Posouzení možností anaerobního zpracování vybraných potravinářských odpadů a biskvitové moučky

1 Úvod

Centrum environmentálních technologií VŠB-TU Ostrava ve spolupráci s firmou VÍTKOVICE POWER ENGINEERING, a.s. řešilo v letech 2007 až 2010 projekt získaný ve veřejné soutěži IMPULS vyhlášené Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR.

Projekt s evidenčním číslem FI-IM4/215 byl zaměřen na výzkum a vývoj nových technologií kofermentace zemědělských odpadů a dalších biogenních materiálů s cílem zvýšení energetické a ekonomické efektivnosti procesu.^[1] V první etapě projektu byla provedena modelová anaerobní kofermentace hovězí kejdy s řadou organických kosubstrátů (biologicky rozložitelných odpadů a záměrně pěstovanou biomasou) s cílem získání poznatků o vlivu jejich přídavku na produkci bioplynu respektive metanu. Přitom byly sledovány vlastnosti a složení digestátu s cílem zjistit, zda přídavky kosubstrátu zvyšují problematičnost využití digestátu ke hnojení zemědělských pozemků případně pro jiné způsoby využití. V tomto příspěvku je diskutována modelová anaerobní kofermentace hovězí kejdy se třemi různými bioodpady z potravinářského průmyslu (z výroby cukrovinek). Hovězí kejda byla kofermentována jednak se směsným odpadním těstem (dále jen těsto), se směsnou odpadní oplatkovou hmotou (dále jen oplatky), a s krmnou biskvitovou moučkou (produkt vyrobený přepracováním zkrmitelných bioodpadů z výroby cukrovinek). Všechny tři testované kosubstráty byly získány z firmy CERVUS, s.r.o. Olomouc, která se zabývá zpracováním potravinářských odpadů především z cukrářských výrob na biskvitovou moučku (obchodní název EKPO). Původce bioodpadů (firma Opavia - LU, s.r.o. Opava) zařadil tyto odpady pod katalogové číslo 020601 (Suroviny nevhodné ke spotřebě nebo zpracování).

V současné době obě zmíněné firmy hledají nové možnosti využití biologicky rozložitelných odpadů kromě dosud uplatňovaného kompostování či pouhého ukládání na skládky. Odpadních těst a oplatkové hmoty podobného charakteru v ČR vzniká měsíčně několik set tun. Značná část je spolu s odpadní čokoládovou hmotou používána pro výroby biskvitové moučky (cenné aditivum do krmných směsí pro dobytek).

Biskvitová moučka je materiál s vysokým obsahem anaerobně snadno rozložitelných látek (škroby, jednoduché sacharidy, lipidy, proteiny) a minimálním obsahem anaerobně nerozložitelné vlákniny. Anaerobní digesce mokrou cestou se zde jeví jako perspektivní způsob využití. V tabulce 1 je uvedeno složení použité hovězí kejdy, jednotlivých kosubstrátů a modelových vstupních směsí.

Poznámka: Byl analyzován omezený počet vzorků jednotlivých vstupních směsí (1 až 2 vzorky). U hovězí kejdy se jedná o průměrné hodnoty zjištěné za celou dobu výzkumného projektu (3 roky). Je uveden poměr celkových obsahů prvků C, N, P.

2 Metodika

Experimentální práce byly realizovány na několika kontinuálních modelových anaerobních fermentorech o shodném reakčním objemu 60 dm³. Kontinuální testy byly vedeny po dobu několika měsíců. Fermentační teplota byla zvolena v mezofilní oblasti (40 °C + 3 °C). Jako základní substrát (zároveň inokulum pro zapracování fermentoru) byla zvolena hovězí kejda o průměrném obsahu celkové sušiny 8 % hm., průměrném obsahu organických látek v sušině 80 % hm., CHSK_Cr 80000 mg.dm^-3, pH 7,2. Tato kejda je materiál dlouhodobě úspěšně využívaný jako nosný substrát v referenční zemědělské bioplynové stanici firmy VÍTKOVICE POWER ENGINEERING, a.s. v Pustějově. ^[1]

