Aerobní fermentace substrátu na bázi čerstvé a biozplynované travní fytomasy

Úvod

Zájem o přípravu aerobně stabilizovaných kompostů na bázi travní fytomasy je především na příměstských kompostárnách zpracovávajících odpady z veřejné zeleně. Další možnost kompostování trávy je při údržbě dotačně zatravněné orné půdy. Úsporné kompostování větších objemů trávy předpokládá správně sestavenou surovinovou skladbu a správně projektovaný technologický postup (Váňa 1997). Travní fytomasa má pro aerobní kompostování optimální chemické složení, zejména poměr uhlíku a dusíku (C : N), který se pohybuje v rozmezí 18 - 35. Nepříznivou fyzikální vlastností je nízká redukovaná objemová hmotnost trávy, která způsobuje obtížnou homogenizaci trávy s dalšími přídavky a v průběhu zrání velkou objemovou redukci zrajícího kompostu. Při nedostatečné homogenizaci trávy s dalšími přídavky vznikají ve spodních vrstvách kompostové zakládky anaerobní zóny stlačené fytomasy, kde probíhá hnití trávy, provázené zápachem. Vhodným přídavkem do surovinové skladby kompostu ke travní fytomase je ornice a to z důvodů zabezpečení vhodné mikroflóry pro aerobní proměnu, neboť travní fytomasa vhodnou mikroflóru neobsahuje (Váňa 2000). Dalším vhodným přídavkem je lignocelulózový substrát, zlepšující fyzikální vlastnosti a zabezpečující především pórovitost a přirozenou ventilaci zrajícího kompostu. Zde je možno využít dřevní štěpku, drcenou stromovou kůru, odpady z dřevozpracujících závodů nebo řezanou slámu olejnin, případně obilnin. S ohledem na široký poměr C : N těchto přídavků (80 - 100 : 1) je nezbytné k podpoře jejich proměny zabezpečit přídavek dusíku, nejlépe ve formě zvířecích fekálií.

Při aerobním kompostování travní fytomasy je však celá řada problémů, jejichž jednoznačné řešení není možno nalézti v odborné literatuře. Není dosud dostatečně popsán průběh aerobní fermentace biozplynovaného substrátu na bázi travní fytomasy. Technologie anaerobní digesce trávy, nejčastěji kofermentací se zvířecími fekáliemi s cílem získat nejen hnojivé hodnoty, ale i bioplyn, je nejen předmětem intenzivního výzkumu, ale i pilotních projektů (Váňa, Slejška 1998). Odvodněný biozplynovaný substrát na bázi travní fytomasy pokus není okamžitě použitý jako organické hnojivo má tendenci ke kysnutí, ztekucování a k růstu fytotoxicity (Váňa 2001). Proto se prezentované experimentální ověřování věnuje aerobnímu kompostování biozplynovaného substrátu ve srovnání s odpovídajícím čerstvým substrátem.

Dalším řešeným problémem je zjištění intenzifikačních opatření při kompostování travní fytomasy je aplikace mikrobiologicko enzymatických kompostových startérů a odpadů ze pracování rostlinných olejů, které významně zvyšují teploty v průběhu aerobní fermentace.

Materiál a metoda

Tato práce se zabývá experimentálním zjištěním základních charakteristik průběhu fermentace substrátů na bázi travní fytomasy v soustavě 50 litrových tepelně izolovaných kompostovacích fermentorů vzdušněných 10 l . hod^-1 ovlhčeného vzduchu o teplotě 30°C po dobu 7 týdnů.

Vsázka čerstvého substrátu do každého biofermentoru představuje 10 kg. V průběhu aerobní fermentace je měřena teplota substrátu, objem odplynu a objemový obsah CO₂ v odplynu na zařízení Infralyt IV. Ze zjištěných hodnot je vypočítána respirace CO₂ v mg na 100 g sušiny substrátu a hod. Dále je stanoven celkový úbytek sušiny a spalitelných látek za období fermentace. Na počátku zrání a po 7 týdenní fermentaci jsou stanoveny kvalitativní znaky podle ČSN 465735 "Průmyslové komposty", sušina (vlhkost) substrátu, obsah spalitelných látek a celkového dusíku v % sušiny a poměr uhlíku : dusíku (C : N) metodami popsanými v citované normě.

