Bioplyn z konského hnoja s kukuričnou silážou v procese anaeróbnej kofermentácie

Úvod

Produkcia bioplynu anaeróbnym rozkladom organických látok je nielen efektívnym spôsobom získavania energie zo živočíšnej alebo rastlinnej biomasy ale aj ekologickým riešením zneškodňovania biologického odpadu z poľnohospodárskej, priemyselnej či potravinárskej sféry. Aby bola zabezpečená potrebná úroveň rentability a návratnosti bioplynovej stanice, prechádza sa ku fermentácii viacerých druhov biomasy súčasne, tzv. kofermentácie, pričom prímes pridávaná k základnému materiálu sa nazýva kosubstrátom. Hnojovica v sebe obsahuje už len zostatkovú energiu zo zažívacieho traktu zvierat, avšak je veľmi vhodná ako stabilizátor procesu anaeróbnej fermentácie. Táto jej vlastnosť je dostatočne zohľadnená v nových postupoch výroby bioplynu pomocou kofermentácie. V článku sú uvádzané výsledky experimentov s fermentáciou čistej hnojovice z chovu hovädzieho dobytka ako aj kofermentácie hnojovice s konským hnojom a kukuričnou silážou.

Prehľad o riešenej problematike

Kofermentáciou rozumieme biologický rozklad malého podielu látky či substrátu, ktorý prebieha v pozadí fermentácie majoritnej látky či substrátu. Ide o spoločnú anaeróbnu fermentáciu dvoch alebo viac druhov organickej hmoty, pričom najčastejšou kombináciou je pridávanie určitého podielu fytomasy do hnojovice hospodárskych zvierat.

Pre výrobu bioplynu procesom kofermentácie sú vhodné rastliny dužinaté, zle vysychajúce, s vyšším obsahom dusíka. Je to hlavne nadbytočná tráva, viacročné krmoviny, kukurica, repka alebo slnečnica. Rastlinnú biomasu možno výhodne biosplyňovať so zvieracími fekáliami a s ďalšími biologicky rozložiteľnými odpadmi (odpady z jedální, separovaný domový odpad, tukové odpady a pod.) (Váňa, 2003). Pre kofermentáciu má zaujímavý potenciál aj konský hnoj, ktorého vhodnosť pre produkciu bioplynu a výťažnosť sme sledovali aj počas nášho výskumu. Kofermentácia by mala však zabezpečovať najmä optimálny pomer uhlíka a dusíka v substráte, stabilizovaný proces produkcie bioplynu vplyvom pufračnej schopnosti hnojovice v substráte a obmedzenie disfunkcií spôsobených vyššími koncentráciami čpavku.

Materiál obsahujúci uhlík je rozkladaný mikroorganizmami, pričom sa uvoľňuje bioplyn skladajúci sa hlavne z metánu a oxidu uhličitého. Bioplyn je energeticky bohatý a vyhnitý substrát z bioprocesu môže byť použitý ako organické hnojivo, ktoré zlepšuje vlastnosti a zloženie pôdy. Proces tvorby bioplynu mení živiny na formu lepšie absorbovateľnú rastlinami. Na obr. 1 sú uvedené najčastejšie používané materiály na produkciu bioplynu s ich špecifickou výťažnosťou na tonu substrátu. Dôležitým faktorom pri voľbe jednotlivých materiálov pre proces anaeróbnej fermentácie je ich schopnosť a rýchlosť biologickej rozložiteľnosti (obr. 2).

Procesy anaeróbnej fermentácie odbúravajú základné biologicky rozložiteľné substráty simultánne, pričom cukry, tuky a bielkoviny patria medzi najlepšie rozložiteľné zložky. V procese anaeróbnej fermentácie môže byť úplne rozložených 40-60% hm. (alebo aj viac) z celej organickej hmoty substrátu, podľa doby zdržania (hydraulického retenčného času) a aktivity metanogénnych baktérií. Zvyšovanie organického zaťaženia podporuje väčšiu akumuláciu nenasýtených mastných kyselín a pokles v stabilite produkcie metánu. To signalizuje potrebu znížiť organické zaťaženie fermentora, aby sa zmenšila akumulácia mastných kyselín a predĺžiť čas na kompletnú transformáciu týchto kyselín na metán.

