VLIV IRADIACE ULTRAZVUKEM NA PRODUKCI BIOPLYNU

Transkript

1 VLIV IRADIACE ULTRAZVUKEM NA PRODUKCI BIOPLYNU Ing. David Hrušťák Školitel: Prof. Ing. Pavel Ditl, DrSc. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav procesní a zpracovatelské techniky, David.Hrustak@fs.cvut.cz Abstrakt Článek se zabývá úpravou substrátu pomocí iradiace ultrazvukem a jejím vlivem na produkci bioplynu. Cílem práce je prokázání pozitivního účinku iradiace, nalezení optimálních parametrů (výkon, intenzita a doba působení). Experimenty jsou prováděny na fermentorech v paralelním uspořádání (ošetřený vs. neošetřený). Závěrem bude vyhodnocení vlivu iradiace ultrazvukem na produkci bioplynu. Klíčová slova: bioplyn, anaerobní fermentace, intenzita ultrazvuku, substrát, inokulum 1. Úvod Se zvyšující se poptávkou po obnovitelných zdrojích energie vyvstala otázka, jak ze současných zařízení produkujících bioplyn dostat ještě větší produkci. Bylo zjištěno, že úpravou vstupního substrátu se zvýší produkce bioplynu. V současné době se používají mechanické nebo nemechanické metody (fyzikální, chemické nebo biologické procesy). Všechny tyto metody mají pozitivní vliv na produkci bioplynu, ale také mají různé požadavky na svou spotřebu energie. Proto se nyní snažíme najít jiné metody, které také přinesou pozitivní vliv na produkci bioplynu, ale zároveň se sníží jejich požadavky na energii. Právě touto metodou by mohla být iradiace ultrazvukem. Použití této metody by mohlo být efektivní nejen po energetické, ale i ekonomické stránce. 2. Iradiace ultrazvukem Předpokladem je, že se zvolí taková intenzita ultrazvuku, která nezpůsobí kavitaci, tj. buňky nejsou porušeny. Ultrazvuk má za úkol v tomto případě pouze povzbudit - stimulovat - aktivitu mikroorganismů, která způsobí zvýšení tvorby bioplynu a urychlení celého procesu fermentace. Mezi nejdůležitější parametry ultrazvuku (US) řadíme: Tabulka 1. Nejdůležitější parametry iradiace VÝKON P [W] FREKVENCE f [khz] INTENZITA I [W.cm -2 ] DOBA ZDRŽENÍ t [s] CELKOVÁ DOBA [min] PŮSOBENÍ US tcelk SPECIFICKÝ [W.cm -3 ] VÝKON Pv

2 2.1. Růstová křivka mikroorganismů, aplikace ultrazvuku Produkce bioplynu závisí na růstové křivce mikroorganismů, ta se dělí do několika fází. Tyto fáze jsou zobrazeny na následujícím obrázku 1. Tabulka 2. Jednotlivé fáze růstové křivky Obr. 1. Růstová křivka mikroorganismů Aplikace ultrazvuku probíhá ve druhé fázi, tj. ve fázi zrychleného růstu, kdy se přizpůsobené mikroorganismy začínají silně množit (v našich experimentech cca po 2 hodinách). První parametry nastavení ultrazvuku vycházely z literární rešerše dříve prováděných experimentů. Zde jsme se zaměřovali na hodnotu intenzity, kdy jsme používali hodnotu cca,3 W/cm 2. Tyto nastavení při námi používaném ultrazvuku BANDELIN 1 neprokazovali vliv na produkci bioplynu. Po tomto zjištění byly optimalizovány nastavované parametry na zařízení BANDELIN 1 ovlivňující produkci bioplynu. Výzkum byl založen na předchozích experimentech, které byly dosaženy na naší univerzitě pod záštitou projektu BIOFERM. Bylo zjištěno, že specifická energie J/cm 3 je jedním z hlavních parametrů. Hledali jsme nejvhodnější hodnotu specifické energie poskytující nejvyšší produkci bioplynu. Dále bylo nezbytné najít optimální nastavení parametrů ohledně ultrazvuku a optimální otáčky čerpadla. Obrázek 2 ukazuje závislost produkce bioplynu na specifické energii.

3 6 V [Nl/kg VS] , 2,33 4,67 4,67 1, 12,63 1, 2, 4, 6, 8, 1, 12, specification energy [J/cm 3 ] 14, Obr. 2. Závislost produkce bioplynu na specifické energii 3. Experimenty 3.1. Měřící zařízení Experimenty jsou prováděny v poloprovozním měřítku za použití dvou fermentorů. Experimenty probíhají paralelně, kdy jeden fermentor je ošetřován a druhý nikoli. Schéma zapojení fermentoru a ultrazvuku je na obr. 3 1 Fermentor 2 Čerpadlo 3 Ultrazvuk 4 Průtokoměr 5 Analyzátor plynu 6 Zásobník NaOH Čerpadlo na úpravu 7 ph 8 Monitoring Obr. 3. Schéma experimentálního zařízení Pro ošetřování se používá zařízení BANDELIN M 1 (max. výkon 1 W rozsah nastavitelnosti po 1 W, frekvence 4 khz), které umožnilo plynulé nastavení intenzity.

