Ecoterra, no. 26, 2011

79

UTILIZAREA PROCESELUI DE CO-DIGESTIE CA METODĂ ALTERNATIVĂ DE ÎMBUNĂTĂŢIRE A CANTITĂŢII DE BIOGAZ

Cătălina Raluca MOCANU, Elena MANEA, Dan ROBESCU

Universitatea Politehnică Bucureşti, Facultatea de Energetică

Abstract: The use of co-digestion procedure as an alternative method to increase the biogas quantity. Co-digestion is a mixture of two or more types of waste and its use in wastewater treatment leads to gradual improvement of anaerobic digestion step. The sludge resulting from biological treatment step in wastewater treatment is an active material immediately starts to ferment under anaerobic conditions. Fermentation stage is supplied approximately 5% in liquid state and 20-25% in total solid or dry form. Anaerobic digestion is a common process in wastewater treatment due to lower operating costs. It also enhances the anaerobic digestion of the treated water and is suitable for use in agriculture or to obtain energy by using cogeneration equipment. In this paper the authors present a general study of co-digestion process is used as an alternative method to improve the amount of biogas used in cogeneration plants to produce electricity and heat. Keywords: co-digestion, biogas, treatment, wastewater Introducere

Co-digestia reprezintă amestecul a două sau mai multe tipuri de reziduuri. De asemenea, co-digestia poate duce la îmbunătăţirea treptei de digestie anaerobă. Intervalul de temperatură de digestie, mezofilă sau termofilă, precum şi substratul solid definesc tipul reactorului utilizat [1 - 4].

Tipuri de digestoare Digestoarele anaerobe se pot clasifica în următoarele categorii: unitreaptă, multi treaptă, amestecătoare [5 - 9]. Reactor într-o singură treaptă cu conţinut mic de materie solidă Acest proces este des întâlnit în stabilizarea nămolurilor din staţiile de epurare a apelor uzate. Avantajele oferite de utilizarea acestui sistem sunt uşurinţa în operare, echipamentele accesibile ca preţ (pompe, conducte etc.). Se poate utiliza şi în cazul reziduurilor animaliere. Dezavantajul acestor instalaţii îl reprezintă costurile mari de investiţie pentru realizarea de reactoare mari de amestec şi deshidratare şi necesită treaptă de pre-tratare a gazului. Reactor într-o singură treaptă cu conţinut ridicat de materie solidă Avantajele tehnologiei cu conţinut ridicat de materie solidă au rezultat în urma cercetărilor efectuate în anii 1980 când s-a stabilit că rezultă o cantitate mai mare de biogaz dacă se utilizează deşeuri nediluate. În sistemele uscate, masa care fermentează în digestor are un conţinut de materii solide între 20 şi 40%. Datorită acestei cantităţi mari de materie solidă apar probleme în transportul şi manevrarea acestora. Alimentarea digestoarelor se face cu ajutorul benzilor rulante, elevatoare cu şurub şi pompe puternice special create pentru fluxuri de material cu viscozitate ridicată. În figura 1 se prezintă principalele procese ale treptei de co-digestie. Reactoarele multi treaptă Dezvoltarea proceselor de digestie anaerobă în multi treaptă a dus la îmbunătăţirea procesului prin faptul că există reactoare separate pentru diferite etape, astfel, se creează flexibilitate în optimizarea fiecărui reactor. În general, se utilizează două reactoare, primul reactor pentru hidroliză/lichefiere - acetogeneză şi al doilea rector este utilizat pentru metanogeneză. În primul reactor reacţia este limitată de rata de hidroliză a celulozei, în al doilea reactor reacţia este limitată de creşterea microbiană.

Ecoterra, no. 26, 2011

80

Sisteme de amestecare În sistemele de amestecare digestoarele sunt alimentate o singură dată cu deşeuri proaspete şi permit degradarea continuă a acestora până se atinge o masă solidă în proporţie de 30-40%. Levigatul colectat este recirculat continuu. Există trei sisteme de amestecare: unitreaptă, secvenţial şi metancancuri.

