PL230395B1 - Sposób redukcji poziomu dwutlenku węgla w procesie biologicznego oczyszczania biogazu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób redukcji poziomu dwutlenku węgla w procesie desulfuryzacji biogazu prowadzonym w urządzeniach do biologicznego oczyszczania biogazu jak biofiltry, biofiltry z warstwą nawadnianą i bioskrubery. Wynalazek należy do dziedziny biotechnologicznych metod oczyszczania biogazu pozyskiwanego z różnych źródeł.

Biogaz jest mieszaniną gazów fermentacyjnych powstałą w wyniku aktywności bakterii beztlenowych, powodujących rozkład substancji organicznej. Jest to surowiec uzyskiwany w wyniku rozkładu substancji organicznych przez metanogenne bakterie beztlenowe, charakteryzujący się różnym składem, zależnym od wielu czynników, do których zaliczyć można początkowy skład i postać substancji organicznej, jej wilgotność, odczyn, temperaturę i ciśnienie procesu. Mieszanina biogazu zazwyczaj zawiera około 52-85% metanu (CH4), 14-48% dwutlenku węgla (CO2), 0,08-5,5% siarkowodoru (H2S) oraz niskie stężenia azotu, tlenu i pary wodnej. Przy produkcji i wykorzystaniu biogazu preferowane są technologie nie stwarzające obciążeń dla środowiska naturalnego. Wskutek spalania biogazu o niskim stopniu oczyszczenia może nastąpić wzrost emisji tlenków siarki, azotu, tlenku i dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla jest uważany za jeden z głównych gazów powodujących efekt cieplarniany i przyczyniających się do zmian klimatu oraz dewastacji środowiska. W przyszłości będą obowiązywać bardziej restrykcyjne wskaźniki emisji w/w związków, co ograniczy spalanie biogazu w silnikach gazowych oraz pochodniach, w niektórych oczyszczalniach i na wysypiskach śmieci. W celu sprostania tym ograniczeniom konieczne będzie stosowanie rozwiązań zapewniających wyższy stopień oczyszczania biogazu niż obecnie stosowany. Kluczowe potrzeby badawcze w dziedzinie produkcji i przerobu biogazu obejmują wyeliminowanie jak największej ilości niepożądanych składników biogazu, w możliwie krótkim czasie, przy zminimalizowanym negatywnym wpływie na środowisko naturalne oraz jak najkorzystniejszych nakładach finansowych. Obecność dwutlenku węgla w biogazie ma jednocześnie wpływ na jego jakość kaloryczną. O wartości opałowej tego paliwa stanowi procentowy udział metanu. Im wyższa jest zawartość metanu w biogazie, a tym samym mniejsza zawartość innych składników, tym wyższa jest jego wartość opałowa. Dwutlenek węgla jako gaz niepalny stanowi w biogazie balast, znacząco obniżający wartość kaloryczną biogazu. Istniejące technologie suchego odsiarczania biogazu, oparte na adsorpcji na sorbentach stałych, tlenkach metali lub węglu aktywnym, nie usuwają tego balastu, który dodatkowo potęguje efekt cieplarniany. Obecność dwutlenku węgla w biogazie stwarza również dodatkowe problemy z kierowaniem paliwa do sieci przesyłowych gazu ziemnego, a także z jego magazynowaniem ze względu na konieczność zapewnienia większych zbiorników.

Metody biologicznego oczyszczania biogazu z siarkowodoru prowadzone na urządzeniach typu biofiltry czy bioskrubery, w których wykorzystuje się różne szczepy mikroorganizmów rozkładające sorbowane zanieczyszczenia znane są m.in. z publikacji EP0331806, WO2008131034, US4760027, WO05037403, US2012026419, US20080245232, US7438886B2. Natomiast nie odnotowuje się informacji o możliwości zdecydowanego obniżenia poziomu dwutlenku węgla w biogazie w celu rozwiązania powyżej wspomnianych problemów.

Tak więc ze stanu techniki wynika potrzeba opracowania rozwiązania znoszącego dotychczasowe przeszkody.

Celem wynalazku jest eliminacja dwutlenku węgla z biogazu mająca miejsce podczas procesu oczyszczania paliwa ze związków siarki. Oczyszczanie biogazu przebiega z zastosowaniem metod biologicznych na urządzeniach typu biofiltry, bioskrubery i biofiltry nawadniane.

Nieoczekiwanie cel ten osiągnięto w niniejszym wynalazku.

Istotą wynalazku jest sposób redukcji poziomu dwutlenku węgla w procesie biologicznego oczyszczania biogazu, prowadzonym w urządzeniu do oczyszczania biogazu, zwłaszcza biofiltrze, wypełnionym złożem biologicznym zraszanym pożywką mineralną, zawierającym immobilizowane mikroorganizmy zdolne do rozkładu siarkowodoru, polegający na tym, że proces prowadzi się w warunkach beztlenowych z wykorzystaniem konsorcjum mikroorganizmów pobranych ze środowisk naturalnych bogatych w siarkę, złoże biologiczne zrasza się pożywką w postaci roztworu zawierającego azotany soli metali alkalicznych I i II grupy układu okresowego, przy czym stężenie jonów azotanowych w pożywce zawiera się w granicach od 20 do 2500 mg/l, korzystnie w granicach 50 do 1000 mg/l.

