EnglishRSSkontaktyčlenstvísitemapinzerce a reklama
Biom.cz
biomasa, biopaliva, bioplyn, pelety, kompostování a jejich využití

ODBORNÉ ČLÁNKY

Možnosti zpracování obtížně využitelných organických odpadů procesem anaerobní digesce

Úvod

Anaerobní digesce (nebo též anaerobní fermentace) znamená kontrolovanou mikrobiální přeměnu organických látek bez přístupu vzduchu za vzniku plynného podílu (bioplynu) a digestátu [2]. V souvislosti s rozšiřujícím se sortimentem využitelných organických odpadů i jejich množstvím se do popředí zájmu jejich možného využití dostává rovněž proces anaerobní fermentace, resp. kofermentace vybraných organických odpadů ve směsi s kejdou (obvykle hovězí, vepřová). Přidané odpady však mohou tento proces poznamenat ve více směrech. Může dojít ke změnám množství a složení vznikajícího bioplynu, ale i k ovlivnění dynamiky procesu. Některé přísady se jen neochotně účastní procesu, případně jej zpomalují. Dostávají se tak vlastně ve větším či menším měřítku do digestátu, i když kofermentací prošly, mohou mít tudíž na celý transformační proces negativní vliv.

V rámci výzkumného projektu [1] proběhla v laboratorních fermentorech kofermentace hovězí kejdy s odpadními materiály z různých průmyslových odvětví (potravinářský, farmaceutický, oleochemický průmysl apod.). Během procesu kofermentace (období několika měsíců) je sledován vliv postupně navyšovaného podílu kosubstrátů (odpadů) ve směsi s hovězí kejdou jak na množství a kvalitu bioplynu (koncentrace metanu), tak na výslednou kvalitu digestátu.

Obr. : Srovnání produkcí metanu při modelové kofermentaci hovězí kejdy s odpady s vysokým obsahem tuku

Experimentální část

Podstatná část experimentálních prací byla realizována na fyzikálních laboratorních modelech fermentorů v laboratoři Centra environmentálních technologií VŠB-TU Ostrava. Získané výsledky z experimentů v laboratorních fermentorech je rovněž možno ověřit na poloprovozním anaerobním reaktoru o objemu 2 m3.

Laboratorní model se skládal ze základního reakčního článku, tvořeného anaerobním fermentorem o objemu 60 dm3, k němuž byly přiřazeny pomocné aparatury (laboratorní plynoměr, teploměry, plynojem atd.). Analýza složení bioplynu byla realizována analyzátorem Binder Combimass Ga-m s infračerveným senzorem pro měření obsahu CH4, CO2, O2 a H2S v % obj.. Kofermentace probíhala v tzv. mezofilní oblasti teplot, tzn. substrát v reaktoru byl ohříván na cca 40 °C a kontinuálně promícháván pomocí nízkootáčkového elektrického motoru (cca 24 ot/min).

Vznikající digestát byl pravidelně odebírán a testován na obsah celkové sušiny, obsah organických látek, pH, obsahy celkového C, N, S, obsah Namoniak., Ndusičnan., Ca, Mg, K, P, S, těžké kovy, nižší mastné kyseliny, termotolerantní koliformní bakterie, enterokoky, Salmonella spp. atd. Analýzy byly prováděny jak v laboratořích našeho pracoviště, tak zejména v akreditované Laboratoři Morava s.r.o.. Uvedené parametry byly sledovány jak z hlediska současné legislativy, tak z hlediska procesního.

Tabulka 1: Základní fyzikální a chemické parametry vzorků 1-3

Popis a průběh experimentů modelové kofermentace

V laboratorních modelech anaerobního fermentoru (objem 60 dm3) byly s hovězí kejdou kofermentovány následující odpady:

  • VZOREK 1: lapačové tuky (kat. č. 020301) – z výroby jedlých olejů (STZ a.s.); vznikjí při pravidelném čištění jímky na odpadní vody z provozů extrakce, rafinerie a ČOV; polotuhý odpad, hnědé barvy s nevýrazným zápachem po biologickém materiálu a jedlém oleji.
  • VZOREK 2: odpadní tukové vody (kat. č. 020301) – z výroby jedlých olejů (STZ a.s.); směs surového rostlinného oleje, mastných kyselin, fosfolipidů a vody; viskózní, nažloutlá až tmavohnědá kapalina nestandardního zápachu, který je způsoben biologickými procesy.
  • VZOREK 3: lapačové tuky (kat. č. 020204) – ze stravovacího zařízení (menza VŠB-TUO); vznikají v jímkách odlučovače tuku; viskózní, tmavě oranžová kapalina (se zbytky jídel) nestandardního zápachu, který je způsoben biologickými procesy. Výsledky základních analýz vzorků 1-3 jsou uvedeny v tabulkách 1, 2.

