Biogazownie jako element samowystarczalności energetycznej komunalnych oczyszczalni ścieków

Zgodnie z Ustawą z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii [1] biomasa to: „ulegająca biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa (w tym substancje roślinne i zwierzęce), leśnictwa oraz związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, przetworzona biomasa, w szczególności w postaci brykietu, peletu, toryfikatu i biowęgla, a także ulegająca biodegradacji część odpadów przemysłowych lub komunalnych pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego – w tym osadów ściekowych – zgodnie z przepisami o odpadach w zakresie kwalifikowania części energii odzyskanej z termicznego przekształcania odpadów”.

Biogazownie zintegrowane z komunalnymi oczyszczalniami ścieków odgrywają kluczową rolę w dążeniu do samowystarczalności energetycznej tych obiektów. Oczyszczalnie ścieków są energochłonne – zużywają znaczne ilości energii elektrycznej i cieplnej do procesów napowietrzania, recyrkulacji, podgrzewania osadów lub pracy urządzeń mechanicznych. Wprowadzenie instalacji do produkcji i wykorzystania biogazu może znacząco obniżyć to zapotrzebowanie na energię z zewnętrznych źródeł.

Rys. 1. Podział metod produkcji biogazu. Opracowanie autorów na podstawie [2]

Fermentacja metanowa może zachodzić w szerokim zakresie temperatur (od 4 do 70°C), jednak optymalne warunki do uzyskania wysokiej wydajności procesu występują w dwóch zakresach:

• mezofilny – zakres temperatur 35–40°C: funkcjonują tutaj bakterie mezofilne, które są odporne na zmiany warunków środowiskowych i dobrze adaptują się do zmienności substratów; proces przebiega stabilnie i przy niższym zużyciu energii, co czyni go najbardziej rozpowszechnionym, zwłaszcza w klimacie umiarkowanym; fermentacja trwa dłużej, ale jest bardziej odporna na zaburzenia;
• termofilny – zakres temperatur 50–58°C: sprzyja działaniu bakterii termofilnych, które cechują się większą aktywnością metaboliczną, dzięki czemu fermentacja przebiega szybciej, co skraca czas procesu, umożliwia efektywniejszą redukcję masy osadów oraz skuteczniejsze usuwanie patogenów; termofilne mikroorganizmy są wrażliwsze na zmiany parametrów i dlatego potrzebują bardzo stabilnych warunków; utrzymanie wyższej temperatury wymaga większych nakładów energii i starannego zaizolowania komór fermentacyjnych.

Ze względu na korzystny bilans energetyczny i większą stabilność biologiczną w warunkach Polski i innych krajów Europy Środkowej dominuje fermentacja mezofilna, mimo że termofilna może oferować szybszy przebieg procesu.

Proces fermentacji substratu wprowadzonego do biogazowni zachodzi wielostopniowo. Uproszczony schemat przebiegu procesu fermentacji metanowej przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Schemat przebiegu procesu fermentacji metanowej. Opracowanie autorów na podstawie [3]

>>> Pierwsza w Polsce biogazownia E.ON

>>> Biogazownia w ZUOK Orli Staw

>>> Jak dobrze wykorzystać ciepło z biogazowni?

Przebieg procesu fermentacji metanowej

Fermentacja metanowa to złożony proces biochemiczny, w którym mikroorganizmy przekształcają materię organiczną w biogaz – mieszaninę głównie metanu (CH₄) i dwutlenku węgla (CO₂). Proces ten zachodzi w warunkach beztlenowych i przebiega w kilku następujących po sobie etapach, z udziałem różnych grup bakterii.

Czynniki wpływające na proces fermentacji metanowej:

