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 het kan nabehandeld worden in functie van het beoogde gebruik bv. via droging of compostering.
1.2. Werkingsprincipe
In het vergistingsproces wordt organische stof (bv. organisch-biologisch afval, 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 vier fases die geleidelijk in elkaar overlopen: de hydrolyse (1), de acidogene fase of fermentatie (2), de acetogene fase (3) en de methanogene fase (4).
- Tijdens de hydrolyse 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, omdat 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
1.3.1. De eigenlijke vergisting
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:
Temperatuur
- thermofiele installaties (rond 55°C)
- mesofiele installaties (rond 40°C)
Het droge stofgehalte
- droge vergisting (tussen 15-40% droge stof)
- natte vergisting (< 15% droge stof)
Het voedingsregime
- continu
- semi-continu
- discontinu (in batch)
De menging van de reactorinhoud
- volledig gemengde reactoren: het verse materiaal wordt homogeen over het volledige reactoroppervlak verdeeld (bij natte vergisting)
- propstroomvergisters: de input doorloopt het proces als een 'prop' (bij droge vergisting)
Aantal reactoren
- ééntrapsproces: het hele proces in één reactor
- twee- of meertrapsproces: de verschillende reactiefasen worden ruimtelijk van elkaar gescheiden
1.3.2. De opvang, behandeling en gebruik van het gevormde biogas
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.
1.3.3. De verdere behandeling van het gevormde digestaat
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. Er 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).
2.1. 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, de BBT-studie voor mestverwerking het BBT-referentiedocument voor afvalverwerking.
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 belangrijk zijn om gasemissies te beperken.
2.2. Afvalwater
Bij de eigenlijke vergisting ontstaat geen overtollig water, maar wel in 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.
2.3. Afval
In installaties die afvalstoffen verwerken komen diverse restfracties vrij tijdens de voor- en nabewerking, zoals metalen, kunststoffolies en steentjes. De metaalfractie gaat gewoonlijk naar recyclage, de andere fracties gaan naar eindverwerking.
2.4. 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.
- Huybrechts, D. & Vrancken, K. (2005). Beste Beschikbare Technieken (BBT) voor composteer- en vergistingsinstallaties. Academia Press.
- Lemmens, B., Ceulemans, J., Elslander, H., Vanassche, S., Brauns E. & Vrancken, K. (2007). Beste Beschikbare Technieken (BBT) voor mestverwerking. Academia Press.
- Pinasseau, A., Zerger, B., Roth, J., Canova, M. & Roudier, S. (2018). Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Waste Treatment. European IPPC Bureau.