Anaerobnadigestija · • anaerobno = bez kisika(O 2) • digestija = mehanička i kemijska razgradnja organskog materijala u manje čestice (makro u mikro) • Obnovljivi izvor energije

www.nq-biogas.com

Dr. agr. Melanie HechtNQ-Anlagentechnik GmbH

Anaerobna digestija

www.nq-biogas.com2

NQ-Anlagentechnik GmbH

• Od 1993. cjelokupni dobavljač bioplinskih postrojenja i pojedinih komponenti

• Planska dokumentacija - izgradnja – započinjanje procesa & usluge/održavanje

• Do sada izgradili ~ 250 bioplinskih postrojenja u Njemačkoj, Švicarskoj, Austriji i Hrvatskoj

• Biološke usluge: laboratorijske analizekonzalting (punjenje/miješanje, plodored i slično) dolazak u posjete/rad na postrojenju dimenzioniranje

NQ-betonski fermentor NQ-bp 620kWel.NQ-150 mješalica

www.nq-biogas.com3

Veterinarska stanica Dvor

• početak 04/2009• 2x16/6 fermentora (2x1205 m3)

• 135 kWel. (MAN, plinski motor, 6 cyl.)

• Gnoj pilića/bukova, kravlja gnojovka

www.nq-biogas.com4

Anaerobna digestija

NQ-Anlage 380kW

www.nq-biogas.com

Anaerobna digestija

tresetišta

permafrost

preživači

• anaerobno = bez kisika (O2)• digestija = mehanička i kemijska razgradnja

organskog materijala u manje čestice (makro u mikro)

• Obnovljivi izvor energije koji zamjenjuje fosilna goriva (nafta, plin)

� metan (CH4) = sagorjevanje ima 23 puta veći potencijal globalnog zatopljenja od CO2

� digestat = gnojivo

www.nq-biogas.com

Supstrati za anaerobnu digestiju

www.nq-biogas.com


• Organski materijali:

• Poljoprivredni: stajnjak, gnojovkadobra raspoloživost (€)metanogene bakterije otapalo (4-8 % s.t.)elementi u tragovima/hranjive tvari

energetski usjevi (kukuruz, trava, suncokret)

• sporedni proizvodi• Organski otpad: komunalni otpad, otpad iz

poljoprivredno-prehrambene industrije, otpad iz pripremanja i konzumacije hrane (biootpad)

često traži tehnologiju odvajanja

www.nq-biogas.com


• Ne-razgradljivo: lignin (drvo)• teško- razgradljivo: celuloza, hemiceluloza

• Kontinuirano: imajte mirnu ruku

Vrste digestije• Suha digestija: > 35 % suhe tvari (s.t.)• Mokra digestija: < 20% s.t.

u odnosu na s.t. u glavnom fermentoru

www.nq-biogas.com


• Zagađivači:• teški metali

• dezinfekcijska sredstva

• antibiotici

• pesticidi, fungicidi

• pijesak, kamenčići• kosti, perje

• Plastika, plastične vrpce, staklena vuna • Žice, metalni dijelovi

www.nq-biogas.com


www.nq-biogas.com

Osnove anaerobne digestije

www.nq-biogas.com12

Mikro:CH4 (metan)CO2 (ugljikov dioksid)

Makro:Škrob, proteini,masnoće ?

Proces anaerobne digestije

www.nq-biogas.com13

4 koraka mikrobiološke razgradnje koji se odvijaju paralelno u vremenu i prostoru

acidogeneza

hidrolizahidroliza

acetogeneza

metanogeneza


Makro:Škrob, proteini,masnoće

www.nq-biogas.com14

hidroliza

acetogeneza

metanogeneza

acidogeneza

Složeni polimeri

bioplin (CH4 + CO2) + ostatak


www.nq-biogas.com15

Složžžženi polimeri

monomeri

hidroliza

Ugljikohidrati, masti i proteini se razgrađuju u mono/disaharide, masne kiseline i aminokiseline pomoću egzo-enzima


