Bioplyn z odpadů živočišné výroby

Úvod

Největší podíl odpadů vznikajících při živočišné výrobě představují exkrementy hospodářských zvířat. Nejstarší a technicky nejjednodušší formou nakládáni s těmito “odpady” je jejich přímá aplikace na půdu. V případě správného agrotechnického postupu, kdy jde o maximální využití hnojivých účinků jde bezesporu o způsob, který má své opodstatnění. Praxe však ukazuje, že často z důvodu lokálních přebytků odpadů není nejdůležitější využití jejich hnojivých účinků, ale prostá likvidace.

Řízená anaerobní fermentace organické hmoty, proces využívaný v bioplynových stanicích, umožňuje při zachování hnojivých účinků vstupní suroviny, využít část energie vázané v organické hmotě (odpadu) k produkci bioplynu (s obsahem 50 - 75% metanu), využitelného k výrobě tepelné a elektrické energie. V porovnání s přímou aplikací uvedených odpadů na pole přináší anaerobní fermentace další výhody :

• Zvýšenou využitelnost živin. Anaerobní stabilizace zvyšuje kvalitu hnojiva jeho homogenizací a transformací některých látek na látky s vyšším hnojivým účinkem. Společným zpracováním chlévské mrvy, obsahující větší množství draslíku, s kejdou prasat , obsahující větší množství fosforu, se získá kvalitnější hnojivo.
   
• Snížení zápachu. Anaerobně stabilizovaná kejda má výrazně nižší zápach než kejda surová.
   
• Kofermentací kejdy s jinými organickými odpady se dosáhne brilantní recyklace odpadů. Ekologický aspekt zahrnuje i sanitární efekt stabilizace a účinné využití takto zpracovaných odpadů ke hnojení.
   
• Snížení obsahů zvířecích patogenů a semen plevelů
   
• Pokles emisí skleníkových plynů v průběhu sladování a aplikace.

Bioplynové stanice v zemědělství

Anaerobní fermentace je soubor dílčích na sebe navazujících biologických procesů konsorcia anaerobních mikroorganismů. Rozklad organických látek až na bioplyn vyžaduje jejich koordinovanou metabolickou součinnost, kde produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává substrátem skupiny druhé.To znamená, že při řízené fermentaci musí být zabezpečeny vhodné fyziologické podmínky pro činnost anaerobních mikroorganismů. Mezi nejdůležitější faktory patří:

• Anaerobní prostředí
• Složení substrátu
• Teplota (35 – 42 st. C, 55 st. C)
• Míchání
• Živiny (hlavně u průmyslových vod)
• pH 6,5 –7,5

Pro zabezpečení a udržení jednotlivých parametrů existuje v dnešní době celá řada technologických řešení, jejichž výběr záleží na druhu zpracovávaných odpadů, kvalitě požadovaných výstupů a samozřejmě na ekonomických možnostech. Ekonomika provozu bioplynové stanice (BPS) je kromě množství a kvality zpracovávaného odpadu výrazně ovlivněna využitím vznikajícího bioplynu a anaerobně stabilizovaného zbytku.

Malé bioplynové stanice

Malé zemědělské bioplynové stanice jsou samostatné jednotky, zpracovávající anaerobní stabilizací organický odpad vznikající na farmě. V převážné míře se jedná o kejdu nebo slamnatý hnůj z chovu hospodářských zvířat. Menší část představují organické odpady z domácnosti farmy. Z hlediska ekonomie provozu bioplynové stanice je účelné zpracovávat i jiné vhodné odpady. Praxí prověřené je například zpracování odpadů ze stravovacích zařízení, hlavně tukové odpady. V tomto případě se dosáhne dvojího efektu, zvýší se produkce bioplynu a získá se finanční úhrada za likvidaci odpadů od producenta.

Bioplyn vznikající při anaerobní stabilizaci je využíván k produkci elektrické energie a tepla v kogenerační jednotce. Teplo a elektrická energie se využívá na farmě, čímž se snižují provozní náklady farmy. Případný přebytek elektrické energie se prodává do veřejné sítě. Velikost zemědělských bioplynových stanic závisí na velikosti a zaměření farmy. Většinou se v Evropě pohybuje v ekvivalentu 30 - 400 VDJ.

Technické řešení malých bioplynových stanic

U bioplynových stanic je potřeba zajistit jednotlivé technologické prvky (homogenizační jímka, reaktor, zásobník bioplynu, uskladňovací nádrž, kogenerační jednotka, tepelný výměník, rozvody tepla) zaručující po stránce biologické a bezpečnosti zdárný průběh anaerobní stabilizace. Narozdíl od velkých stanic, které se staví “načisto” se u malých zařízení můžeme setkat s daleko většími variacemi řešení, vyplývajících z konkrétních možností jednotlivých farem.

