Ekologická výroba a využití bioplynu v provozech na zpracování koželužských odpadů

MENDLOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ Agronomická fakulta

Ekologická výroba a využití bioplynu v provozech na zpracování koželužských odpadů

Bakalářská práce

Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Rudolf Rybář, CSc. Brno 2007

Vypracoval Lumír Havlíček

Prohlášení

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Ekologická výroba a využití bioplynu v provozech na zpracování koželužských odpadů“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v seznamu použité literatury této bakalářské práce.

V Brně dne 2. dubna 2007

…………………………….. Lumír Havlíček

Poděkování

Děkuji vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Rudolfu Rybářovi, CSc, paní ředitelce Miroslavě Mokrišové za cenné rady a připomínky při zpracování této bakalářské práce.

Souhrn V bakalářské práci byl zjišťován postup zpracování živočišného odpadu při výrobě živočišných produktů jako jsou například polygrafická lepidla, mýdla, kožní klih, živočišný tuk. Tyto produkty jsou vyráběny ze surovin, které jsou k nám dováženy z celé Evropy. Mezi tyto suroviny patří králičí nudle (králičí klih), hovězí kůže (kožní klih), vepřové odřezky (strojní klihovka). Předmětem sledování byl opad, který je využíván k ekologické výrobě a využití bioplynu v provoze na zpracování koželužských odpadů, a dále zpracování zbytků z výroby bioplynu pomocí kompostování. Klíčová slova: Bioplyn, odpad, klih a elektřina

Summary This bachelor thesis deals with the procedure of processing animal waste to be used to produce animal products such as polygraphie glue, soap, skin glue, animal fat. These have been produced from materials imported here from all over Europe. These materials include rabbit noodles (rabbit glue), beef skin (skin glue) and pork cuts off (machine glue). The subject of consideration was the waste used in ecological production and application of biogas in factories processing tannery waste and also processing the scrap from biogas production by composting. These pivotal words: Biogas, waste, glue and electricity

Obsah: 1

Cíl práce.................................................................................................................... 8

2

Úvod do bioplynu ..................................................................................................... 8

3

Bioplyn...................................................................................................................... 8 3.1

Cíle bioplynové technologie ............................................................................. 9

3.2

Vznik bioplynu ............................................................................................... 10

3.2.1

Vlhké prostředí ....................................................................................... 11

3.2.2

Zabránění přístupu vzduchu.................................................................... 11

3.2.3

Zabránění přístupu světla........................................................................ 12

3.2.4

Stálá teplota............................................................................................. 12

3.2.5

Vliv pH ................................................................................................... 14

3.2.6

Přísun živin ............................................................................................. 15

3.2.7

Velké kontaktní plochy........................................................................... 15

3.2.8

Inhibitory ................................................................................................ 16

3.2.9

Zatížení vyhnívacího prostoru ................................................................ 16

3.2.10

Rovnoměrný přísun substrátu ................................................................. 16

3.2.11

Odplyňování substrátu ............................................................................ 17

3.3

Výroba a kvalita bioplynu............................................................................... 17

3.3.1

Plynový výkon ........................................................................................ 17

3.3.2

Výnos bioplynu....................................................................................... 17

3.3.3

Stupeň rozkladu ...................................................................................... 18

3.3.4

Doba kontaktu......................................................................................... 18

3.3.5

Čistý výnos bioplynu .............................................................................. 19

3.3.6

Složení a kvalita bioplynu....................................................................... 19

3.4

3.3.6.1

Průběh procesu.................................................................................... 20

3.3.6.2

Skladba živin v substrátu .................................................................... 20

3.3.6.3

Teplota substrátu................................................................................. 20

Optimalizace procesu...................................................................................... 21

4

Informace o společnosti .......................................................................................... 22

5

Vyráběné produkty ................................................................................................. 23 5.1

Polygrafická lepidla ........................................................................................ 23

5.2

Mýdla .............................................................................................................. 24

5.3

Kožní klih ....................................................................................................... 25

5.4

Živočišný tuk .................................................................................................. 25

6

Údaje o dosavadním a budoucím využití areálu ..................................................... 26

7

Výroba bioplynu – strojně technologické zařízení ................................................. 27

8

9

7.1

Základní výkonové parametry ........................................................................ 27

7.2

Potřeba materiálu a surovin ............................................................................ 29

Popis řešení ............................................................................................................. 29 8.1

Skladové hospodářství, manipulace s materiálem, doprava ........................... 30

8.2

Popis a funkce jednotlivých technologických uzlů......................................... 31

8.2.1

Příjmová nádrž........................................................................................ 31

8.2.2

Homogenizační nádrž ............................................................................. 32

8.2.3

Reaktor.................................................................................................... 32

8.2.4

Strojovna reaktoru................................................................................... 33

8.2.5

Sedimentační nádrže ............................................................................... 33

8.2.6

Odvodnění kalu....................................................................................... 34

8.2.7

Potřeba pracovních sil............................................................................. 34

8.2.8

Potřeba energií, paliv, vody .................................................................... 35

Výroba a distribuce elektrické energie ................................................................... 35 9.1

Účel projektového zařízení ............................................................................. 35

9.2

Základní výkonové parametry ........................................................................ 36

9.3

Potřeba materiálů a surovin ............................................................................ 36

9.4

Skladba technologického zařízení .................................................................. 36

9.4.1

Dispoziční řešení..................................................................................... 36

9.4.2

Popis a funkce jednotlivých technologických uzlů................................. 37

9.4.2.1

Kogenerační jednotky ......................................................................... 37

9.4.2.2

Příslušenství okruhu topné vody......................................................... 37

9.4.3

Skladové hospodářství, manipulace s materiálem, doprava ................... 38

9.4.4

Potřeba pracovních sil............................................................................. 38

9.4.5

Potřeba energií, paliv, vody a jiných médií ............................................ 38

9.4.6

Množství odpadů..................................................................................... 38

10

Řízení bioplynové stanice................................................................................... 38

11

Rozbor odpadu z reaktoru................................................................................... 39

12

Závěr ................................................................................................................... 41

13

Seznam použité literatury ................................................................................... 42

14

Přílohy:................................................................................................................ 42

1 Cíl práce Cílem této práce bylo vyřešit problematiku ekologické likvidace odpadů v podniku Tanex a.s. zabývajícím se zpracováním živočišného odpadu při výrobě živočišných produktů. Proces zpracování těchto surovin je zatížen nejen produkcí specifických druhů odpadů, ale i nežádoucích pachů. Proto v této práci byl navržen proces zpracování metodou anaerobní termofilní fermentace. Tato technologie neřeší jenom velké množství vzniklého odpadu a přitom vzniklé pachy, ale rovněž přispívá k výrobě elektrické energie. Tato energie je následně využívaná vlastní firmou a částečně prodávaná do elektrické sítě.

2 Úvod do bioplynu Bioplynové zařízení představují energetické zdroje s vysoce pozitivními přínosy pro ochranu a tvorbu životního prostředí. Bohužel, ale zatím není bioplyn schopen vytlačit fosilní paliva z jejich dominantního postavení na trhu s energiemi, má na rozdíl od nich zcela neomezené perspektivy pro dnešní i budoucí využití. Bioplynové systémy ve všech možných uspořádáních pracují jako plně obnovitelné energetické zdroje.

3 Bioplyn Slovo „bioplyn“ napovídá, že by se mělo jednat o plyn produkovaný blíže nespecifikovaným biologickým druhem, pokud přijmeme další běžný usus, totiž že takto mluvím o plynech produkovaných a nikoliv spotřebovaných biologicky. I tak je však kategorie „bioplyn“ stále velmi prostou skupinou různých plynových zplodin z biologických resp. biochemických procesů. Při rozkladech i syntézách uskutečňovaných biochemickými cestami vzniká celá řada jednoduchých i složitějších plynných sloučenin. Ovšem, mnohé z těchto plynů a plynných směsí nemusí být vůbec do kategorie „bioplyn“ zahrnovány.

8

„Bioplyn“ přiřadila současná technická praxe výlučně pro plynný produkt anaerobní ethanové fermentace organických látek, uváděné též pod pojmy anaerobní digesce, biomethanizace anebo biogasifikace. Názvem „bioplyn“ je obecně míněna plynná směs methanu a oxidu uhličitého. V plynném produktu dobře prosperujících methanogenních mikroorganismů představuje suma CH4 a CO2 hodnoty velmi blízké 100 % obj., vždy s výraznou převahou obsahu methanu. Protože se však v technické praxi nemusíme vždy potkat s takovýmto „ideálním“ bioplynem je zde ještě celá škála dalších plynů, které může bioplyn obsahovat. Mohou to být zbytky vzdušných plynů (N2, O2, Ar), neúplně spotřebované produkty acidogeneze (H2, přebytek CO2) anebo další minerální a stopové příměsi z předcházejících anebo simultánních reakcí organické hmoty (H2S, N2O, HCN, uhlovodíky i jejich deriváty většinou kyslíkaté i sirné). Mezi zvláštní kapitolu bioplynu, patří plyny tvořící se samovolně ve skládkách odpadů, které obsahují biologicky rozložitelné komponenty. I když jde relativně o stejné procesy jako u reaktorové biomethanizace , bývá složení skládkových plynů mnohem proměnlivější. Je třeba míti na mysli, že se stále jedná o vzájemně velmi příbuzné plyny. Právě v oboru skládkových plynů se můžeme dostat do definičních problémů s tím, co ještě je bioplyn a co jím již není. Při průzkumu starých skládek a terénů sousedících se skládkami, vzorkujeme a analyzujeme plynné prostředí o němž lze někdy těžko rozhodnout zda jde o „půdní vzduch“, „půdní vydýchaný vzduch“resp. „půdní plyn zbylý po respiraci vzduchu“ anebo o „bioplyn“.

