Anaerobní fermentace fytomasy v suchých fermentačních procesech Seminární práce, odpadové hospodářství
Zpracoval: Tomáš Severa PÚPN 4.ROČNÍK
Anaerobní fermentace fytomasy v suchých fermentačních procesech Perspektiva bioplynových stanic v ČR Obce a města v České republice musí jakožto původci komunálního odpadu zajistit snížení množství biologických odpadů ukládaných na skládku a zároveň výrazně zvýšit materiálové využití komunálních odpadů. Cesta k řešení obou cílů je zejména v biologické části komunálních odpadů, neboť bioodpady tvoří reálně více než 50 % hmotnostních z celkového množství komunálních odpadů. Řešení obou cílů tedy spočívá v aktivním třídění papíru, který rovněž patří mezi bioodpady, a zejména v zavedení třídění a materiálového využití dalších druhů bioodpadů, které na území měst vznikají – bioodpadů z domácností, jídelen a restaurací, z údržby městské zeleně apod. Rozvoj technologie anaerobní fermentace v ČR by měla podpořit environmentální politika státu formou podpor a legislativních opatření. Jako příklad lze uvést Národní program nakládání s energií a využívání obnovitelných a druhotných energetických zdrojů, který předpokládá zvýšení podílu OZE na celkové potřebě energie ze současných 2,2% na 3-6% do roku 2010 nebo návrh Plánu odpadového hospodářství ČR předepsaného zákonem 185/2001 Sb. o odpadech (§ 42), který ukládá postupné snižování skládkování komunálních odpadů na 75% stavu z roku 1995 v roce 2010 a 35% v roce 2020 i maximální množství organické složky ukládané do skládek, čímž vznikne potřeba alternativního zpracování v současnosti skládkovaného bioodpadu. K rozšíření výstavby BPS v ČR by měla přispět i implementace směrnic EU, např. směrnici Rady 91/676/EHS (nitrátová směrnice) uplatňující zásady správné zemědělské praxe pro ochranu vod před znečištěním dusičnany nebo 96/61/EC (o integrované prevenci a omezování znečišťování), vtělená do zákona 76/2002 Sb., která mimo jiné požaduje uplatňování nejlepší dostupné techniky (BAT). Na druhé straně komplikuje rozvoj BPS v ČR roztříštěnost a mnohdy i přílišná přísnost souvisejících předpisů. BPS jsou totiž podle právních norem a technických předpisů v plném rozsahu považovány za zařízení k využívání, odstraňování, sběru nebo výkupu odpadů (zákon o odpadech), zároveň za zařízení, která produkují palivo nebo energii (energetický zákon 458/2000 Sb.) a zařízení, ve kterých se vyrábí organické hnojivo (zákon o hnojivech 308/2000 Sb.). Tato koncentrace norem a předpisů, které platí pro všechny BPS bez ohledu na jejich dominantní účel a výkonnostní parametry, vytváří v souhrnu podstatné omezení pro účelné rozšíření jejich využívání. Jako příklad lze uvést přísné plynařské normy (ČSN 756415, 386405), které zvyšují požadavky na bezpečnostní opatření a kvalitu obsluhy. Určitým nedostatkem je i to, že není energetickým zákonem přímo stanovena minimální cena elektřiny z OZE, nebo že v prováděcí vyhlášce (474/2000 Sb.) k zákonu o hnojivech není specifikován anaerobně stabilizovaný substrát jako hnojivo organického původu. Přínosné bylo naopak rozhodnutí Energetického regulačního úřadu (ERÚ) č. 1/2002, které v souladu s energetickým zákonem stanoví minimální povinné sazby výkupních cen elektřiny z OZE na 2,50 Kč za kWh. Nedostatkem této formy podpory je značná podnikatelská nejistota, protože ERÚ může prakticky kdykoliv toto platné rozhodnutí zrušit. Není tedy zajištěna stabilita ceny po celou dobu realizace investice. Garantovaná cena elektřiny z OZE navíc není dostatečně vysoká, zlepšuje sice ekonomické výsledky BPS, prodej elektřiny za tuto cenu však pokryje náklady pouze z jedné třetiny, což vyvolává požadavky na dotace ze strany státu.
