Proiectarea Unei Statii de Producere a Biogazuli din Deseurile Reutilizate de la O Ferma Agrozootechnica Di Judetul Alba

[1] [NUME_REDACTAT], T., Rutz, D., Prassl, H., ș.a , “Biogazul – ghid practic”, [f.l.], [f.e.], 2008

[2] Căpățână, C., Simonescu, C. M., “Depozitarea, tratarea și reciclarea deșeurilor și materialelor recuperabile”, București, [NUME_REDACTAT] Rom, 2006

[3] Cioablă, A. E., “Contribuții teoretice și experimentale privind producerea de biogaz din deșeuri de biomasă ” – Teză de doctorat, Timișoara, [NUME_REDACTAT], 2009

[4] Deac, C., “Managementul deșeurilor solide”, Sibiu, [NUME_REDACTAT] „[NUME_REDACTAT]” din Sibiu, 2013

[5] Jolondcovschi, A., Șalaru, G., Bahnaru, A., Osipov, R., Golic, A., „Managementul deșeurilor biodegradabile” , Chișinău, [f.e.], 2013

[6] Nikolic, V., Vintilă, T., „Integrarea fermentației anaerobe și caparea metanului în managementul dejecțiilor într-o fermă de vaci de lapte”, Timișoara, [f.e.], 2009

[7] Ofițeru. A., Adămescu, M., „Raport despre evaluarea politicilor din România”, București, [f.e.], 2009

[8] Persson, M., Jönsson, O, Wellinger, A., “[NUME_REDACTAT] to [NUME_REDACTAT] Standards and [NUME_REDACTAT]”, IEA Bioenergy, 2006.

[9]*** www.rasfoiesc.com – Tratarea deșeurilor municipale solide prin procedee de fermentare anaerobă

http://www.rasfoiesc.com/educatie/geografie/ecologie/TRATAREA-DESEURILOR-MUNICIPALE91.php accesat la data de 03.02.2015

[10]*** www.biogaz-instalatii.ro – Ce este biogazul?

http://biogaz-instalatii.ro/b1.html accesat la data de 04.03.2015

[11]*** http://www.cjalba.ro – Master planul energetic al județului Alba

http://www.cjalba.ro/wp-content/uploads/2011/06/MasterplanE.pdf accesat la data de 30.03.2015

[12]*** http://www.insse.ro – Statistică teritorială 2013

http://www.insse.ro/cms/files/publicatii/Statistica%20teritoriala/Statistica%20teritoriala%202013.pdf accesat la data de 31.03.2015

[13]*** [NUME_REDACTAT] Management, [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT], Calrecovery, 2005 – http://www.unep.org accesat 20.04.2015

[14]*** http://www.inginerie-electrica.ro – Biomasa ca resursă regenerabilă

http://www.inginerie-electrica.ro/acqu/pdf/2009_s3_l7.pdf accesat la data de 22.04.2015

[15]*** http://www.rcminternationalllc.com – [NUME_REDACTAT] of the [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] Technologies, RCM International LLC, http://www.rcminternationalllc.com/RCM_Forms/RCM_Digester_Types.pdf accesat la data de 25.04.2015

[16]*** http://www.bizoo.ro – Arzător biogaz http://www.bizoo.ro/firma/arzatoare/vanzare/266149/arzator-biogaz accesat la data de 30.04.2015

[17]*** http://zorg-biogas.com – Dispozitiv de ardere a biogazului

http://zorg-biogas.com/equipment/flare?lang=ro accesat la data de 30.04.2015

[18]*** http://www.energynomics.ro – Biomasă

http://www.energynomics.ro/ro/ab-energy-romania-tinteste-livrarea-a-10-centrale-pe-biogaz-in-2014/ – accesat la data de 10.05.2015

[19]*** http://www.naturenergy.ro – Componentele instalației de biogaz – digestorul

http://www.naturenergy.ro/componentele-instalatiei-de-biogaz-digestorul-160247.htm#.VW4bUtLtmko accesat la data de 15.05.2015

[20]*** http://www.carbotech.info – [NUME_REDACTAT] Group, Biogas upgrading plants http://www.carbotech.info/content/dam/internet_carbotech/pdf/biogas_upgradingplants_77162.pdf accesat la data de 26.05.2015

[21]*** www.rotaguido.ro – Digestia anaerobă

http://rotaguido.it/ro/prodotti/ecoenergie/recupero-biogas.php accesat la data de 25.02.2015

[22]*** http://www.biogasheat.org – Utilizarea durabilă a energiei a instalațiilor de biogaz http://www.biogasheat.org/wp-content/uploads/2013/04/BiogasHeat_Handbook_RO.pdf accesat la data de 30.05.2015

[23]*** http://www.mmediu.ro – Instalație pilot pentru producerea biogazului http://www.mmediu.ro/beta/wp content/uploads/2013/11/2013-11-05_Raport_privind_impactul_asupra_mediului_instalatie_biogaz_Seini_Maramures.pdf accesat la data de 04.06.2015

1. Introducere

2. Stadiul actual în domeniul producerii și utilizării biogazului

2.1 Deșeuri și deșeuri biodegradabile – generalități, clasificare

În funcție de starea de agregare, deșeurile pot fi:

deșeuri solide: cenuși industriale, carcase de utilaje și vehicule

deșeuri lichide: apele reziduale

deșeuri gazoase: gazele de ardere, fumul, vapori ai unor substanțe generate prin reacții chimice etc.

În funcție de locul producerii lor:

deșeuri menajere – provenite din activități casnice sau asimilabile cu acestea;

deșeuri asimilabile cu cele menajere – provenite din industrie, din comerț, din sectorul public sau administrativ;

deșeuri stradale – specifice căilor de circulație publică, depunerea substanțelor solide din atmosferă (praf), de la spațiile verzi, animale;

deșeuri de producție (industriale) – provenite din industrii, în urma unor procese tehnologice;

deșeuri din construcții și demolări – provenite din demolarea sau construirea unor obiective industriale sau civile;

deșeuri agricole – provenite din unități agricole și zootehnice (gunoi de grajd, dejecții animaliere, deșeuri animaliere din abatoare și din industria cărnii);

deșeuri spitaliere – provenite din activitatea spitalelor sau a unităților sanitar-veterinare și care trebuie tratate în mod special în spitale (prin incinerare sau autoclavare). [4]

Deșeurile menajere, cele asimilabile cu deșeurile menajere, și deșeurile stradale sunt numite și deșeuri municipale (urbane, orășenești).

În funcție de destinație:

deșeuri recuperabile (reciclabile) – deșeuri care constituie materie primă pentru procese de prelucrare sau tratare ulterioare;

deșeuri nerecuperabile (deșeuri ultime). [4]

După gradul de agresivitate față de mediu:

deșeuri inerte, potențialul de poluare a mediului este nul sau foarte redus (deșeuri minerale, pietriș zgură);

deșeuri toxice sau periculoase; la rândul lor în funcție de natura pericolului pe care îl reprezintă, acestea pot fi împărțite în:

deșeuri explozive- substanțe și preparate care pot exploda sub acțiunea unei scântei;

deșeuri oxidante – substanțe și preparate care produc reacții puternic exoterme în contact cu alte substanțe;

deșeuri inflamabile (punct de aprindere între 210-550°C);

deșeuri foarte inflamabile (punct de aprindere sub 210°C);

substanțe și preparate care se pot încălzi și se aprind în contact cu aerul la temperatura mediului ambiant;

substanțe solide și preparate care iau foc cu ușurință la contactul cu o sursă de aprindere și care continuă să ardă;

substanțe gazoase și preparate care sunt inflamabile în aer la presiune normală;

deșeuri iritante – substanțe și preparate necorozive care, în contact imediat, repetat cu pielea , pot produce inflamații;

deseuri nocive – substanțe și preparate care, daca sunt inhalate sau ingerate ori dacă penetrează pielea, constituie riscuri pentru sănatate;

deșeuri toxice – substanțe și preparate care, dacă sunt inhalate sau daca penetrează pielea, pot provoca vătămări grave sau chiar moartea;

deșeuri cancerigene – substanțe și preparate care, daca sunt inhalate sau ingerate ori daca penetrează pielea, pot cauza apariția cancerului( exp: azbest);

deșeuri corozive – substanțe și preparate care distrug țesuturile vii;

deșeuri infecțioase – care produc boli omului sau altor organisme vii;

deșeuri periculoase pentru reproducere – produc malformații;

deșeuri mutagene – produc defecte genetice ereditare;

substanțe și preparate care, în contact cu apa, cu aerul sau cu un acid, produc gaze toxice sau foarte toxice;

deșeuri ecotoxice – au efect asupra mediului cu riscuri întârziate sau imediate;

deșeuri radioactive. [4]

În funcție de potențialul de valorificare:

deșeuri valorificate în mod curent;

deșeuri nevalorificate, dar cu potențial de valorificare;

deșeuri nevalorificabile. [4]

În această categorie(deșeuri) se încadrează orice solid, lichid sau gaz care pătrunde în mediul înconjurator ca sub-produs al unor activități agricole: gunoiul de grajd, dejecțiile animaliere, reziduurile de la abatoare și din industria cărnii, provenite din unitățile agricole, zootehnice sau din gospodăriile individuale, paie, coji etc., dar și deșeuri din plastic, resturi de mecanisme, garduri, pesticide, uleiuri uzate și medicamente de uz veterinar.

Principalele surse generatoare de deșeuri biodegradabile, inclusiv a tuturor tipurilor de deșeuri specificate în clasificatorul în vigoare, pot fi considerate sectoarele din figura 2.1. [5]

La nivel național, cantitatea deșeurilor biodegradabile generate pe toată perioada de studiu constituie 13.178.087,2 tone, și se prezintă în figura 2.2. [5]

2.1.1 Impactul ecologic al deșeurilor

Impactul ecologic al deșeurilor se manifestă prin:

scurgeri de substanțe nutritive în ape sau în pânza freatică, afectând mediul;

emisii de amoniac și metan, cauze ale acidificării, contribuie la emisiile de gaze cu efect de sera

Cum se pot limita problemele cauzate de deșeurile agricole:

se limiteaza scugrerile de lichide cu conținut organic

se colectează și păstrează deșeurile

se modifică sau tratează deșeurile

se refolosesc deșeurile ca fertilizatori organici, aditivi pt hrana animalelor sau producerea de energie

2.1.2 Deșeuri agro-zootehnice

Următoarele deșeuri agricole pot fi utilizate pentru producerea biogazului:

Paie de grâu, orz, ovăz, orez, secară, rapiță

Lujeri(vrejuri) de cartofi, soia, fasole, roșii, mac

Coceni și tulei de porumb

Frunze de sfeclă de zahăr sau sfeclă furajeră, de floarea soarelui

Frunze verzi sau uscate din copaci

Iarbă verde sau uscată

Buruieni diferite, verzi sau uscate

Lucernă verde sau uscată, tulpini de in

Pleava de la diferite cereale si de orez

Puzderie de cânepă

Alge diferite

Trestie și trestie de zahăr, sorgul zaharat

Zambila de apă, nufăr

Semințe diferite, coji de alune și de semințe

[NUME_REDACTAT] și grăsimi vegetale [5]

Deșeurile animaliere obținute în gospodărie și de la fermele mici și mijlocii de vite sunt:

Gunoiul de grajd

Gunoiul de păsări

Urina și mustul de la gunoiul de grajd, etc. [5]

2.2 Tratarea biologică anaerobă a deșeurilor biodegradabile

Digestia anaerobă este un proces biologic complex prin intermediul căruia în lipsa oxigenului, substanța organică este transformată în biogaz sau în gaz biologic, compus în principal din metan și anhidridă carbonică. Procentul de metan în biogaz variază în funcție de tipul substanței organice și de condițiile de procesare, de la un minim de 50% până la aproximativ 70%. [21]

Descompunerea anaerobă se utilizează în principal pentru tratarea excrementelo de poveniență animalică, pentru stabilizarea nămolului orășănesc cu un conținut mare de compuși organici biodegradabili, pentru compostarea fracției biodegradabile din deșeurile menajere , pentru tratarea deșeurilor solide vegetale. Ceea ce este important de menționat este faptul că tratarea biologică prin digestie anaerobă a fost studiată chiar și pentru tratarea deșeurilor industriale. Instalațiile cu biogaz au două produse finale: compostul și biogazul. [21]