(Straka, F., 2003)

3.1 Cíle bioplynové technologie
Získání hodnotné energie.
Zmenšení zatížení pachem.
Zmenšení žíravého účinku.
Zlepšení tekutosti.
Zmenšení zatížení vzduchu metanem a čpavkem.
Zabránění ztrátám na živinách.
Zmenšení vyplavování dusíku.
Zlepšení odolnosti rostlin.
Zlepšení zdravotního stavu rostlin. 9


Hygienizace kejdy.
Omezení klíčivosti semen plevele.
Zpracování organických zbytků.
Neplacení stočného.

3.2 Vznik bioplynu Bioplyn je produktem látkové výměny metanových baktérií, ke které dochází, když bakterie rozkládají organickou hmotu. Tento proces má v podstatě čtyři fáze:
Hydrolýza.
Okyselení.
Tvorba kyseliny octové.
Tvorba metanu. V první fázi přeměňují přítomné anaerobní bakterie, tedy ještě nikoli metanové bakterie, makromolekulární organické látky (bílkoviny, uhlovodíky, tuk, celulózu) pomocí enzymů na nízkomolekulární sloučeniny, jako jsou jednoduché cukry, aminokyseliny, mastné kyseliny a voda. Tento proces se nazývá hydrolýza. Poté mohou acidofilní bakterie provést další rozklad na organické kyseliny, oxid uhličitý, sirovodík a čpavek. Z toho nyní octotvorné bakterie vytváří acetáty, oxid uhličitý a vodík. Teprve na konec metanové bakterie v alkalickém prostředí vytvoří metan, oxid uhličitý a vodu. Při kontinuálním plnění organickou hmotou, jak je tomu u většiny bioplynových stanic, probíhají tyto procesy vedle sebe a nejsou odděleny ani místně,ani časově. Pouze při rozběhu bioplynové stanice, u dávkových procesů a u vícestupňových bioplynových stanic probíhají fáze rozkladu odděleně. Po zahájení provozu stanice může proto trvat několik týdnů, než nastane čtvrtá fáze, tj. tvorba metanu, a než vznikající plyn hoří. Dnes je známo asi deset druhů methanococcus a methanobacterium o velikosti pouze 1/1000 mm, které vyžadují různé typy péče. Všechny však potřebují následující životní podmínky:

10

Graf č.1: Porovnání výnosu bioplynu z tuny biomasy u jednotlivých komodit.

Výnos bioplynu z tuny biomasy

Kejda skotu

25

Kaly z ČOV

30

Kejda prasat

30

Lihovarské výpalky

60

Bramborové slupky

74

Slepičí hnůj

80

Cukrová řepa

90

Komunální bioodpady

115

Mláto

120

Zelená řezanka

175

Travní siláž

190

Kukuřičná siláž

195 210

Žitná siláž (celé rostliny)

250

Tuk z odlučovače tuku

265

Zbytky jídel

600

Řepkové pokrutiny

714

Odpad z pekárny

961

Starý tuk m3 bioplynu na tunu biomasy čerstvého materiálu

Pramen: Hodnoty jsou převzaty z „Basisdate Biogas Deutschland“.

3.2.1 Vlhké prostředí

Metanové bakterie mohou pracovat a množit se jen tehdy, když jsou substráty dostatečně zality vodou (alespoň z 50 %). Na rozdíl od aerobních bakterií a kvasinek hub nemohou žít v pevném substrátu.

3.2.2 Zabránění přístupu vzduchu

Metanové bakterie jsou striktně anaerobní. Je-li v substrátu přítomen kyslík, jako například v čerstvé kejdě, musejí ho aerobní bakterie nejprve spotřebovat. K tomu dochází v první fázi bioplynového procesu. Nepatrné množství kyslíku, jaké vzniká z cíleného nafoukání vzduchu při odsíření, však neškodí.

11

3.2.3 Zabránění přístupu světla

Světlo sice bakterie neničí, ale brzdí proces. Zabránění přístupu světla není problém.

3.2.4 Stálá teplota

Metanové bakterie pracují při teplotě mezi 0 °C a 70 °C. Kromě několika kmenů, které mohou žít při teplotě až 90 °C, při vyšších teplotách hynou. Při teplotách pod bodem mrazu přežívají, ale nepracují. Udává se dolní hranice pro žití 3 až 4 °C. Rychlost procesu vyhnívání je na teplotě silně závislá. Zásadně platí: čím vyšší je teplota, tím rychleji nastává rozklad a tím vyšší je produkce plynu, tím kratší je doba vyhnívání a tím nižší je obsah metanu v bioplynu (viz obr.č.1). Množství plynu se ovšem v průběhu vzájemného kontaktu složek substrátu sbližují.

Obr.č.1: Vliv teploty vyhnívajícího procesu a doby kontaktu na množství a složení vyrobeného plynu. (Schulz, H., Eder, B., 2004)

12

Praxe ukázala tři typické teplotní oblasti, které jednotlivým baktériím kmenům prospívají:
psychrofilní kmeny – teploty pod 20 °C;
mezofilní kmeny – teploty od 25 do 35 °C;
termofilní kmeny – teploty nad 45 °C Čím vyšší teplota, tím jsou bakterie citlivější na teplotní výkyvy, zejména jsou-li výkyvy krátkodobé a teplota klesne. Zatímco v mezofilní oblasti bakterie denní výkyvy v rozmezí 2 až 3 °C kolem střední hodnoty ještě zvládnou, v termofilní oblasti by výkyvy neměly být větší než 1 °C. Po delší době (asi jednoho měsíce) se bakterie přizpůsobí nové teplotní úrovni. V Německu jsou bioplynové stanice provozovány při teplotách 30 až 35 °C. U zásobníkových zařízení lze však pozorovat tendenci směrem dolů (20 až 25 °C), zatímco u zařízení s kofermentací a výrobou proudu zase kvůli velkému množství odpadního tepla z kogenerace (současné výroby proudu a tepla) vidíme tendenci k vyšším teplotám ve fermentorech (přes 40 °C). Vliv teplotních oblastí na výtěžek plynu ukazuje obr. č.2

Obr. č.2: Vliv teploty na dosažitelné množství plynu ve vztahu k hodnotě dosažené při optimálních teplotních poměrech (32 °C mezofily, 55 °C termofily). (Schulz, H., Eder, B., 2004)

13

3.2.5 Vliv pH

Optimální

pH

růstu

methanogenních

bakterií

leží

v neutrální

oblasti

s přípustným rozmezím závislým na druhu organismu, pro většinu vyhovuje 6,2 až 7,8. Optimální pH u čistých kultur se u jednotlivých druhů liší, většina druhů nejlépe roste v neutrálním, nebo slabě kyselém prostředí, výjimku tvoří Methanothrix s optimem pH v slabě alkalické oblasti. Některé druhy mají velice úzký rozsah pH, ve kterém jsou schopny růst, např. pro Methanospirillum je to rozmezí pH 6,5 až 7,5. Naopak Methanobacterium je schopné růst v rozsahu od pH 5,0 do 8,1. Pokles pH pod 6,0 se projevuje inhibičně, pravděpodobně i vzrůstem koncentrace neionizovaných mastných kyselin, při vzrůstu pH nad 7,6 může být proces inhibován vyšší koncentrací neionizovaného NH3. Acidogenní bakterie jsou méně citlivé na nízké pH, optimální hodnoty pH mikroorganismů předmetanizační fáze se pohybují nad pH 5. Úzký rozsah pH, optimálního pro růst methanogenních mikroorganismů je závažný limitující faktor procesu. Většinou vyžadují pH v neutrální oblasti (6,5 – 7,5), které je nutné v médiu udržovat. Ke změnám pH dochází u dobře zapracovaného reaktoru při vyčerpání tlumící kapacity systému. To může být způsobeno i vnější příčinou – náhlým přítokem extrémě kyselého nebo alkalického substrátu. Nejčastější příčinou výkyvu pH je však jeho pokles vlivem přetížení anaerobního kalu, kdy produkce nižších mastných kyselin rychlejšími mikroorganismy acidogenní fáze je vyšší než jejich spotřeba v acetogenní a methanogenní fázi a tím dochází k jejich akumulaci v systému. Proto je třeba podle množství a složení mastných kyselin v mediu udržovat dostatečnou neutralizační kapacitu, aby nedošlo k zastavení methanogeneze. Pro udržení stabilního provozu je třeba ji udržovat na nízké úrovni, (při stabilizaci městských kalů se jejich koncentrace pohybují v rozmezí 0,5 – 2,0 g/l). Ke snížení pH může také dojít následkem inhibice methanogenních bakterií buď toxickou látkou nebo teplotou. Tlumící kapacita systému je dána především systémem CO2-HCO3- s NH4+ jako majoritním kationem. Při vyšší koncentraci těkavých mastných kyselin se stávají podstatnou složkou tlumícího systému též soli těchto kyselin. Dalšími složkami jsou např. fosfáty, silikáty a jiné, jejich vliv však není rozhodující. Kapacita tlumícího systému je závislá na průběhu mechanizace, na vzniku a spotřebě mastných kyselin a CO2 a na složení a koncentraci substrátu. Substráty s vysokým obsahem bílkovin