Kejda ze stáje stéká samospádem nebo se čerpá do sběrné - homogenizační jímky. Homogenizační jímka, kovová nebo betonová, je spolu s vhodně dimenzovanou uskladňovací nádrží prakticky vždy běžnou součástí farmy. V některých státech je požadavek akumulovat určité množství kejdy vyprodukované na farmě dané legislativou. Zhomogenizovaný odpad se dávkuje do reaktoru. Nejrozšířenější jsou dva typy reaktorů:

Horizontální průtočný reaktor (Darmstadt system)

Reaktor je ocelová nebo plastová, tepelně izolovaná válcová nádrž v průměru zpravidla 2 - 3 m, délky dle potřebné kapacity reaktoru). V praxi se vzhledem k možnosti transportu používají reaktory objemů 50 - 100 m³. Často se využívají použité zásobníky na naftu. Nádrž je uložena na betonových podstavcích tak, aby její sklon byl 3 - 5 % (obrázek.1). Kejda se čerpá do výše položené části. Promíchávání obsahu reaktoru a pohyb směsi směrem k druhému níže položenému konci, je zabezpečen lopatkami umístěnými na hřídeli procházející horizontální osou reaktoru. Rychlost míchání je pomalá, 1 - 3 otáčky za minutu. Tomu odpovídá i nízká spotřeba energie na míchání, 700 - 900 watový motor je dostatečný pro míchání 100 m³ kejdy obsahující slámu. Vznikající bioplyn se hromadí v horní části reaktoru, odkud je odváděn do plynojemu. Ve spodní části, v nejnižším bodě reaktoru, je jeden nebo více odkalovacích ventilů. Vytápění je řešeno rozvodem trubek uvnitř reaktoru. Běžné je i umístění ve dvojité stěně reaktoru, nebo je vytápění integrováno s mícháním a je umístěno v duté hřídeli míchadla. Vzhledem k poměrně velkým investičním nákladům, se tento typ reaktoru využívá hlavně k fermentaci “hustších odpadů” jako je drůbeží trus, domovní odpad nebo kejda s vyšším obsahem slámy, kdy se využívá vhodnosti tohoto typu míchacího zařízení.

Vertikální reaktory

Vertikální reaktory vycházejí ze standardních, ocelových nebo betonových, uskladňovacích nádrží na kejdu, případně obilí. Přestavění takovéto nádrže na reaktor, vyžaduje zabezpečit její plynotěsnost a tepelnou izolaci. K zabezpečení plynotěsnosti stačí kvalitní betonová konstrukce nádrže a střechy, případně doplněná plynotěsnou fólií (obrázek.2). K tepelné izolaci se používají běžné izolační materiály jako je polystyrén, nebo skelná vata. V některých případech jsou nádrže umístěny pod úrovní terénu. Nádrže jsou vyráběny sériově, což se projevuje v nižší ceně za jednotku objemu. Používané objemy se pohybují v rozmezí 250 - 600 m³, i když existují reaktory s objemy až 1200 m³ . Hloubka reaktorů bývá 3 - 6 m a průměr 8 - 18 m. Tyto reaktory jsou často používány dvojúčelově, kdy v průběhu roku pracují s různým harmonogramem dávkování. V létě a na podzim jsou naplněny jenom do úrovně zabezpečující minimální dobu zdržení 20 - 30 dnů. Tím se připravuje rezerva k uskladnění několika set m³ kejdy na zimní a jarní období, kdy se nemůže nebo nesmí kejda aplikovat na pole. Při naplněném reaktoru je doba zdržení přes 60 dnů, což zaručuje dostatečnou produkci bioplynu a stabilní chod fermentoru i v zimním období.

Přibližně 1/3 bioplynových stanic v Německu používá plynotěsné nádrže na uskladnění stabilizované kejdy a současně jako zásobníky bioplynu.V některých případech nádrže s ply-notěsnou membránovou střechou slouží i jako fermentor. Často se používají dvojité membrány, kdy do membránového meziprostoru se ventilátorem vhání vzduch pod tlakem 200 - 300 Pa, kterým se nafoukne venkovní membrána sloužící jako střecha a tlak vzduchu působící na vnitřní membránu, oddělující bioplyn, zabezpečuje dostatečný přetlak bioplynu pro další využití. V případě použití jednoduché membrány, se doporučuje udělat nad reaktorem přístřešek.