2.2.1 Bazele descompunerii anaerobe

Descompunerea anaerobă (fermentarea) este procesul de degradare a materiei organice din deșeuri de către populațiile de microorganisme care trăiesc în medii lipsite de oxigen. În cazul în care materia organică se descompune în mediu aerob bacteriile produc un amestec de metan și dioxid de carbon în stare gazoasă. Prin descompunerea anaerobă are loc tratarea dșeurilor prin transformarea materiei organice în dioxid de carbon și metan sub formă gazoasă. Acest amestec gazos se numește biogaz. Biogazul se poate utiliza la producerea de energie electrică și căldură. Utilizarea recomandată a biogazului obținut prin digestia anaerobă a nămolului din agricultură și a fracțiunii organice din deșeurile municipale solide este ca și carburant pentru vehicule. [2]

Prin transformarea substanțelor solide în biogaz rezultă o cantitate foarte mică de component solid care trebuie depozitat. În timpul procesului de tratare anaerobă compușii organici cu azot sunt tansformați în amoniac, compușii cu sulf la hidrogen sulfurat, compușii cu fosfor la ortofosfați iar calciul, magneziul și sodiul la diverse săruri. Printr-o realizare în condiții optime a procesului de descompunere anaerobă constituenții anorganici ai deșeurilor sunt transformați într-un număr mare de produși utili. Produșii finali ai procesului de descompunere anaerobă sunt: gazul natural(metanul) pentru producerea de energie, căldura rezultată din producerea de energie, un nămol organic bogat în nutrienți (compost) și alți produși anorganici utilizați pe piață. [2]

2.2.2 Procedee și instalații de fermentare

Principalele procedee de fermentare sunt:

fermentația uscată, în care se descompune anaerob un substrat cu un conținut de până la 65% substanță uscată;

fermentația umedă, în acest caz se adaugă apă până se obține un nămol orășenesc cu circa 10% substanță uscată;

fermentația umedă în două trepte, substanța solidă suferă o hidroliză, în care o mare parte din substanța biodegradabilă este dizolvată în apă. [2]

Tipul procedeului de fermentație se alege în funcție de următoarele criterii:

conținut în apă

conținut în azot

conținut în grăsime

necesități legate de igienizare

omogenitateaa materialului de intrare (compoziția și concentrația anumitor grupe de material ) [2]

Instalațiile de fermentare diferă între ele în funcție de:

temperatura procesului

alcătuirea reactoarelor și recipientelor

conținutul în apă al materialului supus fermentației

tehnicile metodologice folosite la amestecarea materialului de fermentat [2]

Fiecare etapă din procesul de fermentare se poate realiza împreun cu celelalte sau în compartimente de reactor separate. Prin separarea etapelor procesului integral derivă posibilitatea optimizării reacției. Procesul integral al fementării accelerându-se astfel. Însă în acest caz costurile pentru investiții de funcționare și întreținere sunt mult mai mari.

În funcție de numărul de etape, fermentația poate decurge:

într-o singură etapă, caz în care hidroliza, alterarea și formarea gazelor(metanizarea) se desfășoară în același recipient

în două etape, în acest caz hidroliza și alterarea decurg în același recipient, formarea gazelor(metanizarea) decurgând într-un al doilea recipient

în trei etape, hidroliza și alterarea decurg în același recipient, formarea gazelor (metanizarea) decurgând într-un al doilea recipient, iar cel de-al treilea recipient are rolul de a definitiva descompunerea fibrelor celulozice [2]

Materialul în timpul procesului de fermentație trebuie amestecat. Amestecarea poate fi:

mecanică și se desfășoară în malaxoare

pneumatică reactor prin reintoducerea biogazului în reactor

împrejmuirea reactoarelor, eventual cu recircularea suspensiei din fermentare [2]

2.3 [NUME_REDACTAT] termenul de „biogaz”, acceptat și pe plan internațional, se înțelege produsul gazos care rezultă în cursul fermentării anaerobe (adică în lipsa aerului) a materiilor organice de diferite proveniențe.

Biogazul este un amestec de gaze. Principalele gaze care compun biogazul sunt metanul și dioxidul de carbon, ambele în proporții variabile. În cantități foarte mici se mai găsesc în biogaz azot (N), hidrogen sulfurat (H2S), dioxid de carbon (CO2), oxigen (O2).

Valoarea energetică a biogazului este dată de conținutul de metan al acestuia. [NUME_REDACTAT] 2.1 sunt date valorile energetice pentru 1 m3 de biogaz . [10]

Tabelul 2.1 : Valorile energetice pentru 1m3 de biogaz [10]

2.3.1. Factorii care influențează producția de biogaz

Pe baza experienței îndelungate acumulate, în decursul timpului, de către cei care au cercetat și urmărit producerea biogazului, următorii factori sunt determinanți în producția de biogaz:

materia prima

temperatura

presiune

agitarea

pH-ul (aciditatea)

2.3.1.1 Materia primă

Deșeurile supuse procesului de fermentare anaerobă trebuie să aibă un conținut suficient de materii organice pentru a se desfășura un proces de descompunere stabil. [2]

Materia primă trebuie să asigure mediul prielnic dezvoltării și activității microorganismelor ce concură la digestia substratului și, în final, la producerea biogazului. Acest mediu trebuie să satisfacă următoarele condiții:

să conțină carbon și azot într-o anumită proporție (C/N = 15 – 25)

să conțină materie organică biodegradabilă

să nu conțină substanțe inhibitoare pentru microorganisme: unele metale grele, detergenți, antibiotice, concentrații mari de sulfați, formol, dezinfectanți, fenoli și polifenoli

să aibă o umiditate ridicată, peste 90%

să aibă o reacție neutră sau aproape neutră (pH = 6,8 – 7,3) [6]

2.3.1.2 [NUME_REDACTAT] de biogaz este influențată foarte puternic de temperatură.

Microorganismele ce concură la producerea biogazului se împart în trei mari categorii:

Criofile, care sunt caracterizate printr-o activitate care poate avea loc la temperaturi cuprinse între 12 – 24°C se numește zonă caracteristică fermentării în regim criofil;

Mezofile, care sunt caracterizate printr-o activitate care are loc la temperaturi cuprinse între 25– 40°C se numește zonă caracteristică fermentării în regim mezofil;

Termofile, care sunt caracterizate printr-o activitate care poate avea loc la temperaturi cuprins între 50 – 60°C se numește zonă caracteristică fermentării în regim termofil. [6]

2.3.1.3 [NUME_REDACTAT] are o mare importanță în procesul de metanogeneză. S-a dovedit că, atunci când presiunea hidrostatică în care lucrează bacteriile metanogene crește peste 4-5 metri coloană de apă, degajarea de metan, practic, încetează. Ea reîncepe atunci când presiunea hidrostatică scade la valori mai mici. Această constatare este foarte importantă la proiectarea fermentatorului. La fermentatoare cu ax vertical inalțimea paote să ajungă la zeci de metri degajarea de metan se produce numai în partea superioară și poate ajunge până la o adâncime de maximum cinci metri iar restul spațiului este ocupat de un substrat, nu produce biogaz. Acest „rest” de spațiu poate fi de cele mai multe ori foarte mare, depinde in general de dimensiunile fermentatorului, putând ajunge aproape la 85-90% din volumul total. Reciclarea permanenta este obligatorie la acest tip de fermentator, porțiunile de substrat care se aflate sub limita de degajare a metanului, sunt aduse în zone superioare unde degajarea reîncepe. Pentru a înlătura acestui inconvenient major, au fost realizate niște fermentatoare în flux orizontal, unde înălțimea substratului nu depășește 3,5 metri iar degajarea de metan se poate produce în întreaga masă a materialului supus fermentării. [6]

2.3.1.4 [NUME_REDACTAT] interiorul fermentatoarelor au loc procese biochimice despre care s-a scris mai înainte dar și niște procese fizice. Astfel se constată că, în cursul fermentației are loc o segregare a materialului supus fermentării. Microbulele de gaze care se degajă în masa substratului antrenează, prin fenomenul de flotație, particulele mai ușoare de suspensii, spre suprafața lichidului. Astfel se formează repede o crustă cu tendință de întărire și deshidratare chiar dacă materiile organice din ea nu au apucat să fie degradate prin fermentație. Suspensile mai grele prin natura lor, sau fracțiuni care au fermentat și sunt parțial(sau total mineralizate) au tendința să se lase spre partea de jos a fermentatorului. Între cele două straturi se găsește un strat de lichid în care fermentarea și epuizarea materiei organice continuă să fie din ce în ce mai lentă.

Cele arătate mai sus ne constituie unul din motivele pentru care este necesară agitarea conținutului fermentatorului. [6]

2.3.1.5 [NUME_REDACTAT] primele etape de fermentare a materiilor organice în vederea producerii de biogaz, predomină microorganismele din grupa celor acidogene, pentru care aciditatea mediului, care este exprimată în pH, este cuprinsă în intervalul de 5,5 – 7,0. În etapele finale de fermentare, bacteriile metanogene care consumă acizii cu molecule mici sunt rezultați din etapele anterioare, lucrează bine la o aciditate care corespunde unui interval de pH de 6,8 – 8,0. Se poate întâmpla ca, din anumite motive, activitatea bacteriilor acidogene să fie mai intensă decât a celor metanogene, fapt care poate duce la o acumulare a acizilor organici ce poate determina o scădere a pH-ului inhibând și mai tare activitatea bacteriilor metanogene. În aceste situații se constată că producția de biogaz poate scădea până la dispariție și este nevoie de intervenția operatorilor pentru a redresa această situație. Corecția acidității excesive se face de cele mai multe ori cu lapte de var, unde pH-ul se readuce în limitele de echilibru dintre cele două grupe de populații, acidogene și metanogene, adică între limitele de 6,8 – 7,6.

S-a arătat deja că aceste inconveniente apar în cazul fermentatoarelor cu amestecare totală a materialului conținut. Aciditatea trebuie menținută într-un echilibru de compromis între preferințele celor două populații de microorganisme. Evitarea problemelor legate de aciditatea substratului se poate face prin sistemul de fermentare în două faze sau cu recipienți separați, fie, cel mai bine, adoptând un sistem de fermentare în flux orizontal. [6]

2.3.2 Microorganismele implicate în procesul de obținere al biogazului

Fermentarea anaerobă este un proces biochimic foarte complex, care implica câteva tipuri diferite de bacterii ce lucrează împreună pentru a descompune substanțele organice complexe existente în deșeuri pâna la produși gazoși finali (CH4, CO2 si H2O). Procesul constă în principal din următoarele patru etape biochimice:

1. Hidroliza, realizată de către bacteriile ce transformă carbohidrații insolubili, proteinele și grăsimile în zaharuri simple, acizi grași, aminoacizi și peptide;

2. Acidogeneza, unde bacteriile acidogene transformă produșii de hidroliză în acizi organici simpli, alcooli, CO2 și hidrogen;

3. Acetogeneza, în care bacteriile acetogene transformă acizii grași cu mai mult de 2 atomi de carbon în acetat și hidrogen;

4. Metanogeneza, este etapa finală în procesul de fermentare anaeroba, în care bacteriile metanogene produc biogaz din acid acetic sau din hidrogen și CO2. [9]

În timp ce metanul este eliberat aproape în totalitate în fază de gaz, anhidrida carbonică participă la echilibrul carbonaților prezenți în biomasa în reacție. Interacțiunile între diferitele specii bacteriene sunt foarte restrânse și produsele metabolismului unor specii pot fi utilizate de alte specii ca și substrat sau ca și factor de creștere. [21]

În decursul procesului de fermentare anaerbă aau loc numeroase reacții chimice, fizice și biologice. Consorțiile de bacterii catalizează aceste reacții. În consecință un factor foarte important în pocesul de fermentare anaerobă îl reprezintă consorțiile de bacterii. [21]

Tabelul 2.2: Tulpinile bacteriene responsabile de procesul de digestie anaerobă și substraturile de atacat [8]

Gazul care se obține din descompunerea biologică a substanței organice, prin activitatea grupului de bacterii care acționează în mediul anaerob, este un amestec gazos compus în principal din metan și anhidridă carbonică, cu urme de alte gaze.

