Projekt IMPULS – provoz experimentální bioplynové stanice

Společnost BIOPROJECT s.r.o. (původně Tomášek SERVIS s.r.o.) v letech 2007-2010 realizovala výzkumný projekt „Poloprovozní-experimentální BPS“ (dále jen ExBPS), který byl spolufinancován z programu IMPULS MPO ČR.

V rámci tohoto projektu společnost BIOPROJECT s.r.o. postavila a provozovala experimentální bioplynovou stanici. Rozbory substrátů a vzorků odebraných z fermentorů a výpočty hlavních technologických parametrů byly prováděny v laboratoři, jejíž vybavení a činnost umožnil rovněž uvedený program IMPULS MPO ČR.

Celková koncepce této stanice vycházela ze snahy maximálně přiblížit experimentální model reálným provozním podmínkám. ExBPS svou velikostí, umístěním a možnostmi rychle modifikovat provozní režim je unikátní zařízení, představující ideální mezistupeň mezi laboratorními fermentory a velkoobjemovými fermentory na reálných BPS. Podstatnou výhodou je možnost provádět experimenty, které na reálné BPS nejsou možné, neboť při překročení parametrů v hraničních oblastech technologie dochází k ohrožení až k úplnému zastavení fermentace.

Hlavní části experimentální bioplynové stanice byly tvořeny těmito částmi:

Fermentory 1 a 2

Jako fermentory sloužily izolované nerezové válcové nádrže s plochým dnem v průměru cca 1,2 m s výškou 1,5 m. Fermentory byly zastřešeny odnímatelným víkem s průzory z plexiskla, a dále vybaveny pomaluběžnými i rychloběžnými míchadly, topením a měřícími čidly, přičemž příkon topného systému umožňoval provoz v mezofilním i v termofilním režimu. Plnění obou fermentorů bylo prováděno centrálním kalovým čerpadlem, což zajišťovalo jejich jednoduchý provoz .

Zapracování ExBPS a použité substráty

ExBPS byla zapracována přídavkem cca 200 litrů fermentačního kalu z dobře pracující BPS, přičemž hrubá suspenze byla odstraněna přecezením přes hrubé síto. Poté bylo zahájeno dávkování substrátů, v prvé etapě převážně cukrovarských řízků, v další etapě směsi substrátů.

Pro živení ExBPS jsme použili substráty, jejichž základní vlastnosti jsou shrnuty v následující tabulce č. 1. Uvedeny jsou hodnoty sušiny TS v %, hmotnostní podíly organické sušiny (OS/TS) a celkového dusíku (KN), vztažené k celkové sušině TS a předpokládaná produkce bioplynu (KBP) vyjádřená jako objem suchého bioplynu za standardních podmínek v m³ při fermentaci 1 kg TS.

Tabulka 1: Charakteristika substrátů

substrát	TS (%)	OS/TS	KN	KBP (m3/kg TS)
řepné řízky	19-22	0,92	0,025	0,4
lecitinové kaly	45- 55	0,55-0,84	0,07	0,57
glycerinová fáze	42-73	0,9	0,005	0,7
travní senáž	25-30	0,75	0,02	0,35
obilní otruby	92-95	0,96	0,025	0,38
obilní šrot	93-95	0,98	0,025	0,42
odpadní chléb	46-52	0,99	0,03	0,45

Jak je zřejmé, v použitých substrátech převládají dobře rozložitelné substráty s dominantní sacharidickou a polysacharidickou složkou. Volba těchto substrátů nebyla náhodná, ale jejich složení a použitá dávka vycházela z hodnot, používaných na některých BPS, realizovaných fy BIOPROJECT s.r.o., jejichž činnost jsme se snažili simulovat.

Tabulka 2: Technologické parametry

parametr	rozměr	F1	F2
objem	litry	800 - 1150	780 - 1080
zatížení	kg/m3,den TS	0,9 - 3,6	1 - 3,7
doba zdržení etapa1	den	25 - 36	27 - 37
doba zdržení etapa 2	den	80 - 115	78 - 108
teplota	°C	35 - 40	38 - 42,5
teplota Ø	°C	37	40

Po celou dobu provozu v prvé etapě byly oba fermentory provozovány paralelně v mezofilním režimu, přičemž F1 se provozoval při nižší teplotě (Ø 36,3 °C), F2 při vyšší (Ø 39,8 °C). Rozdíly v produkci i ve složení bioplynu byly minimální.

Do fermentoru 1 byly nadávkovány ve sledovaném období cukrovarské řízky v množství 78 kg sušiny, celková produkce 31,5 m³ bioplynu. Za stejné období byla dávka sušiny do fermentoru 2 75 kg a produkce plynu 30,8 m³.

Poměrně zajímavá je změna složení bioplynu v závislosti na zatížení.

Cukrovarské řízky se rozkládají velice rychle, podle sledování objemu bioplynu na plynoměru je podstatný podíl produkce bioplynu v několika hodinách bezprostředně po nadávkování, pak se snižuje a po zhruba 16 hodinách končí. Současně jsme analyzovali složení bioplynu přenosným analyzátorem. Při rychlé produkci je produkován velký objem bioplynu s nízkým podílem methanu, tak jak objemová produkce klesá, stoupá podíl methanu. Bioplyn z fermentoru F1, který měl nižší teplotu, měl vyšší obsah methanu ve srovnání s fermentorem 2.

