Přepracování kalů z čistíren odpadních vod na alternativní paliva Úvod Evropská Unie (EU) zavedla ve směrnici 98/2008 ES o odpadech hierarchii nakládání s odpady. Způsoby nakládání jsou zde odstupňovány s klesající prioritou od předcházení vzniku odpadů, přes znovu využití, materiálové využití, energetické využití až po odstranění odpadu. Vzniku zkoumaného odpadu téměř nelze předcházet. Jeho znovu využití není relevantní. Materiálové využití je do určité míry přípustné aplikací na zemědělskou půdu jako hnojiva. Musí být ale splněny přísné legislativní požadavky na obsah těžkých kovů (Vyhláška Ministerstva životního prostředí ze dne 17. října 2001 o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě, 2001). Kromě toho by mohl být problémem obsah residuí léčiv a dalších látek, které jsou tímto způsobem vnášeny do životního prostředí a působí zde např. jako endokrinní disruptory (Cajthaml et al., 2009). V souladu s hierarchií se tedy nabízí možnost energetického využití v režimu spoluspalování odpadů např. v elektrárnách nebo cementárnách, případně v pyrolýzních nebo zplyňovacích jednotkách. Vyrobené palivo by mohlo nahradit v současnosti ve velkých objemech spalovanou biomasu, která by mohla být využita např. pro vytápění budov menšími kotelnami. Problémem těchto odpadů je vysoký obsah vody, kterou je nutné efektivním způsobem odstranit. Při fyzikálním sušení je potřeba využít externí zdroj tepla a energetická bilance po spálení produkovaného paliva pak nemusí být vždy kladná. Existuje možnost využít pro sušení odpadního tepla z jiných zdrojů. To ale není vždy dostupné. V těchto případech by mohl být využit právě proces biosušení. Téma biosušení je ve světě odpadového hospodářství poměrně nové. Jedná se o proces, při kterém je metabolické teplo získané aerobním rozkladem organické složky substrátu využito pro sušení. Hlavním cílem je získat palivo s vyhovující výhřevností a energetickou bilancí (Velis et al., 2009). Výzkum se tedy zabývá optimálním nastavením podmínek v reaktoru tak, aby se za spotřeby co nejméně energie a rozkladu co nejmenšího množství organické složky, odpařil co největší podíl vlhkosti. Do současnosti bylo k tématu biosušení v odborné literatuře publikováno několik desítek článků zabývajících se výzkumem převážně abiotických faktorů (intenzita provzdušňování (Adani et al., 2002; Avalos Ramirez et al., 2012; Cai et al, 2013; Zhao et al., 2010), teplota v reaktoru (Adani et al., 2002; Sugni et al., 2005; Zhao et al., 2010; Avalos Ramirez et al., 2012), doba zdržení v reaktoru (Velis et al., 2009), směr proudění vzduchu (Adani et al., 2002; Sugni et al., 2005), konstrukce reaktoru (Zambra et al., 2011; De Guardia et al., 2012), inokulace mikrobiálním společenstvem (Zhang et al. 2008; Zhang
et al. 2009; Navaee-Ardeh et al. 2010), počáteční obsah organické složky odpadu (Tambone et al. 2011). Díky podobnosti s procesem kompostování, o kterém bylo v odborné literatuře publikováno nesrovnatelně větší množství článků, je možné do určité míry odhadnout i vliv dalších faktorů jako je ph (Navaee-Ardeh et al., 2010), poměr C/N (Larsen a McCourtney, 2000). Sledování ph je důležité, protože při hodnotách mimo optimální rozmezí ustává činnost mikroorganismů. Zároveň u hodnot ph nad 8 dochází k redukci dusíkatých látek na NH3. To je důležitý moment. U kompostů je tento jev nežádoucí, protože se snižuje obsah dusíkatých látek (tedy živin), u paliva je ale odstranění dusíkatých látek žádoucí efekt a dusík je možné tímto způsobem i recyklovat. Produkovaný amoniak je možné zachytávat do kyseliny sírové v pračce plynů jako roztok síranu amonného. Ten může být dále využíván jako hnojivo (Winkler et al., 2013). Tyto faktory je ale třeba dále zkoumat přímo pro proces biosušení. Důležitým faktorem, který byl doposud zkoumán pouze okrajově je vliv vlhkosti vzduchu na vstupu reaktoru. Jak vyplývá z předchozí práce, může tak být zásadním způsobem ovlivněna efektivita sušení. Způsob realizace Na efektivitu procesu biosušení má vliv celá řada biotických a abiotických