eigen_frontfoto

Hoe kan biomassa worden ingezet om biogas te produceren?

Anaerobe vergisting gebeurt in een gesloten tank en in afwezigheid van zuurstof. Naargelang de soort(en) afvalstof(fen), het al of niet meeverwerken van mest, de schaalgrootte, de gebruiksvoorwaarden van het eindproduct enzovoort zijn er verschillende vergistingsconcepten mogelijk. Hieronder worden de belangrijkste procesparameters bij anaerobe vergisting beschreven, alsook worden enkele type reactoren besproken.

Procesparameters

In de biogasreactor worden complexe moleculen door micro-organismen afgebroken tot eenvoudige verbindingen zoals alcohol, CO2, CH4, vluchtige vetzuren enzovoort. De micro-organismen functioneren het best wanneer de procesparameters zoals droge stofgehalte, organische belasting, temperatuur, zo stabiel mogelijk worden gehouden. Adaptatie aan nieuwe omgevingsomstandigheden is mogelijk, maar verloopt bij voorkeur met een geleidelijke overgang. Het afbraakproces in de reactor gebeurt in verschillende stappen waarbij elke stap wordt uitgevoerd door een specifieke groep bacteriën. Deze verschillende bacteriegroepen hebben elk hun eigen optimale omgevingsomstandigheden, waardoor de procesparameters telkens moeten afgestemd worden op de meest gevoelige organismen.

Droge stofgehalte

Naargelang het droge stofgehalte (DS) van het vergistingsproces onderscheiden we natte processen (DS < 20%) en droge processen (DS > 20%). De meeste Vlaamse installaties werken met natte vergisting. Natte en droge processen steunen op dezelfde principes maar zullen andere voorbehandelingen, reactorconstructies en nabehandelingen kennen. Bij natte vergisting is het inputmateriaal en digestaat verpompbaar. Dit betekent ook dat voorafgaand aan de vergisting verontreinigingen zoals stenen moeten verwijderd worden. Door verdunning met andere substraten kunnen ook geconcentreerde stromen worden verwerkt. De verwerking van het natte digestaat vraagt echter wel een belangrijke inspanning. Er zijn veel uitvoeringsvormen beschikbaar waarbij de CSTR (continuous stirred tank reactor) de meest voorkomende is.

Droge vergisting wordt voornamelijk toegepast bij de vergisting van GFT afval en andere relatief droge substraten zoals bermmaaisel. Het droge stofgehalte ligt doorgaans tussen de 20 en 40%. Doordat er minder water aanwezig is, die moet gemengd en verwarmd worden in de reactor, is droge vergisting minder energie-intensief dan het natte systeem. Bovendien is er om dezelfde reden een kleinere installatie nodig voor het verwerken van een gelijke hoeveelheid droge stof, is er een beperkte digestaatopslag en zijn de transportkosten lager. Het droge digestaat wordt veelal gecomposteerd. Er zijn verschillende uitvoeringsvormen zoals een liggende fermentor, een silofermentor en garageboxsystemen.

Temperatuur

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen mesofiele processen (32 - 42 °C) en thermofiele processen (48 - 55 °C). Mesofiele vergisting is een robuuster proces in vergelijking met thermofiele vergisting, heeft een lagere energiebehoefte en is minder gevoelig voor toxiciteit. Het proces verloopt trager, maar bij voldoende lange verblijftijd wordt uiteindelijk evenveel biogas geproduceerd. Een temperatuurstijging naar 43 - 48 °C kan bij mesofiele vergisting reeds onomkeerbare schade aanrichten; het tijdelijk afkoeling van de vergister brengt minder schade met zich mee.

Bij thermofiele vergisting verloopt het afbraakproces sneller waardoor een hogere belasting van de reactor mogelijk wordt. Door de kortere verblijftijd kunnen de reactoren ook een pak kleiner gebouwd worden. De hoge temperatuur zorgt voor een afdoding van pathogene micro-organismen. Dit wil echter niet zeggen dat deze methode zonder meer mag toegepast worden als alternatief voor pasteurisatie. Immers, er moet worden voldaan aan Verordening 1069/2009 en alternatieven voor de behandeling 'minimaal 1 uur op 70°C' moeten door de verwerker gevalideerd worden en erkend worden door de bevoegde overheid. Het thermofiele proces heeft een hogere energiebehoefte en is gevoeliger aan verstoring van de procesparameters. Zo kunnen temperatuurschommelingen van ± 2°C al een negatieve invloed uitoefenen op het proces. 

Organische belasting

De organische belasting is de hoeveelheid organische stof (ODS) gevoed per eenheid van reactorvolume. We spreken van een lage belasting bij minder 4 kg ODS/(dag.m³) en van een hoge belasting bij meer dan 8 kg ODS/(dag.m³). Bij een (te) lage belasting wordt een deel van het reactor volume onderbenut, waardoor de investeringskost van de installatie relatief duur uitvalt. Bij een te hoge belasting wordt stress uitgeoefend op de bacteriepopulatie. De procesgevoeligheid stijgt met een stijgende belasting. Schommelingen in organische belasting tot 10 % geven weinig tot geen problemen.

