Atliekų perdirbimas į biodujos, gamybos technologija
Maisto pramonės ir intensyvios žemės ūkio produktų gamybos įmonėse susidaro dideli kiekiai atliekų, kurias privaloma tinkamai tvarkyti ir naudingai panaudoti. Organinės atliekos gali būti naudojamos pašarams, deponuojamos, kompostuojamos, deginamos, užariamos laukuose, perdirbamos į biodegalus ar biodujas. Vakarų Europoje pastaruoju metu į biodujas perdirbamos įvairios organinės atliekos: gyvulių ir paukščių mėšlas, gyvenviečių nuotekų dumblas, skerdyklų, gėrimų pramonės ir kitų maisto gamybos įmonių atliekos. Biodujų jėgainės statomos ūkininkų sodybose, vandenvalos ir maisto pramonės įmonėse. Šiuolaikinėse moderniose biodujų jėgainėse perdirbtos žemės ūkio, pramonės ir gyvenviečių organinės atliekos mažiau teršia dirvožemį, vandenį ir orą. Jose sunaikinamos pavojingos bakterijos ir virusai, sumažinami skleidžiami kvapai, panaudojami vietiniai energetiniai ištekliai. Griežtėjantys aplinkosauginiai reikalavimai verčia žemės ūkio ir maisto pramonės įmones naudoti anaerobines atliekų utilizavimo technologijas. Lietuva, būdama Europos Sąjungos narė, privalo laikytis ES teisinių aktų, reglamentuojančių gamyboje susidarančių biologiškai degraduojančių atliekų tvarkymą, perdirbimą ir panaudojimą. Natūraliai biodegraduojančios atliekos teršia vandenis, orą ir dirvą. Todėl šių atliekų tvarkymą reglamentuoja aplinkos taršą ir atliekų tvarkymą reguliuojantys teisiniai aktai. Žemės ūkio ir maisto produktų gamybinėje veikloje susidarančių atliekų tvarkymą ES reglamentuoja direktyvos, nustatančios bendruosius atliekų tvarkymo principus; reglamentuojančios atskirų atliekų srautų tvarkymą ir tam tikrus atliekų tvarkymo būdus bei įrenginius: Nitratų direktyva (91/676/EEC); Taršos integruotos prevencijos ir kontrolės (TIPK) direktyva (96/61/EEB); ES reglamentas (EC) 1774/2002, nustatantis šalutinių gyvūninių produktų, neskirtų žmonių vartojimui tvarkymo taisykles. Atitinkami Lietuvos teisiniai aktai, reglamentuoja organinių atliekų tvarkymą perdirbimą bei panaudojimą: Atliekų tvarkymo įstatymas; Pažangaus ūkininkavimo taisyklės ir patarimai;Taršos integruotos prevencijos ir kontrolės taisyklės; Šalutinių gyvūninių produktų tvarkymo taisyklės;Lietuvos Respublikos biokuro, biodegalų ir bioalyvų įstatymas. Atliekų tvarkymo įstatymas nustato bendruosius atliekų prevencijos, apskaitos, surinkimo, saugojimo, vežimo, naudojimo, šalinimo reikalavimus, kad būtų išvengta atliekų neigiamo poveikio žmonių sveikatai ir aplinkai, bei pagrindinius atliekų tvarkymo sistemų organizavimo ir planavimo principus. Pažangaus ūkininkavimo taisyklės ir patarimai reglamentuoja laukų tręšimo žemės ūkio ir maisto pramonės atliekomis tvarką bei normas. Taršos integruotos prevencijos ir kontrolės taisyklėmis siekiama mažinti taršą iš stacionarių ūkinės