ghid pppm

biogazul

GHID PRACTIC

biogazul GHID PRACTIC

2

Caseta editurii Autori Teodorita Al Seadi, Dominik Rutz, Heinz Prassl, Michael Kttner, Tobias Finsterwalder, Silke Volk, Rainer Janssen, Augustin Ofieru, Mihai Adamescu, Florian Bodescu, Dan Ionescu (pentru partile specifice Romniei) Recenzie Dominik Rutz, Teodorita Al Seadi, Konstantinos Sioulas, Biljana Kulisic Augustin Ofieru, Mihai Adamescu (pentru partile specifice Romniei) Editare Teodorita Al Seadi, Augustin Ofieru, Mihai Adamescu, Dan Ionescu, Leonard Tudor Corectur, paginaie i traducere Catrineda Al Seadi, Iwona Cybulska, Augustin Ofieru, Mihai Adamescu, Dan Ionescu, Leonard Tudor Coperta Catrineda Al Seadi ISBN Toate drepturile sunt rezervate. Nicio parte din acest manual nu poate fi reprodus n nici o form i prin nici un mijloc, fr permisiunea scris din partea deintorului dreptului de autor i a editorului. Editorul nu garanteaz c informaiile i datele incluse sau descrise n acest ghid trateaz n mod exhaustiv subiectul crii. Referine Acest ghid practic a fost elaborat cu eforturile comune ale unui grup de experi n biogaz din Danemarca, Germania, Austria, Grecia i Romnia, parteneri n cadrul proiectului BiG>East (EIE/07/214/SI2.467620), derulat pe perioada 09.2007-02.2010, cu scopul general de a promova dezvoltarea tehnologiilor bayate pe digestia anaeroba a biomasei n Europa de Est. Proiectul BiG>East a fost co-finanat de Comisia European, prin Programul Energie Inteligent pentru Europa. Ghidul practic a fost elaborat iniial n versiunea standard n limba englez, care a fost apoi tradus n limbile bulgar, croat, greac, leton, romn i sloven, ale rilor vizate de proiectul BiG>East. Fiecare versiune tradus conine un capitol de informaii specifice rii, scris de ctre partenerul de proiect din respectiva ar. Paginaia, corectura i coperta ghidului au fost realizate de ctre studenii notri talentai. Mulumesc tuturor pentru considerabila munc de echip. Teodorita Al Seadi, editor


3

Octombrie 2008

Cuprins CUPRINS.......................................................................................................................................................3 SCOP I MODUL DE UTILIZARE A GHIDULUI PRACTIC...............................................................9 CE ESTE BIOGAZUL I DE CE AVEM NEVOIE DE EL? .................................................................10 1 AVANTAJE ALE TEHNOLOGIILOR PENTRU BIOGAZ ..........................................................10

1.1 BENEFICII LA NIVELUL SOCIETII ..............................................................................................10 1.1.1 Surs de energie regenerabil .................................................................................................10 1.1.2 Emisii reduse de gaze cu efect de ser i diminuarea nclzirii globale........................................11 1.1.3 Dependen sczut de importul de combustibili fosili..............................................................11 1.1.4 Contribuie la directivele UE pentru energie i protecia mediului .............................................11 1.1.5 Reducerea deeurilor .............................................................................................................12 1.1.6 Crearea de noi locuri de munc ..............................................................................................12 1.1.7 Utilizare flexibil i eficient a biogazului...............................................................................12 1.1.8 Reducerea necesarului de ap.................................................................................................12

1.2 BENEFICII PENTRU FERMIERI......................................................................................................12 1.2.1 Venituri suplimentare pentru fermieri .....................................................................................12 1.2.2 Digestatul, un ngrmnt valoros........................................................................................13 1.2.3 Circuit nchis al nutrienilor...................................................................................................13 1.2.4 Flexibilitate n utilizarea diferitelor tipuri de materii prime ......................................................13 1.2.5 Mirosuri slabe i insecte puine...............................................................................................14 1.2.6 Securitate veterinar..............................................................................................................14

2 SITUAIA PREZENT I POTENIALUL PENTRU BIOGAZ.................................................15 2.1 SITUAIA BIOGAZULUI LA NIVEL EUROPEAN I MONDIAL ...........................................................15 2.2 POTENIALUL ENERGETIC AL BIOGAZULUI N EUROPA I N LUME.............................................16

3 DIGESTIA ANAEROB (AD) .........................................................................................................17 3.1 SUBSTRATURI PENTRU AD ........................................................................................................17 3.2 AD PROCESUL BIOCHIMIC .......................................................................................................21

3.2.1 Hidroliza ..............................................................................................................................23 3.2.2 Acidogeneza..........................................................................................................................23 3.2.3 Acetogeneza ..........................................................................................................................23 3.2.4 Metanogeneza.......................................................................................................................23

3.3 PARAMETRII PROCESULUI AD....................................................................................................24 3.3.1 Temperatura.........................................................................................................................24 3.3.2 Valoarea pH-ului ..................................................................................................................27 3.3.3 Acizii grai volatili (VFA) .....................................................................................................27 3.3.4 Amoniacul............................................................................................................................28 3.3.5 Oligoelemente, nutrieni i compui toxici ...............................................................................28

3.4 PARAMETRI DE LUCRU ...............................................................................................................29 3.4.1 Capacitatea de ncrcare ........................................................................................................29 3.4.2 Timpul de retenie hidraulic (HRT)......................................................................................29 3.4.3 Lista de parametri .................................................................................................................30

4 PRINCIPALELE APLICAII ALE BIOGAZULUI.........................................................................31 4.1 FABRICILE AGRICOLE DE BIOGAZ ...............................................................................................31

4.1.1 Fabrici de biogaz de nivel familial ..........................................................................................32 4.1.2 Fabrici de biogaz de nivel fermier............................................................................................33 4.1.3 Fabrici de co-digestie centralizate............................................................................................36

4.2 UZINE PENTRU TRATAREA APELOR UZATE.................................................................................38 4.3 FABRICI PENTRU TRATAREA DEEURILOR MENAJERE ...............................................................39 4.4 FABRICI DE BIOGAZ INDUSTRIAL.................................................................................................40 4.5 FABRICI PENTRU RECUPERAREA GAZULUI DE LA GROPILE DE GUNOI .......................................41


4

5 UTILIZAREA BIOGAZULUI............................................................................................................42 5.1 PROPRIETILE BIOGAZULUI ......................................................................................................42 5.2 COMBUSTIA DIRECT I UTILIZAREA CLDURII ..........................................................................44 5.3 GENERAREA COMBINAT A ENERGIEI (CHP) ............................................................................44

5.3.1 Motoarele Otto cu gaz............................................................................................................46 5.3.2 Motor cu gaz Pilot - cu injecie ...............................................................................................46 5.3.3 Motorul Stirling....................................................................................................................47 5.3.4 Microturbine cu biogaz ..........................................................................................................47 5.3.5 Pile de combustie...................................................................................................................48

5.4 PRODUCEREA BIOMETANULUI (MBUNTIREA BIOGAZULUI)...................................................49 5.4.1 Biogazul, combustibil pentru autovehicule...............................................................................50 5.4.2 Biometanul, combustibil pentru reeaua de gaze naturale .........................................................52 5.4.3 Fabricarea dioxidului de carbon i a metanului, din biogaz, n industria chimic ......................53

6 UTILIZAREA DIGESTATULUI .......................................................................................................53 6.1 AD - O TEHNOLOGIE PENTRU MANAGEMENTUL REZIDUURILOR ANIMALIERE ............................53 6.2 DE LA GUNOI ANIMAL LA DIGESTAT, CA NGRMNT..............................................................53

6.2.1 Biodegradarea materiei organice.............................................................................................53 6.2.2 Reducerea mirosurilor neplcute.............................................................................................54 6.2.3 Sanitaia ..............................................................................................................................54 6.2.4 Distrugerea seminelor buruienilor..........................................................................................55 6.2.5 Evitarea arsurii plantelor .......................................................................................................55 6.2.6 mbuntirea calitilor ngrmntului .............................................................................55

6.3 APLICAREA DIGESTATULUI CA NGRMNT............................................................................56 6.4 EFECTELE APLICRII DIGESTATULUI ASUPRA SOLULUI ..............................................................57 6.5 EXPERIENE PRACTICE ..............................................................................................................58 6.6 CONDIIONAREA DIGESTATULUI.................................................................................................59

6.6.1 Strategii de condiionare a digestatului ...................................................................................59 6.6.2 Consideraii necesare .............................................................................................................62

6.7 MANAGEMENTUL CALITII DIGESTATULUI ................................................................................62 6.7.1 Prelevarea probelor, analiza digestatului i declaraia de conformitate a produsului ...................62 6.7.2 Managementul nutrienilor n digestat....................................................................................63 6.7.3 Msuri generale pentru o reciclare sigur i pentru asigurarea calitii digestatului....................63

7 COMPONENTELE UNEI FABRICI DE BIOGAZ.........................................................................64 7.1 UNITATEA DE RECEPIE A MATERIEI PRIME ...............................................................................68 7.2 STOCAREA I CONDIIONAREA MATERIILOR PRIME ...................................................................68

7.2.1 Stocarea materiilor prime ......................................................................................................68 7.2.2 Condiionarea materiilor prime ..............................................................................................71

7.3 SISTEMUL DE ALIMENTARE.........................................................................................................73 7.3.1 Transportul materiilor prime fluide ........................................................................................73 7.3.2 Transportul materiilor prime solide ........................................................................................75

