Výukové materiály projektu NAUČÍME VÁS, JAK BÝT EFEKTIVNĚJŠÍ VÝROBA BIOPLYNU Výukové materiály vznikly za finanční pomoci Revolvingového fondu Ministerstva životního prostředí. Za jejich obsah zodpovídá výhradně SŠ-COPTH, Praha 9, Poděbradská 1/179 a nelze jejich obsah v žádném případě považovat za názor Ministerstva životního prostředí.
VÝROBA METANOLU (BIOPLYNU) Z ORGANICKÝCH ODPADŮ Anaerobní fermentace (digesce), neboli metanogenní kvašení, zahrnuje rozklad organických látek bez přístupu vzduchu (kyslíku) pomocí směsné kultury mikroorganismů při tvorbě bioplynu. K tomuto procesu za určitých podmínek dochází jednak samovolně v přírodních podmínkách bez přičinění lidského faktoru (např. na dně rybníků, v bažinách a v močálech) nebo také v účelových technologických procesech. Odpadní organické látky vznikají při potravinářské výrobě (jatka, mlékárny, lihovary) a dále pak v zemědělství, kde se jedná o rostlinné zbytky a odpady, tekutý hnůj z chovu prasat a skotu atd. (Baere, 1986) - disertace. Bioplyn a bioplynové systémy představují energetické zdroje s vysoce pozitivními přínosy pro ochranu a tvorbu životního prostředí. Přestože bioplyn zatím není schopen vytlačit fosilní paliva z jejich dominantního postavení na trhu s energiemi, má na rozdíl od nich zcela neomezené perspektivy pro budoucí využití. Bioplynové systémy ve všech možných uspořádáních pracují jako plně obnovitelné energetické zdroje transformující i spoluvyužívající solární energii. Veškeré i pomocné technologie lze v těchto systémech řešit jako ekologicky příznivé procesy a to i v těch případech, kdy se jedná například o zpracování substrátů bohatých na síru. V posledních letech stále stoupá počet bioplynových stanic, např. v roce 2001 bylo evidováno na území ČR 6 provozoven, v roce 2010 to bylo již 174 bioplynových stanic. Termín bioplyn v posledních letech 20. století zcela zobecněl a stal se nejen běžně rozšířeným mezi technickou odbornou veřejností, nýbrž i jistým synonymem čehosi
ekologicky příznivého v majoritní laické veřejnosti. Snad právě díky popularizačním pokusům masmedií nejrůznějších typů i odborných úrovní byl v laické veřejnosti fixován dojem, že bioplyn je sice možná páchnoucí, nicméně užitečný a ekologicky čistý plyn vznikající v živých organismech resp. působením těchto organismů. V tomto směru je třeba přiznat, že ani mezi odbornou veřejností není definice bioplynu zcela jednoznačná. Přestože se toto druhové odlišení jisté skupiny plynů široce využívá, je aplikace daného termínu dosti volnou usancí. Nicméně současná technická praxe přiřadila souhrnný termín bioplyn výlučně pro plynný produkt anaerobní metanové fermentace organických látek uváděné též pod pojmy anaerobní digesce, biometanizace, biogasifikace anebo vyhnívání (u čistírenských kalů). Názvem bioplyn je obecně míněna plynná směs metanu a oxidu uhličitého. Metanová fermentace je soubor několika dílčích, na sebe navazujících procesů, na kterých se podílí několik základních skupin anaerobních mikroorganismů. Produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává substrátem skupiny druhé a proto výpadek jedné skupiny může způsobovat poruchy v celém systému. Fáze anaerobní fermentace: 1. fáze HYDROLÝZA začíná v době, kdy prostředí obsahuje vzdušný kyslík. Předpokladem pro její nastartování je mimo jiné dostatečný obsah vlhkosti nad 50 % hmotnostního podílu. Hydrolytické mikroorganizmy ještě nevyžadují striktně bezkyslíkaté prostředí. Enzymatický rozklad mění polymery (polysacharidy, proteiny, lipidy ) na jednodušší organické látky (monomery). (Kára, Pastorek a Přibyl, 2007) 2. fáze ACIDOGENEZE produkty hydrolýzy jsou uvnitř buňky nadále rozkládány na jednodušší látky kyseliny, alkoholy, oxid uhličitý (CO 2 ), vodík (H 2 ), jejichž fermentací se tvoří řada konečných produktů. Při nízkém tlaku vodíku jsou produkovány hlavně kyselina octová, H 2 a CO 2. Při vyšší koncentraci H 2 jsou vytvářeny vyšší organické kyseliny, kyselina mléčná a etanol (Mackie a Bryant, 1981); 3. fáze ACETOGENEZE je někdy označována jako mezifáze. V tomto stadiu probíhá oxidace vyšších produktů acidogeneze na H 2, CO 2 a kyselinu octovou. Velmi důležitou mikrobiální strukturou jsou zde syntrofní acetogenní bakterie produkující H 2 (rozkládají organické kyseliny vyšší než octovou, hlavně propionovou, alkoholy a aromáty). Jejich těsná součinnost s dalšími skupinami mikroorganizmů, které následně spotřebovávají jimi vytvořený H 2 (metanogeny, sulfát redukující bakterie), je pro ně nezbytná. Přebytek H 2 v systému totiž inhibuje činnost těchto acetogenních mikroorganizmů a tím produkci metanogenních substrátů v systému (Dohányos, et al., 2000); 4. fáze METANOGENEZE metanogenní acetotrofní bakterie rozkládají především kyselinu octovou (CH 3 COOH) na metan CH 4 a oxid uhličitý CO 2. Hydrogenotrofní bakterie produkují metan CH 4 z vodíku H2 a oxidu uhličitého CO2. Určité kmeny metanogenních bakterií se chovají jako obojetné. Jako klíčový moment produkce metanu je přenos vodíku mezi acetogenními a metanogenními bakteriemi (Sahm, 1981).
