I Noţiuni Generale [308509]

NOȚIUNI TEORETICE

Energia verde este un termen utilizat pentru a [anonimizat].

[anonimizat].

Printre sursele de energie regenerabilă se numără:

[anonimizat] (termică, fotovoltaică și concentrată),

[anonimizat],

[anonimizat] a deșeurilor.

[anonimizat], [anonimizat].

Biomasă, termen general pentru fracțiunea biodegradabilă a produselor, [anonimizat], [anonimizat], precum și fracțiunea biodegradabilă a deșeurilor industriale și municipale de origine biologică [4].

[anonimizat] (termică și electrică).

Biocombustibilii sunt împărțiți în trei categorii:

Tab.1 Clasificarea biocombustibililor [3]

[anonimizat]-[anonimizat]. [anonimizat], reziduurilor de lemn și a [anonimizat], altor materiale vegetale și reziduurilor și fracțiunii regenerabile a deșeurilor industriale. [1]

[anonimizat], adecvați pentru amestecarea sau înlocuirea combustibililor lichizi petrolieri. [anonimizat], kerosen și alte soluții lichide [1].

Biogazul este un gaz compus în principal din metan CH4 și dioxid de carbon CO2 produs prin digestia anaerobă a [anonimizat]. [anonimizat], a gazelor de nămol de epurare, a altor biogaz uri provenite din digestia anaerobă și a biogazelor rezultate din procesele termice [1].

[anonimizat] ([anonimizat]).

Biogazul

Amestecul de metan CH4 și Dioxid de carbon CO2 este numit biogaz. [anonimizat], în care bacteriile descompun carbonul din materialul organic. [anonimizat] "anaerob" (care înseamnă literal "fără aer").

Biogazul este un amestec de CH4, CO2, N2, O2 H2 și H2S (Tab.1), obținut în urma procesului de fermentație anaerobă a dejecțiilor zootehnice și aproape a tuturor reziduurilor organice.[2]

Tab.2 Compoziția chimică a biogazului [2]

Biogazul poate fi clasificat în funcție de procentul de metan conținut. Un procent mai ridicat de metan asigură o valoare energetică mai mare. Media unui conținut de circa 60% metan, generează o valoare energetică de aprox. 5000 – 6000 Kcal/m3 de biogaz [3].

Digestia anaerobă

Digestia anaerobă (AD) are loc în mod natural în sedimentele de pe fundul lacurilor și iazurilor, în mlaștini și în intestinele animalelor rumegătoare, cum ar fi vacile.

Digestia anaerobă reprezintă conversia microbiologică a materiei organice în metan în absența oxigenului. Acest proces este utilizat în mod obișnuit pentru tratarea gunoiului de grajd, a deșeurilor organice din zonele urbane și a industriei alimentare [4]

Procesul este, de asemenea, cunoscut ca procesul de biogaz și a fost utilizat pe scară largă de societatea modernă pentru stabilizarea nămolului primar și secundar în stațiile de epurare a apelor uzate.

Această abilitate a bacteriilor de a produce metan din material organic a fost exploatată în instalații de digestie anaerobă special construite[4].

Sunt 2 etape caracteristice procesului de digestie anaerobă:

În primul stadiu al procesului biochimic (acetogenic) se elimină hidrogenul, iar după un anumit timp (1-2 zile) se formează monoxidul de carbon (CO) și dioxidul de carbon (CO2) în continuare începe emiterea intensivă a biometanului.

O particularitate a desfășurării procesului de fermentare în prima lui fază acetogenă este legată de eliminarea primară biochimică a hidrogenului molecular, apoi a CO și CO2, care în faza metanogenă, sunt transformați în metan conform reacțiilor de formă generală:

CO + 3H2 = CH4 + H2; O și CO2 + 3H2 = CH4 + 2H2 O [5]

În procesele de fermentație se disting două intervale de temperatură diferite:

Temperatura mezofilă de la 25 ° C la 35 °

Temperatura termofilă de la 49 ° C la 60 °

Majoritatea instalațiilor agricole de biogaz sunt operate la temperaturi mezofile.

Temperaturile termofile sunt aplicate în principal în centralele de biogaz centralizate pe scară largă cu, co-digesie, unde sunt necesare cerințe mai stricte de igienizare.

Modul de hrănire poate fi continuu sau discontinuu. În sistemele discontinue, substratul proaspăt este alimentat împreună cu o inoculare a materialului digerat într-un vas de reacție.

În timpul unei zile sau două, materialul este aerat pentru a crește temperatura.

În următoarele două sau trei săptămâni, substratul este degradat anaerob, la început cu o creștere zilnică a gazelor. După ce atinge un maxim la aproximativ 10 până la 14 zile, producția de gaz scade, atingând aproximativ jumătate din producția maximă. Pentru a compensa instabilitatea producției de gaz, sunt operate în paralel, patru digestoare, dar sunt umplute în momente diferite. Aceste sistemele nu sunt foarte frecvente pentru instalațiile agricole de biogaz [5].

