BIOGAZUL

OBTINEREA BIOGAZULUI

– Materii prime

TEHNOLOGII DE OBTINERE A BIOGAZULUI

FERMENTAREA UMEDA

FERMENTAREA USCATA

Mecanismul fermentarii anaerobe

Factori care influenteaza fermentarea anaeroba

Tipuri de fermentatoare

BIOGAZUL

• Biogazul = amestec de gaze combustibile care se formeaza prin descompunerea substantelor organice in mediu umed, in lipsa oxigenului.

• Compozitia tipica a biogazului:

• 50 – 75% CH4; 25 – 50% CO2;

• 0 – 10% H2; 0 – 1% N2,

• 0 – 2% O2; 0 – 3% H2S.

• Dintre acestea, CH4 este componenta care da valoare energetica gazului.

BIOGAZUL

• Raportul CH4/CO2 din biogaz depinde si de natura materiei prime.

• Acest raport poate varia de la 1:1 (materie prima pe baza de hidrati de carbon), la 2:1 cu cat materia prima este mai bogata in proteine, grasimi bogate in carbon.

• Continutul de S si N din deseurile supuse fermentarii influenteaza cantitatea compusilor pe baza de S si de N din biogaz (NH3, H2S).

• Valoarea energetica a biogazului este cu atat mai mare, cu cat continutul sau in CH4 este mai mare.

BIOGAZUL

Combustibil u.m. Putere calorifica, kcal/u.m.

Echivalent in u.m. pentru 1m3 biogaz

Biogaz cu 60% CH4, 0oC, 1 bar kg 5130 1,00

Lemn crud Kg 1300 - 1800 3,95 – 2,85

Lemn bine uscat Kg 1800 – 2200 2,85 – 2,34

Lignit kg 1800 - 3800 2,85 – 1,35

Brichete de carbune praf Kg 4000 – 6800 1,28 – 0,76

Pacura Kg 9400 – 9500 0,55 – 0,54

Combustibil pentru calorifere Kg 9500 – 9700 0,54 – 0,53

Motorina Kg 10000 – 11000 0,51 – 0,47

Gaz metan natural m3 8500 0,60

Gaz petrolier lichefiat m3 22000 0,23

BIOGAZUL

• OBTINEREA BIOGAZULUI

• Biogazul este produs rezultat al metabolismului bacteriilor metanogene

• si rezulta din descompunerea de catre acestea a substantelor organice.

• Spre deosebire de bacteriile aerobe, bacteriile metanogene se dezvolta si supravietuiesc doar in mediu apos (cel putin 50% apa).

BIOGAZUL

• Materii prime

• Pentru a fi eficienta din punct de vedere economic, o instalatie de producere a biogazului trebuie sa fie capabila sa produca o cantitate de biogaz mai mare decat biogazul necesar functionarii instalatiei.

• S-a constatat ca pentru a fi indeplinita aceasta conditie, trebuie ca materia prima (pentru a produce un excedent de biogaz fata de autoconsum) trebuie sa aiba o incarcare organica cel putin 2000mg/dm3 CBO5.

• Sub aceasta limita, instalatia de biogaz poate fi privita ca o treapta de epurare anaeroba pentru apa reziduala cu care este alimentata

• – in perioadele reci ale anului instalatia chiar va trebui sa consume un combustibil suplimentar necesar pentru a mentine temperatura optima desfasurarii procesului de fermentare cu producere de biogaz, deci in aceste situatii, bilantul en ergetic al instalatiei poate deveni chiar negativ.

• Conditia de bilant energetic pozitiv (incarcare organica a materiei prime > 2000mg/dm3 CBO5) este indeplinita de namolurile provenite din statiile de epurare a apelor reziduale orasenesti, ape uzate din zootehnie, a,lte ape reziduale.

BIOGAZUL

• Incarcarea uzuala organica (CBO5) a unor ape reziduale

Provenienta si tip materie prima Incarcare organica in CBO5, mg/dm3

ZOOTEHNIE

Ape reziduale de la cresterea procinelor 3000 – 4000

Namol decantat din ape reziduale porcine 10000 – 12000

Dejectii porcine evacuate mecanic 30000 – 35000

Ape reziduale de la bovine 3000 – 4000

Namol decantat din ape reziduale de la bovine 9000 – 11000

Ape reziduale ferme pasari 2500 – 3500

IND ALIMENTARA

Fabrici prelucrare lapte 800 – 1000

Abatoare 5100 – 6000

Sectii prelucrare peste 14000 – 15000

Fabrici zahar (mat prima – sfecla zahar) 4000 – 5000

Fabrici de spirt din melasa 4000 – 6000

BIOGAZUL

Productia specifica medie ce poate fi obtinuta din diferite materii prime,

raportata la continutul de substanta uscata din materia prima

Materie prima Biogaz ce se poate obtine, l/kg s.u.