Státní fond životního prostředí (SFŽP) poskytuje dotace v souladu se Státním programem na podporu úspor energie a využití OZE na realizaci BPS s kogenerační jednotkou. Přímé dotace jsou poskytovány ve výši do 40% investičních nákladů pro obce, obecně prospěšné společnosti a občanská sdružení (kategorie A), 30% pro podnikatelské subjekty (kategorie P) a 35% pro fyzické osoby (kategorie E). Mimo přímých dotací je možné ze SFŽP dostat i bezúročnou půjčku s dvouletým odkladem splátek a lhůtou splatnosti maximálně 12 let ve výši 30% investičních nákladů (kategorie A), resp. 25% (kategorie P,E). Při kombinaci obou forem podpor nesmí být překročena maximální výše přímé podpory stanovená pro daný program 70% (40%dotace + 30 bezúročná půjčka) pro kategorii A, 55% (kategorie P) a 60% (kategorie E). To platí i pro souběh jiných forem podpory např. ze SFŽP a ze státního rozpočtu. Dotace ze SFŽP sice nejsou nárokovatelné, jejich získání, zejména v plné výši, by však mělo zajistit ekonomickou návratnost vložené investice. Pro ekonomicky výhodný provoz BPS je v současné době nezbytně nutné mít zajištěn: • • •
celoroční konstantní příjem materiálu v kvalitě odpovídající údajům v tabulce 2, celoroční odbyt pro vyprodukovanou energii (při kogeneraci na elektřinu i teplo), uplatnění pro biozplynovaný substrát, popř. z něj vyrobené produkty s vyšší hodnotou.
Zkušenosti z Německa hovoří o tom, že bioplynové stanice jsou nejen ekonomicky návratné, ale rovněž ziskové. Různé zdroje hovoří o návratnosti investice v průběhu 8-13 let.Hlavními finančními příjmy jsou poplatky za zpracování odpadu a příjmy z prodeje elektřiny. Dalšími příjmy jsou tržby z prodeje digestátu (tuhý zbytek po fermentaci) jako hnojiva ( např. v Bavorsku je pod zákonem o hnojivech hodnocen jako hnojivu, v Sasku podle zákona hodnocen jako odpad). Příjmy z prodeje elektřiny jsou závislé na tom, z jaké biomasy bioplyn vzniká. Novelizovaný zákon o obnovitelných zdrojích nejenom stanovuje vyšší výkupní ceny za ekologickou elektřinu, ale rovněž diferencuje výkupní cenu elektřiny u samotného bioplynu podle několika kriterií. Takže například u elektřiny vyrobené z bioplynu vzniklého zpracováním komunálního odpadu jsou nižší než u elektřiny z cíleně pěstované fytomasy Anaerobní fermentace biomasy Řízená anaerobní fermentace je perspektivní způsob ekologického zpracování zbytkové biomasy. Jedná se o bioenergetickou transformaci organických látek, při které nedochází ke snížení jejich hnojivé hodnoty. Tato technologie využívaná v bioplynových stanicích (BPS) je souborem procesů, ve kterých směsná kultura mikroorganismů rozkládá biologicky odbouratelnou organickou hmotu bez přístupu vzduchu. Výslednými produkty jsou biologicky stabilizovaný substrát s vysokým hnojivým účinkem a bioplyn (BP) s obsahem 5570% metanu a výhřevností cca 18-26 MJ.m-3, který se využívá k energetickým účelům. Každý organický materiál s vysokým obsahem těkavých látek a sušinou menší než 50% může být teoreticky využit pro anaerobní fermentaci. Pro efektivní zpracování je však zapotřebí, aby vlastnosti použitých materiálu byly v určitém optimálním rozmezí. Základní hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1.