Obținerea biogazului

Procesul prin care se obține biogazul presupune fermentația anaeroba a gunoiului de grajd sau a materiilor vegetale în condiții controlate (Fig.1) ȋntr-un digestor.

Fig. 1 – Fluxul tehnologic de producere biogaz [7]

Ipoteza de bază a acestui studiu este că potențialul de biogaz este proporțional cu potențialul total de biomasă al zonei țintă [6].

Materia primă poate fi constituită din două categorii (Fig.2). În principal gunoiul de grajd și alte reziduuri provenite de la fermele de creștere a porcilor, vacilor și găinilor, unde resturile vegetale, produșii secundari rezultați din activitățile agricole și deșeurile fermelor pot asigura o alternativă pentru completarea necesarului de materii prime.

O a doua categorie constă dintr-o serie largă de reziduuri organice adecvate procesării în fabricile de biogaz, precum reziduurile provenite din activitățile de catering, deșeurile solide menajere, dar și cele rezultate din industria alimentară și cea farmaceutică.[3].

În funcție de categoriile cele mai frecvente utilizate în producția de biogaz evidențiate în Fig.2. se determină alegerea tehnologiei de procesare.

În instalațiile de biogaz, materia organica de intrare care se numește materie primă, este digerată anaerob cu scopul de a se descompune în două produse principale, biogaz și digestat.

Compusul dorit este metanul deoarece acesta poate fi convertit într-o unitate de cogenerare, în energie electrică și termică.

Capacitatea instalației influențează cantitatea și disponibilitatea producției de energie termica. Într-o instalație de biogaz, care are o unitate de cogenerare pe bază de motor, eficiența ajunge până la 90%, producându-se aproximativ 35% electricitate și 65% căldură [3].

Aproximativ 25% din căldura produsă este necesară pentru a încălzi digestoarele în condițiile climatice central Europene, însă cea mai mare parte este considerata ca fiind căldura “reziduală”, care în general nu mai este utilizată pentru alte procese. Aceasta căldură ar putea fi folosita pentru producerea agentului termic.

Digestatul rămas este un îngrășământ valoros, care este folosit în agricultură înlocuind îngrășămintele minerale.

Concepte pentru utilizarea biogazului

Drept purtător de energie, biogazul poate fi transformat în energie termică, energie mecanică și energie electromagnetică (lumină).

Acesta poate fi de asemenea folosit ca și compus chimic. Există mai multe opțiuni diferite pentru utilizarea biogazului, cuprinzând de la aplicații foarte mici la instalații sofisticate din punct de vedere tehnic.

Iluminat: în lămpi de gaz;

Încălzire: în arzătoare, boilere și sobe pe biogaz;

Uscare: ca o formă ușoară de utilizare a energiei termice în uscătoare tip șarjă (prin trecere), uscătoare tip bandă rulantă, uscătoare cu mecanism mobil cu zbaturi precum și în sistemele sorptive de stocare a energiei termice;

Răcire : în instalații frigorifice cu absorbție;

Electricitate : în motoare pe gaz ( Motoare Pilot și Injecție, Motoare Otto pe gaz), pile de combustie , micro-turbine pe gaz, motoare cu Ciclu Rankine ( CRC, ORG ), cu ciclul Kalina , Motoare Stirling , turbine cu gaze de ardere;

Transporturi : în Vehicule pe Gaz Natural Comprimat ca biometan;

Înmagazinare de energie: în sisteme de stocare specifice pentru biogaz (de presiune joasă sau înaltă; lichefiat), sau ca biometan în rețeaua de gaze naturale cu scopul de a echilibra încărcarea cu energie electrică și termică[3].

Substitut al gazului natural: condiționat la biometan urmat de injectarea în rețeaua de gaze naturale.[3]

NORME SI REGLEMENTĂRI LEGISLATIVE

La nivel european :

DIRECTIVA (UE) 2018/2001 A PARLAMENTULUI EUROPEAN ȘI A CONSILIULUI din 11 decembrie 2018 privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile [9].

Definește:

Energia din surse regenerabile sau energie regenerabilă, ca fiind energie din surse regenerabile nefosile, respectiv energie eoliană, solară (termică și fotovoltaică), energie geotermală, ambientală, energia mareelor, a valurilor și alte tipuri de energie a oceanelor, energie hidroelectrică, biomasă, gaz de depozit, gaz provenit din instalațiile de epurare a apelor uzate și biogaz.

Biogazul reprezintă combustibilul gazos obținut din biomasă;

Biomasă, termen general pentru fracțiunea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor de origine biologică din agricultură, inclusiv substanțe vegetale și animale, din silvicultură și industriile conexe, inclusiv pescuitul și acvacultura, precum și fracțiunea biodegradabilă a deșeurilor industriale și municipale de origine biologică.

Biometan reprezintă biogazul adus la parametrii de calitate pentru a putea fi utilizat în rețelele de transport și distribuție în amestec cu gazele naturale.