Rozdělení zařízení na výrobu bioplynu: Dle dávkování surového materiálu: 1. diskontinuální - doba jednoho pracovního cyklu odpovídá době zdržení materiálu ve fermentoru 2. semikontinuální - doba mezi jednotlivými dávkami je kratší než doba zdržení materiálu ve fermentoru 3. kontinuální plnění fermentorů, které jsou určeny pro zpracování tekutých organických odpadů s velmi nízkým obsahem sušiny. Dle vlhkosti zpracovávaného matriálu: 1. Bioplynové technologie na zpracování tuhých materiálů - vysokosušinové s podílem sušiny 18 30 %; výjimečně až 50 %. 2. Bioplynové technologie na zpracování tekutých materiálů s nízkým podílem sušiny 0,5 3 % a negativní energetickou bilancí, resp. s vyšším podílem sušiny 3-14 % a pozitivní energetickou bilancí). 3. Bioplynové technologie kombinované Schéma zařízení na výrobu bioplynu Potenciál produkce bioplynu závisí na obsahu organického podílu sušiny materiálu. Čím více bioplynu vznikne, tím více organické sušiny bude odbouráno. Teplotní pásma, při kterých probíhá metanogenní proces (viz výše), se dělí na tři oblasti: Psychrofilní 15 20 C Mezofilní 35 40 C Termofilní kolem 55 C
Minimální teplota, při které proces začíná probíhat, je 4 C. Pro každé teplotní pásmo existují různé kmeny metanogenních bakterií aktivizujících svoji činnost podle teploty prostředí. Závislost produkce bioplynu na teplotě fermentačního procesu Na čem závisí stabilita procesu? Stabilita procesu, tj. udržení dynamické rovnováhy, je ovlivňováno řadou faktorů, které buď mění přímo životní prostředí mikroorganismů (což je např. teplota, ph, nutrienty, toxické látky), nebo musí být brány v úvahu při návrhu a posuzování anaerobního reaktoru. Vliv teploty. Teplota podstatně ovlivňuje interakce mezi jednotlivými druhy mikroorganismů. Odezva mikroorganismů na změnu teploty je u všech druhů kvalitativně stejná, avšak kvantitativně může být úplně odlišná. To znamená, že změnou teploty se mění rychlosti probíhajících pochodů, což má za následek porušení dynamické rovnováhy procesu, a může vést až k úplné havárii procesu. Dlouhodobá změna teploty vede ke změně zastoupení jednotlivých druhů mikroorganismů. Tvorba metanu probíhá v širokém rozmezí teplot (přibližně od 5 do 95 C). Většina anaerobních reaktorů pracuje při teplotách v mezofilní oblasti, tj. při 30 až 40 C, a část v termofilní oblasti, tj. při 45 až 60 C. V obou případech jsou reaktory vyhřívány. Obecně lze konstatovat, že pro udržení stability procesu je nutné zabezpečit konstantní teplotu. Změny teploty jsou tím nebezpečnější, čím je proces zatíženější, tj. čím je kratší doba zdržení a menší koncentrace biomasy v reaktoru. Vliv reakce prostředí - ph. Další závažný limitující faktor procesu je úzký rozsah ph, optimálního pro růst metanogenních mikroorganismů. Většinou vyžadují ph v neutrální oblasti (6,5-7,5), které je nutné uvnitř reaktoru udržovat, pod ph 6 a nad 8 je jejich činnost silně inhibována. Nejčastější příčinou výkyvu ph je jeho pokles vlivem přetížení reaktoru, kdy produkce kyselin rychlejšími mikroorganismy předmetanizační fáze (první a druhá skupina) je vyšší, než jejich spotřeba, a dochází k jejich akumulaci v systému. Avšak při vysoké koncentraci amoniaku, tj. při vysokých hodnotách alkality, ph není citlivým ukazatelem. Proto je třeba řídit zatížení podle množství a složení mastných kyselin v médiu, aby nedošlo
