Stabiliteit van de voeding van een biogasinstallatie: waarom de dagelijkse som van de input niet genoeg is

De dagelijkse som van de input volstaat niet om de stabiliteit van de vergister te beoordelen, omdat de reactie van de biologie ook wordt bepaald door de spreiding van de doses in de tijd en de samenstelling en droge stof van het materiaal; de EPA AgSTAR-gids zegt letterlijk dat het in stand houden van een stabiel ecosysteem van micro-organismen een regelmatig schema voor het toevoegen van afval en een minimale variabiliteit van hun fysische en chemische eigenschappen vereist. Het dagelijkse gemiddelde “ziet er goed uit”, en toch kan er in de vergister een zuurimpuls optreden. Hieronder laten wij zien waarom en wat daaruit volgt voor het bedrijven van de installatie.

Wat de EPA-gids zegt

De AgSTAR-gids voor operators (november 2020) benadrukt in het hoofdstuk over constante voeding (4.1) drie dingen. Ten eerste moet afval volgens een regelmatig schema in het ontwerpvolume worden toegevoegd, om de ontwerp-verblijftijd te behouden. Ten tweede moet de variabiliteit van de droge stof (DS) en organische stof (oDS) worden beperkt, zodat de organische belasting (OLR) constant is. Ten derde moeten bij covergisting verschillende afvalstoffen gelijktijdig, in constante verhoudingen en bij voorkeur gemengd vóór de toevoer naar de vergister worden toegevoegd. De gids merkt op dat inconsistente voeding, voortvloeiend uit bijv. gebrek aan ruimte in de opslag, leveringstermijnen, soorten substraten en de snelheid van hun afbraak, grote schommelingen in de biogasproductie kan veroorzaken; dit illustreert hij met gegevens van een boerderij, waar na toevoeging van substraten aan stalmest bij inconsistente voeding de biogasproductie duidelijk hoger was, maar ook aanzienlijk variabeler dan in de periode zonder substraten.

Installaties werken doorgaans in continubedrijf (constante doorstroom gedurende 24 uur) of, vaker, halfcontinu: afval wordt een of meerdere keren per dag met gelijke tussenpozen toegevoegd.

Waarom de spreiding in de tijd telt

Beschouw een hypothetisch voorbeeld (getallen alleen ter illustratie). De vergister heeft 3000 m³ en de dagelijkse belasting is 6 t oDS, ofwel 2 kg oDS/(m³·d). Wanneer de dosis in zes porties van 1 t oDS wordt gegeven, verhoogt elk het momentane oDS-gehalte met ca. 0,33 kg/m³. Als de hele dosis tegelijk wordt gegeven, bedraagt de sprong ca. 2 kg/m³, ofwel zes keer meer, hoewel de dagsom identiek is. Gemakkelijk afbreekbaar materiaal (bijv. productieafval met suikers) ondergaat snel acidogenese, terwijl methanogenen langzamer groeien, dus een momentaan teveel aan zuren wordt niet meteen verbruikt. De EPA-gids legt dit mechanisme uit: een OLR-sprong laat zuurvormende bacteriën het groeitempo van methanogenen overschrijden, wat de pH verlaagt; in het uiterste geval komt het tot schuimvorming en afsterven van methanogenen, en moet de vergister worden geleegd en opnieuw opgestart. Het mechanisme beschrijven wij ook in het artikel Verzuring van de vergister: diagnose en aanpak.

Evenzo is een seizoensgebonden verandering van de samenstelling van het materiaal soms niet zichtbaar in het gewicht van de leveringen alleen. Kuilvoer van een andere snede of een vochtiger partij drijfmest hebben een andere droge stof en een ander oDS-gehalte, dus hetzelfde aantal tonnen draagt een andere lading. De actuele DS en oDS helpen de verandering te begrijpen, en over de logistiek schrijven wij in Opslag van kuilvoer in een biogasinstallatie.

Welke waarschuwingssignalen de EPA noemt

• Daling van het CH₄-gehalte in het biogas is de eerste indicator; het is het best het met een continue analysator te meten.
• Daling van de alkaliniteit wijst eerder op een upset dan de pH, die langzamer verandert; een indicator is ook de stijging van VVZ en de verhouding VVZ tot alkaliniteit.
• pH in het effluent (doorgaans 7,0–8,0 in een correct werkende vergister) is een vertraagde indicator.
• Toename van het aandeel CO₂ in het biogas, zelfs geleidelijk, betekent verlies van de stabiliteit van het proces.
• Daling van de biogasproductie wijst erop dat de ontwerpparameters niet worden aangehouden of dat een toxische stof in de vergister is terechtgekomen.

Met de titratie-indicatoren houdt het artikel FOS/TAC: hoe te meten en te interpreteren zich bezig, en met het profiel van de zuren — Vluchtige vetzuren (VVZ) in een biogasinstallatie.

Hoe registraties bij te houden

De gids beveelt bij covergisting aan gedetailleerde documentatie bij te houden: registreer elke bron van afval, de datum en tijd van levering en het volume, de pH-meting, en bewaar bij voorkeur een representatief monster van elke levering voor eventuele analyses van toxiciteit, fysische en chemische eigenschappen. Bij afval van buiten worden regelmatig toxiciteitstests uitgevoerd; een bron van remmers in afval uit de voedingsindustrie zijn soms reinigings- en ontsmettingsmiddelen, bijv. chloorverbindingen en ammoniak. In de praktijk zijn nuttig:

1. registratie van de tijdstippen van elke dosis (niet alleen de dagsom),
2. DS en oDS van elke partij of verandering van de samenstelling,
3. koppeling van de levering aan de partij in de registratie van de vergister,
4. dagelijkse controle van doorstromingen en belastingen en verificatie van de werking van pompen (bijv. door meting van het leegraken van de voedingstank tijdens de doseercyclus).

Goede gegevens maken het mogelijk schommelingen in de productie te koppelen aan een concrete gebeurtenis in de voeding. De indicatoren voor dagelijks gebruik beschrijft het artikel KPI’s van biogasinstallaties, en het substraatmengsel — Covergisting: planning van het substraatmengsel. Nieuwe materialen worden bovendien beoordeeld op opslag en homogenisatie, en het voedingsplan wordt afgestemd op de technologie en de ervaringen van de betreffende installatie.