7.4 CONDUCTE I ARMTURI............................................................................................................78 7.5 SISTEMUL DE NCLZIRE NCLZIREA DIGESTORULUI .............................................................79 7.6 DIGESTOARE ..............................................................................................................................80

7.6.1 Digestoare cu funcionare discontinu.....................................................................................81 7.6.2 Digestoare cu funcionare continu.........................................................................................82 7.6.3 ntreinerea digestoarelor .......................................................................................................85

7.7 TEHNOLOGII DE AMESTECARE ...................................................................................................86 7.7.1 Amestecarea mecanic ...........................................................................................................87 7.7.2 Amestecarea pneumatic .......................................................................................................88 7.7.3 Amestecarea hidraulic .........................................................................................................88

7.8 STOCAREA BIOGAZULUI .............................................................................................................89 7.8.1 Tancuri de joas presiune ......................................................................................................90 7.8.2 Stocarea biogazului la presiune medie i nalt........................................................................91 7.8.3 Arztoare de biogaz ...............................................................................................................91

7.9 PURIFICAREA BIOGAZULUI..........................................................................................................93 7.9.1 Condiionarea biogazului.......................................................................................................93


5

7.9.2 Desulfurarea .........................................................................................................................94 7.9.3 Uscarea ................................................................................................................................97

7.10 STOCAREA DIGESTATULUI..........................................................................................................98 7.11 UNITATEA DE CONTROL............................................................................................................100

7.11.1 Determinarea cantitii de materie prim fluid introdus n digestor ....................................101 7.11.2 Determinarea cantitii de materie prim solid introdus n digestor ....................................102 7.11.3 Nivelul de umplere al digestorului ........................................................................................102 7.11.4 Nivelul de umplere al rezervoarelor de gaz .............................................................................102 7.11.5 Temperatura de procesare ....................................................................................................102 7.11.6 Valoarea pH-ului ................................................................................................................102 7.11.7 Determinarea coninutului n acizi grai...............................................................................102 7.11.8 Cantitatea de biogaz ............................................................................................................103 7.11.9 Compoziia gazului .............................................................................................................103

CUM S NCEPEM .................................................................................................................................104 8 PROIECTAREA I CONSTRUIREA UNEI FABRICI DE BIOGAZ ........................................104

8.1 STABILIREA PROIECTULUI UNEI FABRICI DE BIOGAZ ................................................................104 8.2 ASIGURAREA APROVIZIONRII CONTINUE CU MATERIE PRIM.................................................106

8.2.1 Dimensionarea fabricilor de biogaz care utilizeaz materii prime provenite din fermele de cretere a animalelor ........................................................................................................................................107 8.2.2 Dimensionarea fabricilor de biogaz care utilizeaz materii prime provenite din deeuri industriale i menajere .......................................................................................................................................108 8.2.3 Scheme de aprovizionare cu materii prime.............................................................................109

8.3 UNDE TREBUIE AMPLASAT FABRICA DE BIOGAZ.....................................................................109 8.4 OBINEREA AVIZELOR ..............................................................................................................111 8.5 PUNEREA N FUNCIUNE A FABRICII DE BIOGAZ .......................................................................111

9 NORME DE SIGURAN N FABRICILE DE BIOGAZ...........................................................112 9.1 PREVENIREA INCENDIILOR I A EXPLOZIILOR...........................................................................112 9.2 RISCURI DE OTRVIRE I ASFIXIE.............................................................................................113 9.3 RISCURI DE ACCIDENTARE .......................................................................................................114 9.4 SANITAIA, CONTROLUL AGENILOR PATOGENI I ASPECTE VETERINARE..............................114

9.4.1 Aspecte referitoare la igien n fabricile de biogaz...................................................................114 9.4.2 Parametrii de igien n fabricile de biogaz.............................................................................115 9.4.3 Organisme indicatoare.........................................................................................................117 9.4.4 Condiii de sanitaie ............................................................................................................118

10 ASPECTE ECONOMICE N CAZUL FABRICILOR DE BIOGAZ ..........................................121 10.1 FINANAREA PROIECTULUI PENTRU BIOGAZ ............................................................................121 10.2 PREDICII ECONOMICE N CAZUL PROIECTELOR PENTRU FABRICI DE BIOGAZ ........................121

10.2.1 Concluzii asupra prediciilor economice n cazul proiectelor pentru fabrici de biogaz .................123 11 SITUAIA BIOGAZULUI N ROMNIA ......................................................................................124

11.1 POTENIALUL DE BIOGAZ AL ROMNIEI ..................................................................................124 11.1.1 Metodologia........................................................................................................................124 11.1.2 Evaluarea potenialului de biomas n Romnia...................................................................126 11.1.3 Potenialul de biogaz n Romnia.........................................................................................132 11.1.4 Accesibilitatea / distribuia materiei prime pentru biogaz.......................................................133 11.1.5 Concluzii ............................................................................................................................134

11.2 EVALUAREA POLITICILOR NAIONALE ......................................................................................135 11.2.1 Cadrul legislativ pentru energie regenerabil .........................................................................135 11.2.2 Politica energetic i biogazul n Romnia............................................................................136

11.3 BARIERE PENTRU IMPLEMENTAREA / DEZVOLTAREA PROIECTELOR PENTRU BIOGAZ N ROMNIA ................................................................................................................................................137

11.3.1 Bariere ale pieei n implementarea programelor pentru biogaz ...............................................138 11.3.2 Bariere financiare n implementarea proiectelor de biogaz.......................................................138 11.3.3 Bariere sociale n implementarea proiectelor de biogaz............................................................139 11.3.4 Bariere juridice i administrative ..........................................................................................139


6

ANEXA 1. GLOSAR, UNITI DE CONVERSIE I ABREVIERI....................................................140 GLOSAR .....................................................................................................................................................140 UNITIDECONVERSIE .................................................................................................................................147 ABREVIERI ..................................................................................................................................................147

ANEXA 2. BIBLIOGRAFIE.....................................................................................................................148 ANEXA 3. ADRESE.................................................................................................................................151


7

Cuvnt nainte Una dintre principalele probleme de mediu ale societii de astzi este creterea continu a cantitii de deeuri organice. n multe ri, managementul durabil al deeurilor, precum i prevenirea acumulrii i reducerea cantitii acestora au devenit prioriti politice majore, aceasta reprezentnd o contribuie important la eforturile comune de reducere a polurii, a emisiilor de gaze cu efect de ser i diminurii schimbrilor climatice la nivel global. Practicile din trecut ale evacurii necontrolate a deeurilor nu mai sunt astzi acceptabile. Chiar i depozitarea pe platforme de gunoi sau incinerarea deeurilor organice nu reprezint cele mai bune practici, deoarece standardele de protejare a mediului au devenit mult mai stricte n prezent, iar recuperarea energiei i reciclarea nutrienilor i a materiei organice un lucru necesar. Producerea biogazului prin digestie anaerob (AD) este considerat a fi tratamentul optim n cazul gunoiului animal, precum i n acela al unei largi varieti de deeuri organice pretabile acestui scop, deoarece astfel respectivele substraturi sunt transformate n energie recuperabil i n ngrmnt organic pentru agricultur. n acelai timp, eliminarea fraciei organice din cantitatea total de deeuri crete att eficiena conversiei energetice prin incinerarea deeurilor rmase, ct i stabilitatea haldelor. AD reprezint un proces microbiologic de descompunere a materiei organice, n lipsa oxigenului, ntlnit n multe medii naturale i aplicat astzi la scar mare pentru producerea de biogaz n reactoare-cistern, etane mpotriva ptrunderii aerului, n mod obinuit denumite digestoare. O larg varietate de microorganisme sunt implicate n procesul anaerob, n urma cruia rezult dou produse finale: biogazul i digestatul. Biogazul este un gaz combustibil, care const din metan, dioxid de carbon, i cantiti mici de alte gaze i microelemente. Digestatul reprezint substratul descompus anaerob, bogat n macro- i micronutrieni i care poate fi utilizat, prin urmare, drept ngrmnt pentru plante. Producerea i colectarea biogazului rezultat n urma unui proces biologic a fost pentru prima dat documentat n Marea Britanie n anul 1895 (METCALF & EDDY, 1979). De atunci, acest proces a fost continuu dezvoltat i aplicat pe scar larg, n scopul tratrii apelor reziduale i a stabilizrii nmolurilor. Criza energetic de la nceputul anilor 70 a adus o nou provocare cu privire la utilizarea combustibililor regenerabili, inclusiv a biogazului rezultat din procesele AD. Interesul pentru biogaz a crescut pn astzi, datorit eforturilor globale de nlocuire a combustibililor fosili utilizai pentru producerea energiei cu unii regenerabili, precum i a necesitii gsirii unor soluii sustenabile pentru tratamentul i reciclarea gunoiului de origine animal i a deeurilor organice. n prezent, cea mai important aplicaie a proceselor AD o reprezint producerea de biogaz n instalaii speciale, prin procesarea substraturilor provenite din agricultur, precum gunoiul animal, reziduurile vegetale, culturile energetice sau deeurile organice rezultate din activitile agro-industriale i din industria alimentar. Conform Ageniei Internaionale pentru Energie (IEA), un numr de cteva mii de fabrici agricole care utilizeaz procesul AD sunt funcionale n Europa i n America de Nord. Multe dintre acestea sunt reprezentate de instalaii avansate din punct de vedere tehnologic, construite la scar mare, numrul lor cunoscnd o cretere considerabil n ultimii ani. Numai n Germania, mai mult de 3.700 de fabrici pentru biogaz funcionau n anul 2007. n Asia, cteva milioane de digestoare mici, simple, pentru biogaz, sunt funcionale n ri precum China, India, Nepal i Vietnam, acestea producnd combustibil pentru gtit i iluminat.


