Netekutá fermentace substrátů ze zemědělské činnosti

Úvod

Technologie fermentace netekutých substrátů je vhodná zejména pro substráty s obsahem sušiny 25 % a více, ve srovnání s reaktory na tekuté substráty zpracovává substráty s 3 – 4 násobným obsahem organické hmoty. V bioplynových stanicích lze uplatnit jak cíleně pěstované zemědělské plodiny (travní senáž, kukuřičná siláž), tak organické zbytky (výlisky, hnůj z živočišné výroby). Stanice tohoto typu jsou vhodné ke zpracování biologicky rozložitelných odpadů, které není potřeba před vstupem do reaktoru zpracovávat, vytřiďovat nebo zkapalňovat. Především z důvodu nedostatku kvalitních informací o procesu netekuté fermentace zahájila provoz výzkumná laboratoř určena pro výzkum anaerobní fermentace netekutých substrátů. Projekt byl realizován společností FORTEX AGS a.s. ve spolupráci s Mendelovou univerzitou v Brně. Úkolem výzkumu bylo získat podklady z experimentů prováděných s netekutými substráty a aplikovat je v provozních bioplynových stanicích tak, aby byla co nejvíce zvýšena jejich hospodárnost. Velkou výhodou byla bezprostřední zpětná vazba zjištěných poznatků, které byly ihned uváděny do praxe v provozní bioplynové stanici, která s laboratorní stanicí sousedí.

Princip a technologie anaerobní fermentace

Anaerobní fermentace je jedním z efektivních způsobů transformace energie z různých druhů biomasy, při které jsou organické látky mikroorganizmy transformovány na energii ve formě bioplynu, který je následně přeměněn na elektrickou a tepelnou energii v kogeneračních jednotkách. Zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie, označuje bioplyn jako obnovitelný zdroj energie. Elektrická a tepelná energie z něj vyrobená je tedy ekologicky šetrná. Kromě bioplynu jsou ještě výstupními produkty z procesu anaerobní fermentace pevný zbytek (fermentát) a tekutý zbytek (perkolát), které je možné využít v zemědělství případně pro výrobu alternativních paliv.

V laboratorním výzkumném pracovišti bylo umístěno 6 reaktorů o rozměrech 2 m × 0,6 m × 0,4 m (v × š × h). Cílem výzkumu bylo optimalizovat proces netekuté fermentace pro různé typy substrátů (kukuřičná siláž, travní senáž, trávy ze zahrad a veřejných prostranství, různé druhy biologicky rozložitelných odpadů, chlévská mrva a vepřový hnůj) a tím zvýšit sumu poznatků potřebných k efektivnímu řízení netekutých bioplynových stanic.

Hlavní cíle výzkumu bylo určit:

• kvantitu a kvalitu bioplynu z jednotlivých testovaných substrátů
• optimální teplota a vlhkost ve fermentoru
• dobu zdržení biomasy ve fermentoru
• nejvhodnější kombinace jednotlivých substrátů
• efektivní směsné zastoupení zreagovaného substrátu s novou biomasou

Každý z 6 laboratorních fermentorů (Obr. 1) o objemu 0,48 m³ byl po naplnění hermeticky uzavřen a postupně v něm začínala probíhat vlastní fermentační proces.Testování jednotlivých substrátů probíhalo v mezofilních podmínkách, to znamená, že teplota biomasy uvnitř reaktoru i perkolátu byla udržována při teplotě 38 °C ± 1 °C. Pravidelným postřikem biomasy procesní tekutinou – perkolátem bylo zajištěno naočkování materiálu dostatečným množstvím mikroorganismů, které se podílely na rozkladu organické hmoty ve zpracovávaných materiálech při vzniku bioplynu. Po spotřebování zbytkového kyslíku došlo ke stabilizaci celého procesu a produkci bioplynu, který je poté jímán do plynových vaků. Proces byl diskontinuální, doba trvání cyklu se zpravidla pohybovala mezi 27 - 30 dny, podle druhu zpracovávané biomasy. Cyklus byl ukončen při poklesu produkce bioplynu, následně je část reaktoru vyprázdněna a jeho část obvykle 70 % je smíchána s čerstvou biomasou. Je provedena homogenizace a takto upravená biomasa je naskladněna zpět do reaktoru. Poměr zreagované a čerstvé biomasy ovlivňuje průběh a dynamiku tvorby bioplynu. Hmotnostní množství čerstvé biomasy je ovlivněno druhem zpracovávané biomasy a její objemové hmotnosti. Směs biomasy při vsázce dosahovala sušiny 20-60 %, optimální hodnota se pohybuje okolo 25 – 35 %. Měrná hmotnost se pohybovala v rozmezí 600-800 kg.m^-3. Poměr C:N se pohybovalo v rozpětí 20-35:1.