Procedura folosită în vederea autorizării, certificării și acordării de licențe instalațiilor de producere a energiei din surse regenerabile ar trebui să fie obiectivă, transparentă, nediscriminatorie și proporțională atunci când se aplică normele pentru proiecte specifice. În special, este necesar să se evite orice povară inutilă care ar putea apărea din clasificarea proiectelor privind energia din surse regenerabile în rândul instalațiilor care reprezintă un risc ridicat pentru sănătate.

DIRECTIVA 2003/55/EC – „privind normele comunitare pentru piața internă a gazelor naturale și abrogarea Directivei 98/30/CE".

Normele stabilite de prezenta directivă pentru gazele naturale, inclusiv gaze naturale lichefiate (GPL), se aplică și biogazului și gazului obținut din biomasă, sau altor tipuri de gaz, în măsura în care astfel de gaze pot fi, din punct de vedere tehnic și al siguranței, injectate și transportate prin, sistemul de gaze naturale.

DIRECTIVA CONSILIULUI 86/278/EEC – „privind protecția mediului, și în special a solului, atunci când se utilizează nămoluri de epurare în agricultură"

Scopul prezentei Directive este de a reglementa utilizarea nămolurilor de epurare în agricultură, astfel încât să se prevină efectele nocive asupra solului, a vegetației, a animalelor și omului, încurajând utilizarea corectă a nămolurilor de epurare în cauză.

Hotărâri de Guvern:

LEGEA NR. 220/2008 pentru stabilirea sistemului de promovare a producerii energiei din surse regenerabile de energie – Parlamentul României

Actul normativ creează cadrul legal de respectare a angajamentului din 2007, respectiv procentul de energie produsa din surse regenerabile (Fig.3 )din totalul energiei consumate in 2020. Procentul asumat de Romania este de 24%, în timp ce ținta europeana se situează la 20%.

Fig. 3. Reprezentare ținte de consum din surse regenerabile 2020 în U.E. [10]

HOTĂRÂREA NR. 216/2017

privind aprobarea schemei de ajutor de stat având ca obiectiv sprijinirea investițiilor destinate promovării producției de energie din surse regenerabile mai puțin exploatate, respectiv biomasă, biogaz, energie geotermală –

ORDINUL NR. 798/2019 PRIVIND:

Modificarea Schemei de ajutor de stat pentru realizarea de investiții în infrastructura energetică cu scopul preluării energiei produse din resurse regenerabile în condiții de siguranță a SEN, precum și implementarea sistemelor de măsurare inteligentă a energiei electrice la consumatorii casnici, aferentă Programului operațional Infrastructură mare (POIM 2014-2020), axa prioritară 6, obiectivul specific 6.1 "Creșterea producției de energie din resurse regenerabile mai puțin exploatate (biomasă, biogaz, geotermal), sectorul distribuție" și obiectivul specific 6.3. "Reducerea consumului mediu de energie electrică la nivelul locuințelor", aprobată prin Ordinul viceprim-ministrului, ministrul dezvoltării regionale, administrației publice și fondurilor europene, nr. 2.586/2017 – Ministerul Fondurilor Europene – MFE

Formă aplicabilă de la 20.05.2019, M.of I nr. 392 din 20.05.2019

LEGEA ENERGIEI ELECTRICE ȘI A GAZELOR NATURALE NR. 123/2012 – Parlamentul României

Formă aplicabilă de la 19.07.2012, Mof I nr. 485 din 16.07.2012

La Art. 118, Regimul de autorizare prevede:

(1)Înființarea de noi conducte de alimentare din amonte aferente producției de gaze naturale, precum și de noi obiective de producție de biogaz, biometan și GNL sau de noi sisteme de transport, înmagazinare și distribuție a gazelor naturale de către persoane juridice române sau străine se desfășoară pe bază de autorizații de înființare. (la data 19-iul-2018 Art. 118, alin. (1) din titlul II, capitolul IV modificat de Art. I, punctul 29. Din Legea 167/2018 )

STUDIU DE CAZ

Informații stație de epurare ape uzate Bacău

Stația de epurare a municipiului Bacău este amplasată în sud-estul orașului Bacău, pe malul drept al râului Bistrița (Fig. 4.). Localizată pe str. Ciprian Porumbescu nr.53, oraș Bacău, jud. Bacău [1].

Fig. 4. Plan de amplasament în zonă a stației de epurate Bacău (google.com/maps)

Situația existentă a stației

Actuala stație de epurare a municipiului Bacău a fost construită în mai multe etape, începând cu anul 1968, când s-a pus în folosință treapta de epurare mecanică, în timp se treapta biologică s-a implementat în 1978, respectiv 1990 [1].

În anul 2010, stația a trecut printr-un program complet de retehnologizare.

Această reabilitare a constat în retehnologizarea treptelor de epurare preliminară, primară, biologică, precum și a liniei de tratare a nămolurilor [1].