Samotné modelové experimenty kofermentace výše jmenovaných odpadů probíhaly následujícím způsobem. Celý objem reaktorů (60 dm3) byl nejprve naplněn pouze hovězí kejdou.

Tabulka 2: Koncentrace těžkých kovů vzorků 1-3
Po několikatýdenním ,,zapracování“ reaktorů hovězí kejdou (po ustálení procesu), se začaly spolu s čerstvou hovězí kejdou přidávat do jednotlivých reaktorů zmíněné odpady v množství 2 - 10 % obj., resp. 5 – 20 % obj. Substrát hovězí kejdy s odpady v daných poměrech byl do reaktorů dávkován denně s výjimkou svátků a víkendů, odpovídající objem digestátu byl denně odpouštěn a pravidelně analyzován. Reaktory byly provozovány při mezofilních teplotních podmínkách (cca 40 °C). Základní informace o průběhu procesů anaerobní kofermentace jednotlivých odpadů s hovězí kejdou jsou uvedeny v tabulkách 3-5. Výsledné hodnoty uvedené v tabulkách 3-5 jsou průměrné za období kofermentace substrátu o daném poměru.

Experimenty modelové kofermentace hovězí kejdy s lapačovými tuky z výroby jedlých olejů a odpadní tukovou vodou z výroby jedlých olejů (tabulka 3 a 4) v současné době dále pokračují. Je plánováno další navýšení těchto odpadů ve vstupním substrátu ze současných 10 % obj. až na 20 % obj. Experiment modelové kofermentace hovězí kejdy s lapačovými tuky ze stravovacího zařízení (viz tabulka 5) byl již ukončen.

 
Tabulka 3: Průběh anaerobní kofermentace při postupném navyšování lapačového tuku z výroby jedlých olejů ve vstupním substrátu
 

Poznámka: HRT-teoretická hydraulická doba zdržení substrátu v reakčním prostoru, Z-objemové zatížení reaktoru organickými látkami, TS-celková sušina, VS-org.sušina, VSTS-obsah organických látek v celkové sušině, HK-hovězí kejda

Tabulka 4: Průběh anaerobní kofermentace při postupném navyšování odpadní tukové vody z výroby jedlých olejů ve vstupním substrátu

Vyhodnocení procesů a výsledky

Vyhodnocení procesu z hlediska produkce a kvality bioplynu:

V průběhu experimentů byly denně měřeny a zaznamenávány koncentrace metanu v bioplynu (% obj.), produkce bioplynu (dm3/d) a reakční teploty (°C). Jednou týdně byla ve vzorcích vstupního substrátu o daném poměru měřena celková sušina, organické sušina a pH. Na základě měřených hodnot byla (mimo jiné) vypočtena produkce metanu z kilogramu přivedených organických látek (dmN3/kgVS) při kofermentaci jednotlivých vstupních substrátů o daném složení a době zdržení v reakčním prostoru (viz graf na obr.).

Tabulka 5: Průběh anaerobní kofermentace při postupném navyšování lapačového tuku ze stravovacího zařízení ve vstupním substrátu

Ze tří testovaných odpadů bylo nejlepších výsledků jak s ohledem na průměrné denní produkce bioplynu a koncentrace metanu, tak na produkci metanu z kilogramu přivedených organických látek, dosaženo při kofermentaci lapačových tuků ze stravovacího zařízení (v poměru 90 % obj. kejda, 10 % obj. lapačový tuk). Z kofermetovaných odpadů měl lapačový tuk ze stravovacího zařízení nejvyšší obsah tuků, které jsou snadno konvertovatelné na bioplyn s vysokými měrnými výtěžky [3]. Po navýšení kofermentované dávky lapačového tuku na 20 % obj. došlo nejprve k dalšímu postupnému nárůstu denních produkcí bioplynu a koncentrací metanu. Po šedesáti dnech procesu s touto dávkou došlo k předpokládanému přetížení reaktoru organickými látkami a během následujících deseti dní kofermentace klesaly jak produkce bioplynu, tak koncentrace metanu na minimální hodnoty (experiment byl ukončen).

