Produkce bioplynu z průmyslových odpadních vod

Úvod

Charakteristickým rysem průmyslových odpadních vod je vysoká koncentrace organického znečištění a často vyšší teplota, což jsou dva parametry, které velmi zvýhodňují použití anaerobní technologie pro čištění takových vod.

Organické znečištění odpadních vod v sobě nese energii, která je při jejich čištění nějakým způsobem transformována. Mimořádnou předností anaerobního čištění odpadních vod je, že zhruba 90 % této energie se přeměňuje na bioplyn. Z tohoto energetického pohledu mají anaerobní technologie výsadní postavení mezi čistírenskými procesy, protože jsou schopné produkovat energii. Srovnání energetické bilance aerobního a anaerobního čištění odpadních vod prezentuje tabulka 1.

Tabulka 1 - Porovnání bilance energie při aerobních a anaerobních procesech (Dohányos a kol. 1998)

Od organického znečištění odpadních vod k bioplynu vedou dvě cesty běžně používané na čistírnách odpadních vod. Schematicky jsou oba postupy znázorněny na obrázku 1.

Obr. 1: Možnosti transformace organického znečištění odpadních vod na bioplyn

Rozdíl mezi oběma načrtnutými způsoby je ovšem ve výtěžnosti bioplynu. Jak vyplývá z předchozích údajů, při přímém anaerobním čištění lze je účinnost transformace organických látek do bioplynu až 90 % (reálně 50-80 %), při druhé variantě, tedy přes aerobní biomasu a její anaerobní stabilizaci až 60 % (reálně 20 - 40 %). Tato varianta se využívá zejména pro splaškové vody, obecně pro vody s nízkou koncentrací organického znečištění (tj. méně než cca 1000 mg/l BSK₅). U odpadních vod, které mají koncentraci vyšší je zpravidla výhodnější přímé anaerobní zpracování.

Kvalita bioplynu produkovaného z průmyslových odpadních vod je pochopitelně determinována kvalitou rozkládaného organického znečištění. Obecně se dá říci, že je charakteristická vysokými koncentracemi methanu, často až 80 % (díky acidifikaci vod, která částečně probíhá již před anaerobním reaktorem). Lze se setkat rovněž s nepříjemně vysokými koncentracemi sulfanu (při čištění odpadních vod s vyšší koncentrací síranů).

Design reaktorů

Dalším charakteristickým rysem anaerobního čištění průmyslových odpadních vod je specifický design anaerobních reaktorů. Je to důsledek specifických vlastností těchto odpadních vod, v nichž převažují rozpuštěné organické látky. Z toho důvodu je zde první stupeň anaerobního rozkladu organických látek – hydrolýza, která obvykle limituje celkovou rychlost rozkladu, podstatně rychlejší, případně úplně chybí. Rozkladný proces je proto rychlejší a potřebná doba zdržení odpadní vody v reaktoru kratší. Díky vyššímu hydraulickému zatížení a nižší viskositě odpadních vod oproti kalům a podobným „hustějším“ materiálům zpravidla není nutné v moderních reaktorech pro čištění odpadních vod intenzivní míchání, tak jak jej známe u reaktorů pro zpracování čistírenských kalů, živočišných odpadů, fytobiomasy apod.).

Vývoj reaktorové techniky byl v posledních desetiletích velmi prudký a akcelerovala jej zejména poptávka po energeticky úsporných technologiích a po obnovitelných zdrojích energie vyvolaná růstem cen energií po tzv. ropné krizi z počátku 70.let 20.století. Dokladem explozivní rychlosti s jakou anaerobní reaktory zaujímají své místo mezi provozně používanými technologiemi je následující tabulka 2 zachycující léta, kdy počet moderních aplikací dosahoval řádově vyšších hodnot. (Hulshoff Pol, 1997).

Tabulka 2 - Vývoj počtu aplikací anaerobní technologie při čištění odpadních vod

Přitom zhruba 90 % těchto anaerobních čistíren zpracovává průmyslové odpadní vody, ale v řadě zemí Jižní Ameriky a Asie již funguje významný počet anaerobních ČOV na splaškové vody. V řadě průmyslových odvětví je již dnes anaerobní rozklad organického znečištění uznávaný jako nezastupitelná součást optimální čistírenské linky (cukrovary, pivovary, škrobárny, lihovary apod.) (Austermann-Haun, Seyfried, 1994).

Reaktory pro anaerobního čištění odpadních vod byly oblasti v prvních etapách v mnoha rysech analogické s aerobní technologií. Příkladem mohou být kontaktní reaktory (někdy nazývané anaerobní aktivace), nebo biofiltry s průtokem shora dolů (viz zkrápěné aerobní filtry). Postupem času se však stále více projevovala specifika anaerobního procesu a jedinečným výsledkem tohoto vývoje byl reaktor UASB, ve kterém byla poprvé kultivována anaerobní biomasa ve formě kompaktních dobře sedimentujících částic - granulí. Tento reaktor přinesl kvalitativní skok ve vývoji anaerobních reaktorů a dodnes jsou vyvíjeny jeho další a další modifikace.

