Monitoring biotechnologiczny biogazowni, czyli jak okiełznać procesy fermentacji

dr inż. Artur Olesienkiewicz
Prezes Zarządu Polbiotech Laboratorium Sp. z o.o.

Teraz Środowisko: Produkcja biogazu to skomplikowany proces. Fermentacja metanowa bywa porównywana do naturalnych procesów zachodzących w żołądku krowy. Jak kontrolować procesy fermentacji w biogazowniach („betonowych krowach”), by produkcja biogazu nie została zaburzona?

Artur Olesienkiewicz: Kontrola procesu fermentacji w biogazowni jest konieczna, ponieważ zaburzenia fermentacji metanowej, mogą prowadzić do chwilowej albo trwałej destabilizacji produkcji biogazu i metanu, powodując w konsekwencji spadek produkcji energii elektrycznej i straty finansowe dla biogazowni. Z naszej wieloletniej współpracy z biogazowniami wynika, że ok. 60-65 proc. zaburzeń w produkcji biogazu ma swoje podłoże w awariach technicznych lub niewłaściwym działaniu urządzeń zainstalowanych w biogazowni, a 35-40 proc. to zaburzenia wynikające z właściwości dozowanych substratów i błędów popełnianych przez obsługę biogazowni.

TŚ: Dlatego rekomenduje Pan, by biogazownie wdrożyły stały laboratoryjny monitoring biotechnologiczny. Jakie argumenty za tym przemawiają?

AO: Zaburzenia produkcji mogą prowadzić nawet do całkowitego zahamowania produkcji biogazu, choć taka sytuacja to końcowy efekt, na ogół wolno i stopniowo zachodzącego procesu przeciążenia fermentacji. Znacznie rzadziej zdarza się, że zaburzenia produkcji biogazu są efektem niedociążenia fermentacji. W obu przypadkach mogą być różne przyczyny takiego stanu rzeczy, a prowadzenie monitoringu biotechnologicznego pozwala je zidentyfikować i wprowadzić w porę działania korygujące i zapobiegawcze. Analiza parametrów biochemicznych pozwala nam zaobserwować niekorzystne tendencje, czyli wychwycić objawy przeciążenia i destabilizacji – jeszcze zanim jego nasilenie spowoduje wyraźny spadek produkcji biogazu (metanu), często zanim de facto obsługa biogazowni będzie w stanie zauważyć, że coś złego się dzieje.

TŚ: Jakie mogą być przyczyny przeciążeń prowadzących do destabilizacji fermentacji?

AO: Z naszego doświadczenia wynika, że do najczęstszych przyczyn należą: nieprawidłowy dobór dawek substratów lub niekontrolowana zmiana ich jakości w czasie pracy instalacji, inhibicyjne oddziaływanie azotu amonowego albo deficyt pierwiastków śladowych. Osobną kategorię stanowią awarie techniczne, np. awaria mieszadeł lub sytemu ogrzewania i w konsekwencji - spadek temperatury.

TŚ: Na czym w praktyce polega monitoring biotechnologiczny w biogazowni?

AO: Na monitoring biotechnologiczny składa się szereg działań i badań, które polegają m.in. na odpowiednio częstej, cyklicznej analizie: próbek pobranych z fermentora, substratów do produkcji biogazu, pofermentu, oleju silnikowego oraz składu biogazu. Prawidłowo zaprojektowany i wykonywany monitoring wiąże się ze ściśle określonym obiegiem informacji i procedurami działania. Po pierwsze, jako laboratorium wysyłamy do biogazowni opakowania na próbki, które po napełnieniu wracają do laboratorium. Próbki powinny być pobierane nie rzadziej niż raz na dwa tygodnie. Opisane wyniki badań laboratoryjnych przesyłane są do chmury, do której ma dostęp obsługa biogazowni. Właściwie w momencie, kiedy wpiszemy dane do arkusza kalkulacyjnego są one natychmiast dostępne na platformie internetowej. Bardzo ważna jest aktywna współpraca laboratorium z pracownikami biogazowni. Jeśli mamy na bieżąco informacje, co się dzieje w procesie: jaka ilość substratu została podana, jakie parametry osiągnęła produkcja biogazu oraz stężenie metanu w biogazie, czy wystąpiła jakaś awaria, to wtedy dużo łatwiej jest nam interpretować wyniki i w razie potrzeby - aplikować środki zaradcze.

TŚ: Na którym etapie powinno się wprowadzić taki monitoring?

AO: Monitorowanie procesu powinno rozpocząć się już na etapie uruchamiania produkcji i trwać nieprzerwanie przez cały okres eksploatacji biogazowni. Biorąc pod uwagę, ile może kosztować źle prowadzony proces fermentacji, monitoring opłaca się.

Jako surowiec do produkcji biogazu coraz częściej stosuje się odpady. W takim przypadku często obserwujemy znaczne zmiany i wahania ich właściwości fizykochemicznych, a to ma bezpośredni wpływ na wydajność i stabilność produkcji. Taka biogazownia wymaga na ogół bardzo skrupulatnego nadzoru.

