Biogazownie mogą zarówno stanowić źródło energii odnawialnej na terenach rolniczych, jak i ograniczać uciążliwości środowiskowe, wynikające z działalności rolniczej1, 2. Niestety, w tym obszarze zidentyfikowano kilka problemów. Jednym z nich są aspekty logistyczne. Rosnąca liczba biogazowni, szczególnie tych dużych, o mocy przekraczającej 0,5 MW energii elektrycznej, skutkuje przemieszczaniem substratów (biomasy wsadowej) i pozostałego po procesie pofermentu na coraz większe odległości.
Istnieją już jednak propozycje rozwiązania tego problemu. Jedną z metod jest wykorzystanie pofermentu z biogazowni bezpośrednio w środowisku – w celach nawozowych. Taki materiał jest nawozem organicznym, bogatym w substancje odżywcze, dzięki czemu jego zawrócenie do środowiska może zmniejszyć zużycie nawozów mineralnych oraz poprawić właściwości gleby. Substraty poddawane fermentacji w biogazowniach, szczególnie te zawierające celulozę i ligniny, nie ulegają całkowitej biodegradacji, stąd wraz z pofermentem do gleby wprowadzany jest węgiel organiczny. Poferment jest także bogaty w inne składniki, m.in. azot, fosfor i potas, których proporcje są determinowane pochodzeniem biomasy wsadowej do biogazowni. W literaturze wielokrotnie wykazano korzystny wpływ nawozowego wykorzystania pofermentu na produkcję roślin oraz właściwości gleby3-5. Występuje jednak kilka problemów związanych z takim jego przeznaczeniem.
Problemy z pofermentem
Po pierwsze, akumulacja biogazowni na małej przestrzeni, połączona z chęcią ograniczenia kosztów transportu pofermentu, w przypadku jego rolniczego wykorzystania, może prowadzić do przedawkowania pofermentu i przenawożenia gleb. To niekorzystne zjawisko może być potęgowane przez dodatkowe rolnicze stosowanie innych nawozów organicznych, pochodzących z hodowli zwierząt. W efekcie będziemy mieć do czynienia z zachwianiem stosunków wodno-powietrznych w glebie oraz z zanieczyszczeniem wód gruntowych azotem (a warto też pamiętać, iż przenawożenie jest także przyczyną problemów z osiągnięciem – wymaganego przepisami unijnymi – dobrego stanu wód). W przypadku gdy dostępna powierzchnia pod uprawy jest zbyt mała w stosunku do ilości posiadanego pofermentu, prawidłowe stosowanie tego nawozu wymaga jego transportu na większe odległości do miejsc o deficycie nawozowym6. Dodatkowo, zawarty w pofermencie azot może stanowić problem w aspekcie spełnienia standardów europejskich w zakresie stosowania odpadów i azotu w środowisku7, 8. Ograniczenia w rolniczym wykorzystaniu pofermentu mogą wystąpić także zimą, ze względu na czasowe zamarzanie gruntu lub jego pokrycie śniegiem.
Rys. 1. Schemat technologiczny recyklingu pofermentu w biogazowni rolniczej.
Innym problemem środowiskowym, związanym ze stosowaniem nieprzetworzonego pofermentu w środowisku, jest emisja amoniaku (NH3) i innych związków złowonnych9. Wykazano, iż ok. 70% azotu może zostać wyemitowane do atmosfery po nawiezieniu pól pofermentem10. Zjawisko to występuje szczególnie intensywnie, gdy odczyn pofermentu jest zasadowy i wynosi pH > 811. Rozwiązaniem tego problemu może być prawidłowy harmonogram oraz niska trajektoria nawożenia.
Innym problemem jest konieczność budowy zbiorników retencyjnych na poferment, w których do momentu wywiezienia na pole może on być magazynowany12, 13.
Czynnikiem, który wpływa na trudności w magazynowaniu, transporcie i stosowaniu rolniczym tego materiału, jest bardzo wysoka zawartość w nim wody (w surowym pofermencie > 90%). Z tego względu magazynowaniu, transportowi czy aplikacji na pola podlega głównie woda.
Zatem nieprzetworzony poferment jest odpadem trudnym do zagospodarowania, choć może stanowić cenny nawóz, a nawet paliwo. Konieczne jest jednak znaczące odwodnienie tego materiału. Proces ten, a także dalszy etap, jakim jest wysuszenie pofermentu, może rozwiązać wymienione wcześniej problemy środowiskowe i logistyczne. Ponadto działania takie mogą przenieść szereg nowych korzyści, które nie były brane pod uwagę przy zagospodarowaniu surowego pofermentu. Suchy materiał może być bowiem wykorzystany bezpośrednio w procesach termicznych do produkcji energii, może zostać przetworzony w dobrej jakości paliwo drugiej generacji czy posłużyć do uzyskania biocharu (biowęgla) do zastosowań nawozowych.