8

Se estimeaz c la nivel european exist un potenial considerabil pentru creterea produciei actuale de biogaz, pe baza activitilor din domeniul zootehnic. Dup lrgirea UE, noile ri membre ale Europei de Est trebuie, de asemenea, s utilizeze aceste tehnologii i s beneficieze de pe urma potenialului lor ridicat pentru biogaz. Implementarea tehnologiilor AD n aceste ri va contribui la reducerea unui numr mare de probleme de poluare a mediului, odat cu intensificarea dezvoltrii durabile a comunitilor rurale i a sectorului agricol n ansamblu. Biogazul produs prin procesul AD este ieftin i constituie o surs de energie regenerabil, acesta producnd, n urma combustiei, CO2 neutru i oferind posibilitatea tratrii i a reciclrii unei ntregi varieti de reziduuri i produse agricole secundare, a diverselor bioreziduuri, a apelor reziduale organice provenite din industrie, a apelor menajere i nmolurilor de canalizare, pe o cale sustenabil i prietenoas cu mediul nconjurtor. n acelai timp, biogazul aduce un mare numr de beneficii de natur socio-economic, att pentru fermierii implicai n mod direct n producerea acestuia, ct i la nivelul ntregii societi. Din toate aceste motive, biogazul rezultat prin procesele AD constituie una dintre principalele prioriti ale strategiei europene privitoare la biocombustibili i energie regenerabil. Teodorita Al Seadi i Dominik Rutz


9

Scop i modul de utilizare a ghidului practic Una dintre problemele majore ale cresctorilor de animale interesai de tehnologiile producerii biogazului este lipsa unei surse unice de informare cu privire la procesul AD, la aspectele tehnice i non-tehnice ale planificrii, la construirea i exploatarea fabricilor de biogaz, precum i n ceea ce privete utilizarea biogazului i a digestatului. Toate aceste informaii se gsesc mprtiate prin literatur i, de aceea, a fost necesar o abordare unitar i clarificarea acestora. Ghidul cuprinde patru pri principale. Prima parte, Ce este biogazul i de ce avem nevoie de el, furnizeaz informaiile de baz despre tehnologiile de producere a biogazului, descriind procesul microbiologic al AD i principalele aplicaii ale acestuia, utilizarea sustenabil a biogazului i a digestatului precum i principalele componente i caracteristici tehnice ale unei fabrici de biogaz. A doua parte a manualului, Cum s ncepem, arat cum s fie abordat planificarea i construirea unei fabrici de biogaz, elementele de siguran care trebuie luate n considerare i posibilele costuri i beneficii ale unei asemenea ntreprinderi. Toate acestea sunt argumentate cu ajutorul unui instrument de calcul EXCEL. A treia parte, Anexe, include explicarea termenilor, prescurtri, uniti de conversie, literatura recomandat i adrese utile. Partea a patra, Implementarea uzinelor de biogaz n, conine informaii despre potenialul de producie de biogaz i despre starea de fapt din Romnia n anul 2008, legislaia naional n domeniu, principalele ncurajri i piedici n dezvoltarea produciei de biogaz n ara noastr, adrese utile i link-uri web etc. Ghidul pentru biogaz se dorete a fi un ghid cum s abordez, care s dea informaii de baz despre biogazul de provenien AD, cu axare n special pe fabricile agricole de biogaz. Scopul este acela al furnizrii unei surse de informare cu privire la aspectele tehnice i nontehnice ale produciei de biogaz din agricultur. Ghidul se adreseaz cresctorilor de animale, operatorilor viitoarelor fabrici de biogaz i, n general, fermierilor care doresc s abordeze acest domeniu.


10

Ce este biogazul i de ce avem nevoie de el?

1 Avantaje ale tehnologiilor pentru biogaz Producerea biogazului prin procesul AD i utilizarea sa furnizeaz multe beneficii de ordin socio-economic, dar i de mediu, att la nivelul ntregii societi, ct i pentru fermierii implicai n mod direct n aceast activitate. Valorizarea intrinsec a lanului tehnologic de producere a biogazului crete eficiena economic local, asigur locuri de munc n domeniul rural i crete puterea de cumprare regional. Aceasta conduce la mbuntirea standardelor de via i contribuie la dezvoltarea economic i social de ansamblu a societii.

1.1 Beneficii la nivelul societii

1.1.1 Sursdeenergieregenerabil n prezent, producerea la nivel global a energiei este n mare msur dependent de sursele de energie fosil (petrol brut, lignit, antracit, gaze naturale). Aceste surse sunt rezultatul fosilizrii resturilor plantelor i animalelor moarte, care au fost expuse la presiune i temperatur n scoara terestr timp de sute de milioane de ani. Din aceast cauz, combustibilii fosili reprezint surse neregenerabile de combustibili, ale cror rezerve sunt consumate mult mai repede dect sunt formate cele noi.

Figura 1. 1. Scenariu pentru producia mondial de petrol i vrful produciei de petrol (ASPO, 2008) Producia de vrf a petrolului este definit drept momentul n care este atins rata global maxim a produciei de petrol brut, dup care aceast rat de producie intr n declinul ei final. Dup diferii cercettori, producia de vrf a petrolului a fost deja atins, sau urmeaz s fie atins n urmtoarea perioad (Figura 1.1.). Fa de combustibilii fosili, biogazul rezultat prin AD este regenerabil n mod permanent, pe msur ce este produs din biomas, care nu reprezint altceva dect stocarea actual a energiei solare prin procesul de


11

fotosintez. Biogazul produs prin procesul AD nu numai c va mbunti bilanul energetic al unei ri, ci va aduce i o contribuie important la conservarea resurselor naturale i la mbuntirea condiiilor de mediu.

1.1.2 Emisiiredusedegazecuefectdeseridiminuareanclziriiglobale

Utilizarea combustibililor fosili, precum lignitul, antracitul, petrolul brut i gazele naturale, convertete carbonul stocat timp de milioane de ani n scoara terestr i l elibereaz sub form de dioxid de carbon (CO2) n atmosfer. Creterea concentraiei CO2 atmosferic n prezent are drept consecin nclzirea global, deoarece dioxidul de carbon este un gaz cu efect de ser (GHG). Arderea biogazului, de asemenea, elibereaz CO2. Totui, principala diferen, prin comparaie cu combustibilii fosili, este aceea a originii carbonului din biogaz, care este recent preluat din atmosfer, prin activitatea fotosintetic a plantelor actuale. Prin urmare, ciclul carbonului din biogaz este nchis ntr-o perioad foarte scurt de timp (ntre unul i civa ani). Producia de biogaz prin procesul AD reduce, de asemenea, i emisiile de metan (CH4) i de oxid azotos (N2O), rezultate n urma depozitrii i utilizrii gunoiului animal ca ngrmnt. Potenialul efectului de ser al metanului este de 21 de ori mai mare, iar cel al oxidului azotos de 296 de ori mai ridicat, n comparaie cu acela al dioxidului de carbon. Prin urmare, utilizarea biogazului n locul combustibililor fosili pentru producerea i transportul energiei reduce emisiile de CO2, CH4 i N2O, contribuind, n acest fel, la reducerea nclzirii globale.

1.1.3 Dependensczutdeimportuldecombustibilifosili Combustibilii fosili reprezint resurse limitate, concentrate n puine zone geografice de pe planeta noastr. Acest lucru creeaz, pentru rile situate n afara acestor areale, o stare permanent i nesigur de dependen de importul de resurse energetice. Cele mai multe ri europene sunt foarte puternic dependente de importurile de energie fosil din regiuni bogate n surse de combustibili fosili, precum Rusia i Orientul Mijlociu. Dezvoltarea i implementarea sistemelor de energie regenerabil, cum este biogazul de provenien AD, bazate pe resurse naionale i regionale, vor crete sustenabilitatea i sigurana rezervelor naionale de energie i vor reduce dependena de importul de energie.

1.1.4 ContribuieladirectiveleUEpentruenergieiproteciamediului Lupta mpotriva nclzirii globale reprezint una dintre principalele prioriti ale politicilor europene pentru energie i mediu. Directivele europene referitoare la producia de energie regenerabil, la reducerea emisiilor de GHG i la managementul sustenabil al deeurilor se bazeaz pe angajamentul statelor membre de a implementa msuri potrivite n scopul ndeplinirii acestora. Producerea i utilizarea biogazului din AD are potenialul de a satisface toate cele trei directive, simultan.


12

1.1.5 Reducereadeeurilor Unul dintre principalele avantaje ale producerii biogazului este capacitatea de a transforma deeurile n resurse valoroase, prin utilizarea acestora ca materii prime pentru procesul AD. Multe ri europene se confrunt cu probleme uriae, asociate unei supraproducii a deeurilor organice rezultate din industrie, agricultur, precum i din activitile casnice. Producerea biogazului reprezint o cale foarte bun de satisfacere a reglementrilor naionale i europene din ce n ce mai restrictive din acest domeniu i de utilizare a deeurilor organice pentru producerea de energie, urmat de reciclarea acestora ca ngrminte. Tehnologiile de producere a biogazului contribuie la reducerea volumului de deeuri, precum i a costurilor determinate de nlturarea acestora.

