bioplyn

Anaerobní technologie

Anaerobní fermentace je biologický proces rozkladu organické hmoty, probíhající za nepřístupu vzduchu. Tento proces probíhá přirozeně v přírodě např. v bažiništích, na dně jezer nebo např. na skládkách komunálního odpadu. Při tomto procesu směsná kultura mikroorganismů postupně v několika stupních rozkládá organickou hmotu. Produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává substrátem pro další skupinu. Proces můžeme rozdělit do 4 hlavních fází:

Hydrolýza: působením extracelulárních enzymů dochází mimo buňky ke hydrolytickému štěpení makromolekulárních látek na jednodušší sloučeniny, především mastné kyseliny a alkoholy, při tomto procesu se uvolňuje rovněž vodík (H₂) a oxid uhličitý (CO₂).
Acidogeneze: působením extracelulárních enzymů dochází mimo buňky ke hydrolytickému štěpení makromolekulárních látek na jednodušší sloučeniny, především mastné kyseliny a alkoholy, při tomto procesu se uvolňuje rovněž vodík (H₂) a oxid uhličitý (CO₂).
Acetogeneze: dochází k dalšímu rozkladu kyselin a alkoholů za produkce kyseliny octové.
Methanogeneze: závěrečný krok anaerobního rozkladu, kdy z kyseliny octové, H₂ a CO₂ vzniká methan - CH₄, tento krok provádějí methanogenní bakterie, což jsou striktně anaerobní organismy, podobné nejstarším organismům na Zemi. Tyto bakterie jsou citlivé především na náhlé změny teplot, pH, oxidačního potenciálu a další inhibiční vlivy.

Z hlediska reakčních teplot rozdělujeme anaerobní procesy, podle optimální teploty pro mikroorganismy na psychrofilní (5-30°C), mezofilní (30-40°C), termofilní (45-60°C) a extrémně termofilní (nad 60°C). Výhodou procesů prováděných za vyšších teplot je hlavně vyšší účinnost hygienizace materiálu. Nejběžnější aplikací jsou zatím procesy mezofilní při teplotě cca 38°C.

Fermentace je obvykle prováděna ve velkých vyhřívaných a míchaných nádržích – fermentorech. Jedná se o kontinuální nebo semikontinuální proces. Pracovní sušina suspenze se dle materiálu a použitého míchacího systému pohybuje mezi 4 – 12%. Ve fermentorech dochází k odbourání cca 50 – 70% organické sušiny materiálu. Velikost nádrží je dána množstvím a kvalitou materiálu, množstvím aktivní biomasy v reaktoru a požadovanou dobou zdržení. Tyto parametry významně ovlivňují produkci bioplynu i kvalitu výstupního materiálu.

Hlavním produktem anaerobní fermentace organické hmoty je bioplyn. Bioplyn je bezbarvý plyn skládající se hlavně z methanu (cca 60%) a oxidu uhličitého (cca 40%). Bioplyn může ovšem obsahovat ještě malá množství N₂, H₂S, NH₃, H₂O, ethanu a nižších uhlovodíků. Následující tabulka umožňuje čtenáři udělat si představu o složení a vlastnostech vybraných druhů bioplynů. Hodnoty je potřeba brát jako informativní, skutečné vlastnosti BP vždy závisí na mnoha faktorech, zejména na fermentovaném materiálu:

Parametr	Skládkový plyn	Bioplyn (ČOV)	Bioplyn (prasečí kejda)
¹⁾Výhřevnost (MJ/m³)	16,9	21,1	24,0
H₂ (%)	1	1	-
CO (%)	1	-	-
O₂ (%)	3	-	-
N₂ (%)	-	-	-
Cl^-, F^- (mg/m³)	-	-	-
NH₃ (mg/m³)	-	-	40
CO₂ (%)	46	38	31
CH₄ (%)	49	61	69
H₂S (mg/m³)	350	1 000	²⁾2 300
¹⁾ vztaženo na 15°C, 101 325 Pa.		²⁾ na vstupu do odsiřovacího zařízení.

Tab. č. 1 - Srovnání základních vlastností různých bioplynů

Vedlejším produktem je stabilizovaný anaerobní materiál (fermentační zbytek, digestát, fermentát), který je v současné době asi nejvíce využíván jako hnojivo.

Nejpoužívanější technologií výroby BP s bohatými referenčními odkazy je tzv. "mokrá fermentace", která zpracovává substráty s výsledným obsahem sušiny <12%. Mokrá anaerobní fermentace probíhá v uzavřených velkoobjemových nádobách (fermentorech/reaktorech). Tyto nádoby jsou vyhřívány na navrženou provozní teplotu (běžně 35°C až 55°C) a míchány. Technologická linka je tvořena 4 základními stavebně-technologickými celky (viz následující obrázek):

Obr. č. 1 - Blokové schéma technologie mokré fermentace

Příjmový systém: slouží pro přípravu čerstvého substrátu před jeho vstupem do fermentoru (úprava velikosti částic, míchání, homogenizace, úprava TS, ředění, apod.) a jeho optimální dávkování do anaerobního procesu. Podle druhu zpracovávané BM sestává z příjmového zásobníku tuhé BM (TS>20%) a příjmové jímky kapalné BM (TS <12%).

