Piana w komorze fermentacyjnej: Przyczyny, rodzaje i skuteczne metody zwalczania

Dlaczego w  komorze fermentacyjnej powstaje piana?

Piana w instalacjach biogazowych to uciążliwy, lepki i nieprzyjemnie pachnący problem. Ale dlaczego w ogóle tworzy się w komorze fermentacyjnej? Zjawisko to jest wynikiem nałożenia się na siebie trzech warunków:

1. Obecność pęcherzyków gazu w masie fermentacyjnej – pęcherzyki biogazu są zjawiskiem naturalnym w prawidłowo przebiegającym procesie.
2. Obecność surfaktantów (związków powierzchniowo czynnych) – surfaktanty wzmacniają powłokę pęcherzyków, zapobiegając ich pękaniu.
3. Zdarzenie eksploatacyjne zakłócające stabilność – zdarzenie, które zaburza równowagę między powstawaniem a pękaniem bąbelków gazu.

Surfaktanty tworzą zewnętrzną „skórkę” pęcherzyka. Mogą to być substancje chemiczne (np. mydła, środki myjące) lub naturalne biosurfaktanty. Powszechnym źródłem biosurfaktantów są tłuszcze, oleje i smary. Z kolei substraty takie jak białka jaj zawierają długie łańcuchy białkowe, które w dużych ilościach również pełnią funkcję silnych biosurfaktantów wewnątrz reaktora.

Intensywne bąblowanie nie jest problemem, dopóki produkcja gazu przebiega w kontrolowanym tempie, a proces powstawania i pękania pęcherzyków jest zrównoważony. Gdy jednak produkcja biogazu gwałtownie rośnie lub w komorze nagromadzi się nadmiar surfaktantów, pęcherzyki nie pękają, a piana zaczyna gwałtownie wzbierać. Może ona przedostać się do rurociągów gazowych, zaworów nadciśnieniowych 

i przerywaczy płomienia, a w skrajnych przypadkach potrafi zerwać membranowy dach komory, stwarzając poważne zagrożenie wybuchem.

 

Poważne awarie tego typu mogą trwać od 4 do 8 tygodni i skutkują całkowitą lub częściową utratą przychodów z produkcji energii. Pomimo olbrzymiego wpływu na przebieg procesu, piana jest jednym z najczęstszych problemów w biogazowniach, którym można zapobiec, a środki zapobiegawcze pozwalają skuteczniej ograniczyć przestoje związane z pianą niż działania naprawcze.

Jak wygląda piana w Twoim fermentatorze? 

Piana charakteryzuje się dwoma głównymi parametrami: stabilnością i wielkością pęcherzyków.

• Piana drobnopęcherzykowa (przypominająca piankę z cappuccino): Jest bardzo stabilna, mocna i trudna do usunięcia. Nawet przy silnym, mechanicznym mieszaniu pęcherzyki nie ulegają łatwemu rozpadowi. Powstaje najczęściej w wyniku obciążenia instalacji tzw. ładunkiem uderzeniowym substratów o wysokiej zawartości białka lub tłuszczu. Podczas ich rozkładu powstają biosurfaktanty, które stabilizują pianę. Ten rodzaj piany stwarza najwyższe ryzyko uszkodzeń instalacji.
  
• Piana grubopęcherzykowa (pęcherze wielkości nawet piłki plażowej): Tworzy się bardzo szybko i zajmuje dużą objętość komory, ale jej pęcherze łatwiej pękają. Powstaje zazwyczaj w wyniku gwałtownej reakcji – np. zmieszania w komorze substratu kwaśnego (np. odpady tłuszczowe) z zasadowym (np. odpady piekarnicze), co przypomina chemiczną reakcję octu z sodą oczyszczoną. Zmusza to operatorów do natychmiastowego ograniczenia wprowadzania nowych substratów.
  

Co jest główną przyczyną pienienia? 