Korzystnie, stężenie jonów azotanowych w pożywce zawiera się w granicach od 50-200 mg/l.

Korzystnie, poziom CO2 w biogazie zredukowany jest o co najmniej 25%.

W korzystnej realizacji wynalazku konsorcjum mikroorganizmów zawiera bakterie siarkowe. Korzystnie, proces prowadzi się w biofiltrach lub bioskruberach.

PL 230 395 Β1

Korzystnie, objętościowe natężenie przepływu pożywki zraszającej złoże biologiczne zawiera się w granicach 5 L/h do 500 L/h na jeden metr sześcienny złoża.

Korzystnie, wartość S/N wynosi od 1 do 30, bardziej korzystnie 2 do 20.

W korzystnej realizacji stężenie H2S w procesie wynosi 100-3000 ppm, bardziej korzystnie 300 ppm. Korzystnie, temperatura procesu wynosi 10 do 35°C, korzystnie 20-30°C.

Korzystnie, pH pożywki wynosi 5-8, korzystnie nie mniej niż 5,5 i nie więcej niż 7,8.

Sposób redukcji poziomu dwutlenku węgla wg wynalazku może być zrealizowany na instalacjach do biologicznego oczyszczania biogazu obejmujących biofiltry, bioskrubery i biofiltry z warstwą nawadnianą.

Sposób wg wynalazku może być prowadzony w biofiltrach wypełnionych złożami różnego typu (naturalne i syntetyczne). Złoża zaszczepia się grupą drobnoustrojów pobranych ze środowisk naturalnych, bogatych w siarkę. Mikroorganizmy wykorzystane w wynalazku tworzą specyficzną grupę z przewagą bakterii siarkowych zdolną do wydajnego oczyszczania biogazu. Badania prowadzone w innych jednostkach badawczych opierają się na pojedynczych szczepach drobnoustrojów. Istnieje duże prawdopodobieństwo, iż mikroorganizmy te nie przetrwają w warunkach przemysłowych, gdzie będą zmuszone konkurować z naturalną mikroflorą. Efektywny proces oczyszczania biogazu w warunkach przemysłowych nie może być skutecznie realizowany przez pojedynczy szczep bakterii. Dostarczenie konsorcjum mikroorganizmów ze środowisk naturalnych, bogatych w siarkę, utleniających siarkowodór, stwarza alternatywę dla trudnych warunków przemysłowych.

Pożywka zawierająca jony azotanów stymuluje rozkład CO2 i związków azotu zawartych w biogazie, co jest niezwykle istotne przy jego energetycznym wykorzystaniu. Zastosowanie azotanóww procesie, ma wpływ na eliminację etapu wprowadzania do biogazu powietrza oraz znacznie usprawnia proces oczyszczania biogazu. W efekcie technologia proponowana w ramach niniejszego projektu staje się niezwykle konkurencyjna w stosunku do istniejących rozwiązań.

Proces prowadzony jest w warunkach beztlenowych. Oczyszczany biogaz nie jest rozcieńczany tlenem, co jest istotne, ponieważ pozwala uniknąć niebezpieczeństwa utworzenia się wybuchowej mieszaniny tlenu i biogazu. Brak konieczności napowietrzania pozwala jednocześnie obniżyć koszty utrzymania instalacji. Obecne na rynku systemy wymagają dostarczania tlenu do układu.

Proces wg wynalazku nie powoduje odkładania się siarki elementarnej oraz obniżenia pH, co stanowi dużą korzyść, ponieważ nie ma konieczności usuwania nadmiaru siarki z układu oraz korygowania pH. Jest to niezwykle ważne ponieważ częstym problemem przy prowadzeniu tego typu procesów jest zakwaszanie środowiska. Wówczas następuje wymuszona selekcja mikroorganizmów i rozwijają się jedynie gatunki bakterii siarkowych tolerujące niskie wartości pH.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia instalację do oczyszczania biogazu zbudowaną z biofiltra wypełnionego nośnikiem. Gaz zanieczyszczony wprowadzany jest od dołu urządzenia, a recyrkulowana woda zawierająca składniki odżywcze zrasza wypełnienie od góry. Mikroorganizmy są immobilizowane na nośniku. Fig. 2 przedstawia zmiany stężenia dwutlenku węgla w procesie odsiarczania biogazu.

