4 Návrh, ověření složení a výtěžnosti směsi a návrh technologického postupu výroby bioplynu, včetně produkce a složení kalů z této výroby

Návrh, ověření složení a výtěžnosti směsi a návrh technologického postupu výroby bioplynu

4 Návrh, ověření složení a výtěžnosti směsi a návrh technologického postupu výroby bioplynu, včetně produkce a složení kalů z této výroby 4.1 Materiál a metodika vsázky Pokus byl prováděn na principu jednostupňové (one-stage batch) anaerobní digesce se vsázkou o sušině 5 %. Pokusy byly prováděny za mezofilních a termofilních podmínek ve dvou sériích, lišících se retenčním časem (pokus 1 a pokus 2). Materiál K dispozici byly následující materiály: • Odpady z jatek – získané z podniku Kostelecké uzeniny, a. s,. v Kostelci u Jihlavy: drůbeží kostní drť (sušina = 39,8 %), vepřové šlachy (sušina = 15,2 %). Podle nařízení ES 1774/2002 jsou oba druhy materiálu řazeny do kategorie 3. • Kejda hovězího skotu a prasat v poměru 1:1 byla získána z podniku Rabbit, a. s., Trhový Štěpánov. Kejda prasat je podle nařízení (ES) č. 1774/2002 klasifikována jako materiál kategorie 2. • Stabilizovaný neodvodněný zbytek po anaerobní fermentaci byl použit jako inokulum; získán byl z bioplynové stanice podniku Rabbit, a. s., Trhový Štěpánov. Příprava materiálu Podle nařízení ES 1774/2002 jsou drůbeží drť a vepřové šlachy klasifikovány jako materiál kategorie 3. V příloze VI, kapitole II tohoto nařízení jsou zmiňovány standardy procesů pro jednotlivé kategorie. Drůbeží drť a vepřové šlachy byly nařezány na částice o velikosti 12 mm. Hygienizace byla provedena v autoklávu. Materiál byl zpracován při teplotě 70 °C po dobu 60 minut. Příprava vsázky pro malé reaktory (2 dm3) Kejda a digestát byly smíchány v poměru 1:1 – podíl 1, poměry substrátů v jednotlivých vsázkách jsou uvedeny v tab. 10. Tab. 10 Poměry substrátů v jednotlivých vsázkách Reaktor 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a 9a

Podíl 1 [% hm.]

Drůbeží kostní drť [% hm.]

Vepřové šlachy [% hm.]

100 90 80 70 60 90 80 70 60

0 10 20 30 40 0 0 0 0

0 0 0 0 0 10 20 30 40

Materiálová skladba vsázky pro malé reaktory Tab. 11 Materiálová skladba vsázky malých reaktorů v obou pokusech Reaktor

38

Podíl 1 [g]

Drůbeží kostní drť [g]

Vepřové šlachy [g]

Voda [g]

1a

1250,0

0,0

0,0

750,0

2a

803,6

89,3

0,0

1107,1

3a

555,6

138,8

0,0

1305,6

4a

397,7

170,5

0,0

1431,8


Reaktor

Podíl 1 [g]

Drůbeží kostní drť [g]

Vepřové šlachy [g]

Voda [g]

5a

288,5

192,3

0,0

1519,2

6a

1034,5

0,0

114,9

850,6

7a

851,1

0,0

212,7

936,2

8a

693,1

0,0

297,1

1009,8

9a

555,6

0,0

370,3

1074,1

Příprava vsázky pro velké reaktory (100 dm3) Kejda a digestát byly smíchány v poměru 1:1, poměry substrátů v jednotlivých vsázkách jsou uvedeny v tab. 12. Tab. 12 Poměry substrátů v jednotlivých vsázkách, velké reaktory, pokus 1 Reaktor 1b 2b

Podíl 1 [% hm.]


Vepřové šlachy [% hm.]

70 70

30 0

0 30

Materiálová skladba vsázky pro velké reaktory Velké reaktory byly plněny vsázkou, uvedenou v tab. 13. Tab. 13 Poměry substrátů v jednotlivých vsázkách, velké reaktory, pokus 2 Reaktor 1b 2b

Podíl 1 [% hm.]


Proces

70 70

30 30

mezofilní termofilní

Retenční čas Tab. 14 Retenční čas Malé reaktory

Pokus 1 26 dní

Pokus 2 37 dní

Velké reaktory

37 dní

33 dní

Měření produkce bioplynu Produkce bioplynu z malých reaktorů byla měřena pomocí plynojemů sestrojených ve VÚZT, u velkých reaktorů pomocí plynoměrů typu G 01, výrobce Spektrum, s. r. o., Skuteč s parametry Qmin = 0,01 m3·h-1, Qmax = 0,15 m3·h-1 Stanovení chemického složení bioplynu Chemické složení produkovaného bioplynu bylo stanoveno pomocí analytického přístroje AIR LF (výrobce ASEKO, s. r. o., Vestec u Prahy). Analyzátor je určen pro analýzy skládkového plynu a bioplynu. Koncentrace metanu a oxidu uhličitého jsou stanovovány pomocí infračerveného záření; pro stanovení koncentrace kyslíku se používá elektrochemický senzor. Chemické složení bioplynu bylo stanovováno jednou za 24 hodin. Chemické analýzy Chemické analýzy stabilizovaného zbytku byly prováděny v agrochemické laboratoři VÚZT (Praha) a VÚRV (Chomutov). Při chemických analýzách stabilizovaného zbytku byly použity následující metody: Kejdahlova metoda pro stanovení celkového obsahu N, spektrofotometrické stanovení P, AES pro stanovení obsahu K a Ca, AAS pro stanovení NH4+. Mikrobiologické analýzy Vzorek stabilizovaného zbytku byl podroben testům na výskyt bakterií rodu Salmonella a Enterobacteriaceae v mikrobiologické laboratoři Státního zdravotního ústavu v Praze. Metody testace jsou v souladu s požadavky, danými v nařízení ES 1774/2002.

39


Výstupy • Hodnoty pH vsázky před zpracováním a stabilizovaného zbytku • Stanovení sušiny vsázky před zpracováním a stabilizovaného zbytku • Stanovení ztrát žíháním • Kumulativní produkce bioplynu • Chemické složení produkovaného bioplynu • Kumulativní produkce metanu • Obsah N, P, K a Ca ve zbytku po AD • Obsah amoniaku ve zbytku po AD • Výskyt Salmonella a Enterobacteriaceae ve zbytku po AD

4.2 Experimentální část Výsledky a diskuze: V této části jsou uvedeny výsledky obou experimentů. Byly sledovány parametry: produkce bioplynu, obsah metanu v produkovaném bioplynu, fyzikálně chemické analýzy, mikrobiologické analýzy. Reaktor 1a sloužil v obou experimentech jako kontrolní, vsázka neobsahovala aditivní materiál (0 %). V biologických experimentech slouží výstupy z kontrolního vzorku jako referenční. Pomocí nich lze během experimentu odhadnout možné negativní vlivy jako kontaminace, nestálé teplotní podmínky, nekvalitní inokulum a jiné. Kontrolní vzorek v experimentu 1 vykazuje oproti experimentu 2 relativně vysokou produkci bioplynu.

