BIODIGESTER: PENTRU CE ESTE VORBA, TIPURI, AVANTAJE, DEZAVANTAJE - MEDIU INCONJURATOR - 2025

Un biodigester este un rezervor închis unde gazul metan și îngrășământul organic sunt generate din fermentația anaerobă a materiei organice. Fundația biologică este descompunerea materiei organice prin acțiunea bacteriilor prin hidroliză, acidifiere, acetanogeneză și metanogeneză.

Biodigesterul asigură condițiile controlate necesare procesului de biodigestie. După acest proces, biogazul (metan, dioxid de carbon, azot și sulfură de hidrogen), biosol (îngrășământ solid) și biol (îngrășământ lichid) sunt obținute ca produse finale.

Sistem de biogaz. Sursa: Renergon International AG

Operația de bază începe de la adăugarea deșeurilor organice și a apei într-un recipient etanș, în care se generează procesul de fermentare anaerobă. Biogazul este apoi extras pentru depozitare, utilizare directă sau ca îngrășământ.

Cele trei tipuri de bază de biodigestere în funcție de sistemul lor de încărcare sunt discontinue, semi-continue și continue. Biodigesterele de lot sunt încărcate cu deșeuri organice o singură dată în fiecare proces de producție, apoi fertilizatorul este extras pentru a începe un alt ciclu.

Cele cu sarcină semicontinuă, sunt încărcate în perioade regulate extrăgând cantitatea de îngrășământ echivalentă cu volumul încărcat. Sistemele continue sunt instalații industriale cu o încărcătură permanentă de materie organică, precum și extracția de biogaz și îngrășământ.

Printre avantajele biodigesterelor se numără gestionarea corectă a deșeurilor organice, reciclarea acestora și reducerea riscurilor pentru mediu. În plus, sunt produse energie (biogaz) și îngrășăminte organice, ceea ce generează o valoare economică și de mediu.

Cu toate acestea, există și anumite dezavantaje precum consumul de apă, dificultatea menținerii nivelurilor de temperatură ideale și prezența substanțelor dăunătoare (hidrogen sulfurat, siloxene). De asemenea, evidențiază acumularea de materii prime în apropierea zonei și riscurile de explozie.

Puteți construi un biodigester de casă relativ ieftin și să procesați deșeurile organice de bucătărie. Acest lucru necesită doar un butoi cu un capac ermetic și unele materiale pentru instalații sanitare (țevi din PVC, blocaje, printre altele).

La scară mai mare, în casele din zonele rurale, cel mai economic și relativ ușor sistem de construit este cârnații. Acest sistem constă practic dintr-o pungă de polietilenă sigilată cu conexiunile corespunzătoare.

Pentru ce este

- Tratarea și reciclarea deșeurilor organice

Biodigesterii sunt alternative tehnologice foarte utile din perspectiva gestionării durabile a deșeurilor organice și a producției de energie regenerabilă. De exemplu, acestea oferă o alternativă pentru reciclarea deșeurilor organice solide și lichide, care este transformată în materie primă pentru biodigester.

Reciclarea deșeurilor organice în acest fel reduce impactul poluant și generează economii în gestionarea sa. Biodigesterele sunt utilizate pentru tratarea apelor uzate, pentru prelucrarea deșeurilor organice solide urbane și pentru deșeurile agricole și animale.

- Producția de biogaz și biofertilizanți

Procesul de digestie anaerobă generează biogaz și îngrășământ organic ca produse.

biogazul

Biogazul are aproximativ 60% gaz metan, care este un combustibil caloric ridicat și poate fi utilizat pentru producerea de energie. Poate fi utilizat pentru gătit, pentru generarea de energie electrică (turbine cu gaz), pentru mișcarea motoarelor sau pentru încălzire.

Fiofertilizanți

Biofertilizanții rezultați din biodigesteri sunt obținuți în stare (biosol) și lichid (biol) cu niveluri ridicate de macro și micronutrienți. Macronutrienții de bază (fosfor, azot și potasiu) pot fi obținuți izolat din biol prin procese de ultrafiltrare și osmoză inversă.

Biol conține cantități semnificative de hormoni de creștere utili pentru dezvoltarea plantelor, cum ar fi acidul indol-acetic, giberereline și citokinine, printre altele.

