Vergistingsproces

Vergisting op boerderijschaal is, op een enkele uitzondering na, een continu proces gebaseerd op mest. Bacteriën welke al in de mest leven, breken het organisch materiaal af en zetten plantresiduen om in biogas. De basis van de biogasinstallatie is de vergister, die meestal uit één of meerdere gasdichte mestopslagtanks bestaat.

 

Hieronder kunt u meer informatie vinden over vergistingstechnieken, de verschillende componenten van een biogasinstallatie en over de biologie en belangrijkste procesparameters bij vergisting.

 

Er valt nog veel meer te zeggen over vergisting, biologie en verschillende voor- en nabehandelingen, maar dat gaat voor nu te ver. Indien u behoefte heeft aan meer specifieke informatie, neemt u dan contact op met een van de projectpartners.

Technieken

Boerderijschaal vergisting is, op enkele uitzonderingen na, een continu proces op basis van vloeibare mest. De basis van de biogasinstallatie is de vergister, die meestal uit één of meerdere gasdichte mestopslagtanks bestaat. De vloeibare mest in de vergister wordt gemixt of geroerd en constant op een warme temperatuur gehouden. Het substraat wordt een aantal keer per dag in de vergister gevoed. Digestaat wordt op hetzelfde moment uit de vergister gehaald. De inhoud van de vergister is constant, wat resulteert in een gelijkmatige en continue biogasproductie. De organische droge stof (ODS) toevoer kan goed worden gecontroleerd en de voedinstallatie kan makkelijk geautomatiseerd worden. U kunt kiezen tussen een verticale of horizontale vergister, enkel stap of meer stappen vergister, mesofiel of thermofiel etc. Welke installatie het beste is voor u, hangt sterk af van de substraatmix die u wilt gaan gebruiken voor de vergister.

 

Voor vaste mest zijn er verschillende opties: als het gemixt wordt met vloeibare mest of water, kan het behandeld worden als vloeibare mest in systemen zoals hierboven beschreven. Een andere optie is het batch proces met bijvoorbeeld een garagebox type vergister. Een box type vergister bestaat vaak uit meerdere boxen, die volledig gevuld worden met substraat, waarna het vergistingsproces plaatsvindt. Na de verblijftijd wordt de box weer geleegd en kan het proces zich herhalen met verse substraten. Het vloeistof dat ontsnapt tijdens het legen (percolaat) wordt opgevangen, verwarmd en opnieuw besprenkeld over het verse substraat.

 

Een andere vergister type komt meer voor: de propstroomvergister. Dit is een horizontale cilinder waarin het substraat zich als een prop van de ene naar de andere kant  beweegt. Het roerwerk werkt loodrecht op de beweegrichting. Een propstroom reactor kan een hogere ODS-belasting aan dan een continu geroerde verticale vergister. Waarden van 5 tot wel 10 kg ODS/m3/dag zijn typisch voor deze vergister. In de praktijk worden deze type vergisters vaak gecombineerd met een verticale vergister, waardoor langere verblijftijden bereikt kunnen worden.

Onderdelen van een biogasinstallatie

Een biogasinstallatie bestaat uit meer dan alleen de vergistertank(s). Andere mogelijke onderdelen zijn bijvoorbeeld:

 

  1. Mestopslag
  2. Co-substraatopslag
  3. Vaste stofinvoer
  4. Vergister tanks inclusief roerwerken
  5. Fakkel
  6. Biogasopslag
  7. Digestaatopslag
  8. Biogas boiler
  9. Warmte Kracht Koppeling (WKK)
  10. Biogas opwerkingsinstallatie
  11. Pompen en leidingwerk
  12. Digestaat bewerkingsinstallatie(s)

 

Welke onderdelen relevant zijn voor uw case en welke capaciteit er nodig is, is afhankelijk van hoeveel en welke biomassa u heeft, wat u wilt produceren (elektriciteit of gas), welke mogelijkheden u heeft voor het gebruik van co-substraten, wensen voor mestverwerking, etc.

Biologie van vergisting

Biogas wordt geproduceerd uit biomassa door een biologisch fenomeen: anaerobe vergisting. Anaeroob betekent dat het proces plaatsvind in een zuurstofarme omgeving. Het organische materiaal in het substraat wordt verminderd en omgezet in biogas door micro-organismen.

Vier fasen van vergisting

Het vergistingsproces bestaat uit vier fases, waarbij voor elke fase andere groepen bacteriën belangrijk zijn. In onderstaande figuur zijn de afzonderlijke stappen weergegeven:

Bron: http://www.streambioenergy.ie/content/user/images/mapb.gif

  1. Hydrolyse
  2. Acidogenese
  3. Acetogenese
  4. Methanogenese

 

In de eerste fase, hydrolyse, worden grote organische polymeren zoals koolhydraten, vetten en eiwitten afgebroken tot kleinere ketens, zoals eenvoudige suikers, aminozuren, vetzuren en water.

De volgende fase is de acidogenese, de verdere afbraak van de  overgebleven componenten. Dit wordt uitgevoerd door de acidogene bacteriën, welke het materiaal omzet in korte vetzuren, alcoholen, CO2, waterstof en ammoniak.

Tijdens de derde fase, acetogenese, worden de organische zuren gevormd. Zij vormen de basis voor de uiteindelijke methanogenese. De bacteriën die verantwoordelijk zijn voor de derde fase, de acetogenen, zijn zeer gevoelig voor temperatuurschommelingen. De methaanvorming begint ook al langzaam in de derde fase.