1.1.6 Creareadenoilocuridemunc Dezvoltarea unui sector naional n domeniul biogazului stimuleaz constituirea unor noi ntreprinderi cu potenial economic semnificativ, care vor crete veniturile din zonele rurale i vor crea noi locuri de munc. Comparativ cu utilizarea combustibililor fosili importai, producerea de biogaz prin tehnologia AD necesit o for de munc mult mai numeroas pentru procesul de producie, pentru colectarea i transportul materiilor prime necesare, fabricarea echipamentului tehnic, execuia lucrrilor de construcii i exploatarea fabricilor de biogaz.

1.1.7 Utilizareflexibilieficientabiogazului Biogazul este o surs flexibil de energie, potrivit multor aplicaii. n rile dezvoltate, una dintre cele mai simple aplicaii ale acestuia o reprezint gtitul i iluminatul. n multe dintre rile europene, biogazul este folosit pentru co-generarea energiei termice i electrice (CHP). De asemenea, biogazul este mbuntit i folosit pentru alimentarea reelei de gaze naturale, utilizat drept combustibil pentru autovehicule sau n tehnologiile pilelor electrice.

1.1.8 Reducereanecesaruluideap Prin comparaie cu ali biocombustibili, biogazul necesit cele mai sczute aporturi de ap tehnologic. Acest lucru este important, din punct de vedere al eficienei energetice a biogazului, din cauza preconizatei crize a apei, prevzut n multe regiuni ale lumii.

1.2 Beneficii pentru fermieri

1.2.1 Veniturisuplimentarepentrufermieri Producerea materiilor prime, combinat cu activitatea fabricilor de biogaz, fac tehnologiile biogazului atractive din punct de vedere economic i contribuie la creterea veniturilor fermierilor. n plus fa de veniturile suplimentare, acetia obin noi i importante funcii sociale, precum cele de furnizori de energie i de operatori pentru tratarea deeurilor.


13

1.2.2 Digestatul,unngrmntvaloros O fabric de biogaz nu constituie numai un furnizor de energie. Biomasa animalier rezultat n urma procesului AD, numit digestat, reprezint un ngrmnt valoros al solului, bogat n azot, fosfor, potasiu i micronutrieni, care poate fi aplicat pe teren cu echipamentele obinuite, folosite i n cazul gunoiului de grajd lichid. Comparativ cu gunoiul animal brut, digestatul prezint o eficien mbuntit ca fertilizator, datorit omogenitii sale ridicate i a disponibilitii mai mari a nutrienilor, un raport mai bun C/N i lipsa aproape total a mirosurilor neplcute.

1.2.3 Circuitnchisalnutrienilor Circuitul nutrienilor, prin procesul producerii biogazului de la producia de materii prime la aplicarea digestatului ca ngrmnt este unul nchis. Compuii cu carbon (C) sunt redui, prin procesul de digestie anaerob, metanul (CH4) fiind folosit pentru producerea de energie, n timp ce dioxidul de carbon (CO2) este eliberat n atmosfer, de unde este preluat de ctre plante, n cursul fotosintezei. Unii compui ai carbonului rmn n digestat, mbuntind coninutul n carbon al solurilor, atunci cnd digestatul este utilizat ca ngrmnt. Producia de biogaz poate fi perfect integrat n activitatea fermelor convenionale sau a fermelor organice, unde digestatul nlocuiete ngrmintele anorganice obinuite, produse cu consumul unei mari cantiti de energie fosil. Figura 1.2. prezint circuitul nchis, sustenabil, al biogazului.

Figura 1.2. Circuitul sustenabil al biogazului provenit din procesul AD (AL SEADI, 2002)

1.2.4 Flexibilitatenutilizareadiferitelortipuridemateriiprime Pentru producerea biogazului pot fi folosite numeroase tipuri de materii prime: gunoi animal, resturi vegetale, deeuri organice provenite din fermele de producere a lactatelor, din industria alimentar i agro-industrii, nmoluri de canalizare, fracia organic din deeurile

H2O

O2CO2

FERTILIZATOR

DIGESTIE ANAEROBA

BIOGAZ

ELECTRICITATE SI CALDURADESEURI ORGANICE

BIOMASA VEGETALA

GUNOI ANIMAL

LUMINA

FOTOSINTEZA


14

oreneti, deeuri organice menajere, din serviciile de catering i culturi de plante energetice. Biogazul poate fi, de asemenea, colectat i direct de la rampele de gunoi. Unul dintre principalele avantaje ale producerii biogazului const n abilitatea de utilizare a aa-numitei biomase umede, drept materie prim. Exemple de biomas umed sunt: nmolurile de canalizare, nmolurile provenite din fermele pentru lactate i din cele de cretere a porcilor, nmolul de flotaie rezultat din procesarea alimentelor, toate caracterizate de un coninut de umiditate de mai mult de 60-70%. n ultimii ani, a fost utilizat i biomasa provenit dintr-o serie ntreag de plante energetice de cultur (cereale, porumb, semine de rapi etc.) drept materie prim pentru producerea biogazului, aa cum s-a ntmplat, de exemplu, n Austria. La acestea se mai adaug diverse reziduuri agricole, produse agricole vegetale depreciate, improprii pentru consum sau rezultate n urma condiiilor de cretere i climatice nefavorabile, care pot fi utilizate pentru producia de biogaz i de ngrminte. De asemenea, un numr de produse secundare animaliere, improprii consumului uman, pot fi procesate n fabricile de biogaz. O descriere detaliat a substraturilor AD reprezint subiectul Capitolului 3.1.

1.2.5 Mirosurislabeiinsectepuine Depozitarea i aplicarea gunoiului animal lichid, a celui solid, dar i a multor deeuri organice creeaz surse de mirosuri neplcute i persistente i atrag insectele. AD reduce aceste mirosuri cu mai mult de 80%. Digestatul este aproape inodor, iar amoniacul remanent dispare rapid dup aplicarea sa ca ngrmnt n cmp. Figura 1.3. ilustreaz reducerea mirosurilor n urma procesului AD.

A B

Figura 1.3. A: Concentraia de acizi grai volatili ce provoac mirosuri neplcute n nmolurile netratate i n cele digestate B: Concentraia mirosurilor neplcute n probele de aer colectate deasupra cmpului, dup aplicarea nmolului netratat i a nmolului digestat (HANSEN, 2004)

1.2.6 Securitateveterinar Utilizarea digestatului ca ngrmnt mbuntete securitatea veterinar, n comparaie cu folosirea gunoiului animal brut. Tehnologia AD implic msuri sanitare controlate, n vederea conformrii digestatului pentru utilizarea sa ca ngrmnt. Igienizarea digestatului se poate realiza prin meninerea acestuia la temperatura de digestie termofil, ori prin

0

200

400

600

800

1000

1200

20 minute 260 minute

Uni

ti

odor

ifere

per

m3 a

er

mg

per l

itru

de nm

ol

0

200

400

600

800

1000

Acid izo-butanoic Acid butanoic Acid izo-valeric Acid valericNmol netratat Nmol digestat Nmol netratat Nmol digestat


15

pasteurizarea sau sterilizarea sa sub presiune, n funcie de tipul materiei prime folosite. n toate cazurile, scopul l constituie inactivarea agenilor patogeni, a seminelor de buruieni sau a altor duntori biologici i ntreruperea lanului de transmitere a bolilor.

2 Situaia prezent i potenialul pentru biogaz

2.1 Situaia biogazului la nivel european i mondial n ultimii ani, piaa mondial pentru biogaz a crescut cu 20% pn la 30% pe an. n Europa, ri precum Austria, Danemarca, Germania i Suedia sunt printre cele mai experimentate n ceea ce privete tehnologiile pentru biogaz i au reuit s stabileasc piee naionale competitive n domeniu. Pentru a dezvolta aceste piee au fost efectuate intense cercetri RD&D, iar sectoarele pentru biogaz au primit subsidii guvernamentale considerabile i s-au bucurat i de sprijin public. Fermierii implicai, operatorii fabricilor de biogaz, precum i investitorii au acumulat cunotine importante, informaii tehnice private i expertiz cu privire la tehnologiile biogazului. Pe lng tipurile de materii prime tradiionale, n ri precum Germania i Austria a fost iniiat i cultivarea plantelor energetice pentru producerea biogazului. Au fost ntreprinse eforturi de cercetare nsemnate, n direcia creterii productivitii i a diversitii plantelor energetice, precum i pentru evaluarea potenialului acestora pentru biogaz. Au fost definite noi practici agricole, noile sisteme de rotaie a culturilor, de intercultur i cultur combinat fcnd obiectul unor cercetri i al unei dezvoltri intensive. n ultimii ani, au fost efectuate importante cercetri cu privire la tehnologiile de conversie a materiilor prime n biogaz. Au fost introduse i adaptate noi tipuri de digestoare, de sisteme de alimentare, de faciliti pentru depozitare, precum i o serie ntreag de alte echipamente. Att sistemele de AD n mediu uscat, ct i n cel umed sunt mbuntite n mod continuu, prin activiti de cercetare de nalt nivel, care se concentreaz att pe asigurarea stabilitii operaiilor i a proceselor, pe performane, ct i pe gsirea unor noi combinaii de substraturi. Utilizarea biogazului pentru producia combinat de cldur i electricitate (CHP) a devenit aplicaia standard pentru cea mai mare parte a proiectelor pentru biogaz din Europa. n ri precum Suedia, Olanda i Germania, biogazul mbuntit a fost, de asemenea, utilizat i ca biocombustibil pentru transport. n aceste ri au fost stabilite reele de distribuie i construite staii de mbuntire i mbuteliere. mbuntirea biogazului i alimentarea reelei de gaze naturale reprezint o aplicaie relativ recent, iar primele instalaii de alimentare a reelei de gaze naturale cu biometan au fost realizate n Germania i Austria. Cea mai nou utilizare a biogazului este cea din domeniul pilelor electrice, care deja reprezint o tehnologie evoluat i disponibil comercial, funcionnd n ri precum Germania. Producia integrat de biocombustibili (biogaz, bioetanol, biodiesel), de alimente i de materii prime pentru industrie reprezint astzi un domeniu important pentru cercetare, ca parte integrant a conceptului de biorafinare. n cadrul acestui concept integrat, biogazul furnizeaz energia necesar procesrii, pentru producerea de biocombustibil lichid, n timp ce produsele secundare astfel rezultate sunt folosite drept materii prime pentru procesul AD. Se consider c procesul integrat de biorafinare ofer o serie de avantaje n legtur cu eficiena energetic, cu performanele economice i reducerea emisiilor de GHG. Din acest motiv, n


