Do produkcji biogazu w warunkach polskich uprawiane są najczęściej następujące rośliny: kukurydza, sorgo, zboża w czystym siewie, mieszanki zbożowe i zbożowo-strączkowe, słonecznik, trawy z upraw polowych i trwałych użytków zielonych, rośliny motylkowe (lucerna, koniczyna i ich mieszanki z trawami), buraki pastewne. W tym celu można też wykorzystać produkty uboczne z upraw roślin: liście buraków cukrowych, ziarno niespełniające wymogów jakości i inne, lokalnie dostępne surowce. O doborze gatunków do produkcji biogazu decyduje wydajność suchej masy z jednostki powierzchni, proporcje pomiędzy głównymi składnikami (cukry, tłuszcze, białka) oraz przydatność do konserwacji po zbiorze. Hodowane są już specjalne odmiany niektórych roślin (kukurydzy, buraka), z przeznaczeniem do produkcji biogazu. Agrotechnika roślin uprawianych na potrzeby biogazowni nie różni się od produkcji na cele żywnościowe czy paszowe. Produkcja biomasy odbywa się w sezonie wegetacyjnym, zaś substraty muszą być dostarczane do biogazowni przez cały rok, dlatego niezbędna jest konserwacja zielonek, najczęściej przez zakiszenie. Kiszonki nie tylko pozwalają przechować biomasę w stanie pozwalającym na jej fermentację, ale też są bardziej podatne na beztlenowy rozkład przez mikroorganizmy w porównaniu do zielonek. Kolejnym zabiegiem, ułatwiającym rozkład materii organicznej zawartej w substratach, jest dokładne ich rozdrobnienie przy użyciu różnych metod. Jedną z takich metod jest mikronizacja [Kowalczyk-Juśko 2014].

Mikronizacja biomasy

Przygotowanie wstępne substratów powinno zapewnić uzyskanie jak największej powierzchni cząstek, co pozwala na głębszy proces rozkładu, a co za tym idzie – większą wydajność biogazu. Podstawowym etapem rozdrabniania substratów jest sporządzanie sieczki podczas zbioru kukurydzy czy innych surowców roślinnych poddawanych fermentacji. W tym celu wykorzystywane są sieczkarnie do zbioru roślin, przy czym zgodnie z zaleceniami sieczka powinna mieć długość 2-5 mm, co oznacza rozdrobnienie do mniejszych cząstek w porównaniu do sieczki zakiszanej na potrzeby żywienia zwierząt [Podkówka 2012]. W skład wyposażenia instalacji biogazowej również mogą wchodzić urządzenia rozdrabniające: homogenizatory i blendery, które rozdrabniają większe części substratów do kilkunastu milimetrów, a następnie ujednolicają kosubstraty przed wprowadzeniem do komory fermentacyjnej. Dokładne rozdrobnienie substratów poprawia efektywność fermentacji, ułatwia ich dozowanie do komór i mieszanie, zmniejsza ryzyko owijania się włókien biomasy wokół mieszadła i ogranicza tworzenie kożucha.

Innowacyjne technologie przygotowania biomasy pozwalają na rozbicie błon komórkowych i uzyskanie cząsteczek substratu wielkości kilkuset lub nawet kilku mikrometrów, dzięki czemu wielokrotnie zwiększa się aktywna powierzchnia substratu, co skraca czas fermentacji i zwiększa jej wydajność. Również ujednolicenie tak rozdrobnionej biomasy jest znacznie wyższe, dzięki czemu bakterie metanowe mają dostęp do jednorodnej mieszaniny związków organicznych. Dokładne rozdrobnienie biomasy umożliwiają urządzenia, nazywane mikronizerami lub dezintegratorami. W zależności od charakteru biomasy, jej dalszego zagospodarowania i zastosowanej technologii urządzenia te wykorzystują ultradźwięki, wysokie ciśnienie, promieniowanie podczerwone, wysokie napięcie, strumienie cieczy pod wysokim ciśnieniem [Kowalczyk-Juśko 2014]. Mikronizacja (destrukcja, dezintegracja) materiałów dla energetyki cieszy się rosnącym zainteresowaniem zarówno w kontekście fermentacji beztlenowej, jak i spalania w kotłach fluidalnych, gdyż może zastąpić dotychczas stosowane rozdrabnianie biomasy w młynach. Rewolucyjnym krokiem w bioenergetyce może stać się zasilanie turbin kogeneratorów gazem wytwarzanym ze zmikronizowanej biomasy [Mobilna… 2012]. Tak więc mikronizacja, stosowana do niedawna w biotechnologii, produkcji kosmetyków i wybranych bioproduktów, staje się jednym z ogniw przygotowania biomasy do energetycznego wykorzystania.

Dezintegracja osadu ściekowego

W niektórych oczyszczalniach ścieków już stosowana jest dezintegracja osadu ściekowego przed jego fermentacją beztlenową. Niszczenie struktur osadu, wraz z rozerwaniem błon komórkowych, pozwala na uwolnienie substancji wewnątrzkomórkowych do wody zawartej w osadzie, przyspiesza i ułatwia fazę hydrolizy, będącej pierwszym etapem fermentacji. Osad ściekowy zawiera substancje, które trudno ulegają biodegradacji. Jego dezintegracja wpływa na minimalizację ilości odpadu, który pozostaje do ostatecznego unieszkodliwienia. Ponadto w dopływających ściekach może wystąpić niedobór węgla, niezbędnego do właściwego przebiegu fermentacji osadu, a dzięki destrukcji materiału łatwo przyswajalny węgiel organiczny jest uwalniany z wnętrza komórek i staje się dostępny dla mikroorganizmów prowadzących proces fermentacji [Duda 2010].
Zdaniem Tomczak-Wandzel i wsp. [2009] dezintegracja osadu ściekowego ma wiele zalet: ogranicza zjawiska pienienia oraz puchnięcia osadu w procesach oczyszczania ścieków, obniża indeks osadu czynnego, poprawia podatność osadów do odwadniania, zmniejsza przyrost masy osadu nadmiernego w oczyszczalniach z tlenową stabilizacją osadu oraz eliminuje patogeny. Osady ściekowe można dezintegrować różnymi metodami. Metody chemiczne opierają się na utlenianiu i hydrolizie, biochemiczne – na autolizie i środkach bioaktywnych, termiczne – na działaniu odpowiednio dobranych temperatur. Z kolei metoda ultradźwiękowa cieszy się dużą popularnością, gdyż przy niskich nakładach energii uzyskuje się znaczne zniszczenie struktury ośrodka, co znacznie skraca czas fermentacji, a równocześnie zwiększa jej efektywność. Wyniki badań przeprowadzonych w oczyszczalni Wschód w Gdańsku wskazują pozytywny wpływu dezintegracji ultradźwiękowej osadów, na wydajność biogazu (rys. 1).

Rysunek 1. Zmiany ilości wytwarzanego biogazu w zbiorniku z osadem zdezintegrowanym (D) oraz w zbiorniku z osadem surowym (S) w czasie procesu fermentacji

Źródło: Tomczak-Wandzel i in. 2009.