Cum functioneazã

Biodigesterul funcționează prin generarea unui proces de biogasificare prin digestie anaerobă, de la descompunerea materiei organice hidratate și în absența aerului. Aceasta se produce printr-un proces de fermentare ale cărui produse principale sunt gazul metan (CH4) și dioxidul de carbon (CO2).

- Încărcarea biodigesterului și agitarea

Se realizează prin rezervorul de încărcare, care constă dintr-un rezervor în care materia organică este pregătită pentru a fi adăugată prin tubul de încărcare la biodigester.

Prelucrarea materiei organice și a încărcăturii

Biodigesterul trebuie alimentat periodic cu materie organică și suficientă apă pentru capacitatea sa de transport. În acest sens, 25% din volumul biodigesterului trebuie lăsat liber pentru acumularea gazului produs.

La rândul său, tipul și calitatea materiei organice vor influența, de asemenea, productivitatea și utilizarea sau nu a deșeurilor solide și lichide ca îngrășământ. Unele deșeuri organice pot cauza probleme în procesul de fermentare, cum ar fi reziduurile de fructe citrice care pot acidifica prea mult mediul.

Materialul trebuie zdrobit sau redus la cea mai mică dimensiune posibilă, iar pentru a facilita fermentarea, amestecul trebuie să conțină 75% apă și 25% materie organică. Trebuie agitat periodic pentru a garanta omogenitatea procesului de fermentare din amestec.

Temperatura și timpul de reținere

Timpul de retenție al materiei organice în biodigester pentru a obține fermentația completă va depinde de tipul acestora și de temperatură. Cu cât temperatura mediului este mai ridicată, cu atât fermentația va fi mai rapidă (de exemplu, la 30 ºC, poate fi nevoie de aproximativ 20 de zile pentru a reîncărca biodigesterul).

- Digestia anaerobă

Digestia anaerobă. Sursa: Tilley, E., Ulrich, L., Lüthi, C., Reymond, Ph., Zurbrügg, C.

Bacteriile acționează în procesul care necesită condiții de mediu adecvate, cum ar fi absența aerului, temperaturi peste 20 ° C (în mod ideal 30-35 ° C) și un mediu care nu este foarte acid. În aceste condiții, se dezvoltă trei faze:

Hidroliză

Bacteriile hidrolitice acționează în acest proces care secretă enzime extracelulare. Prin urmare, lanțurile complexe de carbohidrați, proteine ​​și lipide sunt împărțite în bucăți solubile mai mici (zaharuri, aminoacizi și grăsimi).

Etapa de acidifiere sau fermentare

Compușii solubili din faza anterioară sunt fermentați în acizi grași volatili, alcooli, hidrogen și CO2.

Acetanogenesis

Intră în joc bacteriile acetogene care oxidează acizii organici ca sursă de carbon. Acestea generează acid acetic (CH3COOH), hidrogen (H2) și dioxid de carbon (CO2) și mirosurile neplăcute sunt produse de prezența sulfurii de hidrogen.

Formarea metanului sau faza metanogenă

În ultima fază, bacteriile metanogene acționează care descompun produsele acetanogenezei, generând metan. În natură, aceste bacterii acționează în mlaștini, medii acvatice și în stomacul rumegătorilor.

La sfârșitul acestei faze, amestecul conține metan (45 - 55%), dioxid de carbon (40 - 50%), azot (2 - 3%) și hidrogen sulfurat (1,5 până la 2%).

- Evacuarea din biodigester

Rata producției de biogaz și îngrășăminte depinde de tipul de biodigester, de materia organică care îl alimentează și de temperatură. Biogazul se acumulează în partea superioară a biodigesterului și este extras prin conducte în rezervoarele de depozitare.

După terminarea fermentației, nămolul (amestec de solide și lichid) este extras prin conducte. Descărcarea este produsă de principiul vaselor comunicante, adică la încărcarea materialului nou, presiunea face ca surplusul să iasă din partea opusă.

Raportul dintre cantitatea de material introdus (deșeuri organice și apă) și produsul de ieșire (biosol și biol) este de aproape 1: 0,9. Aceasta este echivalentă cu un randament de 90%, unde cea mai mare proporție corespunde biolului (lichid).