Tab. 1: Základní vlastnosti materiálů vhodných pro anaerobní fermentaci
Sušina [%]
Poměr C:N
pH
7-25
20-30:1
6,57,5
Podíl organické hmoty [% suš.] nad 60
Nejvíce zbytkové biomasy vzniká v zemědělství. Jedná se především o odpady z živočišné výroby a zbytky rostlin. Exkrementy hospodářských zvířat je stále obtížnější využívat v rostlinné výrobě jako hnojivo z důvodu zpřísňujících se předpisů i proto, že mnoho velkochovů zvířat bylo vybudováno bez jakékoliv vazby na půdu. Dále jde o zbytky z rostlinné výroby, pro které není další uplatnění, případně o cíleně pěstovanou nepotravinářskou produkci. Zajímavé možnosti nabízí travní fytomasa z dotačně udržované zatravněné půdy, která musí být pravidelně odstraňována. Dalším významným zdrojem zbytkové biomasy je komunální sféra. Biologický odpad tvoří asi 40% podíl komunálního odpadu. Návrh plánu odpadového hospodářství ČR stanovuje postupné snižování skládkování komunálního odpadu a směrnice Rady 1999/31/EC o skládkování odpadu vyžaduje postupné snižování procenta organických odpadů jdoucích na skládky, což přispěje k rozvoji technologií na zpracování bioodpadů. Odpady vhodné pro zpracování anaerobní fermentací vznikají rovněž v průmyslu, zejména potravinářském. Odhad celkového množství organického materiálu vhodného pro zpracování anaerobní fermentací ze zemědělství, komunální sféry a průmyslu v ČR je uveden v tabulce 2, kde teoretický potenciál odpovídá celkovému množství produkované biomasy, dostupný potenciál je technický potenciál, který je možno využít v současnosti dostupnými technickými prostředky a ekonomický potenciál je ta část dostupného potenciálu, kterou je možno za současných podmínek (ekonomické, legislativní apod.) ekonomicky využít. Ekonomický potenciál se pohybuje podle druhu zdroje biomasy v rozmezí 18-33% dostupného potenciálu. Položka živočišný odpad v tabulce 1 představuje exkrementy hospodářských zvířat, jejichž množství bylo odhadnuto z počtu chovaných zvířat v ČR., položka fytomasa odpovídá odpadní či cíleně pěstované fytomase, kterou představují povinně sklízené trvalé travní porosty a pěstované zemědělské plodiny s vysokým obsahem dusíkatých látek a položka BRKO+BRPO představují biologicky rozložitelný komunální odpad (BRKO) a biologicky rozložitelný průmyslový odpad (BRPO).
Tab. 2: Přehled potenciálu biomasy anaerobní fermentací v ČR
Živočišný odpad
Fytomasa
BRKO + BRPO
Celkem
30 000
6 000
2 806
38 806
bioplyn [m3] 780 000
450 000
280 600
1 510 600
energie [PJ]
17
10
6
33
materiál [tis.t]
10 000
3 000
1 403
14 403
bioplyn [m3] 260 000
225 000
140 300
625 300
energie [PJ]
5,7
5
3
14
materiál [tis.t]
2 100
1 000
250
4 350
bioplyn [m3] 61 000
75 000
25 000
187 000
energie [PJ]
1,7
0,6
4
Potenciál využití biomasy materiál [tis.t] Teoretický potenciál
Dostupný potenciál
Ekonomický potenciál
1,3
Anaerobní fermentace fytomasy v suchých fermentačních procesech Pro bioplynové stanice lze tedy využívat cíleně pěstovanou fytomasu. Jedná se zejména o silážní kukuřici a energetické rostliny, např. súdánská tráva. Zajímavé možnosti nabízí, jak již bylo řečeno, travní fytomasa z dotačně udržované zatravněné půdy,která musí být pravidelně odstraňována. Petříková uvádí vhodné energetické plodiny se zdůrazněním, že nejdůležitější jsou rostliny víceleté a vytrvalé. Jejich výhodou je snížení nákladů na pěstování a na každoroční zakládání porostů, včetně úspor za nákup osiv. Další nesporná výhoda vytrvalých rostlin, obdobně jako při zatravňování, je jejich protierozní působení, které se jinak při každoroční orbě může velmi negativně projevit. 