4.2.1 Produkce bioplynu Produkce bioplynu byla měřena denně, nicméně pro názornost je u každého experimentu uvedena produkce kumulativní. Výsledky měření jsou uvedeny pro oba typy reaktorů pro jednotlivé koncentrace aditivního materiálu drůbeží kostní drti a vepřových šlach. Pro přehlednost jsou v každé kapitole srovnávány i parametry obou experimentů. Kumulativní produkce bioplynu je pro názornější vyjádření vztažena na: • 1 kg sušiny. Tento parametr vyjadřuje průběh procesu; • 1 kg přidaných organických látek. Tento parametr vyjadřuje efektivitu procesu. Definuje přeměnu organických látek na bioplyn. Tato hodnota je významnější z hlediska podílu organických látek ve vsázce. Drůbeží kostní drť – malé reaktory

Obr. 9 Kumulativní produkce bioplynu [l·kg-1·suš.] vztažená na sušinu, malé reaktory, pokus 1

40


Obr. 10 Kumulativní produkce bioplynu [l.kg-1 suš.], malé reaktory, pokus 2 Obr. 9 a 10 ukazují, že různé koncentrace aditivního materiálu (drůbeží kostní drť) ovlivňují produkci bioplynu. • Vsázka obsahující 10 % drůbeží kostní drti: o průběh produkce bioplynu je podobný se vsázkami obsahujícími 20 % a 30 % aditivního materiálu. Odlišnost lze konstatovat jen v počáteční fázi (prvních devět dní), která je charakterizována vyšší produkcí bioplynu v obou pokusech. Během prvních devíti dnů se vyprodukovaly 2/3 celkového množství bioplynu. • Vsázka obsahující 20 % drůbeží kostní drti: o produkce bioplynu je srovnatelná v obou pokusech. • Vsázka obsahující 30 % drůbeží kostní drti: o produkce bioplynu je srovnatelná v obou pokusech. Toto množství aditivního materiálu vykazovalo nejmenší produkci bioplynu, což lze vysvětlit přetížením reaktoru organickými látkami. • Vsázka obsahující 40 % drůbeží kostní drti: o průběh produkce bioplynu je srovnatelný v obou pokusech. Počáteční fáze je charakterizována nízkou produkcí bioplynu. Během prvních deseti dnů bylo vyprodukováno 35 % celkové produkce bioplynu v experimentu 1 a 16 % v experimentu 2. V následujících deseti dnech (11. až 20. den průběhu experimentu) bylo vyprodukováno 58 % a 37 % celkové produkce bioplynu. Z obr. 10 je zřejmé, že produkce u pokusu 2 vykazuje vyšší potenciál další produkce. Nicméně s ohledem na obr. 24, kde bioplyn produkovaný z této vsázky vykazuje velmi nízký obsah metanu, je nutné vzít v úvahu možné porušení anaerobního prostředí v reaktoru. Vsázku obsahující 10 % drůbeží kostní drti lze považovat za optimální z hlediska kumulativní produkce metanu a jejího průběhu. Vsázka obsahující 40 % drůbeží kostní drti vykazuje vysokou produkci metanu. Tento výsledek již však nebyl v experimentu 2 prokázán. Průběh produkce bioplynu je značně ovlivněn pomalým nárůstem v počáteční fázi. Produkce bioplynu a průběh jeho tvorby u vsázky obsahující 20 % drůbeží kostní drti může být považován za uspokojivý pro další použití.

41


Obr. 11 Kumulativní produkce bioplynu [l·kg-1 org. sušiny] vztažená na organickou sušinu, malé reaktory, experiment 1

Obr. 12 Kumulativní produkce bioplynu [l·1 kg-1 org. sušiny], malé reaktory, experiment 2 Kumulativní produkce bioplynu vztažená na organickou sušinu látky nevykazuje změnu, co se týče průběhu produkce bioplynu. Zřejmá je ovšem odlišnost v celkovém množství produkovaného bioplynu. Při porovnání celkové produkce bioplynu kontrolní vsázky a vsázky obsahující 40 % drůbeží kostní drti v experimentu 1 vztažené na organickou sušinu je zaznamenán významnější rozdíl, než při vztažení produkce na sušinu. Porovnání kumulativní produkce vztažené na sušinu a organickou sušinu po 26 a 37 dnech je dáno na obr. 9 a 10.

42


Vepřové šlachy – malé reaktory

Obr. 13 Kumulativní produkce bioplynu [l·1 kg-1 suš.] vztažená na sušinu, malé reaktory, pokus 1

Obr. 14 Kumulativní produkce bioplynu [l·1 kg-1 suš.], malé reaktory, pokus 2 •

•

•

Vsázka obsahující 10 % vepřových šlach: o v pokusu 1 průběh produkce u vsázky s 10 % aditivního materiálu kopíruje průběh produkce vsázky se 20 %, ale je o 50 litrů nižší. Po 26 dnech retenčního času produkce bioplynu dosáhla 334,5 l. Po 26 dnech se v pokusu 2 vyprodukovalo 460,5 l; po 37 dnech 523,5 l. Vsázka obsahující 10 % vepřových šlach v experimentu 2 vykázala nejvyšší produkci bioplynu ze všech sledovaných koncentrací (jen produkce kontrolního vzorku v experimentu 1 byla vyšší). Vsázka obsahující 20 % vepřových šlach: o v pokusu 1 vsázka dosáhla nejvyšší produkce bioplynu po kontrolním vzorku. Během 26 dnů bylo vyprodukováno 380,0 dm3 bioplynu. Průběh pokusu 2 ve srovnání s průběhem experimentu 1 vykazoval nižší produkci bioplynu a srovnatelné hodnoty se dosáhlo až o 11 dní později. Vsázka obsahující 30 % vepřových šlach: o v obou pokusech vsázky vykazovaly nejnižší produkci bioplynu ze všech pozorovaných koncentrací. V obou experimentech se objevilo pěnění – desátý a jedenáctý den průběhu pokusu (pokus 1 a 2), pěnění ovšem nebylo tak intenzivní jako u vsázky se 40 % vepřových šlach. Pokusy probíhaly dále. 43


•

Vsázka obsahující 40 % vepřových šlach: o vsázka se 40 % aditivního materiálu začala pěnit osmý a devátý den v experimentu 1 a 2. Pěnění bylo velmi intenzivní a způsobilo ucpání odvodu bioplynu. Z tohoto důvodu byly experimenty ukončeny dříve. Včasnější ukončení nicméně neovlivnilo fakt, že potenciál produkce bioplynu vsázky s touto koncentrací není lepší, než u vsázek s 10 % a 20 %.

Podle Dohányose (2004) pěnění je výsledkem saponifikačních reakcí produktů při degradaci proteinů. Amoniak, VMK a biopolymery mohou spolu reagovat a jejich produkty jsou látky s pěnicím efektem [Dohányos, 2004]. Pěnění je rovněž obecně rozšířeným znakem přetížení proteiny. V tomto případě produkce metanu je nízká a vzrůstá koncentrace VMK [Burton, Turner, 2003]. Zvyšující se koncentrace VMK způsobuje snížení pH. Ovšem tento fakt u pěnících vzorků nebyl prokázán.