Procesul prezentat în figura 2 constă în doi paşi: pre-tratarea umedă mecanică şi conversia biologică. În compactor substratul este amestecat cu apa recirculată din proces. Contaminanţii din plastic, textile, pietriş şi metale sunt îndepărtaţi mecanic. Cu ajutorul unui hidrociclon se separară particulele fine de nisip, pietriş şi sticlă. Astfel instalaţia va fi protejată împotriva acţiunilor abrazive ale acestor compuşi. În reactor are loc fermentarea anaerobă a substratului şi biogazul se produce în instalaţia CHP (Combine Heat Power). Digestatul rezultat se deshidratează şi este post-compostat [10 - 15].

Compoziţia biogazului Biogazul produs în timpul digestiei anaerobe este în principal compus din metan (CH4) şi dioxid de carbon (CO2) cu procente mici de hidrogen sulfurat (H2S) şi amoniu (NH3). Se pot găsi urme de hidrogen (H2), azot (N2), monoxid de carbon (CO), carbohidraţi saturaţi sau halogenaţi şi oxigen (O2). În general, gazul este saturat în vapori de apă şi poate conţine particule de praf şi siloxani [16, 17]. Compoziţia biogazului este diferită de cea a gazului natural, dar este apropiată de cea a gazului de depozit [18, 19]. Gazul de depozit conţine cantităţi semnificative de compuşi

Fig. 1. Principalele procese ale treptei de co-digestie

Fig. 2. Exemplu de proces cu o singură treaptă pentru digestia anaerobă

Ecoterra, no. 26, 2011

81

halogenaţi şi ocazional procentul de oxigen este ridicat când se atrage prea mult aer în timpul colectării gazului [20]. Puterea calorifică pentru gazul natural este de 35,14 MJ/m3 şi 21,48 MJ/m3 pentru biogaz. Compoziţia biogazului depinde de provenienţa deşeurilor (tabelul 1).

Tabelul 1

Compoziţia biogazului, gazului natural şi a gazului de depozit Compus Unitate Gaz natural Biogaz Gaz de depozit

Metan (CH4) Vol % 91 55 - 70 45 - 58 Etan (C2H6) Vol % 5,1 0 0 Propan (C3H8) Vol % 1,8 0 0 Butan (C4H10) Vol % 0,9 0 0 Pentan Vol % 0,3 0 0 Dioxid de carbon (CO2) Vol % 0,61 30 - 45 32 - 45 Azot (N2) Vol % 0,32 0 - 2 0 - 3 Compuşi organici volatili (COV) Vol % 0 0 0,25 - 0,50 Hidrogen (H2) Vol % 0 0 Urme < 1% Hidrogen sulfurat (H2S) ppm ~1 ~ 500 10 - 200 Amoniu (NH3) ppm 0 ~ 100 0 Monoxid de carbon (CO) ppm 0 0 Urme

Dimensiunile şi capacitatea digestoarelor În prezent, tehnologia digestiei anaerobe este bine pusă la punct şi dimensiunile comerciale ale acestora variază între 70m3 şi 5000m3. Dimensiunile rezervorului sunt determinate de volumul de proiectare, natura deşeurilor utilizate, temperatură şi timpul de retenţiei în digestor [21, 22]. În tabelele 2 şi 3 sunt indicate câteva dimensiuni de rezervoare.

Tabelul 2

Dimensiunile digestoarelor în funcţie de volumul de deşeuri organice procesate Deşeuri organice

[t/zi] Volum

[m3] Înălţime

[m] Aria [m2]

50 800 - 1 500 8 -10 75 - 150 150 2 200 - 3 500 10 - 12 180 - 360 350 4 700 10 470 450 7 700 15 513

Tabelul 3

Relaţia dintre apele menajere şi volumul digestoarelor Populaţie echivalentă Ape menajere deversate

[m3/zi] Volumul total al digestorului[m3]

7 000 1 000 180 21 000 3 000 380 30 000 4 500 800 60 000 9 000 1 350 200 000 30 000 3 400

Deşeuri utilizate în procesul de co-digestie

Cum se poate observa în figura 3, aprovizionarea treptei de digestie anaerobă se realizează în special din bălegar de la crescătoriile de animale (porci, bovine, păsări) şi nămolul rezultat din treapta biologică a staţiilor de epurare a apelor uzate [23, 24].