Materiál a metódy

Všetky experimenty s kofermentáciou konského hnoja a kukuričnej siláže boli realizované v poloprevádzkových podmienkach na demonštračnej bioplynovej stanici Vysokoškolského poľnohospodárskeho podniku SPU, s.r.o. (VPP SPU) v Kolíňanoch. Chemické analýzy jednotlivých substrátov sa vykonávali svojpomocne v chemickom laboratóriu taktiež v Kolíňanoch.

Ako základný materiál pre kofermentáciu bol použitý maštaľný hnoj od hovädzieho dobytka, ktorý sa v hlavnej homogenizačnej nádrži riedil vodou na požadovanú hodnotu sušiny. Po hrubej homogenizácii hnojovice v tejto nádrži bola denná dávka substrátu prečerpávaná do malej homogenizačnej nádrže (mixovacej nádrže), kde dochádzalo k pridávaniu prímesí (konského hnoja a kukuričnej siláže) a následne prebiehalo polhodinové mechanické predspracovanie a intenzívna homogenizácia substrátu. Pomer prímesí bol stanovený podľa požiadavky zadávateľa a dodávateľa daných materiálov, nakoľko tento pomer prímesí mal simulovať reálne podmienky u zákazníka.

Malá homogenizačná nádrž (MHN) má objem 1600 l a mechanické predspracovanie substrátu v nej zabezpečuje rotačný mechanický drvič (obr. 3) s dvomi rezacími nožmi. Drvič je poháňaný asynchrónnym elektromotorom 4 AP90L-2 s otáčkami 2800 min^-1 a príkonom 2,2 kW. Hriadeľ drviča je uchytený k výstupu elektromotora prostredníctvom rýchlospojky. Pracovný priemer rezacích nožov je 160 mm. Hodnota objemového prietoku kalového čerpadla je výrobcom udávaná ako 150 l.min^-1, avšak vplyv hustoty substrátu spôsoboval jej mierne kolísanie.

Aby boli zachované optimálne hodnoty hlavných parametrov procesu (t.j. sušina < 10% a neutrálna hodnota pH), bolo v laboratóriu prevedené prvotné testovanie pre zistenie vhodného percentuálneho podielu prímesí k hnojovici. V prvotnom testovaní prímesí boli merané hodnoty sušiny TS (tab. 1).

Tab. 1: Prvotne zistené parametre materiálov pre kofermentáciu hnojovice (HN) a prímesí

Materiál	HN	Konský hnoj	Kukuričná siláž
obj. %	100	100	100
pH	8,21	-	-
TS (%)	3,41	39,66	36,93

Na základe týchto meraní bola odporučená maximálna dávka konského hnoja (KH) 10 kg a kukuričnej siláže (KS) 5 kg. Pre spustenie procesu kofermentácie bol použitý približne polovičný podiel prímesí, čo pri dennej dávke 250 l čerstvého substrátu do fermentora predstavovalo spolu 30 l. Celé obdobie testovania trvalo 4 týždne, pričom maximálna odporučená dávka prímesí sa pridávala viac ako 2 týždne.

Fermentor je základným technologickým zariadením pre proces výroby bioplynu. Pre potreby testovania bol použitý experimentálny horizontálny fermentor o objeme 5 m³, pracujúci v mezofilných podmienkach 35-40°C (obr. 4). Priemerná denná dávka čerstvého materiálu do fermentora bola 0,25 m³.d^-1 a tak doba zdržania materiálu vo fermentore predstavovala 20 dní. Objem nádrže sa v pravidelných intervaloch premiešaval pozdĺžnym rotorom. Tvorený surový bioplyn z fermentora sa akumuloval v malom plynojeme, odkiaľ bol prečerpávaný cez merač plynu do veľkého plynojemu, umiestneného nad dohnívacou nádržou.

Hlavnými zisťovanými parametrami bolo množstvo vyprodukovaného bioplynu (BP) vo vyjadrení jeho špecifickej produkcie (m³/m³.d) na jednotku objemu fermentora, obsah metánu (CH₄) a ostatné zložky bioplynu (CO₂, O₂ a H₂S). Pravidelne bola vykonávaná chemická analýza substrátov, pričom sa zisťovali hodnoty chemickej spotreby kyslíka, obsah dusíka, sulfátov, sušina, strata žíhaním, obsah nenasýtených mastných kyselín, amoniaku a železa. Pre potreby procesu fermentácie boli sledované aj hodnoty pH, organické zaťaženie fermentora a teploty substrátu vo fermentore a homogenizačnej nádrži.

