Tajniki fermentacji metanowej i produkcji biogazu

Fermentacja ma dłuższą historię niż kompostowanie. Mikrobiologiczne procesy fermentacji stosowane są od starożytności. Od ponad 6000 lat wykorzystywane są do produkcji piwa i wina. Biogaz używano już w X w. p.n.e. do ogrzewania łaźni wodnych w Asyrii i Persji. Dziś wracamy do tego paliwa wzbogaceni o nowoczesne technologie.

Do przeróbki odpadów w średniowieczu w Azji stosowano proste fermentatory do otrzymywania biogazu z odchodów zwierzęcych i ludzkich. Istnieją przekazy, że w podobny sposób uzyskiwano również biogaz w Europie. 

Błędne ogniki

Biogaz wykorzystywano do gotowania i do oświetlenia. Jan Baptysta van Helmont w XVII w. jako pierwszy naukowiec z Europy odkrył, że z gnijącej materii organicznej wydobywa się palny gaz. Ponieważ to zjawisko widywane było jako tak zwane „błędne ogniki”, nazwane zostało wtedy gazem błotnym. W październiku 1776 r. Alessandro Volta zademonstrował, że gaz wydobywający się z osadu dennego pali się i wnioskował, że istnieje bezpośrednia zależność pomiędzy ilością produkowanego palnego gazu a ilością materii organicznej – tak narodził się proces biometanizacji. W 1808 r. Humphrey Davy określił, że w gazach produkowanych podczas fermentacji gnojowicy bydlęcej obecny jest metan. W XIX wieku odkryto również, że fermentacja zachodzi najefektywniej w 35°C. Rozwój mikrobiologii jako nauki doprowadził do identyfikacji w latach trzydziestych XX w. bakterii anaerobowych i warunków sprzyjających produkcji metanu. Pierwsza przemysłowa instalacja do wykorzystania biogazu, przeznaczona do fermentacji odchodów, powstała w 1859 r. w kolonii trędowatych w Indiach. W Europie fermentację osadów ściekowych zastosowano pod koniec XIX wieku w Anglii. Gaz wykorzystywano w lampach ulicznych. W Polsce pierwszą instalację do produkcji biogazu wybudowano w oczyszczalni ścieków w 1928 r. w Poznaniu.

Opracowana w latach 30. ubiegłego wieku technologia fermentatora praktycznie nie zmieniła się do dzisiaj. Głównym jej zastosowaniem była stabilizacja osadów ściekowych i dopiero w latach 70. kryzys energetyczny spowodował zainteresowanie gospodarczym wykorzystaniem biogazu, w tym również jego pozyskiwaniem z masowo rosnącej ilości odpadów komunalnych. Należy podkreślić, że w Polsce technologia fermentacji znalazła zastosowanie przede wszystkim w gospodarce rolnej do unieszkodliwienia (przetwarzania na nawóz) odpadów zielonych, a w szczególności gnojowicy i obornika. 

Co to jest fermentacja metanowa?

Fermentacja metanowa to biochemiczny beztlenowy rozkład związków organicznych zachodzący przy udziale enzymów wytwarzanych przez mikroorganizmy anaerobowe z wydzieleniem metanu. W procesie fermentacji metanowej można wyróżnić trzy zasadnicze etapy:

• Pierwszym jest hydroliza, podczas której przy udziale wody i enzymów związki organiczne ulegają rozkładowi do prostszych form. 
• Następnie podczas tzw. fermentacji kwaśnej (acidogenezy) z produktów hydrolizy wytwarzane są kwasy karboksylowe, które w kolejnym etapie ulegają dalszemu rozkładowi (octanogeneza). Podczas tego etapu powstaje octan produkowany przez heterotrofy z glukozy oraz przez autotrofy z dwutlenku węgla i wodoru. 
• Podczas ostatniego etapu fermentacji metanowej (metanogenezy) następuje wytworzenie z octanu metanu.