Každý modelový fermentor byl kontinuálně pomaloběžně míchán, pravidelně denně (s výjimkou víkendů a státních svátků) doplňován čerstvou dávkou vstupní směsi (nejprve dávkou hovězí kejdy, poté postupně dávkou kejdy s 10% respektive 20% obsahem kosubstrátu). Odpovídající objem digestátu byl denně odpouštěn a pravidelně analyzován. Podrobně byla sledována především produkce bioplynu a jeho složení (obsah metanu, oxidu uhličitého, sulfanu, kyslíku). Analýza složení bioplynu byla denně prováděna přenosným analyzátorem BINDER COMBIMASS Ga-m1 s infračerveným senzorem pro měření obsahu CH₄ (0 až 100 % obj.), CO₂ (0 až 100 % obj.), elektrochemickým senzorem pro měření obsahu O₂ (0 až 25 % obj.) a H₂S (0 až 0,5 % obj.). Vypočteny byly měrné produkce bioplynu respektive metanu ^[2].

Podíl kosubstrátu (odpadního těsta, oplatkové hmoty respektive biskvitové moučky) ve vstupní směsi byl zvolen 10 % hm. (zatížení fermentoru v rozmezí 1,36 až 1,56 kg_VS.dm^-3.d^-1) a poté 20 % hm. (zatížení fermentoru se lišilo v rozmezí 1,70 až 2,17 kg_VS.dm^-3.d^-1). Digestáty byly odpouštěny rovněž denně a pravidelně testovány na obsah celkové sušiny, obsah organických látek, obsah celkového organického uhlíku, obsah celkového, amoniakálního a dusičnanového dusíku, těžké kovy, nižší mastné kyseliny. Také byly provedeny mikrobiologické rozbory, viz tabulka 5.

3 Výsledky jejich diskuze

A) Kofermentace hovězí kejdy a odpadního těsta

Po přibližně čtrnáctidenním zapracování modelu na hovězí kejdu byla dávkována vstupní směs 90 % hm. hovězí kejdy a 10 % hm. odpadního těsta (období a).

Vstupní směs o průměrné celkové sušině 13 % hm. a přibližné měrné hmotnosti 1020 kg.m^-3 byla dávkována po dobu 41 dnů. Při průměrném zatížení fermentoru organickými látkami 1,355 kg_VS.m^-3.d^-1 a průměrné hydraulické době zdržení 90 d bylo produkováno 73 dm_N³.d^-1 bioplynu, respektive 44 dm_N³.d-1 metanu. Produkce metanu vztažená na jednotku objemu reaktoru (intenzita produkce metanu) byla průměrně 0,731 m_N³.m^-3.d^-1. Produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku přivedených organických látek vyšla průměrně 0,539 m_N³.kg_VSo^-1 a produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku odstraněných organických látek vyšla průměrně 0,723 m_N³.kg_VSp^-1. Rozdíl obsahu organických látek ve vstupní směsi a v digestátu byl v tomto období zjištěn průměrně 8,8 % hm. vzorku, z čehož vychází účinnost odstranění organických látek anaerobním procesem 75 %.

Následně byla po dobu 84 dnů (období b) kofermentována vstupní směs 80 % hm. hovězí kejdy a 20 % hm. odpadního těsta. Směs měla průměrnou sušinu 17,3 % hm. a měrnou hmotnost 1026 kg.m^-3. Při průměrném zatížení fermentoru organickými látkami 1,703 kg_VS.m^-3.d^-1 a průměrné době zdržení 95 d bylo produkováno 84 dm_N³.d^-1 bioplynu, respektive 49 dm_N³.d^-1 metanu. Produkce metanu vztažená na jednotku objemu reaktoru byla průměrně 0,822 m_N³.m^-3.d^-1. Produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku přivedených organických látek vyšla průměrně 0,483 m_N³.kg_VSp^-1 a produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku odstraněných organických látek vyšla průměrně 0,616 m_N³.kg_VSo^-1. Rozdíl obsahu organických látek ve vstupní směsi a v digestátu byl v tomto období zjištěn průměrně 12,4 % hm. vzorku, z čehož vychází účinnost odstranění organických látek anaerobním procesem 78 %. Průměrné hodnoty naměřených a vypočtených parametrů za jednotlivá kofermentační období jsou uvedeny v tabulce 2. Graficky je průběh znázorněn v grafu na obrázku 1.