1. Jednoleté až dvouleté: a) laskavec Amaranthus L. b) konopí seté Cannabis sativa L. c) světlice barvířská Carthamus tinctorius d) sléz přeslenitý (krmný) Malva verticillata e) komonice bílá (jednoletá až dvouletá) Melilotus alba f) pupalka dvouletá Oenothera biennis g) hořčice sarepská Barsica juncea 2. Víceleté a vytrvalé (dvouděložné) h) mužák prorostlý Silphium perfoliatum L. i) jestřabina východní Galega orientalis j) topinambur Helianthus tuberosus L. k) čičorka pestrá Coronilla varia L. l) šťovík krmný Rumex tianshanicus x Rumex patientia m) sléz vytrvalý Kitaibelia n) oman pravý Inula helenium L. o) bělotrn kulatohlavý Echinops sphaerocephalus 3. Energetické trávy p) sveřep bezbranný Bromus inermis Leyss. (odrůda Tribun ) r) sveřep horský (samužníkovitý) Bromus carharticus Vahl. (odrůda Tacit) s) psineček veliký Agrostis gigantea L. t) lesknice (chrastice) rákosovitá Phalaris arundinacea L. u) kostřava rákosovitá Festuca arundinacea v) ovsík vyvýšený Arrehenatherum elatius w) ozdobnice čínská (sloní tráva) Miscanthus sinensis
"Suché" technologie anaerobní digesce pracují se sušinou vsázky vyšší než 25%, většinou v rozpětí 30-35% (Jewell et al. 1981). V tomto rozpětí sušiny zjistil Oleszkiewicz et al. (1997) nejintenzivnější produkci bioplynu 1,5 m3 na 1 m3 fermentačního prostoru a den při 40% destrukci organické hmoty, aniž by koncentrace nižších mastných kyselin překročila inhibiční mez. V suchých fermentačních technologiích se používají procesy mezofilní v rozpětí teplot 3540°C nebo termofilní v rozpětí teplot 55-60°C (např. Wichert et al., 1994). Výhodou termofilního procesu je především hygienizace (Steiner, Kandler, 1984), kterou lze při anaerobní digesci fytomasy využít pouze při kofermentaci s hygienicky závadným materiálem. Termofilní mikroflóra je schopna degradovat více proteinů nežli mezofilní a je až dvojnásobně tolerantní k volnému amoniaku (Gallert, Winter, 1997). Citovaní autoři uvádějí jako nevýhodu termofilního procesu jeho menší stabilitu, zmenšenou odvodňovací schopnost fermentovaného materiálu a především vyšší tepelné ztráty. Během termofilní fermentace bioodpadu při 55°C zjistili ve srovnání s mezofilní fermentací vyšší produkci bioplynu, ale nižší celkovou produkci metanu. Většina autorů se shoduje v tom, že při anaerobní digesci fytomasy nejsou podstatné rozdíly ve výtěžku metanu mezi termofilním a mezofilním procesem a z důvodů nižších tepelných ztrát je možné doporučit pro tento účel procesy mezofilní (Váňa, 1997). Nejjednodušší technologický systém pro biozplynování tuhých biodegradabilních odpadů, použitelný též pro fytomasu je diskontinuální vsázkový systém (Batch-system). Tento systém byl během šedesáti let obohacen různými modifikacemi (Membrez et al., 1996). Jeho nejčastější varianta jsou tři vsázkové biofermentory, které jsou střídavě plněny a vyprazdňovány v kombinaci s integrovaným plynojemem v jednom objektu (Sun et al., 1987). Technologie založené na tomto systému se liší přípravou substrátu, očkováním, perkolací procesní tekutiny a způsobem odvodnění (Liu et al., 1987). Fermentory s diskontinuálním provozem pro zpracování slamnatého hnoje navrhl Žilka (1979). Chlévská mrva se sype do drátěného koše o