W zależności od temperatury procesu wyróżnić możemy trzy typy fermentacji metanowej: psychrofilną, mezofilną oraz termofilną:

• Fermentacja psychrofilna zwykle zachodzi w szambach, osadnikach Imhoffa oraz w otwartych basenach fermentacyjnych w temperaturze poniżej 25°C i trwa około 80 dni.
• Fermentacja mezofilna przeprowadzana jest zwykle w zamkniętych komorach fermentacyjnych w temperaturze ok. 30-40°C i trwa około 30 dni.
• Fermentacja termofilna zachodzi zwykle w temperaturze powyżej 40°C w zamkniętych komorach fermentacyjnych i trwa od 15 do 20 dni.

Należy podkreślić, że w procesie fermentacji metanowej prowadzonej przez człowieka chodzi przede wszystkim o pozyskanie biogazu – i to jak najwięcej w jak najkrótszym czasie.

Definicje

Ustawa z 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii definiuje pojęcia biogazu, w tym biogazu rolniczego:

• biogaz – gaz uzyskany z biomasy, w szczególności z instalacji przeróbki odpadów zwierzęcych lub roślinnych, oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów,
• biogaz rolniczy – gaz otrzymywany w procesie fermentacji metanowej surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów ubocznych, odpadów lub pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia rolniczego albo biomasy leśnej lub biomasy roślinnej zebranej z terenów innych niż zaewidencjonowane jako rolne lub leśne, z wyłączeniem biogazu pozyskanego z surowców pochodzących ze składowisk odpadów, a także oczyszczalni ścieków, w tym zakładowych oczyszczalni ścieków z przetwórstwa rolno-spożywczego, w których nie jest prowadzony rozdział ścieków przemysłowych od pozostałych rodzajów osadów i ścieków.

Objętościowy skład biogazu silnie uzależniony jest od rodzaju biomasy, z jakiego został wytworzony, a w jego skład wchodzą tylko składniki powstałe z masy organicznej. Biogaz (nieoczyszczony) składa się z ok. 50-65% metanu (CH4), 30-45% dwutlenku węgla (CO2) oraz innych składników w śladowych ilościach, takich jak para wodna (H2O), siarczek wodoru (H2S), azot (N2), wodór (H2) i tlen (O2).

W warunkach normalnych (ciśnienie i temperatura otoczenia odpowiednio 1013,25 hPa i 0°C) masa biogazu wynosi ok. 1,2 kg/m3. Masa biogazu jest uzależniona od charakteru masy organicznej, z której został pozyskany. Jego wartość opałowa wynika z zawartości metanu w biogazie. Typowy biogaz charakteryzuje się wartością opałową z przedziału 19-23 MJ/m3. Przy sprawności jego przewarzania na poziomie tych, które osiągane są przez układy kogeneracyjne oferowane obecnie na rynku, z jednego metra sześciennego biogazu możemy uzyskać ok. 2,2 kWh energii elektrycznej i jednocześnie ok. 8 MJ ciepła. Podział biogazów na rodzaje jest umowny i uzależniony od surowca, z którego został pozyskany. Wyróżniamy następujące rodzaje biogazów:

• biogaz składowiskowy, który powstaje z rozkładu związków organicznych zawartych w składowanych odpadach,
• biogaz ściekowy, który powstaje w wyniku rozkładu osadów ściekowych,
• biogaz komunalny, który powstaje w wyniku rozkładu związków organicznych biodegradowalnych odpadów komunalnych, 
• biogaz rolniczy, który powstaje w wyniku rozkładu surowców pochodzenia rolniczego.

Zastosowanie

Biogaz wykorzystany jest do:

• zamiany jego właściwości opałowych w prąd i ciepło przy zastosowaniu urządzeń kogeneracyjnych – biogaz musi być tu wstępnie uzdatniony,
• wprowadzenia do sieci gazowej – biometan wytworzony z biogazu musi spełnić parametry jakościowe dla paliw gazowych, które przesyłane są sieciami przesyłowymi i dystrybucyjnymi, określonymi w Rozporządzeniu Ministra Energii z 15 czerwca 2018 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu gazowego,
• produkcji paliwa bioCNG (sprężonego gazu), który może być stosowany np. do napędu maszyn rolniczych,
• produkcji paliwa bioLNG – stanowi je skroplony gaz, który wykorzystywany jest głównie w transporcie drogowym.