Verblijftijd of Hydraulic Retention Time (HRT)

De verblijftijd in de reactor is de gemiddelde tijd dat het inputmateriaal in de reactor doorbrengt. Wordt er bijvoorbeeld 6 m³/dag gevoed in een reactor met een nuttig volume van 180 m³, bedraagt de gemiddelde verblijftijd 180 m³/(6 m³/dag) = 30 dagen. Het nuttig volume van de reactor is het volume die effectief wordt ingenomen door het af te breken materiaal. De verblijftijd moet minstens zo lang zijn als de verdubbelingstijd van de traagst groeiende bacteriën, opdat de bacteriën niet zouden uitspoelen. Bij mesofiele vergisting worden verblijftijden van 30 tot 40 dagen gehanteerd.

pH

De optimale pH voor het vergistingsproces ligt tussen de 7,5 en 8,2 voor een één-trap-proces. Bij een te hoge belasting van de reactor kunnen vluchtige vetzuren zich opstapelen. Een opstapeling van deze vetzuren zorgt voor verzuring van de reactor. Bij verzuring worden de methanogene bacteriën die instaan voor de omzetting van vluchtige vetzuren tot biogas, geremd en verwerken dus minder vetzuren, wat op zijn beurt opnieuw zorgt voor nog meer opstapeling van vetzuren. Bij een te lage pH komt CO2 vrij in de reactor. Dit zorgt voor een biogasmengsel met meer CO2 en dus een lagere kwaliteit. Het gevormde CO2-gas veroorzaakt daarnaast ongewenste schuimvorming in de reactor. Wanneer dergelijke signalen optreden tijdens het vergistingsproces kan best gekozen worden voor een verlaging van de reactorbelasting, zodat de methanogene bacteriën tijd krijgen om de vluchtige vetzuren te verwerking.

De pH kan onder controle gehouden worden met buffersystemen. De meest gekende buffersystemen zijn een carbonaatbuffer en een ammoniumbuffer. Het onder controle houden van de pH door het toevoegen van extra buffercapaciteit is veelal enkel een tijdelijke oplossing, omdat de oorzaak van de verzuring niet wordt aangepakt.

Verzuring kan gedetecteerd worden met een vetzuuranalyse. De FOS/TAC verhouding wordt gehanteerd als maat voor verzuring van de reactor. Hierbij geeft FOS (= Vluchtige Organische Zuren) een indicatie van de totale vetzuurconcentratie en is TAC (= Totale Anorganische Koolstof) een maat voor de buffercapaciteit. De verhouding tussen beiden is belangrijk en wordt best gehouden tussen 0,3 en 0,4. Een hogere verhouding geeft aan dat zuren zich opstapelen en er te veel gevoed wordt. De voeding verminderen of stoppen met voeden is dan aangewezen. Bij een lagere verhouding mag de voeding worden opgedreven.

Zwavel

Zwavel is van nature aanwezig in de mest, groenteresten enzovoort die de input vormen van de biogasinstallatie. Zwavel kan onder veel vormen voorkomen (elementair zwavel, sulfaat, sulfiet, waterstofsulfide ...). De aanwezigheid van zwavel in de reactor veroorzaakt schade aan leidingen en aantasting van de motor. Het is daarom belangrijk het gevormde biogas en digestaat te ontzwavelen. Dit kan bijvoorbeeld door biologische ontzwaveling, het gebruik van een actieve kool filter of door het toedienen van Fe(II)Chloride, Fe(III)Chloride of FeOH in de reactor.

Ammoniakale stikstof

TAN is de Totale Ammoniakale Stikstof (NH3 en NH4+). Een teveel aan ammoniakale stikstof in de reactor kan inhibitie van het proces veroorzaken. Ammoniak (NH3) is de toxische vorm verantwoordelijk voor deze inhibitie. Het evenwicht tussen ammonium en ammoniak in waterig milieu is afhankelijk van temperatuur en pH. Het aandeel ammoniak neem toe bij hogere temperatuur en hogere pH. Hierdoor zijn thermofiele systemen meer gevoelig N-inhibitie. De ammoniakale stikstof in de reactor is afkomstig van N-rijke producten in de voeding, bijvoorbeeld producten met veel eiwitten. Voor mesofiele processen wordt een richtwaarde van maximaal 6 kg TAN-N/ton digestaat en voor thermofiele processen een richtwaarde van maximaal 3,5 kg TAN-N/ton digestaat gehanteerd.

Sporenelementen

Micro-organismen hebben sporenelementen nodig om te kunnen overleven. Doordat bij vergisting vaak verschillende inputstromen gemengd worden zijn doorgaans voldoende sporenelementen aanwezig. Ook mest bevat alle benodigde elementen. Enkel in extreme gevallen van monovergisting kan het voorvallen dat een toevoeging van bepaalde elementen noodzakelijk blijkt.