• Odczyn pH – w przypadku fermentacji jednofazowej powinien wynosić powyżej 7. Poziom pH równy 6,8 stanowi granicę, poniżej której metanogeny przestają funkcjonować.
• Temperatura procesu – najczęściej stosowana jest fermentacja mezofilowa, prowadzona w zakresie 38–42°C. Fermentacja termofilowa przebiega natomiast w temperaturze 52–62°C.
• Obciążenie komory fermentacyjnej – w tradycyjnych technologiach maksymalne dopuszczalne obciążenie wynosi 6 kg m.o./m³ fermentora (s.m.o. – sucha masa organiczna).
• Zawartość azotu amonowego (N-NH₃) – optymalny zakres to 1–2 g/dm³ pulpy. Utrzymanie tego stężenia pozwala na prawidłowy rozwój mikroorganizmów, bez ryzyka inhibicji amonowej.
• Mieszanie pulpy – powinno zapobiegać tworzeniu się kożucha na powierzchni, osadów na dnie fermentora oraz rozpadowi konglomeratów bakteryjnych.
• Stosunek węgla do azotu (C:N) – zbyt niski (poniżej 12:1) może powodować inhibicję amonową, natomiast zbyt wysoki (powyżej 50:1) prowadzi do tzw. głodu azotu, co ogranicza rozwój mikroorganizmów.
• Czas retencji – zbyt krótki czas przebywania materiału w fermentorze (poniżej 15 dni) skutkuje „wypłukaniem” metanogenów i znacznym spadkiem efektywności fermentacji.
• Czynnik ludzki – brak wiedzy, doświadczenia i kompetencji wśród personelu zarządzającego biogazownią może prowadzić do poważnych błędów, skutkujących zakłóceniami procesu i stratami produkcyjnymi.

Poprawa samowystarczalności energetycznej komunalnych oczyszczalni ścieków poprzez budowę biogazowni

Działanie biogazowni komunalnych opiera się na beztlenowej fermentacji metanowej osadów ściekowych. W procesie tym, prowadzonym najczęściej w komorach fermentacyjnych, mikroorganizmy rozkładają materię organiczną, wytwarzając biogaz, czyli mieszaninę głównie metanu (CH₄) i dwutlenku węgla (CO₂). Produkcja biogazu jest najefektywniejsza w zakresie temperatur mezofilnych (ok. 35–40°C) lub termofilnych (ok. 50–58°C) pod warunkiem utrzymania odpowiednich parametrów środowiskowych – przede wszystkim pH, obciążenia komory fermentacyjnej, intensywności mieszania oraz stosunku węgla do azotu w substracie. Wytworzony biogaz może być wykorzystywany lokalnie, najczęściej w jednostkach kogeneracyjnych (CHP), które umożliwiają jednoczesną produkcję energii elektrycznej i cieplnej. Energia elektryczna zasila urządzenia oczyszczalni, natomiast ciepło wykorzystywane jest do ogrzewania komór fermentacyjnych i budynków technologicznych, a także do innych procesów wymagających energii cieplnej. W niektórych przypadkach biogaz po oczyszczeniu może być również sprężany i stosowany jako paliwo (bio-CNG) lub wtłaczany do sieci gazowej.

Zastosowanie biogazowni w oczyszczalniach ścieków niesie ze sobą wiele korzyści. Przede wszystkim pozwala znacząco obniżyć koszty zakupu energii zewnętrznej, a w niektórych przypadkach osiągnąć pełną energetyczną samowystarczalność obiektu. Ponadto proces fermentacji metanowej pozwala na redukcję masy osadów i ich higienizację, co zmniejsza koszty i ryzyko związane z ich dalszym zagospodarowaniem. Biogazownie przyczyniają się również do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych poprzez wykorzystanie odnawialnego źródła energii oraz zamknięcie obiegu węgla w gospodarce komunalnej.

Coraz więcej dużych i średnich oczyszczalni ścieków w Polsce inwestuje w instalacje do produkcji i wykorzystania biogazu. Przykłady takich obiektów można znaleźć m.in. w Warszawie („Czajka”), Gdańsku („Wschód”) oraz Rzeszowie. Oczyszczalnie te osiągają wysoki stopień samowystarczalności energetycznej – nawet powyżej 100% zapotrzebowania na energię elektryczną i cieplną. Należy jednak pamiętać, że wdrożenie biogazowni wiąże się z określonymi wyzwaniami – wymagane są nakłady inwestycyjne, odpowiednie zaplecze technologiczne i operacyjne oraz dobrze zaplanowane zarządzanie substratami. Proces fermentacji wymaga ciągłej kontroli i utrzymania parametrów, które zapewnią jego stabilność oraz efektywność. Mimo to biogazownie stanowią w dłuższej perspektywie bardzo opłacalne i ekologiczne rozwiązanie dla komunalnych oczyszczalni ścieków.

W tab. 1 przedstawiono orientacyjny skład biogazu w zależności od pochodzenia.

