana, uslovljena je kvalitetom metanskih bakterija. Kvalitet metanskih bakterija zavisi i od ostalih uslova koji vladaju u digestoru: temperatura, pritisak, kiselost i mešanje supstrata, a takođe je bitan i sastav unešene materije. U novije vreme vrše se istraživanja sa ciljem da se stvori hibridna metanska bakterija koja bi imala veću produktivnost i otpornost



Bezkiseonična atmosfera digestora


Bezkiseonična atmosfera u digestoru je osnovni uslov za postojanje procesa anaerobnog vrenja, jer samo u bezkiseoničnoj atmosferi digestora mogu se razvijati i biti aktivne metanske bakterije. Obezbeđenje bezkiseonične atmosfere vrši se dobrim zaptivanjem svih spojeva i sastava konstrukcije i cevovoda. U početku rada digestora proces je aeroban, tj. u kiseoničnoj atmosferi pa se razvijaju aerobne bakterije. Kad one potroše raspoloživi kiseonik, tek onda počinje proces anaerobnog vrenja. Bakterije su sami organizmi kojima je potreban kiseonik u elementarnom obliku za razvoj i razmnožavanje, ali u anaerobnim sistemima dolazi do odsustva kiseonika i dolazi do aktiviranja procesa vrenja. Zato je potrebno da se anaerobni digestori pažljivo hermetički zatvore, ali i da se omogući ulaz kiseonika ili drugih elementarnih gasova kroz sistem cevi ili selektivnim dodavanjem određenih supstanci koje raspadom daju potrebna jedinjenja. Na taj način selektivnim dodavanjem supstanci i određivanjem uslova obavljanja procesa digestije moguće je uticati na količinu dobijenog biogasa, a ostvaruje se izuzetno velika fleksibilnost. Pristup kiseonika u anaerobnom digestoru može da se javi iz neorganskih molekula – uvek prisutnih molekula primesa u unešenoj biomasi. Ukoliko je prisutan izvor kiseonika, u tom slučaju su srednji i krajnji proizvodi celokupne digestije više ostaju alkoholi i aldehidi i organske kiseline, zajedno sa CO2 i H2S, a smanjuje se količina proizvedenog metana u smeši biogasa. Na taj način mogućnost da kiseonik prodre u unutrašnjost biodigestora smanjuje kvalitet proizvedenog biogasa i smanjuje kaloričnu vrednost proizvedenog biogasa sa primesama koje su prisutne.


Vreme zadržavanja supstrata u digestoru

Vreme zadržavanja supstrata u digestoru zavisi od procesa anaerobnog vrenja, a to znači od temperturskog režima. Na slici 10. data je zavisnost količine biogasa od temperature i vremena truljenja. Izuzetno skraćenje zadržavanja biomase u digestoru, uz dobre rezultate u prinosu biogasa postiže se putem složenog procesa razdvojenih faza anaerobnog vrenja. Pri optimalnim vrednostima temperature karakteristično za mezofilni ili termofilni proces. Populacije anaerobnih mikroorganizama obično zahtevaju značajan vremenski period da bi se efektivno ostvario proces digestije, kako bi efikasno mogao da se obavlja. Iz tog razloga neophodno je da se uvedu anaerobni organizmi od materijala sa postojećim populacijama, ili da se veštački dodaju bakterije koje su već oformljene, a dalje u biodigestoru izvršavaju proces rasta. Ovo dodavanje već formiranih bakterija ili materijala koje imaju uvećan stepen bakterija u razvoju naziva se ,,sejanje” digestora, što se često vrši u slučaju dodavanja mulja iz kanalizacije ili dodavanjem razdvojene tečne tečne faze ukupnoj masi u biodigestoru.

Slika Dobijanje biogasa iz 1kg suve organske materije zavisno od procesne temperature i vremena truljenja

 

