Wszystkie technologie biogazowe opierają się o naturalny i powszechny w przyrodzie proces nazywany w biochemii ? fermentacją metanową. Jest to jeden z etapów obiegu materii i przepływu energii w ekosystemach i polega na mikrobiologicznym rozkładzie substancji organicznych w warunkach beztlenowych, tj. bez dostępu tlenu z atmosfery. W środowisku naturalnym rozkładowi ulegają obumarłe rośliny i zwierzęta oraz mikroorganizmy. Fermentacja zachodzi np. na bagnach, w osadach dennych zbiorników wodnych, a także w przewodzie pokarmowym przeżuwaczy. Biogazownie to instalacje, które umożliwiają ścisłą kontrolę warunków w jakich zachodzi fermentacja uciążliwych dla środowiska odpadów organicznych pochodzących z rolnictwa i przetwórstwa rolno-spożywczego lub specjalnie do tego celu uprawianej biomasy, która trafia tam na ogół w postaci kiszonek roślin energetycznych. Dzięki tej kontroli – procesowi towarzyszy bardzo intensywne wydzielanie mieszaniny gazów, której głównym i cennym dla nas składnikiem jest metan [1,2]. Biogazownia to również wytwórnia wartościowego produktu ubocznego jakim jest tzw. poferment, czyli bogata w składniki mineralne i organiczne zawiesina, która może stanowić znakomity polepszacz gleby, zastępując całkowicie gnojowicę lub nawozy mineralne stosowane w rolnictwie.
Zarówno surowce, jak i produkty opuszczające fermentory biogazowni są potencjalnym źródłem substancji złowonnych. Poza metanem, dwutlenkiem węgla, tlenem i azotem ? biogaz zawiera niewielkie ilości pary wodnej, tlenku węgla, raz substancji takich jak np.: amoniak, siarkowodór, merkaptany, mono-, di- i trimetyloaminy oraz ich etylowe analogi, metano-, etano- i butanotiole, niższe alkohole i lotne kwasy tłuszczowe, i wiele in. [2, 3]. Próg wyczuwalności zapachowej tych substancji jest często bardzo niski (Tabela 1), dlatego, są doskonale wyczuwalne przez ludzkie nosy pomimo, że ich sumaryczny udział w biogazie stanowi zwykle mniej niż 1,0 %.
Tabela 1. Progi węchowej wyczuwalności niektórych produktów
mikrobiologicznej degradacji biomasy [3]
| Lp | Nazwa związku | Próg wyczuwalności (Spww)* |
| 1 | Amoniak | 5,2 ppm |
| 2 | Siarkowodór | 0,0081 ppm |
| 3 | Dimetyloamina | 0,34 ppm |
| 4 | Metyloamina | 3,2 ppm |
| 5 | Metanotiol | 0,0016 ppm |
| 6 | Etanotiol | 0,00076 ppm |
| 7 | n-butanotiol | 0,00097 ppm |
| 8 | Trimetyloamina | 0,00044 ppm |
| 9 | Metanol | 100 ppm |
| 10 | Kwas mrówkowy | 49 ppm |
| 11 | Kwas octowy | 0,48 ppm |
| 12 | Kwas propionowy | 0,16 ppm |
*) Podano wartości średnie. Próg węchowej wyczuwalności (Spww) jest to stężenie substancji, przy którym
zapach jest wyczuwalny przez 50% grupy osób reprezentatywnej dla populacji [3].
Substancje o podobnym charakterze emitują do środowiska niektóre substraty dla biogazowni. Szczególnie uciążliwe zapachowo są gnojowica oraz odpady z przetwórstwa mięsa i ryb. W związku z powyższym, aby do minimum ograniczyć uciążliwość zapachową biogazowni stosuje się szereg rozwiązań technologicznych, dzięki którym prawidłowo zaprojektowana i funkcjonująca biogazownia ma bardzo niski lub wręcz zerowy poziom emisji odorów.
Podstawowym wymogiem i zabezpieczeniem przed emisją odorów jest szczelność instalacji biogazowej. Wymóg szczelności nie jest narzucony tylko ze względu na zabezpieczenia przed odorami, ale przede wszystkim z uwagi na biochemię procesu. Jak już wspomniano ? powstawanie biogazu to proces zachodzący tylko w warunkach beztlenowych. Tlen atmosferyczny działa toksycznie na bakterie metanogenne ? więc o dostępie powietrza do fermentującej masy nie może być mowy [1,2]. Ponadto nieszczelność i wyciek biogazu z instalacji powoduje wymierne starty finansowe, a w skrajnych przypadkach może narażać biogazownię na niebezpieczeństwo wybuchu. Dlatego szczelność nowoczesnej instalacji jest parametrem priorytetowym, na bieżąco monitorowanym poprzez ciągłą kontrolę ciśnienia biogazu i jego składu na poszczególnych jej odcinkach. Dodatkowo, newralgiczne miejsca tj. np. połączenia rurociągów, zwory, membrany itp. powinny być okresowo sprawdzane za pomocą specjalnych analizatorów. Optymalnym rozwiązaniem jest zachowanie szczelności instalacji na każdym jej etapie, tj. od przyjęcia surowców do magazynowania pofermentu. Zbiorniki na ciecz pofermentacyjną lub tzw. laguny powinny być przykryte np. nieprzepuszczalną dla gazów membraną – dzięki temu ogranicza się emisję do środowiska biogazu jaki powstaje na etapie dofermentowania. Ponadto, przykrycie laguny membraną umożliwia jej wykorzystanie jako rezerwuaru biogazu w sytuacjach awaryjnych, gdy nie można go na bieżąco zużywać poprzez spalanie w silniku. Dodatkowym zabezpieczeniem ? są pochodnie biogazu, które załączają się automatycznie spalając jego nadmiar – zapobiegając w ten sposób emisji do środowiska nie tylko metanu, ale i gazów odorotwórczych.