În prezent, stația este echipată și cu o linie de tratare biologică și chimică pentru reducerea carbonului și a nutrienților (compuși de Azot și Fosfor), asigurând epurarea apelor uzate și pluviale municipale, ale orașului Bacău, printr-o rețea de canalizare (Fig. 5.) de tip unitar, deservind un număr de 221.000 locuitori [1].

Fig. 5. Reprezentare rețea de canalizare de tip unitar, Bacău [2]

Stația de epurare este concepută pentru operare, pe timp de ploaie a unui debit maxim influent de 9013m3, în intervale caracteristice de debite, conform Tab. 3.1.1.

Tab. 3 – Debite influente în stația de epurare [1].

Structura stației de epurare (Fig. 6.) prevede etapizarea procesului de epurare, pentru a asigura îndeplinirea criteriilor de calitate ai apei efluente, în conformitate cu Directiva UE 91/271/EEC și a normativului NTPA 001-2005.

Fig. 6. Dispoziția în plan a stației de epurare Bacău [1]

Procesul de epurare

Stația de epurare este alcătuita din următoarele trepte de epurare:

Tab. 4 Treptele de epurare

Tratarea nămolului

În urma aplicării fiecarei etape ale procesului de epurare (Fig. 7.), se generează o cantitate specifică de nămol, cu diferite caracteristici specifice etapei generatoare.

Procesul tehnologic de obținere a biogazului[1]

Materia primă

Metan-tancuri sunt alimentate cu nămol prin pompare în 12 cicluri/zi, timp de 1(una) oră/ciclu, din Bazinul de mixare Nămol Concentrat BNC (Fig. 8.).

În bazinul de mixare BNC se urmărește:

asigurarea unui amestec omogen de nămol înaintea procesului de fermentare anaerobă

și creșterea concentrației de S.U.

Fig. 8. Reprezentare grafică bazin de mixare [11]

nfc și nec reprezintă categorii de nămol care se obțin în procesul de epurare, iar

nc = nămol concentrat.

Bazinul de mixare este construit dintr-o structură din beton, cu o formă rectangulară și un volum util de 142 m3 , monitorizat din punct de vedere al debitului de intrare al materiilor în suspensie, dar și al nivelului [11].

Este prevăzut cu un mixer submersibil (Fig. 9.), echipat cu senzori pentru supraîncălzirea motorului dar și pentru a detecta prezența apei.

Fig. 9. Reprezentare grafică omogenizator cu motor submersibil[2]

În situația în care bazinul de mixare necesită lucrări de mentenanță, nămolul va fi pompat dintr-un bazin auxiliar aflat în amonte.

Amestecul de nămol concentrat este aspirat și pompat printr-o conductă din oțel prevăzută cu conducte de refulare și clapetă unisens, la metan-tancurile de fermentare anaerobă SD1, SD2, SD3,SD4 (Fig. 12. ), cu ajutorul a 2 pompe (Fig. 10.).

Fig. 10. Reprezentare Stație de Pompare Nămol Concentrat[11]

Fig. 11. Amplasament BNC si Stația de pompare

Stația de pompare (Fig. 11. ) este amplasată adiacent bazinului de mixare, este construită cu structură de beton armat, are o suprafață de aproximativ 20 m2, iar accesul se practică prin planșeul de acoperire, prevăzut cu capac, scară metalică și o conductă pentru asigurarea ventilației[11].

Nămolul concentrat este pompat printr-o conductă nou instalată, pe traseul căreia s-au prevăzut 2(două) schimbătoare de căldură, astfel asigurându-se menținerea temperaturii de operare din metan-tancuri la 36oC.[11]

Metan-tancurile(Fig. 12.) au fiecare o capacitate de aproximativ 1500 m3, asigurând un timp estimat de retenție a nămolului de 22,9 zile[11].

Fig. 12. Amplasament metan-tancuri SD1, SD2, SD3, SD4 [12]

Recircularea nămolului

Nămolul din metan-tancuri este recirculat cu ajutorul a 2(două) pompe de recirculare pentru SD1, SD2 și 2(două) pompe de recirculare pentru SD3, respectiv SD4.

Nămolul concentrat este amestecat cu nămolul recirculat, prin intermediul pompelor de recirculare. Acest amestec este preîncălzit la o temperatură predefinită 32oC-36oC.

Alimentarea metan-tancurilor se efectuează ciclic, unul după celălalt. În timp ce pompele de alimentare cu nămol concentrat nu funcționează, nămolul din metan-tancuri este doar recirculat [11].

Procesul de recirculare este prevăzut cu câte 2(două) pompe pentru fiecare grup de câte 2(două) metan-tancuri, pentru a asigura un schimb ciclic cu roluri de pompă activă și de rezervă, sau când apare o eroare la pompa activă [11].

Alimentarea și Recircularea

În modul normal de operare, un ciclu de alimentare și recirculare este alcătuit din următoarele secvențe:

Pompa activă de alimentare metan-tancuri este utilizată câte 60 de min.la fiecare ciclu de 2 ore.