16

Europa i n ntreaga lume a fost implementat un numr de proiecte pilot, ale cror rezultate finale vor fi disponibile n anii urmtori.

2.2 Potenialul energetic al biogazului n Europa i n lume Potenialul mondial al produciei de energie pe baz de biomas se estimeaz a fi la un nivel foarte ridicat. Evaluarea potenialului energetic al biomasei se bazeaz pe numeroase studii, scenarii i simulri, care demonstreaz faptul c numai o mic parte a acestuia este folosit n prezent. Potrivit acelorai cercetri, gradul de utilizare a biomasei ar putea fi crescut semnificativ n viitorul apropiat. Asociaia European pentru Biomas (AEBIOM) estimeaz c producia european de energie, avnd ca baz biomasa, poate fi crescut de la 72 Mtoe n 2004 la 220 Mtoe n 2020. Cel mai mare potenial de cretere corespunde biomasei de origine agricol. Conform AEBIOM, n rile UE27 pot fi utilizate ntre 20 i 40 de milioane de hectare (Mha) de teren pentru producia agricol de energie, fr a fi afectat producia alimentar a Uniunii. n aceast privin, biogazul joac un rol important, avnd un potenial pentru dezvoltare foarte ridicat. Pentru conversia biomasei n biogaz prin procesul AD pot fi folosite diferite tipuri de reziduuri: deeuri i produse secundare provenite din agricultur, din agro-industrii i industria alimentar, din gospodrii i, n general, deeuri rezultate dintr-o multitudine de activiti cotidiene ale societii.

Figura 2.1. Reeaua european de transport a gazelor naturale i potenialele coridoare (n galben) potrivite injeciei de biometan, obinut prin procesul de mbuntire a biogazului (THRN, 2007) La nivel european, estimarea potenialului energetic al biogazului este destul de dificil de realizat, din cauza numrului mare de variabile care trebuie luate n calcul. Spre exemplu, potenialul energetic al biogazului depinde de disponibilitatea terenurilor care s fie dedicate culturilor agricole energetice, fr a fi afectat producia alimentar, de productivitatea acestor culturi, de randamentul diferitelor substraturi de generare a metanului, precum i de eficiena energetic total a utilizrii biogazului. Institutul German pentru Energie i Mediu a stabilit c, n Europa, potenialul energetic al biogazului este suficient de mare pentru a putea


17

nlocui consumul total de gaze naturale, prin injecia de biogaz mbuntit (biometan) n reea (Figura 2.1.). n prezent, Germania, Austria, Danemarca i Suedia se numr printre cele mai avansate ri din Europa n domeniul tehnologiilor pentru biogaz, avnd cel mai mare numr de fabrici de acest fel, de ultim generaie. Un numr important de instalaii de biogaz funcioneaz i n alte pri ale lumii. n China, de exemplu, n anul 2006, au fost identificate mai mult de 18 milioane de digestoare domestice pentru biogaz, potenialul total pentru biogaz chinezesc fiind estimat la 145 bilioane de metri cubi. De asemenea, n India exist astzi n funciune aproximativ 5 milioane de fabrici pentru biogaz mici. Alte ri, precum Nepalul i Vietnamul, posed i ele un numr considerabil de instalaii pentru biogaz. Cele mai multe fabrici de biogaz din Asia utilizeaz tehnologii simple i sunt, prin urmare, uor de proiectat i de reprodus. De cealalt parte a Atlanticului, SUA, Canada i multe ri ale Americii Latine sunt pe cale de a dezvolta sectoare moderne pentru biogaz, n aceast direcie fiind implementat, n fiecare dintre acestea, un cadru politic favorabil, pentru a veni n sprijinul acestui domeniu de activitate. Numrul mare de instalaii de biogaz existente, care funcioneaz n diferite ri, dovedete faptul c, n prezent, tehnologiile pentru biogaz sunt evoluate, sustenabile i ofer garanii economice solide.

3 Digestia anaerob (AD) AD reprezint un proces biochimic, prin care substraturi organice complexe (biomas vegetal i deeuri, gunoi animal, deeuri organice, ape reziduale, nmoluri provenite din sistemul de canalizare etc.) sunt descompuse, n absena oxigenului, pn la stadiul de biogaz i digestat, de ctre diverse tipuri de bacterii anaerobe. Procesul AD este ntlnit n numeroase medii naturale, precum sedimentele oceanice, stomacul rumegtoarelor sau turbrii. Dac substratul supus AD este constituit dintr-un amestec de dou sau mai multe materii prime (de exemplu, gunoi animal i reziduuri organice din industria alimentar), procesul poart numele de co-digestie. Co-digestia este ntlnit n cazul celor mai multe aplicaii pentru biogaz.

3.1 Substraturi pentru AD Numeroase tipuri de biomas pot funciona ca substraturi (materii prime) pentru producerea de biogaz prin procesul AD. Cele mai ntlnite categorii de materii prime sunt urmtoarele: gunoiul de grajd reziduuri i produse agricole secundare deeuri organice digerabile din industria alimentar i agro-industrii (de origine vegetal

i animal) fracia organic a deeurilor menajere i din catering (de origine vegetal i animal) nmoluri de canalizare culturi energetice (de exemplu, porumb, trestie chinezeasc Miscanthus, sorg, trifoi) Exemple din categoriile enumerate mai sus sunt ilustrate n Figurile 3.1., 3.2., i 3.3., iar n Tabelul 3.1. este prezentat o list de deeuri adecvate producerii biogazului.


18

Utilizarea gunoiului animal drept materie prim pentru procesul AD prezint unele avantaje, datorit proprietilor acestuia:

Coninut n inoculi ai bacteriilor anaerobe naturale. Coninut de ap ridicat (4-8% DM n gunoiul lichid), acionnd ca solvent pentru

celelalte co-substraturi i asigurnd omogenizarea i fluiditatea corespunztoare a biomasei.

Ieftin i uor accesibil, fiind colectat ca reziduu din fermele zootehnice. n ultimii ani, a fost testat i introdus un alt tip de materie prim, pentru a fi supus procesului AD: aa-numitele plante energetice (DEC culturi energetice dedicate), care sunt cultivate n mod special pentru scopul produciei de energie/biogaz. Plantele energetice sunt reprezentate de plante de cultur ierboase (de exemplu, iarb, porumb, rapi) i lemnoase (de exemplu, salcie, plop, stejar), dei, n ultimul caz, este necesar aplicarea unui pre-tratament special pentru delignificare. Tabelul 3.1. Biodeeuri adecvate tratamentului biologic (CATALOGUL EUROPEAN AL DEEURILOR, 2007)

Cod deeu Descriere deeu Deeuri din agricultur, horticultur, acvacultur, silvicultur, vntoare i pescuit Deeuri din prepararea i procesarea crnii, petelui i altor alimente de origine animal Deeuri din prepararea i procesarea fructelor, legumelor, cerealelor, uleiurilor comestibile, cacao, a ceaiului i tutunului; din producia de conserve; din prepararea i fermentarea drojdiilor i extractelor pe baz de drojdii, melasei Deeuri din procesarea zahrului Deeuri din industria produselor lactate Deeuri din industria de panificaie i a produselor de cofetrie

02 00 001 Deeuri din agricultur, horticultur, acvacultur, silvicultur, vntoare i pescuit, prepararea i procesarea alimentelor

Deeuri din industria buturilor alcoolice i ne-alcoolice (cu excepia cafelei, ceaiului, i cacao) Deeuri din prelucrarea lemnului, dulgherit i din producia de mobil 03 00 00 Deeuri din prelucrarea lemnului,

dulgherit, producia de mobil, industria de celuloz, hrtie i carton Deeuri din producia i prelucrarea celulozei, hrtiei i cartonului

Deeuri din industria pielriei i blnurilor 04 00 00 Deeuri din industria pielriei, blnurilor i textil

Deeuri din industria textil

15 00 00 Deeuri de tipul ambalajelor, absorbanilor, crpelor pentru curat, materialelor filtrante i mbrcmintei de protecie, nespecificate altundeva