14

zvyšují tlumící kapacitu po uvolnění amoniaku z bílkovin, substráty bohaté na sacharidy ji snižují tvorbou značného množství CO2. Tlumící kapacita v methanizačních reaktorech zpracovávajících kaly z městských odpadních vod se pohybuje v rozmezí 40 – 60 mmol/l. Tlumící kapacitu je možno udržovat přidáváním alkalizačních činidel, jako je NaHCO3,soda nebo někdy i vápno. (Dohányos, M., Zábranská, J., Jeníček, P., 1996)

3.2.6

Přísun živin

Metanové bakterie nemohou rozkládat tuky, bílkoviny, uhlovodíky (škrob, cukr) a celulózu v čisté formě. Pro svou buněčnou stavbu potřebují rozpustné dusíkaté sloučeniny, minerální látky a stopové prvky. V hnoji a kejdě je těchto látek dostatečné množství. Ale také tráva (čerstvá nebo konzervovaná), obsah bachoru přežvýkavců, kuchyňské odpadky, zbytky jídla, mláto, výpalky a syrovátka obsahují dostatek veškerých živin a v principu mohou být samy rozloženy. Pro praxi je však třeba doporučit užití hnoje a kejdy jakožto stálého základního substrátu a ostatních jmenovaných látek jakožto přísad, aby nedošlo k vydělování složek ze směsi, a aby se dosáhlo vyrovnaného poměru kyselosti a zásaditosti.

3.2.7 Velké kontaktní plochy

Organické látky nerozpustné ve vodě musejí být buď rozdrobeny (např. tukové přídavky) nebo strukturovány tak (například celulóza), aby vznikly velké dotykové plochy. Materiály jako slámu, dlouhou trávu nebo bioodpad je nutno rozsekat, pokud možno na vlákna, protože jinak vyhnívají velmi dlouho a vytvářejí kalový strop (plovoucí příkrov).

15

3.2.8 Inhibitory

Organické kyseliny, antibiotika, chemoterapeutika a desinfekční prostředky mohou proces vyhnívání brzdit nebo úplně zastavit, zvláště při vyšších koncentracích. K tomu může dojít, když jsou najednou ošetřována všechna zvířata nebo se dezinfikují stáje. Ošetřování jednotlivých zvířat nemá negativní účinky. Také je velký rozdíl mezi užívanými prostředky. V botanickém institutu Zemědělské univerzity (LMU) v Mnichově byly počátkem 80. let pod vedením profesora Kandlera prováděny pokusy s cílem zjistit vliv typických léků a dezinfekčních prostředků na bioplynový proces. Prokázalo se, že existují prostředky, které ani ve vyšší koncentraci neškodí, zatímco jiné vykazují už při nízké koncentraci velmi negativní účinky.

3.2.9 Zatížení vyhnívacího prostoru Takzvané zatížení vyhnívacího prostoru (měrná jednotka: 1kg os/m3 * den; os = organická sušina) udává, jaké maximální množství organické sušiny na m3 a den může být dodáno do fermentoru, aniž dojde k „překrmení“ bakterií a zastavení procesu. Zatížení vyhnívacího prostoru závisí především na úrovni teploty, obsahu sušiny a době kontaktu. Obvyklé zatížení při teplotě 35 °C leží mezi 0,5 a 1,5 kg os/m3 * den, to znamená, že na 1 m3 obsahu fermentoru je denně dodáno a zpracováno 0,5 až 1,5 kg organické sušiny. Zatížení vyhnívacího prostoru lze zvýšit na 3 kg os/m3 * den, absolutní horní hranice je dosaženo při 5 kg os/m3 * den.

3.2.10 Rovnoměrný přísun substrátu

Aby nedošlo k nadměrnému zatížení plnící zóny fermentoru, je třeba zajistit rovnoměrný přísun substrátu, a to v co nejkratších intervalech, např. jednou až dvakrát denně, v žádném případě ne týdně. To platí jak pro základní substrát (kejda nebo hnůj), tak také zvláště pro vysoce koncentrované kofermentáty jako např. tuk. Tímto způsobem se také zabrání nadměrnému poklesu teplot v plnící zóně.

16

3.2.11 Odplyňování substrátu

Vysoký rozkladný výkon mohou metanové bakterie vykazovat tehdy, když plyn ze substrátu může průběžně odcházet. Není-li plyn z vyhnívací nádrže odváděn, může v nádrži dojít k velkému vzestupu tlaku plynu, a tím i k přítomným škodám (pokusy s tlakem o výši až 100 barů byly prováděny v bývalé NDR). U řídkých substrátů dokonce dochází ke spontánnímu vzniku malých plynových bublin.

3.3 Výroba a kvalita bioplynu Výroba bioplynu může být ovlivněna několika veličinami:

3.3.1 Plynový výkon

Plyn, který běžně vzniká v bioplynové stanici, tzv. plynový výkon, se většinou udává denním objemem vyrobeného plynu připadajícím na 1 m3 vyhnívací nádrže nebo jednu dobytčí jednotku (DJ). Při měření na 28 stanicích zpracovávající hovězí a prasečí kejdu se zjistili plynové výkony mezi 0,56 a 1,33 m3/DJ * den při průměru 0,96 m3/DJ * den. Výsledky šetření z roku 1998 ukázaly, že lze dokonce docílit denního výtěžku plynu 1,5 m3/DJ. Podmínkou je zpravidla delší doba kontaktu a přidání malého množství fytomasy jako slámy, nasečené trávy a zbytků krmiva.

3.3.2 Výnos bioplynu

Bioplyn získaný ze substrátu během doby kontaktu (výnos bioplynu) lze rovněž vztáhnout na jednotku objemu vyhnívající nádrže, dobytčí jednotku nebo 1 m3 čerstvé kejdy. Jelikož však zde musí být zohledněn rozdíl v obsahu vody, je vhodnější udávat množství získané z 1 kg os (= organické sušiny). Měření v praktickém provozu ukázala kolísání výnosu bioplynu mezi 0,17 a 0,64 m3 bioplynu /kg os při průměru 0,33 m3/kg os.

17

Na výnos bioplynu má kromě složení živin v substrátu vliv především stupeň rozkladu.

3.3.3 Stupeň rozkladu

Stupeň rozkladu udává, kolik procent organické sušiny bylo rozloženo během doby kontaktu. Úplný rozklad až na úroveň mineralizace je teoreticky možný jen tehdy, když substrát neobsahuje lignin, neboť metanové bakterie nejsou schopny ho rozkládat.

V praxi by úplný rozklad vyžadoval velmi dlouhou dobu kontaktu, neboť rychlost rozkladu není konstantní, nýbrž po počáteční fázi vzestupu později zřetelně klesá. To znamená, že poslední procenta možné celkového výnosu bioplynu, by bylo možno získat jen s vynaložením velkých materiálových i finančních nákladů. Skutečnost, že se neusiluje o úplný rozklad, má ještě jeden důvod: v půdě totiž musí zůstat organická hmota pro tvorbu humusu; ta vzniká především z ligninu a celulózy,což jsou látky, které metanové bakterie nejsou schopny rozložit, nebo jen stěží. Měření na 28 stanicích ukázala stupeň rozkladu mezi 26,7 a 75,9 % při střední hodnotě 43,5 %. Literatura uvádí hodnoty od 30 do 70 %. Z celkového hlediska lze doporučit, respektive je žádoucí docílit stupeň rozkladu od 40 do 60 %. Při nižším stupni rozkladu se pozitivní vedlejší efekty bioplynové technologie, zvláště snížení pachových projevů a žíravých účinků, projeví méně.