Sprawdzanie wymienionych możliwości jest obecnie na etapie intensywnych badań, m.in. w ramach . realizowanego projektu badawczego pn. „ERANET: SE Bioemethane. Small but efficient – Cost and Energy Efficient Biomethane Production”. Jednym z jego celów jest przygotowanie pofermentu do odzysku zarówno nawozowego, jak i termicznego. Obiecujące wyniki prac badawczych dotyczą szczególnie termicznego przetworzenia wysuszonego pofermentu w procesie toryfikacji.
Recykling pofermentu
Na podstawie doniesień literaturowych oraz badań i wdrożeń dokonanych przez pracowników Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie i Instytutu Energii sp. z o.o. z Olsztyna opracowano ciąg technologiczny (rys. 1), umożliwiający recykling pofermentu w biogazowni. Składa się on z urządzeń przepływowych i quasi-wsadowych, pozwalających na pozyskiwanie suchej i prażonej frakcji z pofermentu w sposób efektywny i uzasadniony ekonomicznie.
W pierwszej kolejności proces ten obejmuje odwodnienie pofermentu w separatorze – szczelinowym filtrze śrubowym (fot. 2).
Fot. 2. Prototyp urządzenia do separacji frakcji stałej i ciekłej pofermentu.
Następnie frakcja stała o zawartości wody na poziomie 80% kierowana jest do reaktora (fot. 3), w którym odbywa się biosuszenie (ze względu na wysoką wilgotność pofermentu, oprócz wymuszonego napowietrzania zastosowano tu mieszanie mechaniczne wsadu). Po tym procesie materiał, o zawartości wilgoci <30%, kierowany jest do rurowego reaktora toryfikacyjnego, gdzie następuje całkowite usunięcie wody i karbonizacja materii organicznej (fot. 4). Uzyskany karbonizat (biowegiel) może być wykorzystany jako nawóz pod uprawę biomasy, która następnie może stanowić wsad w biogazowni. W ten sposób następuje recykling materii w układzie technologicznym, powiązanym z produkcją biomasy na potrzeby biogazowni.
Fot. 3. Widok prototypowego bioreaktora do biosuszenia frakcji stałej pofermentu.
Możliwy jest także kierunek odzysku termicznego biowęgla jako paliwa (właściwości paliwowe i nawozowe biowęgla uzyskanego z pofermentu przedstawiono w tabeli). Natomiast frakcja ciekła, powstająca w procesie odwadniania, zawierająca duże ilości azotu amonowego, kierowana jest do podczyszczenia w systemie hydrofitowym, z podpowierzchniowym przepływem poziomym. W systemie tym dochodzi do nitryfikacji azotu amonowego do azotanów. Podczyszczona woda recyrkulowana jest do reaktora fermentacyjnego biogazowni, w którym następuje denitryfikacja azotanów do azotu cząsteczkowego. W ten sposób recyrkulacja wód pozostałych po odwadnianiu pofermentu zapewnia odpowiednie nawodnienie wsadu w biogazowni, a ponadto eliminuje nadmiar azotu w układzie.
Fot. 4. Reaktor rurowy ogrzewany olejem opałowym, za pomocą którego dokonano suszenia i karbonizacji (toryfikacji) pofermentu.
Efektywność energetyczna procesu i właściwości produktu
Wyniki badań pozwoliły oszacować energię potrzebną na wyprodukowanie 1 Mg karbonizatu z pofermentu. Do tego oszacowania przyjęto szereg założeń. Uznano, że w efekcie odwadniania pofermentu o zawartości suchej masy (s.m.) ok. 10% uzyska się frakcję stałą o ok. 20-procentowej zawartości s.m. Przyjęto też, że po biosuszeniu w bioreaktorze wsadowym uzyskuje się poferment o zawartości s.m. ok. 30%, a karbonizacja biosuszonego pofermentu pozwala uzyskać materiał pozbawiony wilgoci.
