Vergisting

1. Procesbeschrijving

1.1. Inleiding

Vergisten is een proces waarbij biodegradeerbaar materiaal onder gecontroleerde omstandigheden en onder anaërobe condities (in afwezigheid van zuurstof) door micro-organismen wordt omgezet en afgebroken. Het vergistingsproces gaat gepaard met productie van biogas, dat als energiebron kan worden aangewend. Het overblijvende digestaat kan dienst doen als meststof, of kan nabehandeld worden in functie  van het beoogde gebruik bv. via droging of compostering.

1.2. Werkingsprincipe

In het vergistingsproces wordt organische stof (bv. OBA, mest, energiegewassen) door tussenkomst van anaërobe micro-organismen omgezet in biogas. Biogas is een mengsel van CH4 (typisch 50 tot 70 %), CO2 en restgassen (o.a. H2S, NH3, N2 en H2). De afbraakreacties tijdens het vergistingsproces kunnen in vereenvoudigde vorm als volgt worden weergegeven:

Organische stof + H2O → CH4 + CO2 + restgassen

De microbiologische processen grijpen enkel in op (een gedeelte van) de biologisch afbreekbare organische fractie van de verwerkte materialen. De niet-biologisch afbreekbare organische en minerale fracties worden in principe onveranderd in het eindmateriaal teruggevonden. In vergelijking met een composteringsproces, komt er bij vergisting minder warmte, CO2 en water vrij. In plaats daarvan wordt methaangas (CH4) geproduceerd, dat onder vorm van biogas als energiebron kan worden gebruikt.

Bij vergisting treedt er, zoals bij compostering, een massareductie op tengevolge van de afbraak van organisch materiaal. In tegenstelling tot bij compostering echter wordt er geen water verdampt tijdens het vergistingsproces. Daar staat tegenover dat in het vergistingsproces water verbruikt wordt (zie reactievergelijking hierboven), terwijl in het composteerproces water wordt vrijgesteld. Globaal genomen echter wordt bij de eigenlijke vergistingsstap (zonder rekening te houden met eventuele nabewerkingsstappen) een minder grote vochtreductie gerealiseerd dan bij compostering.

Het verloop van het vergistingsproces kan onderverdeeld worden in 4 fases die geleidelijk in elkaar overlopen: de hydrolyse, de acidogene fase, de acetogene fase en de methanogene fase.

  • In de hydrolyse fase worden macromoleculaire bestanddelen zoals cellulose, proteïnen en vetten door hydrolyse (= reactie met water) afgebroken tot kleinere componenten zoals suikers, aminozuren, hogere vetzuren en alcoholen. Deze hydrolysereacties worden gekatalyseerd door extracellulaire enzymen (cellulasen, proteasen en lipasen) die door anaërobe bacteriën worden uitgescheiden. De hydrolytische fase is relatief traag en wordt beschouwd als de snelheidsbeperkende stap van het vergistingsproces.
  • In de acidogene fase (acidogeen = zuur vormend) worden de gevormde suikers, aminozuren en vetzuren door diverse anaërobe organismen omgezet in een mengsel van intermediaire producten (organische zuren, alcoholen, CO2, H2, NH3 en H2S).
  • In de acetogene fase (acetogeen = azijnzuur vormend) worden de producten uit de acidogene fase door diverse anaërobe bacteriën omgezet in acetaat, H2 en CO2.
  • In de methanogene fase (methanogeen = methaan vormend) worden acetaat, CO2 en H2 door methanogene bacteriën omgezet in methaan. Deze processtap vereist strikt anaërobe condities.

Om het vergistingsproces optimaal te laten verlopen, moeten de verschillende soorten betrokken micro-organismen in voldoende hoeveelheden en in evenwichtige verhoudingen aanwezig zijn. Om dit te bereiken is een enting noodzakelijk. Schommelende belastingen en plotselinge wijzigingen in substraatsamenstelling moeten vermeden worden, daar dit het microbiologisch evenwicht kan verstoren. Dit kan gepaard gaan met een accumulatie van organische zuren en een daling van de pH. Een pH daling tot beneden 6,5 leidt tot een inhibitie van de methanogene bacteriën en moet dus vermeden worden.