V průběhu testu byly sledovány následující parametry u vzorků z jednotlivých reaktorů: pH perkolátu, teplota perkolátu, teplota biomasy, teplota bioplynu, kvantita produkovaného bioplynu, složení bioplynu (CH₄, CO₂, H₂S, O₂), sušina biomasy, organická sušina biomasy, N_celk perkolátu, N-NH₄ perkolátu, mastné kyseliny (octová, propionová, mléčná, máselná) perkolátu. Složení bioplynu a pH perkolátu bylo sledováno denně obsluhou reaktorů přímo na místě. Veškeré další analýzy byly prováděny v sedmidenních intervalech v laboratořích VUCHS Rapotín, s.r.o. a Fortex-AGS,a.s. Šumperk.

Bioplynová stanice Šumperk Temenice

Bioplynová stanice byla uvedena do plného provozu v červnu 2009 a tvoří ji komplex několika staveb, hala s reaktory, technický přístavek s temperovanými perkolátními nádržemi, biofiltry, havarijní hořák, manipulační plocha před fermentory, strojovna kogenerační jednotky včetně chlazení, koncový sklad perkolátu, sklad biomasy. Základem je hala s šesti fermentory garážového typu (obr. č. 2) o rozměrech 4,7 m × 5,7 m × 35 m (v × š × d), v nichž se biologicky rozložitelné odpadní materiály nebo jiná biomasa fermentují za vzniku bioplynu. Jednotlivé fermentory fungují zcela autonomně a zaručují tak rovnoměrnost v dodávce bioplynu v případě nefunkčnosti jednoho z nich. Celý systém kromě naskladńování a vyskladňování reaktorů pomocí čelního nakladače je kontrolován automaticky prostřednictvím počítačové řídící jednotky z velína.

Biomasa, resp. její složky jsou ve směsném poměru naváženy ze skladu biomasy kolovým nakladačem do anaerobního reaktoru a postupně od zadního čela reaktoru vršeny do výšky 3,5 m. Po naskladnění biomasy je reaktor hermeticky uzavřen a zahájen ohřev biomasy podlahovým topením a zkrápění perkolátem, který je nosičem mikrobiální kultury. Do tří dnů od naskladnění biomasy dojde k odstranění zbytkového kyslíku a stabilizaci celého anaerobního procesu. Vznikající bioplyn je z reaktorů odsáván do plynových vaků a dále odváděn do kogenerační jednotky o elektrickém výkonu 526 kW. Zde je transformován na elektrickou a tepelnou energii, elektrická energie je prodávána do rozvodné soustavy, tepelná energie je z 20 % využita pro potřebu bioplynové stanice, zbytek je dodáván do tepelného hospodářství města Šumperk. Proces anaerobní fermentace je diskontinuální, délka cyklu se obvykle pohybuje kolem 28 dnů, doba celkového zdržení biomasy ve fermentoru je 90 dnů. Na konci cyklu je substrát z reaktoru vyvezen a jeho část je nahrazena substrátem novým v tzv. „směsném navýšení“ (stabilizovaný substrát slouží jako inokulum pro novou dávku).

Bioplynová stanice Šumperk Temenice ročně zpracuje 13.106 kg zemědělské biomasy. Z toho je asi polovina hovězí a vepřový hnůj, čtvrtina travní senáž a čtvrtina kukuřičná siláž. Instalovaný elektrický výkon kogenerační jednotky GE Jenbacher je 526 kW a instalovaný tepelný výkon 558 kW. Předpokládána roční výroba je 3700 MWh elektrické energie a 14600 GJ tepelné energie pro využití v systému tepelného hospodářství města Šumperk. Elektrické energie je dodávána do veřejné sítě za tržní ceny. Při jejím prodeji je využíván systém zelených bonusů.

Závěr

Pomocí testů provedeným v laboratorní bioplynové stanici bylo možno zprovoznit a spolehlivěřídit provozní bioplynovou stanici. Výsledky provozní bioplynové stanice korespondují s mírnou odchylkou 5 % s výsledky získanými v laboratorní bioplynové stanici. Odchylka může být způsobena především podmínkami v laboratorních reaktorech, které můžeme považovat za optimální. Zajímavou problematikou se také jeví nalezení algoritmu pro aplikaci procesní tekutiny (perkolátu) na biomasu a míchání biomasy, který by podle našich odhadů mohlo významně napomoci zvýšení produkce bioplynu. Řešením těchto kroků bude možné rozvinout databázi informací o procesu anaerobní fermentace netekutých substrátů a optimalizovat tak celý proces.

• [1] LECHNER, P.: Kommunale Abfallentsorgung, UTB für Wissenschaft, Band 2114, Universitätsverlag., Vídeň 2004. ISBN 3-85076-480-X.
• [2] SCHULZ, Heinz , EDER, Barbara. Bioplyn v praxi. 1. vyd. Ostrava : HEL, 2004. 168 s. ISBN 80-86167-21-6.
• [3] STRAKA, František. Bioplyn. 2. rozš. vyd. Praha : GAS s.r.o., 2006. s. 9-338. ISBN 807328-090-6.

Projekt je spolufinancován z „Národního programu výzkumu II“ – Trvalá prosperita, číslo projektu 2A-3TP/010.

Projekt je spolufinancován z Operačního programu podnikání a inovace – EKO-Energie, číslo projektu 3.1 EEDOZE/140.

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