ke zhroucení procesu, nebo udržovat dostatečnou neutralizační kapacitu přídavkem alkalizačních činidel. Přítomnost nutrientů. Pro zapracování a provoz reaktorů je nutný správný poměr N a P k organickým látkám. Z bilance produkce biomasy se udává potřebný poměr živin jako CHSK : N : P v rozmezí od 300 : 6,7 : 1 až 500 : 6.7 : 1. Vedle dusíku a fosforu je žádoucí přítomnost řady mikronutrientů - Na, K, Ca, Fe, S, Mg, Se, W, důležitá je také přítomnost řady růstových faktorů. Většinou u substrátů přirozeného původu je množství nutrientů postačující. Naopak, při anaerobní fermentaci kejdy nebo jiných živočišních exkrementů bývá vysoký přebytek amoniaku, který za zvýšeného ph může působit inhibičně až toxicky. Přítomnost toxických a inhibujících látek. Za toxické nebo inhibující látky pokládáme látky, které nepříznivě ovlivňují biologický proces. Nejčastěji se setkáváme s inhibičním působením nižších mastných kyselin a amoniaku. Zde je nutno upozornit, že v obou případech inhibičně působí tyto látky v nedisociované formě. To znamená, že inhibice těmito látkami bude závislá na ph a jejich celkové koncentraci v systému. Při nízkém ph mohou inhibičně působit mastné kyseliny, při vysokém amoniak. Dlouhodobou adaptací však lze vypěstovat biomasu, tolerující i vyšší koncentrace amoniaku, např. při zpracování slepičího trusu nebo prasečí kejdy může koncentrace amoniaku dosahovat v závislosti na koncentraci vstupujícího materiálu hodnot 6 g/l i více. Vliv technologických faktorů. Z technologických faktorů jsou nejdůležitější: míchání, doba zdržení. Obsah reaktoru musí být homogenní, tj. dobře promícháván, tak, aby byl umožněn co nerychlejší a nejdokonalejší kontakt mikroorganizmů se substrátem. Doba zdržení musí být dostatečně dlouhá, aby nedocházelo k vyplavování potřebných mikroorganizmů a aby bylo dosaženo potřebné účinnosti rozkladu. Vzhledem k tomu, že generační doby anaerobních mikroorganizmů jsou relativně dlouhé a to 0,5 až 12 dní pro různé skupiny mikroorganizmů, udržuje se doba zdržení v bioplynových reaktorech 20 až 40 dní. Přitom platí, že čím hůře je rozložitelný daný substrát, tím je generační doba příslušných baktérií delší. Zapracování bioplynového reaktoru. Zapracování je prakticky nejdůležitější fází provozu anaerobního reaktoru. Na něm závisí doba, za kterou je dosaženo ustáleného stavu provozu a v neposlední řadě i stabilita a účinnost provozu. Zapracování zahrnuje tyto důležité fáze: adaptaci biomasy na daný substrát a dané podmínky, nahromadění (akumulaci) takového množství aktivní biomasy, aby reaktor byl schopný zpracovávat požadované zatížení. Zapracování se provádí postupným zvyšováním zatížení substrátem za zvýšené kontroly průběhu procesu.. Rychlost zapracování závisí na: kvalitě a množství inokula. Čím větší množství inokula je k dispozici, tím rychleji proběhne zapracování,
rychlosti adaptace mikroorganismů inokula na daný substrát. Zde záleží na druhu, povaze a koncentraci organického znečištění i na druhu a koncentraci ostatních látek přítomných v zpracovávaném materiálu (na možnosti inhibice nebo toxického působení), rychlosti růstu metanogenních mikroorganismů. Nízké růstové rychlosti acetotrofních metanogenů jsou ve většině případů limitujícím faktorem úplného rozkladu substrátů. rychlosti vyplavování mikroorganismů odtokem. Z tohoto důvodu je nutno maximálně zabránit ztrátám zejména metanogenů odtokem, a to důkladnou separací biomasy a vracením do reaktoru nebo zadržováním biomasy v reaktoru (recirkulace biomasy). Význam a důležitost některých veličin. Produkce bioplynu Produkce bioplynu je často jediným sledovaným parametrem. Nepopisuje stav procesu, ale pouze jeho výsledek, a to pouze v korelaci s množstvím přivedených organických látek do reaktoru a se složením bioplynu. Koncentrace CH4 Koncentrace CH4 v bioplynu také není pravým indikátorem stability procesu, je spíše bilančním prvkem. Množství produkovaného metanu musí být v relaci s přiváděným zatížením. Koncentrace CO 2 v bioplynu Vypovídací hodnota tohoto indikátoru stability procesu nemá vždy stejnou váhu. Podstatně citlivějším indikátorem stability procesu je poměr koncentrace CH 4 a CO 2. Poměr CH4/CO 2 je dán charakterem organických látek v přítoku a při stabilním provozu se příliš nemění. Zvyšování koncentrace CO 2 v bioplynu souvisí se zvýšeným zatížením a vyčerpáním neutralizační kapacity. Nejnižší poměr CH 4 /CO 2 v bioplynu mají sacharidické substráty a je blízký jedné, jeho náhlé snížení indikuje nestabilitu