- Biogaz: purificare

Gazul produs trebuie purificat pentru a elimina sau reduce conținutul de hidrogen sulfurat și apă folosind capcane pentru a captura ambii compuși. Acest lucru este necesar pentru a reduce riscul de deteriorare a echipamentului datorită puterii corozive a acestor componente.

Capcană de apă

Apa transportată de biogaz se precipită atunci când conducta se deschide într-un spațiu mai mare, iar gazul continuă printr-o altă constricție. Această țeavă se termină într-un recipient mare și ermetic, pentru a conține apa care este extrasă ulterior de un coc de scurgere în partea inferioară.

Capcana cu sulf de hidrogen

Procedeul pentru extragerea sulfurii de hidrogen din biogaz este similar cu cel al capcanei de apă, dar capcana încorporată pe calea conductei trebuie să conțină chipsuri de fier sau bureți. Când biogazul trece prin patul de fier, hidrogenul sulfurat reacționează cu acesta și precipită.

- Îngrășământ: separare și compostare

Amestecul de biosol și biol este supus unui proces de decantare pentru a separa ambele componente. Biosolul poate fi utilizat singur sau urmează un proces de amestecare cu compostare pentru utilizarea ulterioară ca îngrășământ solid.

Biol este utilizat ca îngrășământ foliar lichid sau adăugat la apa de irigație, ceea ce îl face foarte util în sistemele hidroponice.

Tipuri

Producția de biogaz în Germania. Sursa: Volker Thies (Asdrubal)

Biodigesterii sunt clasificați în funcție de periodicitatea lor de încărcare și de forma structurală. Datorită frecvenței de încărcare, avem:

- Discontinuu

Sistemul discontinu sau discontinuu constă dintr-un rezervor etanș care este complet încărcat și care nu este reîncărcat până când nu a mai produs biogaz. Gazul se acumulează într-un colector plutitor atașat la partea de sus a rezervorului (gazometru).

Acest tip de biodigester este utilizat atunci când disponibilitatea deșeurilor organice este intermitentă.

- Semi-continuu

Spre deosebire de sistemul discontinuu, încărcarea și descărcarea se efectuează în anumite momente în timpul procesului de producție de biogaz. Conform sistemului său de construcție există trei tipuri de bază:

Biodigester cu balon sau cârnați

Se mai numește taiwanez și constă dintr-o groapă plată cu beton, unde este instalată o pungă sau un cilindru din polietilenă. Conexiunile pentru intrarea deșeurilor organice și ieșirea biogazului trebuie instalate în acest sac.

Cilindrul este umplut cu apă și aer și mai târziu se adaugă încărcarea deșeurilor organice.

Biodigestere cu cupole fixe

Este așa-numitul biodigester chinezesc și constă dintr-un rezervor subteran construit în cărămidă sau beton. Rezervorul este un cilindru vertical cu capete convexe sau rotunjite și are un sistem de încărcare și descărcare.

Biogazul se acumulează într-un spațiu stabilit în acest scop sub cupola superioară. Biodigesterul funcționează cu o presiune variabilă a biogazului în funcție de producția sa.

Biodigester flotant al cupolei

Numit biodigester hindus, este format dintr-un rezervor cilindric subteran, cu sistem de încărcare și descărcare. Este construit din cărămidă sau beton și în partea superioară a acestuia se află un rezervor plutitor (gazometru) în care se acumulează biogazul.

Gasometrul din fibră de sticlă acoperită din oțel inoxidabil sau plastic plutește deasupra amestecului datorită biogazului acumulat. Are avantajul că menține o presiune constantă a gazului.

Ulterior, gazometrul urcă și coboară în funcție de nivelul amestecului și de cantitatea de biogaz. Prin urmare, necesită șine laterale sau o tijă de ghidare centrală pentru a evita frecarea cu pereții.

- Continuă

În acest caz, încărcarea și descărcarea biodigesterului este un proces continuu, care necesită o disponibilitate permanentă a deșeurilor organice. Sunt sisteme industriale mari utilizate în general pentru prelucrarea apelor uzate comunitare.

Pentru aceasta se folosesc sisteme de rezervoare de colectare, pompe pentru transfer la biodigestori și extracție de îngrășăminte. Biogazul este supus unui sistem de filtrare și distribuit prin compresie pentru a garanta distribuția sa către utilizatori.

