Wydawnictwo
Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu

Do tej pory w Polsce nie ma opracowanych założeń, które weryfikowałyby pracę biogazowni. Taki system weryfikujący jest coraz bardziej pożądany przez obecnych właścicieli i przyszłych inwestorów. Do analizy porównawczej biogazowni rolniczych potrzebne są dane charakterystyczne dla danego obiektu oraz informacje pozyskane w trakcie eksploatacji; akwizycja danych powinna obejmować okres roku, dotyczące technologii produkcji i wykorzystywanych substratów, a także dane uzyskane w warunkach laboratoryjnych.
W niniejszej pracy poddano analizie porównanie efektywności technologii fermentacji metanowej w skali technicznej z wydajnością otrzymywaną w skali laboratoryjnej z tych samych substratów oraz dokonano weryfikacji poziomu istotności czynników determinujących efektywność pracy instalacji. W celu zweryfikowania produktywności technologii w skali technicznej, pod kątem potencjału metanogennego biomasy, zaproponowano wprowadzenie współczynnika korekcji biochemicznego potencjału metanogennego (WKBPM).

Literatura przedmiotu potwierdza, że większa część badań najczęściej odnosi się do warunków laboratoryjnych. Dotyczą one głównie ilości uzyskanego biogazu, jego składu z badanego substratu wraz z podstawowymi parametrami fizycznymi i chemicznymi. W badaniach tych nie analizuje się pracy instalacji biogazowych pod kątem konwersji biomasy w biogaz (biometan), która w bezpośredni sposób przekłada się na efekt ekonomiczny i ekologiczny bioelektrowni w Polsce. Ponadto brak jest danych literaturowych określających, w jakim stopniu ilość uzyskanego biogazu (metanu) z substratów w laboratorium znajduje odzwierciedlenie w instalacjach w skali technicznej.

Cel pracy. Celem była analiza i ocena związku pomiędzy efektywnością procesu fermentacji metanowej, uzyskiwanej w skali technicznej i w warunkach laboratoryjnych. Dla porównania produktywności instalacji przemysłowej z laboratoryjną wprowadzono nie stosowany dotąd współczynnik korekcji biochemicznego potencjału metanogennego (WKBPM).

Materiały i metodyka. Badania wykonano w warunkach laboratoryjnych oraz w wytypowanych trzech zakładach różniących się budową fermentorów, co w bezpośredni sposób wpływało na efektywność procesu fermentacji metanowej. W pracy analizowano wpływ takich czynników jak: rodzaj i ilość zadawanych substratów, temperatura procesu, czas mieszania substratów wewnątrz fermentorów, wpływ zagęszczenia wsadu wyrażony w suchej pozostałości (sucha masa) na obciążenie mieszadeł, dobowe obciążenie fermentorów oraz hydrauliczny czas retencji. Przeanalizowano biochemiczny potencjał metanogenny poszczególnych substratów otrzymywany w laboratorium oraz poddano analizie ilości uzyskiwanego metanu z tych samych substratów w skali technicznej. Do analizy wykorzystano autorskie rozwiązanie, które polegało na wprowadzeniu współczynnika korekcji biochemicznego potencjału metanogennego. Parametr ten pozwolił na wyznaczenie i wskazanie najefektywniejszej instalacji biogazowej przetwarzającej biomasę organiczną w metan w odniesieniu do warunków laboratoryjnych.

Wyniki i wnioski. Wyniki wskazują, że uzyskany biochemiczny potencjał metanogenny w laboratorium różni się od wartości uzyskiwanych w skali technicznej. Różnice w masie metanu z tony świeżej masy substratów wahają się od 3% do nawet 20%. Wprowadzenie „współczynnika korekcji biochemicznego potencjału metanogennego” (WKBPM) pozwoliło na wskazanie, w jakim stopniu (procencie) biomasa w skali technicznej nie jest przetwarzana w metan w odniesieniu do warunków laboratoryjnych. Wykorzystano w tym celu elementarne wzory chemiczne poszczególnych substratów, które wyznaczono na podstawie składu chemicznego. W instalacji A ilość uzyskanego metanu z poszczególnych substratów zbliżona była do warunków laboratoryjnych. Wyższe wartości współczynnika korekcji biochemicznego potencjału metanogennego uzyskano w instalacji C, co świadczy o słabszej konwersji biomasy w metan w skali technicznej w odniesieniu do warunków laboratoryjnych. Natomiast dla biogazowni B współczynnik korekcji okazał się najwyższy i na przykład dla kiszonki z kukurydzy wyniósł 20%, co wskazuje, że ilość uzyskanego metanu z tego substratu w skali technicznej jest niższa o 20% w odniesieniu do warunków laboratoryjnych. Zaproponowany współczynnik korekcji biochemicznego potencjału metanogennego może służyć jako narzędzie diagnozujące instalację biogazową w wybranym interwale czasowym, jak również może być wykorzystane do weryfikacji biochemicznego potencjału metanogennego poszczególnych substratów w odniesieniu do badań laboratoryjnych.