Fermentační systém: zde probíhá vlastní anaerobní vyhnívání v čistě anaerobním prostředí. Běžně se využívá několik základních koncepcí fermentačního systému, např.:
- Fermentor s integrovaným plynojemem.
- Fermentor + samostatný plynojem.
- Fermentor typu "kruh v kruhu" + samostatný plynojem.
- Fermentor + dohnívací nádrž s integrovaným plynojemem, apod..
Navíc lze fermentory koncipovat jako nadzemní, podzemní či částečně zapuštěné do terénu. Případné částečné/úplné zapuštění fermentoru do terénu záleží nejen na přání investora, ale i na dalších okolnostech (např. potřeba úprav podloží z důvodu jeho snížené únosnosti, nutnost potlačení vlivu stavby na charakter krajiny, apod.).
V zemědělství se nejčastěji využívá válcových železobetonových plynotěsných fermentorů se svislou osou a poměrem ød : v > 1. Principiálně je však možný i jiný materiál (např. ocel) či jiná konstrukce. Běžný rozsah základních procesních parametrů podle druhu technologie a substrátu: t ∈ <35;40>°C, pH ≈ 6,5 až 7,5, hydraulická doba zdržení ∈ <35;110> dnů, jedno resp. dvou stupňový anaerobní proces.
Fermentor je vybaven odpovídajícím příslušenstvím podle konstrukce a druhu substrátu. Běžně jde o topný a míchací systém, v případě potřeby je možné provádět odsíření BP – např. dávkováním (malého) množství vzduchu do BP, apod..

Uskladňovací systém: stabilizovaný materiál po fermentaci (tzv. fermentační zbytek nebo také digestát/fermentát) je nutné uskladňovat v souladu se zásadami správné zemědělské praxe. V případě, že je fermentační zbytek separován na tuhou frakci (sušina ≈ 25 až 35%) a kapalnou fázi/fugát (sušina <1%) je nutné koncipovat uskladňovací systém pro obě frakce.
Tuhá frakce se běžně uskladňuje na stávajících hnojištích nebo vodohospodářsky zabezpečených plochách. Fugát (sušina <1%) resp. neseparovaný fermentační zbytek (sušina ≈ 4 až 10%) se uskladňuje ve vhodně dimenzovaných jímkách. Potřebná velikost uskladňovacího systému u farmářských BPS je volena s ohledem na splnění zásad správné zemědělské praxe … běžně pro dobu 140 až 150 dnů.
Separační zařízení (kalolis, odstředivka, centrifuga, apod.) bývá osazováno např. z důvodu záměrného využití fugátu pro ředění čerstvého substrátu na požadovanou procesní sušinu nebo v případě zvláštních technologických požadavků farmy. Vlivem recirkulace fugátu se úměrně snižuje potřebná velikost uskladňovací jímky a snižuje spotřeba ředící vody. Je ovšem potřeba pravidelně kontrolovat obsah dusíku v recirkulovaném fugátu, a to z důvodu zamezení inhibičním vlivům na anaerobní proces.

Energetické využití bioplynu: obecně lze využívat BP mnoha způsoby, např.:
- Výroba tepla v teplovodních (horkovodních) resp. parních kotlích
- Kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET) v kogeneračních jednotkách (různé principy)
- Čištění BP a jeho prodej do plynárenské sítě resp. provozovatelům jiných energetických systémů (CZT, průmyslové teplárny, apod.)
- Čištění a jeho využití pro pohon dopravní techniky a automobilů, apod.
Z hlediska aktuálních podmínek na trhu s energiemi v ČR se bioplyn nejčastěji využívá pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v tzv. kogeneračních jednotkách KJ na bázi pístových spalovacích motorů – princip je naznačen na následujícím obrázku.

Obr. č. 2 – Princip kogenerační jednotky s pístovým spalovacím motorem

Technologie suché fermentace

zpracovává substráty o sušině 30 až 35%. Zpravidla jde o aplikace mezofilního anaerobního procesu, rozsah používaných reakčních teplot 32-38°C. Optimální pH se pohybuje mezi 6,5 - 7,5. V zásadě lze rozdělit technologie na diskontinuální (vsázkové) a kontinuální.