Continut mediu de CH4 in biogaz, %

Paie grau, intregi 367 78,5

Paie tocate la 0,2cm 423 81,3

Lucerna 445 77,7

Diferite ierburi 557 84,0

Frunze sfecla zahar 501 84,8

Coceni porumb la 2cm 214 53,1

Frunze pomi 260 58

Tulpini in canepa 369 58

Dejectii bovine 260 – 280 50 – 60

Dejectii porcine 480 60

Dejectii pasari 520 68

Namol din statii epurare ape orasenesti

370 50 - 60

BIOGAZUL

• Materiile prime pot fi utilizate ca atare, • sau in amestec.

• Prin amestecarea diferitelor materii rpime, capacitatea metanogena a amestecului in l/kg substanta organica (s.o.) este mai mare decat media rezultata prin calcul aritmetic (tabel 7).

BIOGAZUL

Capacitatea metanogena a amestecurilor de diferite materii prime

Materie prima Proportie de amestec, %

Biogaz, l/kg s.o.

Crestere productie biogaz datorita amestecului (%)

Dejectii bovine 100 380

Dejectii porcine 100 569

Dejectii ferme pasari 100 617Namol de la ape reziduale 100 265

Ierburi 100 277

Dejectii bovine+ porcine 50 - 50 510 +7,5

Dejectii bovine + pasari 50 - 50 528 +6,5

Dejectii bovine + namol ape rezid 50 – 50 407 +26

Dejectii bovine + ierburi 50 – 50 363 +5

Dejectii porcine + pasari 50 – 50 634 +7

Dejectii bovine + porcine+ pasari 25 – 50 – 25 585 +9,6

Dejectii pasari+namol ape rezid 50 – 50 495 +12,3

Dejectii pasari + ierburi 50 – 50 513 +13,5

Namol ape reziduale + ierburi 50 - 50 387 +42

BIOGAZUL

• Comportarea sinergica a amestecurilor de materii prime se datoreaza faptului ca in aceste amestecuri se realizeaza raporturi mai bune intre continutul de C si N,

• raport important in producerea de biogaz a carui valoare optima trebuie sa se situeze in intervalul 15 – 25.

BIOGAZUL

Raportul C/N pentru diferite materii prime

Materie prima Continut C, % Continut N, % Raport C/N

Iarba 15 0,6 25

Paie de grau uscate 46 0,53 87

Coceni porumb 40 0,75 53

Lucerna 48 2,6 18

Frunze pomi 41 1 41

Vrejuri de cartofi 40 1,8 22

Dejectii ovine, proaspete 16 0,55 29

Dejectii bovine, proaspete 7,3 0,29 25

Dejectii porcine, proaspete 7,8 0,65 13

Dejectii gaini 45 3 15

BIOGAZUL

• Materii prime provenite din agricultura

• Cantitatile de biogaz ce pot fi obtinute din diferite materii prime provenite din agricultura, variaza.

• La stabilirea retetelor de materii prime (amestec) se va tine seama de necesitatea respectarii raportului C/N optim.

• Este important ca materiile prime solide sa fie maruntite cat mai bine, ceea ce:– duce la cresterea randamentului in biogaz

– permite o mai usoara amestecare a continutului fermentatorului

BIOGAZUL

Cantitati de biogaz ce se pot obtine din diferite

materii prime provenite din agricultura

Materie prima Biogaz ce se poate obtine din substanta organica uscata, l/kg

Limite de variatie Valoare medie

Dejectii porcine 300 – 550 445

Dejectii bovine 90 – 310 200

Paie ovaz 250 – 300 275

Paie orz 290 – 310 300

Tuleie porumb 380 – 460 420

Paie rapita 200 200

Paie in 360 360

Iarba 280 – 550 415

Resturi de la verdeturi alim 330 – 360 345

Seminte de plante 620 620

Deseuri agricole 310 - 430 370

BIOGAZUL

• Materii prime provenite din industria alimentara

• Aceste materii prime sunt foarte diverse, rezultand din diferite tehnologii alimentare sau faze tehnologice.

• Industria laptelui • – deseurile contin componente caracteristice laptelui: proteine,

glucide (lactoza), lipide. • Acestea apar sub forma relativ diluata in efluentul total rezidual

al fabricilor, sau in diferite faze de fabricatie.

• De ex: zerul de la fabricarea branzeturilor are un potential metanogen ridicat: din fermentarea metanogena a 1litru zer rezulta 22 – 23 l biogaz.

BIOGAZUL

• Industria carnii • In special din activitatea de abatorizare rezulta reziduuri: • sange nevalorificat in productia alimentara, continut stomacal al

animalelor sacrificate, deseuri grase de la topirea grasimii, deseuri de la preparate din carne.