Tabelul 2.3: Procentaj mediu de metan în biogazul produs plecând de la dejecțiile animale și alte biomase [21]

Compușii toxici cum ar fi fungicidele și agenții antibacterieni pot avea un efect advers asupra fermentării anaerobe. Catități foarte mici de substanțe toxice au influență negativă asupra procesului de fermenare anaerob. [21]

2.4 Producerea și utilizarea biogazului la nivel mondial

În ultimii ani, piața mondială pentru biogaz a crescut cu 20% până la 30% pe an. [NUME_REDACTAT], țări precum Austria, Danemarca, Germania și Suedia sunt printre cele mai experimentate în ceea ce privește tehnologiile pentru biogaz și au reușit să stabilească piețe naționale competitive în domeniu. Pentru a dezvolta aceste piețe au fost efectuate intense cercetări RD&D, iar sectoarele pentru biogaz au primit subsidii guvernamentale considerabile și s-au bucurat și de sprijin public. Fermierii implicați, operatorii fabricilor de biogaz, precum și investitorii au acumulat cunoștințe importante, informații tehnice private și expertiză cu privire la tehnologiile biogazului. [1]

Pe lângă tipurile de materii prime tradiționale, în țări precum Germania și Austria a fost inițiată și cultivarea plantelor energetice pentru producerea biogazului. Au fost întreprinse eforturi de cercetare însemnate, în direcția creșterii productivității și a diversității plantelor energetice, precum și pentru evaluarea potențialului acestora pentru biogaz. Au fost definite noi practici agricole, noile sisteme de rotație a culturilor, de intercultură și cultură combinată făcând obiectul unor cercetări și al unei dezvoltări intensive.

Nu există nicio bază legală pentru proiectele de biogaz, în particular. Legislația a fost emisă pentru toate proiectele de construcții. Proiectele de energie trebuie să respecte toate cerințele generale pentru proiecte de construcții, dar, de asemenea, cele ale agenției naționale de energie ([NUME_REDACTAT] de Reglementare în domeniul Energiei – ANRE). În același timp, nu există legi speciale pentru biogaz, astfel, de exemplu, nu există reguli pentru introducerea biogazului în rețeaua națională de gaze naturale. Noua lege a energiei regenerabile nu influențează procedura de autorizare în mod direct, dar va ajuta la promovarea noilor instalații de biogaz. O serie de legi sunt importante în procedura de autorizare, de certificare și de acordare de licențe. [1]

În ceea ce privește tehnologia, deși România este printre țările care a avut în trecut preocupări serioase pentru obținerea biogazului, în prezent se preferă importul de tehnologie și echipamente, date fiind expertiza și rezultatele obținute de către țări în care această tehnologie este consolidată și dovedit viabilă economic.

2.5 Potențialul de producere și utilizare a biogazului în [NUME_REDACTAT] și analiza datelor pentru determinarea potențialului de producere și utilizare a biogazului s-a realizat cu ajutorul unui sistem informatic integrat dezvoltat pe baza instrumentelor GIS ([NUME_REDACTAT] System), care permite să se evalueze structura și funcționarea sistemelor complexe, să reflecte distribuția spațială și să se identifice exact unitățile administrative cu potențial ridicat. Analiza datelor disponibile preluate de la EUROSTAT s-a realizat pentru unitățile teritoriale naționale (NUTS – [NUME_REDACTAT] Units) de nivel II și III din metodologia GIS. [1]

Datele de intrare preluate de la EUROSTAT au fost:

Agricultură

o Recolte

o Producții

o Suprafețe cultivate

o Creșterea animalelor

o Deșeuri animaliere

Demografie (sisteme antropice rurale și urbane)

o Populația umană

o Potențialul turistic

Evacuarea / tratarea deșeurilor

o Deșeuri solide

o Ape uzate

Potențialul pentru culturi energetice

România are un petențial considerabil pentru producția primară (inclusiv cea de culturi energetice) – figura 2.7.

Se observă câteva zone potrivite pentru producție mare, în special în părțile de sud și sud-est ale țării, cu o producție medie (pentru întreaga suprafață a unității) de peste 17 mil tone. Alte zone pot contribui de asemenea substanțial la producția totală, iar pentru anumite culturi, cu un potențial chiar mai ridicat. Câmpia de Vest, împrejurul Timișoarei are un potențial ridicat pentru culturi energetice. Câmpiile din zonele de est, din jurul liniei dintre orașele Buzău și Focșani sunt pretabile culturii porumbului și prin urmare pentru producția de biogaz pe bază de culturi energetice.

Deșeuri agricole

Se observă că aceleași zone cu producție primară energetică ridicată prezintă și o producție ridicată de deșeuri agricole. În ultimmii ani capacitatea maximă de deșeuri agricole a fost în jur de 6 milioane tone pe an.

Cele mai mari cantități de deșeuri rezultate din producția secundară sunt corespunzătoare părții de nord a României (RO21). Cel mai mare potențial îl are regiunea RO21 (cel mai bine reprezentată de RO215) din nord-estul României cu o producție totală în jur de 300.000 tone pe an. Deasemenea sunt și alte regiuni cu potențial ridicat pentru biogaz.

În ceea ce privește deșeurile provenite din agricultură, potențialul României este ridicat și în legătură cu diversitatea de tipuri de fermă, de la cele cu culturi permanente, la cele de plante de câmp și diverse tipuri de ferme animaliere și mixte, aceste ultime două tipuri având o pondere numerică semnificativă. Ponderea bună în schimb e contrabalansată de gradul de fragmentare ridicat. Însă, tendința de scădere a fragmentării fermelor prin agregare și arendarea terenului constituie un factor pozitiv pentru implementarea / dezvoltarea proiectelor pentru biogaz. [1]

În cazul fermelor animaliere instalațiile de biogaz pot reprezenta totodată o soluție foarte avantajoasă pentru managementul deșeurilor. Bineînțeles că cele mai bune zone sunt cele cu un număr mare de capete și un număr mic de ferme, cum este cazul regiunii de sud-est a României.

Soluții pentru amplasarea uzinelor de biogaz:

1) în zonele de producție agricolă (din sudul și sud-estul țării) care să utilizeze potențialul generat de producția primară și de materii organice solide;

2) pentru zonele din nordul țării, ca materie primă pentru obținerea biogazului – nămolurile de canalizare. [1]

2.6 Legislația U.E privind biogazul

Deși în prezent, nu există nicio Directivă specifică sau Regulament destinat exclusiv producerii și utilizării biogazului, necesitatea introducerii unui cadru legislativ privind biogazul este subliniată de multe instituții și părți interesate. De exemplu, Comisia pentru Agricultură și [NUME_REDACTAT] a [NUME_REDACTAT] a elaborat recent un raport și recunoaște biogazul ca o resursa de energie vitală care contribuie la dezvoltarea durabilă economică, agricolă și rurală, precum și la protecția mediului. Mai mult, aceasta încurajează atât [NUME_REDACTAT] cât și [NUME_REDACTAT] să exploateze potențialul uriaș de producere a biogazului, prin crearea unui mediu favorabil, precum și prin menținerea și dezvoltarea unor scheme de finanțare pentru a inspira și susține investițiile în instalațiile de biogaz. [7]

DIRECTIVA 2000/76/EC on the incineration of waste” – “cu privire la incinerarea deșeurilor”

DIRECTIVA 2001/77/EC „on the promotion of electricity produced from renewable energy sources in the internal electricity market“ – „privind promovarea energiei electrice produse din surse de energie regenerabile pe piața internă a energiei electrice"

DIRECTIVA 2001/80/EC “on the limitation of emissions of certain pollutants into the air from large combustion plants” – „privind limitarea emisiilor de anumiți poluanți în aer de la instalații de ardere mari"

DIRECTIVA 2002/91/EC „on the energy performance of buildings“ – „cu privire la eficiența energetică a construcțiilor“

DIRECTIVA 2003/30/EC „on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for transport“ – „privind promovarea utilizării biocombustibililor sau a altor combustibili regenerabili pentru transporturi"

DIRECTIVA 2003/55/EC “concerning common rules for the internal market in natural gas and repealing Directive 98/30/EC” – „privind normele comunitare pentru piața internă a gazelor naturale și abrogarea Directivei 98/30/CE"

DIRECTIVA 2003/87/EC „establishing a scheme for greenhouse gas emission allowance trading within the Community and amending [NUME_REDACTAT] 96/61/EC“ – „privind stabilirea unei scheme pentru comercializarea cotelor de emisie de gaze cu efect de seră în cadrul Comunității și modificarea [NUME_REDACTAT] 96/61/CE"

DIRECTIVA 2004/8/EC „on the promotion of cogeneration amending Directive 92/42/EEC“ – „privind promovarea cogenerării, ce modifică Directiva 92/42/CEE"

DIRECTIVA 2006/12/EC „on waste“ – „cu privire la deșeuri”

DIRECTIVA CONSILIULUI 86/278/EEC “on the protection of the environment, and in particular of the soil, when sewage sludge is used in agriculture” – „privind protecția mediului, și în special a solului, atunci când se utilizează nămoluri de epurare în agricultură"

DIRECTIVA CONSILIULUI 91/676/EEC “on the protection of the environment, and in particular of the soil, when sewage sludge is used in agriculture” – „privind protecția mediului, și în special a solului, atunci când se utilizează nămoluri de epurare în agricultură"

DIRECTIVA CONSILIULUI 96/61/EC “concerning integrated pollution prevention and control” – “privind prevenirea și controlul integrat al poluării"

DIRECTIVA CONSILIULUI 1999/31/EC “on the landfill of waste” – „cu privire la depozitarea în gropi/rampe de gunoi”

DIRECTIVA CONSILIULUI 2003/96/EC “restructuring the Community framework for the taxation of energy products and electricity” – „privind restructurarea cadrului comunitar de impozitare a produselor energetice și energiei electrice"

DIRECTIVA CONSILIULUI 2004/67/EC “concerning measures to safeguard security of natural gas supply” – „privind măsurile de garantare a securității aprovizionării cu gaze naturale" [7]

REGULAMENTUL (CE) Nr. 1774/2002 “laying down health rules concerning animal by-products not intended for human consumption” – „stabilește normele sanitare privind produsele secundare de origine animală care nu sunt destinate consumului uman"

REGULAMENTUL (CE) Nr. 2003/2003 “relating to fertilizers” – „cu referire la îngrășăminte”

REGULAMENTUL CONSILIULUI (CE) Nr. 1782/2003 “establishing common rules for direct support schemes under the common agricultural policy and establishing certain support schemes for farmers and amending Regulations (EEC) No 2019/93, (EC) No 1452/2001, (EC) No 1453/2001, (EC) No 1454/2001, (EC) 1868/94, (EC) No 1251/1999, (EC) No 1254/1999, (EC) No 1673/2000, (EEC) No 2358/71 and (EC) No 2529/2001” – „stabilește normele comunitare pentru schemele de finanțare directă din cadrul politicii agricole comunitare și stabilește anumite scheme de finanțare pentru agricultori și modifică Regulamentele (CEE) nr. 2019/93, (CE) nr. 1452/2001, (CE) nr. 1453/2001, (CE) nr. 1454/2001, (CE) nr. 1868/94, (CE) nr. 1251/1999, (CE) nr. 1254/1999, (CE) nr. 1673/2000, (CEE) nr. 2358/71 și (CE) nr. 2529/2001" [7]

2.7 Legislația românească privind biogazul

Legea nr. 199/2000 privind utilizarea eficientă a energiei, modificată și actualizată prin Legea nr. 56/2006, care urmărește să creeze cadrul legal necesar pentru elaborarea și punerea în aplicare a politicilor naționale de utilizare eficientă a energiei.

Legea nr. 3/2001 pentru ratificarea Protocolului de la Kyoto al Convenției-cadru a [NUME_REDACTAT] Unite privind schimbările climatice. În conformitate cu Protocolul de la Kyoto, România este obligată să reducă emisiile de gaze cu efect de seră cu 8% fță de nivelul anului 1989, până în intervalul 2008 și 2012.

HG (Hotărârea de Guvern) nr. 163/2004 privind aprobarea [NUME_REDACTAT] pentru [NUME_REDACTAT]. Obiectivul principal al acestei strategii este identificarea posibilităților și a mijloacelor de creștere a eficienței energetice pe întreaga rețea de energie prin punerea în aplicare a unor programe adecvate.

HG nr. 1535/2003 privind "Strategia pentru [NUME_REDACTAT] Regenerabile de Energie" și Hotărârea de Guvern nr. 443/10.04.2003 privind promovarea producției de energie electrică din surse de energie regenerabile. Aceasta din urmă Hotărâre de Guvern a fost modificată prin HG 958/2005 (care transpune Directiva 2001/77/CE) și crează un cadru legal pentru promovarea surselor regenerabile de energie.

