1. No category

Biokaasulaitoksen
käyttäjäkoulutus
Aiheet
•
•
•
•
Biokaasuprosessi – ”Mitä pöntössä tapahtuu?”
Raaka-aineet ja kaasuntuottopotentiaali
Prosessin seuranta ja mittaukset laboratoriossa
Seurantakaavakkeen koulutus ja reaktorin hoitoon
liittyvät päivittäiset rutiinit
Susbio – Sustainable utilization of waste and industrial non-core material
Euroopan Unionin, Central Baltic INTERREG IV A
puiteohjelman 2007-2013, rahoittama tutkimus- ja
kehitysprojekti.
• Kokonaisbudjetti n. 1,5 milj.€
• Kesto 5.2012 – 8.2013
• Turun Ammattikorkeakoulu
• Tallinn Technical University
• Aiheita
• Terveysvaikutteisten komponenttien eristys teollisuuden
syötäväksi kelpaavista sivuvirroista, Bioenergian tuotanto pilotkokoluokassa, raaka-ainevirrat, menetelmiö ja tekniikoita raakaaineiden prosessointiin jne.
Biokaasulaitokset meillä….
• Suomessa biokaasulaitoksia on ollut 90-luvun alusta lähtien.
• Pääasiassa biokaasua hyödynnetään kaatopaikoilla,
teollisuudessa, maatilojen yhteydessä ja yhteislaitoksina.
• Vuonna 2009 Suomessa
• 18 biokaasulaitosta jäteveden puhdistamojen tai teollisuuden
yhteydessä
• maatilojen yhteydessä 9 laitosta
• yhteiskäsittelylaitoksia 6
• Suunnitteilla olevia laitoksia 14. Suomen kaatopaikoista 33:lla
biokaasua kerättiin talteen vuonna 2008
• Vuonna 2008 Suomessa tuotettiin biokaasua 142,14 miljoonaa
kuutiota. Tästä määrästä tuotettiin lämpöä 405,5 GWh ja sähköä
56,6 GWh.
…ja maailmalla, Ruotsi
• http://www.biogasportalen.se/BiogasISverigeOchVarlden
/Anlaggningskarta#lan=undefined
…ja Saksassa
Esimerkki biokaasuprosessista
Energiakasvit
- maissi,
sokeriruoko
Maatalous
-lanta
Biokaasu
Biokaasuprosessi
-kasvimassa
Biohajoava
jäte
-teollisuus
-yhdyskunnat
Jäännös
- ravinteet
- org. aines
Pelto
- Lämpö
- Lämpö ja
Sähkö
- Maakaasuverkko
- Alueverkko
- Liikennepolttoaine
Biokaasuprosessin eri vaiheet
• Materiaalien vastaanotto ja varastointi
• Mahdollinen esikäsittely (murskaus, hygienisointi 1 h,
70°C)
• Varsinainen reaktorikäsittely
• Jälkikäsittelyt
• Jälkikaasuallas (10-15 % kokonaiskaasuntuotosta)
• Neste-kiinteä -erottelu (fosfori kiinteään ja typpi nestejakeeseen)
• Lopputuotteet; kaasu ja mädätysjäännös
• Biokaasun käsittely käyttökohteesta riippuen (pesu,
kuivaus, puhdistus, paineistus)
Mistä biokaasu koostuu?
• muodostuu mikrobien hajottaessa orgaanista ainesta hapettomissa
•
•
•
•
(anaerobisissa) olosuhteissa
tuotantoon voidaan käyttää lähes kaikkea orgaanista ainesta
koostuu
60 – 75 % metaanista
25 – 40 % hiilidioksidista ( + rikkivety, ammoniakki,
vety, häkä)
voidaan käyttää: lämpö, sähkö, mekaaninen energia,
liikennepolttoaine
biokaasun laatu ( metaanipitoisuus, kosteuspitoisuus jne.) on
suoraan verrannollinen CHP- prosessin toimintaan. Alhainen
metaanipitoisuus aiheuttaa käyttökatkoksen.