faktorů. Z diplomové práce řešitele vyplynulo (viz přílohu), že nezanedbatelný vliv může mít vlhkost vzduchu na vstupu do reaktoru. Jedním z cílů tohoto projektu bude posoudit vliv vlhkosti na vstupu na efektivitu sušení. Pro tento účel bude využito předsušovacího zařízení pomocí kterého, bude možné nastavit přesnou vlhkost vzduchu na vstupu. Schéma zařízení je přiloženo. Na různých substrátech budou provedena měření s různými úrovněmi vlhkosti vzduchu. Dalším faktorem, který může ovlivňovat efektivitu procesu je počáteční poměr C/N. Pro zjištění vlivu tohoto parametru budou zkoumány počáteční poměry C/N různých směsí sušeného substrátu a vylehčovacích materiálů. Poměr C/N bude stanovován podle ČSN 4657345 Průmyslové komposty. Vhodným nastavením režimu provzdušnění bude zkoumán vliv zařazení anaerobní fáze. Zařazení anaerobní fáze má teoreticky smysl u čistírenských kalů, které obsahují vyšší podíl vázané vody. V této fázi dochází k jejímu částečnému odstranění ve formě kondenzátu (perkolátu). Vliv ph na produkci amoniaku bude zjišťován kontinuálním měřením NH3 v odpadním plynu. ph bude regulováno pomocí cenově dostupného materiálu (vápenec, popel ze spalování biomasy apod.). Pro zjištění intenzity rozkladu bude sloužit kontinuální měření koncentrace CO2, O2, VOC, NH3 a teploty a pravidelné stanovování TOC substrátu podle normy ČSN EN 13137 Charakterizace odpadů - Stanovení celkového organického uhlíku (TOC) v odpadech, kalech a sedimentech. V návaznosti bude prozkoumán vliv C/N poměru, intenzity provzdušnění, teploty a inokulace.
Efektivita sušení bude posuzována jednak gravimetrickým určením vlhkosti a kalorimetrickým určením výhřevnosti před a po proběhnutí procesu, jednak kontinuálním měřením úbytku nebo přírůstku hmotnosti elektronickou váhou a relativní vlhkosti vzduchu ve třech vrstvách reaktoru. Na základě zjištěných poznatků budou navrženy optimální podmínky pro proces biosušení. Harmonogram aktivit: - Vylepšit měřicí a regulační soustavu modelového reaktoru (přidat senzory CO2, NH3 a VOC, elektronickou váhu, analyzátor plynů, elektronický regulátor výkonu dmychadla, propojit nové prvky měřicí a regulační soustavy s notebookem, zkonstruovat předsoušecí soustavu) - Provést sérii experimentů orientovanou na vliv vlhkosti vzduchu na vstupu s oběma substráty, vstupní vlhkost bude nastavena na 0, 30, 60 a 90%. - Provést sérii experimentů orientovanou na vliv přídavku vylehčovacích materiálů (u čistírenských kalů) a C/N poměru na efektivitu sušení. Vliv C/N poměru bude ovlivňován přídavkem různého množství různých typů vylehčovacích materiálů (sláma, mulčovací kůra). Poměr C/N bude nastaven v rozmezí mezi 5 a 50 v závislosti na obsahu C a N v obou typech substrátu. - Vyhodnotit možnost recyklace dusíku ve formě síranu amonného při cíleném zvyšování ph pomocí cenově dostupného materiálu (vápenec, popel ze spalování biomasy apod.). Potenciál recyklace dusíku bude hodnocen kontinuálním měřením koncentrace amoniaku v odpadním plynu. - Provést sérii experimentů orientovanou na vliv anaerobní fáze na efektivitu sušení. Anaerobní fáze bude udržována nastavením intervalů provzdušnění v závislosti na kontinuálně měřené koncentraci kyslíku. Budou testovány délky anaerobní fáze 1, 2 a 3 dny. Použitá literatura ADANI, Fabrizio, Diego BAIDO, Enrico CALCATERRA a Pierluigi GENEVINI. The influence of biomass temperature on biostabilization-biodrying of municipal solid waste. Bioresource technology. 2002, roč. 83, č. 3, s. 173-179. AVALOS RAMIREZ, Antonio, Stéphane GODBOUT, François LÉVEILLÉE, Dan ZEGAN a Jean-Pierre LAROUCHE. Effect of temperature and air flow rate on carbon and nitrogen compounds changes during the biodrying of swine manure in order to produce combustible biomasses. Journal of Chemical Technology. 2012, roč. 87, č. 6, s. 831-836. DOI: 10.1002/jctb.3744. CAI, Lu, Tong-Bin CHEN, Ding GAO, Guo-Di ZHENG, Hong-Tao LIU a Tian-Hao PAN. Influence of forced air volume on water evaporation during sewage sludge bio-drying. Water Research. 2013, roč. 47, č.
