Organické odpady z domácností a živočíšnej výroby (časť 1)

Organické odpady z domácností a živočíšnej výroby - anaerobné spracovanie s výrobou bioplynu.

ÚVOD

Bioplyn vzniká prevážne v živočíšnej výrobe, ale i v komunálnych čističkách odpadových vôd, z organického domového odpadu, odpadov z bitúnkov, cukrovarov a pod.

Celkove teda ide o produkt spracovania biomasy, ktorý vzniká v dôsledku jej rozkladu anaerobnými baktériami.

K získavaniu bioplynu je však potrebné (nutné) inštalovať bioplynovú stanicu, ktorá zaisťuje optimálne prostredie pre činnosť anaerobných baktérií, čistenie a skladovanie bioplynu a úpravu kalov ostávajúcich po oddelení bioplynu. Takáto stanica pozostáva z vyhnívacej nádrže, absorbéru, plynojemu, zahusťovacej nádrže a odstredivky. Produkuje bioplyn, fermentovaný (vyhnitý) materiál a kalovú vodu.

Fermentovaný materiál i kalovú vodu možno použiť priamo na hnojenie – ide o veľmi hodnotné a prakticky nezapáchajúce organické hnojivo s vysokým obsahom fosforu a dusíku (pomer C : N : P je okolo 2,6 : 1 : 0,8).

Dusík sa pritom vyskytuje vo forme nitrátov, čím je obmedzené jeho vymývanie do podzemných vôd. Anaerobné procesy naviac zničia všetky semená burín i väčšinu choroboplodných zárodkov a vajíčok parazitov. Taktiež zápach, plyn, záporné účinky pre rastlinné poľnohospodárstvo a znečisťovanie vody aj podzemnej. Prítomnosť choroboplodných zárodkov, ďalej predstavuje latentné nebezpečenstvo pre človeka a zvieratá.

Výrobou bioplynu – spracovaním odpadu nie je len otázkou ochrany životného prostredia (t. j. odstránenie zápachových emisií pri skladovaní a yvážaní, zabránenie kontaminácii výrobkov, zvierat a ľudí choroboplodnými zárodkami, zabránenie preťaženiu pôdy, vody a vegetácie škodlivými látkami) ale aj získanie energie.

Každá organická hmota je vhodná k anaerobnej fermentácii. Organická biomasa tvorí veľký energetický potenciál.

VŠEOBECNÉ POZNATKY O BIOPLYNE

Anaerobný rozklad organických látok prebieha v prírode oddávna v prostredí bez prístupu kyslíku zo vzduchu. Tam, kde tepelné pomery umožňujú rozvoj metánových baktérií, je anaerobný rozklad spojený s tvorbou metánu, ktorý je spolu s oxidom uhličitým hlavnou zložkou bioplynu. Ložiská zemného plynu na svete vznikli z veľkej časti metanizáciou organických materiálov. Zo vzniknutého plynu, ktorý vyplnil dutiny a póry zemskej kôry, sa postupne vodou vyplavila väčšina oxidu uhličitého. V súčasnej dobe prebieha v prírode anaerobný rozklad organických látok v bahne usadenín vodných tokov i stojatých vôd.

Technické využitie bioplynu produkovaného zo spracovania organických odpadov bolo po prvýkrát predvedené v r. 1895 vo Veľkej Británii v Exetere. Tam bol bioplyn vznikajúci pri vyhnívaní usadeného kalu z mestských odpadových vôd v septickej nádrži použitý na osvetľovanie niektorých ulíc mesta.

Vývoj technických zariadení sa až do prvej svetovej vojny týkal prevažne len spracovania komunálnych odpadových vôd a kalov na využívanie bioplynu alebo kalového plynu (pôvodný názov) ako paliva (náhradou za svietiplyn alebo zemný plyn).

V priebehu druhej svetovej vojny sa začali v Nemecku využívať exkrementy hospodárskych zvierat k výrobe bioplynu.

V období medzi I. a II. svetovou vojnou bol vypracovaný technologický postup anaerobného spracovania mestských kalov, ktorý sa počas niekoľkých desaťročí len pomaly zdokonaľoval. Intenzívnejší výskum procesu anaerobného spracovania koncentrovaných organických substrátov sa začal až v dobe, kedy sa verejnosť začala angažovať v ochrane životného prostredia a kedy rýchlosť ťažby fosílnych palív rýchlo prekračovala objavy nových zdrojov.

V poslednom desaťročí bol teoreticky objasnený proces anaerobného rozkladu organických látok zakončený metanizáciou a bolo navrhnuté mnoho nových konštrukcií anaerobných reaktorov.

Vzhľadom k tomu, že známe zásoby fosílnych palív sa vo svete znižujú a že ťažba z novo objavených zdrojov je stále nákladnejšia, bude sa využívanie netradičných zdrojov energie postupne zvyšovať. Jedným z najefektívnejších netradičných zdrojov energie je anaerobná fermentácia exkrementov hospodárskych zvierat s výrobou bioplynu.

ANAEROBNA FERMENTÁCA EXKREMENTOV - METANOVÉ KVASENIE

Spracovanie organických látok so súčasným vznikom bioplynu sa nazýva anaerobná fermentácia alebo metanogenné kvasenie (je to vlastne vyhnívanie, rozklad).

