NADZORNE ANALIZE I PREPORUKE

ZA OPTIMIZACIJU POSTROJENJA ZA ANAEROBNU DIGESTIJU I BIOMETAN

PREGLED Autori :

Sandra ESTEVES, Sustainable Environment Research Centre (Istraživački centar za održivi okoliš), Sveučilište u Glamorganu (Wales, Ujedinjeno Kraljevstvo)

Martin MILTNER, Tehnološko sveučilište u Beču (Austrija)

Sascha FLETCH, Landesenergieverein (LEV) Steiermark (Štajerska energetska regionalna agencija) (Austrija)

Kao dio isporuke projekta:

Promoviranje biometana zajedno s tržišnim razvojem kroz lokalno i regionalno partnerstvo Projekt je ostvaren u okviru Programa Inteligentna energija za Europu

Broj ugovora: IEE/10/130 ; Referenca isporuke: Zadatak 5.2 Datum isporuke (izvorna varijanta na engleskom): li stopad 2012. ; Hrvatska verzija: kolovoz 2013.

Dokument je na hrvatski prevela Tajana Pavi ć iz prevoditeljskog ureda Pavi ć i Trdak.

.

Kazalo

1. OPIS PREGLEDA .............................................................................................................................................…. 4

2. POTREBA KONTROLE RADNIH KARAKTERISTIKA PROCESA ANAEROBNE DIGESTIJE, SUPSTRATA I PROIZVODA ….5

3. PREPORUKE ZA NADZORNE PARAMETRE I PROGRAME ................................................................................…….10

4. OPĆI PARAMETRI (PROJEKT, RAD I REZULTAT RADA) ...................................................................................……..22

5. OSNOVNA MJERENJA I TEHNIKE ZA NADZOR POSTROJENJA ZA BIOPLIN I BIOMETAN………………………………………….23

6. ZAKLJUČCI ...................................................................................................................................................……..26

7. REFERENCE ..................................................................................................................................................……..27

2 |

Upozorenje :

Odgovornost za sadržaj ovog pregleda nose isključivo autori. Ono nužno ne odražava stajalište Europske unije. EACI i Europska komisija nisu odgovorne za bilo kakvo korištenje informacija koje su u njemu sadržane.

One se prenose širokoj publici u dobroj namjeri; zbog prirode teme i različitosti tehnologija, supstrata, vrsta operacija i tržišta za sirovine, brojni aspekti su morali biti generalizirani. Autori nisu pravno odgovorni za troškove ili specifične, indirektne, kolateralne ili slične gubitke i oštećenja koja su direktna ili indirektna posljedica korištenja ovog pregleda ili informacija koje sadrži. Isticanje tehnike ili komercijalnih proizvoda, njihovih izvora ili upotrebe u vezi s temom ovog dokumenta ne treba tumačiti kao stvarnu ili implicitnu podršku navedenim proizvodima, tehnologijama ili uslugama. Autorska prava :

Nije ovlašteno umnožavanje jednog dijela ili čitavog dokumenta bez pisanog pristanka autora. Ovaj pregled (isporuka 5.2) je preveden na osam europskih jezika.

© Sveučilište u Glamorganu, 2012. zadržava sva autorska prava za fotografije koje su sadržane u ovom pregledu. 3 |

1. Opis pregleda

Ovaj pregled objašnjava važnost i učinak primjene odgovarajućeg nadzora postrojenja za AD i za biometan te analizira različite parametre i tehnike uzorkovanja i kontrolnih programa za sam postupak anaerobne digestije, supstrate koji se trebaju razgraditi, digestate koji nastaju te proizvedeni bioplin. Ovaj dokument također pruža informacije koje se odnose na nadzor pročišćavanja bioplina i tehnološku valorizaciju tog postupka. Ne obuhvaća analizu kontrolnih mjera, sustava i programa koji se mogu primijeniti na postrojenja za AD i za biometan. Ovaj pregled i njegove preporuke pružaju opće informacije o ključnim faktorima koje treba nadzirati kako bi se omogućila kontrola jedinice za anaerobnu digestiju u svrhu:

a) pružanja fleksibilnosti različitog organskog ili hidrauličkog unosa supstrata,

b) osiguranja diversifikacije vrsta supstrata (otpaci i efluenti),

c) obrađivanja otpada do više razine (kad su supstrati svrstani u otpad),

d) maksimalne optimizacije učinkovitosti organske konverzije bioplina/biometana,

e) postizanja digestata i biometana dobre kvalitete,

f) pristupa specifičnijim i zahtjevnijim tržištima digestata,

g) uvođenja biometana na druga tržišta (primjerice na tržište pogonskog goriva i plinske mreže),

h) smanjenja trajanja prekida rada postrojenja/postupka i) smanjenja veličine postrojenja kao i troškova rada (primjerice, doziranje kemijskih proizvoda i toplinska

opterećenja)

j) povećanje ekološke dobrobiti postrojenja i smanjenje njezinih utjecaja.

Na kraju svega, ove će prednosti imati pozitivan utjecaj na ekonomske aspekte jedinica za anaerobnu digestiju i za biometan te će pridonijeti poboljšanju referenci tehnologija tako što će:

a) tehnički osigurati dugoročnu isporuku,

b) omogućiti operativnu fleksibilnost,

c) osigurati postrojenjima status dobrih susjeda,

d) ostvariti ekološke i ekonomske prednosti,

e) osigurati isporuke na temelju obećanja upućenog vladi ili javnosti.

Ovaj će dokument pridonijeti boljem prihvaćanju novih projekata za sustave anaerobne digestije i biometana od strane javnosti i nadležnih tijela za planiranje. Također će dobro doći u stjecanju novih ili zadržavanju već postojećih potpora vladinih politika kao i financijskih inicijativa.

4 |

2. Potreba kontrole radnih karakteristika procesa a naerobne digestije, supstrata i sirovina

Anaerobna digestija je biokemijski postupak koji se odvija u hermetički zatvorenim rezervoarima u kojima se organska tvar mineralizira prvenstveno u metan i u ugljični dioksid kroz seriju reakcija potaknutih različitim skupinama mikroorganizama. (Slika 1) Različite faze postupka mogu se sve realizirati u jednom spremniku, digestoru (koji se ponekad naziva reaktor) ili u odvojenim spremnicima. Rezultat postupka anaerobne digestije je s jedne strane metan koji se može koristiti kao obnovljivi izvor energije, topline ili kao pogonsko gorivo za vozila te s druge strane digestat, čija koncentracija lako razgradive organske tvari treba biti općenito niska, a može sadržavati hranjive tvari. Anaerobna digestija je zanimljiva tehnologija i u pogledu zaštite okoliša, obzirom na pročišćavanje organskog otpada i proizvodnje bioplina. Ekološke dobrobiti uključuju gospodarenje otpadom, smanjenje zagađenja, proizvodnju obnovljivih izvora energije te poboljšanje poljoprivrednih praksi oporabom biljnih hranjivih tvari. Povećanje upotrebe digestata i hranjivih tvari kao i povećanje dobrobiti koja iz toga proizlazi trenutno su predmet dodatnih istraživanja i razvoja. U ovom trenutku postoji u svijetu više od 8 000 postrojenja za anaerobnu digestiju (a da pritom nisu uključena i postrojenja manjih razmjera). Europa danas raspolaže najvećim brojem instaliranih kapaciteta, a širenje se nastavlja i dalje u nekim regijama gdje je naglasak stavljen na pružanju usluga obrade otpada i u velikom broju slučajeva na proizvodnji bioenergije. Prema Međunarodnoj energetskoj agenciji (AIE), u svijetu je postavljeno više od 170 postrojenja za biometan koja obrađuju čitavu paletu supstrata za proizvodnju bioplina korištenog kao pogonsko gorivo ili utiskivanog u plinsku mrežu.

Hidroliza

Složena organska tvar (ugljikohidrati, protein i lipidi) se razgrađuje na molekule manjih dimenzija

Acidogeneza/Fermentacija

Proizvodnja vodika, CO2 i hlapljivih masnih kiselina (HMK)

Acetogeneza

Alkoholi i HMK (>C2) se transformiraju u acetat, vodik i CO2; vodik i CO2 se također mogu ponovno transformirati u acetat

Metanogeneza

Acetat, vodik i CO2 se pretvaraju u metan

Slika 1 – Pojednostavljena shema razli čitih faza postupka anaerobne digestije

Anaerobna digestija je višestruki postupak kojim se može razgraditi mnoštvo organskih supstrata (od raznih vrsta ostataka komunalnog, industrijskog i poljoprivrednog otpada do samih energetskih usjeva). Međutim, takva višestrukost donosi i neke prepreke. U velikom broju slučajeva, postupak mora biti u stanju 5 |

podnijeti supstrate širokog raspona različitih kemijskih i fizikalnih sastava koji su skloni znatno varirati na dnevnoj ili tjednoj bazi te mogu prouzrokovati zastoje u procesu. Uz mnoštvo supstrata koji se koriste (koji se također nazivaju sirovinama), postupak anaerobne digestije se odvija u složenim i dinamičkim sustavima u kojima su usko povezani mehanički, mikrobiološki i fizikalno-kemijski aspekti koji utječu na krajnji rezultat. Istraživanje provedeno u posljednje četiri godine zahtijevalo je stručnost mikrobiologa, kemičara, inženjera i matematičara širom svijeta. Pridonijelo je neprekidnom unaprjeđivanju osnovnih principa procesa kao i boljoj procjeni složenosti i različitosti zbog mješovite kulture bakterija i archaea koje su oprečne prirode. Ipak, složeni aspekti i modeli akcije/reakcije povezani s mikrobnim aktivnostima i ukupnim radnim rezultatom nisu u potpunosti razjašnjeni. Stabilnost procesa ovisi o kritičnoj ravnoteži između simbiotskih stopa rasta glavnih metaboličkih skupina bakterija i archaea (acidogene, acetogene i metanogene bakterije).