Directiva 2003/30/CE pentru promovarea utilizării biocombustibililor și a altor combustibili regenerabili pentru transporturi HG 1844/2005.

[NUME_REDACTAT] (nr. 13/2007) – dispoziții generale pentru promovare energiilor regenerabile. [7]

2.8 Date generale privind orașul Blaj

3. Proiectarea unei stații de producere a biogazului

3.1 Necesitatea și oportunitatea realizării unei instalații de producere a biogazului

Din toate sursele de energie regenerabilă, biomasa este una dintre cele mai bine reprezentate pe teritoriul țării noastre. În condițiile în care folosirea combustibililor fosili devine din ce în ce mai problematică, se impune găsirea de soluții pentru rezolvarea parțială sau totală a problemelor legate de disponibilitatea surselor de energie. [3]

Principalele avantaje ale producerii biogazului sunt :

capacitatea de a transforma deșeurile în resurse valoroase, prin utilizarea acestora ca materii prime pentru procesul de fermentare anaerobă

reeducerea volumului deșeurilor depozitate și reducerea suprafeței terenurilor folosite pentru depozitarea deșeurilor

folosirea pentru încălzirea locuinței, ca energie electrică sau ca biocombustibil pentru mașini

Digestatul rezultat în urma fermentării anaerobe a deșeurilor din agricultură și a gunoiului de grajd se poate folosi ca îngrășământ al solului, bogat în azot, fosfor, potasiu și micronutrienți, care poate fi aplicat pe teren cu echipamentele obișnuite, folosite și în cazul gunoiului de grajd lichid.

Din punct de vedere economic având în vedere întregul ciclu de viață, producerea biogazului este mult mai rentabilă decât alte opțiuni de gestionare a deșeurilor.

3.2 Analiza SWOT

[NUME_REDACTAT] 3.1, 3.2, și 3.3 este prezentată analiza SWOT pentru stația de producere a biogazului din punct de vedere economic, al mediului și al deșeurilor.

Tabelul 3.1 Analiza SWOT din punct de vedere economic

Tabelul 3.2 Analiza SWOT din punct de vedere al mediului

Tabelul 3.3 Analiza SWOT din punct de vedere al deșeurilor

3.3 Date de intrare

În continuare se prezintă calculele și considerațiile corespunzătoare unui studiu de fezabilitate pentru o stație de producere a biogazului în orașul Blaj, județul Alba, care să utilizeze ca materie primă deșeurile agricole și deșeurile din zootehnie de la o ferma de animale.

Situația privind poziția județului Alba în context național, referitoare atât la producție cât și la suprafețele alocate unor culturi agricole și zootehnice semnificative, oferă următoarele date comparative:

Pe cultura de cereale, [NUME_REDACTAT] se situează pe o poziție submedie, cu suprafețe cuprinse între 50 000 și 100 000 hectare și cu producții între 100 000 și 300 000 tone, suprafața totală la nivel de țară fiind de 5 370 743 hectare, iar producția totală de 17 037 346 tone.

Pe cultura de oleaginoase, [NUME_REDACTAT] se situează pe o poziție submedie, cu suprafețe cuprinse între 2000 și 10 000 hectare și cu producții sub 1000 tone. Suprafața totală la nivel de țară este 1 244 337 hectare, iar producția totală este de 1 606 642 tone.

În ceea ce privește livezile, [NUME_REDACTAT] se situeazã pe o poziție submedie cu suprafețe cuprinse între 1000 și 3000 hectare și cu producții între 10 000 și 20 000 tone. Suprafața totală la nivel de țară este 263 043 hectare, iar producția totală este de 935 552 tone.

În sectorul viticol, [NUME_REDACTAT] se situează pe o poziție medie cu suprafețe cuprinse între 5 000 și 10 000 hectare și cu producții submedii între 10 000 și 20 000 tone. [11]

Terenul agricol administrat de localitățile rurale reprezintă 81,4% din totalul județului și 54,9% din suprafața totală a mediului rural. Microregiunea cu cea mai mare pondere în suprafața agricolă totală este [NUME_REDACTAT] (31,9%), iar în [NUME_REDACTAT] se înregistrează cea mai mare pondere (74,3%) a suprafeței agricole în suprafața totală a spațiului rural al microregiunii.

Efectivele de animale pentru perioada 2000-2011 sunt prezentate în tabelul 3.4.

Tabelul 3.4: Efectivele de animale [12]

Sectorul privat este preponderent deținând: 99,89% la bovine, 99,86% la porcine, 99,98% la ovine și caprine, iar la păsări 99,99%.

În cadrul sectorului privat, fermele familiale dețin cea mai mare pondere: 90,1% la bovine, 98,9% la porcine, 98,9% la ovine-caprine iar la păsări preponderența o dețin unitățile de tip industrial (56,9%).[11]

Potențialul producerii de biogaz din dejecțiile animale este prezentat în tabelul 3.5.

Tabelul 3.5: Potențialul producerii de biogaz din dejecțiile animale [11]

Pe baza celor prezentate anterior, se poate spune că în județul Alba există un potențial considerabil pentru producerea de biogaz din dejecțiile animale, din deșeurile urbane și din culturile energetice, și printr-o strategie judicioasă la nivelul județului se pot determina zonele optime care îndeplinesc condițiile specifice unei centrale și astfel să se poată dezvolta instalații de producere a energiei verzi pe bază de biogaz. Pentru gospodăriile țărănești, unde nu există posibilități de racordare la rețeaua de gaze naturale, biogazul poate constitui o alternativă. În paralel cu obținerea biogazului, dejecțiile rezultate în urma fermentării constituie un foarte bun îngrășământ organic, comparabil din punct de vedere calitativ cu humusul. [11]

3.4 Calculul cantității de deșeuri biodegradabile din zootehnie

Se ia în considerare doar o primă perioadă de funcționare a stației de producere a biogazului, până în anul 2024. Anul 2015 este luat ca an de referință, urmând ca stația să fie funcțională doar din anul 2016. Ca urmare, calculele de dimensionare vor viza doar capacitatea necesară pentru funcționarea stației în perioada 2015-2024.

În anul 2015 ferma are un total de 290 de capete, din care :

80 porci

60 vaci

150 păsări (găini)

Având în vedere condițiile economice actuale, se poate considera că efectivele de porci și găini vor avea doar o creștere moderată, de 20% pe an iar cele de vaci vor avea o creștere de 15% pe an și ca urmare vor evolua conform tabelului 3.6.

Anul I(2015):

Porcine: 80

Bovine: 60

Păsări: 150

Anul II(2016):

Porcine: 80 * 1,20 = 96 capete

Bovine: 60 * 1,15 = 69 capete [3.1]

Păsări: 150 * 1,20 = 180 capete

Anul III(2017):

Porcine: 80 * 1,202 = 115 capete

Bovine: 60 * 1,152 = 79 capete [3.2]

Păsări: 150 * 1,202 = 216 capete

Anul IV(2018):

Porcine: 80 * 1,203 = 138 capete

Bovine: 60 * 1,153 = 91 capete [3.3]

Păsări: 150 * 1,203 = 259 capete

Anul V(2019):

Porcine: 80 * 1,204 = 166 capete

Bovine: 60 * 1,154 = 105 capete [3.4]

Păsări: 150 * 1,204 = 311 capete

Anul VI(2020):

Porcine: 80 * 1,205 = 199 capete

Bovine: 60 * 1,155 = 121 capete [3.5]

Păsări: 150 * 1,205 = 373 capete

Anul VII(2021):

Porcine: 80 * 1,206 = 239 capete

Bovine: 60 * 1,156 = 139 capete [3.6]

Păsări: 150 * 1,206 = 448 capete

Anul VIII(2022):

Porcine: 80 * 1,207 = 287 capete

Bovine: 60 * 1,157 = 160 capete [3.7]

Păsări: 150 * 1,207 = 537 capete

Anul IX(2023):

Porcine: 80 * 1,208 = 344 capete

Bovine: 60 * 1,158 = 184 capete [3.8]

Păsări: 150 * 1,208 = 645 capete

Anul X(2024):

Porcine: 80 * 1,209 = 413 capete

Bovine: 60 * 1,159 = 212 capete [3.9]

Păsări: 150 * 1,209 = 774 capete

Tabelul 3.6: Evoluția efectivelor de animale în perioada 2015-2024(capete)

Figura 3.1: Graficul evoluției efectivelor de animale în perioada 2015-2024(capete)

În ceea ce privește deșeurile biodegradabile provenite de la animale, cantitățile de deșeuri generate de diversele categorii de animale sunt indicate în tabelul 3.7:

Tabelul 3.7 Cantități de deșeuri biodegradabile generate [13]

Cu ajutorul tabelului 3.7 se calculează evoluția cantităților de deșeuri și ca urmare vor evolua conform tabelelor 3.8 și 3.9, astfel:

Porcine:

Anul 2015: 80 * 8,3 = 664 kg/zi = 242,36 t/an

Anul 2016: 96 * 8,3 = 796,8 kg/zi = 290,83 t/an

Anul 2017: 115 * 8,3 = 954,5 kg/zi = 348,40 t/an

Anul 2018: 138 * 8,3 = 1.145,4 kg/zi = 418,07 t/an

Anul 2019: 166 * 8,3 = 1.377,8 kg/zi = 502,90 t/an

Anul 2020: 199 * 8,3 = 1.651,7 kg/zi = 602,88 t/an [3.10]

Anul 2021: 239 * 8,3 = 1.983,7 kg/zi = 724,05 t/an

Anul 2022: 287 * 8,3 = 2.382,1 kg/zi = 869,47 t/an

Anul 2023: 344 * 8,3 = 2.855,2 kg/zi = 1.042,15 t/an

Anul 2024: 413 * 8,3 = 3.427,9 kg/zi = 1.251,19 t/an

Având în vedere ca ferma este una mixtă, ceea ce înseamnă ca în categoria porcine intră porci, scroafe și purcei, pentru calcularea cantităților de deșeuri am făcut o medie a cantităților de deșeuri produse de fiecare în parte, și anume: 14 + 7,3 + 3,6 = 24,9 și 24,9 / 3 = 8,3. Prin urmare un animal din categoria porcine produce 8,3 kg deșeuri/zi.

Bovine:

Anul 2015: 60 * 38 = 2.280 kg/zi = 832,2 t/an

Anul 2016: 69 * 38 = 2.622 kg/zi = 957,03 t/an

Anul 2017: 79* 38 = 3.002 kg/zi = 1.095,73 t/an

Anul 2018: 91 * 38 = 3.458 kg/zi = 1.262,17 t/an

Anul 2019: 105 * 38 = 3.990 kg/zi = 1.456,35 t/an

Anul 2020: 121 * 38 = 4.598 kg/zi = 1.678,27 t/an [3.11]

Anul 2021: 139 * 38 = 5.282 kg/zi = 1.927,93 t/an

Anul 2022: 160 * 38 = 6.080 kg/zi = 2.219,2 t/an

Anul 2023: 184 * 38 = 6.992 kg/zi = 2.552,08 t/an

Anul 2024: 212 * 38 = 8.056 kg/zi = 2.940,44 t/an

Păsări:

Anul 2015: 150 * 28 = 4.200 kg/zi = 1.533 t/an

Anul 2016: 180 * 28 = 5.040 kg/zi = 1.839,6 t/an

Anul 2017: 216 * 28 = 6.048 kg/zi = 2.207,52 t/an

Anul 2018: 259 * 28 = 7.252 kg/zi = 2.646,98 t/an

Anul 2019: 311 * 28 = 8.708 kg/zi = 3.178,42 t/an

Anul 2020: 373 * 28 = 10.444 kg/zi = 3.812,06 t/an [3.12]

Anul 2021: 448 * 28 = 12.544 kg/zi = 4.578,56 t/an

Anul 2022: 537 * 28 = 15.036 kg/zi = 5.488,14 t/an

Anul 2023: 645 * 28 = 18.060 kg/zi = 6.591,9 t/an

Anul 2024: 774 * 28 = 21.672 kg/zi = 7.910,28 t/an

Tabelul 3.8 : Evoluția cantităților de deșeuri din zootehnie (kg/zi)

Tabelul 3.9 : Evoluția cantităților de deșeuri din zootehnie (t/an)