• Se estimeaza ca de la fermentarea metanogena a deseurilor provenite de la sacrificarea si prelucrarea carnii, per cap de animal se poate obtine:

• 0,8m3 biogaz – de la un porc de 65 kg• 2,4m3 biogaz – de la o vita de 300 kg• 0,05m3 biogaz – de la o gaina de greutate medie.

• Pentru un randament cat mai bun in biogaz se recomanda ca deseurile de abator si deseurile provenite de la prelucrarea carnii sa se recolteze separat de apele de spalare, nu amestecate.

• Se obtine astfel un material concentrat pentru instalatiile de biogaz, iar apele reziduale vor avea o incarcatura mai redusa, vor fi mai usor de prelucrat.

BIOGAZUL

• Industria prelucrarii pestelui

• Apele reziduale din industria prelucrarii pestelui au o incarcatura organica mare (14000 – 15000 mg/dm3 CBO5) si ca urmare acestea reprezinta o materie prima valoroasa pentru obtinerea biogazului.

• Se pot obtine aproximativ 10 – 12 m3 biogaz/m3 apa reziduala.

• Fabrici de drojdie.

• Apele uzate provenite de la instalatiile de fabricare a drojdiei au incarcatura mare de substante organice aflate in mare parte in stare dizolvata sub forma de dextrine, zaharuri, acizi organici si in mai mica masura sub forma de suspensii reprezentate de resturi de drojdie.

BIOGAZUL

• Fabrici de zahar

• Apele reziduale din circuitul de transport –spalare sfecla au incarcare organica de 200 – 650 mg/dm3 CBO5.

• Apele ce se scurg din campurile de depozitare a namolului de lapurificarea zemurilor au 16000 – 20000 mg/dm3 CBO5.

• Apele reziduale de pe platformele de depozitare a borhotului au o incarcatura organica de aprox. 10000mg/dm3 CBO5.

• Aceste ape pot fi colectate separat, deoarece reprezinta materii prime cu caracteristici diferite.

• Apele reziduale de la prelucrarea sfeclei de zahar au continut redus de azot.

• Corectarea acestei caracetristici nedorite se poate face prin combinarea acestor ape cu altele bogate in azot sau prin introducefrea unor nutrienti cu azot.

BIOGAZUL

• Industria uleiurilor vegetale

• Apele industriale provenite din aceasta zona industriala, desi au incarcatura organica mare (aprox. 62000 mg/dm3) nu sunt folosite pentru obtinerea de biogaz deoarece au continut mare de sapunuri rezultate de la neutralizarea uleiului cu NaOH.

• Scindarea sapunurilor in scopul obtinerii acizilor grasi se face cu H2SO4, iar apele rezultate vor fi foarte bogate in Na2SO4.

• Concentratia mare de sulfati din aceste ape are actiune inhibitoare asupra bacteriilor metanogene, acestea nu se pot dezvolta in acest mediu.

BIOGAZUL

• Industria vinului, spirtului si bauturilor spirtoase

• Deseurile din industria vinurilor sunt reprezentate de tescovina rezultata de la presarea strugurilor si drojdia de bere depusa in recipientii in care a avut loc fermentarea alcoolica a vinului.

• Aceste deseuri sunt bogate in tartrati (bitartrat de potasiu foarte perisabil). Dupa recuperarea tartratilor, apele reziduale cu incarcatura organica mare, pot constitui materie prima pentru instalatiile de biogaz.

• Borhotul de la fabricarea spirtului din melsa rezultata la fabricarea zaharului din sfecla, are o incarcatura organica foarte mare: 35000 – 50000 mg/dm3 CBO5 si poate constitui un bun substrat pentru obtinerea biogazului.

• Aceste ape reziduale sunt greu de epurat, ca urmare folosirea lor in instalatii de producere a biogazului poate constitui o prima treapta din fluxul de epurare, mai avantajoasa decat procedeele aerobe de epurare.

BIOGAZUL

• Resurse rezultate din gospodariile oamenilor

• Pentru evaluarea reziduurilor provenite din gospodarii, se utilizeaza notiunea de locuitor echivalent (LE).

• S-a stabilit ca un locuitor echivalent elimina zilnic o cantitate de poluant de 54 gCBO5.

• Acesta este un indicator de incarcatura organica indirecta – exista o legatura directa intre cantitatea de CBO5 evacuata dintr-o localittae si potentialul metanogen al efluentului sub forma de ape reziduale ale localitatii.

• Limitele de incarcare a apelor uzate orasenesti prevad o incarcare maxima de 300 mg/dm3CBO5.

• Din bilantul energetic al instalatiei de biogaz a rezultat ca incarcarea minima in CBO5 asubstratului supus fermentarii trebuie sa fie > 2000 mg/dm3.