1.3. Procesvoering

Bij de procesvoering in een vergistingsinstallatie kunnen algemeen volgende processtappen worden onderscheiden:

  • de eigenlijke vergisting;
  • de opvang, behandeling en gebruik van het gevormde biogas;
  • de verdere behandeling van het gevormde digestaat.

De eigenlijke vergisting vindt steeds plaats in gesloten reactoren (fermentors). Wat betreft de procesvoering in de fermentor kan een onderscheid gemaakt worden tussen verschillende uitvoeringsvormen. Belangrijke parameters hierbij zijn de temperatuur, het droge stofgehalte, het voedingsregime, de menging van de reactorinhoud en één- en meertrapsprocessen.

Het gevormde biogas wordt uit de fermentors opgevangen, en eventueel ontdaan van verontreinigingen die hinderlijk kunnen zijn voor de energetische valorisatie. Bij verwerking van relatief S-arme materialen (b.v. GFT-afval of energiegewassen), volstaat het om waterdruppels en vaste deeltjes uit het biogas te verwijderen. Het gezuiverde biogas wordt vervolgens verbrand in een verwarmings- of stoomketel of in een gasmotor, voor productie van warmte of elektriciteit, of een combinatie van beide (WKK). Om variaties in de biogasproductie op te vangen, is het meestal noodzakelijk om een kleine biogasopslag te voorzien. Bovendien moet een gasfakkel aanwezig zijn om in geval van nood een (tijdelijke) overmaat aan biogas te kunnen wegwerken.

Na de eigenlijke vergistingsstap kan het vergiste materiaal (digestaat) ofwel als eindproduct van de vergisting opgeslagen worden ofwel nog verder behandeld worden. Deze behandeling kan bijvoorbeeld bestaan uit een ontwatering, eventueel gevolgd door een aërobe nabehandeling (nacompostering) of een droging. Afhankelijk van het al dan niet voorkomen van een aërobe nabehandeling kan onderscheid gemaakt worden tussen:

  • vergistingsinstallaties met finaliteit digestaat (zonder aërobe nabehandeling van het digestaat, bv. mestvergistingsinstallaties);
  • vergistingsinstallaties met finaliteit compost (met aërobe nabehandeling van het digestaat, bv. GFT-vergistingsinstallaties).

2. Milieuaspecten en energie

Lucht

Bij vergisting is in het eigenlijke vergistingsproces geen luchttoevoer en -afvoer noodzakelijk. Het proces vindt plaats in gesloten reactoren, en de gevormde geurcomponenten komen in het biogas terecht. Bij verbranding van het biogas worden zij geoxideerd, zodat in de verbrandingslucht nagenoeg geen geurcomponenten meer aanwezig zijn. In principe zal enkel bij calamiteiten biogas mogelijk ontsnappen. Door de aanwezige fakkel zal ook hier geen geur vrijkomen, tenzij biogas langs andere wegen ontsnapt. Naast het eigenlijke vergistingsproces zijn onder meer ook de ontvangst en opslag van de te verwerken materialen, de mechanische bewerkingen, de afvalwaterzuivering en de afvalwateropslag mogelijke bronnen van geuremissies. Voor vergistingsinstallaties dient ook rekening te worden gehouden met mogelijke geuremissies ter hoogte van de ontwateringsapparatuur en de digestaatopslag.

Daarnaast is ook de uitstoot van broeikasgassen, ammoniak (NH3) en fijn stof (vnl. bij laden en lossen, bewerken, transport en omzetten) mogelijk. Voor gedetailleerde gegevens i.v.m. emissies naar lucht verwijzen we naar de BBT-studie voor composteer- en vergistingsinstallaties en de BBT-studie voor mestverwerking.