3.5 Calculul cantității de deșeuri biodegradabile din agricultură

În anul 2015 ferma are un total de 160 ha, din care: 85 ha pășune și 75 ha teren cultivabil, dupa cum urmează:

40 ha cu porumb (2,4 t/ha)

20 ha grâu (2,5 t/ha)

15 ha cu ovăz ( 2,1 t/ha)

Raportat la procentul de creștere al cantităților de animale se prezice o creștere a suprafețelor cultivate cu cereale, de 10% pe an și ca urmare vor crește conform tabelului 3.10, astfel:

Porumb

2015: 40 ha

2016: 40 * 1,10 = 44 ha

2017: 40 * 1,102 = 48 ha

2018: 40 * 1,103 = 53 ha

2019: 40 * 1,104 = 59 ha

2020: 40* 1,105 = 64 ha [3.13]

2021: 40* 1,106 = 71 ha

2022: 40* 1,107 = 78 ha

2023: 40* 1,108 = 86 ha

2024: 40* 1,109 = 94 ha

Grâu

2015: 20 ha

2016: 20 * 1,10 = 22 ha

2017: 20 * 1,102 = 24 ha

2018: 20 * 1,103 = 27 ha

2019: 20 * 1,104 = 29 ha

2020: 20 * 1,105 = 32 ha [3.14]

2021: 20 * 1,106 = 35 ha

2022: 20 * 1,107 = 39 ha

2023: 20 * 1,108 = 43 ha

2024: 20 * 1,109 = 47 ha

Ovăz

2015: 15 ha

2016: 15 * 1,10 = 17 ha

2017: 15 * 1,102 = 18 ha

2018: 15 * 1,103 = 20 ha

2019: 15 * 1,104 = 22 ha

2020: 15 * 1,105 = 24 ha [3.15]

2021: 15 * 1,106 = 27 ha

2022: 15 * 1,107 = 29 ha

2023: 15 * 1,108 = 32 ha

2024: 15 * 1,109 = 35 ha

Tabelul 3.10: Creșterea suprafețelor cultivate cu cereale(ha)

Producția de reziduuri agricole este prezentată în tabelul 3.11:

Tabelul 3.11 : Producția de reziduuri agricole [14]

Din tabelul 3.11 am ales producția de reziduu ca fiind:

Porumb: 2 tone/tona de cultură/an

Grâu: 1,5 tone/tona de cultură/an [3.16]

Ovăz: 1,8 tone/tona de cultură/an

Astfel pentru porumb:

1 tonă cultură…………2 tone deșeuri

2,4 tone cultură………X tone deșeuri [3.17]

=> X= 2,4 * 2 = 4,8 tone deșeuri/ha

Pentru grâu:

1 tonă cultură………1,5 tone deșeuri

2,5 tone cultură……Y tone deșeuri [3.18]

=> Y = 2,5 * 1,5 = 3,75 tone deșeuri/ha

Pentru ovăz:

1 tonă cultură………1,8 tone deșeuri

2,1 tone cultură…….Z tone deșeuri [3.19]

=> Z = 2,1 * 1,8 = 3,78 tone deșeuri/ha

Cu ajutorul rezultatelor obținute la [3.19], [3.20] și [3.21] se calculează evoluția cantităților de deșeuri și ca urmare vor evolua conform tabelelor 3.12 și 3.13, astfel:

Porumb

2015: 40 * 4,8 = 192 tone deșeuri/an = 526,03 kg/zi

2016: 44 * 4,8 = 211,2 tone deșeuri/an = 578,63 kg/zi

2017: 48* 4,8 = 230,4 tone deșeuri/an = 631,23 kg/zi

2018: 53* 4,8 = 254,4 tone deșeuri/an = 696,99 kg/zi

2019: 59* 4,8 = 283,2 tone deșeuri/an = 775,89 kg/zi

2020: 64* 4,8 = 307,2 tone deșeuri/an = 841,64 kg/zi [3.20]

2021: 71 * 4,8 = 340,8 tone deșeuri/an = 933,70 kg/zi

2022: 78* 4,8 = 374,4 tone deșeuri/an = 1.025,75 kg/zi

2023: 86* 4,8 = 412,8 tone deșeuri/an = 1.130,96 kg/zi

2024: 94* 4,8 = 451,2 tone deșeuri/an = 1.236,16 kg/zi

Grâu

2015: 20 * 3,75 = 75 tone deșeuri/an = 205,50 kg/zi

2016: 22 * 3,75 = 82,5 tone deșeuri/an = 226,03 kg/zi

2017: 24 * 3,75 = 90 tone deșeuri/an = 246,58 kg/zi

2018: 27 * 3,75 = 101,25 tone deșeuri/an = 277,40 kg/zi

2019: 29 * 3,75 =108,75 tone deșeuri/an = 297,95 kg/zi

2020: 32 * 3,75 = 120 tone deșeuri/an = 328,77 kg/zi [3.21]

2021: 35 * 3,75 = 131,25 tone deșeuri/an = 359,59 kg/zi

2022: 39 * 3,75 = 146,25 tone deșeuri/an = 400,69 kg/zi

2023: 43 * 3,75 = 161,25 tone deșeuri/an = 441,79 kg/zi

2024: 47 * 3,75 = 176,25 tone deșeuri/an = 482,88 kg/zi

Ovăz

2015: 15 * 3.78 = 56,7 tone deșeuri/an = 155,35 kg/zi

2016: 17 * 3.78 = 64,26 tone deșeuri/an = 176,05 kg/zi

2017: 18 * 3.78 = 68,04 tone deșeuri/an = 186,41 kg/zi

2018: 20 * 3.78 = 75,6 tone deșeuri/an = 207,12 kg/zi

2019: 22 * 3.78 = 83,16 tone deșeuri/an = 227,84 kg/zi

2020: 24 * 3.78 = 90,72 tone deșeuri/an = 248,55 kg/zi [3.22]

2021: 27 * 3.78 = 102,06 tone deșeuri/an = 279,62 kg/zi

2022: 29 * 3.78 = 109,62 tone deșeuri/an = 300,33 kg/zi

2023: 32 * 3.78 = 120,96 tone deșeuri/an = 331,40 kg/zi

2024: 35 * 3.78 = 177,66 tone deșeuri/an = 486,74 kg/zi

Tabelul 3.12 : Evoluția cantităților de deșeuri din agricultură (tone/an)

Tabelul 3.13 : Evoluția cantităților de deșeuri din agricultură (kg/zi)

3.6 Cantitatea totală de deșeuri biodegradabile disponibile pentru stația de producere a biogazului

Deșeuri din zootehnie

2015: 644 + 2.280 + 4.200 = 7.124 kg/zi

2016: 796,8 + 2.622 + 5.040 = 8.459 kg/zi

2017: 954,5 + 3.002 + 6.048 = 10.005 kg/zi

2018: 1.145,4 + 3.458 + 7.252 = 11.855 kg/zi

2019: 1.377,8 + 3.990 + 8.708 = 14.076 kg/zi

2020: 1.651,7 + 4.598 + 10.444 = 16.694 kg/zi [3.23]

2021: 1.983 + 5.282 + 12.544 = 19.810 kg/zi

2022: 2.382,1 + 6.080 + 15.036 = 23.498 kg/zi

2023: 2.855,2 + 6.992 + 18.060 = 27.907 kg/zi

2024: 3.427,9 + 8.056 + 21.672 = 33.156 kg/zi

Deșeuri din agricultură

2015: 526,03 + 205,50 + 155,35 = 887 kg/zi

2016: 578,63 + 226,03 + 176,05 = 981 kg/zi

2017: 631,23 + 246,58 + 186,41 = 1.064 kg/zi

2018: 696,99 + 277,40 + 207,12 = 1.182 kg/zi

2019: 775,89 + 297,95 + 227,84 = 1.302 kg/zi

2020: 841,64 + 328,77 + 248,55 = 1.419 kg/zi [3.24]

2021: 933,70 + 359,59 + 279,62 = 1.573 kg/zi

2022: 1.025,75 + 400,69 + 300,33 = 1.727 kg/zi

2023: 1.130,96 + 441,79 + 331,70 = 1.904 kg/zi

2024: 1.236,16 + 482,88 + 486,74 = 2.206 kg/zi

Cantitatea totală de deșeuri

2015: 7.124 + 887 = 8.011 kg/zi = 2.942 t/an

2016: 8.459 + 981 = 9.440 kg/zi = 3.446 t/an

2017: 10.005 + 1.064 = 11.069 kg/zi = 4.040 t/an

2018: 11.855 + 1.182 = 13.037 kg/zi = 4.759 t/an

2019: 14.076 + 1.302 = 15.378 kg/zi = 5.613 t/an

2020: 16.694 + 1.419 = 18.113 kg/zi = 6.611 t/an [3.25]

2021: 19.810 + 1.573 = 21.383 kg/zi = 7.805 t/an

2022: 23.498 + 1,727 = 25.225 kg/zi = 9.207 t/an

2023: 27.907 + 1.904 = 29.811 kg/zi = 10.881 t/an

2024: 33.156 + 2.206 = 35.362 kg/zi = 12.907 t/an

Tabelul 3.14: Cantitatea totală de deșeuri

3.7 Prezentarea și dimensionarea componentelor stației de producere a biogazului

3.7.1 Spațiul de depozitare temporară pentru deșeurile agricole

Pentru a asigura o funcționare continuă a stației de producere a biogazului și a preveni problemele care pot să apară datorită unor blocaje în alimentarea regulată cu materie primă, este necesar să se prevadă un spațiu de depozitare temporară a deșeurilor agricole biodegradabile, care să cuprindă în orice moment o cantitate echivalentă cu cea care s-ar colecta timp de 3 zile lucrătoare.

Așa cum s-a calculat anterior, din sectorul agricol rezultă o cantitate totală de deșeuri biodegradabile depozitabile sau valorificabile:

Magr/zi = 2.206 kg/zi

Se consideră că 30% din deșeurile din zootehnie sunt deșeuri agricole provenite de la animale (bovine), astfel :

Mdeșbov = 8.056 * 30% = 2.416,8 kg/zi

Mtotagr/zi = 2.206 + 2.416,8 = 4.622,8 kg/zi

Ținând cont de faptul că densitatea deșeurilor agricole este în medie 540 kg/m3 rezultă un volum:

V = 4.622,8 / 540 = 8,560 m3/zi

După cum am menționat anterior, spațiul de depozitare temporară trebuie să cuprindă în orice moment o cantitate echivalentă cu cea care s-ar colecta timp de 3 zile, astfel volumul ocupat de deșeuri va fi de:

Vdeptemp = 8,560 * 3 = 25,68 m3

Se adoptă un volum al spațiului de depozitare temporară de 30m3, sub forma unei gropi paralelipipedice cu dimensiunile orizontale 5 x 3 m și adâncimea de 2 m.

3.7.2 Mărunțitorul pentru deșeurile agricole biodegradabile

Pentru reducerea dimensiunilor deșeurilor biodegradabile, în vederea generării mai eficiente de biogaz se folosește un mărunțitor de tip moară cu cuțite.

În figura 3.2 este prezentată secțiunea transversală a unei mori cu cuțite.

Utilajul necesar pentru stația de producere a biogazului proiectată, poate fi dimensionat în funcție de volumul de deșeuri care trebuie procesate, de dimensiunile spațiului de alimentare și de condițiile de lucru.

Cantitatea de deșeuri care trebuie procesată este de 2.206 kg/zi, deci:

2.206 / 6 = 367,67 kg/oră

367,67 / 60 = 6,13 kg/secundă

Cea mai importantă componentă a morii cu cuțite este rotorul cu cuțite. Raza corpului principal al acestui rotor trebuie aleasă astfel încât să poată asigura prelucrarea materialului în ritmul cerut. Ca urmare aleg o rază a corpului principal, cilindric, R = 100 mm = 0,1 m.

Lățimea utilă maximă a rotorului trebuie să corespundă lățimii benzii de sortare, adică 800 mm = 0,8 m. Totuși, în cazul de față, sistemul de alimentare a mărunțitorului cu deșeuri va fi de tip pâlnie, deschiderea pâlniei îngustându-se de la 0,8 m la 0,6 m, astfel încât adopt o lățime utilă a rotorului de 0,6 m.