Technologie využívající růstu biomasy na jemnozrném nosiči, jenž je udržován v expandovaném nebo fluidním stavu, se v anaerobní i aerobní oblasti vyvíjejí více méně paralelně. Poslední vývoj zde směřuje ke speciálním náplním, které jsou z mikroporézních materiálů, jejichž póry jsou „šité na míru“ požadovaným typům baktérií. Příkladem jiné speciální náplně může být granulované aktivní uhlí v anaerobním GAC reaktoru.

Ve skupině reaktorů se suspenzní biomasou je zdokonalován především separační stupeň, kde se úspěšně využívá membránových procesů a také flotace. Další vývojový stupeň membránových reaktorů již nevyužívá membránové procesy jen k separaci biomasy z odtoku anaerobního reaktoru (membránový I), ale používá membrán přímo v reaktoru (membránový II). Podobně jako v aerobní oblasti i v anaerobii je v poslední době možné pozorovat znovuobjevení semikontinuální technologie „sequencing batch“. Postupný vývoj nových typů anaerobních reaktorů uvádí tabulka 3.

Tabulka 3 - Vývoj anaerobních reaktorů pro čištění odpadních vod.

V současné době na trhu anaerobních reaktorů převažují reaktory s granulovanou biomasou, díky svým nesporným výhodám jako je možnost velmi vysokého látkového zatížení a velmi dobrá separace biomasy, největší růstový trend pak v posledních letech zaznamenávají reaktory IC a EGSB, tedy moderní modifikace původního principu UASB. Podíl hlavních typů reaktorů používaných při čištění průmyslových odpadních vod zachycuje graf na obrázku 2.

Další vývoj bude patrně směřovat od extrémní specializace, kdy téměř na každou vodu jsou vyvíjeny speciální typy reaktorů k univerzálnosti a flexibilitě nových anaerobních systémů. Důležitý aspekt, který rovněž ovlivní v nejbližších letech vývoj reaktorové techniky, úzce souvisí s makroekonomickými vlivy jako je expanze velkých západoevropských firem za novými trhy. Země jako je Nizozemí, Belgie, Dánsko apod. mají značný náskok ve využívání anaerobních technologií, ale současně se jejich trh blíží úplnému saturování (Hulshoff Pol 1997).

Obr. 2: Relativní zastoupení nejúspěšnějších anaerobních systémů při čištění průmyslových odpadních vod

Anaerobní technologie se uplatňuje při čištění stále širšího spektra průmyslových odpadních vod. Po prvních relativně snadných aplikacích v cukrovarech, pivovarech a dalších oblastech potravinářského průmyslu se dnes anaerobní technologie prosazuje i v takových průmyslových odvětvích, které produkují „obtížnější“ odpadní vody jako např. farmaceutický, chemický, petrochemický průmysl.

Tabulka 4 – Energetický potenciál vybraných odpadních vod

V řadě odvětví anaerobní technologie dokázaly, že odpadní vody mohou být energetickou surovinou. Běžně se dnes používá parametr energetický potenciál (EP) odpadních vod, který vyjadřuje kolik bioplynu lze vyrobit z 1 m³ dané odpadní vody. O tom, že EP některých typů vod může být mimořádně velký vypovídá tabulka 3.

Integrace čištění vod a kalů

Zajímavé možnosti nabízejí moderní vysokovýkonné reaktory v oblasti integrace čistírenských procesů. Slibných výsledků bylo dosaženo při použití vertikálně kompartmentalizovaného anaerobního reaktoru USSB (upflow staged sludge bed) pro společné zpracování odpadní vody a přebytečného aerobního kalu (Jeníček 1997). Výhodou přepážkového uspořádání je možnost určité diverzifikace biomasy podle jednotlivých sekcí, což může být výhodné při vracení aktivovaného kalu do anaerobního reaktoru. Tyto experimenty totiž prokázaly, že s použitím tohoto reaktoru je možné zpracovávat odpadní vodu a kal odděleně, ale přitom uvnitř jednoho reaktoru. Tato varianta provozu byla výrazně lepší než společné dávkování kalu s odpadní vodou, zejména s ohledem na methanogenní aktivitu biomasy. Zvyšuje se totiž neúměrně zatížení reaktoru suspendovanými látkami, které nařeďují a dezintegrují aktivní agregovanou biomasu, charakteristickou pro tento typ reaktorů. Technologické schéma experimentu uvádí obrázek 3