veiklos objektų, bei kenksmingą poveikį aplinkai ir išvengti teršalų permetimo iš vienos aplinkos terpės į kitą. Taisyklėse įtvirtinama integruota taršos prevencijos ir kontrolės sistema, vienijanti vandens, oro ir žemės apsaugos bei atliekų tvarkymo priemones kiaulių fermose, kuriose laikoma daugiau kaip 2000 kiaulių arba 750 vietų paršavedžių ir skerdyklose, kurių skerdienos gamybos pajėgumas didesnis kaip 50 tonų per dieną.Šalutinių gyvūninių produktų tvarkymo taisyklės nustato veterinarijos reikalavimus šalutinių gyvūninių produktų surinkimui, transportavimui, laikymui, tvarkymui, perdirbimui ir naudojimui arba sunaikinimui, kad šie produktai nekeltų pavojaus gyvūnų ir žmonių sveikatai. Priklausomai nuo jų kilmės ir rūšies taisyklės nustato šalutinių produktų sunaikinimo, perdirbimo ir panaudojimo būdus. Taisyklėse nurodyta, kad antros ir trečios kategorijos šalutiniai gyvūniniai produktai gali būti perdirbami į biodujas. Perdirbimo produktus galima naudoti laukų tręšimui. Biokuro, biodegalų ir bioalyvų įstatymu skatinama biokuro ir biodegalų gamyba iš biologinės kilmės žaliavų. Jame nurodoma atskirų institucijų kompetencija skatinant biokuro gamybą ir naudojimą, įpareigoja Vyriausybę ar jos įgaliotas institucijas parengti priemones, užtikrinančias biokuro gamybos ir naudojimo plėtrą skatinančias priemones. Svarbiausias dokumentas, susijęs su atsinaujinančiais energijos ištekliais yra patvirtinta Lietuvos Vyriausybės Elektros energijos, kuriai gaminti naudojami atsinaujinantys ir atliekiniai energijos ištekliai, pirkimo skatinimo tvarka (Žin., 2001, Nr. 104-3713). Šiame dokumente numatomas elektros energijos, gaminamos naudojant atsinaujinančius ir atliekinius energijos šaltinius mažesnio nei 10 MW instaliuotos suminės visų generatorių elektrinės galios įrenginiais, supirkimas. Numatoma, kad elektros energija, kuriai gaminti naudojami atsinaujinantys ir atliekiniai energijos ištekliai, superkama Valstybinės kainų ir energetikos kontrolės komisijos nustatytais ilgalaikiais tarifais, diferencijuotais pagal naudojamų atsinaujinančių ar atliekinių energijos išteklių rūšį.
BIODUJŲ GAMYBOS PROCESAS Biodujų gamyba yra sudėtingas biologinis-cheminis procesas, kurio metu organines medžiagas veikia skirtingų rūšių bakterijos. Proceso metu sudėtingi organiniai junginiai suskaidomi į elementarius, kuriuos metanogeninės bakterijos verčia į biodujas – metano, anglies dioksido ir kitų dujų junginį. Metanogeninės bakterijos yra labai jautrūs anaerobai, todėl temperatūra, rūgštingumas ir šarmingumas, oksidacinis redukcinis potencialas ir kiti aplinkos veiksniai privalo atitikti jų reikalavimus. Medžiagų apykaitos aktyvumas ir metano gamybos intensyvumas taip pat priklauso nuo perdirbamo substrato sudėties, palaikomos temperatūros ir jos svyravimų, išlaikymo trukmės, slopinančių