Biokaasu

The high sulfur content in biogas plants create several issues

 

Biokaasun tuotantoprosessi koostuu monista monimutkaisista vaiheista, joiden tarkoituksena on tuottaa jätteistä metaania. Perinteiset biokaasulaitokset voivat käyttää monenlaista jätettä syötteenä, mukaan lukien biomassaa. Biokaasulaitokset tuottavat vihreää energiaa, koska syöte on uusiutuvaa. Täten ne myös edistävät kiertotaloutta. Maailman bioenergiayhdistyksen mukaan biokaasun tuotantosektori on yksi kaikkein nopeimmin kasvavista biopolttoainesektoreista. Biokaasutuotannon keskimääräinen kasvu viime vuonna oli 11,2 % ja kokonaistuotanto 58,7 Nm3. Melkein puolet tästä määrästä tuotettiin Euroopassa, jossa on noin 17 000 toimivaa biokaasulaitosta. Saksassa on kaikkein eniten biokaasulaitoksia eli 11 000 laitosta, seuraavina ovat Italia 1 600 laitoksella ja Ranska 800 laitoksella.

Otsonia voidaan hyödyntää monissa biokaasutuotannon prosesseissa. Olemme tunnistaneet kolme otsonin pääkäyttömahdollisuutta biokaasulaitoksissa:

  • Syötteen otsonikäsittely
  • H2S-pelkistys metaanin jalostamiseksi
  • Hajuntorjunta
biogas, ozone, feedstock ozonation, H<sub>2</sub>S reduction, odor control, odor, digester

Yleiskuvaus otsonin käyttömahdollisuuksista biokaasun tuotantoprosessissa.

Käyttötapa

Hyöty

Tulos

Syötteen otsonikäsittely

Hapetus hajottaa suuret polymeerit monomeereiksi

Jopa 150 % parempi substraattien muunto biokaasuksi

H2S-pelkistys metaanin jalostamiseksi

General H2S reduction in the digester

Pienempi H2S-pitoisuus päätyy metaanin jalostamiseen

Hajuntorjunta

Haisevien ja syövyttävien epäpuhtauksien poistaminen

Vähemmän hajua ja rikkivetyä (H2S)

Rikki – yleinen ongelma

Rikkiyhdisteitä ja -ioneja esiintyy yleisesti jokaisessa biokaasutuotannon prosessivaiheessa. Nämä yhdisteet aiheuttavat monia ongelmia, jotka vaikuttavat prosessien yleiseen tehokkuuteen. Esimerkiksi syötteen korkeat rikki-ionimäärät lisäävät rikkiä pelkistävien bakteerien (SRB) määrää, mikä estää metaania tuottavien mikro-organismien, kuten arkkibakteerien, aktiivisuutta. Tämän takia metaanituotanto vähenee ja pelkistettyjen rikkiyhdisteiden, kuten H2S, tuotanto lisääntyy. Jos mädättimestä vapautuu korkeita H2S-pitoisuuksia, prosessiin voi tulla ongelmia hajuista ja syöpymisestä. Hajuongelmat ovat yleisiä etenkin biokaasulaitoksissa, koska H2S:n hajukynnys on yksi alhaisimmista, joita tunnetaan. Tämä aiheuttaa sen, että ihmisen nenä on hyvin herkkä pienillekin pitoisuuksille.

Syötteen esikäsittely

Esikäsittelyä käytetään yleisesti ennen anaerobista mädätysvaihetta. Esikäsittelyvaiheen tarkoituksena on vähentää hydrolyyttisten fermentoivien bakteerien kuormaa tekemällä substraatista helpommin biohajoavaa. Tähän sisältyy muun muassa pinta-alueen lisääminen, monimutkaisten ainesten liuottaminen, polymeerien, kuten selluloosan, rakeisuuden vähentäminen jne. Yleisimmät nykyään käytettävät esikäsittelyt kuvataan alla olevassa taulukossa.

Syötteen yleisimmät esikäsittelyt ennen anaerobista mädätystä.

FYYSISET ESIKÄSITTELYT

Mekaaninen

Jauhaminen hiukkaskoon pienentämiseksi, jolloin biomassa hajoaa helpommin. Lisää prosessin monimutkaisuutta ja kustannuksia.

Terminen

Kuumentaminen (200 oC), häiritsee vetysidoksia (kemiallisia makrorakenteita), parantaa biomassan saatavuutta. Vaatii paljon energiaa.