După finalizarea ciclului de alimentare pentru metan-tancul 1, restul de 1,0 h se recirculă nămolul. După următorul ciclu de alimentare, pentru restul de o oră se recirculă nămolul la metan-tancul SD2. Procedura se repetă similar si pentru SD3, respectiv metan-tancul SD4.

Astfel, după fiecare ciclu de alimentare fiecare metan-tanc este recirculat 1,0 h în succesiune, conform (Fig. 13.), asigurându-se un total de 12 cicluri de alimentare a câte 1,0 h pentru fiecare metan-tanc, respectiv 12 cicluri de recirculare.

Fig. 13. Grafic cicluri de alimentare și recirculare a metan-tancurilor

Încălzire nămol

Încălzirea nămolului și menținerea temperaturii de operare are loc în camera de serviciu. Grupul de 4 metan-tancuri este deservit cu un grup comun de schimbătoare de căldură.

Încălzirea agentului termic pentru schimbătoarele de căldură este asigurată fie de unitatea CHP, fie complementar sau separat de boilerele pe biogaz sau ulei instalate în stația de boilere [11].

Metan-tancurile SD1, SD2, SD3, SD4

Sunt reprezentate printr-un ansamblu de 4(patru) construcții cilindrice (Fig. 14.) din beton armat, izolate termic la exterior și cu o capacitate totală de 6000 m3 [11].

Fig. 14. Amplasament metan-tancuri [12]

Metan-tancul este un rezervor de mari dimensiuni închis, în care se introduce cu scopul stabilizării anaerobe, nămol concentrat cu 6% S.U.

Constructiv, metan-tancul este prevăzut cu următoarele echipamente (Fig. 15.):

Fig. 15. Reprezentare grafică metan-tanc[3]:

1)Mixer; 2)Intrare nămol concentrat 6% S.U.; 3)Evacuare nămol plutitor; 4)Conductă golire nămol; 5)Evacuare nămol fermentat; 6)Îndepărtare nămol plutitor; 7)Evacuare apă de nămol; 8)Deversor; 9)Captare nămol pentru recirculare; 10)Pompă recirculare nămol; 11)Schimbător de căldură; 12)Filtru colector gaze; 13)Conductă evacuare biogaz spre stocare; 14)Conductă evacuare biogaz spre cazanul de ardere; 15)Conductă preaplin; 16)Cazanul de încălzire.

Mixerele din metan-tancuri funcționează în continuu(în mod de operare automat).

Pentru a evita sedimentarea și în consecință vibrații nedorite în sistemul de mixare, sensul de rotație este schimbat în fiecare zi de 2 ori. Înainte de schimbarea sensului de rotație timp de 20 de min.(timp de liniște), agitatorul nu poate fi pornit deoarece este posibilă distrugerea acestuia, datorită mișcării de revoluție a nămolului. Operația de schimbare a sensului se realizează în timp de o oră [11].

În timpul fermentării anaerobe se generează o concentrație ridicată fosfați, azot și magneziu. O parte din acest fosfat este eliberat în fază lichidă, dar o altă parte reacționează cu amoniu și magneziu, formând struvitul (NH4MgPO4-6H2O) – Fosfat de amoniu magneziu (Fig. 16.), care are proprietatea de a se depune pe conducte, coturi, vane, senzori, etc.

Fig. 16. Depuneri de struvit în conducte [4]

Fermentarea anaerobă a nămolului este de tip mezofilă (temperatura de operare 36oC) și are loc în cele 4 metan-tancuri.

În timpul fermentării, conținutul în solide al amestecului de nămoluri concentrate se reduce de la 6% la 4,2% cu o producție specifică de biogaz estimată la aproximativ 1,0 m3/Kg S.S.V [1].

Evacuare nămolului fermentat

Concomitent cu alimentarea metan-tancurilor, nămolul fermentat anaerob este evacuat gravitațional de la cele 4(patru) metan-tancuri prin țevile de preaplin, la bazinul de stocare nămol fermentat BSnf.

Unde:

Input n.c. mc – reprezintă cantitatea de nămol concentrat supus procesului de fermentare anaerobă, metri cubi;

Output n.f.a. mc – cantitatea de nămol fermentat anaerob, metri cubi

Reprezentată în grafic, putem observa variația volumului de nămol ca urmare a procesului de fermentare anaerobă

Fig. 17. Reprezentare BSnf [4]

Bazinul de stocare nămol fermentat BSnf (Fig. 17.), reprezentat printr-o construcție din beton armat cu un volum util de 171 m3, deservește ca și bazin colector pentru toate celelalte tipuri de nămol generate în procesul de epurare care urmează a fi transportat prin pompare la hala de tratare/deshidratare nămol(Fig. 18.)

Bazinul este echipat cu un mixer submersibil, care asigură omogenizarea nămolului înainte ca pompele de alimentare să transporte nămolul fermentat către unitatea de deshidratare sau către paturile de uscare existente.

