Proces produkcji biogazu podczas fermentacji metanowej, jest procesem biotechnologicznym, który wymaga zapewnienia niezbędnych parametrów środowiskowych wewnątrz zbiornika fermentacyjnego, ale również odpowiedniego przygotowania materiału. Wszystkie procedury wykonywane do momentu wprowadzenia materiału do fermentora nazywane są obróbką wstępną substratów (ang. substrate handling). Obejmuje ona dostawę, magazynowanie, higienizację (opcjonalne), rozdrobnienie i wprowadzenie materiałów do procesu fermentacji. Wszystkie te elementy obróbki wstępnej są kluczowe do efektywnej pracy instalacji. Ponadto ich prawidłowy przebieg jest kluczem do uzyskania pozytywnego bilansu ekonomicznego inwestycji biogazowej.
Dostawa substratów w biogazowniach
Pierwszym etapem ogólnie pojętej obróbki wstępnej substratów biogazowych jest ich dostawa na teren instalacji. Jest ona szczególnie istotna w przypadku wykorzystywania materiałów spoza własnego przedsiębiorstwa (lub gospodarstwa rolnego). Konieczna jest wtedy kontrola dostarczanych substratów. Dane dotyczące, między innymi masy materiałów, wymagane są do celów rozliczeniowych i dokumentacyjnych (w przypadku odpadów – również do ewidencji w bazie BDO). Zadaniem osoby przeprowadzającej przyjęcie jest wykonanie kontroli wizualnej. Pozwala ona ocenić już na wstępnym etapie przydatność substratu do celów biogazowych (np. nadmierna ilość wody w substracie stałym, widoczna pleśń itp.). Ponadto, należy okresowo pobierać reprezentatywne próby, które pozwolą ocenić zgodność podstawowych parametrów materiału z danymi zapisanymi m.in. w kontrakcie z dostawcą.

Sortowanie i separacja odpadów w biogazowni.
W zależności od składu i pochodzenia substratów może występować konieczność sortowania i separacji ciał obcych. Najczęstszym zanieczyszczeniem występującym w strumieniu materiałów trafiających do biogazowni są kamienie, drewno i elementy metalowe. Do ich oddzielenia wykorzystuję się zbiorniki wstępne, których dno jest okresowo oczyszczane lub coraz częściej sprzężone ze sobą systemy separacji i rozdrobnienia surowca wyposażone w układ separacji ciał stałych (ryc. 1). W przypadku pozostałych zanieczyszczeń zastosowanie może znaleźć separacja ręczna przy taśmociągu, jednak jest ona rzadko spotykana w przypadku biogazowni rolniczych.

Higienizacja substratów
Ze względu na coraz częstsze wykorzystanie, jako substratu do instalacji biogazowych, odpadów poubojowych, bardzo istotne jest przeprowadzenie procesu higienizacji przed dostarczeniem ich do zbiornika fermentacyjnego. Zgodnie z danymi KOWR, w 2020 roku na cele biogazowe wykorzystane zostało blisko 86 tys. Mg tego rodzaju materiału. Głównym celem higienizacji substratów jest stworzenie środowiska, w którym mikroorganizmy patogenne oraz chorobotwórcze nie mogą funkcjonować. Prawidłowa obróbka termiczna odpadów zachodzi, gdy temperatura w całej zawartości materiału wynosi minimalnie 70°C przez okres (bez przerw) co najmniej 60 min. Dodatkowo wielkość cząstek wejściowych substratu do higienizatora powinna być maksymalnie 12 mm. Materiały poddane procesowi wstępnej obróbki termicznej, łatwiej ulegają biodegradacji, tzn. proces fermentacji metanowej zachodzi sprawniej. Jednakże ze względu na wysokie nakłady energetyczne, proces higienizacji stosowany jest tylko dla substratów niepewnych higienicznie, a nie dla całego strumienia materiałów trafiających do zbiornika fermentacyjnego. Do przeprowadzania procesu higienizacji wykorzystuję się zbiorniki ze stali szlachetnej odporne na działanie wysokiej temperatury oraz środowiska agresywnego. Przy instalacjach biogazowych, najczęściej zastosowanie znajdują zbiorniki do pojemności ok. 50 m3 wyposażonych w grzanie wewnętrzne lub zbiorniki o ścianach podwójnych. Substrat podawany do układu musi być pompowalny, w związku z tym najczęściej stosuję się wstępną obróbkę rozdrabniania i rozcieńczania przed samym procesem higienizacji. Należy również pamiętać, że substrat po obróbce termicznej w temperaturze 70°C, musi zostać schłodzony do wartości utrzymywanej w zbiorniku fermentacyjnym (ok. 39°C – dla warunków mezofilowych lub ok. 52-55°C – dla warunków termofilowych). W przeciwnym wypadku może dojść do niekontrolowanego wzrostu temperatury w reaktorze i „wymierania” bakterii metanogennych.
Rozdrobnienie odpadów
Rozdrobnienie jest jednym z kluczowych etapów przygotowywania substratów do procesu fermentacji metanowej. Proces ten ma na celu zwiększenie powierzchni materiału dostępnej dla bakterii fermentacyjnych, co w konsekwencji wpływa na produkcję metanu. Z przeprowadzonych do tej pory badań wynika, że wraz ze zwiększeniem stopnia rozdrobnienia substratów wzrasta również szybkość ich rozkładu (Ryc. 2.).