3.3.4 Doba kontaktu

Doba kontaktu substrátu ve fermentoru má v souvislosti s teplotou vyhnívacího procesu velký vliv na stupeň rozkladu, plynový výkon a výnos bioplynu. Krátké doby kontaktu přinášejí vysoký plynový výkon (vztaženo na m3 vyhnívající nádrže a den), neboť dochází především k rozkladu snadno rozložitelných živin. Ty jsou však na druhé straně spojeny s nízkým výnosem bioplynu (vztaženo na kg organické sušiny) a nízkým stupněm rozkladu. Při dlouhých dobách kontaktu klesá plynový výkon, zatímco výnos bioplynu a stupeň rozkladu se zvyšují. Doba kontaktu se počítá tak, že objem nádrže se dělí

18

denně dodávaným množstvím substrátu. Průměrná doba kontaktu vzrostla u zařízení postavených od roku 1985z 35 dní na 51 dní.Při použití kejdy jako substrátu by se mělo přibližně počítat s níže uvedenými dobami kontaktu:


teplota procesu 20 až 25 °C

doba kontaktu 60 až 80 dní


teplota procesu 30 až 35 °C

doba kontaktu 30 až 35 dní


teplota procesu 45 až 55 °C

doba kontaktu 15 až 24 dní

3.3.5 Čistý výnos bioplynu

Čistý výnos bioplynu se označuje to množství bioplynu, které zůstane z hrubého výnosu pro použití po odečtení energie potřebné pro podporu procesu. U dobrých moderních stanic činí čistý výnos 65 až 70 % hrubého výnosu, za předpokladu stoprocentního zužitkování bioplynu během celého roku. Aby spotřeba energie pro podporu procesu byla co nejnižší, je nutné dosáhnout co největšího podílu sušiny v substrátu. Velký podíl vody v substrátu je pro výnos bioplynu neužitečný, protože pouze vyžaduje ohřev a udržování teploty a mimo to se spotřebovává energie na čerpání a oběh směsi.

3.3.6 Složení a kvalita bioplynu

Kvalita bioplynu je určována především poměrem hořlavého metanu (CH4) k neužitečnému oxidu uhličitému (CO2). Oxid uhličitý zřeďuje bioplyn a zapříčiňuje vznik nákladů, především při skladování bioplynu. Proto je nutné usilovat o co nejvyšší obsah metanu a co nejmenší obsah oxidu uhličitého. Jako obvykle dosažitelný obsah metanu literatura uvádí 50 až 75 %. Přitom se zpravidla obsah CO2 měří Brigonovým přístrojem a po odečtu malého množství zbytkových plynů se početně stanoví obsah CH4. Pro zařízení bez odsíření profoukáváním vzduchu lze tento postup pokládat za správný, avšak u bioplynových stanic s biokatalytickým odsířením může vést k chybným vyhodnocením. Zemský úřad pro ochranu životního prostředí v Mnichově proto provedl měření na 10 bioplynových stanicích, přičemž podíl zbytkových plynů v bioplynu činil 6 až 8 %. Tyto údaje byly

19

potvrzeny infračerveným měřením. Obsah metanu v bioplynu závisí především na těchto kritériích:

3.3.6.1 Průběh procesu

Zatímco u jednotlivých bioplynových stanic probíhá celý anaerobní rozklad v jednom fermentoru, tedy v jednom stupni, a veškerý získaný bioplyn je proto smíšený bioplyn, u dvoustupňových zařízení probíhá výroba bioplynu ve dvou stupních. Plyn vyrobený v prvním stupni obsahuje vysoký podíl oxidu uhličitého, a jiných plynů, které nejsou energeticky využitelné, a proto se již v této fázi odvádějí. Plyn vyvíjející se ve druhém stupni pak obsahuje vysoký podíl metanu, který může činit i více než 80 %.

3.3.6.2 Skladba živin v substrátu

Množství a kvalita vyrobeného bioplynu závisí na množství a složení dodaného substrátu. Z látek bohatých na bílkoviny a uhlovodíky se vyrobí mnohem méně plynu než z látek obsahující tuky. Proteiny a tuky způsobují vyšší obsah metanu. U substrátů bohatých na uhlovodíky, např. hovězí kejdy, kuřice atd., kvalita bioplynu je horší.

3.3.6.3 Teplota substrátu

V praxi se ukázalo, že při teplé a horké fermentaci je obsah metanu nižší než při procesech o nižších teplotách. Tento jev lze vysvětlit rozdílnou rozpustností, tudíž i rozdílnou produkcí plynného CO2. Čím vyšší je produkce CO2, tím menší je procesní podíl CH4 v bioplynu. Pro hospodárnost bioplynové stanice je obsah metanu důležitým faktorem. Při posuzování určitého zařízení je proto nutné zohlednit nejen množství vyrobeného plynu, ale i obsah metanu. Po metanu a oxidu uhličitém je nejdůležitější součástí plynu sirovodík (H2S). Tato látka je velmi agresivní a zapříčiňuje korozi, což vyvolává problémy především na armaturách, plynoměrech, hořácích a motorech. Proto je zpravidla nutno bioplyn odsířit.

20

Sirovodík vzniká při rozkladu bílkovin, je to plyn jedovatý a již v nejmenší koncentraci, která ještě není zdraví škodlivá, rozpoznatelný podle typického zápachu „po zkažených vejcích“. Odsířený bioplyn téměř není cítit. Podle obsahu bílkovin může obsah sirovodíku ležet mezi 0 až 1 %, vyšší koncentrace brzdí proces vyhnívání, neboť sirovodík je vysoce jedovatý. Zjistí-li se obsah okolo 1 % a vyšší, je nutné zjistit příčinu vysokého obsahu bílkovin. Jelikož přítomnost sirovodíku lze na místě snadno změřit Drägerovou trubičkou, měly by se při změně produktu a poklesu bioplynu provádět kontroly. Jedno měření H2S stojí cca 7 DM. V bioplynu se dále nachází stopové množství amoniaku (NH4), molekulárního dusíku, vodíku a kyslíku – jejich podíl činí celkem 6 až 8 %. Čerstvý plyn v bioplynové stanici je nasycen vodní párou. Je možné, že vodní pára obsahuje stopová množství dosud málo probádaných látek, které mohou způsobovat problémy při spalování bioplynu v kotlích a motorech. Například na bioplynovém zařízení Oase v Rippershausenu vznikalo množství bílých, lehounkých vloček, které ve spalovacím prostoru kotle vytvářely silné vrstvy. Trvalo dlouho, než tyto „byly identifikovány jako oxid křemíku, který vznikal složitou chemickou reakcí (tvorba silanů) při kofermentaci kosmetických krémů s obsahem křemíku. Vysušení bioplynu kondenzací vodní páry je proto důležitým opatřením při úpravě plynu. Spolu s kondenzovanou vodou se totiž odstraní i velká část v plynu obsaženého čpavku, který by jinak mohl významně poškodit motory, zvláště jejich díly z barevných kovů.

3.4 Optimalizace procesu Jelikož člověk namůže vstupovat do bioplynové stanice a už vůbec ne komunikovat s bakteriemi, musí při kontrole řádného průběhu fermentačního procesu vycházet z vnějších ukazatelů. Správně probíhající proces se projevuje vysokými plynovými výkony a výnosy bioplynu s malými denními výkyvy při stupních rozkladu sušiny okolo 50 %. Jakožto další kontrolní opatření lze doporučit denní kontrolu teploty a odečet a evidenci stavu plynoměru, dále měsíčně stanovení hodnoty pH a obsahu sušiny v substrátu, jakož i obsahu H2S v bioplynu.

21

Proces lze optimalizovat provedením následujících opatření, jejichž účinky již byly popsány výše:


Zachovat co nejpřesněji úroveň teploty a regulovat ji termostatem.
Kvazikontinuální přísun substrátu.
Nepoužívat velké množství studeného substrátu.
Změny ve složení substrátu zavádět pomalu a postupně.
Dbát na to, aby nedošlo k velkým koncentracím inhibitorů.
Promíchávat často a dlouho. Pokud při míchání a po něm vzniká velké množství plynu, je to známka nedostatečného míchání.
Rovnoměrný ohřev a správné rozdělování tepla ve vyhnívacím prostoru. (Schulz, H., Eder, B., 2004)

4 Informace o společnosti Podle dochovaných záznamů se datuje vznik firmy od roku 1826. O něco později se převažující a hlavní náplní stala výroba kostního klihu a od roku 1913 i klihu kožního. Jedná se tedy o dlouholetou tradici a zkušenost při výrobě živočišného klihu. V rámci šetrnosti k životnímu prostředí byla s nákladem cca. 1,4 mil. USD uvedena do provozu v roce 1990 moderní biologická čistírna odpadních vod a plynová kotelna. Investiční náklady ve výši cca 1,9 mil. USD umožnily v letech 1992-1993 zásadní modernizaci technologického procesu výroby klihu. Tradiční je spolupráce se špičkovými specialisty v oboru, která jim umožňuje neustále reagovat na požadavky a přání jejich zákazníků. V současné době se kromě klasické výroby jakostního klihu zaměřují na výrobu glutinových lepidel zpracovatelných za tepla i za studena. V roce 1998 byla uvedena do provozu moderní linka umožňující svou kapacitou a variabilní technologií výrobu lepidel pro široký okruh zákazníků. Produktům na bázi klihu vzhledem ke své šetrnosti k životnímu prostředí jak ve fázi vlastní výroby, tak ve fázi uživatelské patří budoucnost.