Om emissies naar lucht te beperken, wordt gewerkt met gesloten systemen met afzuiging en behandeling van de restgassen. Hiervoor zet men typisch een biofilter in, met eventueel extra voorgeschakelde behandelingstechnieken als een gaswasser. Verder kunnen ook maatregelen i.v.m. acceptatie van het materiaal, zoals het werken met zo vers mogelijk materiaal of het beperken van de vooropslagtijd, en maatregelen voor een optimale procesvoering als het nauwkeurig opvolgen van de temperatuur en andere procesparameters, etc. belangrijk zijn om gasemissies te beperken.

Afvalwater

Bij vergisting ontstaan o.a. volgende afvalwaterstromen:

  • percolaat dat vrijkomt uit de aangevoerde materialen;
  • water dat vrijkomt bij ontwatering van het vergiste materiaal;
  • verontreinigd regenwater, b.v. bij niet-overdekte opslagplaatsen, of bij vervuilde terreingedeelten;
  • spoel en schrobwater.

In vergistingsinstallaties waarin een ontwatering van het digestaat plaatsvindt, komen vrij grote hoeveelheden afvalwater vrij. In vergistingsinstallaties zonder ontwatering van het digestaat is de hoeveelheid afvalwater relatief kleiner. Deze afvalwaterstromen zijn alle in min of meerdere mate vervuild. De belasting bestaat hoofdzakelijk uit organische stoffen, o.a. CZV, BZV, en organisch gebonden stikstof. De anorganische belasting wordt voornamelijk veroorzaakt door gemakkelijk oplosbare zouten, zoals natrium en kaliumzouten, chloriden, nitrieten, nitraten, chloriden en ammonium. Ook slechter oplosbare verbindingen van magnesium, calcium, zware metalen, sulfiden en pesticiden kunnen aanwezig zijn.

Het werken op een vloeistofdichte vloer is verplicht om lekkage van verontreinigd water naar de bodem te vermijden. Opgevangen afvalwater kan dikwijls geheel of gedeeltelijk hergebruikt worden in het proces. Resterend afvalwater dient gezuiverd vóór lozing in oppervlaktewater.

Afval

In installaties die afvalstoffen verwerken komen diverse restfracties vrij tijdens de voor- en nabewerking, zoals metalen, kunststoffolies, steentjes. De metaalfractie gaat gewoonlijk naar recyclage, de andere fracties naar eindverwerking.

Energie

Bij vergistingsinstallaties wordt uit het behandelde materiaal biogas geproduceerd. De biogasproductie dekt ruim de eigen energiebehoefte voor het vergistingsproces, zodat er sprake is van een netto energieproductie. Het geproduceerde biogas kan voor volgende doeleinden worden gebruikt:

  • eigen energievoorziening van de installatie (verwarming van de vergistingsreactor, verwarming van de bedrijfsruimten, indamping afvalwaterstromen);
  • opwekking van (groene) elektriciteit, meestal in combinatie met productie van bruikbare warmte (WKK);
  • opwerking tot aardgaskwaliteit, dat in het aardgasnet kan worden gebracht.

Voor een volledig overzicht van de mogelijke milieumaatregelen bij vergisting, verwijzen we naar de BBT-studie voor composteer- en vergistingsinstallaties en de BBT-studie voor mestverwerking. Een beschrijving van technieken voor luchtzuivering en afvalwaterzuivering is te vinden via respectievelijk de LUSS-tool (luchtzuiveringstechnieken selectiesysteem) en de WASS-tool (afvalwaterzuiveringstechnieken selectiesysteem) op de EMIS website. 

3. Kosten

De kosten zijn sterk afhankelijk van het inputmateriaal, de schaal, de intensiteit van het proces en de maatregelen om emissies te beperken.

In een rapport van VEA (2012) wordt er een analyse gemaakt van financiële parameters voor de vergisting van hoofdzakelijk mest- en/of land- en tuinbouwgerelateerde stromen, voor de vergisting van GFT met nacompostering en voor overige vergisters.

