VLIV IRADIACE ULTRAZVUKEM NA PRODUKCI BIOPLYNU Ing. David Hrušťák, Cristina Serrano Gil Školitel: Prof. Ing. Pavel Ditl, DrSc. 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 PŮSOBENÍ US tcelk SPECIFICKÝ VÝKON Pv [min] [W.cm -3 ]
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 (v tabulce 3. nazvané dříve ) na námi používaném ultrazvuku neprokazovali vliv na produkci bioplynu. Proto jsme se pustili do nového hledání v literatuře. Byly nalezeny dvě studie, které se zabývali iradiací ultrazvukem v aerobním prostředí. Nastavení parametrů v těchto experimentech se shodovalo s nastavením v projektu BIOFERM, prováděném na naší fakultě. Zjistili jsme, že jedním z důležitých parametrů je specifická energie J/cm 3.Závislost rychlosti růstu mikroorganismů na specifické energie ukazuje následující obrázek 2.
Obr. 2. Závislost rychlosti růstu na specifické energii Po tomto zjištění byly optimalizovány nastavované parametry na ultrazvuku a otáčky na čerpadle. Jak dokládá následující tabulka 3 s uvedenými parametry, změnil se výkon, tím i specifická energie, a průtok inokula ultrazvukem. Tabulka 3. Nastavované parametry experiment 1 2 dříve frekvence US khz 4 4 4 výkon W 2 2 7 plocha cm 2 227 227 227 objem l 2,8 2,8 2,8 intenzita W/cm 2,88,88,38 průtok l/min 3,2 3,2 1 čas min 14 14 7 doba zdržení min,875,875 2,8 energie kj 168 168 294 specifická energie J/cm 3 4,67 4,67 81,67 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
Obr. 3. Schéma experimentálního zařízení 1 Fermentor 2 Čerpadlo 3 Ultrazvuk 4 Průtokoměr 5 Analyzátor plynu 6 Zásobník NaOH Čerpadlo na úpravu 7 ph 8 Monitoring Pro ošetřování se používá zařízení BANDELIN M 1 (max. výkon 1 W rozsah nastavitelnosti po 1 W, frekvence 4 khz), která umožňuje plynulé nastavení intenzity. Obr. 4. Ultrazvukový generátor a komora BANDELIN M 1 3.2. 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 4. Tabulka 4. Prvkové složení siláže Ukazatel Sušina 15ºC 25.37 Jednotka % hm. Uhlík 44.86 % hm. suš. Organický uhlík 44.46 % hm. suš. Síra.36 % hm. suš. Fosfor.14 % hm. suš. Dusík.97 % hm. suš. Vodík 6.26 % hm. suš. Kyslík (dopočítaný) 43.76 % hm. suš.
3.3. Inokulum Inokulum je vyfermentovaná odpadní voda z čistírny odpadních vod v České Lípě. Složení inokula je uvedeno níže. Tabulka 5. Prvkové složení inokula Ukazatel Jednotka CHSK Cr 223 mg/l Sušina 15ºC.69 % hm Popel 55 C 48.94 % hm. suš 3.4. Parametry ultrazvuku Parametry ultrazvuku, voleny na základě nových studijních materiálů, ukazuje tabulka 6. Tabulka 6. Parametry používané při experimentech experiment 1 2 frekvence US khz 4 4 výkon W 2 2 plocha cm 2 227 227 objem l 2,8 2,8 intenzita W/cm 2,88,88 průtok l/min 3,2 3,2 čas min 14 14 doba zdržení min,875,875 energie kj 168 168 specifická energie J/cm 3 4,67 4,67 3.5. Vyhodnocení experimentů Vyprodukované množství bioplynu bylo přepočítáno pomocí stavové rovnice na Nl při teplotě: C, tlaku: 11,325 kpa. Experiment 1 6 5 4 V [NL/kg VS] 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 ošetřeno neošetřeno Obr. 5. Kumulovaná produkce bioplynu
VCH4 [NL/Kg VS] 3 25 2 15 1 5 ošetřeno neošetřeno 1 2 3 4 5 6 7 8 Obr. 6. Kumulovaná produkce metanu [] [%] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 CH4 ošetřeno CH4 neošetřeno CO2 ošetřeno CO2 neošetřeno O2 ošetřeno O2 neošetřeno Obr. 7. Objemové složení bioplynu v průběhu experimentu Tabulka 7. Vyhodnocení experimentu 1 V [Nl/kg VS] V CH4 [Nl/kg VS] x CH4 max [%] fermentace s ošetřením 498,67 25,36 81,12 fermentace bez ošetření 434,99 223,62 79,71 Produkce bioplynu se zvýšila o 12,8 %, produkce metanu se zvýšila o 11,9 %. Z grafu produkce bioplynu je vidět u ošetřeného fermentoru rychlejší nástup produkce bioplynu, což také dokládá pozitivní vliv použití iradiace. Vliv iradiace na produkci bioplynu zde byl prokázán.