průměru 6 m, na který se po naplnění jeřábem nasadí tepelně izolovaný zvon, jenž má zařízení pro odvod bioplynu do plynojemu. Tento systém by teoreticky mohl být využit pro kofermentaci fytomasy s chlévskou mrvou. Kontinuální systémy pracující se sušinou substrátu cca 30% vznikly zdokonalováním fermentoru, jenž navrhl Wong-Chong(1975), ve kterém substrát kontinuálně prochází biofermentorem, přičemž část zfermentovaného substrátu se vrací na počátek procesu, kde je promíchávána s čerstvým substrátem. Vývoj těchto systémů probíhal především v oblasti anaerobní digesce bioodpadu ze separovaného sběru komunálních odpadů (Wiemer et al., 1997). Nejznámější je systém DRANCO (Drug Anaerobic Composting) vzniklý v Belgii, který používá válcovitý biofermentor (obr. 6A) vyprazdňovaný šnekovým mechanismem a externí čerpadlo pro recirkulaci tekuté části substrátu (Baere et al., 1986). Ve švýcarském systému KOMPOSTGAS (Wellinger et al., 1992) je použito ležatého válce, ve kterém se tuhá část substrátu pohybuje horizontálně a je promíchávána s recirkulující procesní tekutinou (Edelmann, Engeli, 1996). Francouzský systém WALORGA používá k promíchávání části obsahu fermentoru bioplyn. Na vysokosušinovém biofermentoru je založen systém ATF realizovaný v Hamburku, zpracovávající městské bioodpady, a ANACOM - modifikovaný systém Dranco pro zpracování chlévského hnoje.
Dalším jednostupňovým zařízením, které se pro anaerobní digesci fytomasy plně osvědčilo, je "fermentační kanál" (Gärkanal). Tento systém používá stacionární procesní tekutinu, ve které se pomalu pohybují perforované nádoby naplněné tuhým substrátem (obr. 6B). V tomto systému se v procesní tekutině netvoří sediment ani plovoucí vrstva (Baserga, Egger, 1995). Francouzský kontinuální systém "Transpaille proces" (firma Conseils C.F.A., 1995) používá k fermentaci tuhého substrátu ležatý válec o objemu 100 m3, na jehož jednom konci je násypka a na druhém konci vyprazdňovací zařízení. Tuhá část substrátu je ve válci posunována hydraulickým pístem v procesní kapalině. V intervalu plnění fermentoru se píst stáhne před otvor násypky. Při plnění i při vyprazdňování biofermentoru je technickým řešením omezeno narušení anaerobních podmínek. Uvedené technologické systémy je možné s minimální úpravou modifikovat pro biozplynování energetické fytomasy (Baserga, Eger, 1997). Technologický vývoj v anaerobní digesci tuhých substrátů směřuje k vícestupňovým procesům (Gosh, Klass, 1978). U dvoustupňového procesu se v prvním stupni realizuje hydrolýza a acidogeneze a procesní tekutina s meziprodukty rozkladu se zpracovává ve druhém stupni, ve kterém probíhá acetogeneze a metanogeneze. Po ukončení metanogeneze recirkuluje procesní tekutina na počátek procesu a je mísena s čerstvým tuhým substrátem nebo perkoluje prvním stupněm. Jako druhý stupeň bývá použit vysoce účinný (high-rate) anaerobní fermentor, který je konstruován tak, aby ve 2. stupni trvale udržoval pomalu rostoucí acetogenní a metanogenní bakterie. V tzv. "anaerobním filtru" (obr. 6C) jsou bakterie přichyceny jako biofilm na inertním podpůrném materiálu. Mikrobiálně aktivní matrice umístěné v biofermentoru 2. stupně mohou být konstruovány jako vložky z jemně profilovaných plastů (Iza et al., 1991). Biofermentor ve druhém stupni může být použit s fluidním ložem (UASB - Uplow anaerobic sludge blanket). V tomto případě jsou mikroorganismy přichyceny na nosném povrchu malých tvarovaných částic nebo kuliček z porézní hmoty, které se udržují ve fermentované tekutině přiváděné do biofermentoru spodem ve vznosu (obr. 6D). Mikroorganismy rostoucí v mikrostrukturách porézních částic zůstávají trvale ve fermentoru (Fannin, Biljetina, 1987). Rovněž formování bakteriálních vloček spojené se separací a recirkulací těchto částic ve