Obr. 15 Kumulativní produkce bioplynu [l·kg-1org. sušiny] vztažená na organickou sušinu látky, malé reaktory, pokus 1

Obr. 16 Kumulativní produkce bioplynu [l·kg-1org. sušiny], malé reaktory, pokus 2

44


Vsázky obsahující 10 % a 20 % vepřových šlach se jeví jako optimální pro další použití. Jejich výsledky jsou uspokojivé z hlediska množství produkovaného bioplynu a rychlého nárůstu produkce v počáteční fázi. Naopak reaktory se vsázkami obsahujícími 30 % a 40 % vepřových šlach byly přetíženy dusíkatými látkami ve formě proteinů, což rovněž způsobilo problémy s pěněním. Při opakování těchto pokusů či při aplikaci je nutné upravit složení vsázky s ohledem na podíl proteinů, nebo používat adaptované inokulum. Takové inokulum je možné získat z bioplynové stanice, kde se zpracovává tento typ surovin a konsorcium bakterií je adaptováno na vyšší zatížení reaktoru organickými látkami. Kumulativní produkce bioplynu vztažená na organickou sušinu nevykazuje změnu, co se týče průběhu produkce bioplynu. Výrazná změna je zřejmá při srovnání produkce bioplynu vztažené na sušinu a na přidané organické látky. Zejména v experimentu 2, kdy se prohloubil rozdíl mezi produkcí vsázky s 10 % vepřových šlach a ostatními koncentracemi. Průběh produkce u vsázky obsahující 10 % vepřových šlach vykazuje vyrovnanou kompozici materiálů a vyjadřuje efektivní přeměnu organické hmoty na bioplyn. Porovnání kumulativní produkce vztažené na sušinu a přidané organické látky po 26 a 37 dnech je dáno v tab. 15 a 16. Drůbeží kostní drť a vepřové šlachy – velké reaktory Provedené experimenty se odlišovaly jak v použitých materiálech, tak i v podmínkách procesu. • Pokus 1: V pokusu 1 byly pozorovány oba aditivní materiály. Drůbeží kostní drť a vepřové šlachy byly přidány v množství 30 % hm. k základní vsázce a byly zpracovány v mezofilním režimu po dobu 37 dnů. Z obr. 17 je patrný významný rozdíl mezi oběma aditivními matriály. Vepřové šlachy vykazují velmi rychlý nárůst produkce bioplynu v počáteční fázi. Během prvních pěti dnů bylo vyprodukováno 60 % celkového množství bioplynu. Do 15. dne retenčního času bylo vyprodukováno 90 % celkového množství bioplynu. Tyto výsledky nejsou ovšem průkazné, protože po dvou dnech průběhu experimentu došlo k výpadku elektrického proudu. Potřebná teplota nebyla v reaktorech dodržena přibližně 15 hodin. Toto teplotní vychýlení se projevilo v nestabilitě produkce bioplynu vsázky s přídavkem vepřových šlach. Na druhé straně ovšem vsázka obsahující drůbeží kostní drť prošla stejnými podmínkami a vykazovala relativně vyrovnanou produkci bioplynu.

Obr. 17 Kumulativní produkce bioplynu [l·1 kg-1 suš.] vztažená na sušinu, velké reaktory, pokus 1

45


Obr. 18 Kumulativní produkce bioplynu [l·1 kg-1 organ. sušiny] vztažená na organickou sušinu, velké reaktory, pokus 1 Srovnání 26 a 37denní kumulativní produkce bioplynu vztažené na sušinu a přidanou organickou sušinu jsou uvedena v tab. 15 a 16. • Pokus 2: Měření probíhalo u vsázek obsahujících 30 % drůbeží kostní drti za mezofilního a termofilního režimu. Retenční čas byl 33 dní.

Obr. 19 Kumulativní produkce bioplynu [l·kg-1 suš.] vztažená na sušinu, velké reaktory, pokus 2 Vsázka zpracovávaná v termofilním režimu vykazuje rychlejší nárůst kumulativní produkce bioplynu ve srovnání s režimem mezofilním. Nicméně při porovnání celkové kumulativní produkce se tyto dva režimy téměř neliší. Lze konstatovat, že termofilní podmínky jsou vhodnější pro kratší retenční časy. Proces rozhodování týkající se výběru vhodného teplotního režimu v praktických podmínkách je ovšem podmíněn ekonomickou studií. 46


Obr. 20 Kumulativní produkce bioplynu [l·kg-1 org. sušiny] vztažená na organickou sušinu, velké reaktory, pokus 2

Obr. 21 Srovnání pokusů 1 a 2. Kumulativní produkce bioplynu [l.kg-1 suš.] vsázek obsahujících 30 % drůbeží kostní drti v mezofilním režimu, velké reaktory Pokus 1 vykazuje vyšší produkci bioplynu, i když byl průběh tvorby ovlivněn teplotním vychýlením. Pokus 2 vykazuje pomalý nárůst produkce bioplynu, což lze vysvětlit možnou nižší kvalitou inokula.

47


Obr. 22 Srovnání pokusů 1 a 2. Kumulativní produkce bioplynu [l·kg-1 org. sušiny] vztažená na organickou sušinu, vsázek obsahujících 30 % drůbeží kostní drti v mezofilním režimu, velké reaktory Srovnání 26 a 37denní kumulativní produkce bioplynu vztažené na sušinu a organickou sušinu jsou v tab. 15 a 16.

48


Tab. 15 Kumulativní produkce bioplynu vztažená na sušinu [l·kg-1 suš.] a přidané organické látky [l·kg-1 org. sušiny] každé vsázky v obou experimentech po 26 retenčních dnech Vzorek

Pokus 1 Kontrola

Malé reaktory 0%

Pokus 2

Drůbeží kostní drť -1

[1·kg-1 suš.]

[l·kg org. sušiny]

397,5

476,8

-1

[1·kg suš.]

-1


Vepřové šlachy [1·kg-1 suš.]

-1


Kontrola

Drůbeží kostní drť -1

[1·kg-1 suš.]


292,5

382,9

-1

Vepřové šlachy

[1·kg-1 suš.]


[1·kg-1 suš.]

[l·kg-1 org. sušiny]

10 %

324,5

419,3

334,5

467,2

322,0

430,5

460,5

641,4

20 %

296,8

416,9

380,0

481,0

312,0

407,3

305,0

399.2

30 %

277,0

389,0

97,0

120,6

281,5

401,0

178,0

228,8

40 %

381,5

561,0

93,5**

120,5**

343,5*

480,0*

164,8***

200,5***

253,0

319,4

191,64

293,9

243,8*****

321,6*****

Velké realtory 30 % 30 %

163,1****

230,4****

*

Hodnota není průkazná kvůli nízkému podílu metanu. Hodnoty naměřené po 19 dnech. *** Hodnoty naměřené po 22 dnech. **** Hodnota není průkazná kvůli teplotní nestabilitě, způsobené výpadkem elektřického proudu. ***** Vsázka byla zpracována v termofilním režimu. **

49


Na základě výsledků v tab. 15 je možné konstatovat následující: • Nejvyšší kumulativní produkce bioplynu byla dosažena u vsázky obsahující 10 % vepřových šlach (460,5 l·kg-1 suš. a 641,4 l·kg-1 org. sušiny) a vsázky obsahující 40 % drůbeží kostní drti (381,5 l·kg-1 suš. a 561,0 l·kg-1 org. sušiny). • Vsázky obsahující 10 % a 20 % vepřových šlach se jeví jako vhodné pro další aplikace. • Vsázky obsahující 30 % a 40 % vepřových šlach vykazují neuspokojivé výsledky a nejsou vhodné pro další aplikace. Tab. 16 Kumulativní produkce bioplynu vztažená na sušinu [l·kg-1 suš.] a přidané organické látky [l·kg-1 org. sušiny], všechny koncentrace, pokus 2 po 37 dnech průběhu pokusu Vzorek

Kontrola

[l. kg-1 org. sušiny]

10 %

364,5

487,3

523,5

729,1

20 %

344,5

449,7

398,0

520,9

30 %

334,0

475,8

239,5

307,8

40 %

*

*

*

[l. kg-1 org. sušiny]

338,0

442,4

Vepřové šlachy [l. kg-1 org. [l.kg-1 suš.] sušiny]

[l.kg-1 suš.]

0%

[l.kg-1 suš.]

Drůbeží kostní drť

490,5

685,1

**

164,8

200,5**

Hodnota není průkazná kvůli nízkému podílu metanu. Hodnoty naměřené po 22 dnech.

