Anaerobní biodegradace a její produkty

Anaerobní digesce je proces, který se využívá ke zpracování biodegradabilních odpadů rostlinného a živočišného původu i cíleně pěstované fytomasy energetických rostlin. Bioplyn je výhodné získávat při anaerobní stabilizaci čistírenských kalů. Proces anaerobní digesce je považován za jednu z technologií, které přispívají k trvale udržitelnému rozvoji lidské společnosti.

Teplotní podmínky anaerobní digesce

Anaerobní digesci lze provádět při různých teplotních podmínkách. Podle teploty se proces dělí na mezofilní (kolem 35°C), termofilní (kolem 55°C) a psychrofilní (rozmezí do 20°C).

Mezofilní a termofilní stabilizace

Mezofilní stabilizací se kal hygienizuje pouze částečně, dosahuje pak třídy II. (B), kal po termofilní anaerobní stabilizaci odpovídá třídě I. (A). Kal po termofilní stabilizaci je možno aplikovat přímo na půdu jako hnojivo. Po mezofilní stabilizaci by se měl kal ještě hygienizovat například kompostováním, nebo i jiným aerobním stabilizováním. Po aerobní stabilizaci je vhodné kal upravit ještě termicky.

Průměrná doba zdržení kalu v mezofilní anaerobní stabilizaci při teplotě kolem 35°C je asi 15 dní. Obvykle se jedná o dvoustupňový proces. První stupeň je míchaný a vyhřívaný, odebírá se produkovaný bioplyn. Druhý stupeň není třeba zahřívat ani nemusí být bioreaktor zakrytý.

Obvykle se jedná o dvoustupňový proces probíhající při teplotě kolem 55°C. První stupeň je vždy míchaný a vyhřívaný. Opět se odebírá produkovaný bioplyn. Druhý stupeň se doporučuje taktéž míchaný a uzavřený na rozdíl od mezofilní stabilizace, opět s odběrem bioplynu.

Čtěte také: Zpracování bioodpadu anaerobně

Při termofilní anaerobní stabilizaci je dosahováno hlubšího stupně rozkladu organických látek a vyšší produkce bioplynu v porovnání s mezofilní anaerobní stabilizací. Hlavním hygienizačním parametrem je působení teploty po dobu zdržení v reaktoru. Termofilní proces má jako vysoce intenzivní proces odpovídající nároky na udržování optimálních podmínek, hlavně teplotních. Další důležitou podmínkou dobré funkce a stability termofilního procesu je aktivní a dobře adaptovaná termofilní kultura. Zvýšený hygienizační účinek, který je předností termofilní anaerobní stabilizace, spočívá nejen ve zvýšené teplotě, ale také ve vysoké hydrolytické aktivitě termofilních kultur bakterií.

Převedení procesu anaerobní digesce z mezofilních na termofilní podmínky je jednou z možností, jak intenzifikovat kalové hospodářství a zvýšit jeho kapacitu. Zároveň by se odstranily přetížené reaktory. Při anaerobní stabilizaci dochází k významným změnám v mikrobiálním společenství kalu. Dochází k různému stupni destrukce přítomných mikroorganismů, a tím i patogenů. Stupeň destrukce závisí na technologických podmínkách. Mezi nejdůležitější patří teplota a doba zdržení. Hygienizační účinek vzrůstá s teplotou a dobou zdržení. Při hygienizaci je zapotřebí dodržet požadované parametry doby zdržení a homogenity nádrží a to v prvním i druhém stupni stabilizace. Tato doba zdržení a homogenita je vypočítávána s koncentrace a typu kalu.

Biologická úprava odpadů

Biologická úprava odpadů je založena na biochemických reakcích, které jsou řízeny biologickými katalyzátory - enzymy. Je nezbytné, aby mikroorganismy, které se na těchto pochodech podílejí, obsahovaly patřičné enzymy nebo jejich komplexy. To je podmínka pro úspěšné použití biologických metod.

Při aplikaci biologických metod je nezbytná znalost zákonitostí biologického odbourávání. Během biologického odbourávání směsi polutantů mohou nastávat jevy, kdy se látka stane toxickou a další odbourávání se tak zastaví. Někdy se účinek projevuje jen na jeden mikroorganismus konsorcia. Tyto jevy mohou vést k zastavení biologických pochodů a použitá metoda úpravy je neúspěšná.

Pro biodegradaci cílových látek je zapotřebí zajistit optimální podmínky, které mikrobiální činnost umožňují. Zpravidla je snadno proveditelné a nenákladné upravit vlhkost a obsah živin v odpadu, které mikrobiální činnost umožňují. Změna teploty odpadu je proveditelné technicky a s nízkými náklady.