• Ca urmare, apele uzate orasenesti sunt mai intai supuse unei decantari fizice prin care se separa namolul care va fi introdus apoi la fermentare in instalatia de biogaz.

BIOGAZUL

TEHNOLOGII DE OBTINERE A BIOGAZULUI

• Procedee de obtinere a biogazului:

• fermentare anaeroba a reziduurilor organice la temeperatura mediului ambiant

• fermentare anaeroba la temeperaturi ridicate

• fermentare mixta aeroba- anaeroba

• descompunere anaeroba termofila

• distilare distructiva, compostare, incinerrae si transfer de caldura.

BIOGAZUL

• Fermentarea anaeroba prezinta potentialul cel mai ridicat pentru obtinerea biogazului.

• - este un proces dirijat de descompunere a materiei organice umede, proces desfasurat in incinte inchise, in absenta oxigenului si a luminii.

• Prin fermentare anaeroba, microorganismele descompun materia organica, eliberand o serie de metaboliti, intre care mai importanti sunt CH4, CO2.

• Amestecul gazos format din CH4 (max. 80%), CO2 (min 20%) si cantitati mici de H2, H2S, mercaptani, vapori de apa, urme de NH3 si N2 reprezinta biogazul.

• Materia prima de obicei trebuie supusa unui proces de tratare preliminara, inainte de a se introduce in fermentator.

• Tipul de pretratare depinde in mare masura de tipul de fermentare (uscata sau umeda).

BIOGAZUL

• FERMENTAREA UMEDA

• La aceasta metoda de fermenatre, sursele introduse in proces constau din mai putin de 40% materie uscata.

• Pentru a putea fi pompate in instalatia de fermentare, trebuie sa fie umezite pana ce ating un continut de 12% materie uscata.

• Balegarul lichid si co-substratul sunt depozitate si, daca este necesar, separate de materiile care impiedica procesul de fermentare.

• Deseurile de la abatoare trebuie sterilizate (pentru indepartarea germenilor).

BIOGAZUL

• FERMENTAREA USCATA

• Fermentarea uscata nu este o metoda curenta pentru ca mare parte din materia prima de generare a biogazului are un continut redus de materie uscata.

• La aceasta metoda de fermentare, materia prima introdusa trebuie sa aiba un continut de materie uscata > 45% si este bine sa fie depozitata in containerul de fermentare.

• Acest tip de fermentare foloseste tipuri de materie prima care curg liber, dar care nu sunt fluide sau potrivite pentru a fi pompate.

• Acest tip de proces este folosit in principal pentru centralele de biogaz care nu folosesc balegar lichid ca materie prima si economisesc multa apa.

• Aceasta este o metoda folosita pentru materii prime provenite din cereale, fanete, culturi paioase.

BIOGAZUL

• Fermentarea anaeroba nu foloseste culturi pure sau sterile.

• Materia prima organica ce se poate descompune este purtatoarea unei microflore foarte variate si active.

• Aceasta microflora mixta asigura anaerobioza si compusii metabolici specifici dezvoltarii metanobacteriilor.

• Materiile prime in curs de descompunere folosite pentru alimentarea fermentatoarelor anaerobe furnizeaza o microflora activa in procesul de metanogeneza si reprezinta principalele surse pentru obtinerea inoculului de metanobacterii.

• Ca urmare, principalul obiectiv urmarit in procesul de metanogeneza dirijata il constituie:– optimizarea factorilor de mediu si tehnologici implicati in

activitatea comunitatii de microorganisme responsabile de transformarile materiei organice.

BIOGAZUL

• PROCESUL DE FERMENTARE ANAEROBA (FAN)

• FAN = proces natural de descompunere a materiei organice umede in conditii controlate de mediu, in absenta oxigenului si luminii, in substante organice cu molecula simpla si un amestec de gaze ce contin CH4, CO2, H2, N2, H2S = biogaz.

• In urma Fan a deseurilor rezulta doua produse principale:• biogazul• namolul.

• Dintre componentele chimice ale materiei organice, grad mai ridicat de conversie in biogaz au:

• celuloza• hemiceluloza• grasimile.

BIOGAZUL

• In aceasta faza actioneaza microorganisme fermentative nespecializate cu capacitate de producere de acizi organici.

• Acestea sunt bacterii celulozice, lactice, acetice, sulfo-reducatoare, denitrificatoare, alaturi de numeroase specii de ciuperci si unele drojdii.

• In faza metanogena actioneaza bacterii metanogene anaerobe, specializate in producerea de CH4.

• Fermentarea anaeroba (FAN) are loc la T = 15 – 55oC in prezenta a doua specii de bacterii:

• bacilus cellulosae methanicus – responsabil de formarea CH4• bacilus cellulosae hidrogenicus – responsabil de formarea H2.