De vierde en laatste stap van de vergisting is de methanogenese: de vorming van methaan. Negentig procent van het totale methaan wordt gevormd tijdens deze fase. Naast methaan komt ook CO2 vrij en, in kleinere hoeveelheden, water, H2S en N2. Het methaangehalte in biogas varieert typisch tussen 50% en 60%. In boerderijschaal vergisters vinden de vier vergistingsstappen plaats in dezelfde reactor/vergister welke continu geroerd wordt. De verschillende stappen moeten daarbij goed in balans zijn. Omdat de verschillende fases een andere optimale pH kennen is het zaak een afwijkingen in de omstandigheden snel te herkennen en daarop te anticiperen.

Milieuomstandigheden voor bacteriën

De bacteriën in de vergister zijn erg gevoelig voor temperatuur. Om deze reden moet de temperatuur van de vergister op een constante temperatuur gehouden worden, om te voorkomen dat de bacteriën zullen afsterven. In de praktijk wordt verschil gemaakt tussen mesofiele en thermofiele bacteriën. Mesofiele bacteriën gedijen bij een temperatuur tussen de 25°C en 45°C, typerend rond de 38°C. Thermofiele bacteriën hebben juist een temperatuur van 45°C of meer nodig. Thermofiele bacteriën zijn gevoeliger voor temperatuurschommelingen dan mesofiele bacteriën. Om deze reden is thermofiele vergisting moeilijker te beheersen.

 

Naast een constante temperatuur, zijn er meerdere factoren welke een positieve invloed kunnen hebben op het leefmilieu voor bacteriën:

 

Een vochtige omgeving. Het  watergehalte van het substraat moet op zijn minst 50% zijn voor de methaan producerende bacterie om te kunnen werken en zichzelf te reproduceren.

Een donkere omgeving. Ondanks dat licht niet dodelijk is voor de bacteriën, vertraagt het wel het proces. Daarom helpt het creëren van een donkere omgeving bij de methaanproductie.

De pH-waarde in de vergister. Over het algemeen gedijt elke bacteriekolonie optimaal bij een bepaalde pH-waarde. Voor de methanogenen is dit 7. In het geval van een enkel stap vergisting, waarbij alleen één vergister wordt gebruikt, wordt het aanbevolen om dit pH-niveau te handhaven. De reden daarvan is dat de methanogenen het langzaamst reproduceren, wat ze de zwakste schakel  in het vergistingsproces maken.

Nutriënten. Om celmateriaal te kunnen bouwen hebben bacteriën nutriënten, vitaminen en mineralen nodig. Mest biedt over het algemeen genoeg nutriënten, vitaminen en mineralen.

Groot oppervlak van substraten. Hoe fijner de substraten zijn als ze de vergister ingaan, hoe groter het reactief oppervlak, hoe beter het vergistingsproces zich zal ontwikkelen. Vooral als de verblijftijd kort is, is het belangrijk dat de substraten goed fijn worden gemaakt. De vorming van drijvende lagen vermindert het actieve oppervlak, wat één van de redenen is om het substraat frequent te mengen.

Continu voeden van substraten. Om te voorkomen dat de bacteriën worden overvoed, is het belangrijk om een zo continu mogelijke substratenstroom te creëren. Des te beter afbreekbaar de substraten zijn, des te vaker ze in de vergister tank gevoed kunnen worden.

Gasafname. Hoe gemakkelijker het biogas kan ontsnappen uit het substraat, hoe hoger de productie zal zijn. Praktisch betekent dit dat de gasdruk boven het substraat niet te hoog mag worden. Hierom is een goede gasuitlaat nodig.

Vermijden van storende stoffen. Sommige stoffen hebben een verstorend of zelfs een desastreus effect op de biogasproductie. Zuurstof is daarvan een goed voorbeeld, maar ook antibiotica of verrotte substraten kan het vergistingsproces verstoren.

 

Proces parameters

Er zijn drie hoofdparameters welke het vergistingsproces beschrijven. Deze zijn:

 

ODS-belasting, wat staat voor Organische Droge Stof belasting. Dit representeert de hoeveelheid kilogram ODS er per m3 vergister volume per dag wordt gevoed in de vergister. Typerende waardes zijn tussen de 2 tot 3 kg ODS/m3/dag. Als vuistregel kan 4 kg/m3/dag als maximale bovenwaarde worden genomen. Boven deze grens verminderd de bacterie activiteit.

Verblijftijd. De zogenoemde hydraulische verblijftijd (of: retentietijd) is de theoretische tijd dat de substraat in de vergister verblijft. Voor een continue geroerde verticale vergister is dit een berekende waarde, omdat altijd wat vers materiaal uit de vergister zal worden gepompt. Voor een propstroom vergister is de hydraulische verblijftijd wel de reële verblijftijd.

In het algemeen geldt dat hoe makkelijker een substraat kan worden afgebroken, des te korter de hydraulische retentietijd kan zijn. Hierbij is de onderwaarde ongeveer 8 – 10 dagen, om te voorkomen dat de methaanvormende bacteriën uitgespoeld worden.

Afbraakpercentage. Dit is het percentage van de totale hoeveelheid Organische Droge Stof wat is afgebroken tijdens de retentietijd. Een typerende waarde hiervoor is ongeveer 60%. Meer is ook mogelijk, maar hiervoor is een aanzienlijk langere retentietijd voor nodig en/of een thermische drukbehandeling. In de praktijk wordt een totale omzetting van alle ODS niet gerealiseerd.

 

 

Share This