KEMIALLISET ESIKÄSITTELYT

Emäskäsittely

Usean viikon emäskäsittely helpottaa lignoselluloosayhdisteiden hajoamista. Vaatii isoja kemikaalimääriä, paljon kemiallista käsittelyä ja johtaa hitaaseen prosessiin.

Otsonointi

Linjassa tehtävä otsonointi parantaa merkittävästi stabiilin orgaanisen aineksen biohajoavuutta ja voi jopa kolminkertaistaa biokaasutuotannon.

BIOLOGISET ESIKÄSITTELYT

Mikrobiologinen käsittely

Kompostointi, anaerobinen käsittelyvaihe, joka synnyttää hydrolyyttisiä entsyymejä, jotka helpottavat anaerobisen mädätyksen ensimmäistä vaihetta.

Sienet

Aerobisten sienten puhdasviljely 4 päivän inkubaatioaikana johti jopa 40 %:n kasvuun biokaasumäärissä ja laadun parantumiseen.

Syötteen otsonikäsittelyn hyödyt

Otsoni tunnetaan hapettavista ominaisuuksistaan. Sen on todettu pystyvän hajottamaan osan monimutkaisista orgaanisista aineista, joita käytetään anaerobisen mädätyksen syötteinä. Kun otsonia käytetään esimerkiksi aktiivilietesyötteeseen, vaikutus moninkertaistuu. Jos otsoni annostellaan oikein, substraattien muuntuminen biokaasuksi paranee huomattavasti, kuten alla oleva kuva osoittaa.

ozone, biogas, biodegradability, substrate conversion

Otsonikäsittelyn vaikutus substraatin biohajoavuuteen aktiivilietteessä. TS = kiintoaineet.

 

Otsonikäsittelyllä on tehokas vaikutus monissa tapauksissa, kuten biokaasutuotannossa aktiivilietteestä. Tämä johtuu tällaisessa syötteessä olevasta korkeasta aerobisten bakteerien ja hajoamattomien orgaanisten aineiden määrästä. Tällaisissa olosuhteissa otsoni hapettaa nopeasti kaikki tyydyttämättömät sidokset muodostaen radikaaleja, jotka jatkavat muiden orgaanisten aineiden hapettamista. Tämä reaktiomekanismi johtaa parempaan syötteen biohajoamiseen, mikä taas merkitsee biokaasutuotannon kasvua. Biokaasutuotannon kasvu on suhteessa järjestelmään ruiskutettuun otsoniin. Mitä enemmän otsonia käytetään, sitä parempi biohajoavuus ja metaanimäärä. Edellä viitattu Bougrierin ym. tekemä tutkimus ”Laboratoire de Biogechnologie de l’Environnement” -laboratoriossa osoittaa otsoniesikäsittelyn parantavan biokaasutuotantoa noin 150 % verrattuna käsittelemättömään syötteeseen, kun otsoni on optimaalisella tasolla 0,15 g O3/kiintoainegramma.

Anaerobinen mädätys

Esikäsittelyvaiheen jälkeen syöte menee mädättimeen biokemiallista muuntamista varten. Tässä säiliössä erityyppiset mikro-organismit reagoivat syötteen kanssa eri vaiheissa. Kaikki vaiheet ovat anaerobisia ts. hapettomia. Vaiheista on yhteenveto alla olevassa taulukossa.

Anaerobisen mädätysprosessin vaiheet.

Vaihe

Kuvaus

Hydrolyysi

Isot molekyylit, kuten selluloosa ja proteiinit, hajotetaan glukoosiksi ja aminohapoiksi.

Fermentaatio

Haihtuvien orgaanisten happojen ja alkoholien muodostuminen

Asetogeneesi

Asetaatin, hiilidioksidin ja vedyn muodostuminen

Metanogeneesi

Metaanin ja hiilidioksidin muodostuminen

Metaanintuotanto anaerobisella mädätysprosessilla voidaan suorittaa yksivaiheisena tai kaksivaiheisena prosessina. Ensimmäisessä tapauksessa kaikki edellä mainitut reaktiovaiheet tapahtuvat samassa reaktorissa. Substraatti muunnetaan metaaniksi, jonka pitoisuus biokaasussa on 50–55 % riippuen substraatin tyypistä. Kaksivaiheisessa prosessissa vain reaktiot asetogeneesiin saakka tehdään ensimmäisessä mädättimessä. Metaanintuotanto tapahtuu toisessa vaiheessa, jota kutsutaan metaaninjalostusvaiheeksi. Biokaasun metaanipitoisuudeksi voidaan saada jopa 70 %, kun prosessi jaetaan kahteen vaiheeseen. Tämän takia järjestelmästä tulee tehokkaampi ja seuraavan biokaasun puhdistusvaiheen kustannukset pienenevät.