Anaerobinen hajoaminen
• Raaka-aineen hajoaminen reaktorissa on
monivaiheinen prosessi, josta vastaavat erilaiset
mikrobiryhmät
• Prosessin päävaiheet:
• hydrolyysi (’yhdisteen hajoaminen’)
• happokäyminen (asidogeneesi)
• etikkahapon muodostuminen (asetogeneesi)
• metaanintuotto = biokaasun tuotto (metanogeneesi)
• Hajotuksen hitain vaihe määrittää koko prosessin
nopeuden
Lainattu T. Paavolan esityksestä
Meso- vs. termofiilinen prosessi
• Termofiilinen prosessi (~55 °C)
• Käsiteltävän jätteen nopea hajoaminen
• Korkeampi kuormitus
• Pienemmät reaktorirakenteet
• Herkempi lämpötilan ja pH:n muutoksille sekä
inhibitiolle
• Mesofiilinen prosessi (~37 °C)
• Vakaa toiminta
• Alhaisempi lämmitystarve
Toimivan prosessin lähtökohdat
• Lämpötila
• bakteerit eivät kestä suuria lämpötilan muutoksia, varsinkaan nopeita
muutoksia (± 1°C)
• pH
• bakteerien toiminnan edellytyksenä on tietty pH alue (pH 7-8), raaka-aineen
puskurointikyky vaikuttaa pH:n stabiiliuteen
• Sekoitus
• tasainen sekoitus pitää reaktorin massa homogeenisena (ravinteiden tasainen
jakautuminen) ja tasalämpöisenä, estäen kerrostumien muodostumisen
• bakteerien metaboliatuotteiden vapaa kulkeutuminen pinnalle
• sekoituksen optimointi kustannusten ja kaasuntuoton suhteen on erityisen
tärkeää
• Kuormitus (organic loading rate, ORL)
• 2-3 kgVS/m3d
• Viipymä
• ˃ 20 d
Raaka-aineet ja niiden kaasuntuottopotentiaali
Sisältö:
Kaasuntuottopotentiaali
Yhteismädätys ja sen haasteet
Kaasuntuottopotentiaalin määritys AMK:ssa
Case tuloksia;
AMPTS II (perkuujäte)
Pilot
Kaasuntuottopotentiaali, yleistä
• Biokaasulaitoksella voidaan käsitellä mm.
•
•
•
•
jätevesilietteitä yhdyskuntien ja teollisuuden puhdistamoilta
kasviperäisiä jätteitä
eläinperäisiä sivutuotteita kuten ruokajätteet
lanta
• Biokaasun sisältämä metaani muodostuu syötteen sisältämän orgaanisen
aineksen (VS) hajotessa.
• kaasuntuottopotentiaalilla tarkoitetaan raaka-aineen kykyä tuottaa biokaasua
• tutkimuksia tehty runsaasti, mutta vertaaminen vaikeaa, koska ”jokainen
prosessi on yksilö”
Kaasuntuottopotentiaali, yleistä
Yhteismädätys ja sen haasteet
Yhteismädätyksellä tarkoitetaan vähintään kahden eri raaka-aineen käyttöä anaerobisessa
mädätyksessä
•
•
•
tarkoituksena parantaa mädätyksen tehokkuutta
huomattavia taloudellisia ja ekologisia etuja verrattuna yhteen raaka-aineeseen
metaanin tuotto saattaa kasvaa jopa 50 – 200 %
Parantunut kaasuntuotto johtuu monesta tekijästä
• yhteismädätyksessä laajempi ravintomateriaali takaa helpommin kaikki tarvittavat
hivenaineet ja muut tarvittavat ravintoaineet
• yhteismädätyksen suurin haaste on ravintoseoksen erilaisten parametrien
tasapainottaminen
• ravinteet, hiili-typpi –suhde, pH, erilaiset inhibiot, orgaanisen kiintoaineen määrä
•
Seoksien suunnittelussa kannattaa ottaa huomioon myös seoksen pumpattavuuden
saavuttaminen
Yhteismädätyksen tavoitteena pitää olla stabiili prosessi, jolloin
pystytään ottamaan mahdollisemman paljon raaka-ainetta vastaan
Kaasuntuottopotentiaalin määritys
AMK:ssa
Case I
• voidaan määrittää yksittäisen raaka-aineen kaasuntuottopotentiaali
(AMPTS II)
• kesto: muutama viikko
Case II
• voidaan määrittää erilaisten seosten kaasuntuottopotentiaali
jatkuvatoimisella AMPTS II laitteistolla
• kesto: ylösajo plus kolme viipymää
Kaasuntuottopotentiaali laitteisto
Case tuloksia; AMPTS II ja Pilot-laitteisto
Pilot-kokeen asetukset:
• 5%-hapotettua kalaa ja 95% jätevedenpuhdistamon liete
• kuormitus (OLR) 2-3,5 kg VS / m3d
• VFA alle 10 mmol/l
• laskennallinen kesto 108 päivää
Tulokset:
• metaanintuotto (Liete / yhteismädätys) 0,19 / 0,33 m3CH4/ kgVS
• metaanintuotto kasvoi 74 %
• Kokonais-VFA KA (Liete / yhteismädätys) 6 / 11 mmol/l
Yhteenveto:
• Hapotetussa kalassa on hyvä kaasuntuottopotentiaali ja se vaikuttaa positiivisesti
kaasuntuottoon myös yhteismädätyksessä
• Kaasunkoostumus säilyy samana (metaani 64%, hiilidioksidi 34%)
• Yhteismädätys ei mahdollistanut kuormituksen nostoa tässä kokeessa
Prosessin seuranta
Biokaasuprosessi
Sisällysluettelo
•
•
•
•
•
•
Miksi mitataan?