procesu. Koncentrace vodíku Koncentrace vodíku v bioplynu patří mezi nejcitlivější indikátory stability procesu. Obecně lze konstatovat, že objevení se vodíku v bioplynu prakticky vždy signalizuje nestabilitu procesu. Sledování ph Tuto proměnnou nelze považovat za příliš citlivý indikátor stavu procesu. Monitorování ph a jeho regulace jsou nejvíce opodstatněné pro sledování reaktorů zpracovávající substráty, které při svém rozkladu nevykazují dostatečnou neutralizační kapacitu. Je známo, že ph je velice důležitým parametrem procesu, avšak za předpokladu dobrého míchání v reaktoru je regulace ph substrátu irelevantní, zvláště jestli je nízké ph substrátu způsobeno přítomností
organických kyselin. Rozhodující je vždy ph v reaktoru a pro jeho stabilitu je rozhodující neutralizační kapacita reakční směsi. Neutralizační kapacita Neutralizační kapacita reaktoru je tvořena hydrogenuhličitanovým systémem s amoniakem jako majoritním kationtem a je nejdůležitějším fyzikálně-chemickým faktorem pro udržení stability procesu. Význam nižších mastných kyselin při řízení procesu Nižší mastné kyseliny patří mezi jeden z nejcitlivějších indikátorů stavu (stability) procesu. Podstatně větší vypovídací hodnotu má sledování koncentrace jednotlivých mastných kyselin než celkové sumy mastných kyselin. Mezi nejdůležitější patří kyselina octová, kyselina propionová a kyselina máselná. Tyto proměnné indikují metabolickou aktivitu dvou nejcitlivějších skupin mikroorganismů, a to vodík produkujících acetogenů a acetotrofních metanogenů. Akumulace mastných kyselin v systému ukazuje na nerovnováhu mezi aktivitou mikroorganismů produkujících a rozkládajících mastné kyseliny, což je typickým znamením stresové situace v anaerobním reaktoru. Maximální koncentrace mastných kyselin, při které lze anaerobní proces udržet v ustáleném stavu, závisí na celé řadě faktorů zahrnujících složení substrátu, podmínky vlastní fermentace (zatížení, doba zdržení, teplota, neutralizační kapacita, adaptace biomasy, ph) a technologické uspořádání (jednostupňová nebo vícestupňová fermentace, hydraulické uspořádání reaktorů). Náhlé změny technologických podmínek, zejména teploty a zatížení, způsobují následné zvýšení koncentrace všech mastných kyselin. Nebezpečí tohoto zvýšení závisí na jeho velikosti a na volné výkonnostní kapacitě systému. Je-li systém na hranici své výkonnosti, pak i po malém zvýšení koncentrace mastných kyselin může nastat až kolaps systému. Výpočet základních parametrů bioplynové stanice na zpracování pevných materiálů s fermentačními jednotkami typu koš + zvon. Počet fermentačních jednotek: Při volném počtu fermentačních jednotek je potřeba vzít v úvahu: užitný objem fermentační jednotky denní produkci zpracovávaného materiálu, dobu zdržení materiálu ve fermentoru, soulad diagramů výroby a spotřeby bioplynu s využitím krátkodobé akumulace bioplynu Doba plnění fermentační jednotky:
VDJ velká dobytčí jednotka Například fermentor válcového tvaru o průměru D(m) a výšce L(m) zpracovávajícího slamnatou chlévskou mrvu od dojnic (ρ = 800 kg m -3, mvdj = 35 kg VDJ -1 den -1 ) platí: Dosadíme-li poměr výšky a průměru válcového fermentoru i = L/D, pak: Průměr válcového fermentoru: Z hlediska minimalizace tepelných ztrát povrchem fermentoru se často volí poměr i = 1 (tj. L=D), pak: V praxi se z konstrukčních a provozních důvodů používají fermentační koše ve tvaru komolého kužele s dolním průměrem D1 a horním průměrem D2. To usnadňuje manipulaci s koši, avšak zmenšuje užitný prostor fermentoru. zmenší se užitný prostor fermentoru tvaru komolého kužele (Vk) oproti válcovému (V) o p%:
Pro il=d = 1 je snížení objemu fermentoru: Pro snadnou manipulaci s fermentačním košem se v praxi volí k = 0,05 až 0,1, čemuž odpovídá zmenšení užitného prostoru fermentačního koše přibližně o 10 až 20 %. Výpočet množství vyrobeného bioplynu Výpočet energetického potenciálu bioplynové stanice zajímá především investora, projektanta provozovatele, kteří potřebují znát energetické zisky z BS (bioplynové stanice) pro rozhodování o realizaci BS, pro návrh BS a hodnocení skutečné ekonomické efektivnosti. Výpočet lze provést pomocí tabulkových údajů, kde tyto údaje byly získány z experimentálních pokusů. Nebo lze použít výpočet dle předpokládaného úbytku organické sušiny zpracovávaného materiálu. Předpokladem použití této metody je znalost měrné produkce bioplynu z jednotkového množství sušiny zpracovávaného materiálu. Známe-li hmotnost zpracovávaného vlhkého organického materiálu M (kg) a podíl vlhkosti w (l), vypočítáme hmotnost sušiny materiálu. Vyloučíme z výpočtu anorganický podíl v sušině (popeloviny), který se podle druhu materiálu pohybuje mezi 5 až 20% hmotnosti sušiny a získáme hmotnost sušiny organického podílu M S org. Množství vyrobeného bioplynu QBP vypočítáme: kde q je měrná produkce bioplynu pro daný materiál vztažená na jednotlivé množství organické sušiny (m3.kg-1). Další metodou jak vypočítat množství vyrobeného bioplynu, je výpočet dle chemického složení materiálu. Protože se v reaktorech stále více zpracovávají směsné materiály (např. exkrementy + fytomasa nebo vytříděný organický podíl komunálních odpadů atd.) používá se v takovém případě výpočet produkovaného bioplynu každé jednotlivé složky (uhlohydráty,
tuky, bílkoviny) zvlášť. Měrná produkce bioplynu z jednotlivých složek je uvedena v tabulce níže. Produkce metanu z jednotkového hmotnostního množství sušiny materiálu: Produkce metanu z jednotkového hmotnostního množství materiálu s podílem vlhkosti w: Produkce metanu z jednotkového hmotnostního množství organické sušiny materiálu (korekce vlivu obsahu popelovin): A nakonec vypočítáme měrnou produkci bioplynu:
Produkce bioplynu z různých materiálů Typy fermentorů Produkce bioplynu z čerstvého a silážovaného rostlinného materiálu Reaktor (fermentor) je základní technologickou částí anaerobního procesu, kde se rozmnožují mikrobiální kultury. Hlavní podmínkou pro dobrou činnost bakterií je udržení stálé teploty na optimální úrovni. Zajištění požadované teploty je prováděno pomocí ohřevu
kejdy přímo ve fermentoru nebo externě mimo fermentor. V prvním případě slouží jako topné médium horká voda přiváděná dovnitř reaktoru systémem zabudovaných topných hadů (kovových nebo plastových) kde dochází ke sdílení tepla. Tento systém se používá zejména u menších a středních nádrží. Druhou možností je provádění ohřevu externí cirkulací reaktorové směsi přes tepelné výměníky, do nichž je opět přiváděna topná voda. Tento způsob zároveň umožňuje kvalitní míchání reaktorové směsi. Pro ohřev teplé vody se využívají teplovodní kotle na spalování bioplynu nebo lépe kogenerační jednotky. U starších provozů se můžeme setkat s tzv. kombinovanými ohřívači, což je vlastně spojení kotle a výměníku do jedné jednotky. Nevýhodou těchto ohřívačů je jejich nízká tepelná účinnost. Konstrukce výměníků mohou být řešeny systémem trubka v trubici, výměníky deskové a v současnosti nejvíce používané výměníky šroubovicové nebo spirálové. K cirkulaci kalu mezi reaktorem a výměníkem se používají kalová čerpadla. Reaktor musí být rovněž opatřen zařízením pro míchání kalu. To může být zabezpečeno pomocí čerpadla umístěného vně nádrže při externím ohřevu, které je často kombinováno s proplyňováním bioplynem. Toto proplyňování zajišťuje dmychadlo. Míchání stlačeným bioplynem je výhodné z hlediska zabránění usazování písku na dně nádrže a tvorbě kalového stropu na povrchu hladiny kalu. Anaerobní reaktorové systémy můžeme podle způsobu fixace reagující biomasy rozdělit na systémy prázdné, tedy reaktory, v nichž je biomasa nesena na reagujícím substrátu. Tyto systémy patří mezi reaktory tzv. suspenzní, a kromě míchadel, topných systémů anebo usměrňovacích vestaveb není v reaktorech žádná výplň na rozdíl od systémů, kde je biomasa fixována na náplních či vestavbách reaktorových nádob.
