Vysoká škola chemicko technologická v Praze Ústav technologie vody a prostředí TEORETICKÉ ZÁKLADY ANAEROBNÍ FERMENTACE Prof.Ing. Michal Dohányos, CSc 1
Proč Anaerobní fermentace a BPS? Anaerobní fermentace je jedním z nejefektivnějších způsobů využití energie z různých druhů biomasy, kdy organické látky jsou mikroorganizmy transformovány na energii ve formě bioplynu (CH 4 +CO 2 )
Jak zabezpečit dobrou funkci BPS? Požadavky procesu zajištění co nejpříznivějších podmínek pro všechny zúčastněné skupiny mikroorganizmů. Požadavky technologie spolehlivost jednotlivých technologických komponent - zabezpečení požadavků procesu
Časté příčiny nedostatečné funkce bioplynových stanic: a) špatné provozování z neznalosti vlastního fermentačního procesu, b) chyby při výběru technologie, c) chyby v projekci a konstrukci, d) neadekvátní snahy o úspory v investičních a provozních nákladech.
Je anaerobní reaktor černou skřínkou? Suroviny Elektrická energie MG Teplo? Fermentační zbytek
Schéma anaerobního rozkladu za tvorby bioplynu komplexní polymery (polysacharidy, proteiny, lipidy) 1. Hydrolýza + acidogeneze 2. Acetogeneze 1 H 2 +CO 2 monomery (monosacharidy, aminokyseliny, vyšší mastné kyseliny) nižší mastné kyseliny 2 2 (C>2) 1 1 1 Kys octová 3. metanogeneze 3 CH 4 + CO 2 3
Tok uhlíku za rovnovážného stavu procesu, kdy metanogeny jsou v plné aktivitě. Komplexní organické látky 51 % 30 % 19 % Kys octová 19 % 11 % Meziprodukty (kyseliny C 3, C 4, ic 4, C 5, ic 5, C 6 ) H 2, CO 2 70 % 30 % CH 4 + CO 2
Tok uhlíku při i inhibici nebo nepřítomnosti metanogénů Komplexní organické látky 10-30 % 50-70 % 20-30 % Kys octová Meziprodukty nízkomolekulární org.. látkyl tky, kyseliny: (C 3, C 4, ic 4, C 5, ic 5, C ), 6 organické sulfidy, aminy, H 2 S, NH 4 a další H 2, CO 2
Nejdůle ležitější faktory ovlivňuj ující anaerobní procesy Teplota ph Složen ení substrátu tu Toxické a inhibující látky Technologické podmínky (d míchání,, doba zdržen ení) (dávkování,
Limit toxicity volného amoniaku obsah nedisociovaného NH3 [mg/l] 100 80 60 40 ph 8.0 ph 7.5 20 ph ph 7.0 7.0 ph 6.5 0 0 1000 2000 3000 4000 (NH + 4 + NH 3 ) obsah [mg/l]
Řízení a stabilita procesu
Na čem závisz visí stabilita procesu? Stabilita procesu závisz visí na skupině faktorů,, které musí být v dynamické rovnováze: 1. na chemickém složení, na chemické a fyzikální struktuře daného materiálu a jeho biologické rozložitelnosti, 2. na přítomnosti vhodného druhu mikrobiálních společenstev a enzymových systémů, 3. na technologických podmínkách procesu (teplota, ph, zatížení, doba zdržení, míchání, přítomnost toxických nebo inhibujících látek, uspořádání fermentace a dalších.)
Mikrobiáln lní společenstv enství Směsn sná kultura mikroorganizmů, její složení závisí na: Použitém inokulu a následném zapracování, Druhu substrátu (jeho chemické a fyzikální struktuře), Podmínkách kultivace (teplota, doba zdržení, ph).
Indikátory stavu procesu V plynné fázi: množství produkovaného bioplynu, složení bioplynu - CH 4, CO 2, H 2, CO, H 2 S.