pH
VFA
TS/VS
Alkaliteetti
Ravinnemääritykset
Miksi mitataan?
• Mittaukset kertovat reaktorin tilasta
• Voidaan ennalta ehkäistä mahdollisia
ongelmatilanteita
– esim. ylikuormitus, inhibitio
• Varmistetaan reaktorin toimivuus  voidaan
vastaanottaa syötteitä tasaisesti
Säästää aikaa ja rahaa
pH
• Prosessin pH vaihtelee orgaanisesta kuormituksesta
riippuen
• Jokaisella mikrobiryhmällä on oma optimaalinen pHalueensa
– metaanibakteerien optimaalinen pH-alue on 6,5 – 7,5
– haponmuodostajabakteerien optimaalinen pH-alue on
5,2 – 6,3
• Liiallinen syöttö johtaa haponmuodostajabakteerien
aktiivisuuden lisääntymiseen, jolloin VFA-pitoisuus kasvaa ja
pH laskee. Tällöin metaania tuottavien bakteerien elinolot
kärsivät, jolloin metaanintuotto laskee
pH
• Jos syöttö häiriintyy tai keskeytyy, voi pH nousta liikaa.
Tällöin haponmuodostajabakteerien toiminta häiriintyy ja
koko prosessi saattaa pysähtyä, koska metaanibakteereille ei
ole enää ravintoa
• pH mitataan kalibroidulla ja/tai viritetyllä pH-mittarilla,
jonka elektrodi on tarkoitettu lietteiden mittauksiin
• Toimivan prosessin pH on välillä 7-8
Pilotprosessin dataa lisäravinnejaksolta
VFA
• VFA eli haihtuvat rasvahapot (volatile fatty acids)
• Yksi tärkeimmistä indikaattoreista biokaasuprosessin
seurannassa
• Haihtuvien rasvahappojen kertyminen mädätteeseen kertoo
tyypillisesti
– liian suuresta kuormituksesta
– viipymä on liian lyhyt
– uutta syötettä lisätään reaktoriin liikaa.