The anaerobic digestion process

www.nq-biogas.com16


monomeri

H2 + CO2

propionska / maslaččččnakiselina

Octena kiselina

acidogeneza

Monomere preuzimaju bakterije i pretvaraju ih u H2, CO2, hlapljive masne kiseline i alkohole kroz proces fermentacije



hidroliza


www.nq-biogas.com17


monomeri

H2 + CO2

H2 + CO2

Propionska/maslaččččna kiselina

Octena kiselina



acetogeneza Hlapljive masne kiseline, H2 iCO2 se djelomično metabolizirajuu octenu kiselinu

acidogeneza


hidroliza


www.nq-biogas.com18

H2 + CO2

H2 + CO2

Propionska /maslaččččna kiselina

Octena kiselina


monomeri


bioplin (CH4 + CO2) + ostatak metanogeneza Octena kiselina, H2 i CO2 se pretvaraju u CH4 and CO2

30%70%

Vrlo osjetljive na promjene u okolini, npr. T, pH, udio hlapljivih masnih kiselina Ograničavaju reakciju u anaerobnoj digestiji!

acidogeneza


hidroliza


acetogeneza Hlapljive masne kiseline, H2 iCO2 se djelomično metabolizirajuu octenu kiselinu

www.nq-biogas.com19

Archaea

tesetišteblack smoker

archaea

www.nq-biogas.com

Okolišni parametri

www.nq-biogas.com21

Louis Pasteur (1822 □ 1895)osnivač mikrobna teorija bolesti„Klica sama po sebi nije ništa, sve je u području.“

Bakterije trebaju…

...određene okolišne uvjete

www.nq-biogas.com22

Okolišni parametri

Bazičnost/ Kapacitet bufera

HMK

pH Hranjive tvari

Amonijev ionNH4

Električna provodljivost

temperatura

Rast bakterija/ kontrola procesa

www.nq-biogas.com23

Okolišni parametri

Bazičnost/ Kapacitet bufera

HMK

pH Hranjive tvari

Amonijev ionNH4


temperatura

Rast bakterija/ kontrola procesa

www.nq-biogas.com24

Hlapive masne kiseline (HMK):

C5 valerična kiselina CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - COOHC4 maslačna kiselinaCH3 - CH2 - CH2 - COOHC3 propionska kiselina CH3 - CH2 - COOHC2 octena kiselina CH3 - COOH

Složeni polimeri


Monomeri

H2 + CO2

H2 + CO2

Propionska / maslaččččna kiselina

Octena kiselina

kiselina = H+ (protoni) = pH

Okolišni parametripH (bazičnost/kiselost)

www.nq-biogas.com25

C2 octena kiselina CH3 - COOH

Utjecaj kiselina na pH

Okolišni parametri

www.nq-biogas.com26



Okolišni parametri

www.nq-biogas.com27

C2 octena kiselina CH3 – COO- + H+

H+

pH

14

1

7

pH

bazično

kiselo

Okolišni parametri


www.nq-biogas.com28


H+

pH

14

1

7

pH

bazično

kiselo

Okolišni parametri


www.nq-biogas.com29


H+

pH

14

1

7

pH

bazično

kiselo

Okolišni parametri


www.nq-biogas.com30


H+

pH

14

1

7

pH

bazično

kiselo

Okolišni parametri


www.nq-biogas.com31

Utjecaj bazičnosti na pH

hidrogen karbonat HCO3-

H+

pH

14

1

7

pH

bazično

kiselo

Okolišni parametri

www.nq-biogas.com32

H+

pH

14

1

7

pH

hidrogen karbonat HCO3-

bazično

kiselo

Okolišni parametri


www.nq-biogas.com33

CH3–COOH CH3–COO- + H+ HCO3

- H2CO3

octena kiselina acetat hidrogen ugljična karbonat kiselina

Okolišni parametri


www.nq-biogas.com34

• bazičnost (= hidrogen karbonat / HCO3-)

neutralizira (= pufer) kiseline (H+)stablizira pHodržava stabilne okolišne uvjete unutar fermentora