V průběhu zrání je stanovena stabilita substrátu pomocí biozkoušky (Reichlová, Váňa, Janovský 1996) založené za zjištění fytotoxicity vodního výluhu vzorku kompostu (výsledný extrakt obsahuje v 1 ml 20 mg sušiny). Míra fytotoxicity je měřena reakcí citlivé rostliny (řeřicha setá) a je přímým odrazem obsahu fytotoxických meziproduktů vznikajících v průběhu aerobní fermentace. Při tomto stanovení se zjišťují hodnoty indexu klíčivosti vyjádřeného v procentech kontroly, kterou je destilovaná voda. Vysoké hodnoty indexu klíčivosti jsou ukazatelem nepřítomnosti toxických meziproduktů, zejména nízkomolekulárních organických kyselin, fenolických kyselin a amonného iontu. Obsah toxických substancí je nejvyšší v hydrolytické a zároveň termofilní fázi kompostování a v průběhu dozrávání kompostu jsou tyto látky další přeměnou inaktivovány. Hodnoty indexu klíčivosti do 50% představuje nepoužitelnost kompostu pro přímou aplikaci, od 60 - 70% jde o kompost aplikovatelný s určitým rizikem poškození citlivých rostlin a při hodnotách nad 70% jde o dokonale stabilizovaný zralý kompost.

Před aerobním kompostováním byly některé substráty podrobeny anaerobní digesci v ocelových 50 l "Batch" fermentorech s pláštěm ohřívaným elektrickým proudem s nastavením teplotního režimu na 40°C. Vsázka do fermentoru o sušině 10% byla pravidelně promíchávána po dobu 60 dnů a byla zjišťována produkce bioplynu a obsah metanu v bioplynu. Po skončení anaerobní digesce byl zbioplynovaný substrát odvodněn na odstředivce a použit pro vlastní experimenty. Při anaerobní digesci substrátu na bázi travní fytomasy a kejdy prasat bylo na 1 kg sušiny vsázky získáno 164,8 l bioplynu (82,78 l metanu) a u substrátu na bázi trávy, kejdy prasat a odpadu z odslizování řepkového oleje bylo získáno na 1 kg sušiny vsázky 216,1 l bioplynu (107,91 l metanu).

Pro přípravu čerstvých kompostů a substrátů pro anaerobní digesci bylo použita krátká seč mladé parkové trávy (park VÚRV Ruzyně), pařeništní zemina (jako zdroj mikroorganismů pro aerobní kompostování), tekutý odpad z odslizování řepkového oleje (s obsahem triglyceridů a dalších olejovitých substancí), kejda prasat o sušině 11% a kůrodřevní hmota z papírensko - celulózářského kombinátu ve Štětí upravená na max. zrnitost 40 mm.

Ve dvou kombinacích čerstvého kompostu byl aplikován kompostový starter Oxygenator (firma Sannitree Mizenbug, South Africa). Na základě certifikace tento produkt obsahoval v 1 g 0,68 x 109 aerobních mikroorganismů a 0,07 x 109 anaerobních mikroorganismů (celkem 12 druhů mikroorganismů). Dále tento produkt obsahoval amylázy, proteázy a lipázy. Na 10 kg čerstvého kompostu byl aplikován 1 g preparátu aktivovaného ve vlažné vody po dobu 30 minut.

A aerobních kompostovacích biofermentorech bylo sledováno 6 substrátových variant se surovinovou skladbou uvedenou v tab. č 1 (v % hmotnosti).