Experiment 2 6 5 V [NL/kg VS 4 3 2 1 ošetřeno neošetřeno 1 2 3 4 5 6 7 Obr. 8. Kumulovaná produkce bioplynu VCH4 [NL/Kg VS] 3 25 2 15 1 5 ošetřeno neošetřeno 1 2 3 4 5 6 7 Obr. 9. Kumulovaná produkce metanu 9 8 7 6 CH4 ošetřeno [] [%] 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 CH4 neošetřeno CO2 ošetřeno CO2 neošetřeno O2 ošetřeno O2 neošetřeno Obr. 1. Objemové složení bioplynu v průběhu experimentu
Tabulka 8. Vyhodnocení experimentu 1 V [Nl/kg VS] V CH4 [Nl/kg VS] x CH4 max [%] fermentace s ošetřením 491,96 275,43 85,15 fermentace bez ošetření 471,22 244,17 67,28 Produkce bioplynu se zvýšila o 4,4 %, produkce metanu se zvýšila o 12,8 % 4. Závěr Na provedených experimentech byl prokázán vliv iradiace na produkci bioplynu. Použité nastavení parametrů ultrazvuku je znázorněno v tabulce 9. Tabulka 9. Nastavované parametry experimentů experiment 1 2 frekvence US khz 4 4 výkon W 2 2 plocha cm 2 227 227 objem l 2,8 2,8 intenzita W/cm 2,88,88 průtok l/min 3,2 3,2 čas min 14 14 doba zdržení min,875,875 energie kj 168 168 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 1. Tabulka 1. Vyhodnocení experimentů V [Nl/kg VS] V CH4 [Nl/kg VS] x CH4 max [%] 1 fermentace s ošetřením 498,67 25,36 81,12 fermentace bez ošetření 434,99 223,62 79,71 2 fermentace s ošetřením 491,96 275,43 85,15 fermentace bez ošetření 471,22 244,17 67,28 Z těchto hodnot je vidět, že bylo dosaženo u experimentu 1 12,8%, u experimentu 2 4,4% zvýšení produkce bioplynu. U obou experimentů bylo dosaženo srovnatelných hodnot produkce metanu, a to cca 12%. Podařilo se tedy prokázat vliv iradiace na produkci bioplynu.
Seznam použité literatury [1] SERRANO GIL, Effect of ultrasonic irradiation on biogas production. Praha 211. Diploma Thesis. ČVUT v Praze [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 26-264. [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 67 72. [4] DANĚK, Vliv aktivace ultrazvukem na zvýšení produkce bioplynu. Praha, 29. 82 s. Diplomová práce. ČVUT v Praze. [5] SVITÁKOVÁ, BIOWELL - Ultrasonic Bioreactors Sardinia. Praha: Czech Technical University, 26. s. 18.