**

4.2.2 Chemické složení produkovaného bioplynu Energetická hodnota bioplynu je vyjádřena obsahem metanu. Objemové procento metanu určuje výhřevnost bioplynu a je jedním z hlavních kritérií při skladbě vsázky. Objemový podíl metanu pro experimenty 1 a 2 je ukázán z níže uvedených výsledků. Zbylá procenta vyjadřují zejména podíl CO2; v malých množstvích mohou být rovněž přítomny vodní pára, kyslík a sulfan. Pro naše účely byla měřena koncentrace metanu, oxidu uhličitého a kyslíku. Drůbeží kostní drť – malé reaktory

Obr. 23 Koncentrace metanu v bioplynu, malé reaktory, pokus 1

50


Obr. 24 Koncentrace metanu v bioplynu, malé reaktory, pokus 2 Všechny koncentrace se po určité době ustálily na úrovni v rozmezí 70 – 80 % koncentrace metanu v produkovaném bioplynu. Dosažení této úrovně by mohlo být selekčním parametrem vhodné koncentrace jatečního odpadu ve fermentační směsi z hlediska koncentrace metanu v bioplynu. Vsázka obsahující 40 % drůbeží kostní drti vykazuje v pokusu 2 velmi nízkou koncentraci metanu, což lze vysvětlit již zmíněným porušením anaerobních podmínek v reaktoru. Nicméně, jak je z grafu patrné, 33. den po obnovení anaerobních podmínek dochází k okamžitému nárůstu obsahu metanu a během dvou dnů již dosahuje úroveň ostatních vsázek. Lze říci, že energetický potenciál u všech měřených hmotnostních podílů přídavku drůbeží kostní drti je uspokojivý. Vepřové šlachy – malé reaktory

Obr. 25 Koncentrace metanu v bioplynu, malé reaktory, pokus 1

51


Obr. 26 Obsah metanu v bioplynu, malé reaktory, pokus 2 Všechny koncentrace se po určité době stejně, jako u vsázek s drůbeží kostní drtí, ustálily v rozmezí 70 – 80 % obsahu metanu v produkovaném bioplynu. Při srovnání obou pokusů je zřejmý pomalejší průběh pokusu 2, což může být způsobeno inokulem nižší kvality. Drůbeží kostní drť a vepřové šlachy – velké reaktory Pokus 1

Obr. 27 Obsah metanu v bioplynu, velké reaktory, pokus 1 Vsázka obsahující drůbeží kostní drť dosáhla stejné úrovně jako v malých reaktorech, tj. 70 až 80 % metanu.

52


Pokus 2

Obr. 28 Obsah metanu v bioplynu, velké reaktory, pokus 2 Oba přídavné materiály dosáhly v produkovaném bioplynu 75 – 80 % metanu. Odlišnost spočívá ve strmosti počáteční fáze. Vsázka v termofilním režimu vykazuje rychlejší nárůst, než vsázka v mezofilním režimu.

4.2.3 Kumulativní produkce metanu Parametry kumulativní produkce bioplynu a obsah metanu v produkovaném bioplynu slouží pro výpočet parametru kumulativní produkce metanu. Kumulativní produkce metanu definuje celkový energetický objem produkovaného bioplynu. Kumulativní produkce metanu je vyjádřena dvěma parametry: • vztažená na 1 kg sušiny. Tento parametr vyjadřuje průběh procesu; • vztažená na 1 kg organické sušiny. Tento parametr vyjadřuje efektivitu procesu. Definuje přeměnu organických látek na bioplyn. Tato hodnota je významnější z hlediska podílu organických látek ve vsázce. Drůbeží kostní drť – malé reaktory

Obr. 29 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 suš.] vztažená na sušinu, malé reaktory, pokus 1 53


Obr. 30 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 suš.] vztažená na sušinu, malé reaktory, pokus 2 Maximální kumulativní produkce metanu byla dosažena u vsázky obsahující 10 % drůbeží kostní drti v experimentu 2. Významný nárůst kumulace metanu byl zaznamenán do 26. dne retenčního času, poté byla produkce metanu nízká. Vysoká produkce metanu byla rovněž zaznamenána u vsázky obsahující 40 % drůbeží kostní drti v experimentu 1. Nicméně, tento výsledek nebyl již kvůli narušení anaerobních podmínek v experimentu 2 potvrzen.

Obr. 31 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 org, sušiny] vztažená na přidané organické látky, malé reaktory, pokus 1

54


Obr. 32 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 org. sušiny] vztažená na přidané organické látky, malé reaktory, pokus 2 Porovnání kumulativní produkce vztažené na sušinu a přidané organické látky po 26 a 37 dnech je dáno v tab. 10 a 11. Vepřové šlachy – malé reaktory

Obr. 33 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 suš.] vztažená na sušinu, malé reaktory, pokus 1

55


Obr. 34 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 suš.] vztažená na sušinu, malé reaktory, pokus 2 Absolutně nejvyšší kumulativní produkci metanu ze všech koncentrací obou aditivních materiálů vykazuje vsázka obsahující 10 % vepřových šlach v pokusu 2. Vsázka s 20 % podílem vepřových šlach vykazuje uspokojivou kumulativní produkci metanu v experimentu 1. Vsázky obsahující 30 % a 40 % vepřových šlach vykazují nízkou kumulativní produkci metanu v důsledku přetížení organickými látkami.

Obr. 35 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 sušiny] vztažená na organickou sušinu, malé reaktory, pokus 1

56


Obr. 36 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 suš.] vztažená na organickou sušinu, malé reaktory, pokus 2 Porovnání kumulativní produkce metanu vztažené na sušinu a přidané organické látky po 26 a 37 dnech je dáno v tab. 17 a 18. Drůbeží kostní drť a vepřové šlachy – velké reaktory

Obr. 37 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 suš.] vztažená na sušinu, velké reaktory, pokus 1

57


Obr. 38 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 org. sušiny] vztažená na organickou sušinu, velké reaktory, pokus 1 Průběhy křivek vyjadřujících kumulativní produkci metanu těchto dvou vsázek jsou podobné jako průběhy vyjadřující kumulativní produkci bioplynu. Jak již bylo zmíněno, vsázky byly vystaveny teplotní nestabilitě a vsázka s 30% podílem vepřových šlach byla znatelně ovlivněna porušením teplotních podmínek. Porovnání kumulativní produkce metanu vztažené na sušinu a přidané organické látky po 26 dnech je dáno v tab. 17. Pokus 2

Obr. 39 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 sušiny] vztažená na sušinu, velké reaktory, pokus 2

58


Obr. 40 Kumulativní produkce metanu [l·kg-1 org. sušiny] vztažená na organickou sušinu, velké reaktory, pokus 2 Porovnání kumulativní produkce metanu vztažené na sušinu a přidané organické látky po 26 dnech je dáno v tab. 17.