Premda je postupak anaerobne digestije prirodno stabilan, različite smetnje mogu poremetiti njegovu stabilnost poput:

a) prekomjernog unosa organskih ili hidrauličkih koncentracija,

b) prisutnosti toksičnih ili inhibitornih spojeva koji mogu spriječiti digestiju zbog narušavanja stanja aktivnih mikroorganizama ili smanjenjem učinkovitosti (aktivnosti) enzima,

c) nedostatak hranjivih tvari ili esencijalnih oligoelemenata koji su važni za očuvanje i rast mikroba

d) otklon od optimalnih operativnih temperatura

Važno je imati na umu da svaka faza pokazuje svojstvene karakteristike, uz tipično najzahtjevniju hidrolizu i metanogenezu. Hidroliza se pokazala kinetički ograničavajućom fazom u digestiji određenih supstrata i nekih masnoća. Ukupna stopa hidrolize ovisi o veličini i obliku supstrata, mikrobnoj koncentraciji kao i o proizvodnji i adsorpciji enzima. Što se tiče metanogeneze, ona je sama po sebi kinetički vrlo ograničavajuća faza za lakše razgradive supstrate. Naime, kratko vrijeme retencije može prouzročiti čisti gubitak mikroba u digestoru obzirom da se metanogeni sporo razvijaju. Rad digestora ne podliježe ograničenjima samo jedne skupine mikroba te stoga u brojnim sustavima, ograničenja doista mogu doći od različitih mikrobnih skupina i to u različitim fazama digestije.

Spanjers i van Lier (2006.) su proučavali približno 400 postrojenja za anaerobnu digestiju širokih razmjera, uglavnom za pročišćavanje otpadnih voda. Utvrdili su da je na 95 % postrojenja, instrumentarij koji se primjenjivao in situ za neprekidno mjerenje, bio ograničen na mjerenje pH, temperaturu i protok vode kao i na protok, razinu i tlak bioplina. Madsen et al. (2011.) su također izložili kako brojna postrojenja rade na temelju analiza ex situ te da se jedino senzori, i to za vrijednosti pH, potencijala oksidoredukcije (potencijal redoks) i proizvodnje plina upotrebljavaju in situ ili neprekidno.

6 |

Sudeći prema aktualnom stanju stvari, autori ovog pregleda dijele isto mišljenje. Ipak, industrija pokazuje veću motivaciju za poboljšanjem razumijevanja procesa te uvođenjem što opsežnijeg nadzora, primjenjujući čak i nadzorne tehnike na daljinu.

U velikom broju slučajeva nestabilnost procesa anaerobne digestije se izbjegla operacijom koja je uz smanjen priljev supstrata daleko ispod maksimalnih kapaciteta. To podjednako znači da su izgrađena postrojenja u pogonu veća nego što je to potrebno, što dovodi do prekomjernog ulaganja, povećanih tekućih troškova te uslijed toga, do smanjenja učinkovitosti. S obzirom da proces potaknut aktivnošću mikroba uvjetuje kao sirovinu organske supstrate, treba prije svega imati na umu da se mikrobi razvijaju isključivo u odgovarajućim uvjetima. Stoga, nedovoljno dohranjivanje digestora i rad uz dužu retenciju ne dovodi nužno do poboljšanja obrade otpada i veću konverziju u bioplin, jer će se povećanje mikrobne kulture ograničiti uslijed nedostatka sirovine. Složenost mikrobiologije tijekom procesa metanizacije ne svodi se na dohranu digestora, već podjednako valja voditi računa o omjeru mikroorganizama: mikrobi s većom stopom konverzije razvijaju se isključivo kad je sustav relativno dobro opterećen ili kad digestor pokazuje smetnje, što dovodi do pretjeranog razvoja metanogenih bakterija iz vrste Methanosarcina (primjerice, De Vrieze et al., 2012.). Usprkos visokoj stopi konverzije, kad dođe do prevladavanja takvih mikrobnih vrsta u digestorima, uglavnom će se proizvesti digestat niže kvalitete koji sadržava relativno veliki organski unos i snažne mirise povezane s visokim udjelom hlapljivih masnih kiselina (HMK), uz mogućnost izazivanja fitotoksičnosti biljaka za vrijeme prosipanja po zemlji. U tom smislu može biti neophodno pristupiti fazi poliranja (anaerobno ili drugačije) digestata.

Značajne razlike nastaju također u pred-obradi supstrata (uvjeti skladištenja ili složenije pred-obrade) koja se primjenjuje kako bi se aktivno povećala njihova hidroliza što ima direktan utjecaj prvenstveno na vrijednost pH ili koncentracije amonijaka i HMK prilikom ulaska supstrata u digestor. Osim toga, određeni broj drugih faktora utječe na odluke koje se tiču rada digestora pri čemu je vrsta procesa digestije zasigurno ključni element. Primjerice, digestori s visokom stopom, poput reaktora UASB, (Upflow Anaerobic Sludge Banket ili digestor s uzvodnim anaerobnim muljnim prekrivačem), osmišljen za rad s niskom razinom suspendiranih čvrstih tvari i masnoća obično se mogu prilagoditi višoj koncentraciji organskog opterećenja te smanjenom vremenu hidraulične retencije (HRT), u odnosu na klasičnije digestore "s idealnim miješanjem" CSTR (Protočni kotlasti reaktor – Continuously Stirred Tank Reactors). To se objašnjava njihovim kapacitetom da zadrže mikrobe u digestoru u granulama, pri čemu one značajno smanjuju mogućnost rastapanja mikroba. Uz to, granularna struktura omogućuje zaštitu osjetljivih metanogena koji se obično nalaze u srcu same granule.

U literaturi se spominju brojne reference za neke poznatije inhibitorne uvjete sustava za anaerobnu digestiju kao i brojni načini kojima se mogu optimizirati sistemske radne karakteristike (Chen et al., 2008.; Fricke et al., 2006.). Međutim, osim varijacija u supstratima i visoke složenosti procesa, određeni broj biokemijskih reakcija mogu podjednako imati antagonističke kao i sinergijske učinke. 7 |

U određenim slučajevima, zbog svih tih faktora teško je prognozirati uspješnost postupka. Neki od tih složenih učinaka pojavljuju se, primjerice, kad se digestija odvija u prisustvu različitih metala i amonijaka, koji otežavaju određivanje točne vrijednosti elementa koji je potreban ili je prisutan preko mjere. Analizom se može istaći prisutnost i drugih važnih elemenata kao što su bioraspoloživost i biodostupnost određenih spojeva, primjerice esencijalnih metala u tragovima. Ipak, teže je definirati njihovu raspoloživost/dostupnost u mikrobnoj kulturi, i neki spojevi (koji se dodaju kao dio supstrata ili putem kemijskih doziranja kao kontrola alkalnosti ili kontrola sumporovodika) mogu čak izmijeniti raspoloživost neophodnih elemenata te prouzrokovati primjerice taloženje.

S obzirom na sve moguće razlike i komplikacije, umjesto dizajniranja i korištenja predimenzioniranih procesa digestije, u pokušaju ublažavanja eventualnih problema razboritije je upotrijebiti druge metode kako bi se povećala učinkovitost AD postrojenja. Taj se cilj može postići aktivnim i redovitim nadziranjem supstrata kao i matrice postupka anaerobne digestije i sirovina. Razumijevanje produktivnosti, kapaciteta i sklonosti AD procesa je temelj koji operaterima može omogućiti donošenje dobrih odluka po pitanju kontrole. One se mogu odnositi na primjerice zamjenu supstrata, dodavanje pH tampona, hranjivih tvari ili oligoelemenata, izmjeni stope organskog ili hidrauličkog unosa, uvođenje pred-obrade supstrata ili post-obrade digestata, ili pak (povremeno) upotrebe pomoćnog procesa uklanjanja amonijaka.