Centralizované bioplynové stanice

Centralizované bioplynové stanice v zemědělství narozdíl od malých bioplynových stanic zpracovávají odpad z několika samostatných zemědělských farem. Z důvodu srovnatelnosti co do množství zpracovaného odpadu, technologie zpracování, postfermentační úpravy, využití bioplynu apod. je vhodné k centralizovaným stanicím řadit i bioplynové stanice vybudované při velkochovech hospodářských zvířat ve státech střední a východní Evropy. Výhodou centralizovaných bioplynových stanic je :

• nižší jednotkové ceny investic
• efektivnější využití investic (cisterny, dopravní prostředky atd.)
• kvalifikovanější obsluhu biolynové stanice
• vzhledem k větší produkci bioplynu, možnost komplexnějšího uplatnění přebytků tepla, elektrické energie (dodávky do elektrické sítě a sítě centrálního vytápění)
• vyrovnanější kvalita anaerobně stabilizovaného odpadu
• menší potřeba stavebních pozemků
• lepší možnosti získání úvěrů a dotací.

I když několik většinou demonstračních centralizovaných bioplynových stanic bylo od osmdesátých let postaveno ve více státech západní Evropy, největšího rozmachu dosáhli v Dánsku, kde výraznou roli sehrává stát svojí skutečně environmentální politikou. Stát poskytuje dotace na výstavbu nových stanic, dotuje ceny energií získaných z obnovitelných zdrojů a zatěžuje tzv. ekologickou daní fosilní paliva (topné oleje, uhlí). Na základě dánských zkušeností se již další státy začínají intenzivněji zabývat anaerobní stabilizací zemědělských odpadů v centralizovaných bioplynových stanicích.

Jako příklad lze uvést centralizovanou bioplynovou stanici v Studsgaardu - Dánsko zpracovávající kejdu a chlévskou mrvu z okolních farem, organické odpady z po-travinářského průmyslu a organickou frakci tuhého domovního odpadu. Při anaerobní stabilizaci jsou tyto odpady konvertovány (ročně) na: 4,2 milionu m³ bioplynu, 129 000 tun kapalného hnojiva pro zemědělství, 1000 tun tuhého anaerobního zbytku pro skládky a 700 tun spalitelného odpadu. Tuhý anaerobní zbytek je kompostu podobný materiál, který však může ještě obsahovat kousky plastů a jiných příměsí. Tento materiál může být použit na zakrytí skládek, nebo po smíchání s dřevními štěpky spalován. Sušina organické frakce tuhého domovního odpadu přechází při anaerobní stabilizaci z 50% na bioplyn, 32 % kapalné hnojivo, 8 % kompost a 10 % zůstává jako nerozložitelný zbytek.

Domovní odpad musí být před nadávkováním do reaktoru předupraven. Předúprava spočívá v rozmělnění odpadu, odstranění příměsí jako jsou sklo, kameny, plasty apod. a zahřátím předupraveného odpadu na teplotu 70oC po dobu jedné hodiny, nebo na 60°C po dobu 2,5 hodiny, s cílem zneškodnění patogenných mikroorganismů a semen plevelů.

Bioplyn je prodáván městu Herning vlastnící kogenerační jednotku na bioplyn a zemní plyn. Z bioplynu se tak vyprodukuje ročně 10 500 MWh elektrické energie, prodávané do sítě a 13 500 MWh tepelné energie je dodáváno do sítě centrálního vytápění. Bioplyn obsahuje v průměru 65 % metanu, 35 % oxidu uhličitého. Obsah H₂S 0,2 % je před použitím bioplynu snižován na 0,04-0,05 %.

Faktory ovlivňující ekonomiku BPS

Bioplynová stanice je zařízení jehož účelem je anaerobní fermentace organické hmoty v bioreaktoru. K tomu se musí zabezpečit předúprava vstupní suroviny, uskladnění a využití anaerobně stabilizovaného odpadu, skladování a následné využití bioplynu.

Před vlastní realizaci je potřeba zkonzultovat s projektantem minimálně následující otázky :

1. Specifikace odpadu (substrátu) pro bioplynovou stanici

• zemědělská výroba
• kejda
• potravinářský průmysl
• ČOV
• ostatní

2. Údaje o vstupech

• denní množství [m³.d^-1]
• obsah celkové sušiny [%]
• obsah organické sušiny [%]
• teplota [°C]
• konzistence
  • tekutá kejda
  • kejda + slamnatý hnůj
  • organické odpady, velikost

3. Předpokládané využití bioplynu

• kontinuální spalování v kogeneraci, výroba el. energie a teplé vody
• spalování v kogeneraci pro pokrytí odběrových „maxim“
• sušení
• čištění a stlačování pro pohon vozidel
• ostatní

4. Předpokládané nakládání s fermentovanou surovinou

• skladování, rozvoz dle rozvozového plánu hnojení
• odvodnění- tekutý podíl - skladování, hnojení
  • dočištění k vypouštění do recipientu
  • tuhý podíl - kompostování
  • sušení
  • hygienizace
  • alkalizací
  • termická

5. Možnosti využití stávajících zařízení

• jímky
• nádrže, materiál
• čerpadla, míchadla
• ostatní

I při výstavbě jednoduché bioplynové stanice, je nutné si uvědomit, že její součástí jsou vyhrazená zařízení. Vztahuje se na ní v plném rozsahu ČSN 756415 „Plynové hospodářství ČOV“ a doprovodné plynařské normy (ČSN 386405, 20, 25) se zvýšenými požadavky na bezpečnostní opatření a kvalitu obsluhy. Zařízení splňující předepsané požadavky má tržní cenu, kterou investor nemůže výrazně ovlivnit. Ekonomiku provozu BPS může provozovatel ovlivnit kvalitním provozováním, maximálním využitím přebytku elektrické energie a tepla a kvalitou vstupní suroviny. Z hlediska ekonomiky BPS je mimořádně důležitá právě kvalita vstupní suroviny.