Obecnie możliwości produkcji biogazu w Polsce są szacowane na 13-15 mld m3 rocznie. To wielkość zbliżona do naszego importu gazu ziemnego z Rosji sprzed wybuchu wojny w Ukrainie. Zgodnie z informacją na stronach Centrum Informacji o Rynku Energii (CIRE), w Polsce jest obecnie około 300 funkcjonujących biogazowni. W tym zawierają się 114 biogazownie rolnicze i 9 biogazowni na odpady komunalne (+ jedna w budowie), a pozostałe to biogazownie w instalacjach oczyszczania ścieków. Dla porównania – w Niemczech jest ponad 9300 biogazowni, z czego ok. 7500 rolniczych zasilanych gnojowicą. Sugeruje to jednoznacznie bardzo duży potencjał energetyczny, jaki można uzyskać w biogazie. Jak wylicza prof. Grzegorz Wielgosiński, potencjał energetyczny biodegradowalnych odpadów komunalnych wynosi ok. 3 mln GJ rocznie. Rodzi to zatem pytanie: czy byle jaki kompost, czy energia, a co za tym idzie – budowa biogazowni? Odpowiedź wydaje się jednoznaczna. Warto jednak zauważyć, że tak czy inaczej w biogazowni powstaje fermentat i w wielu technologiach ścieki. Cóż, realia obecnych czasów spowodowały, że gospodarką odpadami rządzą prawo, ekonomia, statyka, kolejne programy i zobowiązania, tymczasem w kraju mamy ogromne areały słabych i bardzo słabych gleb, które aż się proszą o uzupełnienie substancji organicznej.

Bariery w wykorzystaniu biogazu to:

• Nieuregulowana wystarczająco kwestia wykorzystania masy pofermentacyjnej i ścieków pofermentacyjnych do nawożenia upraw, nawet jeśli instalacja przetwarza tylko surowce pochodzenia rolniczego (rośliny i odchody zwierzęce). Konieczne jest przeprowadzanie szeregu badań masy przed wykorzystaniem jej do nawożenia i uzyskanie odpowiedniego certyfikatu. Nie jest także uregulowana kwestia możliwości przekazywania masy pofermentacyjnej osobom fizycznym.
• Brak możliwości pozyskania w uproszczony sposób decyzji umożliwiających lokalizację biogazowni.
• Budowa biogazowni oraz sieci dystrybucyjnej nie jest ujęta na liście inwestycji celu publicznego w rozumieniu Ustawy z 21 sierpnia 1997 r. o gospodarce nieruchomościami.
• Niewiele gmin posiada miejscowe plany zagospodarowania przestrzennego (m.p.z.p.). Niewielki obszar miast w Polsce objęty jest m.p.z.p. (osiągając kilkanaście lub niewiele więcej procent), jeszcze mniejszy obszar pozamiejski objęty jest m.p.z.p. (do kilku procent). Rzadko kiedy m.p.z.p. uwzględnia źródła odnawialne, a tym bardziej biogazownie.
• Należy grunty rolne przekształcić na cele nierolne w przypadku zainteresowania lokalizacją biogazowni na tych terenach. Dokonuje się tego w miejscowym planie zagospodarowania przestrzennego. Jednakże musi to być poprzedzone uzyskaniem zgody i wiążą się z tym dodatkowe koszty, w szczególności dla lokalizacji biogazowni na klasach gleb I-III.
• Brak gwarancji/priorytetu przyłączenia elektrowni na biogaz do sieci elektroenergetycznej i biogazowni do sieci gazowej. 
• Słaby dostęp do informacji o zasadzie działania biogazowni, niechęć społeczeństwa do inwestycji na bazie biogazu.

Biogazownie – obecna polityka

Przyjęta 2 lutego 2021 r. przez Radę Ministrów Polityka Energetyczna Polski do 2040 r. przewiduje wzrost udziału OZE we wszystkich sektorach i technologiach. W 2030 r. udział OZE w końcowym zużyciu energii brutto ma wynieść co najmniej 23%, nie mniej niż 32% w elektroenergetyce (głównie energia wiatrowa i PV), 28% w ciepłownictwie (wzrost 1,1 pp. r/r) i 14% w transporcie. 