Nastavak istraživanja je temelj za dublje razumijevanje procesa kao i za optimizaciju nadzornih i kontrolnih tehnika postrojenja za anaerobnu digestiju, što će biti popraćeno smanjenjem troškova. Osim toga, ovakvo stjecanje znanja ne treba se provoditi isključivo u okviru laboratorijskih uvjeta, već i putem iskustava u industrijskoj sredini većih razmjera u kojima su uvjeti rada uglavnom promjenjiviji, a programi nadzora su naveliko rašireni pa se stoga mogu potpunije i ocijeniti.

Ograničenja onoga što nadzorni i kontrolni programi mogu postići sigurno postoje. Presudno je razumjeti činjenicu da nije uvijek moguće raditi s različitim supstratima ili pustiti postrojenje u takav rad koji je različit od opće specifikacije rada, a da se pritom ne poduzmu značajnije promjene unutar projekta čija primjena može uzeti dosta vremena, poremetiti normalno funkcioniranje procesa pa čak zahtijevati i značajna ulaganja.

Osim toga, da bi se pristupilo kontrolnim i nadzornim postupcima u svrhu postizanja veće operativnosti i učinkovitosti digestora, može se pokazati korisnim provjeriti kvalitetu digestata, kako bi se primjerice poštivali zahtjevi kriterija koji se odnose na uvjete ispusta efluenta ili kriteriji za prestanak statusa otpada.

Slično tome, kvaliteta bioplina i biometana treba se redovito, ako ne i neprestano provjeravati. U biti, kvaliteta proizvedenog biometana mora biti zajamčena u svakom trenutku. Stoga je neophodno nadzirati i bilježiti važne kvalitativne i kvantitativne parametre prema krajnjoj upotrebi biometana.

8 |

Svakako treba poštivati najrestriktivnije zahtjeve prilikom utiskivanja biometana u mrežu prirodnog plina. Kad se biometan opskrbljuje kao pogonsko gorivo i skladišti u uvjetima visokog tlaka, također je neophodan određeni stupanj nadzora. Potrebno je, uz pravne uvjete, nadzirati i pohraniti za kasniju provjeru i interpretaciju određeni broj specifičnih parametara postrojenja za pročišćenje bioplina koji ovise o odabranoj tehnologiji pročišćavanja. Nadzor nije samo neophodan tijekom puštanja postrojenja u rad već i tijekom samog rada jedinice. Podaci dobiveni nadzorom korisni su i mogu ukazivati na pad kvalitete rada kad se analiziraju unutar životnog ciklusa postrojenja. Također omogućuju poboljšanje učinkovitosti, povećanje produktivnosti te prilagodbu potrebama mreže (smanjenje, otklanjanje zastoja). Na kraju, prikladna pohrana podataka o tipičnim parametrima postrojenja upozorava na njezine potrebe za održavanjem, daje prednost odgovarajućem planiranju (održavanje strojeva, zamjena potrošnih dijelova, nadopuna kemijskim tvarima) te na taj način maksimalno poboljšava ukupnu raspoloživost postrojenja. 9 |

3. Preporuke za parametre i programe nadzora

Unutar svake matrice/faze postrojenja za anaerobnu digestiju i biometan moguće je nadzirati brojne parametre (Slika 2). Autori ovog pregleda napravili su odabir navedenih parametara na temelju dostupnih informacija iz literature, oslanjajući se također na brojne godine praktičnog iskustva vezanog uz istraživanje procesa valorizacije anaerobne digestije i bioplina, kao i kroz rada na postrojenjima velikih razmjera u čitavoj Europi.

supstrati

opći parametri postrojenja anaerobna

digestija

čišćenje i pročišćavanje digestat bioplina

Slika 2 – Interakcija razli čitih faza unutar postrojenja za anaerobnu digestiju i biometan.

Parametri se razlikuju prema fazi/matrici postrojenja za anerobnu digestiju i biometan tijekom koje se mogu mjeriti (Slika 3). Cjeloviti izvještaj koji se odnosi na isporuku Zadatka 5.2 sadržava temeljitije objašnjenje pojedinog parametra. Udruživanje više parametara omogućuje dobro razumijevanje funkcioniranja postrojenja i korištenje određenog broja prednosti, između ostalog optimizacije proizvodnje bioplina i biometana. Nije neophodno ispitati sve parametre u svim postrojenjima, no u određenim slučajevima i u posebnim okolnostima može se pokazati potrebnim mjeriti i dodatne parametre.

Istraživački krugovi i operateri nisu još uvijek uveli niti jedan standardni kontrolni program koji se tiče postrojenja za anaerobnu digestiju, supstrate i digestate; naime, nije postignut dogovor oko najboljeg izbora parametara koje treba nadzirati – s obzirom da su optimalne razine i koncentracije utvrđene samo za neke. Jednako tako nije definirana optimalna i minimalna učestalost mjerenja. Podrazumijeva se da je profitabilnije provoditi češća mjerenja (što donosi i dodatne troškove: troškove vanjskih laboratorija, ulaganje u senzore i uređaje za analizu koji su instalirani u postrojenju, trošak radne snage za realizaciju analiza ex situ ili za kalibriranje i održavanje senzora). Jednom kad se krene primjenjivati kontrolni program, operateri će morati znati interpretirati podatke senzora i rezultate biokemijskih analiza, staviti ih potom u korealaciju te identificirati sve moguće smetnje.

10 |

To će im omogućiti da donesu zaključke o stanju postrojenja, što će dovesti do primjene novih kontrola i korektivnih radnji. Dodatni je izazov kako to što prije realizirati ne bi li se izbjeglo narušavanje funkcionalnosti procesa. Nadzorni protokoli koji se odnose na proizvodnju biometana djelomično su utvrđeni i trenutno su u primjeni, no situacija se razlikuje od zemlje do zemlje. Općenito, provjera kvalitete biometana je dobro definirana te su utvrđeni limiti za neke spojeve, obično nepoželjne komponente (ugljični dioksid, sumporovodik, ukupni sumpor, amonijak, kisik i vodu). Metan se zapravo direktno ne spominje u većini slučajeva, i njegove plinovite karakteristike kao i kvaliteta precizirani su kao zahtjevi u smislu toplinske vrijednosti, Wobbeova indeksa, indeksa gustoće i relativne gustoće. Učestalost kontrole i zahtjevi u pogledu bilježenja podataka mogu varirati te nije uvijek nužan neprekidni nadzor parametara (obično su dovoljne stanke između mjerenja od 15 minuta). Ipak, pristup i točan protokol provjere je općenito predviđen zakonom ili operaterom mreže prirodnog plina.

Stanje i učinkovitost procesa anaerobne digestije može se pratiti uz mjerenje:

• stope konverzije supstrata (kemijska potrošnja kisika (KPK), ukupna kruta tvar (TS)/ suha tvar, uklanjanje organskih suhih tvari ili hlapljive suhe tvari (VS)),

• akumuliranje posrednih proizvoda (hlapljive masne kiseline (HMK), pH, alkalnost, H2, ugljikov monoksid),

• formiranje proizvoda (produktivnost proizvodnje plina, metana, ugljik-dioksida).

Ukratko, općenito se smatra da stopa specifične koncentracije HMK predstavlja kritični parametar u nadzoru postrojenja za anaerobnu digestiju. Pokazalo se da se vrijednost pH pokazuje uz odgodu te da izrazita promjenjivost parcijalnih tlakova H2 predstavlja poteškoće u interpretiranju u brojnim slučajevima. Mogu se jednako mjeriti komplementarni parametri; oni se odnose na mikrobne zajednice (obilnost i raznolikost populacije) i na njihove aktivnosti. Takve analize mikroba su predmet velikog interesa u zadnje vrijeme. Slika 4 podrobno prikazuje moguće kontrolne elemente koji se mogu koristiti u ocjeni rada digestora. Veliki broj tih parametara su detaljnije opisani u cjelovitom izvještaju u okviru Zadatka 5.2.

11 |

Supstrati

TS

VS

KPK

Omjeri C/H/N/P/K/S

Elementi u

tragovima

Organski dušik i

amonijak

Glucidi, proteini

i lipidi

Metali (uključujući

lake i teške)

Temperatura

pH i alkalnost

Patogeni

Biocidi

Potencijal

bioplina ili metana

Veličina

čestica

Fermentacija

Stope

organskog i

hidrauličkog

unosa

Vrijeme retencije

TS i VS

Omjer C/N

Organski dušik i

amonijak

Metalni ioni (natrij,

kalcij, kalij,

magnezij)

pH

Bikarbonat

Alkalnost /

puferski kapacitet

Temperatura

Redoks

potencijal

HMK (ukupni i

specifični) i

dužina lanaca

masnih kiselina

Makro i mikro

hranjive tvari

Protok bioplina i sastav (CH4, CO2, O2, NH3, H2S i H2)

Otopljeni vodik

Bakterijski enzim

Aktivnost i mikrobna

populacija

Digestat

ST

OT

KPK i BPK

pH

Sadržaj N, P, K,

Na, Ca, Mg i S

Patogeni

Ostaci

Potencijal bioplina

i biometana

HMK

Fizički

zagađivači (staklo,

plastika…)

Potencijalno

toksični

elementi ili

inhibitori za biljke,

životinje i mikrobni

receptori (npr. teški

metali)

Pročišćavanje

Protok bioplina i

biometana

Sadržaj plina s

obzirom na CH4,

CO2, O2, H2S,

H2O i NH3

Ostali sadržaji -

čestice,

siloksani,

hlapljive

organske

tvari,

merkaptani,

kisik i

halogeni

Kalorična vrijednost

Wobbeov indeks

Mikrobni agensi

Slika 3 – Kontrolni parametri za svaku relevantnu f azu/matricu operacije postrojenja za anaerobnu digestiju.