• Ulterior, aceste doua tipuri de bacterii au fost reunite sub denumirea comuna de methano-bacterium.

BIOGAZUL

• In procesul de FAN are loc descompunerea substantelor organice intr-un recipinet inchis = fermentator:

CnHaOb + (na/4 – b/2)H2O →(n/2 –a/8 + b/4) CO2 + (n/2 + a/8 – b/4) CH4

• Din punct de vedere biochimic, microorganismele regenereaza purtatorii de energie in cadrul metabolismului lor, prin oxidarea carbonului legat organic (CnHaOb) pana la CO2.

• O parte a carbonului legat organic trebuie sa accepte electronii eliberati in procesul de oxidare, deoarece oxigenul ca acceptor de electroni nu este disponibil. Carbonul redus se combina apoi cu hidrogenul, formandu-se CH4.

• Reactia de descompunere pe cale anaeroba a deseurilor urbane se poate simboliza astfel:

• Materie organica + H2O = celule noi + CO2 + CH4 + NH3 + H2S

• Conduce la producerea de CH4, a deseurilor sub forma de noroi, a CO2 si a unor cantitati mici de NH3 si H2S.

BIOGAZUL

• Cel mai mare impediment in desfasurarea procesului de FAN este realizarea conditiilor anaerobe si a temperaturii necesare.

• Avantajul procesului: se pot valorifica toate produsele finale.

• Excremente animale resturi vegetale•• ↓ ↓• Generator de biogaz (digestor)• ↓ ↓• Fertilizator din namol• (continut mare de N si alti ← namol biogaz• nutrienti). Imbunatateste ↓• structura sol, creste continut energie → mecanica• in subst. organice. → termica• → electrica

BIOGAZUL

• Mecanismul fermentarii anaerobe

• FAN a materiei organice este un proces biochimic complex,

• este posibila formarea a sute de compusi intermediari prin desfasurarea a numeroase reactii, fiecare reactie realizandu-se sub influenta unor enzime sau catalizatori specifici.

• Procesul de FAN se realizeaza in 4 etape.

• Intregul proces consta in fractionarea, de la o etapa la alta, a moleculelor complexe care exista in materia prima, in molecule din ce in ce mai simple.

BIOGAZUL

• ETAPA I • Enzimele secretate de grupe ale unor

microorganisme aerobe sau facultativ anaerobe, numite si EXOFERMENTI, ataca macromolecule ca: celuloza, amidonul, pectina, hemiceluloza, grasimile, proteinele, acizii nucleici

• si le transforma in compusi cu molecule mai mici: diferite tipuri de zaharuri ca: celobioza, zaharoza, maltoza, xilobioza,

• apoi in acizi ca: acidul galacturonic, acizi grasi, aminoacizi,

• respectiv in baze ca: purine, pirimidine.

BIOGAZUL

• ETAPA II

• Produsele etapei I sunt supuse fermentatiei in urma careia rezulta compusi cu molecule mai simple:

• acizi carboxilici: acid formic, acetic, propionic, butiric, valerianic, lactic, malic, etc.

• Din aceasta fermentatie rezulta si gaze: H2, CO2, NH3, H2S,

• alcooli: etilic, metilic, propilic, etc.

BIOGAZUL

• ETAPA III • – anaeroba – se formeaza compusi metanogeni din

molecule mai mari ca ale etapei precedente. Rezulta din nou CH3COOH, H2, bicarbonati, HCOOH, CH3OH.

• ETAPA IV • – se formeaza CH4 + CO2 + in proportie mai mica,

gazele rezultate din etapa II: H2S, NH3.

BIOGAZUL

• Mecanismul = f complex.

• Prezenta a numerosi acizi este rezultatul activitatii bacteriilor acidogene care activeaza bine la pH scazut.

• In etapele III si in special IV, sarcina trece in seama bacteriilor metanogene pentru care pH-ul optim este 7,0 – 7,6.

• Aceste populatii de microorganisme trebuie sa coexiste in acelasi spatiu de fermentare cu toate ca ele se deranjeaza reciproc sub raportul aciditatii optime de functionare.

• Daca bacteriile acidopgene nu sunt prea sensibile la variatia T, cele metanogene sunt foarte sensibile la aceasta variatie.

• Bacteriile hidrolitice si fermentative si cele acetogene sunt denumite colectiv non-metanogene,

• iar bacteriile acetoclastice si producatoare de metan din H2 sunt denumite colectiv bacterii metanogene.

BIOGAZUL

• In procesul de FAN exista 4 grupe mari de bacterii implicate:

• bacterii generatoare de acid (hidrolitice si fermentative)

• bacterii acetogene (producatoare de acetati si H2)

• bacterii acetoclastice (producatoare de CH4 si acetati)

• bacterii producatoare de CH4 si H2.