Čtěte také: Biodegradace BTEX v anaerobních podmínkách

Cíle biologické úpravy odpadů

Biologické úpravy odpadů mohou sledovat několik zcela rozdílných cílů. Cílem může být snížení objemu nebezpečného odpadu, popřípadě úplné zbavení nebezpečnosti. Dalším cílem může být snížení koncentrace nebezpečné látky, nebo biotransformovat na neškodné produkty. Biologická úprava látky změní jeho vlastnosti tak, že ztratí svoji nebezpečnost. Biologické metody lze využít pro plynné, kapalné i pevné odpady, liší se pouze použité technologie.

K biologické úpravě odpadů lze přiřadit např. tvorbě nerozpustných sloučenin kovů a jejich vydělení z roztoku), adsorpce do exopolymerů produkovaných mikroorganismy, biologická oxidace a redukce kovů, biologická denitrifikace a pod. Srážení různých kovů probíhá několika mechanismy a podílejí se na nich různé mikroorganismy. Kovy mohou být redukovány na jiné nerozpustné sloučeniny kovů se sníženým mocenstvím.

Využití bioplynu

Bioplyn, jako velmi hodnotné energetické médium, je vhodný použít vždy jen vysoce efektivní technologií. Tou je zejména výroba elektrické energie a tepla v kogenerační jednotce, ale je zde i možnost čištění bioplynu na úroveň zemního plynu. Tento plyn, který můžeme nazývat „biomethanem“ je pak možno dále používat stejnými způsoby jako zemní plyn pro distribuci v běžném plynovém potrubí nebo jako stlačený plyn CNG, např. Výhřevnost bioplynu významně ovlivňuje pouze obsah methanu (CH4), který závisí především na složení vsázky a technologických parametrech bioplynové stanice. Problémovou složkou bioplynu je naopak sulfan (H2S), jenž je při spalování příčinou tvorby kyseliny sírové (H2SO4), která při kondenzaci ze spalin způsobuje korozi. Proto se musí sulfan při vyšší koncentraci z bioplynu odstraňovat.

Bioplyn lze využít například při přímém spalování a ohřevu teplonosného média, při výrobě elektrické energie a ohřevu teplonosného média - kogenerace, výrobě elektrické energie, tepla, chladu - trigenerace. Dále nachází využití jako palivo pro pohon energetických mobilních prostředků a při neenergetickém využití. Kogenerace je nejrozšířenější způsob využití bioplynu. Vyrábí se při ní teplo a elektrická energie, přičemž elektrické energie je asi 1/3. Jedná se tedy o kombinovanou výrobu energie. Část tepla se využívá k vytápění fermentoru, část se využívá k tepelné úpravě hygienicky závadných vstupních materiálů.

Z původního množství bioplynu lze vyrobit asi 1/3 elektrické energie. Zbylé 2/3 jsou v podobě energie tepelné. Z 1 t komunálního bioodpadu lze získat 100 m3 bioplynu obsahujícího 65 % methanu. Kogeneračním zpracováním methanu je možno získat z 1 t bioodpadu 198 kWh elektrické energie a 348 kWh tepla. Vlastní spotřeba energie zařízení na 1 t bioplynu je 48 kWh elektrické energie hlavně na míchání, čerpání, odvodňování a 48 kWh tepla na ohřev fermentoru. Zpracováním 1 tuny bioodpadu lze prodat nebo využít 150 kWh elektrické energie a 300 kWh tepla. 1/3 tepla unikne v podobě tepelných ztrát. Zařízení jsou budována s roční kapacitou zpracování 5 - 30 tis.

Čtěte také: Využití anaerobního rozkladu organických odpadů

Digestát

Produktem anaerobní digesce je vyhnilý kal s obsahem zbylých, nerozložených organických látek, anorganický podíl a kalová voda. Pro další využití se musí kal odvodnit na co nejvyšší obsah sušiny. Digestát je tuhý fermentovaný zbytek z provozu bioplynové stanice. Ačkoliv se může zdát, že jde o organické hnojivo, které obsahuje snadno přístupné rostlinné živiny a relativně vysoký poměr C:N, jsou v digestátu příměsi, které se v půdě rozkládají delší dobu.

V případě, že je obsah organických látek v kalu 70 %, ve 100 kg surového kalu je 70 kg organických látek a 30 kg anorganických látek. Při anaerobní stabilizaci se transformuje do bioplynu cca 50 % z původního obsahu. Je to tedy 35 kg organických látek. Ve vyhnilém kalu pak zůstává 35 kg organických a 30 kg anorganických látek.

Vlastnosti biologicky stabilizovaného substrátu závisí především na druhu zpracovávaných materiálů. Přímá aplikace substrátu je nejjednodušší způsob využití stabilizovaného substrátu s vysokým hnojícím účinkem. Substrát je odvezen na zemědělskou půdu, kde se přímo aplikuje. V porovnání s přímou aplikací surového materiálu (např. prasečí kejdy) má anaerobně fermentovaný substrát spoustu výhod: je homogenizovaný a biologicky stabilizovaný, má zvýšenou využitelnost živin a sníženou vyplavitelnost, snížený obsahu patogenů, semen plevelů a zápachu.