faktorių. Mikrobiologinė veikla biodujų reaktoriuose yra palankiausia esant neutraliai arba silpnai šarminei aplinkai (6,5 < pH < 8,5). Biodujų gamyba yra kompleksinis procesas, kai tuo pačiu metu veikia kelios mikroorganizmų grupės. Dėl šios priežasties, esant subalansuotai žaliavų sudėčiai, substrato rūgštingumas išlieka stabilus. Bioreaktoriaus substrato rūgštingumą galima sumažinti nutraukus bei sumažinus šviežios biomasės tiekimą. Cheminiu būdu galima efektyviau sumažinti substrato rūgštingumą. Tuo tikslu naudojami karbonatai, soda. Cheminį būdą tenka naudoti perdirbant didelę riebalų ar baltymų koncentraciją turinčias organines atliekas. Metano gamyba galima labai plačiose temperatūros ribose – nuo 0 iki 100 ºC. Tačiau kiekvienai procese dalyvaujančių mikroorganizmų rūšiai yra tik jai būdinga optimali temperatūra. Biodujų energetikoje priimta proceso temperatūras skirstyti į tris grupes: psichrofilinę (10 – 25 ºC), mezofilinę (25 – 40 ºC), termofilinę (50 – 65 ºC). Mezofiliniai biodujų reaktoriai dažniausiai naudojami gyvulių mėšlui ir maisto produktų įmonių atliekų perdirbimui. Normaliai fermentacijai reikalinga stabili darbo temperatūra. Biodujų mikrobai, kaip ir kiti gyvi organizmai, yra jautrūs aplinkos temperatūros pokyčiams. Didesni temperatūros pokyčiai gali sutrikdyti biodujų gamybą ir parūgštinti substratą. Rekomenduojama, kad temperatūros kitimo sparta nebūtų didesnė kaip ± 2 oC/h - psichrofiliniame režime, ± 1 oC/h – mezofiliniame ir ± 0,5 oC/h – termofiliniame. Biomasė reaktoriuje išbūna nustatytą laiką, per kurį didesnioji jos dalis suyra ir virsta biodujomis. Šis laikotarpis priklauso nuo biomasės prigimties ir sudėties. Ilgiausiai trunka biomasės rišamųjų medžiagų – celiuliozės ir hemiceliuliozės suirimas. Lengviau suyra baltymai, riebalai ir angliavandeniai. Ilgesnė biomasės perdirbimo trukmė yra susijusi su didesnėmis energetinėmis sąnaudomis, todėl parenkant žaliavas biodujų gamybai ir sudarant biodujų gamybos programą būtina atlikti energetinio efektyvumo įvertinimą. Skerdyklų atliekos (vidurių turinys, kraujas, riebalai) turi didelį energetinį potencialą. Tačiau jų naudojimas yra reglamentuojamas dėl potencialaus pavojaus pernešti ligas, pavojingas bakterijas per biodujų reaktorius į laukus, tręšiamus perdirbta biomase. Dėl šios priežasties skerdyklų atliekos prieš perdirbimą turi būti termiškai nukenksminamos. Tuo tikslu biodujų jėgainėse įrengiami terminio nukenksminimo įrenginiai, autoklavai, kuriuose pavojingos atliekos išlaikomos nustatytą laiką padidintoje temperatūroje (70 - 130 ºC). Biodujų energinė vertė tiesiogiai susijusi su metano koncentracija. Esant metano daugiau negu 55%, biodujos laikomos vertingu kuru. Metanas yra bekvapis, netoksiškas ir lengvesnis už orą. Deginamas metanas virsta anglies dioksidu ir vandens garais.