B) Kofermentace hovězí kejdy a odpadní oplatkové hmoty

Po přibližně čtrnáctidenním zapracování modelu na hovězí kejdu byla dávkována vstupní směs 90 % hm. hovězí kejdy a 10 % hm. oplatků (období a). Vstupní směs o průměrné sušině 14,4 % hm. a měrné hmotnosti 1020 kg.m^-3 byla dávkována 36 dnů. Při průměrném zatížení fermentoru organickými látkami 1,562 kg_VS.m^-3.d^-1 a průměrné době zdržení 86 d bylo produkováno 74 dm_N³.d^-1 bioplynu, respektive 43 dm_N³.d^-1 metanu. Produkce metanu vztažená na jednotku objemu reaktoru byla průměrně 0,716 m_N³.m^-3.d^-1. Produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku přivedených organických látek vyšla průměrně 0,458 m_N³.kg_VSp^-1 a produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku odstraněných organických látek vyšla průměrně 0,607 m_N³.kg_VSo^-1.

Rozdíl obsahu organických látek ve vstupní směsi a v digestátu byl v tomto období zjištěn průměrně 10,0 % hm. vzorku, z čehož vychází účinnost odstranění organických látek anaerobním procesem 76 %.

Vstupní směs 80 % hm. hovězí kejdy a 20 % hm. oplatků (období b) o průměrné sušině 19,1 % hm. a měrné hmotnosti 1025 kg.m^-3 byla dávkována 84 dnů. Při průměrném zatížení fermentoru organickými látkami 1,897 kg_VS.m^-3.d^-1 a průměrné době zdržení 95 d bylo produkováno 73 dm_N³.d^-1 bioplynu, respektive 43 dm_N³.d^-1 metanu. Produkce metanu vztažená na jednotku objemu reaktoru byla průměrně 0,722 m_N³.m^-3.d^-1. Produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku přivedených organických látek vyšla průměrně 0,380 m_N³.kg_VSp^-1 a produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku odstraněných organických látek vyšla průměrně 0,490 m_N³.kg_VSo^-1.

Rozdíl obsahu organických látek ve vstupní směsi a v digestátu byl v tomto období zjištěn průměrně 13,8 % hm. vzorku, z čehož vychází účinnost odstranění organických látek anaerobním procesem 78 %. Průměrné hodnoty naměřených a vypočtených parametrů za jednotlivá kofermentační období jsou uvedeny v tabulce 3. Graficky je průběh znázorněn v grafu na obrázku 2.

C) Kofermentace hovězí kejdy a biskvitové moučky

Po přibližně čtrnáctidenním zapracování modelu na hovězí kejdu byla dávkována vstupní směs 90 % hm. hovězí kejdy a 10 % hm. biskvitové moučky (období a). Vstupní směs o průměrné sušině 12,6 % hm. a měrné hmotnosti 1031 kg.m^-3 byla dávkována 42 dnů. Při průměrném zatížení fermentoru organickými látkami 1,309 kg_VS.m^-3.d^-1 a průměrné době zdržení 87 d bylo produkováno 53 dm_N³.d^-1 bioplynu, respektive 31 dm_N³.d^-1 metanu. Produkce metanu vztažená na jednotku objemu reaktoru byla průměrně 0,523 m_N³.m^-3.d^-1. Produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku přivedených organických látek vyšla průměrně 0,399 mN3.kgVSp-1 a produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku odstraněných organických látek vyšla průměrně 0,555 m_N³.kg_VSo^-1. Rozdíl obsahu organických látek ve vstupní směsi a v digestátu byl v tomto období zjištěn průměrně 7,9 % hm. vzorku, z čehož vychází účinnost odstranění organických látek anaerobním procesem 72 %.