Uciążliwość zapachowa cieczy pofermentacyjnej jest tym mniejsza im dłużej trwa intensywna faza fermentacji i im dłużej następuje jej dofermentowanie. Uwarunkowania klimatyczne i agrotechniczne w naszym kraju powodują, że stosowanie metody R10 jest możliwe tylko wczesną wiosną i jesienią, co oznacza, że poferment przebywa w biogazowni na ogół kilka miesięcy. Jest to okres wystarczający do biotransformacji związków odorotwórczych do takich, których kompozycja zapachowa przypomina bogatą w humus ziemię ogrodniczą i nie jest już uciążliwa dla otoczenia.
Jednym ze składników biogazu jest siarkowodór (H2S), gaz którego zapach kojarzy się ze zgniłymi jajami. Już przy stężeniu ~0,008 ppm może być wyczuwalny przez nos człowieka [3]. Z uwagi na swoje działanie korozyjne ? siarkowodór musi być z biogazu usunięty. W przeciwnym razie nastąpiłoby szybkie zużycie elementów instalacji biogazowni, oraz uszkodzenie zasilanego właśnie biogazem, drogiego silnika, który napędza generator do produkcji energii elektrycznej [5]. Aby oczyścić biogaz z siarkowodoru, stosuje rozwiązania technologiczne polegające na filtracji gazu przez różnego rodzaju złoża, które adsorbują i/lub wiążą chemicznie H2S lub odsiarczalniki biologiczne, w których występujące powszechnie w przyrodzie bakterie z rodzaju Thiobacillus przekształcają siarkowodór w siarkę pierwiastkową i/lub w rozcieńczony kwas siarkowy, a więc w postać, która nie jest uciążliwa zapachowo [5,6].
Znane są również sposoby radzenia sobie z substancjami odorotwórczymi emitowanymi przez substraty dla biogazowni. Optymalnym, jakkolwiek nie zawsze możliwym do zastosowania rozwiązaniem ? jest transport substratów do biogazowni za pośrednictwem rurociągów. Wymaga to jednak takiej lokalizacji samej biogazowni by to rozwiązanie było technicznie możliwe i opłacalne. Między innymi dlatego inwestorzy dążą do zlokalizowania biogazowni możliwie jak najbliżej miejsca powstawania substratu, tj. w bezpośrednim sąsiedztwie hodowli trzody chlewnej lub bydła, w pobliżu gorzelni, mleczarni, cukrowni itd. Wówczas gnojowica czy wywar gorzelniany mogą być transportowane rurą ? bezpośrednio do szczelnych zbiorników biogazowni. Inne substraty muszą być dostarczane codziennie lub raz na kilka dni transportem kołowym, przy czym dla ograniczenia uciążliwości zapachowej, przynajmniej niektóre z substratów muszą być przewożone w zamykanych, szczelnych kontenerach lub cysternach. Jeżeli pojazdy te są utrzymywane w należytej czystości ? nie stanowią problemu odorowego w miejscach przez które muszą przejeżdżać. W samej biogazowni do odbioru szczególnie uciążliwych substratów, takich jak np. odpady poubojowe muszą być wybudowane tzw. staje przyjęć. Są to specjalne budynki z wentylacją utrzymującą stałe lekkie podciśnienie w jego wnętrzu, dzięki czemu całe powietrze opuszczające stacje przyjęć zanim zostanie uwolnione do otoczenia musi przejść przez zespół filtrów wyłapujących odory. [5]. Czas przebywania odpadów w stacji przyjęć nie przekracza kilku ? kilkunastu godzin, podczas których są poddawane m.in. procesowi termicznej higienizacji lub sterylizacji w szczelnych zbiornikach. Działanie wysokiej temperatury zabija bakterie obecne w takim odpadzie, dzięki czemu nie postępują w nim procesy rozkładu i wydzielanie substancji złowonnych, odpowiedzialnych za odpychający zapach padliny.
Podsumowując można stwierdzić, że zastosowanie standardowych rozwiązań technologicznych, przestrzeganie podstawowych zasad projektowania w połączeniu z prawidłowym wysterowaniem procesu biologicznego – są wystarczające do zminimalizowania emisji odorów przez biogazownię. Doświadczenia na wielu obiektach wskazują, że dzięki fermentacji metanowej w kontrolowanych warunkach biogazowni ? zmniejsza się lub całkowicie zanika emisja odorów z wielu odpadów, która ma miejsce w przypadku ich składowania lub innej formy utylizacji.
LITERATURA:
[1] Buraczewski G.: Fermentacja metanowa, PWN 1989;
[2] Gerardi M.H.: The Microbiology of Anareobic Digesters, Wiley Interscience, A John Wiley and Sons, Inc., Publication 2003;
[3] Kośmider J., Mazur-Chrzanowska B., Wyszyński B.: Odory, PWN, W-wa 2002;
[4] Makles Z., Galwas-Zakrzewska M.: Złowonne gazy w środowisku pracy; Bezpieczeństwo Pracy nr 9/2005, str. 12-16;
[5] Biogaz ? produkcja i wykorzystanie; Instytut fur Energetik und Umwelt gGmbH, 2005;
[6] Pawłowska M., Zdeb M.: Porównanie efektywności mikrobiologicznego odsiarczania biogazu w bioskruberach i biofiltrach z warstwą nawadnianią; Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, tom1, vol.58, p. 191-198, III Kongres Inżynierii Środowiska ? materiały;