59


Tab. 17 Kumulativní produkce metanu vztažená na sušinu [l CH4·kg-1 sušiny] a organickou sušinu [l CH4·kg-1 org. sušiny] každé vsázky v obou pokusech po 26 retenčních dnech Vzorek

Pokus 1 Kontrola

Malé reaktory 0%

[1 CH4·kg-1 sušiny] 278,4

Pokus 2

Drůbeží kostní drť

Vepřové šlachy

Kontrola

[1 CH4·kg-1 [1 CH4·kg-1 [1 CH4·kg-1 [1 CH4·kg-1 [1 CH4·kg-1 [1 CH4·kg-1 [1 CH4·kg-1 org. org. org. org. sušiny] sušiny] sušiny] sušiny] sušiny] sušiny] sušiny] 349,8

198,7

Drůbeží kostní drť [1 CH4·kg-1 sušiny]

Vepřové šlachy

[1 CH4·kg-1 [1 CH4·kg-1 [1 CH4·kg-1 org. org. sušiny] sušiny] sušiny]

260,1

10 %

231,6

299,3

239,8

334,9

273,5

570,7

302,3

421,1

20 %

197,1

276,3

268,4

339,7

204,6

267,1

178,3

232,1

30 %

192,4

270,2

54,6

68,9

183,3

261,2

77,0

99,0

40 %

257,3

378,5

40,7*

52,4*

98,4

137,4

50,7**

61,7**

155,8

196,7

117,8

180,6

160,9****

212,2****

Velké reaktory 30 % 30 % *

65,9***

93,1***

Hodnota není průkazná kvůli nízkému podílu metanu. Hodnoty naměřené po 19 dnech. *** Hodnoty naměřené po 22 dnech. **** Hodnota není průkazná kvůli teplotní nestabilitě, způsobené výpadkem elektrického proudu. ***** Vsázka byla zpracována v termofilním režimu. **

60


Na základě výsledků z tab. 17 lze konstatovat: • Nejvyšší kumulativní produkce metanu byla dosažena u vsázky s 10% podílem drůbeží kostní drti (273,5 l CH4·kg-1 sušiny a 570,7 l CH4·kg-1 org. sušiny) a s 10% podílem vepřových šlach (302,3 l CH4·kg-1 sušiny a 421,1 l CH4·kg-1 org. sušiny). • Všechny vsázky obsahující drůbeží kostní drť (v koncentracích 10 %, 20 %, 30 %, 40 %) vykazují uspokojivé výsledky kumulativní produkce metanu a z tohoto hlediska jsou vhodné pro zpracování anaerobní fermentací. • Vsázky s 10% a 20% podílem vepřových šlach mohou být považovány za optimální z hlediska kumulativní produkci bioplynu a mohou být doporučeny jako vhodné pro anaerobní fermentaci. • Vsázky s 30% a 40% podílem vepřových šlach nevykazují uspokojivé výsledky produkce bioplynu a nedoporučuje se jejich další aplikace bez úpravy složení či podmínek anaerobní fermentace. • Vsázky s 30% podílem drůbeží kostní drti zpracovávaných ve velkých reaktorech v mezofilním a termofilním režimu nevykazují významné odlišnosti. Tab. 18 Kumulativní produkce metanu vztažená na sušinu [l CH4·kg-1 sušiny] a přidané organické látky [l CH4·kg-1 org. sušiny] jednotlivých vsázek v experimentu 2 po 37 dnech retenčního času Vzorek

0%

Kontrola [l CH4·kg-1 [l CH4·kg-1 sušiny] org. sušiny] 233,1 305,1

Drůbeží kostní drť [l CH4·kg-1 l CH4·kg-1 sušiny] org. sušiny]

Vepřové šlachy [l CH4·kg-1 [l CH4·kg-1 sušiny] org. sušiny]

10 %

286,6

588,1

353,8

492,8

20 %

232,5

303,7

253,1

331,3

30 %

227,3

323,7

120,5

161,5

240,1

*

61,7*

40 %

171,9

50,7

4.2.4 Dílčí závěr 1 • • • • • •

•

•

Vedlejší živočišné produkty (ABP), jmenovitě drůbeží kostní drť a vepřové šlachy, lze z hlediska produkce kvalitního bioplynu považovat za vhodné substráty pro anaerobní fermentaci. Nejvyšší kumulativní produkce bioplynu byla dosažena u vsázky s 10% podílem vepřových šlach (460,5 l·kg-1 suš. a 641,4 l·kg-1 org, sušiny) u vsázky s 40% podílem drůbeží kostní drti (381,5 l·kg-1 suš. a 561,0 l·kg-1 org. sušiny). Nejvyšší produkce metanu vykazovaly vsázky s 10% podílem drůbeží kostní drti (273,5 l CH4·kg-1 suš. a 570,7 dm3·l CH4·kg-1 org. suš.) a s 10% podílem vepřových šlach (302,3 l CH4·kg-1 suš. a 421,1 l CH4. kg-1 org. suš.). Všechny vsázky s podílem drůbeží kostní drti (v koncentracích 10 %, 20 %, 30 % a 40 %) vykazovaly uspokojivé výsledky kumulativní produkce bioplynu a kumulativní produkce metanu. Z tohoto hlediska se drůbeží kostní drť jeví jako vhodný materiál pro zpracování anaerobní digescí. Vsázky s podílem 10 % a 20 % vepřových šlach se jeví z hlediska produkce bioplynu, rychlého nárůstu produkce v počáteční fázi a příznivého podílu metanu jako optimální materiál pro anaerobní digesci a lze ho doporučit pro další aplikace. Naopak, vsázky s 30% a 40% podílem vepřových šlach vykázaly neuspokojivé výsledky kumulativní produkce bioplynu i metanu. Reaktory s těmito vsázkami byly přetíženy proteiny, což rovněž způsobilo značné problémy s pěněním. Při opětovném provádění těchto pokusů či jejich aplikaci je nutné zlepšit substrátovou skladbu vsázky s ohledem na podíl přítomných proteinů nebo použít již adaptované inokulum. Takovéto inokulum lze získat z bioplynové stanice, kde se zpracovává materiál s vyšším obsahem dusíkatých látek, a konzorcium bakterií je lépe adaptováno na vyšší organické zatížení reaktoru. Srovnání mezofilního a termofilního režimu anaerobní digesce ve velkých reaktorech se vsázkou s 30% podílem drůbeží kostní drti ukázalo, že termofilní podmínky způsobují rychlejší nárůst kumulativní produkce bioplynu i metanu. Tato výhoda však po 31 a 33 dnech (kumulativní produkce bioplynu a metanu) mizí. Z tohoto důvodu je volba teplotního režimu významným prvkem, ovlivňujícím ekonomiku bioplynové stanice. Lze konstatovat, že energetický potenciál obou druhů aditivního materiálu, drůbeží kostní drti a vepřových šlach ve všech koncentracích (10 %, 20 %, 30 % a 40 %) je velmi příznivý z hlediska podílu metanu

61


•

•

v produkovaném bioplynu. Všechny vsázky dosáhly do 10. dne retenčního času 70 % – 80 % podílu metanu v bioplynu. Byly provedeny fyzikálně chemické a mikrobiologické analýzy stabilizovaného zbytku. Výsledky stanovení kvalitativních parametrů jako obsahy ztrát žíháním, dusíku, fosforu, draslíku a vápníku spolu s nepřítomností Salmonella a Enterobacteriaceae prokázaly možné použití stabilizovaného zbytku po zpracování vedlejších živočišných produktů jako hnojiva. Ve stabilizovaném zbytku byl rovněž stanoven volný čpavek. Vsázky obsahující podíly drůbeží kostní drti (všechny koncentrace) a vsázky s 20% a 30% podílem vepřových šlach překročily limity toxicity. Nicméně, produkce bioplynu v těchto případech nebyla významně ovlivněna.

4.3 Poloprovozní ověření hygienizace odpadů živočišného původu TENZA, a. s., Brno, ve spolupráci s Výzkumným ústavem zemědělské techniky Praha (VÚZT) a firmou Techmix, s. r. o., Brno, provedla poloprovozní odzkoušení pasterizace živočišného odpadu ze zpracování masa spadajícího do kategorie 3. Cílem zkoušek bylo ověření účinnosti pasterizace a získání technických a fyzikálních dat pro návrh a konstrukci požadovaných provozních zařízení. Pasterizační zkouška byla provedena na zkušebně Techmix, s. r. o., Brno 23. 11. 2005.