Należy jednak pamiętać, że zastosowanie tego procesu nie zawsze musi oznaczać jednoczesny wzrost produkcji biogazu i metanu, ponieważ wytwarzanie gazu w trakcie fermentacji metanowej uzależnione jest również od innych parametrów procesowych. W związku z tym bardzo ważne jest wykorzystanie odpowiednich technik rozdrabniania, które ze względu na wysoką efektywność energetyczną będą również opłacalne ekonomicznie.
Systemy mieszania i rozdrabniania substratów stałych mogą być instalowane przed urządzeniami przenoszącymi je bezpośrednio do zbiorników fermentacyjnych. Jednakże coraz częściej obserwuje się sprzęganie mielenia i przenoszenia substratu w jednym układzie, a niektóre z firm oferują również rozwiązania łączące oba procesy w jednym agregacie. Urządzenia te napędzane są najczęściej silnikiem elektrycznym, a w przypadku jego awarii istnieje możliwość podłączenia do nich wału napędowego traktora, co pozwala ograniczyć ryzyko wstrzymania produkcji biogazu ze względu na brak dostarczanego substratu.
Obecnie, dostępne na rynku pojedyncze agregaty są w stanie pracować z wydajnością do 6-8 Mg/h. Najczęściej wykorzystywane są one do rozdrabniania typowych kiszonek z kukurydzy i traw, obornika oraz odpadów warzywnych, owocowych itp. Do najważniejszych zalet wynikających z zastosowania pojedynczych agregatów rozdrabniających należy możliwość obróbki dużych ilości materiałów, a także nieskomplikowany system ich napełniania (najczęściej przy wykorzystaniu ładowarki kołowej). Dodatkowo stosowane obecnie rozwiązania, pozwalają na pełną automatyzację systemu rozdrobnienia i dozowania substratu do zbiorników fermentacyjnych. Należy jednak pamiętać, że w przypadku poważniejszej awarii agregatu, konieczne jest ręczne usuwanie zalegającego materiału.
W przypadku substratów pompowalnych, o wysokiej zawartości wody, rozdrobnienie surowców odbywa się przed lub w zbiorniku wstępnym oraz w układzie pompowania przed lub bezpośrednio w pompie tłoczącej. Wydajność pracy takich systemów wynosi od 180 do nawet 750 m3/h. Natomiast moc rozdrabniaczy mieści się w przedziale od 1,5 kW do 15 kW i dobierana jest w zależności od stosowanych w biogazowni substratów. Warto również dodać, że najnowsze urządzenia pompująco-rozdrabniające umożliwiają przygotowanie zacieru o zawartości suchej masy ponad 16%.