Hyödyt H2S-pitoisuuden pienentämisestä mädättimen otsonoinnilla

Kun biokaasu tuotetaan kahdessa vaiheessa, H2S-pitoisuutta voidaan pienentää ennen metaaninjalostusta ruiskuttamalla mädättimeen otsonia. Tällä tavalla H2S vähenee jo ennen metaanintuotantoa, mikä johtaa tehokkaampaan järjestelmään ja pienempiin biokaasun puhdistuskustannuksiin. Koska mädätysprosessi on anaerobinen, otsoniruiskutusta on säädettävä huolellisesti, jotta se ei huononna prosessiolosuhteita. Tavallisesti otsoni ruiskutetaan ilmataskuun mädättimen biopedin yläpuolelle. Vaihtoehtoisesti se voidaan ruiskuttaa välisäiliöön mädättimen ja metaaninjalostusyksikön välille.

Lue lisää H2S-pelkistyksestä metaanin jalostamiseksi.

Biogas after treatment

Biokaasussa on metaaninjalostuksen jälkeen usein korkeita rikkivetypitoisuuksia, jotka aiheuttavat ongelmia seuraavissa prosessivaiheissa. Korroosio on yksi ongelmista, koska korkeat H2S-pitoisuudet voivat syövyttää putkia ja prosessilaitteita ja johtaa useiden tuhansien eurojen vuosittaisiin kustannuksiin. Hajut ovat toinen suuri ongelma metaaninjalostuksen poistokaasuissa. Tämä johtuu ihmisen nenän erittäin suuresta herkkyydestä rikkivedyille. Hajureseptorit aktivoituvat jo miljardisosan (ppb) tasoisista pitoisuuksista. Tämän takia jo pieni vuoto prosessiputkista tai prosessivaiheen avaaminen voi aiheuttaa hajuongelman isolle alueelle, sillä kaasupäästö on laimennettava jopa 200 000 -kertaisesti ennen kuin haju peittyy.

Otsoniin pohjautuvan hajuntorjunnan hyödyt

Ozonetech aloitti perinteisistä ratkaisuista ja kehitti innovatiivisen otsonipohjaisen ratkaisun hajupäästöihin, joka parantaa prosessin kustannustehokkuutta ja säilyttää korkean standardin poistotasossa. Yhteenveto perinteisen ratkaisun käyttökustannuksista ja Ozonetechin otsoniin perustuvan ratkaisun kustannuksista esitetään alla olevassa kuvassa.

biogas, odor, operating costs, ozone, solution

Rikkivedynpoistojärjestelmän (H2S) käyttökustannukset: perinteinen järjestelmä (vasemmalla) ja Ozonetechin ratkaisu (oikealla).

 

Kuten edellä olevasta kuvasta voi havaita, Ozonetechin ratkaisun käyttökustannukset ovat yli neljä kertaa pienemmät kuin perinteisen järjestelmän jopa huonommissa olosuhteissa. Pienet käyttökustannukset johtavat suuriin säästöihin vuosittain. Säästö voi olla jopa 100 000 euroa vuodessa. Edellä olevasta kuvasta näkyy myös ratkaisumme joustavuus. On tärkeää säätää järjestelmä asiakkaiden tarpeiden mukaan, koska jokainen biokaasuprosessi on erilainen ja niillä on erilaiset vaatimukset. Tästä syystä jokainen ratkaisu suunnitellaan huolellisesti ja räätälöidään maksimoimaan asiakkaan hyödyt, kuten käyttökustannukset tässä esitetyssä tapauksessa. Kustannussäästöjen lisäksi Ozonetechin ratkaisu varmistaa tehokkuuden ja luotettavan suorituskyvyn koko käyttöiän ajan, mikä merkitsee tehokasta, pitkäaikaista hajunpoistoa.

Yleinen Ozonetechin ratkaisu hajuntorjuntaan koostuu useasta vaiheesta sisältäen RENA Pro otsoniyksiköt ja Nodora-hajuntorjuntaratkaisun (brochure). 

Ozone tech