Ecoterra, no. 26, 2011

82

Fig. 3. Surse eligibile pentru alimentarea cu substrat a procesului de digestie anaerobă

În figura 4 se evidenţiază clasificarea posibilităţilor de aprovizionare a substratului pentru

digestia anaerobă pe cele 3 categorii de surse (agricultură, industrie, municipală).

Fig. 4. Posibilităţile de alimentare cu substrat a procesului de co-digestie Cu ajutorul procesului de digestie anaerobă se pot trata: - nămolurile din staţiile de epurare a apelor uzate; - deşeurile organice animaliere; - deşeurile municipale solide; - deşeurile verzi (botanice); - deşeurile organice industriale şi comerciale. Orice sursă de deşeuri poate conţine substanţe nedorite sau inhibitoare pentru procesul de digestie anaerobă (tabelele 4, 5 şi 6).

Tabelul 4

Caracteristicile reziduurilor agricole Sursa Raportul C:N Randamentul de biogaz

[m3/kg SV] Deşeuri porcine 3 - 10 0,25 - 0,50 Deşeuri bovine 6 - 20 0,20 - 0,30 Deşeuri avicole 3 - 10 0,35 - 0,60

Ecoterra, no. 26, 2011

83

Tabelul 5 Probleme ale reziduurilor agricole

Sursa Substanţe nedorite Substanţe inhibitoare

Probleme frecvente

Deşeuri porcine Aşchii de lemn, păr, nisip, paie

Antibiotice, Dezinfectanţi

Depuneri în straturi, Sedimente

Deşeuri bovine Păr, paie, lemn, pământ, 4NH

Antibiotice, Dezinfectanţi

Depuneri în straturi, Randament scăzut de gaz

Deşeuri avicole 4NH , pietriş, nisip, pene Antibiotice,

Dezinfectanţi 4NH Inhibiţie, depunere

în straturi

Tabelul 6 Caracteristicile biogazului în funcţie de sursă

Sursa Solide totale [%]

Solide volatile [%ST]

Randamentul de biogaz (4)

[m3/kg SV](2)

Conţinutul de CH4 [%]

Deşeuri porcine 3 - 8 (1) 70 - 80 0,25 - 0,50 70 - 80 Deşeuri bovine 5 - 12 (1) 75 - 85 0,20 - 0,30 55 - 85 Deşeuri avicole 10 - 30 (1) 70 - 80 0,35 - 0,60 68 - 80 Frunze 80 90 0,80 - 0,95 (3) - Paie 70 90 0,35 - 0,45 (5) - Deşeuri de grădină 60 - 70 90 0,20 - 0,50 - Deşeuri de lemn 10 80 0,50 - 0,60 70 - 80 Zăr 1 - 5 80 - 95 0,80 - 0,95 60 - 80

Nămolul rezultat în urma treptei de epurare biologică din staţiile de epurare este un material