BIOGAZUL

• Bacteriile hidrolitice si fermentative sunt implicate in procese de hidroliza si distrugere a compusilor organici complecsi cu formare de compusi simpli: CO2, H2, acizi grasi volatili, prin doua procese principale:

substrat → CO2 + H2 + CH3COOH substrat → acid propilic + acid butiric

• Produsii rezultati din aceste procese pot fi direct utilizati de bacteriile autoclastice si de bacteriile metanogene utilizatoare de H2:

• CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3- + energie

• 4H2 + HCO3- + H+ → CH4 + 3H2O + energie

BIOGAZUL

• Factori care influenteaza fermentarea anaeroba

• Reactiile anaerobe din fermentator pot incepe imediat ce este pus la dispozitie un bun inocul (ex: namol digerat).

• In timpul aclimatizarii, inoculul trebuie adaugat in fluxul de alimentare in cantitate suficienta (cel putin 50% inocul si 50% namol proaspat sau deseu).

• Volumul de inocul poate fi redus apoi progresiv, marind fluxul de materie prima nedigerata.

• Aceasta etapa poate dura 3 – 4 saptamani.

• Dupa terminarea etapei de acomodare, fluxul de alimentare contine numai materie proaspata. Continutul in solide din fluxul de alimentare trebuie sa fie de 5 – 10%, restul fiind apa.

BIOGAZUL

• TEMPERATURA• Productia de biogaz este puternic influentata de T. Din punct

de vedere al T la care isi desfasoara activitatea, microorganismele ce activeaza in procesul de producere a biogazului se impart in 3 mari categorii:

• microorganisme criofile – caracterizate prin activitate care poate avea loc la T de 12 – 24oC, zona caracteristica fermentarii in regim criofil

• microorganisme mezofile – caractyerizate prin activitate care se desfasoara la T de 25 – 40oC, zona caracteristica fermentarii in regim mezofil

• microorganisme termofile – caracterizate prin activitate ce se desfasoara la T de 50 – 60oC, zona caracteristica fermentarii in regim termofil.

BIOGAZUL

• In general sunt 2 intervale de temperatura in care are loc producerea de biogaz:

• unul mezofilic (25 – 40oC)• unul termofilic (50 – 65oC)

• Cantitatea de biogaz produsa creste odata cu T, dar exista puncte critice cum ar fi 45oC care nu favorizeaza nici bacteriile mezofile, nici pe cele termofile.

• Sub 10oC producerea biogazului se opreste aproape complet. De aceea in perioadele mai reci ale anului, digestoarele trebuie incalzite.

• Cresterea T in digestor se poate face prin incalzirea fluxului de materiale intrate sau cu ajutorul unor tevi dispuse in spirala in interiorul digestorului, prin care circula apa fierbinte.

• Ca sursa de energie termica se foloseste o parte din biogazul produs.

BIOGAZUL

• Alte moduri de asigurare a T optime in digestor:

• adapostire digestor intr-o incinta din folie PE, subtire, transparenta (creste T cu 5 – 10oC)

• captusire vas cu materiale cu conductivitate termica redusa.

BIOGAZUL

• PH-UL• In primele etape de fermentare a materiei organice predomina

microorganismele din grupa celor acidogene pt care aciditatea mediului este de 5,5 – 7,0.

• In etapele finale de fermentare, bacteriile metanogene care consuma acizii cu molecule mici, activeaza bine la pH de 6,8 – 8,0.

• Se poate intimpla ca activitatea bacteriilor acidogene sa fie mai intensa decat a celor metanogene, ceea ce duce la acumularea de acizi organici si scaderea pH-ului cu inhibarea si mai mare a activitatii bacteriilor metanogene. In aceste cazuri productia de biogaz scade pina la incetare, este necesara interventia operatorului pentru reglarea ph-ului.

• Corectia aciditatii se face cu lapte de var, prin care pH-ul se aduce la 6,8 – 7,6, limitele de echilibru dintre cele doua grupe de populatii de microorganisme, acidogene si metanogene.

• Evitarea acestor probleme care apar la fermentatoarele cu amestecare totala a materialului se face prin sistemul de fermentare in doua faze, cu recipienti separati, fie adoptand sistemul de fermentare in flux orizontal.

BIOGAZUL

• MATERIA PRIMA

• - trebuie sa asigure mediul prielnic dezvoltarii si activitatii microorganismelor ce actioneaza pentru digestia substratului cu producerea de biogaz.