Pe corpul principal al rotorului vor fi amplasate 6 cuțite de secțiune circulară, cu o înălțime totală față de corpul cilindric de 100 mm = 0,1 m lățime la bază de 100 mm = 0,1 m și având fiecare câte 6 muchii tăietoare, dispuse simetric în jurul circumferinței cuțitului. Diametrul total al ansamblului rotorului cu cuțite va fi de 300 mm.

Pentru dimensionarea parametrilor de mișcare ai rotorului cu cuțite, se ia în considerare forța necesară pentru tăierea materialului procesat. Această forță trebuie să învingă rezistența mecanică a materialului prelucrat, considerând că are loc un proces de forfecare a materialului: Fmc > Fmat [3.24]

Fmat = f * Amat [3.25]

unde: Fmc – forța necesară pentru tăierea materialului procesat

Fmat – forța materialului prelucrat

f – tensiunea de rupere la forfecare

Amat – aria secțiunii materialului prelucrat

Tensiunea de forfecare este în general mai mică decât rezistența la rupere la tracțiune, dar în condițiile în care materialul biodegradabil trebuie tăiat rapid și fără probleme, se poate considera că fmax = 20MPa = 20N/mm2. În ceea ce privește aria secțiunii, se poate considera ca și caz extrem o secțiune cu grosimea de g = 5 mm și lățimea l = 150 mm.

Amat = g * l = 5 * 150 = 750 mm2 [3.26]

Înlocuind în [3.24] rezultă că forța necesară pentru forfecare trebuie să fie mai mare de:

Fmat = fmax * Amat = 20 N/mm2 * 750mm2 = 15.000N = 15kN

Pe de altă parte, forța cu care un cuțit apasă pe materialul de mărunțit este o forță tangențială egală în modul cu forța centrifugă, deci se poate determina cu formula:

Fmc = m * 2 * R [3.27]

unde:

m = masa rotorului

= viteza unghiulară a rotorului

R = raza masei principale a rotorului

Considerând deci un rotor plin cu raza de 0,3 m și lățimea de 0,6 m, volumul său va fi de:

V = * R2 * L = * 0,32 * 0,6 = 0,1696 m3 [3.28]

Pentru simplificare, se presupune că diferența între volumul unui cilindru plin cu raza de 0,3m și lungimea de 0,6m și volumul rotorului real al mărunțitorului, respectiv ponderea golurilor, este de 10%.

Volumul rotorului va fi atunci:

Vrotor = 0,9 * V = 0,15 m3

Ținând cont că densitatea oțelului este = 7800 kg/m3 , masa corpului principal al rotorului va fi deci:

mrotor = Vrotor * = 0,15m3 * 7800 kg/m3 = 1.170 kg [3.29]

Se poate deduce atunci că viteza unghiulară minimă a rotorului trebuie să fie de:

= √(Fmat / (mrotor * R)) [3.30]

2 = 15.000N / (1.170kg * 0,3m) = 42,73N/kg*m = 42,8 rot/s

Înlocuind în [3.27] rezultă că Fmc = 1.170kg * 42,8N/kg*m * 0,3m = 15.022,8 = 15kN

Înlocuind în [3.24] rezultă că 15.022,8N > 15.000N

3.7.3 Calculul necesarului de apă pentru amestecul cu deșeurile solide

Pentru a se asigura o umiditate corectă a amestecului se va ține seama de umiditatea materiilor prime care este trecută în tabelul următor:

Tabelul 3.15: Umiditatea medie a materiilor prime [10]

Pentru a calcula cantitatea de apă necesară se realizează o medie ponderată pentru a afla umiditatea amestecului de deșeuri care intră în instalația de biogaz.

U = ((8.056 * 0.86) + (3.427,9 * 0.865) + (21.672 * 0,725) + (482,88 * 0,135) + (486,74 * 0,16) + (1.236,16 * 0.125)) / 35.362

U = (6.928,16 + 2.965,13 + 15.712,2 + 65,18 + 77,88 + 154,52) / 35.362

U = 25.903,07 / 35.362 = 0,73

Având în vedere faptul că într-o instalație de biogaz este necesar 90% apă pentru amestecul cu deșeurile solide, în urma calculelor a rezultat că umiditatea deșeurilor existente este de 73%. Prin urmare necesarul de apă pentru amestec este de 90% – 73% = 17%, cantitatea de apă necesară pentru amestecarea cu masa de deșeuri fiind:

Mapă = Mbiodegcolectzi * 0,17 = 35.362 * 0,17 = 6.011,54kg

Știind că densitatea apei este ρ = 1.000 kg/m3, volumul de apă este:

Vapă = Mapă / ρ = 6.011,54kg / 1.000 kg/m3 = 6,01 m3 [3.31]

Volumul amestecului de material de fermentare ce trebuie procesat într-o zi este de:

Vamestec/zi = Mbiodegcolectzi / ρbiodeg + Mapă / ρapă =

= (35.362 kg/zi / 540 kg/m3) + (6.011,54 kg / 1.000 kg/m3)

= 65,48 + 6,01 = 71,49m3

Pentru tancul de amestecare se adoptă un volum de 72 m3.

Densitatea amestecului rezultat este :

(Mbiodegcolectzi + Mapă) / Vamestec/zi = (35.362 kg/zi + 6.011 kg) / 71,49 m3 = 578,72kg/m3

3.7.4 Dimensionarea lagunei acoperite

Deșeurile biodegradabile agricole și zootehnice sunt deversate într-un sistem de tip lagună acoperită. Aici ele staționează pe o perioadă de 6 săptămâni (30 zile lucrătoare), timp în care generează biogaz, care este captat în membrana de acoperire a lagunei și apoi evacuat spre un rezervor de biogaz.

Deșeurile se colectează și se aduc la lagună doar în zilele lucrătoare timp de 6 săptămâni considerând că timpul total de retenție este de 42 de zile.

Un digestor de tip lagună acoperită este anaerob, cu un timp de retenție lung și un factor ridicat de diluție, biogazul produs fiind captat sub o membrană ermetică flexibilă. Laguna nu se încălzește, astfel încât deșeurile biodegradabile fermentează la temperatura ambiantă.

[NUME_REDACTAT] 3.3 sunt prezentate exemple de lagune acoperite.

În urma combinării, în lagună, a deșeurilor biodegradabile agricole cu cele zootehnice, densitatea totală a deșeurilor ajunge la 800 kg/m3.

Laguna trebuie deci să poată cuprinde un volum total de deșeuri:

Vlagună = 30 * Vagr-zoozicol [3.32]

Vagrzicol = (7 * Magr-zoozi)/ ρ [3.33]

Vagr-zoozicol = (7 * 35.362) / 800 = 309,41 m3

Înlocuind în [3.32] se obține: Vlagună = 30 * 309,41 = 9.282,3 m3

Se adoptă un volum Vlagună = 10.000 m3 .

Adâncimea unei lagune acoperite trebuie să fie de minim 4 m. [15]

Adopt o adâncime de 5 m, și dimensiuni pe orizontală ale lagunei de 50 m x 40 m.

Pentru o gestionare eficientă a lagunei, aceasta se împarte, prin pereți despărțitori în 30 de celule cu lățimea de 1,5 m și lungimea de 40 m, care se umplu succesiv timp de 30 de zile. După ce conținutul dintr-o celulă a staționat timp de 30 de zile, el este extras prin pompare și celula respectivă va fi umplută cu deșeuri biodegradabile proaspete.

Pentru captarea biogazului emanat din deșeurile deversate în lagună, aceasta acoperă cu o geomembrană cu grosimea de 2,5 mm.

Avantajele geomembranei:

rezistență mecanică ridicată

coeficient de dilatare termică minim

rezistă foarte bine la acțiunea razelor ultraviolete

Deasupra fiecărei celule, geomembrana trebuie să aibă dimensiuni suficiente pentru ca la încărcare maximă cu biogaz a spațiului de sub ea, ea să adopte un profil de semicerc pe lățimea fiecărei celule.

Aceasta înseamnă că lățimea membranei deasupra unei celule trebuie să fie de:

lmembrcel = π * r [3.34]

unde r = jumătate din lățimea unei celule

r = 0,75 m

Deci lmembrcel = π * 0,75 = 2,35m

Adopt lățimea geomembranei necesare pentru o celulă de 2,5m.

Consider că pentru o ancorare bună, geomembrana trebuie să depășească marginile lagunei în fiecare parte cu 0,5 m, prin urmare:

Lățimea totală a membranei va fi de:

lmembrană = 30 * 2,5 + 1 = 76m

Lungimea membranei va fi de:

Lmembrană = 40 + 1 = 41m

În dreptul fiecărui perete despărțitor dintre celule, geomembrana este apăsată și fixată printr-o țeavă din material plastic cu diametrul exterior de 0,1 m și grosimea peretelui de 2 mm.

3.7.5 Rezervorul de biogaz

În scopul optimizării procesului, producția de biogaz trebuie menținută, la un nivel cât mai stabil și constant. În interiorul lagunei, biogazul se formează în cantități care variază, atingându-se vârfuri de producție. De asemenea, necesitățile de biogaz pot fi, și ele, variabile. Pentru a compensa aceste variații, este necesară depozitarea temporară a biogazului produs, folosindu-se, pentru aceasta, facilități adecvate de stocare.

Alegerea corectă a sistemului de stocare a biogazului, precum și dimensionarea adecvată a acestuia contribuie în mod substanțial la eficientizarea și creșterea siguranței în ceea ce privește operarea fabricii de biogaz. O depozitare corespunzătoare a biogazului asigură cantitățile necesare și reduce pierderile acestuia, contribuind, în acest mod, la creșterea siguranței și a fiabilității.

Sistemul de depozitare a biogazului trebuie să prezinte etanșeitate împotriva scurgerilor de gaze și să prezinte rezistență la funcționarea sub presiune. Este necesar ca acestea să prezinte rezistență la acțiunea radiațiilor UV, a temperaturii și a apei. Înaintea punerii în funcțiune a fabricii, trebuie verificată etanșeitatea tancurilor de stocare a gazului. Din motive de securitate, acestea trebuie să fie echipate cu valve de siguranță (la subpresiune și supra-presiune – Figura 3.4 [1]), în scopul prevenirii distrugerilor și pentru reducerea riscurilor de operare. De asemenea, trebuie garantată protecția la explozii. Mai mult, este necesară montarea unui arzător al surplusului de gaz, pentru situațiile de urgență.

Biogazul se va stoca într-un rezervor confecționat dintr-o geomembrană impermeabilă care trebuie să îndeplinească condiții obligatorii de siguranță. Rezervorul se va construi lângă laguna acoperită.

[NUME_REDACTAT] 3.5 este prezentat un rezervor de stocare a biogazului. [1]

[NUME_REDACTAT] 3.16 sunt prezentate cantitățile de biogaz ce rezultă din unele tipuri de deșeuri biodegradabile [10].

Tabelul 3.16: Cantitatea de biogaz produs de anumite deșeuri biodegradabile

Ținând cont că deșeurile se prezintă sub o formă diluată, cu proporția de substanțe uscate de cca. 10%, volumele de biogaz produse de către deșeuri pe toată durata fermentării vor fi:

Pentru deșeurile de la bovine: 8.056kg * 0,1 * 0,26 m3 = 209,45 m3

Pentru deșeurile de la porci: 3.427,9kg * 0,1 * 0,48 m3 = 164,54 m3

Pentru deșeurile de la păsări: 21.672kg * 0,1 * 0,52m3 = 1.126,95 m3

Pentru paiele de grâu: 482,88kg * 0,1 * 0,36m3 = 17,38 m3

Pentru paiele de ovăz: 486,74kg * 0,1 * 0,38m3 = 18,50 m3

Pentru porumb: 1.236,16 kg* 0,1 * 0,21m3 = 25,95 m3

Volumul total de biogaz produs de aceste deșeuri într-un ciclu complet (42 zile) va fi de:

209,45m3 + 164,54m3 + 1.126,95m3 + 17,38m3 + 18,50m3 + 25,95m3= 1.562,77m3

Cantitatea de biogaz produs într-o zi va fi de:

Vbiogazzi = 1.562,77 m3 / 42 = 37,20m3/zi

Pentru a putea stoca, la presiune normală, întregul volum de biogaz produs pe zi, se adoptă un rezervor de biogaz de formă sferică, cu raza de 3 m.