12 |

BIOPLIN

Sastav plina Proizvodnja plina

Konačni plinovi Prijelazni

ČVRSTA TVAR Biokemijski parametri u čvrstoj fazi TEKUĆINA

Ukupna čvrsta tvar Kemijski parametri u tekućoj fazi Hlapljiva čvrsta tvar Inertni sastojci

Ugljikohidrati, , AGV provodljivost Metali proteini i Anaerobno

lipides nerazgradivi

Tehnika nabrajanja Amonijak Stanice DNA

Metanogeni

Neaktivne Aktivne

Koenzimi Mikrokalorimetrija

Imunologija ATP

Stanični lipidi NAD ---NADH

Ispitivanja aktivnosti Mjerenja enzima

Slika 4 – Karakterizacijski testovi za anaerobne di gestore u 3 faze.

Slika 5 uvodi nazive koji se svakodnevno koriste da bi se definiralo kako se nadzor i stjecanje podataka može provoditi, što je ovdje zorno prikazano u primjeru kontrole matrice u digestoru.

Francuska verzija 13 |

Mjerni instrumenti in-situ

Analize ex-situ

Analize in-situ

Mjerni instrumenti u slijedu ili neprekidno

Digestor

Primanje podataka on line (u realnom vremenu ili naknadno)

Primljeni podaci /input off-line

Vanjske laboratorijske analize

Tijek uzorka Tijek podataka

Slika 5 - Koncepti/Nazivi koji se koriste za defini ranje nadzornih programa uzoraka i sakupljanja podataka.

Uspješnost nadzornog sustava jednako tako ovisi o odgovarajućem pozicioniranju senzora i provođenju odgovarajućih programa i protokola. To se može primijeniti na bilo kojoj matrici ili u bilo kojoj fazi postrojenja za anaerobnu digestiju, uz najbolje postignute rezultate kad su matrice vrlo heterogene i kod uzoraka na čije karakteristike utječe vrijeme uzorkovanja i uvjeti skladištenja, što je uglavnom slučaj kod sustava za anaerobnu digestiju. U slučaju nadzora in situ, usprkos manjem riziku od poteškoća vezanih uz kvalitetu uzorkovanja i nereprezentativnost uzoraka (kad je digestor dobro izmiješan), senzori imaju često problema s obraštanjem, napose oni koji su u kontaktu sa čvrstim/tekućim sredinama. Također, još jedan element od ključne važnosti je pozicija senzora/sonde ili mjesto uzorkovanja. Senzori in situ za mjerenje u slijedu u kontaktu s čvrstom i tekućom sredinom pokazuju sklonost ka obraštanju; stoga ih treba redovito čistiti i održavati, izuzev slučaja kad su opremljeni za samostalno čišćenje. Mogu ponekad biti smješteni na mjestima na kojima je miješanje sadržaja digestora slabo ili je moguća naslaga anorganskih tvari, ili pak u višem dijelu digestora gdje se formira pjena i kora koja može utjecati na očitavanje vrijednosti, uz iznimku u slučaju kad je uloga senzora mjeriti i te specifične uvjete. Zbog svih tih razloga potrebno je pažljvo razmotriti poziciju uzorkovanja i senzora te je neophodno uzeti u obzir određenu fleksibilnost prilikom projektiranja postrojenja. S obzirom na sve te elemente, dobra strategija se sastoji u raznolikom izboru mjesta uzorkovanja, korištenju više parametara te primjeni redovitog nadzora čime se nadomješta heterogenost uzorka, obraštanje senzora kao i druge smetnje.

14 |

Idealno, nadzorne metode bi se trebale primjenjivati in situ ili u slijedu, automatizirane i u neprekidnoj primjeni, tako da se podaci dobivaju u realnom vremenu. Na taj bi način bilo moguće smanjiti smetnje na najmanju moguću mjeru te dobivati rane pokazatelje neravnoteže ili većih promjena kod statusa mikroba kao i informacije o radu sustava. To bi jednako tako omogućilo neposredno provođenje dodatnih kontrola, čak i na daljinu. Ipak, svi važni parametri ne mogu se trenutno automatski mjeriti in situ ili u slijedu, na temelju neprekidnog praćenja i u realnom vremenu uz podatke koji se primaju on line. Tehničke i financijske poteškoće mogu onemogućiti takva mjerenja; tako u nekim slučajevima, kupnja i funkcioniranje senzora, sondi ili uređaja za analizu pokazuje se relativno skupom, ili je pak pred-obrada uzorka neophodna kako bi se izbjeglo primjerice obraštanje, napose tijekom analize uzoraka koji sadrže suspendirane čestice.

Prilikom odabira metode mora se precizno utvrditi neophodno mjerenje i kvaliteta instrumenata. Moguća je potreba za održavanjem i redovitim kalibriranjem sprava koje su u upotrebi. Potrebno je stoga posebno obratiti pozornost na pravila mjerenja kao i na moguće smetnje, dok instrumente/senzore treba upotrebljavati isključivo u okruženju za koje su projektirani.

Metodologije uzorkovanja tiču se velikim dijelom analize ex situ kao i nadzora u slijedu (većinom u slučaju rada uz prekide), utoliko što je ponekad teško jamčiti reprezentativnost i svježinu/konzerviranje uzorka. Osim toga, ukoliko je unos supstrata isprekidan tijekom dana ili tjedna, tijekom istog tog razdoblja pojavit će se brojne različitosti za vrijeme kontrole sadržaja digestora i bioplina. Primjerice, ukoliko se digestor ne puni za vrijeme vikenda ili je punjenje znatno smanjeno, profili sadržaja bioplina bit će različiti u ponedjeljak u odnosu na četvrtak, nakon izraženijeg punjenja digestora prethodnih dana.

Programi isprekidanog ili neučinkovitog miješanja također mogu prouzročiti nejednak sadržaj u digestoru što može utjecati na homogenost sabranog uzorka. S druge strane, preuzimanje uzoraka koji oslobađaju otopljene plinove poput CO2 imat će utjecaj na neke vrijednosti kao što su pH faktor i alkalnost. Treba uzeti u obzir i druge aspekte poput plastičnih posuda korištenih za uzorkovanje koje mogu apsorbirati manju količinu hlapljivih masnih kiselina i drugih spojeva.

15 |

Ukratko, odabir nestandardnog programa nadzora u smislu odabira parametara i učestalosti analize je prvenstveno opravdan složenošću postupka anaerobne digestije i velikim promjenama u korištenim supstratima, vrstama digestora, operativnim uvjetima i ciljevima postrojenja. Pokretanje

Različiti kontrolni programi postrojenja za anaerobnu digestiju primjenjuju se s obzirom na tri faze operacije postrojenja:

Normalna operacija 1) pokretanje

2) normalan rad koji uključuje «gotovo ili skoro stabilno stanje» kao i više prijelazne operativne uvjete;

, Zaustavljanje

3) zaustavljanje.

Svaka od tih faza ima zasebne zahtjeve po pitanju nadzora. Učestalost kontrole se može smanjiti za vrijeme normalne operacije u "gotovo stabilnim uvjetima"; to se događa, primjerice, u slučaju velikog broja postrojenja koje redovito obrađuju specifični energetski usjev. Za razliku od toga, tijekom faze pokretanja, programi kontrole trebaju se osloniti na puno učestalija mjerenja prilikom čega treba uzeti u obzir više parametara; (posebno kad izvor cjepiva (naslage) dolazi od digestora koji obrađuje različite supstrate) i tijekom prijelaznih operativnih uvjeta; to je primjerice slučaj postrojenja anaerobne digestije koje koristi biootpad, za koji je tipična učestala modifikacija unosa supstrata.