Ambalaje (inclusiv cele sortate la colectare din deeurile oreneti de tip ambalaj)

Deeuri provenite din tratamentul anaerob al reziduurilor Deeuri din instalaiile de management al apelor uzate, nespecificate altundeva

19 00 00 Deeuri provenite din instalaiile de management al deeurilor, deeuri evacuate de ctre uzinele pentru tratarea apelor uzate i pentru prepararea apei potabile i a apei utilizate n industrie Deeuri din prepararea apei potabile sau a apelor industriale

Fraciile de deeuri sortate la colectare (exceptnd 15 01)

Deeuri din grdini i parcuri (inclusiv deeurile din cimitire)

20 00 00 Deeuri oreneti (provenite din gospodrii i alte asemenea deeuri comerciale i industriale) inclusiv deeurile sortate la colectare

Alte deeuri oreneti

1) Codul de 6 digii se refer la numerotarea corespunztoare din Catalogul European al Deeurilor (EWC), adoptat printr-o Decizie a Comisiei Europene


19

Figura 3.1. Deeuri solide oreneti, furnizate unei fabrici de biogaz din Germania (RUTZ, 2008)

Figura 3. 2. Deeuri din catering (RUTZ, 2008) Figura 3. 3. Siloz de porumb (RUTZ, 2008) Substraturile procesului AD pot fi clasificate dup originea acestora, coninutul de substan uscat (DM), producia de metan, precum i dup alte criterii. Tabelul 3.2. prezint succint caracteristicile ctorva tipuri de materii prime digerabile. Substraturile cu coninut de substan uscat mai mic de 20% sunt utilizate pentru aa-numita digestie umed (unii autori o numesc fermentaie umed). Aceast categorie include gunoiul de grajd, precum i deeurile organice umede provenite din industria alimentar. Cnd coninutul de substan uscat este mai mare de 35%, tipul digestiei este denumit digestie uscat (fermentaie uscat). Digestia uscat este tipic pentru cazul culturilor energetice i materialelor nsilozate. Alegerea tipului i a cantitii de materie prim pentru obinerea amestecului de substraturi supus procesului AD depinde de coninutul de substan uscat, precum i de coninutul de glucide, lipide i proteine al acestuia. Substraturile care conin cantiti mari de lignin, celuloz i hemiceluloz pot fi, de asemenea, co-digerate, dar n acest caz este aplicat un pre-tratament, de regul cu scopul desfacerii structurilor compacte i de a le mri digerabilitatea. Randamentul potenial n metan este unul dintre cele mai importante criterii de evaluare a diferitelor substraturi pentru procesul AD. Figura 3.4. prezint randamentele n metan ale diferitelor tipuri de materii prime. De notat faptul c gunoiul de grajd are un randament destul de mic n metan. De aceea, n practic, gunoiul animal nu este supus ca atare procesului de digestie, ci n combinaie cu alte co-substraturi cu un randament mare n metan, n scopul creterii produciei de biogaz. Cel mai des utilizate co-substraturi pentru co-digestie, mpreun cu gunoiul de grajd, sunt reprezentate de reziduurile uleioase provenite din industriile alimentar, piscicol i de catering, de deeurile alcoolice din industria berii i a zahrului, precum i de culturile energetice dedicate.


20

Figura 3.4. Valori de referin pentru randamentul specific n metan (PRAL, 2007)

Tabelul 3.2. Caracteristicile ctorva tipuri de materii prime digerabile (AL SEADI, 2003) Tipul de materie

prim Coninut organic

Raport C:N

DM %

VS %

din DM

Producie de biogaz

m3*kg-1 VS

Impuriti fizice Alte substane nedorite

Gunoi porcin

Glucide, proteine, lipide

3-10 3-8 70-80 0,25-0,50 Surcele de lemn, pr de porc, ap, nisip, sfori, paie

Antibiotice, dezinfectani

Gunoi bovin


6-20 5-12 80 0,20-0,30 Surcele de lemn, pmnt, ap, paie, lemn

Antibiotice, dezinfectani, NH4+

Gunoi avicol Glucide, proteine, lipide

3-10 10-30 80 0,35-0,60 Pietri, nisip, pene Antibiotice, dezinfectani, NH4+,

Coninut stomacal/intestinal


3-5 15 80 0,40-0,68 esuturi animale Antibiotice, dezinfectani

Zer 75-80% lactoz 20-25% proteine

n.a. 8-12 90 0,35-0,80 Impuriti din transport

Zer concentrat 75-80% lactoz 20-25% proteine

n.a. 20-25 90 0,80-0,95 Impuriti din transport

Reziduuri de flotaie 65-70% proteine 30-35%lipide

esuturi animale Metale grele, dezinfectani, poluani organici

Ape de splare din procese de fermentare

Glucide 4-10 1-5 80-95 0,35-0,78 Resturi nedegradabile de fructe

Paie Glucide, lipide 80-100 70-90 80-90 0,15-0,35 Nisip, pietri Deeuri din grdini 100-150 60-70 90 0,20-0,50 Pmnt, componente

celulozice Pesticide

Iarb 12-25 20-25 90 0,55 Pietri Pesticide Fn 10-25 15-25 90 0,56 Pietri Deeuri de fructe 35 15-20 75 0,25-0,50 Ulei de pete 30-50% lipide n.a. Ulei de soia/margarin

90% ulei vegetal n.a.

Alcool 40% alcool n.a. Resturi alimentare 10 80 0,50-0,60 Oase, plastic Dezinfectani Deeuri organice menajere

Plastic, metal, pietre, lemn, sticl

Metale grele, poluani organici

Nmoluri din sistemul de canalizare

Metale grele, poluani organici


21

Materiile prime supuse procesului AD pot conine diveri contaminani chimici, biologici sau fizici. Gunoiul de grajd i deeurile vegetale pot fi contaminate cu ageni patogeni ai organismelor de provenien. Deeurile organice din industria alimentar, deeurile menajere i nmolurile din sistemul de canalizare pot conine contaminani chimici, biologici i fizici. Controlul calitii tuturor tipurilor de materii prime este esenial, n scopul asigurrii unei reciclri sigure a digestatului, sub form de ngrmnt. Tabelul 3.3. prezint ncrcarea potenial cu impuriti, contaminani i ageni patogeni a ctorva tipuri de materii prime uzuale. Tabelul 3.3. Clasificarea ctorva tipuri de substraturi pentru procesul AD, n funcie de ncrcarea potenial cu materiale-problem, contaminani i ageni patogeni (PRAL, 2008)

Risc

Sigur Riscuri sanitare Coninut de

materiale problem

Risc de contaminare

Materiale reziduale comunale

Frunze, iarba tunsa Biodeeuri, deeuri vegetale de pe marginea drumurilor

Materiale reziduale industriale

Deeuri vegetale, borhot, terci etc.

Alimente expirate, alimente deteriorate prin transport

Reziduuri din industria uleiului

Gunoi animal fluid, gunoi animal solid Cu i Zn Reziduuri agricole

Frunze de sfecl, paie

Materii prime regenerabile

Porumb nsilozat, fn

Deeuri din abatoare Coninut din rumen, stomacal i intestinal, grsimi separate, fin de

snge etc.

Grsimi separate

Materii prime

Diverse Deeuri din restaurante, deeuri menajere

Deeurile de origine animal solicit o atenie deosebit, n cazul n care sunt utilizate ca substraturi pentru procesul AD. Directiva 1774/2002 a Parlamentului European stabilete regulile sanitare cu privire la manipularea i utilizarea produselor secundare nealimentare de natur animal. Directiva instituie reguli minimale i msuri ce trebuie implementate i indic, de asemenea, tipurile de produse secundare nealimentare de natur animal care pot fi procesate n fabricile de biogaz. Directiva este disponibil n ntregime la adresa de web http://www.europa.eu/scadplus/leg/en/lvb/f81001.htm.

3.2 AD procesul biochimic AD este un proces microbiologic de descompunere a substanelor organice, n lipsa oxigenului. Principalele produse rezultate n urma acestui proces sunt biogazul i digestatul. Biogazul este un gaz combustibil, constnd, n principal, din metan i dioxid de carbon, utilizat, de regul, pentru producerea curentului electric i a cldurii. Supus unui proces de mbuntire, biogazul poate fi introdus i n reeaua de gaze naturale sau folosit drept combustibil pentru autovehicule, n pile electrice sau pentru producerea altor forme de


22

energie. Dup producerea biogazului, substratul descompus (digestatul) este reciclat prin introducere n sol, fiind folosit ca ngrmnt pentru plante. n timpul procesului AD este generat o cantitate foarte mic de cldur, comparativ cu cazul descompunerii aerobe (n prezena oxigenului), aa cum este compostarea. Energia coninut n legturile chimice ale substratului rmne, n principal, nmagazinat n biogazul produs, sub form de metan. Procesul de formare a biogazului este rezultatul unor etape succesive, n care substanele iniiale sunt continuu descompuse n molecule tot mai mici. n fiecare etap sunt implicate grupe specifice de microorganisme. O diagram simplificat a procesului AD este prezentat n Figura 3.5., n care sunt evideniate cele patru etape principale ale procesului: hidroliza, acidogeneza, acetogeneza i metanogeneza.

