Suchá fermentace zemědělských a komunálních organických materiálů

Zdeněk Pastorek, Jaroslav Kára Abstrakt V současné době je předmětem experimentů výzkum suché anaerobní fermentace směsných organických materiálů zemědělského a komunálního původu, především exkrementů z chovů hospodářských zvířat, fytomasy, organického podílu komunálních odpadů a průmyslových organických odpadů. Výsledky laboratorních experimentů jsou využívány pro návrhy konstrukčních parametrů fermentačních jednotek. Klíčová slova: suchá anaerobní fermentace, bioplyn, vlhké organické materiály Úvod Vlhkých organických materiálů zemědělského a komunálního původu deklarovaných jako vedlejší produkt nebo odpad stále přibývá. Tím vzniká problém jak tyto produkty resp. odpady efektivně využít, když jejich skládkování je postupně omezováno. Ve VÚZT Praha byl již v roce 1956 a s časovým odstupem realizován systém suché anaerobní fermentace slamnaté chlévské mrvy ve fermentačních jednotkách sestávajících z fermentačních košů a krycích tepelně izolovaných zvonů. Mimořádně se osvědčil technologický proces rozdělený do tří etap: aerobní fermentace s intenzívním samoohřevem materiálu, suchá anaerobní fermentace v mezofilním teplotním režimu, aerobní fermentace na hromadách (kompostování). V zahraničí byly v poslední době odzkoušeny se střídavými úspěchy různé kontinuální i diskontinuální systémy na anaerobní suchou fermentaci materiálů s obsahem sušiny vyšším než 15 %. Jedná se například o kontinuální systémy DRANCO (Belgie), KOMPOGAS (Švýcarsko), ANACOM (Švýcarsko), VALORGA (Francie) atd. Mezi diskontinuální systémy se řadí fermentační jednotky z betonových van, foliových rukávců, kontejnerové fermentační jednotky, garážové fermentační jednotky a další. Některé systémy umožňují ohřev materiálu ve fermentační jednotce, případně odčerpání perkolátu a zpětné zkrápění fermentovaného materiálu. Další problém, na který se výzkum zaměřuje, je příprava materiálu před vstupem do fermentoru, hledání optimálních směsí různých materiálů i možností zpracovávat fytomasu. Na tyto problémy jsou zaměřeny i výzkumné práce ve VÚZT Praha. Popis experimentálního zařízení Na pracovišti VÚZT bylo realizováno experimentální zařízení pro zjišťování optimálních parametrů anaerobních metanogenních procesů. Jedná se o nádrž s temperovaným vodním prostředím umožňujícím porovnávací měření produkce bioplynu z malých objemů. V temperovaném prostředí je možno umístit 6 nádržek s objemem po 3 l. Z každé nádržky je pryžovou hadicí odváděn vznikající bioplyn do vodního plynojemu sestávajícího ze šesti sekcí. Každá sekce má objem rovněž 3 l. Celkový pohled na vodní lázeň fermentorů s vedle umístěnými plynojemy je uveden na obr. 1. Na obr. 2 je uvedeno schéma plynojemu. Pro analýzu bioplynu je k dispozici měřící přístroj AIR LF firmy ASEKO s.r.o., obr. 3. Jedná se o přenosný analyzátor plynů s rozsahy měření dle tabulky 1. Tab. 1: Měřící rozsahy analyzátoru plynů AIR LF SENZOR TYP ROZSAH KALIBRACE PŘESNOST V ROZSAHU PŘETÍŽENÍ CH4 IČ 0 ÷ 100 % při 60 % ± 5 % měř.vel. 10 ÷ 100 % ne CO2 IČ 0 ÷ 50 % při 30 % ± 5 % měř.vel. 5 ÷ 50 % ne O2 el. ch. 0 ÷ 20,9 % 0 %, 20,9 % 5 % měř.vel. 1 ÷ 20,9 % max. 30 % CO el. ch. 0 ÷ 4000 ppm 500 ppm ± 5 % měř.vel. 100÷ 4000ppm max. 2 % Experimentální výsledky Byla založena sada pokusů s anaerobní fermentací směsi kejdy s trávou, chrasticí rákosovitou a kostřavou rákosovitou. Výsledky produkce bioplynu přepočtené na kg sušiny uvádíme v grafech na obrázcích 4, 5, 6, 7. Z výsledků experimentů v maloobjemovém zařízení je možno konstatovat následující. Kofermentace čerstvých hovězích exkrementů s fytomasou a to ve formě trávy i konzervované píce vede k zastavení metanogeneze v důsledku extremního snížení hodnoty pH. Již množství fytomasy přes 20 % a to v čerstvé formě i ve formě sena či senáže vede k zastavení reakce. Překyselení reakce je možno zabránit přidáním zásadité látky (Ca(OH)2), nebo recyklovaného substrátu do metanogenní směsi. Směs s aditivem Ca(OH)2 má oproti aditivu s vyhnilým substrátem nižší produkci bioplynu v začátku procesu, v dalším průběhu se však produkce vyrovnává. Nejvyšší produkce se dosahuje při kombinaci aditiv Ca(OH)2 recyklovaný substrát. Toto platí pro kofermentační směs s čerstvou trávou. U směsi se senem nedochází ke stabilizaci metanogenní reakce ani po přidání Ca(OH)2, ani vyhnilého substrátu. Toto bylo ověřeno při stejných množstvích aditiv jako u kofermentační směsi s trávou. Zdá se proto, že seno je pro kofermentační zpracování méně vhodné. Přesto však přidání recyklovaného substrátu prodlužuje dobu produkce bioplynu. Je zřejmé, že pro stabilizaci reakce je nutno snížit poměr sena ve směsi, příp. zvýšit množství vyhnilého substrátu. Většinou je třeba aditivovat směs zásaditou látkou spolu s vyhnilým kalem. Při sledování kvality bioplynu, tj. množství metanu, je zřejmá korelace se stabilizovaným průběhem. Ve všech případech, kdy metanogeneze probíhala dostatečně dlouhou dobu, tedy kdy nedošlo ke snížení hodnot pH a k jejímu zastavení, dosahoval obsah metanu ve vznikajícím bioplynu až 60 %. Při uvážení značného množství vodní páry tato hodnota překračuje udávaný poměr 60 % metanu v suchém bioplynu. Toto je případ, kdy do kofermentační směsi byl přidán vápenný hydrát (Ca(OH)2), recyklovaný substrát a obě složky biomasy (exkrementy a zelená fytomasa). Literatura KOLEKTIV AUTORŮ: Biogas, Strom aus Gülle und Biomasse. Topagrar Fachbuch, Landwirtschaftsverlag GmbH Münster - Hiltrup - ISBN: 3-7843-3174-2, 2002 PASTOREK, Z.: Obnovitelné zdroje energie - kapitola 10. Využití biomasy k energetickým účelům. FCC Public Praha (2. rozšířené vydání) 2001, s. 139 - 161 Zdroj: CZ BIOM - www.biom.cz