Diskontinuální technologie suché fermentace sestává z několika reakčních komor (kovový kontejner nebo zděná komora s plynotěsnými vraty) a meziskladu. Doprava zpracovávaného materiálu do komor a z nich je zpravidla prováděna běžnou manipulační technikou (např. traktor s radlicí). Anaerobní proces je řízen dávkováním procesní tekutiny. Proces je diskontinuální - vyprázdnění a nové naplnění komory + start reakce 3 dny, vlastní reakce a produkce BP 24-27 dnů. Podle druhu výstavby je můžeme rozdělit na výstavbové (= „na zelené louce“) a vestavbové - využívají instalace lehčených fermentačních komor do nevyužívaných objektů - v zemědělství např. seníky, ocelokolny, kravíny, apod.. Principiálně lze technologii navrhovat jako jedno případně vícestupňovou (investičně a provozně náročnější). Příkladem diskontinuální technologie je např. ENBEA®Bots – princip viz následující obrázek:

Obr. č. 3 – Technologie ENBEA®Bots (suchá fermentace, diskontinuální technologie)

Pro potřeby inokulace/očkování je využíváno jednak pravidelné vstřikování tzv. perkolátu (látka s obsahem vhodných kultur anaerobních mikororganismů) a přídavků části fermentačního zbytku z předchozího cyklu do čerstvé dávky substrátu. Podrobnější popis překračuje rámec a přehlednost těchto webových stránek.

Kontinuální technologie jsou doprovázeny vysokou investiční a provozní náročností a jsou využívány zpravidla pro zpracování komunálních a tříděných domovních odpadů. Reakční objem bývá rozdělen na několik fermentorů. Běžně jsou využívány ležaté fermentory (válcové i komorové) s 1 pomaloběžným míchacím zařízením, uloženým napříč celým fermentorem.

Konkrétním příkladem technologie je např. systém KOMPOGAS. Tento systém využívá železobetonové reaktory ve tvaru plynotěsných komor. Dávkování BM do reaktoru zajišťuje hydrulický dopravní systém, který odebírá biomasu z mezizásobníku a „postrkuje“ ji přes předehřívací trubkový výměník tepla (provedení „trubka v trubce“) do zadní části reakční komory. Pohyb, míchání a vyprazdňování reaktoru zajišťuje šnekový dopravník, který je uložen uvnitř reakční komory. Vyprazdňování fermentačního zbytku probíhá na čele reakční komory, odkud je pro další zpracování odebírán systémem dopravních cest. Konkrétní příklad realizace je uveden v sekci „Zajímavé projekty BPS“ – projekt Passau, Bavorsko SRN.

Srovnání technologií

Mokré technologie mají širší uplatnění, jsou historicky rozšířenější, technicky propracovanější a jsou dobře provozně prověřené. Bohatší technologická výbava a příslušenství (např. míchadla, čerpadla, drtiče, separace, …) zvyšuje provozní náklady (spotřeba elektřiny, servis a údržba) a četnosti poruch.

Suché technologie byly původně navržené pro zpracování komunálních bioodpadů. Vzhledem k nové přísnější legislativě se však domníváme, že v podmínkách ČR bude využitelná především v zemědělských provozech, kde jsou k dispozici pouze vysokosušinové substráty. Problematičtější bude uplatnění v komunálních a průmyslových projektech (technicky obtížnější splnění legislativních požadavků). Největším problémem je malý počet realizací (nedostatek „referenčních informací“), což se však může časem změnit.

Z hlediska četnosti lze konstatovat, že silně převažují aplikace mokré fermentace nad suchou. Je to dáno historií, neboť většina BPS je stavěna u intenzivních chovů zvířat. Také je nutné konstatovat, že k suchým technologiím existuje poměrně silná nedůvěra investorů a některých odborníků. Literární prameny uvádí, že stávající aplikace suché cesty mívá, ve srovnání s mokrou, nižší specifické výtěžnosti BP. Je třeba si ovšem uvědomit, že suché fermentory zpracovávají substráty s cca 3-4 násobným obsahem organické hmoty oproti reaktorům na mokrou cestu. Suché technologie jsou zpravidla využívány u BPS, které zpracovávají komunální a domovní odpady. V zemědělství ji lze zaznamenat jen zcela výjimečně. Nicméně je nutné si uvědomit, že každá technologie má své výhody a nevýhody. Např. suchou fermentaci lze použít i u BM, kterou nelze mokrou cestou jednoduše zpracovat (např. podestýlky na bázi pilin – v mokré cestě tvoří krusty, ucpávají čerpadla, nedokonale vytříděné bioodpady - příměsi plastů, dřeva, kovů, zeminy, atd.).

Z výše uvedeného stručného popisu je patrné, že je vždy nutné navrhovat technologii pro každý projekt individuálně. Samozřejmým a zcela základním dokumentem je proto studie proveditelnosti, která řeší všechny aspekty záměru a budoucího provozu, a to vč. využití přebytků tepla.