Anaerobní reaktorové systémy. Zcela výjimečné postavení mají reaktory na tuhou fázi. Tato zařízení byla speciálně vyvinuta pro fermentaci slamnatých hnojů resp. steliv i samotné slámy. Reakce v těchto zařízeních probíhají pomaleji, neboť tuhý odpad je vyskládán do velkých drátěných košů, v nichž je po naplnění překryt plynotěsným zvonem a ponechán fermentaci. Zařízení tohoto systému sice nemají takové problémy s vypouštěním odpadních vod, avšak na druhou stranu je systém velmi náročný na prostor, na čas, na manipulaci a reaktory prakticky nelze účinně vytápět, což zvláště v zimě vede ke zpomalení rozkladných procesů. Anaerobní biometanizační reaktory na tuhou fázi: a plnění koše, d portálový jeřáb, b překrývací zvon, e sběrné plynovody, c odebírání digesčního zbytku, f vodní uzávěrová jímka Většina anaerobních reaktorů kapalinových (suspenzích) je budována jako nádoby s volným prostorem, obzvláště v případech, kdy vstupní kapalina je suspenze s vysokým obsahem sušiny a s obsahem hrubších částic. Je-li reagujícím substrátem roztok anebo velmi jemná suspenze, jsou používány i různé druhy reaktorů s náplněmi či výplněmi. Reaktory, v nichž je biomasa fixována na pevném nosiči anebo na výplních aparátů anebo je granulována a zdržuje se jako kalový mrak ve vznosu, dosahují vyšší zatížitelnosti oproti reaktorům prázdným, kde je reagující biomasa nesena zpracovávaným substrátem. Reaktorové systémy s fixovanou biomasou se používají více pro technologické zpracování odpadů v chemických a potravinářských technologiích (roztoky, koloidní roztoky, jemné suspenze), ale rovněž tak i v technologii čištění městských i průmyslových odpadních vod. Reaktory bezvýplňové s biomasou nesenou na substrátu jsou určeny především pro husté anebo nerovnoměrně granulované suspenze, které by ve fixovaných vrstvách a náplních nemohly být použity, neboť by docházelo k ucpávání reaktoru. Reaktory se konstruují v systémech jednoduchých anebo kombinovaných. Jednoduché systémy obsahují jeden nebo více reaktorů v sériovém anebo v paralelním řazení. Společným
znakem jednoduchých systémů je sdružený odběr bioplynu a liniový průtok reagující suspenze. Používané typy reaktorů pro metanizaci: A náplňový reaktor se vzestupným tokem s biofilmem na pevném násypu, B výplňový reaktor se sestupným tokem s biofilmem na trubkových nosičích, C horizontální reaktor s rotujícími disky (pro míchání i nesení biofilmu), D reaktor s fluidním ložem, E reaktor se stupňovým kalovým ložem, F hybridní reaktor Různé typy reaktorových bezvýplňových nádrží pro metanizaci: A historická štěrbinová (Imhoffova) nádrž, B nádrž s plovoucím nebo plynojemovým víkem, C železobetonová nádrž stojatá válcová s kónickými dny, D pneumaticky míchaná dvojčitá nádrž, E pulzační nádrž systém BIMA, F nádrž vejčitá s přepadovou komorou, G válcová nádrž s programově řízenými míchacími sektory (pohled shora), H horizontální nádrž s rotačním míchadlem Systémy anaerobní fermentace s biologickým pevným nebo fluidním ložem: 1. s fluidním ložem
2. s pevným biologickým ložem 3. kombinovaný systém 4. schéma reaktoru USBA (typ reaktoru Upflow Anaerobic Sludge Blanket) Tyto procesní varianty se též označují jako jednostupňová biometanizace (digesce) a to i když probíhají ve dvou sériově řazených reaktorech. Kombinované systémy, neboli dvoustupňová biometanizace (někdy nazývaná též dvoufázová digesce), mají nejméně dva reaktory s odlišným prostředím. Vstupní reaktor je někdy nazýván předreaktorem a probíhají zde s vyšší intenzitou acidogenní procesy. Bioplyn z těchto předreaktorů je částečně recyklován a z části je do následných mechanizačních stupňů přepouštěn jen probubláváním anebo sycením v přídavné nádrži. Plyn z této kyselé fáze obsahuje více CO 2 a někdy i vodík a nelze jej přímo mísit do vyrobeného bioplynu (Dohányos, M., 1997). Různé způsoby ohřevu a míchání reaktorových nádob jsou znázorněny na obr. 10. Systém vnitřního ohřevu s duplikátorovými stěnami anebo se složenými topnými hady se málo používá pro obtížné čištění (hady) a pro nízké hodnoty koeficientů prostupu tepla u duplikátorových soustav. Podobně není ani druhotná pára často využívána a tak zůstává hlavním způsobem otopu externí výměník, který je snáze oddělitelný pro opravy a čištění. Různé