• Mat prima trebuie sa indeplineasca conditiile:• sa contina materie organica biodegradabila• sa aiba o umiditate ridicata, >90%• sa aiba o reactie neutra sau aproape neutrA (p-h = 6,8 – 7,3)• sa contina C si N intr-o anumita proportie (C/N = 15 – 25)• sa nu contina substante inhibitoare pt microorg: metale

grele, detergenti, antibiotice, conc mari de sulfati, fenoli, formol.

BIOGAZUL

• PRESIUNEA

• Este importanta in procesul de metanogeneza. • Daca P > 45 metri ca, degajarea de metan inceteaza.

• La fermentatoarele cu ax vertical care pot atinge inaltimi de zeci de metri, degajarea de CH4 se produce numai in partea superioara, pana la o adancime de maxim 5 m, iar restul spatiului ocupat de substrat nu produce biogaz.

• Acest spatiu neproductiv poate reprezenta pana la 85 – 90% din volulmul total.

• Prin recirculoare permanenta obligatorie la aceste tip de fermentator, portiunile de substrat aflate sub limita de degajare a CH4, sunt aduse in zone superioare unde degajarea reincepe. Pentru a inlatura acest neajuns au fost realizate fermentatoare in flux orizontal la care inaltimea substratului nu depaseste 3,5m, degajarea de CH4 producandu-se in intreaga masa a materialului supus fermentarii.

BIOGAZUL

• AGITAREA

• In fermentator, pe langa procese biochimice, se desfasoara si procese fizice – segregarea materialului supus fermentarii. Microbulele de gaz care se degaja in masa substratului antreneaza prin fenomenul de flotatie, particule mai usoare de suspensii, spre suprafata lichidului.

• Se formeaza o crusta cu tendinte de intarire si deshidratare. Alta parte a suspensiilor, mai grele sau fractiuni care au fermentat si sunt partial sau total mineralizate, au tendinta sa se laes in partea inferioara a fermentatorului. Intre aceste doua strauri se afla un strat de lichid in care fermentarea si epuizarea materiei organice se desfasoara din ce in ce mai lent.

• Agitarea namolului este importanta pentru mentinerea unui bun contact intre bacteriile anaerobe si substratul organic, precum si pentru a impiedica depunerea solidelor cu crearea de zone stationare. Agitarea se poate face stationar la fermentatoarele mici, sau mecanic la cele de mari dimensiuni.

BIOGAZUL

• TIMPUL DE RETENTIE HIDRAULIC (TRH)

• TRH = timpul care este petrecut de materia organica in fermentator.

• TRH este egal cu volumul fermentatorului raportat la fluxul zilnic dematerie organica.

• Acest parametru stabileste timpul disponibil pentru cresterea bacteriana. Exista o relatie directa TRH – solidele volatile convertibile in biogaz.

BIOGAZUL

• TIMPUL DE RETENTIE A SOLIDELOR (TRS)

• TRS = cel mai important factor care controleaza conversia solidelor in biogaz si mentinerea stabilitatii fermentatorului. TRS = cantitatea de solide totale din fermentator raportata la cantitatea de solide metabolizate zilnic.

• TRS = v x Cd/ Qw x Cw

• V – volum fermentator; Cd – concentratie solide in fermentator la timpul t; Qw – volum so;ide metabolizate zilnic; Cw – concentratie in solide in fermentator la t = to.

• L aun TRS mic, nu este suficient timp pentru dezvoltarea bacteriilor intr-un ritm suficient pentru a inlocui bacteriile pierdute in efluent. Daca numarul bacteriilor pierdute > nr. Bacterii nou formate, apare “spalarea” (solidele sunt eliminate fara a fi descompuse).

• Raportul TRS/TRH este important. Odata cu cresterea acestui raport, volumul reactorului scade, la aceeasi productivitate. De obicei TRS/TRH = 1.

BIOGAZUL

• INCARCAREA FERMENTATORULUI (kg/m3 zi)

• = kilogramele de deseu influent pe m3 de digestor pe zi.

• Poate fi exprimat si in functie de timpul de retentie hidraulic:

• Id = (1/TRH) CI,

• CI = conc. in deseuri organice a influentului

• Crescand Id, volumul fermnentatorului se reduce, dar se micsoreaza si cantitatea de deseuri transformate in biogaz.

BIOGAZUL

• RAPORT HRANA / MICROORGANISME (F/M)

• = factorul cheie in controlul fermentatiei anaerobe.

• La o T data, bacteriile pot consuma o cantitate limitata de “mincare” zilnic.

• Pentru ca toata cantitatea de deseuri organice ce este alimentata in reactor sa fie consumata de microorganisme, acestea trebuie sa fie in numar suficient.

• Astfel, acest indicator da informatii despre numarul de microorganisme necesar pentru a metaboliza o cantitate cunoscuta de deseuri organice.

• Acest raport trebuie sa fie cat mai apropiat de 1 pentru ca procesul de fermentare sa se desfasoare in conditii optime.