13, s. 4767-4773. DOI: 10.1016/j.watres.2013.03.048. CAJTHAML, Tomáš, Zdena KŘESINOVÁ, Kateřina SVOBODOVÁ a Monika MÖDER. Biodegradation of endocrine-disrupting compounds and suppression of estrogenic activity by ligninolytic fungi. Chemosphere. 2009, vol. 75, issue 6, s. 745-750. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2009.01.034. DE GUARDIA, A., C. PETIOT, J.C. BENOIST a C. DRUILHE. Characterization and modelling of the heat transfers in a pilot-scale reactor during composting under forced aeration. Waste Management. 2012, roč. 32, č. 6, s. 1091-1105. DOI: 10.1016/j.wasman.2011.12.028. LARSEN, Kevin L. a MCCARTNEY. Effect of C:N ratio on microbial activity and N retention: Bench-scale study using pulp and paper bosolids. Compost science & utilization. 2000, roč. 8, č. 2, s. 147-159. NAVAEE-ARDEH, Shahram, François BERTRAND a Paul R. STUART. Key variables analysis of a novel continuous biodrying process for drying mixed sludge. Bioresource Technology. 2010, roč. 101, č. 10, s. 3379-3387. DOI: 10.1016/j.biortech.2009.12.037. SUGNI, Mara, Enrico CALCATERRA a Fabrizio ADANI. Biostabilization-biodrying of municipal solid waste by inverting air-flow. Bioresource technology. 2005, roč. 96, č. 12, s. 1331-1337. TAMBONE, F., B. SCAGLIA, S. SCOTTI a F. ADANI. Effects of biodrying process on municipal solid waste properties. Bioresource technology. 2011, roč. 102, č. 16, s. 7443-7450. VELIS, C. A., P. J. LONGHURST, G. H. DREW, R. SMITH a S. J. T. POLLARD. Biodrying for mechanicalbiological treatment of wastes: a review of process science and engineering. Bioresource technology. 2009, roč. 100, č. 11, s. 2747-2761 Winkler, M.-K.H., Bennenbroek, M.H., Horstink, F.H., van Loosdrecht, M.C.M., van de Pol, G.-J. (2013): The biodrying koncept: An innovative technology creating energy from sewage sludge. Bioresource Technology 147, p. 124-129 VYHLÁŠKA Ministerstva životního prostředí ze dne 17. října 2001 o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě. In: Sbírka zákonů. 2001. ZAMBRA, C.E., C. ROSALES, N.O. MORAGA a M. RAGAZZI. Self-heating in a bioreactor: Coupling of
heat and mass transfer with turbulent convection. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2011, roč. 54, 23-24, s. 5077-5086. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.07.025. ZHANG, Dong-Qing, Pin-Jing HE, Tai Feng JIN a Li-Ming SHAO. Bio-drying of municipal solid waste with high water content by aeration procedures regulation and inoculation. Bioresource technology. 2008, roč. 99, č. 18, s. 8796-8802. ZHANG, Dongqing, Pinjing HE a Liming SHAO. Effect of leachate inoculum on biopretreatment of municipal solid waste by a combined hydrolytic-aerobic process. Journal of Environmental Sciences. 2009, roč. 21, č. 8, s. 1162-1168. DOI: 10.1016/S1001-0742(08)62397-9. ZHAO, Ling, Wei-Mei GU, Pin-Jing HE a Li-Ming SHAO. Effect of air-flow rate and turning frequency on bio-drying of dewatered sludge. Water Research. 2010, roč. 44, č. 20, s. 6144-6152. DOI: 10.1016/j.watres.2010.07.002.