způsoby ohřevu reaktorů jsou znázorněny na obrázku. Různé způsoby otopu anaerobních reaktorů: A vnitřní výměník, D rekuperační výměník, B duplikátorový plášť, E přímotopná pára, C externí výměník Spotřeba energie na míchání anaerobních reaktorů je důležitým faktorem rozhodujícím při volbě míchacího postupu. Jen ve výjimečných případech však jsou míchací systémy provozovány nepřetržitě. Zcela běžné jsou krátké míchací periody a výrazně delší časové úseky, kdy je reaktor v klidu. Pro míchání biometanizačních reaktorů je důležité občasné přemístění reagující biomasy pro homogenizaci obsahu. Intenzívní nepřetržité míchání nezvyšuje vůbec výtěžky plynu. Jak bylo prakticky ověřeno, je třeba způsob i periodu míchání velmi pečlivě volit tak, aby nebyla získaná energie zbytečně mařena málo účelným mícháním. Rozhodně není nutné míchat anaerobní suspenzní reaktory zcela kontinuálně s podobnou intenzitou jako se děje například v procesech chemických technologií. Pro suspenzní
biometanizační reaktory postačí obyčejně aplikace míchání v časovém fondu 5 až 20% při využití klidových period v délce od 15 min. až do několika hodin. Příliš intenzivní míchání nepřináší žádné efektivní zvýšení tvorby metanu ani žádné zvýšení stupně konverze biologicky rozložitelné hmoty. Různé způsoby míchání anaerobních reaktorů: A míchání mechanické turbínové, D míchání pneumatické s pevnými vstupy, B míchání mechanické lopatkové, E míchání pneumatické programově řízené, C míchání hydraulické, F míchání hydraulické s odpěňovací sprchou Výpočet základních informativních parametrů fermentoru na tekutý materiál: co koncentrace sušiny na vstupu (kg.m-3) QBP množství vyrobeného bioplynu za den (m3.d-1) VR užitný objem reaktoru QO denní dávka surového materiálu za den do jednoho fermentoru (m3.a-1)
Uvedené výpočty lze jednoduše aplikovat na sériově, paralelně i kombinovaně řazené fermentory. Výpočet základních parametrů bioplynové stanice na zpracování pevných materiálů s fermentačními jednotkami typu koš + zvon. Počet fermentačních jednotek: Při volném počtu fermentačních jednotek je potřeba vzít v úvahu: užitný objem fermentační jednotky denní produkci zpracovávaného materiálu, dobu zdržení materiálu ve fermentoru, soulad diagramů výroby a spotřeby bioplynu s využitím krátkodobé akumulace bioplynu Doba plnění fermentační jednotky: VDJ velká dobytčí jednotka
Například fermentor válcového tvaru o průměru D(m) a výšce L(m) zpracovávajícího slamnatou chlévskou mrvu od dojnic (ρ = 800 kg.m-3, mvdj = 35 kg.vdj-1.den-1) platí: Dosadíme-li poměr výšky a průměru válcového fermentoru i = L/D, pak: Průměr válcového fermentoru: Z hlediska minimalizace tepelných ztrát povrchem fermentoru se často volí poměr i = 1 (tj. L=D), pak: V praxi se z konstrukčních a provozních důvodů používají fermentační koše ve tvaru komolého kužele s dolním průměrem D1 a horním průměrem D2. To usnadňuje manipulaci s koši, avšak zmenšuje užitný prostor fermentoru. zmenší se užitný prostor fermentoru tvaru komolého kužele (Vk) oproti válcovému (V) o p%:
Pro il=d = 1 je snížení objemu fermentoru: Pro snadnou manipulaci s fermentačním košem se v praxi volí k = 0,05 až 0,1, čemuž odpovídá zmenšení užitného prostoru fermentačního koše přibližně o 10 až 20 %. Energetický obsah bioplynu Bioplyn je směs plynů, z nichž hlavní jsou metan CH 4 a oxid uhličitý CO 2. Vzniká mikrobiálním rozkladem organické hmoty za nepřístupu vzduchu (tzv. anaerobní fermentací nebo digescí). Energeticky využitelný bioplyn je vyráběn ve specializovaných technologických zařízeních tzv. bioplynových stanicích. Bioplyn také vzniká v tělesech komunálních skládek, kde bývá pro další využití jímán systémem sběrných studní a čerpacích stanic. Hlavní výhřevnou složkou bioplynu je metan CH 4. V závislosti na původu bioplynu (= druh biomasy ze které vznikl) může obsahovat některé nežádoucí sloučeniny. Tyto komponenty mají především vliv na životnost vybraných technologických celků. Z hlediska legislativy ochrany ovzduší je nutno především věnovat pozornost dodržení emisních limitů sirnatých sloučenin v bioplynu. Proto jsou některé bioplynové stanice osazeny i odsiřovacími systémy bioplynu. Srovnání energetických parametrů různých druhů bioplynu uvádí následující tabulka. Parametr BP jímaný zeskládky odpadů Bioplyn (ČOV) 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 Bioplyn (prasečí kejda)