Također je važno razumjeti da određene modifikacije potaknute dohranjivanjem supstrata ili izmjene u operativnim uvjetima mogu uzeti puno vremena za značajniju izmjenu rada postrojenja za anaerobnu digestiju. Stoga može biti korisno primijeniti nadzor za razdoblja, i to za tri vremena hidraulične retencije (HRT), što za neka AD postrojenja može značiti i nekoliko mjeseci. Za to vrijeme i u tim slučajevima, kontrola se mora provoditi učestalije (određeni broj parametara treba provjeravati barem dvaput tjedno). U takvim situacijama, praćenje razvoja parametara postaje važnije od izbjegavanja određenih razina/limita. Zakašnjela manifestacija radnog rezultata ispod optimuma može se povezati s vremenom potrebnim da bi se postigle određene koncentracije nekog spoja u digestoru, primjerice lakih metalnih iona natrija, kalcija i kalija ili amonijaka koji mogu postići samo prekomjernu razinu koja bi mogla nakon nekog vremena dovesti do značajnih zastoja. Ipak, tendencija porasta koncentracija upućivala bi najvjerojatnije na pojavljivanje problema u određenom trenutku. No, to ne mora nužno značiti da će doći do pogoršavanja rada. U biti, premda se neki supstrati i uvjeti rada na početku možda ne toleriraju, digestor se s vremenom može na to naviknuti, i to nakon režima umjerenog unosa koji će omogućiti aklimatizaciju i modifikaciju mikrobne populacije.

Zbog utjecaja faktora koji su prethodno izloženi, teško je dati generalizaciju koja se tiče parametara i adekvatne učestalosti potrebnog nadzora koji se može primijeniti na sva postrojenja za anaerobnu digestiju. Operateri se redovito moraju pozabaviti velikim brojem pitanja koja se odnose na tehničko funkcioniranje. Slika 6 prikazuje pitanja kojima se operateri moraju sustavno baviti.

16 |

Što više operater ima pozitivnih odgovora ("DA"), tim više kontrolni program postrojenja za anaerobnu digestiju mora biti opsežniji.

Supstrat(i )koji

Sadrži(e) inhibitor(e) ili

Digestija pri biocid(e) Visoko topljivi termofilskoj supstrat

temperaturi

Supstrati Temperatura s nedostatnim

digestora esencijalnim oscilira elementima

Digestor koji može povući malo zraka

Digestor sa stopom unosa koja se izrazito i brzo mijenja

Digestor radi s visokom stopom organskog ili hidrauličkog unosa

Digestor s neodgova-

rajućom mješavi-nom

Digestor bez očuvanja mikroorganizama

Supstrati s malo anaerobnih mikroba

Supstrati s

visoko promjenjivim i brzim varijacijama

Populacije digestora su ograničene i nepostojane

Slika 6 – Pitanja na koja operateri moraju redovito davati odgovore.

Dodatno, u ovom je pregledu uložen napor kako bi se označila tri velika razreda rada digestora; oni ukazuju na visinu rizika te daju prijedlog kontrolnog programa za svaki pojedinačno. U svim slučajevima, temperature se mora nadzirati i održavati u optimalnom rasponu (mezofilska ili termofilska) te ne smije doći do ulaska zraka u digestor. Cijepljenje digestora treba se odvijati na bazi izvora digestora koji korektno funkcionira(ju), u idealnom slučaju sa sličnim supstratima, kako bi se unijela odgovarajuća kultura i dobra raznolikost. U svrhu osiguranja velike raznolikosti mikroba, mogu se izmiješati razne vrste cjepiva. Koliko je god moguće, treba ukloniti inertni materijal prije ulaska u digestor ili ga treba Francuska verzija 17 |

Pitanja

podvrgnuti odgovarajućem programu uklanjanja. U suprotno, digestori će se s vremenom ispuniti pijeskom i talogom, što će im umanjiti radni volumen i poremetiti produktivnost procesa miješanja.

Razred A – Optimizirano postojenje za anaerobnu dig estiju koje radi u stabilnim uvjetima – Slabi rizik

U ovoj kategoriji programi nadzora mogu biti prilagodljiviji u pogledu raznolikosti parametara. Učestalost kontrole može također biti manja, u slučaju kad postrojenja za anaerobnu digestiju:

• rade optimalno te se ne iskorištavaju maksimalno ili iznad organske ili hidrauličke stope unosa prema vrsti digestora ili supstrata koji su u upotrebi,

• rade u uglavnom stabilnim uvjetima i u dužim razdobljima (odnosno upotrebljavaju se iste vrste i stope unosa supstrata)

• ne rade u inhibitornim uvjetima (dovoljna, ali ne i prekomjerna količina hranjivih tvari i metala, ne unosi se nikakav biocid, puferski kapacitet je odgovarajući).

U takvim uvjetima, kontrole protoka i sastava bioplina mogu se neprekidno i redovito odvijati te se oslanjaju na tjedna mjerenja faktora pH (svejedno konzultirati objašnjenje tih smetnji kao parametra kontrole u cjelovitom izvještaju) kao i na alkalnost bikarbonata i ukupne koncentracije (barem) HMK. Time se mogu postići racionalne procjene rada digestora. Također se može provoditi tjedna karakterizacija supstrata koja može uključivati barem sadržaj čvrste tvari (TS ili VS) kako bi se provjerile stope unosa digestora. Mogu se povremeno ispitivati i drugi parametri u svrhu provjere ukupnog rada ili poštivanja nacionalnih zakonskih uvjeta kao primjerice, dokaza o kvaliteti digestata. U slučaju promjene rada, neophodno je temeljitije praćenje što je indicirano ukupnim razinama kiselosti i alkalnosti, mjerenjima bioplina i izmjenama u karakteristikama supstrata i digestata. Ovakvim kontrolnim programom za te vrste postrojenja vjerojatno će se izbjeći značajni propusti.

Razred B – Postrojenje za anaerobnu digestiju koje radi u prijelaznim uvjetima - Umjereni rizik

Sljedeći program kontrole odgovarat će postrojenjima za anaerobnu digestiju koja nisu u stavljene u pogon do maksimuma ili iznad organskih ili hidrauličkih stopa unosa za vrstu digestora i supstrata koji su u upotrebi, već rade u određenim razdobljima u prijelaznim uvjetima uz variranje, primjerice, vrsta supstrata ili stope organskog ili hidrauličkog unosa. Kako bi se optimizirao rad (stopa unosa i svaka moguća inhibicija), supstrate valja analizirati barem jednom tjedno s obzirom na čvrste tvari i nešto češće za svaku značajniju promjenu supstrata.

18 |

U ovom posljednjem slučaju, treba također provesti sljedeće karakterizacije:

• omjer C:N:S:P (ugljik : dušik : sumpor : fosfor),

• metali (kalcij, natrij i kalij prema vrsti supstrata).

Praćenje protoka bioplina i plinovitih koncentracija treba se provoditi bez prestanka, a sadržaj digestora treba provjeravati tri puta tjedno u pogledu parametara kao što su alkalnost, faktor pH, stopa specifične koncentracije HMK (kiseline kao što su octena, propionska, maslačna, izo-maslačna, valerijanska i izo-valerijanska). Potrebno je redovito ocjenjivati i druge elemente poput oligoelemenata, amonijaka i određenih alkalnih metala (zemnoalkalijski), ovisno o korištenim supstratima. Ukoliko se pokaže da operacija nije optimalna, može biti potrebno razmotriti veći broj parametara te primijeniti učestaliji nadzor u svrhu primjene djelotvornije kontrole.

Razred C – Postrojenje za anaerobnu digestiju koje radi pri maksimalnim stopama unosa (uklju čujući i sustave za digestiju visoke stope uz nisko vrij eme hidrauli čne retencije) u izrazito prijelaznim uvjetima- Povišen i rizik Druge jedinice za anaerobnu digestiju zahtijevat će rigoroznije kontrolne programe. Primjerice, u slučaju kad digestor kombinira neke od sljedećih operativnih scenarija:

• rad blizak maksimalnoj stopi unosa ili najnižem vremenu retencije koje je predviđeno u specifikacijama projekta,

• postojanje uvjeta koji u nekim slučajevima mogu dovesti do nedostatka hranjivih tvari i oligoelemenata,

• moguć je unos ili generiranje povišenih koncentracija inhibitornih spojeva poput alkalnih metala (zemnoalkalijskih), dugolančanih masnih kiselina ili nekih biocida (sredstva za čišćenje)

• vrlo brza pojava značajnih modifikacija u sastavu supstrata.

U tim slučajevima, praćenje ukupnih parametara koji su povezani s bioplinom, supstratima i digestatom je od temeljne važnosti i može biti korisno mjeriti ih kontinuirano ili donekle kontinuirano u vrlo čestim razmacima, in situ ili u slijedu, uz primanje podataka u kvazi-realnom vremenu. Ukoliko su neophodne ex situ ili biokemijske laboratorijske analize, treba ih realizirati uz što brže postizanje rezultata, kako bi se kontrole, ako su potrebne, mogle bez odgode provoditi. Osim on-line nadzora protoka bioplina kao i sadržaja biometana i sumporovodika (ovisno o vrsti supstrata), može biti neophodno barem jednom dnevno provesti provjeru nekih parametara, i to učinkovitost organskog uklanjanja, alkalnost, stopu specifične koncentracije HMK-a, amonijak i određene alkalne metale (zemnoalkalijske) (prema vrsti supstrata). Treba se također provoditi redoviti nadzor oligoelemenata. Ispitivanje enzimatske bakterijske aktivnosti i mikrobne profilacije može se također pokazati korisnim, napose kad dijagnosticiranje uzroka smanjenja radnih karakteristika digestora nije očigledna iz drugih vrijednosti.