V článku sú uvedené aj prepočty, ktoré ukazujú aký zisk elektrickej energie možno očakávať na základe množstva a kvality bioplynu so súčasným zohľadnením okolitých podmienok. Pre tento účel bola použitá norma ISO 6976 Zemný plyn – výpočet výhrevnosti, hustoty, relatívnej hustoty a Wobbovho indexu zmesi, platnej od roku 1995. Hodnoty produkcie elektrickej energie boli prepočítavané s dolnou výhrevnosťou za podmienky merania a spaľovania pri 0°C (t.j. 0/0°C). Podiel jednotlivých zložiek (CH₄, CO₂, O₂ a H₂S) v surovom bioplyne bol zisťovaný analyzátorom plynu SSM 6000 firmy Schmack. Meranie prebiehalo samočinne, dvakrát denne.

Výsledky

V tab. 2 sú uvedené hodnoty chemického zloženia, rozdelené podľa miesta odberu (malá homogenizačná nádrž a fermentor). U daného substrátu bolo vykonané len nutné prvotné polhodinové mechanické predspracovanie, čím bola zabezpečená základná homogenizácia všetkých zložiek kofermentovanej zmesi.

Tab. 2: Priemerné hodnoty sledovaných parametrov a chemického zloženia substrátov

Parameter	Jednotka	Vzorky substrátov
		MHN	Fermentor
pH	-	6,67	7,55
teplota	°C	21,5	37,6
TS	%	8,03	7,33
oTS	%		3,38
oTS	%TS		48,94
COD	mg/l	78250
VFA	mg/l		933
Ekv.kys.octovej	mg/l		1400
NTOT	mg/l	119
NH4+	mg/l		529
SO42-	mg/l	32
Fe	mg/l		4,7

Legenda:

• TS – obsah sušiny
• oTS – strata žíhaním
• COD – chemická spotreba kyslíka
• VFA – nenasýtené mastné kyseliny (koncentrácia kyseliny octovej je ekvivalent koncentrácie nenasýtených mastných kyselín s vodnou parou)
• N_TOT – celkový dusík
• NH₄⁺ - amóniové ióny
• SO₄^2- - síranové anióny
• Fe – obsah železa
• MHN – malá homogenizačná nádrž

Z obr. 5 je viditeľný nárast produkcie BP so zvyšovaním podielu prímesí v hnojovici. Produkované množstvo BP v určitých dňoch pravidelne a výrazne kolísalo. Bolo to spôsobené dlhými intervalmi medzi dávkovaním (jeden krát za deň) a miernym kolísaním teploty vo fermentore, ale najmä v období víkendov, kedy dávkovanie a prečerpanie nového substrátu sa realizovalo buď len v sobotu alebo v nedeľu. Tým bola počas víkendu pridaná akoby len polovičná denná dávka. Ako vidieť z tab. 2, chemická spotreba kyslíka zhomogenizovaného substrátu bola viac ako 78 g/l avšak bola zaznamenaná pomerne nízka hodnota mastných kyselín. Pravdepodobne to bolo spôsobené tým, že testovaný substrát obsahoval väčší podiel slamy, ktorá sa nachádzala aj v čistej hnojovici, aj v obidvoch použitých prímesiach. Tento stav odrážal aj stupeň anaeróbnej rozložiteľnosti, ktorého hodnota pre daný substrát bola 29,97%. Obyčajne sa táto hodnota pohybuje v rozsahu 40-60 hm. %. Riešením by mohlo byť predĺženie doby zdržania materiálu vo fermentore, zvýšením teploty alebo pridávaním enzýmov.

Čím vyššie bolo podielové zastúpenie kosubstrátov v zmesi, tým bola produkcia bioplynu viac citlivejšia na zmeny teploty a pH vo fermentore. Výrazná produkcia bioplynu bola dosiahnutá pri fermentačnej teplote nad 40°C. Rovnako aj podiel metánu bol vyšší, ak sa teplota fermentácie pohybovala blízko úrovni 40°C. Pri poklese teploty pod 36°C bol zaznamenaný pokles v produkcii aj kvalite bioplynu. Čím vyšší podiel kosubstrátu bol zastúpený, tým bol prepad v produkcii väčší.