Obr. 3: Schéma anaerobně-aerobního systému

Snaha o zachování výjimečných vlastností anaerobního kalu ve vysokovýkonném reaktoru vedla k návrhu alternativy, při níž je de facto oddělen prostor, v němž dochází k stabilizaci kalu a prostor pro čištění vody. Hydraulická doba zdržení byla ve spodní sekci 14 dní zatímco ve zbylé části reaktoru 0,6 dne. Diferenciace aktivity překvapivě nebyla příliš velká, vysoká methanogenní aktivita byla stanovena i u biomasy ve spodní sekci, do níž byl dávkován pouze kal (Krčová 1997). Příčina není zcela jasná, ale výsledky morfologického sledování kalu, při nichž byly i v této sekci pozorovány granule anaerobní biomasy, naznačují, že do určité míry zřejmě dochází obousměrnému vertikálnímu pohybu biomasy mezi sekcemi, kdy „těžké“ granule propadávají až do spodní sekce, zatímco „lehký“ anaerobně stabilizovaný kal je posouván vzhůru a zde granuluje nebo je odtahován či vyplavován z reaktoru.

Základní parametry anaerobního stupně při společném čištění odpadní vody a přebytečného aerobního kalu včetně porovnání celkové účinnosti a specifické produkce kalu anaerobně aerobního systému uvádí tabulka 5. Konstrukce reaktoru umožňuje variabilní provoz reaktoru při různém množství a koncentraci vod i kalových suspenzí a může se v bu-doucnu stát tolik žádaným obecným řešením problematiky integrovaného anaerobního zpracování odpadních vod a kalů.

Tabulka 5 - Průměrné výsledky při společném čištění odpadní vody a přebytečného aerobního kalu v reaktoru USSB (Θ - hydraulická doba zdržení, BV -objemové zatížení, E - účinnost, SPS - specifická produkce sušiny kalu)

Praktická aplikace anaerobního čištění

Aplikace anaerobního čištění u průmyslových odpadních vod je výhodná z energetického hlediska, ale má i další v poslední době velmi ceněnou výhodu – minimalizuje produkci přebytečných kalů vznikajících v procesu čištění. Příklad konkrétní úspěšné aplikace této technologie v našem farmaceutickém průmyslu ilustrují následující tabulky 6 a 7 (Šolc a kol. 2001).

Tabulka 6 –Provozní výsledky anaerobního čištění farmaceutických odpadních vod

Tabulka 7 - Porovnání energetické náročnosti aerobního a anaerobního čištění

Závěry

• Anaerobní čištění průmyslových odpadních vod je dnes běžnou čistírenskou technologií.
   
• Jednoznačná perspektivnost této technologie je dána její ekologickou, energetickou a ekonomickou výhodností.
   
• Anaerobní zpracování odpadních vod z nich činí energetickou surovinu, protože produkuje při dostatečné koncentraci vod tolik bioplynu, že pokryje energetické potřeby na čištění vod včetně aerobního dočištění a ještě může energeticky dotovat samotnou průmyslovou výrobu.

Použitá literatura:

• Austermann-Haun U., Seyfried C.F. (1994) Experiences gained in the reactor operation of anaerobic plants in Germany. Water Sci. Tech. 30, 415 -424.
• Dohányos M., Zábranská J., Jeníček P., Fialka P., Kajan M. (1998) Anaerobní čistírenské technologie. NOEL 2000, Brno.
• Hulshoff Pol L., Euler H., Eitner A., Grohganz D. (1997) GTZ sectorial project „Promotion of anaerobic technology for the treatment of municipal and industrial sewage and wastes“. Proc. of the 8th Int. Symposium on Anaerobic Digestion AD´94.,Vol.2, 285-292, Sendai.
• Jeníček P. (1997) Společné anaerobní zpracování odpadních vod a biologických kalů. Sborník mezinár. konf. Kaly a odpady ’97, 277-283, Brno.
• Krčová B. (1997) Anaerobně aerobní čištění odpadních vod. Diplomová práce, ústav technologie vody a prostředí, VŠCHT Praha.
• Šolc J., Mutňanský A., Jeníček P., Míchal V., Švanda P. (2001) Provozní zkušenosti s anaerobním čištěním odpadních vod. Přednáška na konferenci Anaerobie 2001, Klatovy, 2–3.10.
• Vypracováno v rámci řešení výzkumného záměru MŠMT ČR č.223200003.

Příspěvek byl původně publikován ve sborníku ke konferenci "Možnosti výroby a využití bioplynu v ČR, 2002". Na letošní ročník tradiční konference v Třeboni, která proběhne ve dnech 13.-14. října 2005 se můžete zaregistrovat na stránce http://trebon.biom.cz.

Článek byl publikován ve sborníku k akci: Možnosti výroby a využití bioplynu v ČR.

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

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