Vstupní směs 80 % hm. hovězí kejdy a 20 % hm. biskvitové moučky (období b) o průměrné sušině 21,6 % hm. a měrné hmotnosti 1057 kg.m^-3 byla dávkována 84 dnů. Při průměrném zatížení fermentoru organickými látkami 2,168 kg_VS.m^-3.d^-1 a průměrné době zdržení 95 d bylo produkováno 77 dm_N³.d^-1 bioplynu, respektive 45 dm_N³.d^-1 metanu. Produkce metanu vztažená na jednotku objemu reaktoru byla průměrně 0,750 m_N³.m^-3.d^-1. Produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku přivedených organických látek vyšla průměrně 0,346 m_N³.kg_VSp^-1 a produkce metanu vztažená na hmotnostní jednotku odstraněných organických látek vyšla průměrně 0,449 m_N³.kg_VSo^-1.

Rozdíl obsahu organických látek ve vstupní směsi a v digestátu byl v tomto období zjištěn průměrně 15,0 % hm. vzorku, z čehož vychází účinnost odstranění organických látek anaerobním procesem 77 %. Průměrné hodnoty naměřených a vypočtených parametrů za jednotlivá kofermentační období jsou uvedeny v tabulce 4. Graficky je průběh znázorněn v grafu na obrázku 3.

Autoři Ranade a kol. ^[3] uvádějí pro směsný odpad z produkce oplatků a čokolády produkci bioplynu pouze 0,466 m³.kg^-1 (na kilogram odpadu). Této produkce dosáhli při modelové zkoušce s dobou zdržení substrátu 40 d a obsahem celkové sušiny na vstupu 10 % hm. Při době zdržení 30 d zaznamenali okyselování, nadměrnou kumulaci nižších mastných kyselin (přetížení fermentoru).

Parametry modelových digestátů

V tabulce 5 jsou uvedeny výsledky analýz odebraných vzorků digestátů. Dle vyhlášky MZe č. 271/2009 Sb. ^[4] všechny digestáty nesplňovaly limitní hodnoty pro měď, jelikož měď již byla obsažena ve zvýšených koncentracích v samotné hovězí kejdě. Kumulace mědi v kejdě byla způsobená používáním skalice modré při dezinfekci kopyt dobytka. Koncentrace ostatních rizikových prvků (těžké kovy) naměřených v digestátech nepřekročily limitní hodnoty určené vyhláškou. Všechny vzorky digestátů obsahovaly více než 25 % spalitelných látek v sušině a více než 0,6 % celkového dusíku v sušině, lze je tedy považovat za hodnotná organická hnojiva.

Dále bylo provedeno porovnání výsledků rozborů modelových digestátů s legislativními požadavky na digestáty z bioodpadů používané mimo zemědělskou půdu (dle vyhlášky MŽP č. 341/2008 Sb., příloha č. 5, tabulka 5.1) ^[5]. Z porovnání naměřených hodnot s limitními hodnotami koncentrací vybraných rizikových prvků a látek vyplývá, že problematickým ukazatelem je měď. Kritéria pro kontrolu účinnosti hygienizace sledováním indikátorových mikroorganismů nesplnil digestát s 20 % odpadního těsta, odpadních oplatků, a biskvitové moučky. Při 10 % kosubstrátu digestáty vyhověly. Každý analyzovaný vzorek digestátu splnil znaky jakosti rekultivačního digestátu (tzn. vlhkost max. 98 % hm., celkový dusík min. 0,3 % hm. a pH v rozmezí 6,5-9,0). V případě použití hovězí kejdy z jiného zdroje by měď nemusela být problematickým parametrem.