Avantaj

Reciclare și poluare

Instalarea unui biodigester permite reciclarea deșeurilor organice, reducând astfel poluarea mediului și obținând produse utile. În cazul zonelor rurale, este deosebit de importantă pentru gestionarea excretelor animale în sistemele de creștere a animalelor.

Obținerea biogazului

Biogazul reprezintă o sursă de energie eficientă și economică, în principal în zonele în care disponibilitatea altor surse de energie nu este accesibilă. În zonele rurale ale țărilor cu depresie economică, gătitul se face cu lemne de foc, ceea ce afectează mediul.

Disponibilitatea biogazului poate contribui la reducerea cererii de lemne de foc și, prin urmare, are un impact pozitiv asupra conservării biodiversității.

Producția de îngrășăminte

Cu ajutorul biodigesterelor, se obțin îngrășăminte organice solide (biosol) și lichide (biol). Aceste îngrășăminte au un impact mai mic asupra mediului și reduc costurile producției agricole.

salubritatea

Permitând gestionarea corectă a deșeurilor organice, riscurile pe care le prezintă pentru sănătate sunt reduse. S-a stabilit că 85% dintre agenții patogeni nu supraviețuiesc procesului de biodigestie.

De exemplu, coliformele fecale la 35 ° C sunt reduse cu 50-70% și ciupercile cu 95% în 24 de ore. Prin urmare, fiind un proces închis, mirosurile proaste sunt reduse.

Dezavantaje

Disponibilitatea apei

Sistemul este exigent în ceea ce privește disponibilitatea apei, deoarece este necesar un amestec. Pe de altă parte, biodigesterul trebuie să fie aproape de sursa de materie primă și de locul de consum de biogaz.

Temperatura

Biodigesterul trebuie să mențină o temperatură constantă aproape de 35 ° C și într-un interval cuprins între 20 și 60 ° C. Prin urmare, poate fi necesară o intrare externă de căldură.

Subproduse dăunătoare

Poate produce hidrogen sulfurat (H2S), care este toxic și coroziv, și siloxene derivate din siliconul conținut în produsele cosmetice și în amestecul deșeurilor organice. Aceste siloxene generează SiO2 (dioxid de siliciu), care este abraziv pentru utilaje și componente.

Prezența și concentrarea acestor subproduse depinde de materia primă folosită, proporția de apă și substratul solid, printre alți factori.

Acumularea deșeurilor

Este necesar să acumulați deșeuri în apropierea biodigesterului, ceea ce aduce cu sine probleme logistice și sanitare care trebuie abordate.

Riscuri de explozie

Deoarece este un sistem generator de gaz, implică un anumit risc de explozie dacă nu se iau măsurile de precauție corespunzătoare.

Cheltuieli

Deși întreținerea și funcționarea biodigesterului sunt relativ ieftine, costurile inițiale de instalare și construcție pot fi relativ mari.

Cum se face un biodigester de casă

Biodigester acasă. Sursa: Kevinsooryan

Un biodigester necesită ca elemente de bază și un rezervor pentru fermentația, încărcarea și descărcarea conductelor cu blocajele respective. În plus, sunt necesare rezervoare pentru biogaz și îngrășământ.

Este important de reținut că întregul sistem trebuie să fie etanș pentru a preveni scurgerile de gaz. Pe de altă parte, sistemul trebuie să fie construit din materiale inox, cum ar fi PVC sau oțel inoxidabil, pentru a evita deteriorarea apei și a hidrogenului sulfurat.

- Rezervor de fermentare

Se poate folosi un butoi sau rezervor de plastic a căror capacitate va depinde de cantitatea de deșeuri organice care urmează a fi procesată. Acest rezervor trebuie să aibă un capac ermetic sau, în lipsa acestuia, capacul trebuie să fie sigilat cu lipici din plastic rezistent la temperaturi ridicate.

Rezervorul trebuie să aibă patru găuri și toate instalațiile realizate în ele trebuie să fie sigilate cu silicon la temperatură înaltă.

Încărcarea capacului

Acest orificiu se află în centrul capacului rezervorului, trebuie să aibă o lungime de cel puțin 4 centimetri și trebuie instalat un dop sanitar filetat. Acest dop va fi conectat la un tub din PVC de 4 inci care va intra în rezervor vertical până la 10 cm înainte de partea inferioară.