Tabulka č. 1

Výsledky a diskuse

Teploty v průběhu zrání sledovaných variant (tab. č. 2) jsou ukazatelem intenzity aerobní přeměny organických látek v průběhu kompostování. Z průměrné teploty za 7 týdenní fermentaci a z dosažených maximálních teplot vyplývá, že čerstvé substráty (var. č. 1,2,5) zrají intenzivněji než substráty zbioplynované. V závěrečné fázi fermentace nastal pokles teploty substrátu na teplotu okolního prostředí u všech variant s výjimkou varianty č. 5, kde přeměna není ve sledovaném intervalu ještě ukončena a kompost není dostatečně stabilizován. Aplikovaný kompostový startér nezvýšil průměrnou teplotu v průběhu kompostování, ale ovlivnil významně dosažené teplotní maximum (u varianty č. 2 : 57°C, u var. č. 4 : 52°C) a výrazně zkrátil dobu dosažení maximálních teplot o 4 - 6 dnů. Z hlediska teplotního průběhu je průměrnou teplotou 39,56°C a dosaženým maximem 54°C překvapivá varianta č. 5. Zvýšení teplot je důsledkem aplikace odpadů z rostlinného oleje. Kompostování těchto odpadů není ostatními autory doporučováno (Wiemer et al. 1996; Frösch, Schmid, Steiger 1995; Kehres 1994) a tyto odpady jsou předurčeny pro zpracování anaerobní digescí. Z dosažených výsledků je patrné, že odpady ze zpracování rostlinných olejů působí ve vhodně zvolené surovinové skladbě jako akcelerátor fermentace.

Tabulka č. 2.

Teplota v průběhu zrání a další teplotní charakteristiky u sledovaných variant ve °C.

Respirace CO₂ v průběhu zrání uvedená v mg /100 g/suš./hod. (tab. č. 3) dosahuje nejvyšších hodnot v mineralizační termofilní fázi v průběhu dozrávání, klesá na minimum. Výrazně vyšších průměrných hodnot (48,81 - 64,80 mg) za celé období zrání dosahuje u variant č. 5 a 6 s podílem odpadu z odslizování oleje. Rozdíly mezi variantami s aerobní fermentací čerstvých a biozplynovaných substrátů nejsou za celé období fermentace dostatečně výrazné. Aplikace preparátu u kombinací č. 2 a 4 mírně zvýšila celkovou respiraci a výrazně zvýšila respiraci v prvním a druhém týdnu zrání.

Tabulka č. 3.

Průměrná respirace CO₂ (v mg/100 g sušiny/hod.) v průběhu zrání sledovaných variant.

Zjištěný úbytek hmotnosti sušiny v g (tab. č. 4) velmi těsně u jednotlivých variant koreluje s průměrnou respirací CO₂ v mg (1000 g suš.(hod. Nejvyššího úbytku sušiny bylo dosaženo u varianty č. 5, kde fermentační proces probíhal nejintenzivněji. Rovněž aplikace preparátu u kombinací číslo 2 a 4 mírně zvýšila váhový úbytek ve srovnání s kombinacemi č. 1 a 3. Ze sledovaných jakostních znaků na začátku na konci zrání vyplývá, že nedošlo ke ztrátám dusíku. Obsah dusíku a fosforu v % sušiny v průběhu zrání mírně stoupají hodnoty poměru C : N klesají.

Tabulka č. 4.

Sledované jakostní znaky a další charakteristiky substrátů na počátku a po 7 týdnech aerobní fermentace.

Zjištěné hodnoty indexu klíčivosti (tab. č. 5) jako ukazatele stability (zralosti) substrátu u jednotlivých variant negativně korelují s průměrnou týdenní teplotou. Nejnižší hodnoty jsou dosahovány v prvních 14 dnech zrání s výjimkou varianty č. 5, kde se nejvíce fytotoxických meziproduktů vytváří až ve 3. týdnu, kdy u této korelace nastává teplotní maximum.