22

5 Vyráběné produkty Ve firmě Tanex a.s. se vyrábějí tyto produkty:

5.1 Polygrafická lepidla Polygrafická lepidla jsou modifikována z kožního klihu.

Vlastnosti lepidla: Rychleschnoucí nízkotavné lepidlo, dobrá schopnost pokrytí lepené plochy, vysoká pevnost lepeného spoje, otevřený čas je závislý na pracovní teplotě a stupni ředění.

Použití: Při zhotovení knižních desek a pořadačů v papírenském a polygrafickém průmyslu např. na strojích Kolbus BMD 10, 20 a více, Hörauf, Stahl, apod. polepovací stroj Gluer Viking WD 103 apod. Základní druhy: Glutam Dry BRONZE – lepidlo medové barvy Glutam Dry WHITE – lepidlo bílé barvy Parametry obou druhů jsou stejné, liší se pouze barvou.

Speciální druhy: Glutam Dry FIXED – lepidlo pro lepení hřbetů slovníků, brožur, ... Glutam Dry ELASTIC – velice pružné lepidlo, které se používá v případech, kdy je po zaschnutí nutná elastičnost (kašírování)

Technické údaje: Charakter filmu – elastický nebo tvrdý dle požadavků odběratele Viskozita – závisí na přípravě pracovního roztoku Pracovní teplota – 55 - 60° C, krátkodobě možno zvýšit až na 75° C (např. při rychlejším rozpouštění, nebo pro zkrácení otevřeného času) Příprava pracovního roztoku – do studené vody rychle zamíchat suchý produkt a po krátkém zbobtnání (1 - 3 minuty) možno rozehřívat do pracovní teploty. 23

Tabulka č.1 Ředění lepidel Hmotnost produktu

Množství vody

Viskozita při 60°C

10 kg

6l

více než 15000 mPas

10 kg

7l

8000 - 9000 mPas

10 kg

8l

5000 - 6000 mPas

10 kg

10 l

1000 - 2000 mPas

Pramen:

Likvidace: Glutam je ředitelný vodou, dobře biologicky odbouratelný, neobsahuje žádné nebezpečné látky ani látky podléhající povinnému označení. Produkt lze likvidovat po mnohonásobném ředění v biologické čistírně.

5.2 Mýdla Zmýdelněný čistý živočišný tuk •

vločkové mýdlo VLADĚNKA

•

tekuté mýdlo VLADÉNKA

•

krémové mýdlo FLOSIN 30

Použití: Vločkové mýdlo VLADĚNKA Pračkové mýdlo nejvyšší jakosti. Slouží k praní přírodních materiálů v celém rozsahu pracích

teplot.

Vyrobeno

dle

tradiční

receptury

z

výhradně

přírodních

surovin.Neobsahuje konzervační látky ani barviva. Dermatologicky testováno.

Tekuté mýdlo VLADĚNKA Tekuté toaletní mýdlo s antibakteriálními a hydratačními účinky, které chrání pokožku před škodlivými bakteriemi a zabraňují jejímu vysoušení. Vyrobeno dle tradiční receptury z výhradně přírodních surovin. Neobsahuje konzervační látky ani barviva. Dermatologicky testováno.

24

Krémové mýdlo FLOSIN 30 Určeno na umývání silně znečištěných podlah, sanitárních zařízení, průmyslových hal apod. Možno též použít na praní velmi znečištěných oděvů, průmyslových textilií atd. v celém rozsahu pracích teplot. Dále na mytí rukou v průmyslových a zemědělských provozech.

5.3 Kožní klih Charakteristika výrobku Kožní klih a technická želatina je směs glutinu a menšího množství jeho štěpných produktů. Vyrábí se vyluhováním nečiněných kůží a kožních odpadů teplou vodou. Klih je dodáván v zrnité konzistenci s nepravidelnou velikostí zrn a to drcený (průměr zrn cca 1,5 - 2,5 mm) a nedrcený (průměr zrn cca 3,5 - 4,5 mm).

Použití: K různým účelům v textilním, chemickém, dřevařském, papírenském a polygrafickém průmyslu.

Druhy kožního klihu: K – 2 - Slouží jako plnohodnotná náhrada kostního klihu T – II - TOPAZ II - nejpoužívanější druh kožního klihu T – I - TOPAZ I - pro náročné zákazníky T – S - TOPAZ Speciál MG - Sirkárenský klih - speciálně vyrobený kožní klih pro sirkárenskou výrobu s vysokou pěnivostí TŽ - Technická želatina

5.4 Živočišný tuk Živočišný tuk vyráběný ve firmě je produktem tepelně - mechanických procesů při zpracování klihovek. Vyniká velmi dobrými chemickými parametry, vysokým obsahem mastných kyselin, nízkým podílem vody, popela a nízkým stupněm KOH.

25

Použití: Je vhodný zejména na výrobu mýdel, mazadel a podobných výrobků.

6 Údaje o dosavadním a budoucím využití areálu Tanex Vladislav, a.s. je závodem, který je zaměřen na zpracování koželužských odpadů – klihovek (kategorie odpadu č. 040101). Tento odpad vzniká při mízdření vyloužených surových kůží.

Tanex Vladislav, a.s. má tři ucelené výrobní soubory: a)

výrobní technologie na výrobu klihu a suchých polygrafických lepidel

b) výrobní technologie – linka na zpracování strojní klihovky c)

výrobní technologie na výrobu tekutých polygrafických lepidel (mimo provoz)

Klihovka obsahuje po loužícím procesu v koželužnách vápno, které působí jako konzervační činidlo. Klihovka je do závodu dopravována nákladními auty externími dopravci nebo vlastní dopravou závodu. Zde je volně uložena na betonovou plochu skládky surovin (cca 2000 m2) podle jednotlivých druhů. Veškeré odpadní vody ze skládky jsou svedeny do sběrače ČOV. Z klihovek se vyrábí kožní klihy, polygrafická lepidla a kůžičkový tuk. Vedení firmy Tanex Vladislav, a.s. rozhodlo zpracovávat odpady vznikající při výrobě klihu a dalších produktů v bioplynové stanici. Zpracováním se rozumí termofilní fermentace v anaerobních podmínkách se ziskem bioplynu. Zbytkem z takto zpracovávaných odpadů bude ekologicky nezávadný substrát s doplňkovými hnojivými účinky zlepšující půdní strukturu. Vyrobený bioplyn bude použit pro výrobu elektrické energie, která bude částečně prodávána do veřejné rozvodné sítě e-on a částečně spotřebována samotným podnikem.

26

7 Výroba bioplynu – strojně technologické zařízení Zaměření pro výrobu bioplynu má za účel zužitkovat některé odpady z výroby klihu, průmyslového tuku a polygrafického lepidla a vyrobit z nich bioplyn. Vstupními surovinami jsou bílkovinná drť, tukový odpad a fugát z provozní odstředivky Flottweg. Fugát slouží k nařeďování obou komponentů tuhé konzistence. V navrženém zařízení se zpracovává substrát anaerobní fermentací v termofilní oblasti při teplotě 55 °C. Vyhnilý kal se odvodňuje na odstředivce za přídavku koagulantu. Odvodněný kal odváží oprávněnými organizacemi, fugát se dočišťuje na stávající ČOV.

7.1 Základní výkonové parametry Vstupní množství směsi odpadů:

do 70 m3/prac.den

Sušina vstupní směsi:

do 15 %

Doba zdržení v reaktoru:

do 18 dnů

Očekávaná produkce bioplynu:

2800 m3/prac.den

Očekávaný obsah methanu:

70 – 80 % objemových

Očekávaná výhřevnost plynu:

nad 25 MJ/m3

Pracovní teplota reaktoru:

55°C

Pracovní přetlak v reaktoru:

2 – 3,5 kPa

27

Graf č.2: Náběh reaktoru do plného provozu trval cca tři měsíce. Protože firma Tanex a.s. má zavedený třísměnný provoz jsou komponenty do reaktoru dodávány průběžně. Z tohoto důvodu byl náběh výroby bioplynu mírně rostoucí, po výše uvedené době je produkce bioplynu téměř neměnná. Denní produkce bioplynu činí 2800 m3.

Náběh produkce metanu v reaktoru 3000

[m3/den]

2500 2000 1500 1000 500 0 0

2

4

6

8

10

12

14

Týdny

Graf č.3: Procentové složení bioplynu vzniklého v reaktoru.