Indikátory stavu procesu V kapalné fázi: ph, CHSK, jednotlivé mastné kyseliny, amoniakáln lní dusík, kyselinová a zásadováneutralizační kapacita,
Indikátory stavu procesu V tuhé fázi: koncentrace susp.. látek l a jejich organická frakce, sledování aktivity biomasy, hnojivé vlastnosti, sedimentační a filtrační vlastnosti susp. látek.
Faktory způsobuj sobující nestabilitu procesu: změny teploty procesu, změny v zatížení organickými látkami, změny složení nebo vlastností zpracovávaného materiálu, hydraulické přetížení (zkrácení doby zdržení), expozice toxickými látkami (NH 3, H 2 S,).
Odezvy systému Zvýšen ení produkce mastných kyselin a změna jejich složen ení. Snížen ení produkce a změna složen ení bioplynu. Snížen ení ph. Kolaps systému.
Reaktorová technika Mokrá fermentace - (fermentace v suspenzi) - sušina méně něž 15-20 % - reaktory podobné konvečním směšovacím reaktorům pro stabilizaci kalů, Suchá fermentace sušina nad 20 % - speciální rektory, svislé nebo horizontální, pracující na principu pístového toku. Část stabilizovaného materiálu se musí recyklovat jako inokulum pro čerstvou dávku.
Jednostupňový ový nebo více v stupňový proces? Jednostupňový ový proces (směšovací reaktor) Dvou stupňový proces (oodělení fází) Jednostupňový ový proces ve více v reaktorech (přiblížení se k postupnému toku) V prvním m reaktoru probíhá pouze hydrolýza a acidogeneze Suchá fermentace, nad 20 % suš.
Další produkce bioplynu z 1 m 3 digestátu Kumulativní prod.bp (m 3 ) 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 mezo psychro 0 20 40 60 80 100 Doba pokusu (dny) Charakteristika digestátu před pokusem ph Sušina vzorku Organická sušina Ztráta žíháním doba zdržení prod. z 1 m3 substrátu obmj.prod. BP 8,0 22,4 13,2 58,8 50-60 70,0 1,5 g/l g/l % dní m 3 m 3 /m 3 N-amon C2 - octová C3 - propionová ic4 - izo máselná C4 - máselná ic5 - izo valerová C5 - valerová C6 - kapronová 4295,7 330,1 4,9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l
Zapracování bioplynového reaktoru. Zapracování je prakticky nejdůležitější fází provozu anaerobního reaktoru. Na něm závisí doba, za kterou je dosaženo ustáleného stavu provozu a v neposlednířadě i stabilita a účinnost provozu. Zapracování zahrnuje tyto fáze: adaptaci biomasy na daný substrát a dané podmínky, nahromadění (akumulaci) takového množství aktivní biomasy, aby reaktor byl schopný zpracovávat požadované zatížení.
Vztah mezi konc.. amoniaku a mastných kyselin N- amon C2 - octová C3 - propion ová ic4 - izo máselná C4 - máselná ic5 - izo valero vá C5 - valero vá C6 - kaprono vá 3240 347 18 1 0 0 0 0 4462 782 13 1 0 4 0 0 4996 3537 692 54 10 66 10 1 9922 3810 10280 1060 104 3390 182 26 9329 3280 9740 760 54 3000 104 12 10039 15350 8880 753 420 2750 350 110 9175 9140 5380 350 110 1295 94 17 10122 26100 11720 1170 1890 3770 530 500 8174 6290 6200 160 90 1160 60 10
Kontrola procesu Porovnání skutečného výkonu a zatížení 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 [kwh/d] Zatížení or. suš. [kg/m3 d], Amoniak [g/l], Spec.prod. [m3/kgorg.suš.] skutečný výkon Zatížení Amoniak spec.produkce 6 5 4 3 2 1 0-1 12.2.2007 29.1.2007 15.1.2007 1.1.2007 9.4.2007 26.3.2007 12.3.2007 26.2.2007 7.5.2007 23.4.2007 4.6.2007 21.5.2007 2.7.2007 18.6.2007 27.8.2007 13.8.2007 30.7.2007 16.7.2007 22.10.2007 8.10.2007 24.9.2007 10.9.2007 3.12.2007 19.11.2007 5.11.2007 17.12.2007