Tab. 1. Skład biogazu w zależności od pochodzenia [4]

Wykorzystanie osadów ściekowych w celach energetycznych polega na prowadzeniu fermentacji metanowej, w wyniku której otrzymuje się wysokoenergetyczny biogaz oraz osad pofermentacyjny. Przedstawiona metoda nie odbiega założeniem od procesu pozyskiwania biogazu składowiskowego z odpadów biodegradowalnych. Produkowany w oczyszczalniach ścieków biogaz znajduje zastosowanie przede wszystkim w układach kogeneracyjnych, do produkcji ciepła i energii elektrycznej, lub w kotłach urządzeń ciepłowniczych.

Na fot. 1 przedstawiono silnik do  spalania  biogazu  (kogeneracja) w oczyszczalni ścieków w Łańcucie (woj. podkarpackie).

Fot. 1. Silnik do spalania biogazu (kogeneracja) w oczyszczalni ścieków w Łańcucie (woj. podkarpackie). Fot. autorów

W komunalnych oczyszczalniach ścieków biogaz powstający w wyniku fermentacji metanowej osadów może być wykorzystywany w wysokosprawnych układach kogeneracyjnych, czyli takich, które równocześnie produkują energię elektryczną i cieplną. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem są silniki gazowe tłokowe przystosowane do spalania biogazu, choć w niektórych przypadkach wykorzystywane są również mikroturbiny lub ogniwa paliwowe. Silnik do spalania biogazu to zmodyfikowany silnik spalinowy o zapłonie iskrowym, specjalnie przystosowany do pracy z biogazem o niskiej wartości opałowej oraz zmiennym składzie. Najczęściej są to czterosuwowe silniki tłokowe, które pracują w sposób ciągły (24 h/7 dni) i są sprzężone z generatorem prądu. Na fot. 2 przedstawiono kocioł na biogaz w oczyszczalni ścieków w Łańcucie (woj. podkarpackie).

Fot. 2. Kocioł na biogaz w oczyszczalni ścieków w Łańcucie (woj. podkarpackie). Fot. autorów

W komunalnych oczyszczalniach ścieków biogaz powstający w wyniku fermentacji metanowej osadów ściekowych może być wykorzystywany nie tylko w jednostkach kogeneracyjnych, ale także w kotłach gazowych przeznaczonych wyłącznie do wytwarzania ciepła. Kocioł na biogaz jest istotnym elementem układu energetycznego oczyszczalni, zwłaszcza gdy produkcja biogazu jest niewystarczająca do opłacalnej kogeneracji, zapotrzebowanie na ciepło jest duże, biogazownia pracuje nieregularnie, a ciepło musi być dostępne nieprzerwanie.

Podsumowanie

Komunalne oczyszczalnie ścieków należą do grupy zakładów o dużym zapotrzebowaniu na energię niezbędną do prowadzenia procesów technologicznych, takich jak napowietrzanie ścieków, mieszanie, przepompowywanie lub zagęszczanie i przeróbka osadów. W dobie rosnących kosztów energii oraz wymagań środowiskowych coraz większą wagę przywiązuje się do rozwiązań umożliwiających zwiększenie efektywności energetycznej tych obiektów. Jednym z kluczowych kierunków rozwoju jest wdrażanie biogazowni jako integralnych elementów oczyszczalni, co pozwala na znaczne zwiększenie ich samowystarczalności energetycznej. Fermentacja metanowa to proces złożony, który wymaga zachowania równowagi biologicznej i fizykochemicznej. Kluczem do skutecznego wytwarzania biogazu jest zrozumienie zależności między kolejnymi etapami oraz kontrola warunków technologicznych: pH, temperatury, obciążenia komory, składu substratu i intensywności mieszania.

prof. dr hab. inż. Krzysztof Jan Chmielowski
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu, Katedra Inżynierii Gazowniczej

dr inż. Karolina Hap
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji, Katedra Inżynierii Sanitarnej

Literatura
1. Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (t.j. Dz.U. z 2024 r. poz. 1361).
2. W. Podkówka, Biogaz rolniczy – odnawialne źródło energii. Teoria, praktyczne zastosowanie, PWRiL, Warszawa 2012.
3. K. Kalinowska, E. Czerwińska, Warunki prowadzenia procesu fermentacji metanowej w biogazowni, „Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna” nr 2/2014.
4. J. Cebula, Biogas purification by sorption techniques, „Architecture, Civil Engineering, Environment” nr 2/2009.