CO2; 23,4% Ostatní; 0,1% CH4; 76,5%

28

16

18

7.2 Potřeba materiálu a surovin Vstupní suroviny pro výrobu bioplynu mají základní vlastnosti:


fugát z odsředivky

50 m3/d, 85°C, pH 11, CHSK 42 kg/m3, 4 – 6 % SS




bílkovinná drť

18 t /d,

70°C, 35 % SS, 0,6 – 0,8 t/m3




tukový odpad

0,7 t/d

20 % SS, 0,6 – 0,8 t/m3

Pro koagulaci kalu (jen BPS) při odvodňování bude potřeba denně


polyelektrolyt

16 kg/d

8 Popis řešení Technologické zařízení BPS začíná odběrem vsázkových surovin v objektu pračky kůží. Stávající potrubí fugátu z odstředivky Flottweg v místě, kde prochází objektem pračky kůží je osazeno armaturami a provedena odbočka do příjmové nádrže BPS. Stávající dopravník bílkovinné drtě po vstupu do objektu pračky kůží, má otočný skluz přesměrován rovněž do příjmové nádrže. Další část stávající dopravní trasy bílkovinné drtě zůstává zachována a je využita pro odsun separátu ze spádového síta nebo opětným otočením skluzu může jít drť mimo technologii BPS. Příjmová nádrž vstupních surovin spolu s dopravním šnekovým čerpadlem je umístěna blíže vjezdu do objektu pračky kůží. Odtud vede nerezové potrubí objektem pračky kůží přes česlovnu ven z budovy a přes průjezdnou komunikaci k severnímu oplocení závodu a dále po stávajících konzolách na plotě do homogenizační nádrže: nádrž je umístěna mezi skládkou na surovinu a stávající dmychárnou ČOV. Do nádrže se dávkuje kyselina chlorovodíková pro úpravu pH. Chemické hospodářství je umístěno ve strojovně reaktoru. Vlastní reaktor je válcovaná nadzemní smaltovaná nádrž umístěná u jižní stěny dmychány. Mezi reaktorem a budovou stávající dmychárny je proveden spojovací krček, ve kterém je umístěno plynové příslušenství reaktoru (vodní uzávěr-odvodňovač a vodní uzávěr bezpečnostního přepadu reaktoru). Ve stavebně oddělené části stávající dmychárny je strojovna reaktoru, kde jsou umístěna míchací čerpadla, čerpadla ohřevu,

29

výměník tepla, šnekové čerpadlo plnění reaktoru a odstředivé čerpadlo vyprazdňování reaktoru. Míchací a cirkulační čerpadla jsou zdvojena pro automatický záskok. Ve strojovně jsou všechna nezbytná technologická potrubí. Na budovu stávající dmychárny je rovněž připojen přístavek velínu BPS, kde je hlavní rozvaděč a ovládací panel měření a regulace. Vedle skladu chemikálií objektu dmychadel jsou situovány dvě sedimentační nádrže. Nádrž sedimentace I vznikne úpravou stávající smaltované nádrže, nádrž sedimentace II je nová. Vyhnilý kal se z usazených nádrží dopravuje repasovaným stávajícím podzemním potrubím do objektu odvodňování, který vznikl rekonstrukcí stávajícího přístavku zásobníku kalu u provozní budovy ČOV a využitím části prostoru provozní budovy. Vlastní odstředivka je v přístavku. Ostatní vybavení jako šnekové čerpadlo kalu, průtokoměr, chemické hospodářství na přípravu polyelektrolytu a šnekové dopravníky pro odsun odvodněného kalu do kontejneru mimo budovu, jsou ve stávajících prostorách provozní budovy ČOV.

8.1 Skladové hospodářství, manipulace s materiálem, doprava Provozní zařízení je zásobováno vstupními surovinami z dopravních tras a potrubí závodu velmi blízko vzniku substrátu. Umístění příjmové nádrže v objektu pračky kůží umožňuje přivést ředící vodu krátkým potrubím a napojit se krátkým skluzem na dopravník bílkovinné drtě. Tukový odpad je navážen individuálně kolovým nakladačem. Za příjmovou nádrží je doprava surovin řízena automaticky až po odsun odvodněného kalu. Příslušné kapacity vyrovnávacích objemů jsou v technologickém procesu zajištěny. Manipulace s kyselinou solnou v přepravních kontejnerech 1000 l bude zajištěna stávajícím způsobem neboť závod užívá HCl i v hlavním technologickém procesu a k tomu účelu má vybudováno potřebné technické zařízení a proškolenou obsluhu. Polymerní koagulant pro odvodnění se nakupuje v pytlích, ze kterých se ručně nasypává do násypky zařízení pro přípravu vzorku v přízemí provozní budovy ČOV. Skladování pytlů se předpokládá ve skladu chemikálií resp. v provozní budově likvidace kalu a fugátu.

30

Množství odpadů: Jak již bylo uvedeno v předchozím textu, „Výroba bioplynu“ produkuje následující odpady, které jsou likvidovány tímto způsobem:

Tabulka č.2 Výroba bioplynu z látek: odvodněný kal 35 % SS

13,4 m3/den *

fugát z odstředivky

110 m3/den

separát drtě ze spádového síta

6 m3/den

Odvoz oprávněnými organizacemi Biologické čištění na závodové ČOV Opětné zpracování na klih v závodě

Pramen: Vlastní zpracování * Je třeba zdůraznit, že kal z BPS se na přání investora odvodňuje společně s kalem z ČOV a jen poměrná část zde uvedeného množství 13,4 m3 je odpadem z BPS.Skutečné množství odpadu z BPS lze stanovit ze sumy sušiny 9 t, která vstupuje do BPS a obsahuje 76,5 % organického podílu a je s 80 % účinností utilizována v reaktoru (hodnoty převzaty z „Testů VŠCHT“). Výsledná sušina substrátu po fermentaci činí 3,5 t za provozní den a při odvodnění na 35 % je produkce odvodněného substrátu z BPS 10 t za pracovní den. Při obvyklých 252 pracovních dnech v roce činí:

Tabulka č.3 Produkce odpadu Roční produkce odpadu z BPS

2.520 t/rok

Pramen: Vlastní zpracování

8.2 Popis a funkce jednotlivých technologických uzlů

8.2.1 Příjmová nádrž

Slouží k směšování vstupních surovin tj. bílkovinné drtě a tukového odpadu s fugátem z provozní odstředivky Flottweg na maximální čerpatelnou sušinu do 15 %. Vlastní nádrž

Ø 2,04 m, výšky 1,5 m je ze smaltovaných plechů a je rozdělena

přepážkou na dvě poloviny (užitečný objem 2x2 m3). První polovina je směšovací

31

a dochází v ní k rozmíchání všech tří složek pomocí míchacího čerpadla (5 l/s, 8m) umístěného u nádrže, druhá polovina (zásobní) je napojena na regulovatelné nátokové šnekové čerpadlo, které tlačí směs surovin výkonem

6-9 m3/h do homogenizační

nádrže. Ze směšovací poloviny do zásobní poloviny se směs surovin čerpá podávacím čerpadlem (shodné s čerpacím) přes spádové síto, které je umístěno nad zásobní polovinou nádrže. Hrubší kousky nad 5 mm oddělené ze směsi surovin jsou spádovým sítem odseparovány a padají na šnekový dopravník stávající dopravní trasy bílkovinné drtě a jsou dopraveny do přistaveného kontejneru, který je z manipulačních důvodů instalován na průjezdné komunikaci.

8.2.2 Homogenizační nádrž

Slouží k homogenizaci jednotlivých dávek vstupních surovin, případně k úpravě pH. Nádrž je nadzemní, válcová, zakrytá kuželovou plynotěsnou střechou a tepelně izolovaná. Vlastní nádrž Ø 3,27 m, výška válcové části 4,4 m, užitný objem 34 m3. Plášť i střecha jsou ze smaltovaných plechů. Nádrž je vybavena ponorným vrtulovým míchadlem ABS upevněným na nosné tyči. Přístup k míchadlu je po žebříku přes střešní revizní otvor. Předpokládá se vyprázdnění dvakrát denně jako navážka do reaktoru. Hladina, teplota a pH v nádrži jsou měřeny. Zásadité pH zavážky se snižuje kyselinou chlorovodíkovou, která se dávkuje čerpadlem ProMinent přímo z přepravního zásobníku. Chemie je umístěna ve strojovně reaktoru na ochranné jímce.

8.2.3 Reaktor

Slouží k anaerobní termofilní fermentaci substrátu. Reaktor je nadzemní válcová nádrž

Ø 10,29 m, výška válcové části 11,5 m, užitečný objem 936 m3 s kuželovou

plynotěsnou střechou. Minimální doba zdržení je 13 dnů pro standardní navážku. Reaktor má dostatečně velký plynový prostor pro případnou pěnu. Obsah reaktoru je promícháván a udržován na provozní teplotě 55 °C externími čerpadly. Reaktor má tepelnou izolaci z minerální vlny opláštěnou trapézovým plechem. Reaktor je opatřen potřebnými hrdly pro napojení sání a výtlaku kalu, odvodu bioplynu, osazení měření,

32

bezpečnostního přepadu a bezpečnostní kapalinové pojistky na střeše reaktoru. Přístup na střechu zajišťuje žebřík s mezipodestou, na plošinu vrchlíku střechy vede schodiště. Střecha je opatřena obvodovým zábradlím. Pro čištění v intervalu několika let je na plášti revizní vstup DN 700. V reaktoru se měří teplota, hladina a pH. Vodní uzávěr plynového potrubí reaktoru a vodní uzávěr bezpečnostního přepadu reaktoru jsou umístěny ve spojovacím krčku. Bezpečnostní přepad je zaústěn do závodové kanalizace.