4.3.1 Experimentální hodnocení odpadu z jatek Likvidace kalů z čistíren odpadních vod, resp. jiných odpadů, představuje stále závažný problém. Jednou z možností, jak tento problém řešit tak, aby v odpadním médiu nezůstaly nežádoucí mikroorganismy, je jeho hygienizace (pasterizace), tj. ohřev na teplotu 70 °C a setrvání po jistou dobu na této teplotě. Nezbytnou součástí správného průběhu pasterizace je dokonalá homogenita vsádky tak, aby veškeré médium bylo vystaveno působení požadované teploty po určitou dobu. Cílem této zkoušky, která navazovala na dříve provedené zkoušky s různě koncentrovanými kaly, bylo ověření, jak dalece je možné pasterizovat podstatně konzistentnější médium na poloprovozním zařízení pracovního objemu cca 50 l. Předpokládá se, že zjištěné výsledky by mohly sloužit pro navržení míchacího systému pro velké aparáty, a to jak z hlediska potřebné intenzity míchání pro homogenizaci, tak i pro stanovení intenzity přestupu tepla mezi topným a pasterizovaným médiem. Dosažení co nejnižší spotřeby energie a investičních nákladů je pak jedním z důležitých předpokladů pro průmyslovou realizaci projektu, jehož cílem je aplikace fungujícího pasterizačního procesu, při kterém je možné zajistit likvidaci sledovaných mikroorganismů.

4.3.2 Popis zkušebního zařízení •

• •

Zkoušky byly prováděny na zkušebním zařízení (viz příloha) s hydromotorem, které sestává z pohonné jednotky (hydromotor, vřeteník), hřídele s míchadlem, míchací nádoby z nerezové oceli ø 400 – 600 opatřené duplikátorovým pláštěm a výpustným kohoutem, topného okruhu s termostatem, naplněným horkou vodou a opatřeným měřením teplot a průtoku média. Pomocí zkušebního zařízení bylo možné měřit teplotu vsádky (Tm.), otáčky a příkon míchadla (n, točivý moment), průtok ohřívací vody (Qr), teploty ohřívací vody (t1, t2). Z výsledků měření bylo možné vyhodnotit spotřebu energie na míchání za jednotku času, tepelnou bilanci zařízení (zanedbání ztrát do okolí), celkový koeficient prostupu tepla, stanovit dobu homogenizace a stanovit čerpací výkon míchadla.

Před zkouškou a po ní byly odebrány vzorky suspenze, které byly následně podrobeny testům na přítomnost nežádoucích mikroorganismů. Laboratorní vyhodnocení testů je v příloze.

4.3.3 Tabulka výpočtových vztahů Příkonové číslo Po: Průtokové číslo Kp: Reynoldsovo číslo Re: Prandtlovo číslo: Přírůstek množství tepla ve vsádce: Teplo převedené ohřívacím médiem: 62

Po = P/ρ.n3·d5 Qm = P/n·d3 Re = n d2 ρ / µ Pr = cp µ/λ ∆qm = V ρ cp ∆Tm / ∆τ ∆qo = Qv . ρv cpv (t1 – t2)

(1) (2) (3) (4) (5) (6)


Celkový koeficient prostupu tepla: Střední logaritmický spád:

k = (∆qm + ∆q0) / 2 S ∆tln ∆tln = (t1 – t2) / ln [(t1 – Tm) / (t2 – Tm)]

(7) (8)

4.3.4 Seznam symbolů výpočtu cp D d K n P Qm Qv ∆qm ∆qo S T1,2 Tm V λ µ ρ ∆τ TH Kp Po Pr Re

měrná tepelná kapacita průměr nádoby průměr míchadla celkový koeficient prostupu tepla otáčky míchadla příkon míchadla čerpací výkon míchadla průtok ohřívacího média přírůstek tepla v mích médiu převedené teplo z ohřív. vody plocha přestupu tepla teploty ohřívací vody teplota míchaného média objem vsádky měrná tepelná vodivost dynamická (zdánlivá) viskozita měrná hmotnost délka časového intervalu doba homogenizace průtokové číslo, viz rovn. (2) příkonové číslo, viz rovn. (1) Prandtlovo číslo, viz rovn. (4) Reynoldsovo číslo, viz rovn. (3)

[J/kg K] [m] [m] [W/m2 K] [s-1] [W] [m3 s] [m3/s] [J] [m2] [m2] [°C] [°C] [m3] [W/m K] [Pas] [kg m3] [s] [s]

4.3.5 Parametry hygienizačního zařízení Nádoba: průměr vnitřní ø 390 mm výška hladiny 440 mm objem vsádky 0,050 m3 vestavby 4 narážky (ČSN 69 1011) plocha výměny tepla 0,55 m2 Míchadlo: typ míchadla 2x hydrofoil TX 335 průměr ø 140 mm výška nade dnem 140 mm rozteč míchadel 140 mm směr proudění do dna Míchané médium: typ suspenze odpadů z jatek měrná hmotnost (70 °C) 1022 kg/m3 (odhad) dyn. viskozita (70 °C) 250 Cp (odhad) parametry nenewton. toku koeficient konzistence a tokový index neurčeny

4.3.6 Vyhodnocení zkoušky a diskuse naměřených výsledků Reynoldsovo číslo otáčky míchadla měrný příkon míchadla čerpací výkon míchadla doba homogenizace celk. doba pasterizace teplota pasterizace

0,67·103 513 RPM 1336 W/m3 0,0282 m3·s-1 10,6 minut 60 minut 70,5 °C ± 0,2 °C 63


celk. koeficient prostupu tepla teplota ohřívacího média (max.) průtok ohřívací vody za fáze ohřevu průtok ohřívací vody při pasterizaci počáteční teplota média doba ohřevu na teplotu pasterizace

271 W·m-2·K-1 67 – 73 °C 600 l/h 600 l/h cca 25 °C cca 120 min

Tab. 19 Výsledky měření, včetně předchozích testů Substrát Odpad z jatek

Tuhá fáze (sušina) % hm 40* 8

Měrný příkon W·m-3

Koef. prostupu tepla W·m-2·K-1

1330

271

* Počáteční podíl tuhé fáze se v průběhu zkoušky snižoval v důsledku uvolňování vázané vody a tuku masa do kapaliny. Sušiny 8 % bylo dosaženo v poslední fázi pasterizačního procesu.

Jak vyplývá z experimentálně provedených zkoušek, s kaly s rostoucím obsahem sušiny tuhé fáze v kalu se významně snižuje celkový koeficient prostupu tepla, a to i při zvýšené spotřebě energie na míchání. Suspenze odpadů z jatek se navíc vyznačuje výrazným zhoršením tekutosti, zejména v počáteční fázi ohřevu. Avšak i za těchto podmínek je možné dosáhnout hygienizace media za přijatelnou dobu zdržení, jak bylo konstatováno po provedení bakteriologických rozborů. Pro realizaci se doporučuje eliminace mrtvých prostorů, ve kterých by mohly mikroorganizmy snáze přežít. Pro vlastní zkoušky bylo dovezeno cca 50 kilogramů materiálu kategorie 3, upraveného mletím. Velikost částic byla pod 20 mm, na předepsanou velikost max. 12 mm se nepodařilo materiál připravit, což je v rozporu s evropskou normou. Protože materiál byl téměř tuhé konzistence a bylo by prakticky nemožné ho zpracovat na poloprovozním zařízení, bylo rozhodnuto o naředění odpadu pitnou vodou. Pro zkoušky tak bylo naváženo 24 kg odpadu (objem cca 20 litrů), který byl naředěn 30 litry pitné vody. Tak byla získána vsázka do pastéru s užitným objemem 50 litrů. Před započetím pasterizace byla vsázka intenzivně míchána po dobu 10 minut a pak odebrán vzorek pro biologická vyšetření (viz přílohy). Za neustálého míchání byl zahájen ohřev vsázky duplikátorem pastéru horkou vodou. Po dosažení požadované teploty vsázky 70,5 °C, kontrolované přesným rtuťovým teploměrem, byla snížena teplota topné vody a vsázka pastéru udržována za stálého intenzivního míchání na teplotě 70 – 71 °C. Během ohřevu i po dobu vlastní pasterizace bylo pozorováno výrazné ztekucení vsázky pastéru. Toto zjištění umožňuje uvažovat s podstatně menším naředěním zpracovávaného materiálu při provozní aplikaci, což v praxi znamená, že sušina substrátu může být podstatně vyšší. Po uplynutí 60 minut pasterizace vsázky při teplotě nad 70 °C byl odebrán vzorek z pasterizovaného materiálu pro biologické vyšetření na přítomnost Clostridium perflingens (viz příloha 11.1). Dále byl odebrán 1 litr pro případné další tepelné zpracování (druhá pasterizace). K uvažované druhé pasterizaci nedošlo, protože Clostridium perflingens po provedené pasterizaci nebyla přítomna.