Figura 3.5. Principalele etape ale procesului AD (AL SEADI, 2003)

Figura 3.6. Producia de biogaz, dup adugarea substratului test serie (STMUGV, 2004)

Rat

a pr

oduc

iei d

e bi

ogaz

sa

u ra

ndam

entu

l n

biog

az

Randamentul cumulat n biogaz (m3/kg)

Rata specific a produciei de gaz (m3/m3*zi)

Timpul de retenie hidraulic HRT (zile)


23

n timpul hidrolizei sunt produse cantiti relativ mici de biogaz. Producia de biogaz atinge maximul n timpul metanogenezei. Legtura dintre randamentul producerii biogazului i HRT este prezentat n Figura 3.6..

3.2.1 Hidroliza Teoretic, hidroliza este prima etap a procesului AD, n timpul creia substanele organice complexe (polimerii) sunt descompuse n substane mai mici, numite mono- sau oligomeri. Polimeri precum glucidele, lipidele, acizii nucleici i proteinele sunt transformate n glucoz, glicerol, purine i pirimidine. Bacteriile hidrolitice secret enzime hidrolitice, transformnd biopolimerii n compui mai mici i solubili, aa cum este artat mai jos:

lipazelipide acizi grai, glicerol demonozaharidepolizahari amilaze xilanaza,celobiaza, celulaza,

proteazeproteine aminoacizi Lanurile de procese prezentate au loc n paralel, n spaiu i timp, n interiorul tancului de digestie. Viteza procesului de descompunere total este determinat de reacia cea mai lent din lan. n cazul fabricilor de biogaz care proceseaz substraturi vegetale care conin celuloz, hemiceluloz i lignin, etapa de hidroliz este etapa determinant de vitez. n procesul de hidroliz este implicat o varietate mare de bacterii, acesta realizndu-se prin intermediul unor exoenzime bacteriene care atac materia particulat, nedizolvat. Produsele rezultate n urma hidrolizei sunt ulterior descompuse/digerate de ctre bacteriile implicate n proces i utilizate, apoi, n cadrul propriului metabolism.

3.2.2 Acidogeneza n timpul etapei de acidogenez, produii de hidroliz sunt transformai de ctre bacteriile acidogene (fermentative) n substraturi metanogene. Glucidele simple, aminoacizii i acizii grai sunt degradai pn la acetat, dioxid de carbon i hidrogen (70%) precum i la acizi grai volatili (VFA) i alcooli (30%).

3.2.3 Acetogeneza n timpul acetogenezei, produii rezultai din acidogenez, care nu pot fi transformai direct n metan de ctre bacteriile metanogene, sunt transformai n substraturi metanogene. VFA i alcoolii sunt oxidai la substraturi metanogene, precum: acetat, hidrogen i dioxid de carbon. Att VFA, ct i alcoolii cu lan de atomi de carbon mai lung de o unitate sunt oxidai pn la acetat i hidrogen. Producerea hidrogenului conduce la creterea presiunii sale pariale. Acesta poate fi privit ca un produs rezidual al acetogenezei i inhib metabolismul bacteriilor acidogene. n timpul metanogenezei, hidrogenul este transformat n metan. Acidogeneza i metanogeneza se desfoar de obicei n paralel, ca simbioz a dou grupe de microorganisme.

3.2.4 Metanogeneza


24

Producerea metanului i a dioxidului de carbon din produii intermediari de reacie este realizat de ctre bacteriile metanogene. 70% din metanul format i are originea n acetat, n timp ce restul de 30% este produs prin conversia hidrogenului i a dioxidului de carbon, conform urmtoarelor reacii:

acid acetic metanogene bacterii metan + dioxid de carbon

hidrogen + dioxid de carbon metanogene bacterii metan + ap

Metanogeneza reprezint o etap critic a ntregului proces de digestie, constnd, totodat, din cele mai lente reacii biochimice ale procesului. Metanogeneza este puternic afectat de condiiile de lucru. Compoziia materiei prime, rata de ncrcare, temperatura i pH-ul sunt exemple de factori care influeneaz metanogeneza. Suprancrcarea digestorului, variaiile de temperatur sau o ptrundere masiv a oxigenului determin, de obicei, oprirea producerii de metan.

3.3 Parametrii procesului AD Eficiena procesului AD depinde de civa parametri critici. De aceea, este crucial asigurarea celor mai potrivite condiii de dezvoltare pentru microorganismele anaerobe. Creterea i activitatea acestora sunt influenate semnificativ de lipsa total a oxigenului, temperatur, valoarea pH-ului, coninutul de nutrieni, intensitatea amestecrii, precum i de prezena i cantitatea inhibitorilor. Bacteriile metanogene sunt strict anaerobe, de aceea prezena oxigenului, n cursul procesului de digestie, trebuie evitat cu desvrire.

3.3.1 Temperatura Alegerea i controlul temperaturii sunt decisive pentru desfurarea procesului AD. Temperatura necesar procesului este asigurat cu ajutorul sistemelor de nclzire prin podea i perei, montate n interiorul digestorului. n practic, temperatura de lucru este aleas n funcie de tipul materiei prime utilizate. Procesul AD poate avea loc la diferite temperaturi, n funcie de care acesta este mprit n trei tipuri: psihrofil (< 250C), mezofil (25-450C) i termofil (45-700C). ntre temperatur i HRT exist o corelaie direct (Tabelul 3.4.). Tabelul 3.4. Tipul termic al procesului AD i timpii de retenie corespunztori

Figura 3.7. prezint ratele produciei relative de biogaz, n funcie de temperatura de procesare i de timpul de retenie.

Tipul termic Temperaturi de procesare Timp minim de retenie Psihrofil < 20 C 70 - 80 zile Mezofil 30 - 42 C 30 - 40 zile Termofil 43 - 55 C 15 - 20 zile


25

Figura 3.7. Rata produciei relative de biogaz, n funcie de temperatura de procesare i de timpul de retenie (STMUGV, 2004) Multe fabrici de biogaz moderne europene funcioneaz la temperaturi cuprinse n intervalul termofil, datorit ratei ridicate de cretere a bacteriilor metanogene, la temperaturi nalte. Procesul AD termofil prezint mai multe avantaje, comparativ cu cel mezofil i psihrofil: Distrugerea eficient a agenilor patogeni. Timpul de retenie redus, astfel, procesul fiind mai rapid i mai eficient. Digestibilitatea i disponibilitatea mbuntit a substraturilor. Degradarea mai bun a substraturilor solide i o utilizare mai eficient a acestora. Posibilitatea mai bun de separare a fraciilor lichide i solide. Principalele dezavantaje ale procesului termofil sunt: Gradul mai mare de instabilitate. Necesiti energetice mai mari, din cauza temperaturii ridicate. Riscul mai mare de inhibiie cu amoniac. Temperatura de lucru influeneaz nivelul de toxicitate al amoniacului. Acesta crete odat cu temperatura i poate fi redus prin scderea temperaturii procesului. Totui, la o scdere a temperaturii sub 500C, rata de cretere a microorganismelor termofile se va diminua drastic i poate apare riscul eliminrii populaiei microbiene, din cauza unei rate de cretere mai mici dect HRT, la momentul respectiv (ANGELIDAKI, 2002). Un digestor termofil cu funcionare optim poate fi ncrcat la un nivel mai mare sau s opereze la un HRT mai mic dect unul mezofil. Aceasta se datoreaz ratei de cretere a microorganismelor termofile, care este mai mare n comparaie cu aceea a speciilor mezofile. (Figura 3.8.). Experiena dovedete faptul c, la o ncrcare mai mare sau la un HRT mai mic, digestorul termofil are o productivitate n gaz mai mare i o rat de conversie mai mare dect digestorul mezofil.

Tem

pera

tura

(oC

)

Zile [z]

Biogaz (cumulativ) Metan (cumulativ)


26

Figura 3.8. Ratele de cretere a microorganismelor metanogene psihrofile, mezofile i termofile (ANGELIDAKI, 2002) Solubilitatea diverselor componente (NH3, H2, CH4, H2S, VFA) depinde, de asemenea, de temperatur (Tabelul 3.5.). Acest lucru poate fi important, n cazul compuilor care pot prezenta un efect inhibitor asupra procesului. Tabelul 3.5. Relaia dintre temperatur i solubilitatea n ap a ctorva substane (ANGELIDAKI, 2002)

Gaz

Temperatur (C)

Solubilitate mmol/l ap

Gradient de solubilitate 50C-35C

H2 35

50 0,749 0,725

3,3 %

CO2 35

50 26,6 19,6

36 %

H2S 35

50 82,2 62,8

31 %

CH4 35

50 1,14

0,962 19 %

Viscozitatea compuilor de digestie este invers proporional cu temperatura. Substratul este mai fluid la temperaturi nalte, n acest caz fiind facilitat i difuzia substanelor dizolvate. Temperatura nalt, n intervalul termofil, determin rate mai mari ale reaciilor chimice, i, prin urmare, o eficien mai ridicat a produciei de metan, o solubilitate accentuat i o viscozitate redus. Necesitile energetice mai mari ale procesului termofil sunt compensate de productiviti corespunztoare n biogaz. Este important pstrarea constant a temperaturii, n timpul procesului de digestie, deoarece schimbrile sau fluctuaiile de temperatur vor afecta negativ producia de biogaz. Bacteriile termofile sunt mult mai sensibile la fluctuaiile de temperatur de +/-10C i necesit o perioad mai mare de adaptare la noua temperatur, pentru a atinge maximul de productivitate n metan. Bacteriile mezofile sunt mai puin sensibile. n acest caz, sunt tolerate fluctuaii de temperatur de +/-30C, fr o reducere semnificativ a produciei de metan.


