Suchá fermentace zemědělských a komunálních organických materiálů

Článek je převzat ze sborníku z mezinárodní vědecké konference "Zemědělská a zahradnická technika z hlediska environmentální politiky státu", která se konala 29.-30. května 2003 v Lednici.

Abstract

Dry anaerobic fermentation of wet organic materials has in the Czech Republic long-lasting tradition. First experiments ware carried-out in VUZT Prague with straw farmyard manure in 1956. Currently the subject of experimental research of dry anaerobic fermentation of blended organic materials of agricultural and municipal origin, mainly excrements from livestock breeding, phytomass, organic share of municipal waste and industrial organic waste. The laboratory experiments results are utilized for construction parameters proposals of fermentation units.
Key words: dry anaerobic fermentation, biogas, wet organic materials

Abstrakt

Suchá anaerobní fermentace vlhkých organických materiálů má v českých zemích svoji tradici. První experimenty ve VÚZT Praha s anaerobní fermentací slamnaté chlévské mrvy byly provedeny v roce 1956. V současné době je předmětem experimentů výzkum suché anaerobní fermentace směsných organických materiálů zemědělského a komunálního původu, především exkrementů z chovů hospodářských zvířat, fytomasy, organického podílu komunálních odpadů a průmyslových organických odpadů. Výsledky laboratorních experimentů jsou využívány pro návrhy konstrukčních parametrů fermentačních jednotek.
Klíčová slova: suchá anaerobní fermentace, bioplyn, vlhké organické materiály

Úvod

Vlhkých organických materiálů zemědělského a komunálního původu deklarovaných jako vedlejší produkt nebo odpad stále přibývá. Tím vzniká problém jak tyto produkty resp. odpady efektivně využít, když jejich skládkování je postupně omezováno. Ve VÚZT Praha byl již v roce 1956 a s časovým odstupem realizován systém suché anaerobní fermentace slamnaté chlévské mrvy ve fermentačních jednotkách sestávajících z fermentačních košů a krycích tepelně izolovaných zvonů. Mimořádně se osvědčil technologický proces rozdělený do tří etap: aerobní fermentace s intenzívním samoohřevem materiálu, suchá anaerobní fermentace v mezofilním teplotním režimu, aerobní fermentace na hromadách (kompostování).

V zahraničí byly v poslední době odzkoušeny se střídavými úspěchy různé kontinuální i diskontinuální systémy na anaerobní suchou fermentaci materiálů s obsahem sušiny vyšším než 15 %. Jedná se například o kontinuální systémy DRANCO (Belgie), KOMPOGAS (Švýcarsko), ANACOM (Švýcarsko), VALORGA (Francie) atd. Mezi diskontinuální systémy se řadí fermentační jednotky z betonových van, foliových rukávců, kontejnerové fermentační jednotky, garážové fermentační jednotky a další.

Některé systémy umožňují ohřev materiálu ve fermentační jednotce, případně odčerpání perkolátu a zpětné zkrápění fermentovaného materiálu.

Další problém, na který se výzkum zaměřuje, je příprava materiálu před vstupem do fermentoru, hledání optimálních směsí různých materiálů i možností zpracovávat fytomasu. Na tyto problémy jsou zaměřeny i výzkumné práce ve VÚZT Praha.

Popis experimentálního zařízení

Na pracovišti VÚZT bylo realizováno experimentální zařízení pro zjišťování optimálních parametrů anaerobních metanogenních procesů. Jedná se o nádrž s temperovaným vodním prostředím umožňujícím porovnávací měření produkce bioplynu z malých objemů. V temperovaném prostředí je možno umístit 6 nádržek s objemem po 3 l. Z každé nádržky je pryžovou hadicí odváděn vznikající bioplyn do vodního plynojemu sestávajícího ze šesti sekcí. Každá sekce má objem rovněž 3 l. Celkový pohled na vodní lázeň fermentorů s vedle umístěnými plynojemy je uveden na obr. 1. Na obr. 2 je uvedeno schéma plynojemu.