Type reactoren

Continuous stirred tank reactor (CSTR)

De continu gemengde vergister is de meest voorkomende reactortype in de praktijk. In dit proces wordt er continu biomassa aangevoerd en vermengd met het aanwezige digestaat in de reactor. Het overtollige digestaat wordt afgepompt naar een mestopslagtank. De CSTR heeft een breed spectrum aan mogelijke input. Het is een relatief eenvoudige menginrichting die eenvoudig te sturen en op te volgen is. Het digestaat is gemakkelijk verpompbaar en er is een goeie warmte-overdracht. Daar tegenover staat dat - afhankelijk van het type mengsysteem - het droge stof gehalte beperkt is tot maximaal 15%. Er is een hoog energieverbruik per ton droge stof vergeleken met andere type reactoren en substraatvoorbehandeling is vaak noodzakelijk. Daarnaast moet er rekening worden gehouden met drijf- of zinklagen en mogelijke schuimvorming. Bij een niet optimale bedrijfsvoering kan geurhinder ontstaan.

CSTR
Figuur: Eenvoudige weergave van het CSTR principe

 

Liggende fermentor of propstroomvergister

Bij een liggende fermentor of propstroomvergister worden de inputstromen binnen genomen aan één zijde van de reactor en door de reactor geleid. Het digestaat wordt afgenomen aan de andere zijde van de reactor. Dergelijke systemen zijn ontworpen voor de droge vergisting van huishoudelijk afval. Dit type reactor heeft zowel cilindrische, parabolische als rechthoekige uitvoeringsvormen. Er is doorgaans weinig voorbehandeling van de inputmateriaal vereist. Doordat er geen volledige menging is in de reactor, maar het materiaal als een prop doorheen de reactor wordt geschoven, zijn de verschillende fasen van vergisting fysiek met elkaar gescheiden, blijft de verspreiding van inhibitoren beperkt en zijn er weinig of geen kortsluitstromen. In vergelijking met de CSTR heeft de propstroomreactor trage bewegende delen om het materiaal vooruit te schuiven, wat minder slijtage met zich meebrengt en zorgt voor een lager energieverbruik. In een propstroomreactor moeten alle onderdelen zeer robuust worden uitgevoerd. Dit brengt een hoge investeringskost met zich mee. Bovendien is slechts een beperkte uitvoeringsgrootte mogelijk.

propstroomreactor
Figuur: Eenvoudige weergave van een propstroomreactor

 

Silo fermentor

Een silo fermentor steunt op dezelfde principes als een propstroomreactor en is eveneens ontworpen voor droge vergisting. Het inputmateriaal wordt bovenaan in de reactor binnengebracht. Ook een deel van het digestaat wordt bovenaan de reactor gebracht als entmateriaal. De reactor bevat geen bewegend delen, waardoor onderhoudskosten en voorbehandeling van de inputmaterialen worden vermeden. De uitvoering in de hoogte zorgt voor een efficiënt ruimtegebruik. Net zoals bij de propstroomreactor heeft een silo fermentor een hoge investeringskost en is hij in uitvoeringsgrootte beperkt.

Silo fermentor
Figuur: Eenvoudige weergave van een silo fermentor 

 

Garagebox vergister

Voor kleinschalige vergisting van droge reststromen wordt vaak gekozen voor een garagebox vergister. Dit is een batchsysteem waarbij het digestaat wordt gerecirculeerd en verspreid over verse biomassa. Wanneer het vergistingsproces is afgelopen wordt de installatie geledigd. Een deel van de biomassa blijft achter om als inoculum te dienen voor de volgende batch. Ook deze reactor heeft geen bewegende delen, waardoor voorbehandeling van het inputmateriaal niet vereist is en de reactor tevens kan gebruikt worden voor vezelig en sterk verontreinigd materiaal. Doordat er niet gemengd wordt in de reactor zijn de biogasopbrengsten eerder laag. Het vullen en ledigen van de reactor zorgt er voor dat het systeem meer arbeidsintensief is ten opzichte van continue processen. Bovendien moeten extra veiligheidsmaatregelen worden genomen omdat bij het openen van de box steeds nog gas aanwezig is.

Garagebox vergister

Figuur: Garagebox vergister

 

Biologie op drager

In anaerobe waterzuivering wordt doorgaans gebruik gemaakt van dragermateriaal in de reactor. Op het dragermateriaal groeit een biofilm die instaat voor de verwerking van verontreinigingen in het afvalwater. De groei van een biofilm op het dragermateriaal zorgt er voor dat de micro-organismen niet uitspoelen uit het systeem en dat kortere verblijftijden mogelijk zijn. Hierbij moet opgemerkt worden dat het dragermateriaal duur is en niet alle soorten methanogenen kunnen hechten op het materiaal. Er moeten tevens aandacht worden besteed aan het voorkomen van verstoppingen en kortsluitstromen.

Biologie op drager
Figuur: Dragermateriaal