19 |

Brojni digestori visoke stope koji rade s kratkim vremenom hidraulične retencije (manje od četiri dana) za supstrate niskog sadržaja suspendirane krute tvari s nepokretnim mikrobnim konzorcijem obično će isto tako zahtijevati ovu vrstu kontrolnog programa pa se već i unutar tjedan dana može očekivati značajan učinak na biokemiju digestora. Pokazat će se da su drugi fleksibilniji načini nadzora više ograničeni u optimiziranju postrojenja s različitim operativnim uvjetima i sklonošću ka brzoj promjeni te će smanjiti mogućnost pouzdanog utvrđivanja uzroka slabijeg radnog rezultata ili neispravnosti.

U svim slučajevima, važno je imati na pameti činjenicu da s većim brojem nadziranih parametara ima i više modifikacija u uvjetima procesa, čime praćenje postaje fleksibilnije. Nikada nije suvišno raspolagati s informacijom više i što brže dođemo do njih to će se kontrola prije moći primijeniti.

U sustavima u kojima mikroorganizmi imaju ključne uloge, vrijeme ima presudnu važnost. Jednako važne su i analiza i razumijevanje podataka te se stoga znanje i iskustvo operatera ne treba zanemariti. Dobra kontrola pruža operateru uvid u odvijanje procesa anaerobne digestije kao i karakteristike proizvedenog digestata. Nadzorom specifičnih parametara u pravilnim intervalima mogu se zaključiti tendencije, a operateru pružiti mogućnost da unaprijed identificira svaku kritičnu situaciju, ostavljajući mu dovoljno vremena da poduzme preventivne radnje; to je ključni element dugoročnog uspjeha operacija. Ako postrojenja za anaerobnu digestiju nisu podvrgnuta barem jednoj kontroli ključnih parametara, teško da se može očekivati postizanje najboljih rezultata od sustava. To se može usporediti s "upravljanjem vozila bez vjetrobrana ili upravljača". Postaje teško utvrditi mjerilo vrijednosti i optimizirati proizvodnju postrojenja. Jednako je zahtjevno razumjeti koji bi bili osnovni faktori koji dovode do kvara, što posljedično ograničava mogućnost primjene brzih korektivnih radnji (i isplativih u tom slučaju).

Kad se postrojenja ne nadziru i učinkovito ne kontroliraju, rad digestora može biti neoptimalan, a u najgorem slučaju, u digestoru može doći do zastoja na biokemijskom planu. Nužno cijepljenje i ponovno pokretanje digestora može usporiti operaciju za nekoliko mjeseci. Ako se primjerice ne postigne prihvatljiva stopa konverzije organske tvari u bioplin, tad će se uz smanjenu proizvodnju energije pridružiti i povećanje potencijalnih gubitaka emisije u okoliš, što bi se trebalo izbjegavati. Stoga je imperativ dobro razumijevanje stanja procesa na operativnoj razini.

Osim važnosti učestalog nadzora utemeljenog na mnogostrukim kriterijima, korisno je bilježiti i pohraniti podatke kroz duže razdoblje. Te se infomacije trebaju čuvati u lako dostupnom formatu, razumljive različitim operaterima.

20 |

Obično se ne bilježe sve promjene u vrsti supstrata i unosu kao ni načini rada, što otežava interpretaciju razvoja samog procesa i operativnih podataka. Kako bi se mogla analizirati pojava određenih promjena kod postrojenja za anaerobnu digestiju koja nisu podvrgnuta značajnom nadzornom programu, manji uzorci mogu se pohraniti nekoliko mjeseci u za to namijenjenu hladnjaču za analizu u slučaju potrebe.

Brojni istraživači su vršili ispitivanja nad parametrima i programima nadzora za anaerobnu digestiju (Madsen et al., 2011.; Boe et al., 2010.; Monson et al., 2007.). U tom području, nastavljaju se daljnja istraživanja koja se s jedne strane tiču razumijevanja biokemijskih procesa i parametarskih odgovora, a s druge strane razvoja novih kontrolnih tehnika, unaprjeđenja njihove pouzdanosti i smanjenja troškova. Stoga je korisno ne samo nastaviti proučavati sveučilišnu literaturu i komercijalne dokumente, već i budno paziti na nove automatizirane mogućnosti nadzora/senzore/uređaje za analizu koji će se uskoro naći na tržištu, a bit će manje skloni smetnjama i obraštanjima i pružat će podatke u realnom vremenu.

21 |

4. Opći parametri (projekt, rad i rezultat rada)

Postrojenja za anaerobnu digestiju su obično opisana nizom parametara koji su niže navedeni. To su parametri projekta, rada i rezultata rada te sadrže godišnju proizvodnju i korištenje energije. Ta se informacija uglavnom koristi u svrhu sažetka profila postrojenja za anaerobnu digestiju te omogućuje komparativnu analizu između procesa i postrojenja te kartografski prikaz AD potencijala u regijama. Navedeni se podaci obično sakupljaju u fazi projektiranja te se temelje na očekivanim rezultatima, no mogu biti podvrgnuti reviziji ukoliko dođe do promjena u supstratima, radu i procesu. Revizije se mogu provesti na temelju dokumentacije operatera. Informacija pruža opći pregled vrste i rada postrojenja za bioplin i biometan. Takva informacija treba uključivati:

Utvrđivanje vrsta upotrijebljenih supstrata Tehnologija digestije (vlažna ili suha faza, mezofilna ili termofilna, obročno ili neprekidno, čepoliko gibanje ili neprestano miješanje, jedna ili više faza, sustav s anaerobnim muljnim prekrivačem (UASB) ili fiksnim prekrivačem

Stupanj razgradivosti tijekom digestije (% uništene VS)

Koli čina digestata (tona godišnje) Specifikacija tržišta digestata (s ili bez odvajanja faze (tekuće ili čvrste))

Protok dnevnog ili godišnjeg unosa (primjerice, tona po danu/godini) Stopa organskog unosa Kvantiteta suhe organske tvari ili hlapljive čvrste tvari po volumenu digestora po danu (kg VS ili COD/m3.dan) Volumetrijska stopa unosa Količina tvari (vlažna) koja se unosi po volumenu digestora i po danu (kg tvari (vlažne)/m3.d) Vrijeme hidrauli čne retencije (HRT) prosječno vrijeme zadržavanja supstrata u digestoru (volumen digestora m3 / dnevna stopa unosa supstrata m3/d)

Godišnja/dnevna proizvodnja bioplina/biometana (Nm3 CH4/godišnje)

Prinos metana Proizvedeni CH4 po toni supstrata (vlažna masa ili VS ili COD) dodan i uništen (Nm3 CH4 / tona VS dodan ili uništen) Količina proizvedenog metana ili bioplina po volumenu digestora dnevno (Nm3 CH4 / m3 digestor/dan) Standardni uvjeti temperature i tlaka (N) obično 273 K, 1013 hPa

22 |

Energetske valorizacije : po postrojenju, na mjestu proizvodnje i prema tre ćim osobama Valorizacija bioplina: kogeneracija (toplina i električna energija) ili pročišćavanje bioplina u biometan (za utiskivanje u mrežu prirodnog plina ili kao gorivo) Snaga motora ili turbine (MWe) Kapacitet pročišćavanja (Nm3 bioplin/h) i proizvodnje (Nm3 biometan/h) Godišnja i dnevna proizvodnja toplinske ili električne energije (pr. MWhe ili MWhth/godišnje) Godišnja ili dnevna upotreba električne ili toplinske energije po postrojenju za anaerobnu digestiju ili biometan (pr. kWhe ili kWhth/godišnje) Dodatne potrebe za energijom – prirodni plin, lož ulje ili električna energija (kWhe ili kWhth/godišnje)

Sakupljanje i bilježenje ovih informacija dio su uobičajene prakse i u velikom broju slučajeva čine obvezni dio nacionalnih okolišnih propisa kao i izjava o obnovljivim energijama koje potiču državni programi.

5. Osnovna mjerenja i tehnike za nadzor postrojenja za bioplin i biometan

Nadzor jedinica za anaerobnu digestiju i transformaciju bioplina zasniva se na određenom broju analitičkih i tehničkih metoda koje su se razvile i primjenjuju se u brojnim postupcima biotehnologije, kemije i inženjerstva. Međutim, u određenim slučajevima je osmišljena specifična metodologija kako bi se principi mjerenja koji se primjenjuju u brojnim područjima mogli primjenjivati i specifično za sustave bioplina. U brojnim je slučajevima, primjerice, priprema uzoraka bila neophodna zbog biološkog obraštanja i velike količine suspendirane krute tvari u uzorcima.