Nepřímé využití stabilizovaného substrátu zahrnuje další z možností, jak využít stabilizovaný substrát. Lze odseparovat tuhou složku od tekuté pomocí lisování v kalolisu, sedimentací či odstřeďováním. Takováto tuhá frakce s vysokým obsahem organické hmoty je vhodná k aerobní stabilizaci, jako je například kompostování. Vznikne tak kvalitní hnojivo. Prodej kompostu či biopaliva vzniklého v předešlém odstavci musí pokrýt náklady na nutnou transformaci biozplyňovaného substrátu. Tekutá frakce, která zbyla a má vyšší obsah živin, může být aplikována na pole jako hnojivo. Jestliže pro ni není místo, lze jí aerobně upravit jako odpadní vodu a dočistit. Takto upravená voda, aerobně stabilizovaná, může být vypuštěna do vodoteče.

Mikroorganismy v anaerobní digesci

Organické látky požadované kvality a množství jsou shromážděny v zásobnících. Dle výsledků laboratorních rozborů se stanoví poměr míchání jednotlivých odpadních materiálů tak, aby anaerobní digesce proběhla co nejintenzivněji. Po provedení biotechnologických rozborů se materiály upravují na požadovanou vlhkost, obsah sušiny, organické látky, pH apod. Poté se provádí homogenizace v homogenizační jednotce a pasterizace v pasterizační jednotce.

Mikroorganismy se dělí z hlediska využívání kyslíku na anaerobní a aerobní. Anaerobní mikroorganismy nevyžadují k rozkladu organických látek kyslík. Dále lze dělit mikroorganismy z hlediska fáze procesu anaerobní digesce, ve které naleznou své uplatnění při rozkládání a jaké druhy materiálu zpracovávají a jaké produkty produkují. Jsou to například methanogenní bakterie, které lze dále dělit na acetotrofní a hydrogenotrofní. Z bakterií se nejčastěji při anaerobní digesci vyskytují rody Pseudomonas, Flavobacterium, Chromobacterium, Azotobacter, Micrococcus, Arthrobacter, Acinetobacter, Mycobacterium aj.

Působením acetotrofních methanogenních bakterií, které rozkládají kyselinu octovou na směs methanu a CO2, vzniká více než 2/3 methanu v bioplynu. Ve srovnání s druhou skupinou pomaleji rostou (generační doba několik dní). Hydrogenotrofní methanogenní bakterie produkují methan z CO2 a H2. Rostou poměrně rychleji, jejich generační doba je cca 6 hodin. V anaerobním procesu působí jako samoregulátor. Odstraňují z procesu vodík, jehož koncentrace by měla být při dobré činnosti organismů minimální. Vodíkem jsou nejvíce ovlivňovány acetogenní bakterie rozkládající kyselinu propionovou a máselnou. Methanové bakterie jsou nejdůležitější metabolickou skupinou procesu methanizace. Tyto bakterie převádějí konečné produkty obsahující uhlík do plynné fáze a tím zakončují metabolický řetězec anaerobního rozkladu organických látek.

Intenzifikace anaerobní digesce

Stabilizace kalů v anaerobních reaktorech, anaerobní čištění odpadních vod, jsou více než sto let zdokonalovány. Jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňující hospodárný provoz zařízení zpracovávajících kal, využívajících anaerobní digesci je koncentrace zpracovávaného kalu. Z toho důvodu je především kal před vstupem do reaktoru zahušťován za pomoci gravitačního zahušťování - strojně (např. zahušťovací odstředivky, sedimentační nádrže apod.). Zahušťování kalu způsobí zvýšení intenzity procesu anaerobní digesce.

Se zahušťováním souvisí další z významných intenzifikačních kroků - dezintegrace buněk aktivovaného kalu. Lyzační odstředivka slouží k dezintegraci buněk v přebytečném aktivovaném kalu, tady k narušení buněčných stěn a membrán. Tímto se zvyšuje účinnost anaerobní digesce. Po této dezintegraci z buňky vyteče buněčný lyzát, který slouží jako katalyzátor anaerobní methanové fermentace. Buněčný lyzát je uvolněný obsah buněk mikroorganismů následkem dezintegrace. Proces probíhá přirozenou cestou (autolýzou) u všech odumřelých buněk, nebo pomocí hydrolytických enzymů. Přítomnost buněčného lyzátu způsobuje stimulaci anaerobní fermentace. Zvýší se tím rychlost procesu, prohloubení rozkladu organických látek a tomu odpovídající zvýšení produkce bioplynu.

tags: #anaerobní #biodegradace #co #vzniká #produkty

Oblíbené příspěvky:

• Recenze odpadkového koše CURVER
• Poplatky za odpad ve Frenštátě p. R.
• Vývoj obchvatu Frýdku-Místku
• Dopady Ekologické Daně na majitele vozidel
• Kompletní průvodce pěstováním okurek