7 lipca 2022 r. w siedzibie NFOŚiGW odbyło się spotkanie, podczas którego ponad 40 ekspertów rozważało organizację oraz finansowanie biogazowni wykorzystujących frakcję bio odpadów komunalnych. Wydarzenie odbyło się w związku z planowanym uruchomieniem nowego programu priorytetowego, który umożliwiałby finansowanie inicjatyw związanych z budową lub modernizacją instalacji fermentacji bioodpadów w celu produkcji materiałów użyźniających glebę oraz prądu i ciepła z wytwarzanego biogazu. Uczestniczyli w nim m.in. przedstawiciele Ministerstwa Klimatu i Środowiska. W trakcie spotkania padła zapowiedź udostępnienia ok. 1 mld zł puli dofinansowań dla budowy nowych, rozbudowy lub modernizacji istniejących instalacji fermentacji selektywnie zebranych bioodpadów komunalnych i wykorzystania uzyskanego biogazu do wytwarzania energii w warunkach wysoko sprawnej kogeneracji. W trakcie dyskusji stwierdzono m.in., że fermentacja, w wyniku której wytwarza się biogaz, jest sposobem na uzyskanie stabilnego, niezależnego od pory roku i warunków meteorologicznych źródła całorocznie dostępnych OZE. Stwierdzono również, że instalacje biogazowe powinny być uwzględniane już na etapach wczesnego planowania w gminnych planach zagospodarowania przestrzennego, co pozwalałoby bez przeszkód przeprowadzać inwestycje. Ponadto instalacje, które produkowałyby ciepło z biogazu, powinny znajdować się blisko terenów zindustrializowanych. Znacznie ułatwiłoby to dystrybucję. Na koniec podkreślono także potrzebę edukacji społeczeństwa w zakresie funkcjonowania biogazowni, wykorzystania fermentacji frakcji bio i neutralizacji obaw wobec budowy nowych instalacji.  

Wzrost masy bioodpadów

Zanieczyszczenie środowiska związane jest również ze zwiększeniem produkcji rolniczej i hodowlanej oraz ze stopniem przetwarzania produktów rolno-spożywczych. Daje się zauważyć olbrzymi wzrost ilości odpadów i zanieczyszczeń organicznych powstających w rolnictwie i przemysłach z nim związanych. Ilość odpadów komunalnych od roku 2013 w Polsce systematycznie rośnie o około 0,5 mln ton rocznie i w roku 2022 wynosiła ok. 13,7 mln Mg.  W tej liczbie bioodpady wydzielone w instalacjach MBP to ok. 4,9 mln Mg. 

W większości odpady te zawierają wszystkie składniki niezbędne do rozwoju mikroorganizmów, takie jak węglowodany (celuloza, hemicelulozy, skrobia, cukry), białka, tłuszcze, pierwiastki biogenne, mikroelementy i witaminy. Występują one w formie stałej, półpłynnej lub ciekłej. Pozostawienie ich w stanie surowym powoduje zagrożenie sanitarne oraz określone problemy środowiskowe wynikające z ich naturalnej biodegradacji przez mikroorganizmy. W efekcie tego rozkładu odpadów następuje emisja gazów (NH3, CH4, H2S, CO2, NOx) do atmosfery oraz emisja związków biogennych do wód powierzchniowych i gruntowych, naruszająca równowagę ekosystemu i powodująca jego eutrofizację. Biorąc pod uwagę konieczność unieszkodliwiania odpadów rolniczych i przemysłu rolno-spożywczego z punktu widzenia ochrony środowiska, a także naturalne ich pochodzenie oraz skład chemiczny, najbardziej przydatnymi i uzasadnionymi ekonomicznymi metodami degradacji tych odpadów są metody biotechnologiczne, które pozwalają na przekształcenie odpadów organicznych w energię i nawozy. W warunkach beztlenowych mikroorganizmy częściowo utleniają wiele związków organicznych w procesie fermentacji. Powstają produkty niepełnego utlenienia: etanol, mleczan, propionian, maślan, bursztynian, kapronian, octan, n-butanol, 2,3-butanodiol, aceton, izopropanol, które stają się dostępne dla innych drobnoustrojów. 