8.2.4 Strojovna reaktoru

Pro potřebnou intenzitu míchání jsou navržena dvě a dvě míchací a cirkulační kalová čerpadla s automatickým záskokem v provedení do suché jímky. Čerpadla jsou umístěna na betonových soklech a propojena příslušnými potrubími s armaturami. Míchací čerpadlo GFAU (70 l/s, 2 m) se provozuje 5 – 8x za 24 hodin. Cirkulační čerpadlo ohřevu GFHU (20 l/s, 14 m) se provozuje podle teploty substrátu sledované teploměrem osazeným na okruhu míchání. Do okruhu cirkulačních čerpadel je zařazen šroubovicový výměník voda-kals teplosměnnou plochou 6 m2. Topným médiem je odpadní teplá voda z chlazení kogeneračních jednotek. Na vstupech a výstupech výměníku se měří teplota. Ve strojovně je umístěno podávací šnekové čerpadlo EFS (shodné s nátokovým čerpadlem homogenizační nádrže, avšak s pevně nastaveným frekvenčním měničem 300 ot./min., cca 20 m3/h). Množství zavážené suroviny se měří průtokoměrem. K odtahu zfermentovaného substrátu z reaktoru a čerpání do sedimentační nádrže je ve strojovně rovněž umístěno kalové čerpadlo GFHU v provedení do suché jímky (15 l/s, 8 m). Množství odtahovaného substrátu se měří průtokoměrem.

8.2.5 Sedimentační nádrže

Fermentovaný substrát se zahušťuje v sedimentačních nádržích. K tomu účelu je využita stávající smaltovaná nádrž (Ø 6 m, výška válcové části 5,8 m, užitný objem 157 m3) s kuželovou plynotěsnou střechou a ocelovým dnem. Do nádrže se nainstaloval stěrač dna, jehož pohon je umístěn na konstrukci nad střechou. Stěrač je dvouramenný

33

a má pevné stírací lišty. Ocelové dno je nově vyspádováno betonem ke středu nádrže, aby byl zahuštěný kal shrabován stěračem dna do sběrné jímky a odtud odtahován na odvodnění. Odsazená voda přepadá do kanalizace, kterou se odvádí na ČOV. V nádrži se měří teplota, hladina a registruje se otáčení stěrače. Shodnou funkci a vybavení má i druhá sedimentační nádrž, která se vybudovala jako nová.

8.2.6 Odvodnění kalu Požaduje se odvodnit v pracovním dnu max. 65 m3/den zfermentovaného kalu (5 % SS) z BPS a zároveň i 60 m3/den čistírenského kalu (2 % SS) ze stávající ČOV závodu. Z toho rezultuje 125 m3/den kalu o průměrné sušině 3,75 % tj. 4,7 tSS/den. Takovému výkonu odpovídá odstředivka HDO 420 L s jmenovitým výkonem (12 – 15 m3/h). Odstředivka je umístěna ve stávající přístavbě provozní budovy ČOV. Pro instalaci odstředivky a opravy je nutno kromě jiného, přiměřeně zvětšit vstupní vrata do přístavby, a v ose odstředivky instalovat montážní nosník se zdvihacím zařízením. V přilehlé místnosti v přízemí provozní budovy ČOV je umístěno nové zařízení na přípravu a dávkování koagulantu a podávací šnekové čerpadlo zfermentovaného kalu na odstředivku. Odsun odvodněného kalu o sušině 35 % obstarává nově instalovaný šikmý šnekový dopravník, který vyváží kal na stávající vodorovný šnekový dopravník procházející oběma prostorami. Dopravník končí v podjezdné výšce před přístavbou provozní budovy a je pod ním postaven kontejner pro odvoz odvodněného substrátu. V pracovním dnu by mělo být odvezeno asi 13,4 m3 substrátu odvodněného na sušinu 35 %. Fugát v množství asi 110 m3/den se vypouští do závodové kanalizace, kterou je přiveden na biologické čištění do ČOV.

8.2.7 Potřeba pracovních sil

Pro obsluhu zařízení BPS se počítá se dvěma pracovníky v pracovní dny, o volných dnech bude zařízení pouze dozorováno pohotovostní službou.

34

8.2.8 Potřeba energií, paliv, vody

Vlastní spotřeba elektrické energie pro provoz souboru se podle zkušeností odhaduje na 900 kW/den. Jiné energie nejsou zapotřebí. Potřeba provozní vody se předpokládá především na oplachy zařízení (spádové síto, odvodňování, všeobecná údržba) a na přípravu roztoku koagulantu. Denní spotřeba se odhaduje do 2 m3 a bude zajištěna ze stávajících rozvodů technologické resp. pitné vody.

9 Výroba a distribuce elektrické energie V této části se zabývám výrobou a prodejem elektrické energie.

9.1 Účel projektového zařízení Bioplyn vyrobený při anaerobní termofilní fermentaci v reaktoru se využije v plném rozsahu k výrobě elektrické energie. K tomu účelu jsou instalovány dvě kogenerační jednotky Tedom QUANTO s příslušenstvím. Jednotky jsou speciálně konstruovány pro spalování bioplynu. Toto zařízení umožňuje velmi vysoké využití energie bioplynu 84,8 % tj., přeměnit 35,7 % na elektrickou energii a 49,1 % na topnou teplou vodu. Elektrická energie bude vyvedena přes nově instalovanou trafostanici a prodána do distribuční sítě e-on. Teplá voda se využije k temperování reaktoru a k ohřevu provozní technologické vody závodu. Na základě výroby elektrické energie byla sjednána 15 letá smlouva s firmou e-on. Tato energie tzv. „zelená energie“ bude odkupována za: 1 kW - 3,04 Kč zelené energie Firma Tanex a.s. touto kogenerační jednotkou ušetří 730 000 Kč za měsíc z toho vyrobí 143 000 kWh/měsíc za 430 000 Kč – prodají a 100 000 kWh/měsíc za 300 000 Kč spotřebují. Doba návratnosti se počítá cca 5 let.

35

9.2 Základní výkonové parametry Očekávaná produkce bioplynu

2800-4600 m3/prac.den

Očekávaný obsah metanu

70-80 % objemových

Očekávaná výhřevnost plynu

nad 25 MJ/m3

Instalovaný el. výkon kogenerace (2 jednotky)

750 kW

Tepelný výkon kogenerace (topná voda 90 °C)

784 kW

Spotřeba bioplynu v kogeneraci (2 jednotky)

245 m3/h

Doba chodu jednotek pro max. produkci cca

20 h/den

9.3 Potřeba materiálů a surovin K zajištění provozu plynných motorů je nutno zabezpečit výše uvedené množství plynu s minimálním obsahem 65 % CH4 o minimálním tlaku 2 kPa.

9.4 Skladba technologického zařízení 9.4.1 Dispoziční řešení

Dvě kogenerační jednotky jsou umístěny v energocentru, vzniklém úpravou stávajícího skladu spotřebního materiálu v blízkosti stávající kotelny. V energocentru jsou umístěna i oběhová čerpadla topné vody s příslušenstvím. Topná voda se vede potrubím ve stejné trase jako plyn do strojovny reaktoru, kde je využita k ohřevu reaktoru. Podstatná část je však vedena do stávajícího objektu várna, kde vyhřívá stávající zásobník technologické vody. Kogenerační jednotky je možno vychladit i na externích chladičích.

36

9.4.2 Popis a funkce jednotlivých technologických uzlů 9.4.2.1 Kogenerační jednotky

Vlastní kogenerační jednotka Quanto G300 je v provedení s odděleným tlumičem výfuku. Uvnitř jednotky je uloženo soustrojí motor-generátor, umístěné na základovém rámu a opatřené protihlukovým krytem. Další částí je tlumič výfuku a třetí částí je volně stojící elektrický rozvaděč. Kogenerační jednotka Quanto G300 spalující bioplyn je v provedení SP (se synchronním generátorem) určená pro paralelní provoz se sítí o napětí 400 V, pro topné hydraulické okruhy 90/70 °C. Nevyužitelné teplo (vysálané z horkých částí) je z jednotky odváděno ventilačním vzduchem, který do kogenerační jednotky vstupuje přes akustický tlumič sání stropní částí protihlukového krytu a vystupuje v protilehlé stropní části protihlukového krytu přes akustický tlumič výtlaku. Akustické tlumiče sání a výtlaku jsou určeny pro napojení ke vzduchotechnickému potrubí strojovny. Proudění ventilačního vzduch zajišťuje ventilátor uvnitř protihlukového krytu. Vyvedení spalin z jednotky je zakončeno přírubou. Tato příruba se propojí potrubím (spalinovodem) s tlumičem výfuku a spalinovodem. Hlukové parametry udávají úroveň akustického tlaku, měřenou ve volném zvukovém poli. Tabulka č.4 Stanovení měřících míst a způsob vyhodnocení odpovídá ČSN 09 0862. Protihlukový kryt kogenerační jednotky v 1 m

74 dB(A)

Vývod spalin v 1 m od výstupní příruby tlumiče výfuku

80 dB(A)

Pramen: Tanex a.s. Součástí dodávky kogenerační jednotky je i chladící jednotka pro nouzové chlazení. Externí chladiče jsou umístěny naproti objektu energocentra mezi bývalým náhonem a oplocením závodu.