VFA
• Rasvahappojen kertyessä mädätteen pH
alkaa laskea, mikä heikentää pH-vaihteluille
herkkien mikrobien toimintaa ja näin
vähentää kaasuntuottoa
• Sopivat VFA:n raja-arvot ovat
reaktorikohtaisia ja ne pitää määrittää
erikseen
Pilotprosessin dataa ylikuormitusjaksolta
Pilotprosessin dataa tuotantojaksolta
VFA
• Analyysissä määritetään haihtuvien
rasvahappojen pitoisuus näytteestä
(g/L, g COD/L, mmol/L)
• VFA:n pitoisuusanalyysi tehdään
kaasukromatografilla, jolloin
näytteen sisältämien rasvahappojen
pitoisuudet määritetään
standardisuoraa apuna käyttäen
• Kaasukromatografi on tarkka
analyyttinen laite, jolla voidaan
määrittää hyvin pieniä pitoisuuksia
TS/VS
• TS eli kiintoainepitoisuus (total solids)
• VS eli orgaanisen aineen määrä (volatile solids)
• Määritys tehdään sekä mädätteestä että syötteestä
polttomenetelmillä
• Määritys tehdään mädätteestä kerran viikossa ja jokaisesta
syöte-erästä
TS/VS:stä lasketaan reaktorin kuormitus (kgVS/r-m3d)
Kuormitus on tärkein parametri prosessin
seurannassa
Alkaliteetti
• Alkaliteetti kuvaa reaktorin puskurikapasiteettia (mg
CaCO3/L, mmol/L) eli kykyä vastustaa pH:n muutosta
• End point titrausanalyysi, jossa näyte titrataan 1 M
suolahapolla automaattititraattorilla pH-arvoon 4,5
• Voidaan laskea VFA:n ja alkaliteetin suhde, jonka pitäisi olla
< 0,25
• Suhdelukua seuraamalla havaitaan muutokset prosessissa
ennen kuin häiriö vaikuttaa pH-tasoon
Ravinnemääritykset
• Käytössä Lasa 100 –spektrofotometri, jolla
voidaan määrittää erilaisia kaupallisia kittejä
(Ntot, NH4-N, Ctot, liukoinen-P, COD)
• Määritetään prosessin ravinnetasapaino
(C:N:P)
Ravinnemääritykset
• Kittitestissä näyte muodostaa värillisen
yhdisteen käytettyjen reagenssien kanssa.
• Mitä vahvempi näytteeseen muodostuva väri
on, sitä suurempi on näytteen sisältämän
tutkittavan aineen pitoisuus. Lasa 100 mittaa
värin absorbanssin ja laskee mitattavan
aineen pitoisuuden (g/L)
Prosessin seurannan päivittäiset rutiinit
Päivittäisen seurannan merkitys
Datan keruu
Muut havainnot
Reagointi tuloksiin
Case: Pilotprosessin ohjaus
Päivittäisen seurannan merkitys
• Käsitys prosessin tilasta
• syötteestä saatava metaanimäärä (m3 CH4/kgVS)
• prosessin kaasuntuotto (m3/m3d)
• Laitteiston rikkoutumisen ehkäiseminen, kun vika huomataan ajoissa
• Perusta prosessin optimoinnille
• Analyyseillä pyritään keräämään tietoa mikrobipopulaation tilasta!
• Päivittäiset mittaukset saattavat olla ensimmäinen indikaattori prosessin
ongelmasta
Datan keruu
•
•
•
•
•
•
kaasumäärä
kaasun koostumus
syöttömäärä ja –laatu (huom. VS %)
reaktorin lämpötila
poikkeukselliset tapahtumat
CHP:n sähkön ja lämmöntuotto
Pilotprosessin dataa tuotantojaksolta
Pilotprosessin dataa tuotantojaksolta
Muut havainnot
•
•
•
•
vaahtoaminen
hajut (esim. kaasuvuoto)
oudot äänet (esim. pumppu rikkoutumassa)
kondenssivesi
Reagointi tuloksiin
• Suuret muutokset missä tahansa parametrissa ovat yleensä huono asia!
• Täytyy keskittyä kokonaiskuvaan
• Vaikka yksi tulos saattaa olla normaalista poikkeava, sille voi olla
järkevä selitys
• Poikkeamille tulisi aina löytää selitys, jotta tiedetään missä mennään
• Tärkeää että dataa kerätään jatkuvasti
• Tekniset ongelmat otettava aina huomioon (mittarit)
• Ongelmatilanteen selvitys lisäanalyyseilla (VFA, pH, alkaliteetti, C/N/P)
• Prosessin kuormitus tulisi tuntea koko ajan --> ei liian suuria muutoksia (0,5
kgVS/m3d viikossa)
Pilotprosessin dataa ylikuormitusjaksolta
Case: Pilotprosessin ohjaus
Kuormitus
VFA
2,5-3,5 kgVS/m3d
<10 mmol/l
Syöte
Viipymä
Kaasuntuotto
pH
Jätevedenpuhdistamon liete + 1 lisäraaka-aine
23-35 vrk
noin 1,0-1,5 m3/m3
7,5-7,8
Case: Pilotprosessin ohjaus
Case: Pilotprosessin ohjaus