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

1. WSTĘP

2. FERMENTACJA METANOWA
2.1. Podstawy teoretyczne
2.2. Polski rynek instalacji biogazowych – stan obecny i perspektywy rozwoju
2.3. Zastosowanie procesu fermentacji metanowej
2.4. Wykorzystywanie technologii beztlenowych w zagospodarowywaniu odpadów
2.5. Warunki fermentacji metanowej w biogazowniach rolniczych
2.6. Substraty wykorzystywane w biogazowniach rolniczych
2.7. Zakłócenia produkcji biogazu w skali technicznej
2.8. Stabilność procesu fermentacji metanowej
2.9. Podsumowanie

3. HIPOTEZA ORAZ CEL I ZAKRES PRACY

4. METODYKA BADAŃ
4.1. Plan badań
4.2. Stanowiska badawcze
4.3. Materiały i metody badawcze

5. WYNIKI BADAŃ
5.1. Badania laboratoryjne
5.2. Badania w skali technicznej
5.3. Masa substratów
5.4. Parametry analizowane podczas badań
5.5. Wyznaczenie konwersji biomasy

6. DYSKUSJA I WNIOSKI

7. LITERATURA

The literature of the subject confirms that the majority of research mostly reflects laboratory conditions. It concerns mostly the amount of acquired biomass, its composition from the investigated substrate along with its basic physical and chemical parameters. The research does not analyse the biogas installation operation considering biomass conversion into biogas (biomethane) which translates directly to an economic and ecological effect of biogas plant in Poland. Moreover, there is no literature data to which extent the amount of biogas (methane) acquired from substrate in a laboratory is reflected in installations in a technical scale.

Aim of study. The study was undertaken which aim was to analyse and assess a relation between methane fermentation efficiency obtained in a technical scale and under laboratory conditions. For comparing the productivity of the industrial installation to the laboratory one, the biochemical methanogenic potential correction coefficient (BMPCC), which had not been applied before, was introduced.

Material and methodology. The research was conducted under laboratory conditions and in three selected plants varying in a fermenter structure, which affected directly methane fermentation efficiency. In the research the effect of the following factors was analysed: the type and amount of given substrate, process temperature, time of stirring substrate inside fermenters, the effect of feed concentration expressed in dry residue (dry mass) on stirrer load, daily fermenter load and hydraulic retention time. In the paper, the biochemical methanogenic potential of particular substrate obtained in a laboratory as well as the methane amount obtained from the same substrate in technical scale were analysed. The analysis applied the author’s original solution, which regarded introducing biochemical methanogenic potential correction coefficient. The parameter made it possible to determine and indicate the most efficient biogas installation processing organic biomass into methane concerning laboratory conditions.

Results and conclusions. The obtained results show that the acquired methanogenic biochemical potential in a laboratory differs from the values obtained in a technical scale. The differences in mass of methane from a tonne of fresh substrate mass fluctuate from 3% to even 20%. The introduction of the biochemical methanogenic potential correction coefficient (BMPCC) resulted in indicating to which extent (percentage) biomass in a technical scale is not processed into methane in comparison to laboratory conditions. In order to achieve that, the rudimentary chemical formulas were employed, which were selected on the basis of the chemical composition. The amount of the methane obtained from particular substrate in the installation A was similar to the amount gained in laboratory conditions. Higher values of the biochemical methanogenic potential correction coefficient were obtained in the installation C, which means weaker biomass conversion into methane in a technical scale comparing to laboratory conditions whereas for the biogas plant B, the correction coefficient proved to be the highest and for example for maize silage it was 20%, which implies the amount of methane gained from the substrate in a technical scale being lower by 20% comparing to laboratory conditions. The suggested biochemical methanogenic potential correction coefficient may be a tool applied to diagnose a biogas installation in a selected time interval as well as it can be used for verification of biochemical methanogenic potential of particular substrate in comparison to laboratory research.