Przykład

Doświadczenie wg wynalazku wykonywano w biofiltrze zraszanym pracującym jako element instalacji przemysłowej. Biogaz powstający w procesie fermentacji metanowej kieruje się pod ciśnieniem 3-5 kPa do rurociągu (3) a stąd do układu biologicznego odsiarczania. Ilość przepływającego gazu reguluje się przy pomocy regulatora przepływu (13). Pomiar i rejestrację stężenia CO2 na wlocie i wylocie z biofiltra dokonuje się przy pomocy czujników stężenia CO2 (11). Złoże biologiczne, które stanowi porowaty materiał filtracyjny (2) z wypełnieniem z tworzywa sztucznego, umożliwiający tworzenie się specyficznego biofilmu o aktywności zabezpieczającej oczyszczania biogazu znajduje się w kolumnie biofiltra (1). Dla zapewnienia optymalnych warunków do rozwoju i selekcji drobnoustrojów złoże biofiltra zrasza się od góry (10) specyficzną pożywką zawierającą azotany. Ściekającą przez złoże na spód kolumny pożywkę odprowadza się do zbiornika (4). Z niego, pożywkę zawraca się przy pomocy pompy (8) poprzez miernik przepływu pożywki (9) do zraszaczy (10). Zbiornik do przetrzymywania pożywki (4) posiada grzałkę (7) wraz z czujnikiem temperatury (5) umożliwiającym utrzymywanie stałej temperatury oraz czujnik poziomu pożywki (6). Dopływ biogazu do instalacji odcina zawór (12).

Dokonano pomiaru CO2 na wlocie biofiltra i na wylocie z biofiltra. Stężenie H2S na wlocie do instalacji wynosiło 300 ppm. Na Fig. 2 widać różnicę pomiędzy stężeniem CO2 w biogazie wprowadzanym do układu biofiltracji i odprowadzanym po procesie biodegradacji zanieczyszczeń biogazu. Stężenie CO2 w biogazie poddawanym procesowi biofiltracji wynosiło od 33 do 39 obj. średnio 36% obj., co

PL 230 395 Β1 w przeliczeniu na g/Nm³ daje od 594 g CO2/Nm³ do 702 g CO2/Nm³, średnia wartość wynosiła 648 g CO2/Nm³. Stężenie azotanów w pożywce utrzymywało się na poziomie od 200 mg/dm³ do ok. 50 mg/dm³. W wyniku działania specyficznego konsorcjum mikroorganizmów biorących udział w procesie utleniania siarkowodoru uzyskano średnią wartość redukcji CO2 na poziomie 25%. Stężenie dwutlenku węgla w biogazie oczyszczonym wynosiło średnio 27% obj., co stanowi 486 g CO2/Nm³. W wyniku procesu desulfuryzacji biogazu możliwa jest redukcja dwutlenku węgla średnio w ilości 162 g/Nm³. Przedmiotowy wynalazek dzięki zmniejszeniu objętości biogazu o balast jakim jest dwutlenek węgla, pozwala na efektywne wykorzystanie energetyczne biogazu jak również wpływa korzystnie na aspekt logistyczny - pozwala zmniejszyć wielkość zbiorników na biogaz i usprawnia kierowanie go do sieci gazu ziemnego.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób redukcji poziomu dwutlenku węgla w procesie biologicznego oczyszczania biogazu prowadzonym w urządzeniu do oczyszczania biogazu, zwłaszcza biofiltrze, wypełnionym złożem biologicznym zraszanym pożywką mineralną, zawierającym immobilizowane mikroorganizmy zdolne do rozkładu siarkowodoru, znamienny tym, że proces prowadzi się w warunkach beztlenowych z wykorzystaniem konsorcjum mikroorganizmów pobranych ze środowisk naturalnych bogatych w siarkę, złoże biologiczne zrasza się pożywką w postaci roztworu zawierającego azotany soli metali alkalicznych I i II grupy układu okresowego, przy czym stężenie jonów azotanowych w pożywce zawiera się w granicach od 20 do 2500 mg/l, korzystnie w granicach 50 do 1000 mg/l.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stężenie jonów azotanowych w pożywce zawiera się w granicach od 50 do 200 mg/l.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że poziom CO2 w biogazie zredukowany jest o co najmniej 25%.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że konsorcjum mikroorganizmów zawiera bakterie siarkowe.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że oczyszczanie prowadzi się w biofiltrach lub bioskru berach.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że objętościowe natężenie przepływu pożywki zraszającej złoże biologiczne zawiera się w granicach 5 L/h do 500 L/h na jeden metr sześcienny złoża.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wartość S/N wynosi od 1 do 30, korzystnie 2 do 20.
8. 8. Sposób według któregokolwiek z zastrz. 1 do 7, znamienny tym, że stężenie H2S w procesie wynosi 100-3000 ppm, korzystnie 300 ppm.
9. 9. Sposób według któregokolwiek z powyższych zastrz., znamienny tym, że temperatura procesu wynosi 10 do 35°C, korzystnie 20-30°C.
10. 10. Sposób według któregokolwiek z powyższych zastrz., znamienny tym, że pH pożywki wynosi 5-8, korzystnie nie mniej niż 5,5 i nie więcej niż 7,0.