4.3.7 Realizace pastéru a hygienizační linky Realizace pastéru Na základě provedeného měření byly zjištěny nezbytné parametry pro vlastní návrh pastéru. V případě, že bude potřeba pracovat s jiným médiem, bude nutné doplnit reologické vlastnosti substrátu nejlépe i dodáním reprezentačního vzorku. Dalšími požadovanými parametry pro návrh pastéru jsou denní požadovaná kapacita m3·d-1 a reologické vlastnosti substrátu, nejlépe reprezentační vzorek pro zjištění sušiny a viskozity. Ze zadaných známých parametrů se vypočte a navrhne objem pastérů a zvolí technologie a zařízení. Ohřev pastérů bude zabezpečován teplou vodou s hodnotou 90 °C. Požadovaný tepelný výkon se bude v průběhu ohřevu zmenšovat a v poslední fázi se budou krýt jen tepelné ztráty. Uspořádání pastéru vyplývá ze schématu (přílohy 11.2 a 11.3). Pastéry budou plněny substrátem s teplotou cca 10 °C, po naplnění pastéru začne ohřev a proběhne pasterizace s teplotou >70 °C a dobou zdržení 60 min., a to při požadované homogenizaci vsádky. Substrát bude dopravován čerpadlem do dalšího technologického procesu s teplotou po ukončení procesu (70 °C). Rekuperace tepla není obvykle požadována.

64


Míchadla musí mít instalovaný příkon motoru podle velikosti pastéru a podle chování média při počátečním stavu. Doporučuje se volit velikost pastéru s provozem na dvou- i třísměnný automatický provoz, a to s ohledem na povahu substrátu, který podléhá změnám. Realizace pasterizačního zařízení Na základě provedených měření zkušebního vzorku lze navrhnout pasterizační zařízení, sestávající hlavně z pastéru, drticí linky, násypky, potrubí, čerpadel, resp. dopravníku, a systému přípravy a rozvodu topné vody (viz přílohy). Dále součástí linky bude měřicí a regulační soustava (MaR) automatický provoz. Teplo po ukončení pasterizace je využíváno k ohřevu fermentačních nádrží. Pastéry budou pracovat jako předpasterizace. Při předpasterizačním zapojení se splňuje nařízení ES č. 1774/2002 z 3. října 2002. Jako referenční jednotka slouží experimentální zkušební jednotka v Brně a realizovaná stavba na ČOV Tišnov. Pasterizační aparát a celý okruh je chráněn průmyslovým vzorem UN 13 062.

4.3.8 Dílčí závěr 2 Byl proveden test ohřevu a pasterizace kašovité suspenze sekaných masných odpadů na poloprovozním zařízení o objemu cca 50 l s mechanickým mícháním. Suspenze byla připravena jako směs 24 kg masových odpadů (velikost částic do 2 cm) a 30 kg vody. Vyhodnocení výsledků testu ukázalo na prodlouženou dobu ohřevu vsádky ve srovnání s kalovými suspenzemi, a také na významně sníženou intenzitu převodu tepla i přes intenzivní promíchávání vsádky. Současně byly stanoveny potřebné intenzity míchání při použití dvojice vysoce efektivních míchadel typu axiální hydrofoil TX 335. Zjištěné potřebné hodnoty měrného příkonu také převyšují podobné hodnoty pro kalové suspenze. Hygienická pravidla, týkající se vedlejších živočišných produktů, které nejsou určeny k lidské spotřebě, se řídí podle nařízení ES č. 1774/2002 ze dne 3. října 2002. Z výše uvedeného nařízení vyplývá, že teplota pasterizace musí být 70 °C po dobu jedné hodiny, přičemž velikost jednotlivých zbytků musí být menší než 12 mm. Přestože nebyla splněna požadovaná délka jednotlivých částic do 12 mm (20 mm), podařilo se dosáhnout velice dobrých výsledků s ohledem na hygienizaci.

4.4 Poloprovozní a provozní ověření hygienizace V bioplynové stanici podniku RABBIT, a. s., Trhový Štěpánov byl ověřen provoz hygienizační jednotky TENEZ, a. s., Chotěboř. Pro úplnost představy o požadavcích kladených na tepelnou úpravu jatečního odpadu před vstupem do bioplynové stanice jsou uvedeny i tyto hodnoty.

4.4.1 Hygienizace – předpisy Se vstupem do EU vešlo v platnost nařízení ES č. 1774/2002 ES, které upravuje veterinární a hygienická pravidla pro vedlejší výrobky živočišného původu. Nařízení, mimo jiné, člení tyto odpady do kategorií a ukládá požadavky, jež musí být splněny při jejich zpracování v zařízeních na výrobu bioplynu. Tato zařízení musí být vybavena pasterizačně hygienizační jednotkou, kterou není možné obejít! Hygienizační jednotka snižuje bakteriální kontaminaci a vytváří takové prostředí, ve kterém nejsou bakterie schopny přežít. Dochází k zahřátí odpadu na předepsanou teplotu a následné výdrži na této teplotě, čímž dochází k devitalizaci patogenních mikroorganismů. Velikost částic vstupujících do jednotky musí být maximálně 12 mm. Minimální teplota celé hmoty materiálu v jednotce 70 °C, minimální doba v jednotce bez přerušení 60 min. Jednotka musí obsahovat: • zařízení na sledování teploty v čase • záznamový přístroj ke kontinuálnímu zaznamenávání výsledků těchto měření • odpovídající bezpečnostní systém k zabránění nedostatečného ohřevu

4.4.2 Realizace hygienizační linky Návrhu, výroby, montáže a uvedení do provozu se ujala firma Tenez, a. s., Chotěboř. Firma se od roku 2001 zabývá problematikou hygienizace kalů na čističkách odpadních vod a od počátku roku 2005 hygienizací bioodpadů (kuchyňský a jatečný odpad) pro využití v zařízeních na výrobu bioplynu. Během ověřování se zpracovával především jateční odpad z porážecí linky králíků s určitým podílem drůbežího odpadu. Po naskladnění do příjmové nádrže prochází drtičem a postupuje do výměníku ve strojovně hygienizace. 65


Stručný popis hygienizační linky: Tepelný výměník je rozdělen na tři sekce. Rozdrcený a promíchaný odpad je z jímky čerpadlem dopraven do první sekce výměníku, kde se ohřívají cirkulační vodou o cca 30 °C, a dále pak do druhé pasterační sekce, kde se ohřejí na pasterační teplotu 70 °C. Ohřev na teplotu pasterace se provádí např. vodou z chlazení kogeneračních jednotek. Takto zahřátý kal postupuje dále do výdržníku (nerezové nádrže), kde se udržuje 60 min. na teplotě pasterace. Poté se dopraví čerpadlem do třetí sekce výměníku, kde se chladí cirkulační vodou o cca 30 °C a postupují dále do vyhnívací nádrže. Linka je řízena automaticky.