Nivelul din BSnf este reglat cu ajutorul unui de senzor de nivel

Fig.18 Amplasament Hala de tratare [12]

Captarea biogazului

Colectorul, executat sub forma unui clopot cilindric vertical (Fig. 18.) este amplasat în partea superioară a bazinului de fermentare.

Fig. 19. Reprezentare grafică a colectorului de biogaz[3]

El are rolul de a capta gazul rezultat din proces. În zona superioară este montată o supapă de siguranță cu închidere hidraulică care limitează presiunea gazului.

Din clopot, prin intermediul a 2(două) suflante instalate în camera de serviciu, biogazul este dirijat spre gazometru, sau spre arătorul de biogaz prin conducta de gaze[3].

Cele două suflante funcționează în regim de 1 suflantă activă+1 suflantă de rezervă, pentru a ridica presiunea cu 30 mbar.

Tratarea biogazului

Sistemul de tratare constă în reducerea umidității conținută în biogazul generat, prin reținerea condensului într-un separator de condens (Fig. 19.),amplasat pe conducta de gaz.

Fig. 19. Reprezentare grafică separator de condens[5]

Stocarea și utilizarea biogazului

Biogazul tratat este înmagazinat într-un rezervor denumit Gazometru (Fig. 20.), cu un volum total de 1000 m3. De aici, sunt alimentate unitatea CHP (Fig. 21.) și Stația Boilere, pentru a acoperi necesarul de energie electrică și termică a stației de epurare.

Fig. 20. Amplasament Gazometru [12]

În situația în care capacitatea maximă a Gazometrului a fost atinsă simultan cu utilizarea unității CHP (Fig. 21.) la capacitate maximă și cu Stația Boilere(Fig. 22.) în condiții de iarnă, excesul de biogaz este direcționat la arzătorul de biogaz (Fig. 23.).

Fig. 21. Amplasament unitate cogenerare CHP [12]

Stația boilere(Fig. 22.), prevăzută cu 2(două) boilere pe biogaz, reprezintă un sistem de încălzire de rezervă pentru operarea în paralel cu unitatea CHP pe timp de iarnă, sau în situațiile în care unitatea CHP este oprită și astfel nu este posibilă furnizarea agentului termic pentru stație [11].

Fig. 22. Amplasament Stația Boilere [16]

Arzătorul de biogaz (Fig. 23.) este o unitate echipată cu electovană (on/off) și flacără de veghe [11].

Flacăra de veghe funcționează în regim complet automat, în funcție de nivelul din gazometru, și va fi folosită la arderea supraproducției de biogaz, sau în situația în care biogazul nu corespunde calitativ pentru utilizare la unitatea de cogenerare sau stația boilere.

Fig. 23. Reprezentare Arzător biogaz cu flacără de veghe [15]

Analiza cantitativă și calitativă a biogazului

Calitatea biogazului este dată de procentul de Metan pe care acesta îl conține. Astfel, cu cât valorile sunt mai apropiate de concentrația de Metan din gazul natural, cu atât putem spune că avem un biogaz de calitate, pentru a fi îmbuteliat, sau injectat în rețeaua de distribuție a gazelor naturale, sau valorificat sub alte forme

Conform legislației în vigoare, o valoare de 95% Metan reprezintă un prag pe care trebuie să-l îndeplinească biogazul pentru a se clasa în rândul gazelor acceptate în rețea.

Măsurătorile efectuate în perioada ian. – mai 2019 la instalația de fermentare anaerobă a nămolului, au avut ca scop studierea procesului de obținere a biogazului.

Grafic 1. Concentrația de metan, oxigen și dioxid de carbon în compoziția biogazului

Din graficul alăturat se poate observa o constantă a procentului de metan, drept rezultat al condițiilor de fermentare bine controlate .

Pentru a determina calitatea biogazului obținut este necesară măsurarea concentrației acestor două componente – metan și bioxid de carbon.

Pentru variația O2, s-au reprezentat doar perioadele unde acesta a înregistrat o valoare mai mare de 0,00%.

Cu alte cuvinte, putem spune că procesul de fermentare anaerobă, se desfășoară în condiții bine controlate, garantând o producție constantă de metan

În compoziția biogazului, se regăsesc și alte gaze, printre care cel mai des întâlnit este hidrogenul sulfurat.

Graficul de mai jos evidențiază variația concentrației de hidrogen sulfurat în compoziția biogazului, unde putem observa o creștere considerabilă a concentrației, în perioada martie-aprilie pe fondul precipitațiilor abundente din această perioadă, ceea ce putem presupune ca a influențat calitatea nămolului concentrat, și implicit concentrația de H2S

Grafic 2. Variația concentrației de hidrogen sulfurat.

Hidrogenul sulfurat este un gaz toxic, cu miros similar ouălor stricate, care, împreună cu vaporii de apă conținuți în biogaz, formează acidul sulfuric. Acidul prezintă proprietăți corozive care afectează motorul unității de producere a energiei și alte componente, precum conductele de gaz și cele de evacuare. Din acest motiv, devine necesară desulfurarea și uscarea biogazului.