27

3.3.2 ValoareapHului Valoarea pH-ului ofer msura aciditii/bazicitii unei soluii. pH-ul influeneaz creterea microorganismelor metanogene i poate afecta disocierea unor compui importani pentru procesul AD (amoniac, hidrogen sulfurat, acizi organici). Formarea metanului are loc ntr-un interval relativ ngust al pH-ului, ntre aproximativ 5,5-8,5 uniti, cu un interval optim ntre 7-8 uniti, pentru cele mai multe bacterii metanogene, n timp ce cele acidogene, n multe cazuri, prezint o valoare optim a pH-ului mai sczut. Intervalul de pH optim pentru digestia mezofil este situat ntre 6,5-8,0 uniti, iar procesul este puternic inhibat dac pH-ul scade sub valoarea 6,0 sau crete peste valoarea 8,3. Solubilitatea dioxidului de carbon n ap descrete odat cu creterea temperaturii. Valoarea pH-ului n digestoarele termofile este, din acest motiv, mai mare dect n cele mezofile, deoarece dioxidul de carbon se dizolv formnd acid carbonic, prin reacie cu apa. Valoarea pH-ului poate fi crescut de ctre amoniac, produs n timpul degradrii proteinelor sau prin prezena acestuia n fluxul de alimentare, n timp ce acumularea de VFA scade valoarea pH-ului. Valoarea pH-ului n reactoarele anaerobe este controlat, n principal, prin intermediul sistemului tampon bicarbonat. De aceea, valoarea pH-ului n digestoarele pentru biogaz depinde de presiunea parial a CO2 i de concentraia componentelor acide i bazice prezente n faza lichid. n cazul acumulrii de acizi sau baze, capacitatea tamponului tempereaz modificarea pH-ului, pn la un anumit nivel. Atunci cnd este depit capacitatea sistemului tampon, au loc modificri drastice ale valorii pH-ului, procesul fiind inhibat total. Din acest motiv, valoarea pH-ului nu poate fi recomandat ca un parametru de sine stttor, care s fie utilizat pentru monitorizarea procesului.

3.3.3 Aciziigraivolatili(VFA) VFA sunt compui intermediari, produi n timpul acidogenezei, cu un lan format din ase sau mai puini atomi de carbon (de exemplu, acetat, propionat, butirat i lactat). Stabilitatea procesului AD depinde i de concentraia produilor intermediari. Instabilitatea procesului conduce la acumularea VFA n interiorul digestorului, ceea ce poate determina scderea valorii pH-ului. Acumularea de VFA nu va fi ntotdeauna concretizat prin scderea valorii pH-ului, datorit capacitii de tamponare a unor tipuri de biomas. Gunoiul animal, spre exemplu, prezint un surplus de alcalinitate, ceea ce nseamn c acumularea de VFA trebuie s depeasc un anumit nivel, nainte ca aceasta s poat fi detectat sub forma unei scderi semnificative a valorii pH-ului. La un asemenea nivel, concentraia de acizi din digestor ar fi att de mare nct procesul AD ar fi deja puternic inhibat. Capacitatea de tamponare a substratului supus AD poate s varieze. Experiena danez a artat faptul c, n cazul gunoiului bovin, aceasta variaz n funcie de anotimp, fiind influenat, probabil, de compoziia raiei alimentare a vitelor. Valoarea de pH a gunoiului de grajd este, prin urmare, o variabil greu de utilizat pentru identificarea dezechilibrului procesului, deoarece aceasta se modific foarte puin i foarte lent. Totui, este important de subliniat faptul c valoarea pH-ului poate reprezenta o modalitate rapid, relativ de ncredere


28

i ieftin pentru nregistrarea dezechilibrului n sistemele mai slab tamponate, cum este cazul procesului AD aplicat diferitelor tipuri de ape reziduale. Desfurarea proceselor AD este influenat n mod diferit de ctre concentraiile VFA, n sensul c una i aceeai concentraie a VFA poate fi optim pentru un anumit tanc de digestie, n timp ce pentru un altul poate s fie inhibitoare. Una dintre posibilele explicaii este aceea a variaiei compoziiei populaiilor de bacterii de la un digestor la altul. Ca i n cazul pH-ului, concentraia VFA nu poate fi recomandat drept parametru de sine stttor pentru monitorizarea procesului.

3.3.4 Amoniacul Principala surs de amoniac, n cadrul procesului AD, este reprezentat de proteine. Amoniacul reprezint un nutrient de baz i deine un rol important n cursul procesului AD. O concentraie prea mare de amoniac, mai ales sub form neionizat, determin inhibarea procesului. Acest lucru se ntmpl, n mod obinuit, n cazul procesului AD aplicat gunoiului de grajd, din cauza concentraiei ridicate a amoniacului n urin. Din cauza efectului inhibitor, concentraia amoniacului trebuie meninut sub 80 mg/l. n special bacteriile metanogene sunt sensibile la amoniac. Concentraia amoniacului liber este direct proporional cu temperatura, i, de aceea, exist un risc ridicat de inhibare prin amoniac a proceselor AD ce au loc la temperaturi termofile, comparativ cu cele mezofile. Cauza o constituie forma neionizat a amoniacului, care reprezint componenta activ responsabil de inhibiia prin amoniac. Amoniacul liber, NH3, este dovedit a reprezenta fracia de amoniac care determin, de fapt, inhibiia. Concentraia amoniacului liber se calculeaz cu ajutorul relaiei de echilibru:

unde [NH3] i [T-NH3] reprezint concentraiile amoniacului liber i, respectiv, totalul de amoniac, iar ka reprezint constanta de disociere, a crei valoare crete odat cu temperatura. Aceasta nseamn c o valoare n cretere a pH-ului i creterea temperaturii conduc la o inhibiie ridicat, deoarece toi aceti factori cresc fracia de amoniac liber. Atunci cnd un proces este inhibat de ctre amoniac, va rezulta o cretere a concentraiei VFA, care, la rndul ei, va determina o scdere a pH-ului. Acest lucru va contracara parial efectul amoniacului liber, datorit scderii concentraiei acestuia.

3.3.5 Oligoelemente,nutrieniicompuitoxici Oligoelementele, precum fierul, nichelul, cobaltul, seleniul, molibdenul i wolframul sunt la fel de importante pentru dezvoltarea i supravieuirea bacteriilor anaerobe ca i macronutrienii. Raportul optim al macronutrienilor: carbon, azot, fosfor i sulf (C:N:P:S) este de 600:15:5:1. O insuficient provizie de nutrieni i oligoelemente, precum i o digestibilitate prea ridicat a substratului, poate determina inhibiia i dereglarea procesului AD.


29

Un alt factor care influeneaz populaiile de bacterii anaerobe este prezena compuilor toxici. Acetia pot fi introdui n sistemul AD odat cu materia prim, dar pot fi, de asemenea, generai i n cursul procesului. Determinarea unor valori prag ale acestora prezint dificultate, ntruct substanele toxice pot s se gseasc sub form fixat, n urma proceselor chimice, iar microorganismele anaerobe se pot adapta, ntre anumite limite, la condiiile variabile de mediu.

3.4 Parametri de lucru

3.4.1 Capacitateadencrcare Construirea unei fabrici de biogaz combin att condiii tehnice, ct i economice. Maximul produciei de biogaz, obinut prin digestia complet a substratului, necesit un HRT mare i o dimensiune corespunztoare a digestorului. n practic, alegerea proiectului sistemului (de exemplu, mrimea i tipul digestorului) reprezint un compromis ntre maximul productivitii n biogaz i rentabilitatea economic. n acest sens, capacitatea de ncrcare este un parametru de lucru important, care indic masa substanei organice uscate ce poate fi ncrcat n digestor, pe unitatea de volum i de timp, conform ecuaiei de mai jos: BR = m * c / VR BR capacitatea de ncrcare [kg/zi*m] m masa de substrat ncrcat pe unitatea de timp [kg/zi] c concentraia substanei organice [%] VR volumul digestorului [m]

3.4.2 Timpuldereteniehidraulic(HRT) Un parametru important care trebuie luat n calcul pentru dimensionarea digestorului este timpul de retenie hidraulic (HRT). HRT reprezint intervalul de timp mediu n care substratul este pstrat n interiorul tancului de digestie. HRT este corelat cu volumul digestorului (VR) i cu volumul de substrat ncrcat pe unitatea de timp, conform ecuaiei urmtoare:

HRT = VR / V

HRT timpul de retenie hidraulic [zile] VR volumul digestorului [m] V volumul de substrat ncrcat pe unitatea de timp [m/d] Conform ecuaiei de mai nainte, creterea cantitii ncrcturii organice scurteaz HRT. Timpul de retenie trebuie s fie suficient de lung pentru a se asigura condiia ca numrul de bacterii ndeprtate odat cu efluentul (digestatul) s nu fie mai mare dect numrul bacteriilor rezultate prin reproducere (rata de duplicare a bacteriilor anaerobe este de 10 zile sau mai mult). Un HRT scurt asigur o rat bun a fluxului substratului, dar o productivitate n gaz mai mic. De aceea, este important s se adapteze HRT la rata de descompunere specific substraturilor utilizate. Cunoscnd HRT, ncrctura zilnic de materie prim i rata de descompunere a substratului, este posibil s se calculeze volumul necesar al digestorului.

biogazul

ghid pppm

Documents