- H2CO3

octena kiselina acetat hidrogen ugljična karbonat kiselina

Okolišni parametri


www.nq-biogas.com35

• bazičnost (= hidrogen karbonat/ HCO3-)

neutralizira (= pufer) kiseline (H+)stablizira pHodržava stabilne okolišne uvjete unutar fermentora


- H2CO3

• pomoću pufera se smanjuje bazičnost kroz otpuštanje CO2!

octena kiselina acetat hidrogen ugljična voda ugljikovkarbonat kiselina dioksid

Okolišni parametri


H2O + CO2

www.nq-biogas.com36

source: M. Hecht, 2008

• bazičnost(= kapacitet pufera)stabilizira pH

• pH kao pojedinačni parametar je nedovoljan

time (d)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

pH-value

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

buffer capacity / VFA (g/l)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30pH-valuebuffer capacity

Okolišni parametri


www.nq-biogas.com37

source: M. Hecht, 2008time (d)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

pH-value

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

buffer capacity / VFA (g/l)

0

1

2

3

4

5

6pH-valuebuffer capacityVFA

Okolišni parametri


• bazičnost(= kapacitet pufera)stabilizira pH

• pH kao pojedinačni parametar je nedovoljan

• Sprječava fluktuacije/porast HMK

www.nq-biogas.com38

mjerenje pH / HMK / bazičnostipH-mjerač + pH-elektrodaRedovito kalibrirati (pH 7 + pH 4.01)Prikladno odložiti (3 M KCl) na suho, hladno mjesto

pH-meterpH-electrode

titracijabroji HMK / bazičnostpreko konzumacije kiselinapH-metar nužan

Okolišni parametri

www.nq-biogas.com39

Temperatura

uvjet temperatura (T)Minimalno vrijeme

retencije

psihrofilna < 20 °C 80 - 90 dana

mezofilna 39 – 43 °C 30 – 50 dana

termofilna 50 – 52 °C 10 – 20 dana

• održavajte temperaturu konstantnom • povećanje T ubrzava proces digestije• termofilni uvjeti su osjetljiviji na promjene uokolišu npr. T, pH, NH4-N

Okolišni parametri

www.nq-biogas.com40

Temperatura

(Bavarian Biogashandbook, 2004)dani

Relativni prinos bioplina[%

]

Okolišni parametri

www.nq-biogas.com

Sprječč ččavanje proizvodnjeCH

4(%

)

Učinak sprečavanja se povećava s povećavanjem pH vrijednosti i temperature

Okolišni parametri

Temperatura: inhibicija amonijaka

Amonijev ion (NH4) amonijak (NH3 + H+)gnojivo plin, otrov

www.nq-biogas.com42

Ravnoteža NH3 / NH4

Okolišni parametri

Temperatura: inhibicija amonijaka

Amonijev ion (NH4) amonijak (NH3 + H+)gnojivo plin, otrov

www.nq-biogas.com43


Udio iona, “sadržaj soli”20 - 25 mS/cm2

min: 15 mS/cm2

max: 30 mS/cm2

Povećava osmotski pritisak Kritični supstrati: ostaci hrane, kruh

Kristali soliKristal soli

Mjeračelektrične provodljivosti

elektroda

Okolišni parametri

www.nq-biogas.com44

Hranjive tvari

• makro: dušik (N), fosfor (P), kalij (K)

• mikro: željezo (Fe), sumport(S), bakar (Cu), mangan (Mn), kobalt (Co), selen (Se) i ostali

• grade mikrobnu biomasu (enzime)

• gnoj/gnojovka su dobar medij koji ih osigurava

Mlječne krave Prijevoz gnojovke

Okolišni parametri

www.nq-biogas.com

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com46

Tehnički parametriOptimalni rast bakterija/kontrola procesa

Kvaliteta i kvantiteta bioplina

Hidraulično vrijeme retencije

Stupanj organskog unosa

(punjenje)