Odnos ugljenika i azota u supstratu

Održavanje optimalne mikrobiološke aktivnosti u digestoru je presudan za generaciju metana i samim tim je u vezi sa dostupnosti hranljivih materija. Dva najvažnija elementa za digestiju hranljivih materija su ugljenik i azot i kritičan faktor za digestiju je izbor ukupnog C/N odnosa. Mulj iz kanalizacije – iz sistema prerade otpadnih voda i uzgoja životinja – tečni stajnjak iz stočarstva, naročito iz živinarstva su primeri N - azotnih bogatih materijala koje obezbeđuju hranljive materije za rast i umnožavanje anaerobnih organizma. S druge strane, N-siromašni materijali poput zelene trave, strnjike kukuruza, itd (najveći deo materije koja potiče od silaže), su bogate ugljenim hidratima supstanci koje su od suštinskog značaja za proizvodnju gasa, jer se od ugljenika zapravo dobija metan. Višak dostupnog azota dovodi do formiranja NH3 u vrednostima čije koncentracija sprečava dalji rast metanogenih bakterija. Toksičnost usled prevelike količine amonijaka može se popraviti niskim opterećenjem reaktora ili razblaženjem. U praksi, to je važno da se po masi održi C/N odnos blizak 30:1 za postizanje optimalne stope varenja. C/N odnos može da se manipuliše putem unosa kombinacija materijala sa niskim količinama ugljenika (stajnjak) u odnosu na onu materiju koja je bogata sa ugljenikom (silaža) čime se menjaju odnosi ugljenika i azota

Zaključak: Za normalnu aktivnost i reprodukciju metanskih bakterija neophodan uslov je povoljan odnos ugljenika i azota u materiji koja se digestira. Smatra se povoljnim odnos C:N od 25:1 do 35:1. Najbolji odnos je 30:1. Ovakav odnos je potreban zato što metanske bakterije za oko 30 puta brže troše ugljenik nego azot. Na održavanje odnosa ugljenika i azota, kao i na količinu ugljenika u digestoru povoljno deluje svakodnevno dodavanje supstrata i dobro mešanje u digestoru, koji je potreban da bude što više u tečnoj fazi. Takođe ukoliko se ostale vrednosti parametara rada biogas sistema ne menjaju može se menjati i pH vrednost sa promenom odnosa C/N

Slika uticaj C/N odnosa i vremena digestije na količinu slobodnog azota i pH vrednost u digestoru


Mešanje supstrata

Kada čvrsti materijali koji su u digestoru i nisu dobro usitnjeni, tada generaciju metana može da ometa formiranje skrame koja se sastoji od čvrstih – nerastvorenih čestica niske gustine koje plutaju na filamentoznoj matrici. Nakon određenog vremena skrama se stvrdne, remeteći proces digestije i izaziva zaustavljanje rada digestora. Agitacija može da se uradi ili mehanički sa klipom, sistemima za mešanje ili putem rotacionog prskanja sa svežim ulivom materije. Ili sa određenim rešenjem za unos biomase u zavisnosti od načina konstrukcije biodigestora. Agitacija, je obično potrebna za spiranje digestora, čime se obezbeđuje da površine koje su radne komponente u digestoru nisu u kontaktu da bakteriološkim dejstvom, čime se sprečavaju štetni efekti i usporenje bakterijskih aktivnosti, promoviše se ravnomerna disperzija ponirućih materijala za širi proces fermentacije tečnosti, čime se ubrzava digestija. Metanske bakterije su male pokretljivosti a kako se brzo razmnožavaju i još brže koriste sastojci supstrata u svojoj aktivnosti, neophodno je dovesti ih u poziciju da se navedene aktivnosti neometano obavljaju. Mešanje dovedenog supstrata u digestoru ima za cilj da reši problem koji nastaje zbog slabe pokretljivosti metanskih bakterija. Mešanje je povoljno i radi sprečavanja taloženja težih čestica na dno digestora a što vodi smanjenju aktivne zapremine, odnosno zapremine u kojoj su aktivne metanske bakterije i dovodi do poboljšanja u količini biomase koja se može iskoristiti za generisanje biogasa


Odnos suve materije i vode u supstratu

U svakoj od faza anaerobnog vrenja vrlo je važan sadržaj vode u supstratu. Ako nema vode u dovoljnoj količini tada se aktivnost metanskih bakterija usporavaju, a ako je vode previše razgradnja ne može da se obavi u predviđenom obimu pa je materija koja napušta digestor gotovo nerazgrađena. Na slici 12 data je zavisnost uticaja udela suve materije naspram specifičnog prinosa biogasa

                                                     Slika Uticaj udela suve materije na specifični prinos biogasa

U zavisnosti od vrste organske materije potrebno je da učešće suve materije u vodenom rastvoru bude 6.5 do 12%. Na slici 13 je prikazano koja se količina biogasa dobije od različitih organskih materija pri istoj temperaturi zavisno od vremena truljenja



       Slika Proizvedena količina biogasa od različitih organskih materija pri istoj temperaturi zavisno od vemena truljenja

Pronađite nas na: