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.

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 N_amoniak., N_dusičnan., 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.

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.

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.

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

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 (dm_N³/kgVS) při kofermentaci jednotlivých vstupních substrátů o daném složení a době zdržení v reakčním prostoru (viz graf na obr.).

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:

• požadavky na digestáty používané jako hnojivo na zemědělské půdě (zákon č. 156/1998 Sb. [5], resp. zákon č. 9/2009 Sb. [6], vyhláška č. 474/2000 Sb. [7], resp. vyhláška č. 271/2009 Sb. [8] atd.)
• požadavky na digestáty z bioodpadů používané na nezemědělské půdě (vyhláška č. 341/2008 Sb. [9], atd.)
• požadavky na digestáty vzniklé biozplyňováním vedlejších živočišných produktů (Nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1774/2002 [10], atd.).

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].

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 dm_N³/kg celkové sušiny o průměrném obsahu metanu 71 % obj. (produkce metanu 879 dm_N^3/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).

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