Vyhodnocení procesu z hlediska kvality digestátu:

Digestátem jsou nazývány zbytky po anaerobní fermentaci (či kofermentaci) na bioplynové stanici [4]. Na digestáty jsou z hlediska legislativního kladeny zejména hygienické požadavky. Jedná se o splnění procesních hygienizačních parametrů, splnění limitních hodnot rizikových prvků a indikátorových organismů. Legislativní opatření týkající se nakládání s digestáty jsou součástí několika zákonů, vyhlášek, nařízení apod.. Ve stručnosti současná legislativa nahlíží na digestát dle následujících požadavků:

Tabulka 6 uvádí výsledky analýz pravidelně odebíraných digestátů z kofermentace odpadů s vysokým obsahem tuků a olejů (vzorek 1-3 viz výše) s hovězí kejdou. Za dané období kofermentace jednotlivých odpadů v určitém poměru byly provedeny vždy tři až čtyři analýzy digestátu (tzn. celkově 9-12 analýz digestátu během jednoho experimentu kofermentace), výsledné hodnoty analýz digestátů byly zprůměrňovány a jsou pro jednotlivé experimenty uvedeny v tabulce 6. Tabulka 6 rovněž uvádí pro porovnání analýzu hovězí kejdy a digestátu jenž vznikl fermentací pouze hovězí kejdy bez přídavku dalších kosubstrátů. Čerstvá hovězí kejda pro experiment byla odebírána jedenkrát týdně z hovězí farmy, její složení se během experimentu měnilo, v tabulce 4 jsou uvedeny průměrné hodnoty pěti odebraných vzorků hovězí kejdy.

Hodnocení digestátu proběhlo zejména na základě porovnání naměřených hodnot s limitními hodnotami vyhlášky MZe č. 271/2009 Sb. [8] (aplikace digestátu jako hnojiva na zemědělské půdy) a vyhlášky MŽP č. 341/2008 Sb. [9] (aplikace na půdy nezemědělské, tzv. rekultivační digestáty). Z pohledu obou těchto vyhlášek byly překročeny limitní koncentrace mědi ve většině analyzovaných digestátů. Měď však byla obsažena ve zvýšených koncentracích již v samotné hovězí kejdě a nebyla tedy vnášena do procesu kofermentovanými odpady. Dle vyhlášky [8] musí digestáty jako organická hnojiva typu 18.1. e) obsahovat minimálně 25 % spalitelných látek a 0,6 % celkového dusíku, tyto požadavky byly pro veškeré odebrané vzorky digestátů splněny. Vyhláška [9], kromě sledování vybraných rizikových látek a prvků v digestátech, určuje také účinnosti hygienizace na základě sledování indikátorových mikroorganismů (Salmonella spp., termotolerantní koliformní bakterie, enterokoky). U většiny analyzovaných digestátů byly problematické indikátorové mikroorganismy termotolerantní koliformní bakterie a enterokoky. Rekultivační digestáty musí rovněž splňovat znaky jakosti [9], jako je maximální vlhkost 98 % hm., obsah celkového dusíku přepočteného na sušinu musí být vyšší než 0,3 % hm. a pH musí být v rozmezí 6,5 – 9,0. Veškeré analyzované vzorky digestátů splnily tyto požadavky vyhlášky [9].

Tabulka 6: Průměrné výsledky analýz odebraných vzorků digestátu (včetně hovězí kejdy)