9.4.2.2 Příslušenství okruhu topné vody

Každá kogenerační jednotka má vlastní vývod do okruhu topné vody. Ten se stává z příslušných armatur, měření teploty, expanzní nádoby a objemového teplovodního čerpadla zabudovaného do potrubí.

37

9.4.3 Skladové hospodářství, manipulace s materiálem, doprava

Zařízení energocentra nevyžaduje při provozu zvláštní manipulaci, každá jednotka pracuje samostatně a automaticky se přifázuje na síť. Motorový olej je skladován v závodním skladu.

9.4.4 Potřeba pracovních sil

K obsluze motoru bude výrobcem vyškolen strojník. To zcela postačuje, neboť jednotky budou napojeny na centrální dispečink Tedomu a parametry budou snímány pro kontrolu jedenkrát týdně.

9.4.5 Potřeba energií, paliv, vody a jiných médií

Spotřeba bioplynu bude při maximálním výkonu činit jak uvedeno v odstavci 6.2. Voda v topném okruhu bude doplňována podle potřeby, chladící směs v motorech podle návodu výrobce (jednorázová náplň 82 l). Výměna motorového oleje se předpokládá cca po 1600 provozních hodinách tj. 5x za rok, celkem asi 350 l motorového oleje pro jednu jednotku.

9.4.6 Množství odpadů Je-li kogenerační jednotka v plném chodu produkuje 1400 m3/h spalin o teplotě 150 °C. Složení spalin plní emisní limity škodlivin NOx dle nařízení vlády č. 352 z 3.7. 2002. Spaliny budou vyvedeny spalinovodem jižní stěnou směrem na řeku.

10 Řízení bioplynové stanice Bioplynové zařízení je vybaveno řídícím softwarem, který umožňuje praktickou automatizaci celého řízení.

38

Řízení nabízí následující přednosti:
Všechny vstupní parametry je možné navolit (např. druhy substrátů a denní dávkovací množství, jakož i časy, kdy se mají dávkovat). Tím je umožněna nezvratná dokumentace např. dle kritérií nařízení o provozu bioplynových zařízení.
Stav naplnění v jednotlivých oblastech zařízení je automaticky kontrolováno a dokumentováno.
Čerpadla a míchadla se automaticky zapínají, tím se výrazně redukují náklady na obsluhu (díky dokumentaci procesu je možné kontrolovat hospodárnost zařízení a celý proces).
Parametry procesu, jako teplota, hodnoty pH, analýzu plynu atd. jsou automaticky sledovány a dokumentovány. Toto umožňuje jistější optimalizaci provozu zařízení a celý proces.
Všechna zjištěná procesní data mohou být vizualizovaná na obrazovce a v případě potřeby vytištěna. Toto ulehčuje kontrolu procesu a umožňuje případné problémy včas rozpoznat. Korekční opatření mohou být včas zadána. Tím jsou snížena rizika výpadků a zajištěna větší provozní bezpečnost.
Kontrola kvality plynu.
Přenos dat, automatické hlášení poruch např. na mobilní telefon
Sběr,uložení a vizualizace dat.

11 Rozbor odpadu z reaktoru Odpad, který vyšel z reaktoru po anaerobní termofilní fermentaci se skladuje v kontejnerech. Tyto kontejnery si odváží specializovaná firma do kompostárny, kde ji následně zpracovávají pomocí kompostování. Tento substrát je po úpravě vhodný na zahrádky malých pěstitelů. Tento substrát splňuje všechny požadavky které jim nařizuje zákon. Kontrolu provádí akreditovaná laboratoř z Velkého Meziříčí 2x za měsíc, 1x 2 hodiny, 1x 24 hodinové měření a odběry. Jedná se o odpad, který je zapsán katalogu odpadu č. 04 01 01 odpad z klihovky a štípenky.

39

Tabulka č.5 Specifikace odpadu z klihovky, kat.č. 04 01 01 Obsah v sušině % 75,200 0,203 0,013 1,340 9,480 4,340

Spalitelné látky Fosfor Draslík Hořčík Vápník Dusík celkový Pramen: Tanex a.s.

Obsah v půdní hmotě % 44,100 0,119 0,008 0,785 5,560 2,540

Tabulka č.6 Specifikace odpadu z klihovky, kat.č. 04 01 01 Parametr Sušina pH Arsen Kadmium Chrom celkový Měd Rtuť Nikl Olovo Zinek Polychlorované bifenyly PCB * AOX * Pramen: Tanex a.s.

As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn

Jednotka

Stanovená hmotnost

% hmot. ----mg/kg suš. mg/kg suš. mg/kg suš. mg/kg suš. mg/kg suš. mg/kg suš. mg/kg suš. mg/kg suš.

58,60 12,10 < 5,00 < 0,10 14,40 9,80 0,04 16,60 < 10,00 < 20,00

Mezní hodnoty ** --------30 5 200 500 4 100 200 2500

mg/kg suš.

0,002

0,6

mg/kg suš.

53,00

500

Poznámka: * - zkoušky provedené subdodávkou ** - Mezní (maximální) hodnoty koncentrací v kalech v mg/kg sušiny dle vyhl. 382/2001 Sb. „Laboratoř podléhá odbornému dozoru ÚKZÚZ Brno“.

Tabulka č.7 Analýza vzorku Ukazatel Sušina Enterokoky Salmonely Termotolerantní koliformní bakterie Zdroj: Tanex a. s.

Měrná jednotka % KTJ/g KTJ/g KTJ/g

40

výsledek 41,1 < 1000 negativní < 1000

12 Závěr V bakalářské práci byla řešena problematika ekologické výroby a využití bioplynu v provozu na zpracování koželužských odpadů a její dopad na životní prostředí. Projektovým záměrem a vlastní realizací je vybudování vlastního zařízení pro výrobu a využití bioplynu v bioplynové stanici. Účelem BPS je zužitkování odpadu ze stávající výroby klihu, průmyslového tuku polygrafického lepidla. Vstupními surovinami BPS jsou bílkovinná drť, tukový odpad a fugát z provozní odstředivky. V navrženém zařízení se zpracovávají odpadní látky, které by neměly ohrožovat životní prostředí, ba naopak by měly být užitečné pro vlastní chod firmy. Bioplyn vzniklý anaerobní termofilní fermentací slouží jako palivo k pohonu kogenerační jednotky, která vyrábí elektrickou energii spotřebovávanou vlastní firmou a částečně bude prodávána energetickým závodům. Firma Tanex a.s. pomocí bioplynové stanice ušetří za měsíc cca 730.000 Kč. Doba návratnosti investice činí cca 5 let. Rovněž teplá voda se využije k temperování fermentoru. Vstupní množství odpadní směsi do reaktoru činí 70 m3 za pracovní den. Dávkování je rozděleno na tři etapy. Z této vsázky se vyrobí 2.800 m3 bioplynu za pracovní den. Výhřevnost tohoto bioplynu činí přes 25 MJ/m3. Doba zdržení substrátu v reaktoru je do 18 dní. Bioplyn je převážně tvořen CH4 76,5 % a CO2 23,4 %. Vzniklý substrát je ekologicky nezávadný s doplňkovými hnojivými účinky, které zlepšují půdní strukturu. Roční produkce substrátu z BPS činí 2.520 t/rok. Na území, kde jsou navrhované objekty firmy Tanex a.s. se nachází několik ekosystémů. Právě navrhovaná nová technologie by měla zajistit zlepšení životního prostředí, zvláště čistotu ovzduší a vypouštění škodlivých látek do vod řeky Jihlavy, kde se nachází významné vodní dílo Dalešická přehrada. Zvláště chráněná krajinná území se sice v nejbližším okolí nenacházejí. Nejbližší z maloplošných chráněných území – přírodní památka Hluboček, leží na levém břehu proti proudu řeky Jihlavy.

41

13 Seznam použité literatury

1) CABÁK, I. Možnosti výroby a využívání bioplynu. Olomouc: ČSVTS, 1987. 91 s. 2) DOHÁNYOS, M., ZÁBRANSKÁ, J., JENÍČEK, P. Anaerobní technologie v ochraně životního prostředí. České republiky: Ministerstvo životního prostředí, 1996.172 s. ISBN 80-85368-90-0. 3) SCHULZ, H., EDER, B. Bioplyn v praxi. Ostrava: BEN - technická literatura, 2004. 167 s. ISBN 80-86167-21-6. 4) STRAKA, F. Bioplyn. GAS s.r.o. Říčany 2003. 517 s. ISBN 80-7328-029-9. 5) TOKÁR, F. Biomasa vybraných cudzokrajných drevín v lesných porastoch juhozápadného slovensk. Bratislava: ACTA, 1987. 115 s. 6) ZÁBRANSKÁ, J. Sledování aktivity anaerobní biomasy. Brno: Sborník mezinárodní konference Kaly a odpady 93, , 201 - 213, (1993).

Elektronické zdroje Stránky firmy Tanex a.s.. Dostupné z:

14 Přílohy:

1)

Souhrnné řešení stavby

2)

Výroba bioplynu

3)

Reaktor

42