Volumul total al rezervorului de biogaz va fi atunci, V = (4 / 3) * π * r3 = 113,04 m3

3.7.6 Arzătorul de biogaz

Există situații în care biogazul este produs în cantități mai mari decât cele prevăzute. Aceasta se poate întâmpla datorită unei rate foarte mari de producere a biogazului, sau din cauza opririi sistemului de înbunătățire a biogazului. În asemenea cazuri este nevoie să se ia măsuri de siguranță, precum stocarea biogazului în exces sau punerea în funcțiune a unor sisteme suplimentare de producere a energiei.[1]

Din acest motiv, fiecare fabrică de biogaz este dotată cu un arzător de biogaz. În cazul în care apare un exces de biogaz, care nu poate fi nici stocat, nici utilizat, arderea acestuia în atmosferă reprezintă ultima soluție, fiind necesară pentru eliminarea oricăror riscuri, precum și pentru protecția mediului. În situații excepționale, arderea atmosferică poate fi soluția potrivită pentru neutralizarea biogazului produs prin procesul de fermentare anaerobă, în condiții de siguranță, în cazul în care recuperarea energiei nu este fezabilă.[1]

[NUME_REDACTAT] 3.6 sunt prezentate două arzătoare de biogaz.

3.7.7 Rezervorul de digestat

Digestatul scos din lagună se va stoca timp de 3 zile într-un rezervor de digestat, după care va fi transportat din stație pentru îmbunătățire în scopul utilizării sale în agricultură ca îngrășământ.

În figura 3.7 este prezentat un rezervor de digestat.

Se consideră că digestatul rămas după fermentarea în lagună are un volum de 1/3 din volumul inițial de deșeuri dintr-o celulă.

Volumul inițial de materie primă dintr-o celulă este de 333,33m3, însemnând că digestatul rămas are volumul de:

333,33 m3 * 1/3 = 109,10 m3

Deci zona de stocare a digestatului pentru 3 zile trebuie să aibă:

109,10 m3 * 3 = 327,3 m3

Rezervorul de digestat va fi conceput sub forma unei gropi căptușite cu beton armat, cu adâncimea de 2 m, lungimea de 15 m și lățimea de 11 m.

Digestatul va fi pompat din lagună și transportat în rezervor prin conducte. În rezervorul de stocare a digestatului se mai poate produce biogaz. În scopul prevenirii emisiilor de metan și a colectării biogazului produs în tancul de stocare a digestatului, acesta se acoperă cu o membrană impermeabilă pentru captarea biogazului, biogazul colectat fiind apoi tranportat la rezervorul pentru stocarea biogazului.

3.7.8 Stația de îmbunătățire a biogazului și rezervorul de biometan

Înainte de a putea folosi biogazul pe post de combustibil, el trebuie purificat prin îndepărtarea tuturor substanțelor contaminante (hidrogen sulfurat H2S, compuși halogenați, siloxani etc.) precum și a dioxidului de carbon. În acest mod, are loc o creștere a conținutului său de metan, proces numit îmbunătățirea biogazului. [1]

Biometanul rezultat este unul dintre cei mai eficienți biocombustibili, așa cum se vede în figura 3.8. [1]

Pentru îmbunătățirea biogazului, s-a ales, dintre posibilitățile tehnologice oferite de firme specializate (instalații de absorbție prin barbotare în apă, instalații de absorbție cu solvenți organici, instalații de adsorbție prin variație de presiune – PSA, instalații cu separare prin membrană și instalații de separare criogenică), o instalație de adsorbție prin variație de presiune – PSA, ținând cont de faptul că literatura de specialitate [1] indică faptul că este una dintre variantele cele mai răspândite în lume, randamentul de producere a biometanului fiind relativ ridicat (până la 91%), iar consumul de energie pentru îmbunătățire fiind relativ redus.

Astfel, considerând producția de biogaz a stației proiectate, indicată în subcapitolele anterioare, de 37,20m3/zi, s-a ales o instalație de tip Carbotech BGAA250 [20] cu următoarele caracteristici:

debitul maxim de biogaz prelucrat: 250 Nm3/h

debitul de biometan rezultat: 125 Nm3/h

consum de energie electrică: 60 kW

dimensiuni: 21 x 6 m

[NUME_REDACTAT] 3.9 se prezintă schema funcțională a instalației de îmbunătățire tip PSA [21], iar în figura 3.10 este prezentată o stație de îmbunătățire funcțională [21].

3.8 Monitorizarea operațiilor din stația de producere a biogazului

O stație de biogaz reprezintă o instalație complexă, între componentele căreia există o strânsă interrelație. Din acest motiv, monitorizarea și controlul central, computerizat al acesteia reprezintă o parte esențială a operării fabricii, care trebuie să ofere garanția succesului și să prevină apariția oricărui eșec. [1]

Standardizarea și dezvoltarea continuă a tehnologiei procesului de fermentare anaerobă sunt posibile numai printr-o monitorizare permanentă și prin elaborarea documentației privind datele importante.

Monitorizarea și documentarea sunt, de asemenea, necesare pentru asigurarea stabilității proceselor, prin recunoașterea deviațiilor care survin de la valorile standard. În acest mod, devine posibilă o intervenție rapidă și luarea măsurilor corective necesare.

Procesul de monitorizare include colectarea și analiza parametrilor fizici și chimici. Sunt necesare teste curente de laborator, în vederea optimizării procesului de fermentare anaerobă și a evitării colapsului procesului de producție a biogazului.

Ca un minimum necesar, trebuie monitorizați următorii parametri:

Tipul și cantitatea materiei prime introduse (zilnic)

Temperatura de procesare (zilnic)

Valoarea pH-ului (zilnic)

Cantitatea și compoziția gazului (zilnic)

Conținutul în acizi grași cu catenă scurtă

Nivelul de umplere

Procesul de monitorizare trebuie să fie asistat de către constructorul stației, sub formă de service, ulterior fazei de construcție a acesteia. [1]

Tipul echipamentului de control și monitorizare include temporizatoare, software pentru vizualizarea asistată de computer a procesului de control, sistem de alarmare la distanță.

3.9 Hale pentru creșterea animalelor

Fermele de porci și de păsări de curte produc carne pe întregul an și în timpul iernii. Cu scopul de a garanta producția continuă și de a crește producția, halele sunt adesea incălzite, mai ales în timpul iernii. Legarea instalațiilor de biogaz, de fermele de porci și de păsări domestice, permite utilizarea bălegarului și gunoiului, ca materie primă pentru instalația de biogaz, iar utilizarea căldurii reziduale, pentru aclimatizarea halelor. Aceste sinergii pot fi folosite în sistemele de creștere a animalelor la scară mare. Însă și unitățile mai mici și fermele organice pot beneficia, deoarece, în general, este nevoie de mai mult spatiu (încălzit) per animal. [22]

Creșterea porcilor

Porcii sunt de obicei crescuți în condiții diferite în funcție de vârsta lor. Încălzirea corectă poate contribui în mod semnificativ la îmbunătățirea condițiilor și, prin urmare, la productivitatea sistemului agricol. Porcii au nevoie de hale calde și uscate, care să îi protejeze de frigul iernii. [22]

Următoarele niveluri de temperatură, în funcție de vârste, sunt adecvate pentru creșterea porcilor:

• prima săptămână: 32°C

• a 2-a – a 4-a săptămână: 28°C

• a 4-a – a 8-a săptămână: 22-27°C

• îngrășare: 20°C

În special porcii tineri (purceii) au nevoie de temperaturi mai mari. Diferite sisteme de încălzire sunt disponibile, cum ar fi radiatoarele zonale, ori placile de încălzire. Necesarul de energie termică per porc este de aproximativ 16 kWh pe lună în condițiile climatice din sudul Germaniei (Schulz et al. 2007).

Creșterea păsărilor

Avicultura reprezintă creșterea păsărilor domestice, cum ar fi găini, curcani, rațe și gâște, pentru carne agricolă sau ouă pentru alimentație.

Găinile sunt cele mai numeroase păsări crescute. Există mai multe sisteme diferite de creștere, dintre care creșterea în sisteme de interior este una dintre practicile cele mai aplicate. Găinile pentru producția de carne, așa-numiții pui-de-carne, sunt crescuți pe podeaua unor hale mari. Aceste hale sunt echipate cu sisteme de hrănire, sisteme de ventilație și încălzitoare.

Temperaturile tipice în halele pentru creșterea puilor de carne, în funcție de diferitele vârste ale puilor, sunt rezumate în Tabelul 3.17. Se face o diferențiere între sistemele de încălzire centrală care încălzesc întreaga hală și încălzitoarele radiante care încălzesc numai anumite părți ale halei (zonele de sub încălzitoare) și care, de obicei, funcționează cu energie electrică. [22]

Tabelul 3.17: Temperaturi optime în halele pentru creșterea puilor (Berk 2008) [22]

Sistemul de colectare a deșeurilor provenite de la bovine, porci și păsări se bazează pe un sistem de conducte realizate din oțel inoxidabil, cu diametrul de 1m. Deșeurile ajung la lagună prin acest sistem de conducte iar cantitatea de deșeuri ajunsă la laguna este controlată prin intermediul unei automatizări care permite trecerea unei anumite cantitați de deșeuri.

4. Evaluarea impactului asupra mediului

Un impact asupra mediului înconjurător sau socio-economic poate rezulta din oricare dintre aspectele identificate ale proiectului (respectiv din interacțiunea activitate-receptor).

Impactul poate fi direct sau indirect. Impactul indirect se produce de multe ori în afara zonei proiectului, ca rezultat al unei căi de propagare complexe. În plus, impactul mai poate fi clasificat ca rezidual, cumulativ sau transfrontalier.

Nivelul de impact este evaluat luând în considerare diminuarea sau controlul normal al impactului care este intrinsec construcției și exploatării instalației de producere biogaz (de ex. se are în vedere impactul emisiilor de la utilaje și autovehicule asupra calității aerului, presupunând utilizarea unor mijloace de transport noi, de ultimă generație).

În situația în care formele de impact sunt considerate semnificative și după implementarea măsurilor de diminuare pe baza celor mai bune practici, devine necesară evaluarea detaliată a implicațiilor. [23]

4.1 Corpurile de apa

4.1.1 Consumul de apă

Tehnologia de producere a biogazului utilizând ca materie primă dejecții (inclusiv dejecții lichide), necesită un adaos de 17% apă.

Totuși, îndeplinirea în bune condiții a obiectivelor de exploatare, presupune asigurarea unei surse locale de apă. Alimentarea cu apă (pentru folosințe sanitare și industriale) va fi asigurată din sursa proprie ce va fi amenajată pe amplasament (foraj de mică adâncime).

În perioada de construcție a obiectivului, apa va fi utilizată pentru activități specifice (stropirea cu apă a platformei de lucru și a drumurilor de acces în perioadele lipsite de precipitații), precum și în scopuri igienico – sanitare. Consumul de apă va fi redus și va fi asigurat utilizând aprovizionarea cu cisterne.

În perioada de funcționare a obiectivului, apa va avea utilizări diferite:

apă potabilă pentru personalul angajat în cadrul obiectivului (va fi asigurată pe bază de contract, de către un furnizor autorizat);

apă pentru necesitățile igienico – sanitare ale personalului angajat;

apă pentru activități asociate scopurilor tehnologice (spălarea zilnică a platformelor în zonele de manevrare a dejecțiilor, spălarea vehiculelor de transport la ieșirea din amplasament, igienizări de utilaje după folosire – macerator, alimentator solide)

apă de adaos pentru circuitele termice de transfer a căldurii recuperate de la motorul generatorului de electricitate și pentru scruberul care purifică aerul evacuat din uscătorul de digestat;

apă pentru întreținerea spațiilor adiacente – zona verde și periodic stropirea drumului de acces (până la modernizarea acestuia).

4.1.2 Impactul prognozat

În perioada de realizare a investiției, apele, în special cele freatice, se pot contamina cu scurgeri accidentale de carburanți de la utilajele de construire folosite sau, indirect, din depozitarea necorespunzătoare a unor categorii de deșeuri (ex. deșeuri menajere, deșeuri de ambalaje, pulverulente etc).

Apele uzate rezultate din activitățile igienico-sanitare ale personalului constructorului se vor gestiona prin utilizarea facilităților mobile, întreținerea acestora fiind asigurată de un operator autorizat pe bază de contract. În consecință, aceste fluxuri de apă nu vor constitui o sursă de poluare.