Dostupnost supstrata

Sadržaj organske suhe tvari

Sadržaj suhe tvari

Rast bakterija /Kontrola procesa

www.nq-biogas.com47

Suha tvar / Organska suha tvar

supstrat = (1) voda + (2) ogranske tvari + (3) mineralne tvari

Suha tvar (s.t.): uklanja se voda (na 60 - 100 °C)Organska suha tvar (os.t.): s.t. + uklonjene organske tvari (550 °C),

poput celuloze, lignina, škroba otkriva zagađenje kamenjem, zemljom i sl.

s.t. nakon razgradnje: 8 - 12 % os.t sadržaj nakon razgradnje: 5.5 – 8 %

slama Travnata silaža kukuruz

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com48

Dostupnost supstrata

Proizvodnja bioplina je jako ovisna o1. supstratima koji se koriste (proteini, masnoće, škrob)2. okolišni uvjeti

Teško razgradivi: celuloza, hemiceluloza(sirova vlakna, prehrana preživača, C/N-odnos)

Ne-razgradivi: lignin (drvo)

slama Travnata silaža kukuruz

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com49

Stupanj organskog unosa (SOU)

Dnevno dodavanje supstrata (kg os.t.) po m3 aktivnog volumena fermentora:SOU (kg os.t./d*m3) = supstrati (kg os.t.)

aktivni volumen fermentora (m3)

SOU: 3-4 kg oDM m3*dan-1

Vanjski sustav punjenja

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com50

Hidraulično vrijeme retencije (HRT)

= prosjek, teoretsko zadržavanje unešenog supstrata u fermentoru (+ sekundarnom fermentoru)

HRT = aktivni volumen fermentora (m3) volumen svježe tvari (m3/d)

HRT se može značajnije razlikovati radi recirkulacije digestiranog materijala!

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com51

Hidraulično vrijeme retencije

Prinos bioplina [m³/kg os.t.]

Stupanj proizvodnje plina [m³/m³ d]

Prosječno vrijeme hidraulične retencije (HRT) [d]

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com52

Biološko ograničenje

Vrijeme hidraulične retencije [d]

Stupanj unosa organske tvari [kg os.t./ m³ d]

Prinos plina[m

³ gas/ kg os.t.]

Proizvodnost plina[m

³ gas/ m³ fe

rd]

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com53

Kvaliteta plina

CH4 metan > 50 %

CO2 ugljični vodik < 50 %

H2S sumporovodik < 1 %

NH3 amonijak < 1 %

H2Ov vodena para tragovi

N2 dušik tragovi

O2 kisik < 0.5 %

Bioplin je mješavina različitih plinova:

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com54

Kvaliteta bioplina: korozija zbog sumoporovodika (H2S)

0 % potrebnoObično se mjeri unutar bioplina (ppm): miris po trulim jajimaKritični supstrati: klaonički otpad, krv, stajnjakTehnički problemi:korozija: oštećivanje kogeneracijske jedinice

stajnjak klaonica CHP

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com55

Kvaliteta bioplina: desumporizacija

Unutrašnja:dodavanje zraka (= kisik/O2) u fermentor (biološki)

uvjeti: površina za rast sumpornih bakterija, skladište za plin

prednosti: jeftinoniski zahtjevi za održavanjem

mane: nema optimirane razgradnje H2Smoguća korozija

Filteri s aktivnim ugljikom

Sumporne bakterije u unutrašnjosti fermentora/na pokrovu

Zračna pumpa

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com56

Kvaliteta bioplina

Sustavi analize bioplina (online/svakodnevno mjerenje)Mjerenje elemenata bioplina:CH4

(CO2)O2

H2S

Tehnički parametri

www.nq-biogas.com


Pitanja?Puno hvala na pažnji!