Atunci când biogazul este utilizat pentru alimentarea unității energetice în co-generare, conținutul de hidrogen sulfurat trebuie să fie sub 700 ppm [17].

Măsurarea cantității de biogaz produsă reprezintă o modalitate importantă pentru a determina eficiența instalației.

Monitorizarea perturbațiilor apărute în cadrul producției de biogaz pot indica neregularități ale procesului și facilitează ajustarea acestuia.

Contoarele de gaz sunt instalate, direct pe liniile de gaz. Cantitățile măsurate de biogaz sunt înregistrate, în scopul evaluării și funcționării per ansamblu a fabricii de biogaz.

Grafic 3. Diagrama producției și a consumului de biogaz

Diagrama de mai sus evidențiază eficiența instalației de biogaz pentru stația de epurare, raportând producția de biogaz, pentru perioada ianuarie -mai 2019, și principalii consumatori ai stației de epurare.

Conform graficului, putem spune că producția de biogaz prin fermentarea anaerobă a nămolului din stația de epurare ape uzate Bacău, acoperă nevoile tehnologice și operative ale stației, generând chiar, o producție superioară de biogaz.

Mai putem observa că producția suplimentară de biogaz, aproximativ 60-70% este direcționată către Arzătorul de biogaz, fie din cauza supraproducției și a mijloacelor de înmagazinare, fie datorită concentrației prea mari de hidrogen sulfurat.

Riscuri și securitate

Activitatea de producere a biogazului, prezintă riscuri profesionale și măsurabile precum alte activități industriale. O prezentare de ansamblu a surselor și pericolelor pentru fiecare unitate de proces, este enumerata in tabelul nr.5.

Tab. 5 Prezentare de ansamblu expunere la risc [11]

Securitate, prevenire și protecție

Pentru prevenirea acumulării de gaze toxice în interiorul stației, unitățile au fost prevăzute cu sisteme de ventilație și senzori, care monitorizează permanent concentrațiile de gaze toxice.

Interiorul stației de producere a biogazului, a fost determinată zonă de pericol iminent de incendiu și explozie.

Fig. 24 Indicatoare de avertizare [18]

În jurul Gazometrului, pe o rază de 25 de metri, pe metan-tancuri, în camerele de serviciu a instalațiilor de cogenerare, pe o rază de 5 metri în jurul centralei termice, a arzătorului de biogaz și a bazinului de admisie nămol concentrat, este interzis fumatul sau folosirea oricărui echipament care ar putea produce scântei sau foc [18].

Personalul este organizat și instruit pentru respectarea măsurilor specifice de prevenire și stingere a incendiilor.

O dată pe trimestru se organizează exerciții practice de alarmare, cu personalul de pe locurile de muncă.

Neadmiterea accesului persoanelor neautorizate în zonele cu pericol de incendiu sau explozie.

Furnizarea și instruirea personalului privind utilizarea echipamentelor de protecție individuală, adecvate executării intervenției și postului de lucru.

Fig. 25 Dispozitiv pentru respirat cu butelie [18]

Fig. 26 Echipament de protecție pentru lucrul la înălțime [18]

Alte măsuri:

Utilizarea unui plan de mentenanță a echipamentelor;

Utilizarea de materiale și echipamente corespunzătoare de intervenție în cazul unor poluări accidentale;

Elaborarea unui plan pentru situații de urgență.

Concluzii

Plecând de la premisa energiei verzi, producerea biogazului în stațiile de epurare a apelor uzate, îndeplinește condițiile directivelor europene (UE) 2018/2001 contribuind la atingerea pragului țintă asumat de Romania, pentru anul 2020.

Totodată obținerea biogazului din fermentarea nămolului în stațiile de epurare a apelor uzate, generează o autonomie a instalațiilor utilizate în procesele de epurare.

În centrul instalațiilor de biogaz se află metan-tancul. Un rezervor etanș, în care are loc digestia.

Metan-tancul este alimentat cu nămol concentrat 6% S.U. și produce biogaz. O serie de parametri sunt importanți pentru o producție calitativă și cantitativă de biogaz. Dintre aceștia putem aminti: Umiditatea materiei prime, concentrația de substanță uscată, procentajul de substanță volatilă, densitatea și pH-ul.

În urma procesului de digestie anaerobă se evacuează nămol fermentat. Acesta se prezintă sub formă lichidă și este un îngrășământ bogat în azot nutritiv, fosfor și potasiu, într-o formă mai accesibilă pentru culturi decât în nămolul concentrat nefermentat.

Biogazul poate fi utilizat pentru producerea energiei termice într-un boiler pe gaz sau electricitate și căldură utilizând un motor și un generator sau poate fi purificat și utilizat ca combustibil pentru autovehicule. Ultimele cercetări arată posibilitățile de utilizare a biogazului pentru producerea de combustibili și de producere a hidrogenului [5]

Concentrația de hidrogen sulfurat H2S din biogaz poate varia de la 250 ppm până la câteva procente, la concentrații de 50 ppm are un miros deranjant de “ouă stricate” și este toxic la concentrații mai mari de 100 ppm.