CO2 (%) 46 38 31 CH4 (%) 49 61 69 H2S (mg/m3) 350 1000 2300 Srovnání vlastností různých bioplynů. (výhřevnosti platí pro stav 15 C, 101 325 kpa) Teoretický potenciál je vyčíslená energie z veškerého množství bioodpadů. Dostupný potenciál je teoreticky možné využít v současnosti dostupnými technickými prostředky 2. Energetický obsah 1 m 3 biometanu je asi 10 kwh. Aby tato čísla byla lépe představitelná, převedeme je na elektrický výkon, tepelný výkon a v případě, že bychom biometan použili k pohonu motorových vozidel, tak uvedeme i počet osobních automobilů, který by bylo možné pohánět 3. Výsledek ukazuje následující tabulka. I když se jedná "pouze" o odpadní biomasu, potenciál je značný. Zajímavost Následující tabulka ukazuje teoretický potenciál využití energie z výkalů hospodářských zvířat. Pokud bychom například veškeré exkrementy jedné dojnice přeměnili na bioplyn, mohli bychom z toho množství ročně vyrobit 1 188 kwh elektrické energie a 1 800 kwh tepelné energie. Pokud bychom tento bioplyn vyčistili a použili k pohonu osobního automobilu na CNG, mohli bychom ujet vzdálenost 4 500 km. Pro srovnání: v čistírnách odpadních vod je u nás zpracováno asi 21 kg sušiny čistírenského kalu na jednoho obyvatele 4. Z tohoto množství můžeme hrubým odhadem získat 8,5 m 3 bioplynu, což odpovídá asi 17 kwh elektrické energie, 26 kwh tepelné energie a ujetí 65 km automobilem na CNG.
V roce 2006 bylo na území ČR vyprodukováno 175 000 tun (sušiny) čistírenských kalů z komunální sféry. Na kanalizaci bylo napojeno 8,2 mil. obyvatel ČR. Pouze asi 50 % čistírenských kalů je stabilizováno biologickou cestou. Tam, kde jsou čistírenské kaly stabilizovány pomocí anaerobní fermentace, je vzniklý bioplyn většinou používán k pokrytí energetických potřeb čistíren odpadních vod. Následující tabulka ukazuje teoretický energetický potenciál zpracování čistírenských kalů pomocí anaerobní fermentace. Budeme počítat s 60% obsahem metanu v bioplynu, s účinností kogenerační jednotky 33 % elektrickou a 50 % tepelnou. Pro převedení na množství automobilů poháněných biometanem (BM) předpokládáme spotřebu jednoho automobilu 8 m3 BM/100km a 20 tis. km najetých za rok. Výpočet množství vyrobeného bioplynu Výpočet energetického potenciálu bioplynové stanice zajímá především investora, projektanta provozovatele, kteří potřebují znát energetické zisky z BS (bioplynové stanice) pro rozhodování o realizaci BS, pro návrh BS a hodnocení skutečné ekonomické efektivnosti. Výpočet lze provést pomocí tabulkových údajů, kde tyto údaje byly získány z experimentálních pokusů. Nebo lze použít výpočet dle předpokládaného úbytku organické sušiny zpracovávaného materiálu. Předpokladem použití této metody je znalost měrné produkce bioplynu z jednotkového množství sušiny zpracovávaného materiálu. Známe-li
hmotnost zpracovávaného vlhkého organického materiálu M (kg) a podíl vlhkosti w (l), vypočítáme hmotnost sušiny materiálu. Vyloučíme z propočtu anorganický podíl v sušině (popeloviny), který se podle druhu materiálu pohybuje mezi 5 až 20% hmotnosti sušiny a získáme hmotnost sušiny organického podílu MS org. Množství vyrobeného bioplynu QBP vypočítáme: kde q je měrná produkce bioplynu pro daný materiál vztažená na jednotlivé množství organické sušiny (m 3 kg -1 ). Další metodou jak vypočítat množství vyrobeného bioplynu je výpočet dle chemického složení materiálu. Protože se v reaktorech stále více zpracovávají směsné materiály (např. exkrementy + fytomasa nebo vytříděný organický podíl komunálních odpadů atd.) používá se v takovém případě výpočet produkovaného bioplynu každé jednotlivé složky (uhlohydráty, tuky, bílkoviny) zvlášť. Měrná produkce bioplynu z jednotlivých složek je uvedena v tabulce níže. Produkce metanu z jednotkového hmotnostního množství sušiny materiálu: Produkce metanu z jednotkového hmotnostního množství materiálu s podílem vlhkosti w:
Produkce metanu z jednotkového hmotnostního množství organické sušiny materiálu (korekce vlivu obsahu popelovin): a nakonec vypočítáme měrnou produkci bioplynu: Produkce bioplynu z různých materiálů
Produkce bioplynu z čerstvého a silážovaného rostlinného materiálu