Legenda:

• CH₄ – metán
• F – fermentor
• KH – konský hnoj
• KS – kukuričná siláž
• BP – bioplyn

Počas celého testovacieho obdobia bolo analyzátorom plynu sledované aj zloženie bioplynu. Prehľad dosahovaných priemerných hodnôt je uvedený v nasledujúcej tabuľke 3. Na základe špecifickej produkcie BP, jeho zloženia a zohľadnení okolitých podmienok, je v tabuľke uvedená aj teoreticky možná produkcia elektrickej energie. Podiel sírovodíka klesol oproti čistej hnojovici pod 200 ppm, čo je priaznivý faktor najmä pre spoľahlivosť spaľovacieho motora kogeneračnej jednotky (KJ). Taktiež odpadá potreba použitia filtra pre odstraňovanie sírovodíka z bioplynu.

Tab. 3: Porovnanie priemerných dosahovaných hodnôt sledovaných parametrov

Materiál	CH4	H2S	Prod.BP	Šp.prod.BP	El.en.	OLR
	obj. %	ppm	Nm3/h	Nm3/mF3.d	kWh/d	kg COD/mF3.d
Hnojovica (100 obj.%)	54,9	253	0,101	0,487	4,253	3,190
HN:KH:KS (65:25:10) obj.%	57,9	164	0,159	0,764	6,634	3,913

Legenda:

• HN – hnojovica
• OLR – organické zaťaženie fermentora
• Nm³ – normálový meter kubický (prepočítaný pre 0°C a atmosferický tlak)

V porovnaní sledovaných parametrov s dosiahnutými hodnotami z čistej hnojovice, je evidentný kvantitatívny i kvalitatívny nárast bioplynu (tab. 3). Pri 25%-nom podiele KH a 10%-nom podiele KS vzrástla produkcia bioplynu o viac ako 36%. Je treba mať na pamäti, že pre spoľahlivý proces anaeróbnej fermentácie je vhodný podiel sušiny maximálne 10-12%. Nami dosiahnutá hodnota sušiny zhomogenizovaného substrátu bola približne 8%, takže anaeróbna fermentácia neprebiehala mimo optimálnej úrovne sušiny.

Záver

Na základe získaných výsledkov možno povedať, že konský hnoj sa javí ako perspektívny materiál pre proces anaeróbnej fermentácie. Bol zaznamenaný evidentný nárast produkcie bioplynu pri zvyšovaní dávky kosubstrátu. Dosiahnuté výsledky v produkcii a kvalite bioplynu pri 35%-nom podiele prímesí boli sľubné a presvedčivé. Na základe testovania však možno povedať, že tento podiel konského hnoja a kukuričnej siláže nemusí byť konečný a v podmienkach BPS v Kolíňanoch by bolo možné bezpečne používať aj vyšší podiel. Bol pozorovaný výrazný vplyv produkcie a kvality bioplynu na teplote, najmä pri teplotách nad 40°C. Možnosť prevádzky bioplynových staníc s minimálnym podielom hnojovice a majoritným podielom fytomasy potvrdzujú aj experimenty zahraničných laboratórií, ako aj bioplynové stanice v Nemecku či Rakúsku.

Použitá literatúra

• Dohányos, M. et al.: Anaerobní čistírenské technologie. Brno: NOEL 2000, 1998.
• Košík, L. – Gaduš, J.: Konštrukčné riešenie homogenizačnej nádrže na predspracovanie substrátov. In: Nové trendy v konštruovaní a v tvorbe technickej dokumentácie. Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2005, s. 64-69. ISBN 80-8069-517-2
• URL:http://www.bvv.cz/i2000/Akce/b-agro.nsf/WWWAllPDocsID/VVEA-6M9D8J?Ope nDocument&NAV=1, 22.2.2006.
• Váňa, J.: Biomasa pro energii a technické využití. Biom.cz, 25.3.2003. In: https://biom.cz/index.shtml?x=129197.

Kontaktná adresa:

• Ing. Ladislav KOŠÍK, e-mail: l.kosik@agrikomp.cz
  agriKomp Bohemia s.r.o., Závist 58, 624 00 Brno, Česká republika
• doc. Ing. Ján GADUŠ, PhD., e-mail: Jan.Gadus@uniag.sk
  Katedra mechaniky a strojníctva, MF SPU v Nitre, Tr. A. Hlinku 2, 949 01 Nitra, Slovensko

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?