În unele aplicații H2S trebuie să fie îndepărtat înainte ca biogazul să poată fi utilizat, din motive de sănătate, siguranță, mediu și datorită faptului că hidrogenul sulfurat sub formă de gaz este coroziv (poate deteriora echipamente ca: motoare cu gaz (CHP), cazane de aburi, conducte etc.

Desulfurarea biogazului este de asemenea necesară atunci când biogazul este adaptat la calitatea gazelor naturale pentru a putea fi injectat în rețeaua de gaz.

În prezent există mai multe tehnologii de eliminare a H2S din gaz:

Filtru biologic, filtru chimic, filtru cu cărbune activ.

Fig. 27 Instalație de desulfurare biologică a biogazului [19]

Procesul de desulfurare biologică se bazează pe o cultură bacteriană prezentă în mod normal în mediu. Cultura se hrănește cu hidrogen sulfurat. Singurul reziduu din proces este un lichid bogat în sulf și nutrienți (PNK) similar unui fertilizator lichid. Astfel, un sistem de desulfurare biogaz nu este doar economic, dar poate fi considerat și o investiție ecologică.

Fig. 28 Model de echipament pentru desulfurare chimică [19]

Desulfurarea chimica elimina hidrogenul sulfurat pe baza unei reacții chimice a sodei caustice cu hidrogenul sulfurat. Pentru a obține cele mai bune rezultate, soluția de spălare si biogazul se amesteca cat mai mult timp posibil.

În prima fază printr-un jet de lichid apoi printr-un strat de material de umplere, unde se pulverizează în continuu cu soluție de spălare.

Fig. 29 Instalație desulfurare cu cărbune activ [19]

Desulfurarea cu cărbune activat este soluția ce presupune cea mai mica investiție inițială dar presupune înlocuirea periodică a materialului filtrant, în funcție de nivelul de contaminare.

Bibliografie

[1]*** https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Glossary:Biofuels accesat 20.052019.

[2] Henrik Frederiksen, Daniel Dănuț, Mihai Masinistru, Adrian Gregulesc. Sisteme pentru depozitarea dejecțiilor. Standarde de ferma. Editura: Danish Agricultural Advisory Service Anul:2010

[3] Dominik Rutz, Utilizarea durabila a energiei termice a instalațiilor de biogaz, Editura: WIP Renewable Energies, Orasul: Munchen,Germany,2012

[4] *** BIOEXELL Training Manual Project deliverable of BIOEXELL -European Biogas Centre of Excellence, descărcat de pe http://lemvigbiogas.com/( accesat 20.06.2019)

[5] Victor Covaliov, Perfecționarea sistemelor de obținere a biogazului, Centrul de Cercetări Științifice în Chimie Aplicată și Ecologică, USM

[6] *** Instalatii biogaz pentru “1MEWel”, Titular S.C. Cert prodex S.R.L Focsani. Anul 2010.

[7] *** http://www.fabbiogas.eu/en/home/about-biogas Accesat pe data de 19.01.2017.

[8] *** http://www.biogasin.org/files/pdf/WP3/D.3.6.6_Trinergi_RO.pdf Accesat pe data de 20.01.2017.

[9]*** https://www.anre.ro/ro/gaze-naturale/legislatie/legislatie-ue/energie-regenerabila (accesat 20.06.2019)

[10]***https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=File:Share_of_energy_from_renewable_sources_2017_infograph.png (accesat 20.06.2019);

[11]*** Manual de operare și întreținere, Stația de Epurare Ape Uzate Bacău: Treapta Terțiară, vol.1, Dec. 2014

[12]*** Povestea apei, video realizat pentru CRAB Bacău

[13]***http://www.rasfoiesc.com/educatie/geografie/ecologie/TREAPTA-DE-EPURARE-BIOLOGICA-A24.php?fbclid=IwAR342vinK2Rt78qj6VERPcdae3dJ8aXyqKS63c11AmwCUIkt1Fbd87dF5bg (accesat 16.06.2019)

[14] Prezentare ppt Instruire personal de operare, realizat de AKTOR S.A și PARCIS SRL, pentru CRAB Bacău.

[15]*** http://www.esc-inc.ro/echipamente-instalatii-aburcondens/separatoare-turbionare/ (accesat 18.06.2019)

[16]*** http://baltursib.ro/index.php?route=information/information&information_id=13 (accesat 19.06.2019)

[17] Teodorita Al Seadi, Dominik Rutz, Heinz Prassl, Michael Köttner, Tobias Finsterwalder, Silke Volk, Rainer Janssen Biogazul ghid practic, Octombrie 2008. descărcat de pe http://lemvigbiogas.com/( accesat 20.06.2019)

[18]***https://www.slideserve.com/wei/inspectoratul-teritorial-de-munca-constanta (accesat 19.06.2019)

[19]*** https://www.jetrun.ro/desulfurare/ (accesat 19.06.2019)