Voor wat betreft de vergisting van hoofdzakelijk mest- en/of land- en tuinbouwgerelateerde stromen worden specifieke investeringskosten ingeschat op 4.800 €/kWe. Wat betreft operationele kosten wordt een inschatting gemaakt (520 €/kWe) op basis van de onrendabele topberekening van VITO in 2010 (geïndexeerd over 2 jaar). Volgens de BBT-studie mest-covergisting (Derden et al., 2012) zijn de prijzen voor organische biologische afvalstromen (OBA) in 2011 relatief gedaald ten opzichte van 2009 (resp. van 16,78 €/ton naar 15,56 €/ton). Deze trend geldt niet voor alle inputstromen (voor maïssilage bv. is de prijs sinds 2009 scherp gestegen) en is ook sterk bedrijfsafhankelijk. Bovendien werd vastgesteld dat de gemiddelde biogasopbrengst (Nm³/ton) van OBA-stromen daalt en wordt verwacht dat de steeds groeiende toepassingen voor OBA-stromen zullen leiden tot verdere prijsstijgingen.

De investeringskosten voor de vergisting van GFT worden vastgelegd op 12.000 €/kWe en de operationele kosten op 700 €/kWe. Deze cijfers zijn moeilijk verifieerbaar gezien het beperkt aantal projecten dat tot nu toe in Vlaanderen werden gerealiseerd. Voor GFT werd uitgegaan van een biogasopbrengst van 120 Nm³/ton, een totale capaciteit van 35.000 ton GFT per jaar en een gemiddelde gatefee van 65 €/ton. Het is niet onwaarschijnlijk dat de gatefee voor GFT-afval in de toekomst zal dalen. Daarom werd geen indexering toegepast. Omdat GFT verplicht moet worden verwerkt tot compost wordt het digestaat afgezet aan een composteringsinstallatie –hetzij extern, maar meestal ‘on site’- daarom wordt een gelijke kost gerekend voor de ca. 31.000 ton bijproduct van de vergisting, het digestaat. De afzetkost voor het digestaat wordt vastgelegd op 65 €/ton.

Investeringskosten voor overige vergisters worden ingeschat op 4.800 €/kWe. Wat betreft operationele kosten werd een inschatting gemaakt (570 €/kWe) op basis van de OT-studie van VITO in 2010 (geïndexeerd over 2 jaar). De gemiddelde kosten van in- en outputstromen zijn gebaseerd op gegevens uit de recente BBT-studie “(mest) covergistingsinstallaties” (Derden et al., 2012). Deze cijfers werden verder geverifieerd met bedrijven uit de sector. Volgens deze berekening werd een biogasopbrengst van 150 Nm³/ton vastgelegd.

4. Referenties

  • Derden, A., Vanassche, S., Huybrechts, D. 2012. Beste Beschikbare Technieken (BBT) voor (mest)covergistingsinstallaties. VITO, Mol, 272 p.
  • Huybrechts, D. & Dijkmans, R. (2001). Beste Beschikbare Technieken voor de verwerking van RWZI-  en gelijkaardig industrieel afvalwaterzuiveringsslib. VITO, Mol, 277 p.
  • Huybrechts, D. & Vrancken, K. (2005). Beste Beschikbare Technieken voor composteer- en vergistingsinstallaties. Academia Press, Gent, xi + 231 p.
  • Lemmens, B., Ceulemans, J., Elslander, H., Vanassche, S., Brauns E. & Vrancken, K. (2007). Beste Beschikbare Technieken (BBT) voor mestverwerking. Academia Press, Gent, xx + 335 p.
  • ODE Vlaanderen vzw. 2006. Vergisting, omzetten van biomassa in een energierijk gas.
  • VEA, 2012. Centraal Parameterdocument. Bijlage A.1 bij rapport 2012. Vlaams Energieagentschap.
  • Vlaco vzw: http://www.vlaco.be/