Proces beztlenowej degradacji wymaga zgodnego działania wielu grup drobnoustrojów, z których każda odgrywa specjalną rolę:

• Drobnoustroje przeprowadzające hydrolizę i fermentację są odpowiedzialne za zapoczątkowanie depolimeryzacji polimerów i hydrolizę monomerów znajdujących się w odpadach, produkując głównie octan i wodór, ale także zmieniające się ilości lotnych kwasów tłuszczowych, takich jak propionian i maślan oraz niektóre alkohole.
• Obligatoryjne acetogenne bakterie produkujące wodór przekształcają propionian i maślan do octanu i wodoru.

Dwie grupy metanogennych Archaeabacterii produkują metan z octanu albo wodoru.

Optymalizacja fermentacji metanowej

Głównym surowcem do produkcji metanu, dostępnym w dużej ilości na świecie, jest gnojowica. W przeciwieństwie do większości organicznych odpadów przemysłowych lub sortowanych u źródła stałych odpadów z gospodarstw domowych, które są łatwiej degradowane (ok. 80% materiału organicznego ulega przemianie w biogaz), w gnojowicy lub też w osadach ściekowych tylko około połowa materiału organicznego ulega degradacji. Łączenie różnych typów odpadów (gnojowica, stałe odpady z gospodarstw domowych, organiczne odpady przemysłowe) umożliwia otrzymanie wyższych wydajności biogazu. 

Jak podaje prof. Andrzej Jędrczak1, w ostatnich latach opracowano i wprowadzono ponad 40 rozwiązań technologii prowadzenia procesów. Ich rozwiązania przewidują, że proces fermentacji metanowej może być prowadzony jako:

• Fermentacja jedno- lub dwustopniowa.

Rozdzielane są tu fazy fermentacji kwaśnej (hydrolizy) od fazy fermentacji metanowej (metanogenezy), prowadzonej przez bakterie metanogenne, o 10 razy niższej całkowitej szybkości wzrostu. Układ dwustopniowy miał zapewnić krótszy czas procesu (< 12 dni), wyższy stopień rozkładu substancji organicznej i stabilny przebieg całego procesu. Układ dwustopniowy stosowany jest zwykle wtedy, gdy fermentowany surowiec charakteryzuje się dużą szybkością fazy kwaśnej lub dużym stężeniem substancji biodegradowalnych (np. wywar gorzelniczy, ścieki z przemysłu skrobiowego). Zapewnia on również potencjalnie większą stabilność procesu, większą szybkość degradacji i większą wydajność biogazu. Jednak koszty inwestycyjne nie zawsze rekompensują te zalety. Należy również podkreślić, że w przypadku prowadzenia fermentacji jednocześnie różnorodnych odpadów, m.in. odpadów pochodzących z selektywnej zbiórki, napotykamy na szereg problemów. Najważniejszym problemem jest to, że niektóre odpady podlegają hydrolizie szybciej, a inne wolniej, co powoduje, że proces zachodzi tak czy inaczej w obu komorach. Generalnie stosowany jest system jednokomorowy. 

• Fermentacja mokra lub sucha. 

Do zalet fermentacji suchej zaliczamy fakt, iż potrzebny jest mniejszy reaktor niż w fermentacji mokrej, małe przepływy substratu oraz mniejsze zapotrzebowanie energetyczne. Wady to wymóg specjalnych technik mieszania i transportu i często niepełna fermentacja substratu. Mokra fermentacja zapewnia bardziej przejrzysty niż sucha przebieg procesu. Do jej wad należą natomiast konieczność późniejszego rozdzielenia fazy suchej i mokrej, duże przepływy materii i konieczność stosowania większego reaktora. Obecnie jest tendencja do stosowania metody suchej.

• Fermentacja mezofilowa lub termofilowa.