Pienienie się często występuje, gdy mikroorganizmy mają trudności z efektywnym rozkładem odpadów. Nadmierne dokarmianie, niedobory składników odżywczych oraz szok mikrobiologiczny mogą spowolnić ten proces. Błędy eksploatacyjne, które najczęściej prowadzą do gwałtownych skoków produkcji gazu i kumulacji surfaktantów, to:

• • Przeciążenie komory – w szczególności substratami wysokobiałkowymi (np. odpady z rzeźni) lub wysokotłuszczowymi (np. odpady z separatorów tłuszczu).

• • Nadmiar substratów bogatych w amoniak (np. pomiot kurzy).

• • Gwałtowny rozkład łatwo degradowalnych substratów (np. zepsutych soków owocowych).

• • Niewłaściwe lub niekonsekwentne mieszanie biomasy.

• • Przekarmienie mikroorganizmów tuż po przestoju lub awarii.
  • Niezauważone zmiany w składzie wsadu, np. wprowadzenie chemicznych roztworów myjących lub koagulantów używanych u dostawcy substratów.

Częstym problemem są także bakterie nitkowate, które mogą namnażać się w fermentorach (podobnie jak w systemach oczyszczania ścieków), tworząc fizyczną strukturę dla piany.

Co robić kiedy w komorze fermentacyjnej powstaje piana? 

Pierwszym działaniem zaradczym do wdrożenia po zaobserwowaniu pienienia jest natychmiastowe wstrzymanie podawania nowych substratów. Minimalizuje to obciążenie ładunkiem organicznym i zatrzymuje dalszą produkcję biosurfaktantów oraz kwasów. Należy uruchomić też mieszadła, jednak nie zwiększać intensywności mieszania, by przez dodatkowe wtłaczanie gazu do masy fermentacyjnej, nie spotęgować problemu. 

Skuteczną i bezpieczną metodą rozcieńczenia stężenia surfaktantów i ustabilizowania pojemności buforowej jest też odpompowanie części spienionej masy i wpompowanie w jej miejsce pofermentu. Inną prostą metodą, która pomoże nam w zwalczaniu piany jest dodanie do fermentatora oleju rzepakowego. Działa on jako naturalny środek odpieniający, który gwałtownie obniża napięcie powierzchniowe, powodując pękanie pęcherzyków gazu uwięzionych w zawiesinie.

W przypadku długo utrzymującej się piany mamy dwa sposoby: 

1. Powoli podnoś temperaturę fermentacji – Codzienne podwyższanie temperatury biogazowni o 0,5°C może przyspieszyć rozkład odpadów. Temperaturę należy podnosić tylko wtedy, gdy poziom amoniaku i temperatura nie budzi obaw.

2. Powoli przywróć normalne poziomy pH, lotnych kwasów tłuszczowych (LKT) i buforowości – przywróć poziomy typowe dla Twojej instalacji. Po zaprzestaniu karmienia biogazownia powinna zacząć wracać do normalnych poziomów, ponieważ biomasa zużywa zgromadzony w niej materiał.

Jak zapobiegać pienieniu?

W prawidłowo prowadzonym procesie fermentacji beztlenowej problem z pienieniem występuje bardzo rzadko. Kluczem do jego unikania jest więc dbanie o dobre dostrojenie i utrzymywanie na pożądanym poziomie wszelkich parametrów procesu jak OLR (obciążenia organicznego), temperatury, pH, stosunku C:N czy zawartości mikroelementów, a także dbanie o odpowiednie mieszanie zawartości komór fermentacyjnych. 

O wszystkich najistotniejszych elementach procesu produkcji biogazu, właściwym ich doborze i kontrolowaniu nauczysz się 

z kursu “Biogaz od A do Z”. 

Przy prawidłowym operowaniu tymi czynnikami piana nie powinna stanowić częstego problemu, a kiedy się pojawi, przy szybkim jej zauważeniu łatwo sobie z nią poradzić.