Rys. 2. Nakłady energetyczne energii zewnętrznej na wytworzenie 1 Mg karbonizatu z pofermentu
Przedstawione wyniki są bardzo obiecujące w kontekście przetwarzania masy organicznej o wysokim uwodnieniu. Najbardziej energochłonnym etapem jest przetwarzanie termiczne, które jest niezbędne w celu usunięcia wody związanej oraz karbonizacji materiału (rys. 2). Jednocześnie badania potwierdziły, iż możliwe jest uzyskanie (w sposób uzasadniony ekonomicznie) źródła nawozu stałego lub paliwa z pofermentu. Przetwarzanie surowej masy pofermentacyjnej umożliwia zatem uzyskanie karbonizatu o wartości opałowej zbliżonej do suchego drewna, który ma właściwości hydrofobowe i jest łatwy w granulacji. Przytoczone dane wskazują, iż termiczna obróbka pofermentu z biogazowni umożliwia podniesienie poziomu odzysku zarówno materiałowego, jak i energetycznego, poprzez uzyskanie karbonizatu o zastosowaniu w przemyśle lub rolnictwie. W tabeli zamieszczono zestawienie właściwości uzyskanego karbonizatu z pofermentu z biogazowni rolniczej. Przedstawione dane dowodzą, iż karbonizat z pofermentu po obróbce termicznej charakteryzuje się wysoką kalorycznością, wynikającą z koncentracji węgla, oraz dobrymi właściwościami nawozowymi.
Recykling materiałowy
Ze względu na znaczny udział wody w pofermencie konieczne jest jego odwodnienie. Na rynku dostępnych jest wiele technicznych rozwiązań tego problemu, przy czym najczęściej wykorzystywane są techniki znajdujące powszechne zastosowanie przy odwadnianiu osadów ściekowych: wirówki, prasy, prasy ślimakowe czy separatory ślimakowe. Efektywność tych urządzeń jest podobna, gdyż pozwala na usunięcie wody do poziomu 80% w masie pofermentu. Niestety, taka wilgotność jest nadal zbyt wysoka, aby móc wykorzystywać poferment rolniczo lub efektywnie prowadzić proces toryfikacji. Konieczne jest zatem dalsze jego osuszanie, w celu usunięcia wody związanej, aż do docelowej wilgotności <20%. Uzyskanie tego poziomu wilgotności można zrealizować np. za pomocą biologicznych i termicznych metod osuszania. Dalsza obróbka wysuszonego pofermentu, w celu przygotowania go do odzysku (rolniczego albo energetycznego), polega na poddaniu go procesowi toryfikacji. Co ważne, wdrożenie proponowanego ciągu technologicznego umożliwia recykling materiałowy w formie zarówno stałej (jako biomasa roślinna wytworzona na bazie nawozu uzyskanego z pofermentu), jak i ciekłej (poprzez recyrkulacje podczyszczonych wód z odwadniania).
Źródła
1. Chen S.Q., Chen B.: Sustainability and future alternatives of biogas-linked agrosystem (BLAS) in China: an emergy-based analysis. „Renewable & Sustainable Energy Reviews” 16(6)/2012.
2. Prochnow A. i in.: Bioenergy from permanent grassland – A review: 1. Biogas. „Bioresource Technology” 100/2009.
3. Badran N.M.: Residual effect of nutrient-enriched organic residues on growth and nutrient utilization by corn plants grown on a sandy soil. „Annals of Agricultural Science, Moshtohor Journal” 39(1)/2001.
4. Garg R.N. i in.: Use of fly ash and biogas slurry for improving wheat yield and physical properties of soil. „Environmental Monitoring and Assesessment” 107(1/3)/2005.
5. Zaid M.S., Ghozoli M.A., Lamhy M.A.: Residual effect of some organic residues produced from biogas on growth and nutrients utilization by wheat plants. „Annals of Agricultural Science, Moshtohor Journal” 43(2)/2005.
6. Rehl T., Müller J.: Life cycle assessment of biogas digestate processing technologies. „Resources, Conservation and Recycling” 56/2011.
7. Rozporządzenie Ministra Środowiska z 14 listopada 2007 r. w sprawie procesu odzysku R10 (DzU nr 228, poz. 1685).
8. Ustawa z 10 lipca 2007 r. o nawozach i nawożeniu (DzU nr 147, poz. 1033).
9. Amon B. i in.: Methane, nitrous oxide and ammonia emissions during storage and after application of dairy cattle slurry and influence of slurry treatment. „Agriculture, Ecosystems & Environment” 112/2006.
10. Bauer A.: Detailed monitoring of two biogas plants and mechanical solid-liquid separation of fermentation residues. „Journal of Biotechnology” 142/2009.
11. Pötsch E.M., Pfundtner E., Much P.: Nutrient Content and hygienic properties of fermentation residues from agricultural biogas plants. Land use systems in grassland dominated regions. Proceedings of the 20th General Meeting of the European Grassland Federation, Luzern, Switzerland, 21-24 June 2004.
12. Sandars D.L. i in.: Environmental benefits of livestock manure management practices and technology by Life Cycle Assessment. „Biosystems Engineering” 84/2003.
13. Voca N. i in.: Digested residue as a fertilizer after the mesophilic process of anaerobic digestion. „Plant, Soil and Environment” 51/2005.
fot. na otwarcie. Odwodniony poferment z biogazowni rolniczej.