În perioada funcționării instalației de producție a biogazului, controlul surselor de ape uzate va fi total. Din amplasament nu vor fi descărcate direct, în corpuri de apă de suprafață sau subterane nici un tip de efluent – cu excepția apei pluviale drenate de pe suprafețele libere de teren(zona verde neutilizată) la precipitații mari, către rigolele perimetrale.

Bazinele, tancurile și platformele de stocare vor fi contruite etanș și vor fi prevăzute rigole de drenare și colectare a apelor murdare sau potențial impurificate din fiecare zonă sensibilă. Manevrarea dejecțiilor se va efectua cu mijloace mecanice pe suprafețe betonate.

Apele uzate de tip fecaloid menajer vor fi colectate separat (nu vor intra în fluxul de fermentare), vidanjate și epurate într-o stație de epurare autorizată. Apa rezultată va corespunde limitelor impuse în H.G. Nr. 325/2005 care modifică și completează H.G. Nr. 188/2002 – NTPA 002 privind condițiile de descărcare a apelor uzate în rețelele de canalizare a localităților și direct în stațiile de epurare. [23]

Apele pluviale potențial impurificate din zonele de manevră a dejecțiilor ca și apele de spălare a vehiculelor și platformelor vor fi colectate și utilizate în fluxul de fermentare.

Digestatul lichid va fi stocat în perioada de interdicție a administrării pe terenurile agricole în bazine etanșe.

Capacitățile de stocare temporară a dejecțiilor crude și digestatului exced necesarul de exploatare normală. Mai mult, capacități suplimentare de stocare au fost avute în vedere și au fost puse la dispoziția instalației.

Pe de altă parte, în contextul general al gestionării durabile a volumului mare de dejecții generate la nivelul ariei adminsitrative, promovarea controlului centralizat, direct, prin preluarea fizică de la generatori a dejecțiilor conduce la mai multe avantaje.

Într-un orizont de trei – patru ani, rezultatele administrării coordonate a digestatului va fi evidențiat prin evoluția calității apei subterane. Aplicarea eficientă a Planului de acțiune pentru prevenirea poluării apelor cu nitrați va avea efecte benefice. Din această perspectivă impactul potențial general este pozitiv.

4.1.3 Măsuri de reducere a impactului

Masurile de diminuare a impactului se vor referi la:

manipularea combustibililor se execută astfel încât să se evite scăpările accidentale pe sol;

aplicarea, în caz de nevoie, a tuturor măsurilor de prevenire și combatere a poluării accidentale conform prevederilor în vigoare;

întreținerea construcțiilor și instalațiilor de alimentare cu apă și de evacuare a apelor uzate în condiții corespunzatoare în scopul minimizării pierderilor de apă sau poluării accidentale a solului și pânzei freatice;

orice material utilizat în construcții și în exploatare va fi depozitat în spații special amenajate;

folosirea oricăror substanțe toxice în procesul de construcție și în exploatare se va face în funcție de caracteristicile acestora;

manipularea materialelor sau a altor substanțe utilizate în tehnologii se va realiza astfel încât să se evite dizolvarea și antrenarea lor de către apele de precipitații.

4.2 Protecția calității aerului

4.2.1 Surse de poluanți și protecția aerului în perioada de construcție

Sursele principale și poluanții atmosferici caracteristici perioadei de construcție vor fi reprezentate de:

lucrările de pregătire ale construcțiilor actuale (bazine existente) – poluanți particule;

pregătirea platformelor pe care se vor monta echipamentele noii instalații: săpături, umpluturi, etc;

manevrarea deșeurilor de construcție – poluanți particule;

lucrări de construcție: debitare, sudură, vopsire – poluanți: particule, NOX, CO, compuși organici volatili (COV);

funcționarea utilajelor motorizate utilizate pentru realizarea acțiunilor, pentru manevrarea echipamentelor din componența instalației și a materialelor, transportul echipamentelor și al materialelor – poluanți: NOX, SO2, CO, particule cu conținut de metale (Cd, Cu, Cr, Ni, Se, Zn), COV

Măsurile de reducere a emisiilor și a nivelurilor de poluare vor fi atât tehnice, cât și operaționale și vor consta în:

folosirea de utilaje de construcție moderne, dotate cu motoare ale căror emisii să respecte legislația în vigoare;

reducerea vitezei de circulație pe drumurile publice a vehiculelor grele pentru transportul echipamentelor și al materialelor;

stropirea cu apă a deșeurilor de construcție depozitate temporar în amplasament, în perioadele lipsite de precipitații;

diminuarea la minimum a înălțimii de descărcare a materialelor care pot genera emisii de particule;

utilizarea de betoane preparate în stații specializate, evitându-se utilizarea de materiale de construcție pulverulente în amplasament;

curățarea roților vehiculelor la ieșirea din șantier pe drumurile publice;

oprirea motoarelor utilajelor în perioadele în care nu sunt implicate în activitate.

4.2.2 Surse de poluanți și protecția calității aerului in perioada de operare

În urma desfășurării procesului tehnologic în instalația de producere biogaz vor funcționa, cu diferite regimuri temporale, mai multe categorii de surse de poluanți atmosferici. Acestea sunt reprezentate de:

Surse mobile – gaze de ardere generate de vehiculele de transport(dejecție crudă, digestat)

Surse mobile – gaze de ardere generate de utilajele din incintă(trafic rutier și încărcător frontal)

Sursa fixă de ardere – motorul generatorului de electricitate(regim permanent)

Sursa fixă de ardere – faclă de biogaz(doar în caz de avarie la generator)

Sursa fixă – exhaustorul uscătorului de digestat solid, după scruber

4.2.3 Prognoza poluării aerului

Impactul unei instalații de biogaz asupra calității aerului se manifestă în două direcții: pe de o parte se materializează rapid beneficiile legate de controlul mirosurilor și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră iar pe de altă parte, contribuția surselor noi, de gaze de ardere (mobile și fixe) trebuie evaluată.

Emisiile de biogaz nearse și funcționarea faclei auxiliare vor fi reduse la minimum. Orice emisii semnificative de biogaz nears (inclusiv funcționarea supapelor de reducere a presiunii asociate clopotului de stocare a biogazului) precum și programul de funcționare a faclei auxiliare se înregistrează.

În faza de execuție a investiției, sursele care vor genera emisii de poluanți în atmosferă sunt reprezentate de utilajele (excavatoare, macarale etc.) folosite pentru construcția obiectivului. Funcționarea acestora va fi intermitentă, în funcție de programul de lucru (maximum 8 ore/zi, 6 zile/săptămână) și de graficul lucrărilor.

Din folosirea utilajelor, vor rezulta gaze de eșapament (hidrocarburi, monoxid de carbon, oxizi de azot, oxizi de sulf, pulberi, etc). La acestea se va adăuga și o cantitate redusă de gaze de sudură, precum și pulberi din manipularea materialelor pulverulente.

În condițiile amplasamentului și tehnologiei stabilite, nu se previzionează modificări ale standardelor locale de calitate a aerului ca urmare a soluției implementate. Zona de influență a emisiilor de gaze de ardere generate pe amplasament va fi strict locală – pe amplasament și în imediata vecinătate.

4.2.4 Măsuri de reducere a impactului

Se vor lua toate masurile necesare pentru ca poluarea componentei atmosferice sa se pastreze la cel mai scazut nivel posibil, respectiv:

delimitarea clară a arealelor de construcție;

pulverizarea cu apă a zonei de construcție în caz de aer uscat și vânt;

păstrarea unei umidități suficiente a materialelor de construcție;

vehiculele care transportă materiale vor fi verificate pentru a nu răspândi materiale înafara arealului de construcție;

introducerea unor limite de viteză pentru vehiculele ce asigură aprovizionarea cu materiale, evacuarea deșeurilor de construcție sau aprovizionarea cu materii prime pe perioada de funcționare a stației de biogaz;

stabilirea unui timp cat mai scurt de stocare a deșeurilor de construcție la locul de producere pentru a impiedica antrenarea lor de către vânt și implicit poluarea aerului din zona;

utilizarea unor utilaje si mijloace de transport dotate cu motoare Diesel care produc emisii cat mai reduse de SOx;

monitorizarea emisiilor motorului de ardere a biogazului, astfel încât acestea să se păstreze în limitele normale de funcționare a instalației;

monitorizarea parametrilor de ardere a biogazului astfel încât să fie asigurată temperatura optimă pentru o ardere cât mai completă a metanului, astfel încât emisiile să fie minime;

depozitarea corespunzătoare a dejecțiilor animale și a digestatului, astfel încât să se reducă la minimum emisiile de amoniac și acizi grași volatili în aer

4.3 Solul și subsolul

4.3.1 Surse de poluare a solului si subsolului

Activitatile care se vor desfasura in vederea implementarii proiectului pot afecta solul si subsolul. Prin realizarea proiectului, activitățile care pot fi considerate ca surse de impurificare a solului si subsolului se împart in doua categorii:

surse specifice perioadei de execuție

surse specifice perioadei de funcționare

În perioada de realizare a investiției, solul se poate contamina datorită din surse specifice perioadei de execuție:

executarea lucrărilor de excavare în vederea execuției fundațiilor;

diminuarea rezervei de humus acumulată de-a lungul anilor prin scoaterea din circuitul natural a suprafețelor de teren pe care se vor amplasa construcțiile;

deșeuri depozitate necontrolat;

ocuparea temporară a solului cu materiale de construcții;

modificări ale condițiilor de drenare datorate lucrărilor de excavații;

scurgerilor accidentale de carburanți de la utilajele de construcție folosite;

scurgerilor accidentale de carburanți, lubrifianți, uleiuri de la utilaje;

depozitarea temporară necontrolată a recipientelor de stocare a vopselelor;

depozitarea necorespunzătoare a deșeurilor de tip menajer rezultate de la operatorii lucrărilor de construcție.

Surse specifice perioadei de funcționare:

scăpări accidentale de produse utilizate pe fluxul tehnologic

emisii de poluanți în atmosferă rezultate din tehnologie cu influențe negative asupra solului;

modificarea negativă a elementelor solului și subsolului pin deversări/scurgeri accidentale de materii prime sau produși și subproduși (digestat) în timpul operațiilor de transport și manipulare;

poluări cu substanțe petroliere datorate transportului materiilor prime și deșeurilor rezultate în procesul tehnologic;

4.3.2 Impactul prognozat

Poluarea sau afectarea solului reprezintă orice acțiune care produce dereglarea funcționării normale a solului ca suport în cadrul diferitelor ecosisteme. Activitățile care se vor desfășura pe amplasamentul instalației de biogaz în cele două perioade ale proiectului (construcție și funcționare) nu vor avea impact asupra componentelor subterane – geologice și nici nu vor produce schimbări în mediul geologic.

Impactul rezidual este considerat a fi scăzut. Datorită sistemelor de prevenire și control existente sau care urmează a fi implementate probabilitatea de apariție a unui posibil impact este foarte mică. Ca urmare, semnificația impactului este foarte scăzută.

4.3.3 Măsuri de reducere a impactului

Măsurile de protecție a solului și subsolului în etapa de construcție/montaj vor consta din:

verificarea zilnică a stării tehnice a utilajelor și echipamentelor;

alimentarea cu carburanți a utilajelor se va efectua sub supraveghere;

schimbarea uleiului utilajelor în unități specializate și nu pe amplasament;

impunerea către furnizorii de materiale de construcție a utilizării de vehicule corespunzătoare din punct de vedere tehnic;

depozitarea temporară a deșeurilor de construcție pe platforme protejate, special amenajate;

colectarea deșeurilor de tip menajer în punctele special amenajate din cadrul platformei;

valorificarea deșeurilor inerte din construcție la reabilitarea drumurilor de acces către amplasament

deșeurile nepericuloase sau periculoase rezultate din aceste activități vor fi colectate în punctele și recipienții dedicați și eliminate ulterior prin operatori autorizați.

Se apreciază că prin implementarea acestor măsuri în etapa de construcție, posibilitatea de poluare a solului sau a subsolului este redusă.

Măsurile de protecție a solului și subsolului în etapa de funcționare vor fi:

stocarea materialelor pe platforme betonate, cu capacitate de preluare integrală a eventualelor scurgeri accidentale;

utilizarea pentru stocarea dejecțiilor de vase închise, impermeabile

managementul deșeurilor conform cerințelor legale

limitarea la minimum a terenului scos din circuitul pedologic natural

management eficient al materiilor prime și a deșeurilor cu potențial de poluare biologică a solului