druhém stupni v biofermentoru s plovoucí kalovou vrstvou podstatně prodlužuje zdržení mikroorganismů v tomto stupni (Lettinga et al., 1980). Významným technologickým prvkem většiny systémů pro anaerobní digesci fytomasy je recirkulace kapalné fáze. V jednostupňových systémech je zpravidla tato recirkulace spojena s odvodněním zfermentovaného substrátu. Recirkulací procesní tekutiny stoupá doba jejího zdržení v systému ve srovnání s dobou zdržení sušiny, prodlužuje se zdržení mikrobů a zvyšuje se mikrobiální hustota ve fermentorech. Akumulace nezmetabolizovaných rozpustných látek, např. anorganických solí, je v tuhé části substrátu zpravidla vyšší než v tekuté části (Nordberg, 1996). Recirkulace procesní vody stabilizuje fermentační proces a snižuje teplotní ztráty (Legrand, Jewell, 1987). Dvoufázový kontinuální systém biozplynování fytomasy s aerobní kompostovací linkou navrhli Váňa, Slejška (1998) (obr. 7).
Literatura: 1)Anaerobní fermentace fytomasy v "suchých" fermentačních procesech, http://stary.biom.cz/publikace/bioplyn/05.html 2)BAČÍK, Ondřej: Jak na bioodpady? Zkušenosti z Německa (1). Biom.cz [online]. 2005-12-06 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW:
. ISSN: 1801-2655 3)BAČÍK, Ondřej: Jak na bioodpady? Zkušenosti z Německa (2). Biom.cz [online]. 2005-12-08 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655 4)BAČÍK, Ondřej: Jak na bioodpady? Zkušenosti z Německa (3). Biom.cz [online]. 2005-12-19 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655 5)BAČÍK, Ondřej: Jak na bioodpady? Zkušenosti z Německa (4). Biom.cz [online]. 2006-03-15 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655. 6)MORAVEC, Adam: Legislativní úskalí výstavby centralizovaných bioplynových stanic v ČR. Biom.cz [online]. 2004-04-05 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655 7)MUŽÍK, Oldřich, HUTLA, Petr: Biomasa - bilance a podmínky využití v ČR. Biom.cz [online]. 2005-01-17 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655 8)MUŽÍK, Oldřich, SLEJŠKA, Antonín: Možnosti využití anaerobní fermentace pro zpracování zbytkové biomasy. Článek ze sborníku z mezinárodní vědecké konference "Zemědělská a zahradnická technika z hlediska environmentální politiky státu", která se konala 29.-30. května 2003 v Lednici. Dostupný z WWW: http://biom.cz/index.shtml?x=141272 9)PASTOREK, Zdeněk, KÁRA, Jaroslav: Suchá fermentace zemědělských a komunálních organických materiálů. Biom.cz [online]. 2003-09-29 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655. 10)PETŘÍKOVÁ, Vlasta: Biomasa z energetických rostlin. Biom.cz [online]. 200604-19 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655 11)STRAKA, František: Komunální odpady - anaerobní fermentace versus skládkování. Biom.cz [online]. 2005-08-24 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655 12)VÁŇA, Jaroslav: Možnosti rozvoje bioplynových stanic v České republice. Biom.cz [online]. 2001-11-13 [cit. 2006-04-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655