www.nq-biogas.com


Zagađivači

www.nq-biogas.com59

ZagađivačiOptimalni rast bakterija / kontrola procesa

Ostalo

Dezinfekcijska sredstva/ antibiotici

Teški metali amonijak

HMK

Sumporo-vodik

kisik

Rast bakterija/KontrolaProcesa

www.nq-biogas.com60

Amonijak (NH3)

NH3 > 3 kg/m3

Visoka sposobnost prilagodbe kod bakterija

inhibitionof CH4-production (%)

Učinak sprječavanja raste s porastom pH i temperature

Zagađivači

www.nq-biogas.com61

Teški metali

bakar (Cu) > 50 mg/lcink (Zn) > 150 mg/l krom (Cr) > 100mg/lAli i olovo (Pb), željezo (Fe), kadmij (Cd) i ostali.

Samo topivi metali imaju učinak zagađivačapig farm

Zagađivači

www.nq-biogas.com62

Dezinfekcijska sredstva, antibiotici (cijepljenje)

Npr. Kloroform, aldehidi, fenoli, alkoholi, kiseline i ostaliNpr. Flavomycin, Salinomycin, Tetracyclin …Učinak sprječavanja je drugačiji prema proizvodu i dozi

Većina dezinfekcijskih sredstava i antibiotika se razloži kroz 2 -3 tjednaskladištenja (tekućeg) gnoja prije stavljanja u fermentor

Način praćenja i zapisivanja antibiotika ima važnu ulogu

Zagađivači

www.nq-biogas.com63

Ostali

Temperatura

Kada poraste/padne naglo

Pokvareni supstrati

Supstrati koji su pljesnivi ili na neki drugi način zagađeni Svježa silaža

Nagle promjene u:

Intervalima unošenja supstrataIzboru supstrataIntervalima miješanja

Bakterije trebaju vrijeme za prilagodbu!

mouldy silage

Zagađivači

www.nq-biogas.com64

Kisik (O2)

> 0.1 mg/l O2Sprječavanje strogo anaerobne metanogene bakterijeulazak O2 putem unošenja supstrata, cijevi i biološke desumporizacije

Sustav unosa

Mješalica punjenjamono utovarivač

Zagađivači

www.nq-biogas.com65

Sumporovodik (H2S)

stajnjak klaonica CHP

Zagađivači

> 50 mg/l H2SObično se mjeri unutar bioplina (ppm): miris po trulim jajimaKritični supstrati: klaonički otpad, krv, stajnjakTehnički problemi:korozija: oštećivanje kogeneracijske jedinice

www.nq-biogas.com66

Sumporovodik (H2S)

Učinak sprječavanja se povećava s opadanjem pH vrijednosti

Zagađivači

www.nq-biogas.com67

Sumporovodik (H2S):desumporizacija

Unutrašnja:dodavanjem zraka (= kisika O2) u fermentor (biološki)Željezne soli (Fe-II/III-chloride/oxide)

uvjeti: površina za rast sumpornih bakterija, skladište za plin

prednosti: jeftinoniski zahtjevi za održavanjem

mane: nema optimirane razgradnje H2Smoguća korozija

activated carbon filterssulphur bacteriaair pump columns

Zagađivači

www.nq-biogas.com68

Sumporovodik (H2S):desumporizacija

Vanjsko: desumporizacija u kolonama (kemijski ZnO2/biološki O2)filteri s aktivnim ugljikom

uvjeti: mjere opreza od eksplozije su neophodni prednosti: optimirano upravljanje (hranjeve tvari, zrak, T, H2S-sadržaj)

nema korozijevarijacije u prinosu plina nema posljedice po kvalitetu plina

mane: dodatni troškovidodatno održavanje

Filteri aktivnog ugljikaSumporne bakterijeZračna pumpa kolone

Zagađivači

Documents

Anaerobnadigestija · • anaerobno = bez kisika(O 2) • digestija = mehanička i kemijska razgradnja organskog materijala u manje čestice (makro u mikro) • Obnovljivi izvor energije