BIOGAZUL

• PREZENTA COMPUSILOR TOXICI

• Inhibitori ai procesului de fermentare = acizi grasi volatili, H2 (se produc in timpul procesului de fermentare anaeroba), O2.

• Alte substante: NH3, S2-, Ca2+, Mg, K, Na, Cu, Fe, Cr, Ni... pot avea influente inhibitoare daca sunt in conc mai mari.

• La diluarea cu apa se reduce si conc acestor substante.

BIOGAZUL

• Obiective si limitari ale fermentarii anaerobe

• producere biogazului

• stabilizarea deseurilor – in urma reactiilor biochimice se reduce continutul de compusi organici din deseuri cu 30 – 60% si rezulta un namol stabilizat care poate fi utilizat ca fertilizator pentru sol

• formare de nutrienti – compusi cu N, P, K prezenti in deseurile organice se gasesc de obicei legati de structuri organice complexe, fiind greu de asimilat de plante. Dupa fermentarea anaeroba, cel putin 50% din N e transformat in NH4+ ce pot fi transformati in continuare in nitriti si nitrati usor de asimilat de plante.

• Inactivarea microorganismelor patogene. In timpul procesului anaerob, deseurile sunt mentinute in absenta O2 timp indelungat (15 – 30 zile) la T deaprox 35oC. In aceste conditii, o parte din bacteriile patogene se dezactiveaza.

BIOGAZUL

• AVANTAJE ALE FERMENTARII ANAEROBE:

• se produce o mare cantitate de biogaz care poate fi usor depozitat, utilizat

• se produce un namol aproape nemirositor, bun fertilizator

• reduce continutul in materii organice ale deseurilor cu pina la 30 – 50% si produce un namol stabil care poate fi usor depozitat

• inactiveaza total sau partial bacteriile patogene

• ofera o posibilitate ecologica si igienica de depozitare a deseurilor animale si menajere

• ajuta la conservarea resurselor energetice locale (LEMN, CARBUNE, PETROL)

BIOGAZUL

• DEZAVANTAJE:

• risc de explozie

• costuri ridicate de constructie, operare, intretinere

• volumul produsului finit (namolul) > volum deseuri intrate in fermentator (datorita adaugarii de apa)

• este necesara monitorizarea si automatizarea procesului – implica costuri

• metoda este limitata numai la deseuri organice

• productia de biogaz scade mult in lunile reci.

BIOGAZUL

• Tipuri de fermentatoare

• Principalele tipuri:

• laguna descoperita

• fermentator cu agitare

• fermentator cu deplasare.

BIOGAZUL

• Laguna acoperita

• = un bazin acoperit care capteaza gazul produs. • Este cel mai ieftin, se preteaza pt dejectii lichide

(<3% S.U.). • Laguna este acoperita cu o folie de material

impermeabil prins de marginile lagunei, dupa o bordura de beton.

• Biogazul se acumuleaza sub folie, deunde este preluat printr-o conducta.

• Acest tip de reactor necesita volume mari de dejectii, climat cald, zone cu panza de apa freatica la adancime mare.

BIOGAZUL

• Fermentator cu agitare

• = rezervor incalzit deasupra sau sub nivelul solului.

• Se face agitare mecanica sau prin barbotare de gaz, pentru a mentine solidele in suspensie.

• Sunt scumpe si costa operatiile de intertinere. • Se preteaza pentru volume mari de dejectii, cu

continut de solide de 3 – 10%. • Fermentatorul are o structura cilindrica din otel sau

beton. • Mentinerea unei temperaturi optime poate reduce

timpul de retentie sub 20 zile.

BIOGAZUL

• Fermentator cu deplasare

• = curgere tip piston. • Se preteaza pentru dejectii de rumegatoare ce contin 11 – 13%

solide. • Instalatia are un sistem de colectare adeseurilor, un bazin

pentru omogenizare si fermentatorul. In bazinul de omogenizare se ajusteaza proportia de solide prin adaus de apa.

• Fermentator = bazin rectangular, lung, de obicei amplasat sub nivelul solului, acoperit ermetic cu un material impermeabil.

• Materialul pompat in fermentator impinge materialul existent spre capatul opus.

• Pe masura ce solidele din dejectii sunt descompuse, formeaza un material viscos, limkitand separarea solidelor in rezervor si constituind “pistonul” care impinge lichidul.

• Timpul mediu de retentie = 20 – 30 zile. • Acest tip necesita minim de operatii de intretinere.

BIOGAZUL

• Laguna descoperita (Cal Poly Dairy, United States 2003 )

BIOGAZUL

• Instalatie in doua etape de fermentare (in curs de realizare)• Tel Aviv, 2005 reactor operat discontinuu

BIOGAZUL

• Vas depozitare biogaz