Vzniklé digestáty nevykazovaly výraznější známky zápachu a výsledky analýz digestátů nasvědčují kvalitnímu rozkladu organických látek. Během procesu nedocházelo ke kumulaci jednotlivých nižších mastných kyselin v digestátech, které mohou při vyšších koncentracích inhibičně působit na anaerobní mikroorganismy a signalizovat přetěžování reaktoru. Významnější nárůst koncentrací kyseliny octové a propionové byl zaznamenán pouze v závěru procesu kofermentace lapačového tuku z jídelny, kdy již došlo k přetížení reaktoru organickými látkami (nízké produkce bioplynu a koncentrace metanu), což se projevilo rovněž intenzivním zápachem digestátu. Hodnoty koncentrací amoniakálního dusíku v digestátech, který je ve vyšších koncentracích toxický pro anaerobní mikroorganismy, během procesů výrazněji neklesaly ani nestoupaly. Při experimentech kofermentace lapačového tuku z výroby jedlých olejů a odpadní tukové vody z výroby jedlých olejů byly ovšem naměřené hodnoty amoniakálního dusíku v digestátech výrazně vyšší než při kofermentaci lapačového tuku z jídelny, což se pravděpodobně projevilo i zvýšenými hodnotami pH ve vzorcích těchto digestátů (optimální pH pro metanogenní bakterie 6,5 až 7,8). Obecně rovněž platí, že nárůst pH nad 7,6 může procesy inhibovat nárůstem volného amoniaku [3].

Závěr

Cílem příspěvku bylo prezentovat základní výsledky a srovnání experimentů modelové anaerobní kofermentace hovězí kejdy s odpady s vysokým obsahem tuků a olejů. Nejlepších výsledků, co se týče množství a kvality bioplynu a celkové stability procesu, bylo dosaženo při kofermentaci hovězí kejdy s lapačovým tukem ze stravovacího zařízení v množství 10 % obj. Během kofermentace vstupního substrátu o tomto složení dosáhla průměrná denní produkce bioplynu hodnoty 1010 dmN3/kg celkové sušiny o průměrném obsahu metanu 71 % obj. (produkce metanu 879 dmN3/kg přivedených organických látek). Jedná se o hodnoty vyšší než při kofermentaci běžných zemědělských či odpadních biologicky rozložitelných materiálů [1, 11, 12, 13]. Rovněž při experimentech kofermentace hovězí kejdy s lapačovými tuky z výroby jedlých olejů a s odpadní tukovou vodou z výroby jedlých olejů dosahovaly produkce bioplynu a koncentrace metanu v bioplynu příznivých hodnot. Experimenty kofermentace těchto odpadů ještě nebyly ukončeny a při jejich dalším pozvolném nárůstu ve vstupním substrátu je předpokládána rostoucí produkce kvalitního bioplynu.

Z pohledu současné legislativy využití digestátů na zemědělských či nezemědělských půdách se ukázal problematický především zvýšený obsah mědi v digestátech [8, 9] a překročení limitů indikátorových organismů účinnosti hygienizace [9]. Nadlimitní koncentrace mědi byly však dle provedených analýz zjištěny již v samotné hovězí kejdě. Měď se do kejdy dostává ze skalice modré, která se používá k dezinfekci kopyt dobytka.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl v rámci řešení a s podporou veřejné zakázky zadavatele MŽP ČR, ev. č. VaV – SP/3g4/103/07 s názvem ,,Výzkum vlastností a využití digestátu z anaerobních procesů kofermentace zemědělských a dalších, zejména obtížně využitelných organických odpadů“.