Z hodnot indexu klíčivosti dosažených v závěru experimentu (68,3 - 75,6%) a z poklesu teplot substrátu je možno konstatovat ukončení přeměny organických látek a uspokojivou zralost kompostu z travní fytomasy. Výjimkou je varianta č. 5 s hodnotou 63,8%, kterou není možno po 7 týdenní fermentaci považovat za zralou a u které přeměna organických látek pokračuje.

Tabulka č. 5

Index klíčivosti v % v průběhu aerobní fermentace.

Mírné zvýšení stupně zralosti kompostu nastává i po aplikaci preparátu ve srovnání s kontrolními kombinacemi.

Stanovením průběhu aerobní fermentace a zjištěním vývoje stability organických látek v jejím průběhu u 6 variant modelového pokusu v biofermentorech byla zjištěna možnost a účelnost kompostování biozplynovaných substrátů. Při aerobním kompostování těchto produktů byly při účelně zvolené surovinové skladbě dosahovány sanitární teploty a proběhla další přeměna organických látek směřující k vyšší agronomické účinnosti kompostu. Tato zjištění jsou v souladu s výzkumy dalších autorů (Gottschall, Biala, Vogtmann 1995, Kern, Spricht 1994) zabývajícími se aerobním kompostováním zbioplynovaných komunálních odpadů. V oblasti kompostování zbioplynované travní fytomasy jde o výsledky originální.

V modelovém pokusu s kompostováním travní fytomasy se jako intenzifikační prostředek pozitivně projevil mikrobiologicko - enzymatický kompostovací preparát, který urychlil zrání zejména jak u čerstvých, tak i zbioplynovaných substrátů. Zjištění o pozitivním účinku odpadu z odslizování řepkového oleje na intenzitu aerobní fermentace může mít praktický význam s ohledem na využití tohoto odpadu.

Literatura:

1. GOTTSCHALL, R., BIALA, J., VOGTMANN, H.(1995): Garten-bauliche Verwertung von kompstierten Hydrolyserest aus Bioabfall. Müll & Abfall, 12/95.
2. KEHRES, B. (1994): Kompost und Stoffkreislauf, Verwertungspotentional und Verwertung organischer Rückstände in der Landwirtschaft. In: Bodenschutz und Kompost. Bodenökologische Arbeitsgemeinschaft Brement e V. (Hrsg.). Bremen.
3. KERN, M., SPRICK, W. (1994): Neuere Ergebnisse zur aeroben Abfallvehandlung. In: Verwertung biologische Abfälle. K. Wiemer, M. Kern (Hrsg.), M.I.C. Baeze-Verlag, Witzenhausen.
4. REICHLOVÁ, E., VÁŇA, J., JANOVSKÝ, J. (1996): Evaluation of Compost Maturity Tests. In: Plant Production, vol. 42, No.2
5. TRÖSCHm W., SCHMID-STAIGER, U. (1995): Mechanismus des Feststoffabbaus unter anaeroben Bedingungen. In: Biologische Abfallbehandlung II, K. Wemer, M. Kern (Hrst.), M.I.C. Baeza-Verlag, Witzenhausen.
6. VÁŇA, J. (1997): Výroba a využití kompostů v zemědělství. Vydal Institut výchovy a vzdělávání MZe ČR, 38 str. ISBN 80-7105-144-6
7. VÁŇA, J. (2000): Composting of grass phytomass. In: Sborník z konference Technika a technologie pro nepotravinářské využití půdy a její udržování v klidu, TechAgro Brno, ISBN: 80-213-0619-X.
8. VÁŇA, J. (2001): Zpracování biomasy travních a rákosovitých porostů na bioplyn a organické hnojivo. Závěrečná zpráva VÚRV Praha.
9. VÁŇA, J., SLEJŠKA, A. (1998): Phytomass for Biogas. Studijní informace, vyd. ÚZPI Praha, 40 str.
10. WEIMER K., KERN, M., MARKUS, M. (1997): Im Auftrag des Ministeriums für Umwelt und Verkeht Baden - Württemberg. In: Luft, Boden, Abfall, No. 45.

Tweet

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?