activ care începe să fermenteze imediat în condiţii anaerobe. Este furnizat către treapta de fermentare sub formă lichidă cu aproximativ 5% materie solidă sau formă uscată în proporţie de 20-25%. Digestia anaerobă este un proces des întâlnit în staţiile de epurare datorită costurilor de operare mici. De asemenea, digestia anaerobă îmbunătăţeşte capacitatea de purificare a apei epurate şi face propice utilizarea nămolului rezultat în agricultură sau obţinerea de energie. În instalaţiile de co-digestie, adăugarea nămolului la cantitatea de deşeuri municipale solide duce la creşterea fracţiei organice, astfel, crescând nivelul de nutrienţi din compoziţia rezultată cât şi umiditatea amestecului. Adăugarea unui procent de 5% de nămol în deşeurile municipale solide s-a demonstrat că îmbunătăţeşte performanţele şi stabilitatea reactorului. S-a constat că o performanţă ridicată a digestiei anaerobe este atinsă cu o suplimentare în proporţie de 80:20 (deşeuri municipale solide: nămol). Concluzii Co-digestia reziduurilor animaliere cu alte deşeuri organice are următoarele avantaje: - creşterea cantităţii de biogaz pe m3 de reactor, în consecinţă, cu beneficii financiare pentru operator; - deşeurile solide sunt transformate în reziduuri care pot fi pompate în amestec cu deşeurile animaliere. Acest lucru poate duce la manipularea mai uşoară, atât în procesul de digestie cât şi după aceea; - se utilizează pentru a ridica eficienţa de digestie a anumitor materiale organice; - când deşeurile organice sunt utilizate pentru co-digestie în instalaţiile de digestie anaerobă, operatorul îşi asumă responsabilitatea pentru utilizarea finală a digestatului rezultat; - ajută la atingerea unei valori ridicate a raportului N:P:K prin amestecarea diferitelor deşeuri organice. Astfel, se îmbunătăţeşte calitatea digestatului ca fertilizant.

Ecoterra, no. 26, 2011

84

Principalul dezavantaj îl reprezintă dependenţa instalaţiilor centralizate de digestie anaerobă privind disponibilitatea de deşeuri organice pentru viabilitatea financiară (taxe, producerea de biogaz). Mulţumiri Rezultatele prezentate în acest articol au fost obţinute cu sprijinul Ministerului Muncii, Familiei şi Protecţiei Sociale prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013, Contract nr. POSDRU/89/1.5/S/62557. Bibliografie 1. *** http://www.seas.columbia.edu/earth/vermathesis.pdf 2. *** http://www.novaenergie.ch/iea-bioenergytask37/dokumente/biogas% 20upgrading.pdf 3. *** http://www.britishbiogen.co.uk/gpg/adgpg/adgpg.pdf 4. *** http://www.scientecmatrix.com/seghers/environment.nsf/ 5. *** www.canadacomposting.com/hydropulper.htm 6. *** http://www.repp.org/discussion/digestion/200002/msg00054.html 7. *** www.bta-technologie.de/files/erk-process.htm 8. *** http://uk.dgc.dk/pdf/Sevilla2000.pdf 9. *** http://www.epa.ie/r_d/downloads/publications/94%20to%2099/report16/Ch1_5.pdf 10. *** http://websrv5.sdu.dk/bio/pdf/rap2.pdf 11. *** http://www.ias.unu.edu/proceedings/icibs/riggle/paper.htm 12. *** www.scotland.gov.uk/library/pan/b1 13. *** http://www.biowise.org.uk/docs/2001/publications/AD_review.pdf 14. *** http://www.jyu.fi/bio/ymp /alisivut/ymp32sl01LI1.pdf 15. *** http://homepage2.nifty.com/biogas/cnt/refdoc/whrefdoc/d8feed.pdf 16. *** www.bta-technologie.de/files/residual-waste.htm 17. *** http://www.fao.org/ docrep/T0551E/ 18. *** http://www.london.gov.uk/mayor/strategies/ 19. *** http://ceeserver.cee.cornell.edu/mw24/cee453/ 20. *** http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/01-02/RE_info/ros.htm 21. *** http://www.defra.gov.uk/environment/waste/management/licence/ 22. *** http://europa.eu.int/rapid/start/ 23. *** http://www.defra.gov.uk/animalh/by-prods/publicat/compost_guidance.pdf 24. *** http://www.sepa.org.uk/publications/ 25. *** http://www.kriegfischer.de/texte/BioCycle_12_2002.pdf 26. *** http://www.biothane.com/Default.aspx?sel=31 27. *** http:/www.mikropul.com/products/ wscrubber/mikrovane.html Date de contact Cătălina Raluca MOCANU: Universitatea Politehnica din Bucureşti, Splaiul Independenţei, nr. 313, sector 6, Bucureşti, 060042, România