Principi mjerenja utemeljeni su na ograničenom broju fizičkih, kemijskih ili bioloških karakteristika ili njihovih kombinacija. Određeni principi mjerenja mogu koristiti za više parametara, dok se neki parametri mogu mjeriti upotrebom različitih principa. Odabir principa za nadzor može se uraditi na temelju troškova, preciznosti, neophodnog vremena analize, mogućih smetnji i zahtjevnosti u pripremi uzoraka. Neke od najvažnijih metoda mjerenja koje su bile primijenjene na sustave za anaerobnu digestiju sadrže sljedeće parametre:

1. Gravimetrija • Jednostavna metoda za kvantificiranje spojeva zasnovana na masi (to se ponekad kombinira s pred-obradom (ama), primjerice: zagrijavanje kako bi se smanjila vlažnost zbog karakterizacije TS.

2. Kromatografija

• Fizička metoda separacije koja se zasniva na različitostima afiniteta tvari koje treba analizirati s obzirom na dvije faze, stacionarnu i mobilnu (temelji se na relativnoj topljivosti, adsorpciji, veličini ili naboju prisutnih čestica) • Može se koristiti s tekućinama ili plinovima i za mjerenje pojedinačnih HMK i sastava plina • Ova tehnika se sastoji od više vrsta: kromatografija u plinovitoj fazi (GC), headspace tehnika plinske kromatografije (HS-GC) i tekućinska kromatografija visoke djelotvornosti (HPLC).

Francuska verzija 23 |

3. Elektrokemija • Bazirana na mjerenju električnog potencijala, pomoću elektroda • Može se koristiti na tekućim uzorcima za mjerenje pH faktora, redoksa, provodljivosti i određenog broja iona kao što su amonijak, kalcij, različiti teški metali, karbonati i sulfidi. Koristi se također za mjerenje otopljenog hidrogena.

4. Titracija • Mjerenje kvantitete reagensa koji reagira sa sastojkom koji se ocjenjuje • Može se koristiti za mjerenje alkalnosti i kao zamjenska metoda za mjerenje ukupnog HMK-a

5. Biosenzori • Kombinira se selektivnost bioloških supstanci s mikroelektronikom i optoelektronikom • Može se koristiti za mjerenje BOD-a i u najnovije vrijeme amonijaka i ukupnog HMK-a

6. Elektronski nos za mjerenja plina

• Upotreba mreže elektronskih plinskih senzora, takozvanih "elektronskih noseva" ili registratora hlapljivih spojeva koristi se u mjerenju metaboličke aktivnosti, neizravno • Takva vrsta senzora može imati obećavajući potencijal u području anaerobne digestije jer je neinvazivan. Ipak, ravnoteža tekuće-plinovite faze u sustavu anaerobne digestije je ograničena te bi trebalo provesti i druga istraživanja ukoliko se elektronski nos namjerava upotrebljavati u tom području.

7. Mikrobiologija i molekularni aparati • Više tehnika je moguće koristiti u popisivanju mikroorganizama ili u analizi DNA / RNA. Radi se o mikroskopiji, fluorescentnoj in situ hibridizaciji (FISH), denaturirajućoj gradijent gel elektroforezi (DGGE), lančanoj reakciji polimerazom u realnom vremenu (qPCR) i DNA sekvencerima • Ove su tehnike znatno napredovale u posljednjih nekoliko godina te se može u budućnosti očekivati njihova sve raširenija primjena u sustavima anaerobne digestije

8. Spektrometrija • Mjeri absorbanciju, transmisiju, difuziju, fluorescentnost radijacije u ultraljubičastom (UV), vidljivom (VIS) i infracrvenom (IR) rasponu • Molekularna spektroskopija mjeri tekućine, dok atomska spektroskopija mjeri spojeve u plinovitoj fazi • Ovisno o analizi koja je provedena fotometrijski, mjerenja koncentracije primjerice COD, NH4-N i HMK mogu podnijeti smetnje od strane suspendiranih čestica i inherentne boje uzorka • Značajne primjene tih tehnika za anaerobnu digestiju proučavale su se u posljednjem desetljeću

Određeni principi mjerenja koji su ovdje predstavljeni bili su ili se mogu primijeniti u teoriji kako bi se sastavili instrumenti za mjerenje parametara u slijedu u sustavima za anaerobnu digestiju. Jedan broj ih je konstruiran i korišten u laboratorijima, no u nekim slučajevima nisu se još potpuno razvili kao komercijalni instrumenti (primjerice on line senzor headspace tehnike plinske kromatografije za

24 |

mjerenja HMK (Boe et coll., 2007.) i naizmjenični uređaj za analizu bikarbonatne alkalnosti koji navode Esteves et al., (2000.)). Također se u recentnim tendencijama za nadzor koriste infracrvena (IR) spektroskopija i mješovite tehnike analize kako bi se procijenio određeni broj parametara koji su povezani s anaerobnom digestijom. Spektroskopiju IR su, primjerice, upotrijebili istraživači poput Steyer et al. (2002.), Lomborg et al. (2009.), Jacobiet et al. (2009.), Reed et al. (2011.) i Lesteur et al. (2011.) tijekom nadzora HMK-a, alkalnosti (djelomične ili ukupne), COD-a, ukupnog organskog ugljika (TOC), TS-a i VS-a, za identifikaciju primarnog kanalizacijskog mulja u odnosu na sekundarni mulj, biometanski potencijal u nekim slučajevima za različite supstrate te za rad digestora. Uređaj za analizu koji ne treba puno održavati uspio je isporučiti više parametara i rezultati su bili prilično pouzdani. Ipak, u nekim slučajevima trebala se provesti priprema uzorka filtriranjem ili sušenjem, što znači da se tehnika ne može koristiti in situ ili uz neprekidno bilježenje za prihvat podataka on line. Ipak, zahtjevi za pred-obradom nisu univerzalni. Međutim, moraju se izraditi i kalibrirati podatkovni modeli za željene korelacije, što u velikom broju slučajeva znači određeno vremensko investiranje. Kako model ne mora nužno odgovarati korelacij(i)ama za različite vrste supstrata, to može odgoditi upotrebu navedenih tehnika u industriji. No, jednom kad se model(i) kalibrira(ju), vrijeme ciklusa mjerenja iznosit će tek nekoliko minuta. Značajna istraživanja i razvoj s time u vezi su u tijeku i neki modeli su se već komercijalizirali. Izvjestan broj akademskih ustanova i poduzeća je proizvelo različite modele. Raman spektrometrija se već počela koristiti. Akustična kemometrija se proučava i može imati određeni potencijal za korištenje u sustavima za anaerobnu digestiju (primjerice, Lomborg et al., 2009. i Lhunegbo et al., 2012).

Francuska verzija 25 |

6. Troškovi i zarada kontrole postrojenja za anaero bnu razgradnju i proizvodnju biometana

Podatke o troškovima za praćenje senzora i analizatora, kao i laboratorijskih analiza i/ili ugovora za monitoring bioplinskog postrojenje teško je dobiti. To podliježe različitim situacijama instalacija, i regionalnim specifičnostima. Sžeti prikaz troškovi prema iskustvima iz različitih europskih zemalja prikazan je ispod.

Troškovi za višekomponentne analizatore, koji mjere koncentraciju CH4, CO2, O2 i H2S u kreću se u rasponu od 20tisuća do 80 tisuća eura, ovisno o mjernom principu, razini točnosti, ako je mjerenje kontinuirano ili ne, da li postoji automatska kalibracija i sušenje plina.

Mjere protoka bioplina i biometana, ispravljene za tlak i temperaturu može se postići analizatorima koji koštaju između 5 tisuća i 12 tisuća eura, ovisno o brzini protoka.

pH mjerenje može se obaviti u realnom vremenu ili ex-situ. Trošak uzorka pH je oko 300 € i a s prijenosom signala 700-900 eura više.

.Ex-situ analize mogu se napraviti za biokemijske parametre sirovina i digestata. Navedene se analize može izvršiti na licu mjesta, ili kroz usluge vanjskih laboratorija. Na primjer, trošak za analizator hlapljivih masnih kiselina (VFA), je 35 tisuća eura, dok je cijena instrumenta za titraciju je od 1,7 tisuća do 3,8 tisuća eura. Tome treba pridodati dodatne troškove za potrošni materijal, održavanje i vrijeme upotrebe.

U Tablici 4 se nalaze sažete cijene laboratorijskih analiza prema podacima iz različitih europskih laboratorija.