Biodujų jėgainės struktūra ir technologinė schema priklauso nuo įvairių veiksnių: žaliavos rūšies ir sudėties, jos pristatymo būdo, bioreaktorių tipo ir dydžio, proceso parametrų, perdirbto substrato panaudojimo, pagamintų biodujų kiekio ir sudėties, energetinės konversijos įrenginių tipo ir kiekio, pagamintos energijos vartotojų. Klasikinėje biodujų jėgainėje įrengiami žaliavos surinkimo, paruošimo bei transportavimo įrenginiai, bioreaktoriai, pagamintų biodujų saugyklos, valymo ir deginimo įrenginiai, perdirbtos biomasės rezervuarai, separatoriai, technologinių įrenginių valdikliai ir duomenų kaupikliai, elektros ir šiluminės energijos tinklai bei paskirstymo įrenginiai. Perdirbama biomasė į biodujų reaktorių tiekiama tiesiogiai vamzdynais iš atliekų prieduobės. Transportuojant vietoje pakanka įrengti vamzdynus ir siurblį. Skystosios atliekos biodujų jėgainės sandara ir technologinė schema priklauso nuo įvairių veiksnių: žaliavos rūšies, sudėties bei jos pristatymo būdo, bioreaktorių tipo ir dydžio, proceso parametrų, perdirbto substrato panaudojimo, pagamintų biodujų kiekio ir sudėties, energetinės konversijos įrenginių tipo ir kiekio, pagamintos energijos vartotojų. Rauginant atliekas visą darbą atlieka anaerobiniai mikroorganizmai. Į bioreaktorių mikroorganizmai įvedami vieną kartą pirmojo paleidimo metu. Toliau jokių papildomų mikroorganizmų ir sąnaudų nebereikia. Mikroorganizmai įvedami vienu iš trijų būdų: 1) mikroorganizmų koncentrato įvedimas; 2) pridedant šviežio mėšlo arba 3) pridedant biomasės iš kito veikiančio reaktoriaus. Paprasatai naudojamas 2 ir 3 būdas dėl pigumo. Mėšle mikrobų yra, ir jie patenka į jį dar iš gyvūnų žarnyno. Šitie mikroorganizmai naudingi, ir nei žmogui, nei gyvūnams nėra žalingi. Be to, reaktorius – tai hermetiška sistema. Organinės atliekos bus tiekiamos į reaktorių porcijomis, siekiant reguliuoti gaminamų biodujų kiekį. Biomasė biodujų reaktoriuose turi būti nuolatos arba periodiškai maišoma, kad nesisluoksniuotų ar nesusidarytų nuosėdos. Perdirbama biomasė šilumokaičiais bus pašildoma iki procese naudojamos temperatūros. Šilumokaičiai bus įrengti bioreaktoriaus viduje. Bioreaktoriaus viduje įrengti šilumokaičiai pašildis šviežią žaliavą ir palaikis reikalingą substrato temperatūrą. Reaktoriu tarnavimo laikas daugiau kaip 25-30 metų.
BIODUJŲ JĖGAINIŲ PRODUKTAI
Perdirbtą biomasę galima naudoti laukų tręšimui, koncentruotų trąšų ar komposto gamybai. Substratas separuojamas, o tirštoji frakcija kompostuojama arba granuliuojama. Skystoji dalis panaudojama laukų laistymui. Pagrindinis biodujų jėgainės produktas – biodujos, jos naudojamos elektros bei šiluminės energijos gamybai jas deginant vidaus degimo variklyje, kuris suka elektros generatorių. Toks agregatas (kogeneratorius) gamina elektros ir šiluminę energiją. Jame naudojamas sinchroninis elektros generatorius. Variklis yra dujinis, naudojantis biodujas. Šiluminė energija yra išgaunama iš variklio aušinimo sistemos. Biodujų gamyba iš organinių atliekų ar energetinių augalų masės yra ekonomiškai patraukli veikla. Energijos gamyba iš vietinių atsinaujinančių resursų plėtoja vietos ekonomiką, stimuliuoja naujas veiklos rūšis, didina užimtumą. Pavyzdžiui 1 MW biodujų jėgainėje sukuria 2-5 darbo vietas: žaliavoms ir perdirbtai biomasei transportuoti, jėgainei prižiūrėti bei ekspluotuoti. Biodujų gamybai naudojamos labai pigios žaliavos arba jos nieko nekainuoja. Antra vertus, už atliekų perdirbimą imamas mokestis. Šis mokestis kartais sudaro apie pusę biodujų jėgainės pajamų. Biodujų gamybos ekonominis efektyvumas priklauso nuo biodujų jėgainės statybos kainos ir gautų pajamų už atliekų utilizavimo paslaugas bei gamybos produktus-biodujas, metaną ar pagamintą šiluminę ir elektros energiją, trąšas.