Pro analýzu bioplynu je k dispozici měřící přístroj AIR LF firmy ASEKO s.r.o., obr. 3. Jedná se o přenosný analyzátor plynů s rozsahy měření dle tabulky 1.

Experimentální výsledky

Byla založena sada pokusů s anaerobní fermentací směsi kejdy s trávou, chrasticí rákosovitou a kostřavou rákosovitou. Výsledky produkce bioplynu přepočtené na kg sušiny uvádíme v grafech na obrázcích 4, 5, 6, 7.

Z výsledků experimentů v maloobjemovém zařízení je možno konstatovat následující. Kofermentace čerstvých hovězích exkrementů s fytomasou a to ve formě trávy i konzervované píce vede k zastavení metanogeneze v důsledku extremního snížení hodnoty pH. Již množství fytomasy přes 20 % a to v čerstvé formě i ve formě sena či senáže vede k zastavení reakce.

Překyselení reakce je možno zabránit přidáním zásadité látky (Ca(OH)₂), nebo recyklovaného substrátu do metanogenní směsi. Směs s aditivem Ca(OH)₂ má oproti aditivu s vyhnilým substrátem nižší produkci bioplynu v začátku procesu, v dalším průběhu se však produkce vyrovnává. Nejvyšší produkce se dosahuje při kombinaci aditiv Ca(OH)₂ + recyklovaný substrát. Toto platí pro kofermentační směs s čerstvou trávou. U směsi se senem nedochází ke stabilizaci metanogenní reakce ani po přidání Ca(OH)₂, ani vyhnilého substrátu. Toto bylo ověřeno při stejných množstvích aditiv jako u kofermentační směsi s trávou. Zdá se proto, že seno je pro kofermentační zpracování méně vhodné. Přesto však přidání recyklovaného substrátu prodlužuje dobu produkce bioplynu. Je zřejmé, že pro stabilizaci reakce je nutno snížit poměr sena ve směsi, příp. zvýšit množství vyhnilého substrátu. Většinou je třeba aditivovat směs zásaditou látkou spolu s vyhnilým kalem.

Při sledování kvality bioplynu, tj. množství metanu, je zřejmá korelace se stabilizovaným průběhem. Ve všech případech, kdy metanogeneze probíhala dostatečně dlouhou dobu, tedy kdy nedošlo ke snížení hodnot pH a k jejímu zastavení, dosahoval obsah metanu ve vznikajícím bioplynu až 60 %. Při uvážení značného množství vodní páry tato hodnota překračuje udávaný poměr 60 % metanu v suchém bioplynu. Toto je případ, kdy do kofermentační směsi byl přidán vápenný hydrát (Ca(OH)₂), recyklovaný substrát a obě složky biomasy (exkrementy a zelená fytomasa).

Literatura

1. KOLEKTIV AUTORŮ: Biogas, Strom aus Gülle und Biomasse. Topagrar Fachbuch, Landwirtschaftsverlag GmbH Münster - Hiltrup - ISBN: 3-7843-3174-2, 2002
2. PASTOREK, Z.: Obnovitelné zdroje energie - kapitola 10. Využití biomasy k energetickým účelům. FCC Public Praha (2. rozšířené vydání) 2001, s. 139 - 161

Obr. 2: Schéma vodního plynojemu pro jímání metanu (1 sekce)
Obr. 3: Analyzátor plynů AIR LF
Obr. 4: Seno + kejda 5 % sušiny, produkce bioplynu na kg sušiny
Obr. 5: Tráva + kejda přepočet produkce bioplynu na kg sušiny
Obr. 6: Chrastice + kejda přepočet produkce bioplynu na kg sušiny
Obr. 7: Kostřava + kejda přepočet produkce bioplynu na kg sušiny

Tweet

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?

Jak získat udržitelnou biomasu