Závěr

Cílem experimentů bylo posouzení možností využití odpadního těsta, odpadní oplatkové hmoty a biskvitové moučky k výrobě bioplynu. Na základě výsledků provedených kontinuálních kofermentačních testů při teplotě 40 °C lze formulovat tyto závěry:

• Odpadní těsto, odpadní oplatková hmota i biskvitová moučka jsou spolu s hovězí kejdou velmi dobře rozložitelné jednostupňovým anaerobním procesem při zatížení fermentoru v rozmezí 1,3 až 2,1 kg_VS.m^-3.d^-1, při době zdržení 85 až 90 dnů. Za těchto podmínek je obsah organických látek vstupní směsi snížen o průměrně 75 %.
• Nejvyšší denní produkce bioplynu bylo dosaženo při kofermentaci hovězí kejdy s 20 % hm. odpadního těsta (o 290 % více než při fermentaci samotné hovězí kejdy). Naopak nejnižší denní produkce bioplynu byla naměřena při kofermentaci hovězí kejdy s 10 % biskvitové moučky EKPO (pouze o 183 % více než při fermentaci kejdy). Ve shodném smyslu se projevily tyto směsi i při hodnocení parametrem denní produkce metanu na objemovou jednotku reakčního prostoru (u směsi s 20 % odpadního těsta až 0,82 m_N³.m^-3.d^-1).
• Měrná produkce metanu vzhledem k hmotnostní jednotce přivedených organických látek při všech třech modelových kofermentacích mírně klesla po zvýšení podílu kosubstrátu z 10 % na 20 %. Rozhodně lze ale očekávat produkci metanu okolo 0,4 m³.kg_VSp^-1.
• Rozbory vzorků modelových digestátů naznačují, že v případě všech tří testovaných kosubstrátů digestáty bude možno použít k rekultivačním účelům. Zápach digestátu z kofermentace biskvitové moučky se subjektivně jevil jako výrazně slabší než v případě digestátu z modelové kofermentace moučky masokostní.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl v rámci řešení projektu VaV v programu MPO IMPULS ev. č. FI- IM4/215 „Výzkum a vývoj nových technologií kofermentace zemědělských odpadů a dalších biogenních materiálů s cílem zvýšení energetické a ekonomické efektivnosti procesu“. Řešeno Centrem environmentálních technologií VŠB – TU Ostrava ve spolupráci s firmou VÍTKOVICE POWER ENGINEERING a.s.

Literatura

• [1] Obroučka K. a kol: Závěrečná zpráva o řešení veřejné zakázky v programu IMPULS ev. č. FI-IM4/215 u spolupříjemce VŠB – TU Ostrava. „Výzkum a vývoj nových technologií kofermentace zemědělských odpadů a dalších biogenních materiálů s cílem zvýšení energetické a ekonomické efektivnosti procesu“. Centrum environmentálních technologií VŠB-TUO, Ostrava leden 2010.
• [2] Straka F.: Hodnocení bioplynových stanic. Sborník konference „Výstavba a provoz bioplynových stanic“. Construction and operation of biogas plants. 9 - 10. října 2008, Třeboň. ISBN-978-80-254-2827-6.
• [3] Ranade D.R., Yeole T.Y., Meher K.K., Gadre R.V., Godbole S.H.: Biogas from solid waste originated during biscuit and chocolate production. Biological Wastes, vol 28. Issue 2, 1989, pages 157 -161.
• [4] 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 zákonů České republiky, částka 82, ročník 2009.
• [5] 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 biologicky rozložitelnými odpady). Sbírka zákonů České republiky, částka 110, ročník 2008.

Příloha: Z důvodu lepší vizualizace tabulek přikládáme celý text (doc).

Situace trhu s lesní štěpkou

Bioplynové stanice – možnosti využití tepla

Podpora tepla z biomasy a bioplynu

Legislativa pro energetické rostliny a RRD

Biomasa & Energetika 2011