Obr. 41 Schéma linky hygienizace

Obr. 42 Nadrcený jateční odpad

66


Obr. 43 Nadrcený jateční odpad

Obr. 44 Příjmová nádrž a drtič odpadu

67


Obr. 45 Strojovna hygienizace

Obr. 46 Trubkový výměník voda/odpad, detaily kolen

68


Obr. 47 Trubkový výměník voda/odpad, celkový pohled

Obr. 48 Výdržníky, nádrže na výdrž teploty pro určitý časový úsek

69


Obr. 49 Řídící systém

Obr. 50 Ovládací panel

4.4.3 Zhodnocení funkce hygienizační linky Po vyřešení technických problémů s náběhem jednotlivých technologických částí hygienizační linky (správné nastavení velikosti částic jatečního odpadu, automatické ovládání procesu, přizpůsobení technologického postupu zapravení vsázky do fermentoru) byl rozběhnut poloprovozní režim zařízení. V poloprovozním ověřovacím režimu byly třikrát odebrány vzorky termicky upraveného jatečního odpadu a digestátu (vyhnilého vyfermentovaného kalu) pro mikrobiologické rozbory; dva plně vyhověly požadavkům nařízení ES č. 1774/2002, které upravuje veterinární a hygienická pravidla pro vedlejší výrobky živočišného původu. První dva odběry vzorků byly mikrobiologicky v pořádku. Při třetím odběru byly odebrány vzorky termicky upraveného jatečního odpadu a digestátu (vyfermentovaného kalu) z fermentoru společně se vzorky ze zásobních nádrží, zde vyhověly vzorky tepelně stabilizovaného jatečního odpadu ze zásobní nádrže č. 1, ale ve vzorcích z fermentoru (vyfermentovaný kal) a ze zásobní nádrže č. 2 byla obsažena salmonela. Výsledky plně potvrdily funkčnost pasterizačního zařízení, neboť všechny tepelně zpracované vzorky jatečního odpadu byly mikrobiologicky v pořádku. Trochu jiná situace však může být u bioplynové stanice jako celku, digestát z fermentoru byl mikrobiologicky negativní jen při dvou odběrech (pozitivní nález salmonely). V předešlých případech nebyly vzorky ze zásobních nádrží odebírány z důvodů dobrých mikrobiologických testů termicky upraveného jatečního odpadu i digestátu, nepovažovali jsme to za nutné. Lze předpokládat, že byly rovněž negativní. Při třetím odběru jsme vzorky odebrali i ze zásobních nádrží „jen tak pro jistotu“. 70


Zásobní nádrž č. 2 byla pozitivní na salmonelu, stejně jako digestát. Vzhledem k negativnímu výskytu salmonely ve stabilizovaném jatečním odpadu je zdroj infekce pravděpodobně v hovězí kejdě, která je další kofermentující složkou substrátu. Podobné problémy by se mohly vyskytnout i při zpracování čerstvé drůbeží podestýlky. Z hlediska dimenzování termické stabilizace je proto vhodnější navrhnout zařízení pro celou kapacitu denní vsázky. Na bioplynové stanici Rabbit Trhový Štěpánov je kapacita dostatečná pro ohřev veškerého vstupního materiálu, v případě infekce jde pak jen o technologické opatření hygienicky ošetřit celou vstupní vsázku. Státní zdravotní ústav v Praze, národní referenční laboratoř hygieny půdy a odpadů, provedl v říjnu 2005 rozbory vzorků digestátu (vyhnilého kalu) a tepelně upraveného jatečního odpadu. V listopadu 2005 vzorků čerstvého a tepelně upraveného jatečního odpadu a v červnu 2006 vzorků čerstvého a tepelně upraveného jatečního odpadu. Výsledky mikrobiologických rozborů byly vzaty jako kontrolní při řešení technologických postupů projektu.

4.5 Dimenzování bioplynové stanice s kofermentací V následujících třech tabulkách je porovnání možnosti výstavby bioplynové stanice při různých zdrojích biomasy pro její provoz, tj. při fermentaci směsí více složek odpadů různého původu. V tab. 20 jsou uvedeny základní parametry bioplynové stanice pouze na prasečí kejdu, v tab. 21 je bioplynová stanice na prasečí kejdu a jateční odpady, v tab. 22 je bioplynová stanice na prasečí kejdu, jateční odpady a silážní kukuřici. Jedná se o určitý model bioplynové stanice. Pro srovnání je vidět, jak s přidávanými kofermenty roste především instalovaný elektrický výkon a jak lze s jejich pomocí upravovat sušinu zpracovávaného substrátu. V tab. 22 už je sušina směsi na čtrnácti procentech, což z hlediska čerpatelnosti směsi vyžaduje ředění na 12 %. Jinak je ale přidání kukuřičné siláže vhodným prostředkem ke zvýšení produkce bioplynu a zvýšení sušiny zpracovávané směsi. Za určitých podmínek lze použít i travní siláž, ale je nutno počítat s menší produkcí bioplynu při porovnání s kukuřicí. Tab. 20 BPS – zpracování prasečí kejdy Druh vsázky

t·rok-1

sušina %

sušiny t·rok-1

prod. bioplynu m3·t-1

prod. bioplynu m3·r-1

Prasečí kejda

25 000

7,1

1 775

400

710 000

Celkem

25 000

7

1 775

400

710 000

Instalovaný elektrický výkon bioplynové stanice 181 kWe, průměrné množství bioplynu na 1 t materiálu 28 m3, průměrné množství bioplynu na 1 t sušiny 400 m3.

Tab. 21 BPS – zpracování prasečí kejdy a jatečních odpadů Druh vsázky

t·rok-1

sušina %

sušiny t·rok-1


prod.bioplynu m3·r-1

Odpad z jatek

3 500

35

1 225

560

686 000

Prasečí kejda

25 000

7,1

1 775

400

710 000

Celkem

28 500

11

3 000

465

1 396 000

Instalovaný elektrický výkon bioplynové stanice 357 kWe (poměr jatečního odpadu v sušině 40 %), průměrné množství bioplynu na 1 t materiálu 49 m3, průměrné množství bioplynu na 1 t sušiny 465 m3.

Tab. 22 BPS – zpracování prasečí kejdy a jatečních odpadů společně se silážní kukuřicí Druh vsázky

t·rok-1

sušina %

sušiny t·rok-1


prod. bioplynu m3·r-1

Odpad z jatek

3 500

35

1 225

560

686 000

Siláž kukuřice

4 000

35

1 400

500

700 000

Prasečí kejda

25 000

7,1

1 775

400

710 000

Celkem

32 500

14

4 400

476

2 096 000

Instalovaný elektrický výkon bioplynové stanice 536 kWe (poměr jatečního odpadu v sušině 27 %), průměrné množství bioplynu na 1 t materiálu 64 m3, průměrné množství bioplynu na 1 t sušiny 476 m3

Z hlediska zpracování jatečního odpadu v bioplynové stanici jsou důležité dvě skutečnosti: zaprvé musí být tepelně a rozměrově stabilizovaný a zadruhé hmotnostní podíl sušiny jatečního odpadu v celkové sušině by měl být 30 % (výjimečně lze podle povahy odpadu připustit až 40 %). Pak lze bez problémů provozovat bioplynovou stanici s kofermentací více složek.

71

4 Návrh, ověření složení a výtěžnosti směsi a návrh technologického postupu výroby bioplynu, včetně produkce a složení kalů z této výroby

Recommend Documents