Kejda a slamnatý hnůj obsahují 70 – 85% organických látek v sušině. V provozních podmínkách lze metanizací rozložit největší podíl organických látek u trusu drůbeže (asi 65 %) a u exkrementů prasat (asi 50 %). U kejdy skotu je to kolem 25 - 40 %. U slamnatého hnoje rozložitelnost vlivem pomalé hydrolýzy slámy klesá na 20 - 25%.

Množství odpadu, produkce bioplynu a reaktorový prostor pro jednotlivé druhy hospodářských zvířat jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Množství odpadu, produkce bioplynu a reaktorový prostor pro jednotlivé druhy hospodářských zvířat

	hmotnost (kg)	odpad (kg.den-1)	objem reaktoru (m3)	produkce bioplynu (m3 . den-1)
Slepice	1,5	0,2	0,015	0,015
Brojler	0,8	0,15	0,01	0,012
Sele	20	1,8	0,03	0,04
Prase výkrm	50 - 110	7	0,14	0,14
Prasnice	160	12	0,25	0,2
Tele	120	7	0,1	0,08
býk výkrm	120 - 350	22	0,4	0,5
býk výkrm	nad 350	42	1,3	1,0
Jalovice	120 - 300	20	0,4	0,39
Jalovice	300 - 500	38	1,3	0,85
Dojnice	500 - 600	50	2	1,2
podestýlka sláma	1,0	-	0,08	0,2

Uvedené hodnoty množství odpadu a následné produkce bioplynu nejsou neměnné a závisí na koncentraci sušiny resp. organických látek v odpadu. Což je dáno skutečností, že bioplyn vzniká jenom z organických látek. Voda se do kejdy dostává hlavně při mytí stájí z nedokonale seřízených napájecích systémů a netěsností kanalizačního systému na farmách Obzvláště u reprodukčních chovů, je v důsledku zooveterinárních požadavků spojených s vyšší spotřebou mycí vody, množství kejdy vyšší. Dosahované koncentrace se tak často pohybují v rozmezí 2 až 3 % sušiny v kejdě.

Nižší koncentrace sušiny nepříznivě ovlivní ekonomiku bioplynové stanice v několika směrech : zvýší se náklady na dovoz kejdy a odvoz anaerobně stabilizovaného produktu, v stoupají náklady na ohřev balastní vody, zvětšuje se potřebný objem reaktoru, je nižší produkce bioplynu z m³ odpadu. Informativní údaje závislosti produkce bioplynu, potřeby BP na ohřev a průměrného disponibilního množství bioplynu v závislosti na vstupní sušině prasečí kejdy jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2: Závislost produkce bioplynu na sušině vstupní suroviny

Sušina	Produkce BP	Potřeba BP pro ohřev		průměr	Průměrný přebytek BP
( %)	m3/den	zima	léto	rok	m3/den	m3/rok
3	10,8	9,5	6	7,8	3	1095
4	14,4	9,2	5,8	7,5	6,9	2518
5	18	8,9	5,6	7,2	10,7	3905
6	21,6	8,6	5,4	7	14,6	5329
8	28,8	8	5	6,5	22,3	8139

Závěr

Kejda a slamnatý hnůj z chovu hospodářských zvířat představují vzhledem k vysokému podílu biologicky snadno odbouratelných látek k odpadům vhodným ke zpracování v bioplynových stanicích. Další pozitivní efekty spojené s jejich anaerobní fermentací předurčují použití této technologie. Zásadním hlediskem při rozhodování pro tuto investici, je důkladný rozbor případných zdrojů pro výrobu bioplynu. Jedná se zejména o eliminaci balastních vod, které výrazně zhoršují ekonomiku provozu. Neméně důležité je zajištění trvalého přísunu dostatečného množství substrátu vhodného pro fermentaci. Z ekonomického hlediska je rozhodující použitelnost produktů bioplynové stanice. Týká se to zejména upotřebitelnosti tepla v letním období a reálného stanovení provozních nákladů.

 

Příspěvek byl původně publikován ve sborníku ke konferenci "Možnosti výroby a využití bioplynu v ČR, 2002". Na letošní ročník této konference, 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.

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