Fermentacja mezofilowa zachodzi w temperaturze 30-35°C. Zapewnia stabilny proces i małe zapotrzebowanie energetyczne. Nie zapewnia jednak pełnej higienizacji substratu (nie są niszczone patogeny). Fermentacja termofilowa prowadzona jest z kolei w temperaturze 52-55°C, co zapewnia skrócenie czasu procesu do około 12 dni, większe są tu stopień rozkładu materii organicznej oraz jego higienizacja. Do wad zaliczane są wrażliwość na wahania temperatury, mniejsza produkcja biogazu i gorsza jakość kompostu. Największą wadą w dzisiejszym czasie jest duże zapotrzebowanie energii. Aktualnie prawie na równi popularne są obie metody.

• Fermentacja ciągła lub okresowa.

Fermentacja okresowa polega na tym, że wsad odpadów zamyka się w zbiorniku na określony czas i nie dokłada się nowych odpadów do ukończenia procesu fermentacji. W procesie ciągłym codziennie są dodawane substraty. Zapewnia to wyższą wydajność i produkcję biogazu. Wyższe są jednak koszty budowy i eksploatacji instalacji oraz wyższa jest nierównomierność produkcji biogazu. Niepełna może być higienizacja substratu. Proces ciągły wymaga też większej liczby reaktorów, zapewnia jednak, że wszystkie substraty mają te same warunki przetwarzania. Obie metody stosowane są na równi.

Warto zwrócić uwagę na to, że:

• odpady z selektywnej zbiórki wymagają trudnego zadania, jakim jest usunięcie tworzywa sztucznego pochodzącego z worków, w których były zbierane,
• odpady drzewne nie podlegają procesowi fermentacji (lub bardzo słabo) z uwagi na dużą zawartość celulozy.

Osad

W procesie fermentacji metanowej obok biogazu powstaje osad. Dotychczas nie ma jeszcze opracowanych jednolitych standardów na ten produkt i jego zagospodarowanie wygląda odmiennie w różnych krajach. Główne zagadnienia związane z podniesieniem jakości tego produktu dotyczą:

• przerwania łańcucha przenoszenia chorób poprzez zniszczenie patogenów i innych biologicznych niebezpieczeństw,
• kontroli zanieczyszczeń chemicznych (organicznych i nieorganicznych).

Osady ściekowe i segregowane odpady z gospodarstw domowych są tzw. substratami wysokiego ryzyka, wysoko zanieczyszczonymi przez patogeny. Mezofilna fermentacja jest niewystarczająca do zniszczenia patogenów, lepsze rezultaty w obniżaniu poziomu patogenów dają systemy fermentacji termofilnej. Szczególną uwagę powinno się poświęcać zagospodarowaniu odpadów pochodzenia zwierzęcego (z rzeźni itp.) ze względu na infekcje wynikające z przenoszenia chorób.

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. Przefermentowane odpady w zależności od zastosowanej technologii albo są poddawane odwodnieniu, albo wykorzystywane bezpośrednio do nawożenia gruntów ornych w postaci płynnej. W efekcie odwadniania powstają stały poferment i ciekły odciek. Frakcja stała musi być, zgodnie z przepisami, poddana jeszcze procesowi tlenowemu (co jest wymogiem BAT i warunkiem uzyskania dofinansowania z NFOŚiGW), a frakcja płynna może być stosowana do nawożenia bez dalszego przetwarzania. Zastosowanie pofermentu w rolnictwie wymaga uzyskania certyfikacji nawozowej i spełnienia wielu bardzo wymagających przepisów, szczególnie istotne są zawartość metali ciężkich oraz bezpieczeństwo sanitarne. 

---

dr inż. Andrzej Skalmowski
niezależny ekspert

Źródła

1. Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2008.
2. Kempa E.S.: Gospodarka odpadami miejskimi. Wyd. „Arkady”. Warszawa 1983.
3. Jędrczak A.: Kompostowanie i fermentacja bioodpadów – wady i zalety procesów. 
4. 3. Ogólnopolska Konferencja BIOodpady. Ekorum. Poznań 1-2.10.2022.

---

Przegląd Komunalny 4/2023 (379)