Spôsoby vyhnívania

V podstate existujú dva spôsoby anaerobného vyhnívania. Prvý je založený na kinetike anaerobného vyhnívania a na teórii kontinuálneho pestovania mikroorganizmov. Tento spôsob sa používal u komunálnych odpadových vodách. Druhý prístup predstavuje empirická metóda, sledujúca volumetrické zaťaženie organických alebo pevných látok. Tento spôsob sa používa i u anaerobného vyhnívania. Je to najobvyklejší spôsob používania v súčasnej praxi pri spracovávaní poľnohospodárskeho odpadu.

Podmienky anaerobnej fermentácie Anaerobná fermentácia je výsledkom spoločnej činnosti baktérií, spojenej so zabezpečením vhodných fermentačných podmienok, ktoré rozhodujúcim spôsobom ovplyvňujú priebeh procesu a jeho výsledky.

Pre zabezpečenie stabilnosti pochodov pri anaerobnom mechanizme je nutné stanoviť a dodržiavať optimálne podmienky zloženia fermentovaného substrátu (teplota, pH a pod.) pre prebiehajúce procesy v pracovnom prostredí (fermentore, vyhnívacej nádrži) a zabezpečenie styku čerstvého substrátu s anaerobnými metanogénnymi mikroorganizmami.

VPLYV TEPLOTY A FAKTORY PROSTREDIA

Teplota je jedným z najdôležitejších faktorov metanizácie. Výrazne ovplyvňuje priebeh ako vlastnej metanogenézy, tak i predmetanizačnej fázy. V mezofilnej oblasti teplôt (20 až 45° C) stúpa rýchlosť produkcie bioplynu metanogénnymi organizmami v závislosti na teplote.

Optimálne teploty pre rôzne skupiny baktérií:

baktérie psychrofilné do 20° C

baktérie mezofilné 20 až 45°C

baktérie termofilné nad 45° C

V zariadeniach pre spracovanie poľnohospodárskej biomasy sa používajú najčastejšie mezofilné teplotné režimy, v menšej miere termofilné alebo kombinované. Voľba teploty závisí na voľbe režimu práce fementoru (klimatická a energetická analýza, rýchlosť reakcie). Stanovenie vhodnej teploty a zvlášť jej presné dodržiavanie v priebehu celého procesu je jedným z limitujúcich faktorov anaerobnej fermentácie, pretože metanogenné baktérie sú veľmi citlivé na prudké kolísanie teplôt.

Výsledky metanogénnej fermentácie závisia na vytvorení optimálnych podmienok pre mikroorganizmy, ktoré sú nositeľmi tohto procesu (predovšetkým na metanogénnych baktériách). Optimálna teplota pre rozvoj všetkých mezofilných kmeňov je 37 až 43°C.

Pri metanizácii v termofilnej oblasti (teda v rozmedzí teplôt 50 až 60°C) sa proces zrýchľuje.

Rozsah pH potrebný pre život baktérií je 4,5 ± 8,0. Pre väčšinu baktérií je optimálna hodnota pH = 6,5 s odchýlkou až 0,5. Pre potreby metanogennej fermentácie je výhodné udržiavať pH v rozmedzí 6,7 až 7,6.

Základnou podmienkou stability procesu je vylúčiť prenikanie kyslíku do priestoru fermentoru (kvasnej nádrže). Kyslík totiž pôsobí na metanogenné baktérie inhibične.

Anaerobný proces môžu tiež zastaviť alebo spomaliť niektoré organické a anorganické zlúčeniny. To sa vzťahuje najmä na vysoké koncentrácie amoniaku, prchavých kyselín a tiež na kationy dusíku, draslíku, vápniku, horčíka, antibiotiká a rôzne iné liečebné prípravky.

MIKROBIÁLNE A CHEMICKÉ PROCESY PRI ANAEROBNEJ FERMENTÁCII

Biologický a chemický proces tvorby metánu sa delí do týchto základných etáp:

a) hydrolýza – premena organických látok na nižšie rozpustné organické zlúčeniny

b) acidogenéza – premena na mastné kyseliny

c) metanogenéza – premena na metán, oxid uhličitý a ďalšie látky

Schematický postup anaerobného rozkladu organických substrátov

Hlavným zdrojom pre produkciu metánu je však acetát , z ktorého vzniká pri anaerobnom rozklade organických látok asi 70 % všetkého vyprodukovaného metánu. Ostatok vzniká z vodíku a z oxidu uhličitého. Rozklad organických látok na oxid uhličitý a metán sa dá vyjadriť obecným vzorcom C _n H _a O _p + (na/4 . b/2) H ₂ O = (n/2 . a/8 . b/4) CO ₂ + (n/2 . a/8 . b/4) CH ₄

Spôsoby spracovania živočíšneho odpadu

živočíšny odpad

termochemické biologické

spracovanie spracovanie

pyrolýza hydrokarbonizácia bioplyn biochemické spracovanie

uhlík olej plyn CH4 protein alkohol

cukor

skvapalňovanie hydrogenácia

plyn pevné láty olej