4 Obr. 4. Ultrazvukový generátor a komora BANDELIN M Substrát Jako substrát používáme kukuřičnou siláž ze ZOD Brniště. Siláž se jeví jako nejdostupnější a nejlepší substrát pro experimenty. Složení používané siláže jsou uvedeny níže v tabulce 3. Tabulka 3. Prvkové složení siláže Ukazatel Jednotka Sušina 15ºC % hm. Uhlík % hm. suš. Organický uhlík % hm. suš. Síra.36 % hm. suš. Fosfor.14 % hm. suš. Dusík.97 % hm. suš. Vodík 6.26 % hm. suš. Kyslík (dopočítaný) % hm. suš. 3.3 Inokulum Inokulum představuje již fermentovaný odpadní kal z čistírny odpadních vod použitý z České Lípy. Složení inokula je ukázáno v tabulce č. 4. Tabulka 4. Prvkové složení inokula Ukazatel Jednotka CHSK Cr 223 mg/l Sušina 15ºC.69 % hm Popel 55 C % hm. suš 3.4. Parametry ultrazvuku Parametry ultrazvuku byly zvoleny na základě nových studijních materiálů, což ukazuje tabulka 5.

5 Tabulka 5. Parametry používané při experimentech experiment 1 2 frekvence US khz 4 4 výkon W 2 2 plocha cm objem l 2,8 2,8 intenzita W/cm 2,88,88 průtok l/min 3,2 3,2 čas min doba zdržení min,875,875 energie kj specifická energie J/cm 3 4,67 4, Vyhodnocení experimentů Vyprodukované množství bioplynu bylo přepočítáno pomocí stavové rovnice na Nl při teplotě: C a následujícím tlaku: 11,325 kpa. Experiment V [Nl/kg VS] treated non treated time [h] Obr. 5. Kumulovaná produkce bioplynu

6 3 25 VCH4 [Nl/Kg VS] treated non treated time [h] Obr. 6. Kumulovaná produkce metanu Volumetric fraction [%] time [h] Obr. 7. Objemové složení bioplynu v průběhu experimentu CH4 treated CH4 non treated CO2 treated CO2 non treated O2 treated O2 non treated Tabulka 6. Vyhodnocení experimentu 1 V [Nl/kg VS] V CH4 [Nl/kg VS] x CH4 max [%] fermentace s ošetřením 539,89 271,39 81,12 fermentace bez ošetření 471,89 242,8 79,71 Produkce bioplynu se zvýšila o 14,4 %, produkce metanu se zvýšila o 11,8 %. Z grafu produkce bioplynu je u ošetřeného fermentoru vidět rychlejší nástup produkce bioplynu, což také dokládá pozitivní vliv použití iradiace. Vliv iradiace na produkci bioplynu zde byl prokázán.

7 Experiment V [Nl/kg VS treated non treated time[h] Obr. 8. Kumulovaná produkce bioplynu VCH4 [Nl/Kg VS] treated non treated time[h] Obr. 9. Kumulovaná produkce metanu 9 Volumetric fraction [%] time[h] CH4 treated CH4 non treated CO2 treated CO2 non treated O2 treated O2 non treated Obr. 1. Objemové složení bioplynu v průběhu experimentu

8 Tabulka 7. Vyhodnocení experimentu 2 V [Nl/kg VS] V CH4 [Nl/kg VS] x CH4 max [%] fermentace s ošetřením fermentace bez ošetření Produkce bioplynu se zvýšila o 22, %, produkce metanu se zvýšila o 16,6 % 4. Závěr Na provedených experimentech byl prokázán vliv iradiace na produkci bioplynu. Použité nastavení parametrů ultrazvuku je znázorněno v tabulce 8. Tabulka 8. Nastavované parametry experimentů experiment 1 2 frekvence US khz 4 4 výkon W 2 2 plocha cm objem l 2,8 2,8 intenzita W/cm 2,88,88 průtok l/min 3,2 3,2 čas min doba zdržení min,875,875 energie kj specifická energie J/cm 3 4,67 4,67 V obou dvou případech byly použity stejné parametry. Tyto zvolené parametry měly pozitivní vliv na produkci bioplynu a metanu. Dosažené produkce jsou zobrazeny v tabulce 9. Tabulka 9. Vyhodnocení experimentů V [Nl/kg VS] V CH4 [Nl/kg VS] x CH4 max [%] 1 fermentace s ošetřením fermentace bez ošetření fermentace s ošetřením fermentace bez ošetření Hodnoty v tabulce 9 vykazují nárůst produkce bioplynu o 14,4 % v pokusu 1 a 22, % nárůst v pokusu 2. Produkce metanu je navýšena zhruba o 11,8 % v prvním pokusu a o 16,6 % v pokusu druhém. Můžeme tedy konstatovat, že byl prokázán vliv iradiace na produkci bioplynu. Poděkování: Tato práce byla řešena za podpory projektu MSM Ministerstva školství.

9 Seznam použité literatury [1] SERRANO GIL, Effect of ultrasonic irradiation on biogas production. Prague 211. Master thesis. CTU in Prague [2] XIE, B., LIU, H., YAN, Y. Improvement of the activity of anaerobic sludge by low-intensity ultrasound. Journal of Environmental Management. 27. Volume 9, pages [3] LIU, H., YAN, Y., WANG, W., YU, Y. Low intensity ultrasound stimulates biological activity of aerobic activated sludge. Environ. Sci. Engin. China. 27, no 1, pages [4] DANĚK, Vliv aktivace ultrazvukem na zvýšení produkce bioplynu (Influence of ultrasound activation on raising biogas production). Prague, 29. pp 82. Master thesis. CTU in Prague. [5] SVITÁKOVÁ, Vliv ultrazvuku na provoz bioreaktorů. Prague, 21. Disertation thesis. CTU in Prague