Tabulka 3: Složení bioplynu

fermentor	tvorba	CH4 (% obj.)	CO2 (% obj.)	balast (% obj.)
F1	intenzivní	48	48	4
F1	pomalá	68	30	2
F2	intenzivní	45	50	5
F2	pomalá	64	34	2

V další etapě jsme dávkovali směs substrátů, uvedenou v tabulce č. 4

Tabulka 4: Dávky substrátů

substrát	reálná BPS	ExBPS
	t/den	kg/den
cukrovarské řízky	30	10
glycerinová fáze	2	0,7
lecitinový kal	6	2,0
odpadní chléb	1 – 4	0,3 – 1,4

Obdobně jako na běžných BPS bylo použito uspořádání, při kterém se celková dávka přidává do základního fermentoru, kde probíhají hlavní reakce, navazující druhý fermentor je živen přepouštěním asi 10 % objemu hlavního fermenoru (doba zdržení cca 10 dní) a slouží pro dokončení fermentace a stabilizaci fermentačního zbytku.

Tabulka č. 5 udává celkové množství substrátů, nadávkovaných do obou fermentorů ve sledovaném období (150 dní). Celková dávka sušiny (262 kg a 251 kg) i organické sušiny (239 kg) je u obou fermentorů prakticky stejná.

Tabulka 5: Celková dávka substrátů

	F1		F2
substrát	TS (kg)	OS (kg)	TS (kg)	OS (kg)
cukrovarské řízky	183	173	192	182
lecitinové kaly	4,4	3,5	3,7	2,9
travní senáž	1,9	1,6
obilní šrot	27	26,5	34,7	34
obilní otruby	11	10,5	8,6	8,4
starý chléb	0,14	0,13	4,4	4,3
glycerin	1,2	1,1	7,8	7,2
kal F2	34	23
celkem	262	239	251	239

V průběhu tohoto období pomalu rostla koncentrace sušiny (TS) ve fermentoru 1 z 10 g/l na 15 g/l a u fermentoru 2 z 5 g/l na 15 g/l. Podíl organické sušiny v obou fermentorech byl prakticky stejný, 65 %.

Objemové zatížení obou fermentorů bylo standardní, mezi 2 – 3,5 kg/m³,den TS (2 - 3 kg/m³,den OS). Průběh zatížení, vyjádřený jako týdenní průměr, je znázorněn na obrázku č. 2.

Důležitou hodnotou, charakterizující stabilitu anaerobní fermentace je bezrozměrný parametr FOS/TAC. Je to poměr mezi koncentrací nižších mastných kyselin (flüchtige organische säuren) a koncentrací hydrogenuhličitanů (totale anorganische carboneum). Tento parametr zavedli v Německu, kde se počítá jako poměr hodnot CH₃COOH a CaCO₃, obě vyjádřené v mg/l. Jak doporučil prof. Dohanyos, logičtější je obě hodnoty, koncentrace ∑ NMK a HCO^3- vyjádřit v mmol/l. Hodnoty takto vypočteného bezrozměrného parametru (mmol/mmol) jsou znázorněny na grafech 6 a 18. Jak je vidět, do 80 dne má FOS/TAC stabilní hodnoty 0,2 – 0,8 u F1 a o něco vyšší, ale stále ještě stabilní hodnoty 0,5 – 1 u F2. Po 80 dnu se FOS/TAC prudce zvýší v obou fermentorech na 1 – 2 u F1 a 2 – 3 u F2 a zůstane na vyšších hodnotách po celý zbytek experimentů.

Produkce bioplynu se rozběhla po 16 dnech od zapracování fermentorů poměrně rychle a poté byla vcelku stabilní, průměrně 0,86 m³/m³,den v období 16 – 80 den a 0,62 m³/m³,den v období 81 – 150 den u fermentoru 1. Obdobné hodnoty pro fermentor 2 jsou 0,74 m³/m³,den (16 – 80 den) a 0,31 m³/m³,den (81 – 150 den). Jak je vidět, přetížení a nedostatečné topení způsobilo pokles produkce bioplynu v obou fermentorech, přičemž u F2 byl pokles výraznější. Průměrné složení bioplynu (v % objemových reálného teplého a vlhkého plynu) je uvedeno v tabulce č. 6.

Tabulka 6: Průměrné složení bioplynu (% objemová)

	F1			F2
období (dny)	CH4	CO2	balast	CH4	CO2	balast
1 - 80	53	39	8	50	40	10
81 - 150	48	51	1	36	56	8

Velice zajímavé je porovnat celkovou produkci bioplynu s teoretickou hodnotou, získanou výpočtem ze sušiny nadávkovaných surovin. Naměřenou produkci bioplynu jsme přepočetli na standardní podmínky 0 °C a tlak 101,325 kPa. Hodnoty jsou uvedeny v tabulce č. 7.

Tabulka 7: Celková produkce bioplynu (m³)

	F1	F2
naměřená	100,4	71,3
vypočtená	115	113

Závěr

Experimentální bioplynová stanice, pořízená v rámci projektu IMPULS, je spolehlivé modelové zařízení, schopné provozu i v nepříznivých povětrnostních podmínkách. ExBPS umožňuje testování chování a produkce nových substrátů při jejich anaerobní fermentaci, modelování nabíhání a provozu reálné bioplynové stanice a výzkum odolnosti anaerobní fermentace v hraničních technologických podmínkách. Protože se ExBPS osvědčila, předpokládá se její další využití při další výzkumné činnosti firmy BIOPROJECT, která tímto projektem pokračuje ve svých aktivitách směřujících k zajištění komplexní péče pro své klienty.

Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu ČR.

Tweet

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

Biometan se vyplatí a má budoucnost