Această intrare va servi la încărcarea deșeurilor organice anterior mărunțite sau mărunțite.

Gaura de evacuare a efluentului 1

Este important să ne amintim că 25% din spațiul rezervorului trebuie lăsat liber pentru acumularea de gaz, deci trebuie să se deschidă o gaură în lateral la acel nivel. În această gaură, un adaptor pentru rezervor cu un segment de țeavă din PVC de 2 inci lungime de 15 cm va fi instalat cu un stopcock.

Funcția acestui dren este de a permite evacuării biolului de supernatant odată ce rezervorul este reîncărcat prin capacul de încărcare. Biol trebuie să fie păstrat în recipiente adecvate pentru utilizare ulterioară.

Gaura de evacuare a efluentului 2

Această a doua scurgere trebuie să meargă pe fundul rezervorului pentru a extrage cea mai densă parte a produsului fermentat (biosol). De asemenea, se va folosi un segment de țeavă din PVC de 2 inci cu o lungime de 15 cm cu un stopcock.

Depozit de biogaz

O gaură de 1/2 inci va fi tăiată în partea de sus a rezervorului pentru a instala o conductă de PVC cu diametrul egal folosind un adaptor pentru rezervor. Această conductă va avea un orificiu de blocare la ieșire.

- Sistem de evacuare și purificare a biogazului

Țeava de evacuare a biogazului trebuie să aibă o lungime de cel puțin 1,5 m, pentru a putea introduce sistemele de extracție a apei și a hidrogenului sulfurat pe calea sa. Acest tub poate fi apoi extins dacă este necesar pentru a transfera gazul în locația de depozitare sau de utilizare.

Extracția apei

Pentru a scoate apa din orificiu, conducta trebuie întreruptă la 30 cm pentru a introduce un recipient de plastic sau de sticlă cu un capac ermetic. Tubul de transfer de gaz trebuie să aibă o ocolire printr-o conexiune T, pentru ca gazul să pătrundă în container.

În acest fel, gazul umple recipientul, apa se condensează și gazul își continuă drumul prin conductă.

Extracția cu sulf de hidrogen

După capcana de apă, în următorii 30 cm se introduce un segment de țeavă de 4 inci cu reducerile corespunzătoare. Acest segment trebuie să fie umplut cu cioburi de fier sau bureți metalici comerciali.

Sulfura de hidrogen va reacționa cu metalul și va precipita, în timp ce biogazul își va continua călătoria spre recipientul de depozitare sau locul de utilizare.

Referințe

1. Aparcana-Robles S și Jansen A (2008). Studiu privind valoarea de fertilizare a produselor din procesul de fermentare anaerobă pentru producerea de biogaz. Germna ProfEC. 10 p.
2. Corona-Zúñiga I (2007). Biodigesters. Monografie. Institutul de Științe și Inginerie de Bază, Universitatea Autonomă a Statului Hidalgo. Mineral de la Reforma, Hidalgo, Mexic. 64 p.
3. Manyi-Loh C, Mamphweli S, Meyer E, Okoh A, Makaka G și Simon M (2013). Digestia anaerobă microbiană (bio-digestoare) ca abordare a decontaminării deșeurilor animale în controlul poluării și generarea de energie regenerabilă. Revista internațională de cercetare ecologică și sănătate publică 10: 4390–4417.
4. Olaya-Arboleda Y și González-Salcedo LO (2009). Fundamente pentru proiectarea biodigesterelor. Modul pentru subiectul Construcții agricole. Facultatea de Inginerie și Administrație, Universitatea Națională din Columbia, sediul Palmira. Palmira, Columbia. 31 p.
5. Pérez-Medel JA (2010). Studiul și proiectarea unui biodigester pentru aplicare la fermieri mici și fermieri. Memorie. Departamentul de Inginerie Mecanică, Facultatea de Științe Fizice și Matematice, Universitatea din Chile. Santiago de Chile, Chile. 77 p.
6. Yen-Phi VT, Clemens J, Rechenburg A, Vinneras B, Lenßen C și Kistemann T (2009). Efecte igienice și producerea de gaze a bio-digestoarelor din plastic în condiții tropicale. Journal of Water and Health 7: 590–596.