Literatura

  • [1] OBROUČKA, K. a kol.: Výzkum vlastností a využití digestátu z anaerobních procesů kofermentace zemědělských a dalších, zejména obtížně využitelných organických odpadů. Projekt VaV ev. č. SP/3g4/103/07, VŠB – TU Ostrava, Centrum environmentálních technologií, 2007 – 2010.
  • [2] DOHÁNYOS, M. a kol.: Anaerobní čistírenské technologie. NOEL 2000 s.r.o. Brno, 1998.
  • [3] STRAKA, F. a kol.: Bioplyn. Gas s.r.o., Říčany, 2003.
  • [4] VÁŇA, J.: Nakládání s digestátem rozhoduje o trvalé udržitelnosti bioplynové stanice. Sborník mezinárodní konference: Bioplyn – České Budějovice 2008., ISBN 978-801328- 167-0.
  • [5] Zákon č. 156/1998 Sb., o hnojivech, pomocných půdních látkách, pomocných rostlinných přípravcích a substrátech a o agrochemickém zkoušení zemědělských půd (zákon o hnojivech). Sbírka zákonůČR, částka 54, ročník 1998.
  • [6] Zákon č. 9/2009 Sb., kterým se mění zákon č. 156/1998 Sb., o hnojivech, pomocných půdních látkách, pomocných rostlinných přípravcích a substrátech a o agrochemickém zkoušení zemědělských půd (zákon o hnojivech), ve znění pozdějších předpisů, a další související zákony. Sbírka zákonůČR, částka 3, ročník 2009.
  • [7] Vyhláška Ministerstva zemědělství č. 474/2000 Sb. o stanovení požadavků na hnojiva, ve znění pozdějších předpisů. Sbírka zákonůČeské republiky, částka 137, ročník 2000.
  • [8] Vyhláška č. 271/2009 Sb., kterou se mění vyhláška Ministerstva zemědělství č. 474/2000 Sb., o stanovení požadavků na hnojiva, ve znění pozdějších předpisů. Sbírka zákonůČeské republiky, částka 82, ročník 2009.
  • [9] Vyhláška č. 341/2008 Sb., o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady a o změně vyhlášky č. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady, (vyhláška o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady). Sbírka zákonůČR, částka 110, ročník 2008.
  • [10] Nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1774/2002 o hygienických pravidlech pro vedlejší produkty živočišného původu, které nejsou určeny pro lidskou spotřebu.
  • [11] DROBNÝ, K. a kol.: Výzkum a vývoj nových technologií kofermentace zemědělských odpadů a dalších biogenních materiálů s cílem zvýšení energetické a ekonomické efektivnosti procesu. Projekt VaV ev. č. FI- IM4/215. VÍTKOVICE POWER ENGINEERING a.s., VŠB – TU Ostrava, Centrum environmentálních technologií. 2007 -2010.
  • [12] SLEJŠKA, A.; VÁŇA, J.: Energie z bioodpadů. ODPADY 1/2000, s.15. Dostupné na WWW: <http://stary.biom.cz/clen/as/a_odpady99.html>
  • [13] OBROUČKA, K.; KUČA, R.; MICHNOVÁ, M.: Využití problematických organických odpadů k anaerobní digesci z hlediska vlastností digestátu. WASTE FORUM 1/2010, s. 68. Dostupné na WWW: <http://www.wasteforum.cz/cisla/WF_2010.pdf>

Článek vyšel ve sborníku ODPADOVÉ FÓRUM 2010 (21. - 23. dubna 2010, Kouty nad Desnou).

Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem

Související články:

Anaerobní digesce bioodpadů v Přibyšicích u Benešova
Proč bývají některá očekávání investorů bioplynových stanic nenaplněna? Nedostatky energetických auditů a studií proveditelnosti při výstavbě bioplynových stanic.
Bez energetického využití odpadů se neobejdeme
Výzkum „suché“ anaerobní fermentace různých druhů biomasy za účelem výroby bioplynu
Posouzení možností anaerobního zpracování vybraných potravinářských odpadů a biskvitové moučky
Termické využití separátu po anaerobní fermentaci biologicky rozložitelných odpadů
Anaerobní reaktor není černou skřínkou - teoretické základy anaerobní fermentace
Anaerobní mechanicko biologická úprava
Anaerobní digesce komunálních bioodpadů
Anaerobní digesce, fermentace, stabilizace, vyhnívání či zkvašování?

Zobrazit ostatní články v kategorii Bioplyn

Datum uveřejnění: 29.11.2011
Poslední změna: 30.11.2011
Počet shlédnutí: 2944

Citace tohoto článku:
KUČA, Roman, OBROUČKA, Karel: Možnosti zpracování obtížně využitelných organických odpadů procesem anaerobní digesce. Biom.cz [online]. 2011-11-29 [cit. 2017-02-27]. Dostupné z WWW: <http://biom.cz/cz/odborne-clanky/moznosti-zpracovani-obtizne-vyuzitelnych-organickych-odpadu-procesem-anaerobni-digesce>. ISSN: 1801-2655.

Komentáře:
ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto


 
© 2001-2009, CZ Biom  -  České sdružení pro biomasu,  Opletalova 7/918, 111 44 Praha 1,   Tel.: 604 856 036,   E-mail: sekretariat@biom.cz
Webhosting/ webdesign / publikační systém TOOLKIT - Econnect
Treti ruka energieplus Česká peleta Ekologie, pasivní domy, solární energie, alternativní zdroje, zelené bydlení EnviWeb - portál pro ochranu a tvorbu životního prostředí Lesnicko-dřevařský www server Internetové energetické konzultační a poradenské středisko Portál Energetika Ekolist po drátě