Jest praktycznie niemożliwe, by badać każdą partię surowca, który przyjeżdża do biogazowni. Bywa, że niespodziewanie pojawia się np. substrat zanieczyszczony chemicznie, który operator biogazowni poda do fermentora nieświadomy zagrożenia. Spadek produkcji może w takim przypadku wystąpić bardzo szybko – z dnia na dzień. Jednak analizy laboratoryjne w takim momencie pozwalają na ocenę „skali zniszczeń” i na zaplanowanie optymalnego i możliwie najszybszego trybu odnowienia produkcji.

Wielu problemom, można jednak zapobiec. Odpowiednio częste analizy i właściwa reakcja na wyniki mogą zapobiec np. pojawianiu się tzw. ciężkiej piany. Znamy przypadki, gdzie wskutek gwałtownego i intensywnego pienienia, została zerwana membrana fermentora.

TŚ: Co było przyczyną takiego pienienia?

AO: Wysokie stężenia azotu amonowego, który hamuje rozkład związków organicznych – w tym m.in. białek i peptydów. Z uwagi na częste używanie w biogazowniach substratów pochodzenia zwierzęcego jest to dość powszechny problem. W niektórych wypadkach piana pojawia się w sposób nagły i w bardzo dużych ilościach. Może to być przyczyną poważnych awarii, zanieczyszczenia środowiska, przestojów i strat finansowych dla biogazowni.

TŚ: Skoro wspomniał Pan o substratach. Co rekomenduje Pan właścicielom biogazowni?

AO: W biogazowniach używa się różnych substratów, ale podstawowa zasada jest taka, że jakość substratu powinna być możliwie jak najlepsza. Kiszonki i/lub odpady nie mogą być: porośnięte pleśniami, zgniłe, zagrzane w procesie kompostowania, przesuszone lub zbyt zdrewniałe. Nie mogą zawierać zanieczyszczeń chemicznych, np. pestycydów, detergentów, antybiotyków, lub mechanicznych, np. piasku, kamieni, szkła, plastików i kawałków metali. Dodatkowo substrat powinien być odpowiednio rozdrobniony i prawidłowo dawkowany. Jeśli chodzi o dozowanie to określamy dawki w taki sposób, że obliczamy obciążenie wyrażone w kilogramach suchej masy organicznej na metr sześcienny fermentora na dobę. Znając suchą masę i suchą masę organiczną dozowanych substratów i to, jak ten parametr zmienia się z partii na partię substratu – starajmy się tak dobierać jego dawki dobowe, by utrzymać względnie stale obciążenie fermentora. Bywa, że konieczne jest wprowadzanie korekty dawek – wynikające właśnie ze zmian suchej masy dozowanego odpadu. Jeżeli stwierdzamy silne przeciążenie – obniżenie dawek dozowanych substratów należy zrobić natychmiast. Czasem konieczne jest całkowite wyłącznie dozowania. Jednak powrót do dozowania i wzrost obciążenia powinny zachodzić wolno, stopniowo – laboratorium doradzi, jak w takim przypadku dobrać dawki substratów.

TŚ: Skąd wiadomo ile biogazu można otrzymać z danego substratu ?

AO: Substrat można poddać badaniom biogazodochodowości. Uzyskane wyniki umożliwiają obliczenie, ile biogazu i z jakim średnim stężeniem metanu można otrzymać podczas fermentacji np. z 1 tony substratu lub w przeliczeniu na 1 tonę suchej masy organicznej substratu. Można w ten sposób badać pojedyncze surowce lub ich zdefiniowane mieszanki. Podczas takich badań substrat do fermentora jest podawany tylko jeden raz, na początku - a zbieranie danych trwa 4-6 tygodni. Alternatywą są badania, podczas których w skali laboratorium uruchamiamy fermentację przypominającą pracę biogazowni. W takim przypadku każdego dnia do fermentora jest dozowany substrat, każdego dnia analizujemy ilość i skład biogazu, a w cyklach tygodniowych analizowane są dodatkowo wszystkie parametry, które mówią o stabilności fermentacji. Takie badania umożliwiają pewną optymalizację procesu jeszcze zanim biogazownia powstanie i są zalecane zwłaszcza wtedy, gdy w grę wchodzi stosowanie różnych, trudnych do utylizacji odpadów. Trwają na ogół od 2 do 6 miesięcy.

TŚ: Jak podsumowałby Pan znaczenie monitoringu biotechnologicznego dla pracy biogazowni?

AO: Prawidłowo zorganizowany i rzetelnie prowadzony monitoring fermentacji pozwala na znaczne ograniczenie ryzyka wystąpienia problemów natury biotechnologicznej i szybką odbudowę i stabilizację produkcji biogazu, jeżeli wystąpią jakieś zaburzenia w procesie. Prewencja opłaca się bardziej niż „gaszenie pożaru”, bo pamiętajmy, że koszty monitoringu biotechnologicznego stanowią ułamek kosztów (strat) jakie biogazownia może ponieść w konsekwencji długotrwałych przestojów lub wahań w produkcji biogazu.

Rozmawiała Katarzyna Zamorowska
Dyrektor ds. komunikacji