Parametar Trošak analize

Potencijal bioplina i biometana za substrat ili digestat (ne-kontinuirani test, okvirno 30 dana, različite metodologije)

€ 520 – 800

Sastav bioplina (CH4, CO2, O2 i H2S) € 20 -30

pH € 5 -10

Ukupna suha tvar € 6 - 40

Organska suha tvar € 9 - 40

Elementi (N, P, K…) € 35 - 85

Elementarna analiza (ugljik, dušik, vodik, sumpor, kisik)

€ 210

Koncentracija NH4 € 15 - 40

Metali (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb i Zn) € 65 - 129

Kationi i Anioni (Na, K, P, Cl, nitriti, nitrati…)

€ 80 - 125

Oligoelementi (Co, Ni, Se, Fe…) € 50 - 135

Mikrobiološka kontaminacija (Salmonela, E. coli…)

€ 150 - 210

Specifična metanogena aktivnost € 75 – 280

6.2 Primjer nadzora i poboljšanje efikasnosti postr ojenja Primjer iz tablice ispod prikazuje ekonomsku prednost nadzora kroz povećanje proizvodnje bioplina.

Postrojenje za pro čišćavanje bioplina proizvedenog iz kuhinjskog otpada u biometan (Ujedinjeno Kraljevstvo)

Snaga postrojenja 1 MW

Sirovina (godina) 30,000 tona odvojenog kuhinjskog otpada

Tarifa za proizvedenu energiju (feed-in tarifa)

9,24 p/kWh

Izvozna tarifa za električnu i toplinsku energiju

4,64 p/kWh i 2 p/kWh

Na primjer, 20% povećanja u proizvodnji bioplina u ovom postrojenju AD bi dovelo do povećanja prihoda od oko 200.000 £ godišnje od tarifa za toplinu i električnu energiju. Također je moguće da postrojenja za obradu otpada povećanjem proizvodnje bioplina povećaju i količine oporabljenog otpada što u konačnici može dovesti do povećanog prihoda od naknada.

7. Zaklju čci

Postoje brojni mjerljivi parametri za postrojenja za anaerobnu digestiju i tehnologiju pročišćavanja bioplina. Svejedno, postoji još uvijek određeni broj parametara koji nisu mjereni in situ i u realnom vremenu. U nekim slučajevima to se dovodi u vezu s analitičkim poteškoćama, dok u nekim drugim slučajevima sa značajnim zahtjevima održavanja i troškova. U ovom vodiču za nadzor izabrano je i definirano više parametara, što omogućuje učinkoviti pristup nadzoru. Ti ključni kontrolni parametri odabrali su stručnjaci na temelju istraživanja i razvojnih aktivnosti te praktičnog iskustva iz anaerobne digestije i postrojenja za anaerobnu digestiju u čitavoj Europi. Različiti parametri nadzora mogu se primijeniti u skladu s ciljem postrojenja za anaerobnu digestiju i pročišćavanja bioplina, treba li se provesti kontrola, vrstom i karakteristikama supstrata koji su u upotrebi, tehnološkom vrstom konverzije i tržištem proizvedenog digestata i biometana.

Vrste i karakteristike supstrata, njihova priprema, skladištenje kao i dizajn digestora imat će značajan učinak na radni rezultat postrojenja za anaerobnu digestiju. Osim toga, svaki mnogostruki bakterijski konzorcij može biti jedinstven (u različitosti i kvantiteti) i kemijske reakcije su isto tako složene. Kao posljedica toga, čak i ako postoje sličnosti u performansi, digestori nisu isti i ne odgovaraju uvijek na isti način. Iako postoje osnovne ideje vodilje oko upravljanja radom digestora, precizne optimalne razine različitih biokemijskih sastavnica ne mogu biti precizno definirane. Općenito, učestala karakterizacija supstrata (organske tvari, vlažnost, biorazgradivost, nutritivni element i oligoelementi te eventualno inhibitorni spojevi) koja vodi ka odgovarajućem dizajnu i radu digestora uz povratnu reakciju rezultata rada digestora, primjerice po pitanju protoka metana, kao i rezidualnih pojedinačnih hlapljivih masnih kiselina i alkalnosti, bili bi idealni parametri nadzora. Ti parametri zajedno su u mogućnosti u većini slučajeva diktirati odgovarajuće i vrlo brze kontrolne mjere, neophodne za optimizaciju radnog rezultata digestora. Međutim, katkad se mora provesti temeljitija parametrizacija, kako bi se dobro razumijeli razlozi lošijih rezultata, različitost i kvantiteta različitih mikrobnih populacija. Uz provođenje nadzornih i kontrolnih aktivnosti u svrhu unaprijeđenja rada i učinkovitosti digestora, mogu postojati i drugi razlozi za nadziranje kvalitete digestata, primjerice, kako bi se udovoljilo uvjetima ispuštanja efluenta ili kriterijima za prestanak statusa otpada.

Slično tome, pokazalo se da nadzor kvalitete i kvantitete biometana kao i raznih parametara postrojenja za proizvodnju biometana može značajno pridonijeti dobroj, učinkovitoj, sigurnoj i pouzdanoj operaciji postrojenja za pročišćenje bioplina. Praćenje i pohrana podataka na osnovi određenog broja kvalitativnih parametara biometana je obvezna za utiskivanje plina u mrežu prirodnog plina ili opskrbu vozila gorivom, no precizniji kriteriji različiti su u svakoj pojedinoj zemlji. Ipak, potpuna i dostupna dokumentacija proizvedenog biometana je obavezna i treba se smatrati prednošću tijekom rada postrojenja. Prema primijenjenoj tehnologiji pročišćavanja bioplina, nadzor i pohrana određenih parametara rada postrojenja omogućuju lakše prepoznavanje pogoršanja radnog rezultata postrojenja i mogućnost za učinkovitim poboljšanjem. Usto, preventivno održavanje i kondicioniranje postrojenja i njegovih sastavnica potpomognuto je globalnim režimom nadzora što dovodi do maksimalne radne sposobnosti postrojenja za anaerobnu digestiju.

26 |

7. Reference

Boe K., Batstone D.J., Steyer J.-P. and Angelidaki I. (2010) State indicators for monitoring the anaerobic digestion process. Water Research 44: 5973-5980. Boe, K., Batstone, D.J., Angelidaki, I. (2007) An innovative online VFA monitoring system for the anerobic process, based on headspace gas chromatography. Biotechnology and Bioengineering, 96 (4): 712-721.

Chen Y., Cheng J.J., Creamer K.S. (2008) Inhibition of anaerobic digestion process: A review. Bioresource Technology 99(10): 4044-4064 De Vrieze J, Hennebel T., Boon N., and Verstraete W. (2012) Methanosarcina: The rediscovered methanogen for heavy duty biomethanation. Bioresource Technology 112: 1-9. Esteves, S.R.R., Wilcox, S.J, O’Neill, C., Hawkes, F.R. and Hawkes, D.L. (2000) On-line Monitoring of Anaerobic-Aerobic Biotreatment of a Simulated Textile Effluent for Selection of Control Parameters. Environmental Technology 21(8): 927-936.

Fricke K., Santen H., Wallmann R., Huttner A. and Dichtl N. (2006) Operating problems in anaerobic digestion plants resulting from nitrogen in MSW. Waste Management 27: 30-43. Jacobi, H.F., Moschner, C.R, and Hartung, E. (2009) Use of near infrared spectroscopy in monitoring of volatile fatty acids in anaerobic digestion. Water Science and Technology 60(2), 339 - 346. Lesteur, M., Latrille, E., Bellon-Maurel, V., Roger, J.M., Gonzalez, C., Junqua, G. and Steyer, J.P. (2010) First step towards a fast analytical method for the determination of biochemical methane potential of solid wastes by near infrared spectroscopy. Biorescource Technology. 102(3): 2280-2288.

Lhunegbo F.N., Madsen M., Esbensen K.H., Holm-Nielsen J.B. and Halstensen M. (2012) Acoustic chemometric prediction of total solids in bioslurry: A full-scale feasibility study for on-line biogas process monitoring. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 110 (1): 135-143

Lomborg C.J, Holm-Nielsen J. B., Oleskowicz-Popiel P, Esbensen K.H. (2009) Near infrared and acoustic chemometrics monitoring of volatile fatty acids and dry matter during co-digestion of manure and maize silage. Bioresource Technology 100 (5): 1711-1719

Madsen M., Holm-Nielsen J.B. and Esbensen K.H. (2011) Monitoring of anaerobic digestion processes: A review perspective. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15: 3141 - 3155

Monson K.D., Esteves S.R., Guwy A.J. and Dinsdale R.M. (2007) Anaerobic Digestion of Biodegradable Municipal Wastes - A Review, University of Glamorgan ISBN 978-1-84054-156-5. Reed, J.P., Devlin, D., Esteves, S.R.R., Dinsdale, R., Guwy, A.J. (2011) Performance parameter prediction for sewage sludge digesters using reflectance FT-NIR spectroscopy. Water Research, 45(8): 2463 - 2472.

Spanjers, H. and van Lier, J.B. (2006) Instrumentation in anaerobic treatment - research and practice. Water Science and Technology, 53(4-5): 63-76. Steyer J.P., Bouvier J.C., Conte T., Gras P., Sousbie P. (2002) Evaluation of a four year experience with a fully instrumented anaerobic digestion process. Water Science and Technology, 45(4-5): 495 - 502.

27 |