Možnosti energetického využitia biomasy z trávnych porastov a odpadov na farmách

V posledných rokoch sa vo zvyšujúcej miere začal využívať trávny porast ako ko-substrát v poľnohospodárskych bioplynových staniciach (BPS). Ide o vhodný spôsob využitia energetického potenciálu plôch, ktoré inak nie sú využívané. Predovšetkým v oblastiach s chladnejším podnebím, ako napríklad oblasti severného Slovenska, sa môže tráva stať vhodným substrátom do BPS. Trávne porasty sú zvyčajne spracovávané spolu s kalom, inými poľnohospodárskymi plodinami alebo živočíšnym odpadom bez špeciálnych predúprav. Výťažnosť bioplynu z takýchto rastlinných substrátov závisí od rôznych faktorov, napríklad od druhového zloženia, intenzity zberu, spôsobu konzervovania a predúpravy biomasy, ale aj jej nutričného zloženia.

Trvalé trávne porasty (TTP), okrem výživy hospodárskych zvierat, majú aj ekologický a enviromentálny dopad na prostredie a okrem iných ich funkcií pomáhajú zachovať vysokú diverzitu rastlinných a živočíšnych druhov.

Trávne porasty na Slovensku vznikali antropogénnou činnosťou predovšetkým od stredoveku v súvislosti s kolonizáciou a horské a podhorské porasty sa rozšírili najmä vďaka valašskej kolonizácii v 15. – 17. storočí. Keďže Slovensko má mimoriadne rozmanité prírodné podmienky, je aj druhové zloženie trávnych porastov rôznorodé. Štruktúru porastov ovplyvňuje napríklad  nadmorská výška, vlhkostný režim, spôsob využívania. Ich vysoká diverzita zabezpečuje aj vyššiu prispôsobivosť variabilným meterologickým podmienkam. Ďalšou z výhod TTP je, že sa môžu získavať aj z pôdy, ktorá má  nižšiu kvalitu alebo je vylúčená z potravového reťazca. Zároveň sú najúčinnejším producentom rastlinnej biomasy v oblastiach s chladnejšími klimatickými podmienkami, ako je napríklad aj severné Slovensko.

Väčšina trávnych porastov si v našich stredoeurópskych podmienkach vyžaduje pravidelné obhospodarovanie, bez neho porasty rýchlo strácajú svoju rozmanitosť a prirodzenou sukcesiou sa postupne navracajú k lesným formáciám, z ktorých vznikli.

Vzhľadom k výraznej  recesii poľnohospodárskej výroby od 90. rokov došlo k zníženiu intenzívneho obhospodarovania predovšetkým TTP a ornej pôdy nižšej kvality. Ako následok vznikli na dlhodobo nevyužívanej poľnohospodárskej pôde tzv. biele plochy, ktoré sú postupne zarastané drevinami a krovím.  Rozloha týchto plôch je približne 300 000 ha. Z tejto plochy je možné využiť približne 60 % na produkciu biomasy do BPS. Zvyšná plocha nie je vhodná z dôvodu nedostupnosti terénu pre mechanizované práce (svahovitosť, členitosť, množstvo náletu – zarastená plocha krovinami a drevinami).

TTP predstavujú zdroj biomasy s nízkymi nákladmi, pretože ide o trvácu kultúru, ktorá nevyžaduje každoročnú starostlivosť, hnojenie a jej zber a spracovanie nevyžaduje špeciálnu technológiu.

Anaeróbne spracovanie poľnohospodárskych  odpadov a energetických rastlín je považované za jednu z najvhodnejších technológií decentralizovaných zdrojov dodávok energie, predovšetkým kvôli využitiu a ľahkej dostupnosti vhodných substrátov na väčšine fariem.

Trávna biomasa môže byť spracovaná samostatne. V poľnohospodárstve sa vo veľkej miere využíva  spracovanie s exkrementami hospodárskych zvierat, keďže hnoj je substrát ľahko dostupný na väčšine fariem a jedná sa o najväčší odpadový prúd v poľnohospodárstve. Produkcia exkrementov je veľmi variabilná a ovplyvňovaná množstvom faktorov, ako sú typ ustajnenia zvierat, vek, výživa a pod. Hnoj je substrát, ktorý obsahuje zostatkovú energiu zo zažívacieho traktu zvierat, ale je vhodným stabilizátorom fermentácie

Vo Švédsku sa využíva kofermentácia na viac ako 200 BPS, z toho 10 je centrálnych a zvyšok sú BPS na farmách, kde spracúvajú hnoj a poľnohospodárske plodiny. Táto situácia je daná predovšetkým veľkou  rozlohou Švédska a takisto množstvom fárm, ktoré sú schopné samostatne prevádzkovať fermentory. Dôvodom takéhoto decentralizovaného rozdelenia je aj ekonomická náročnosť prepravy substrátov potrebných pri centrálnom spracovaní.

V Rakúsku a Nemecku sa trávna siláž využíva ako substrát na viac ako 50 % BPS a je druhým najčastejšie využívaným materiálom po kukuričnej siláži.

Fermentácia trávnej biomasy spolu s ďalším substrátom poskytuje rôzne výhody, ako napríklad zvýšenie výťažnosti metánu a zníženie emisií skleníkových plynov a zápachu a intenzifikáciu recyklácie živín späť do pôdy. Pri kofermentácii s rastlinnými materiálmi hnoj poskytuje pufračnú kapacitu a široké spektrum nutrientov, kým rastlinný materiál s vysokým obsahom uhlíka vhodne dopĺňa pomer uhlíka a dusíka (C/N)  a znižuje tak možnosť inhibície amoniakom.

Špecifická produkcia bioplynu zo substrátu závisí na jednej strane od jeho kvality a zloženia, na druhej strane aj od technológie anaeróbneho spracovania. Jednotlivé druhy tráv sa od seba líšia rôznym chemickým  zložením, a preto výťažnosť bioplynu bude závisieť od celej zmesi trávneho spoločenstva. V literatúre sa stretávame skôr so špecifickou produkciou bioplynu čistých druhov tráv, väčšinou ide o monokultúrnu trávnu siláž alebo energetické plodiny a nie so zmesou rôznych druhov, tak ako sa prirodzene vyskytujú na lúkach a pasienkoch. Hodnoty produkcie bioplynu, resp. metánu z tráv sa v literatúre líšia a pohybujú sa v širokom rozmedzí od 0,100 do 0,600 l/g (SŽ) bioplynu, takisto výťažnosť biomasy je veľmi rôznorodá 1,0-12,0 t/ha sušiny.

Napríklad, Lehtomäki uvádza spracovanie kravského hnoja a trávnej siláže ako ko-substrátov s priemernou špecifickou produkciou metánu 0,268 l/g SŽ pri obsahu trávy 30 %. Pri zvýšení obsahu trávy na 40 % a pri zdvojnásobení objemového zaťaženia na 4 kg/m3.d (SŽ) došlo k zníženiu produkcie metánu o 8 % a 20 % priemerne

Pri spracovaní trávy ako monosubstrátu pri objemovom zaťažení 0,7 a 1,4 kg/m3.d (SŽ) uvádza Mähnert špecifickú produkciu bioplynu 0,610 a 0,560 l/g (SŽ).

Okrem jednotlivých druhov rastlín vplýva na produkciu BP aj obdobie kosby, pričom s pokročilejším stupňom vegetácie sa znižuje špecifická produkcia BP. Je to spôsobené zvyšujúcim sa obsahom lignínu a hemicelulózy v rastlinách, pretože sú ťažšie rozložiteľné v anaeróbnych podmienkach a znížením obsahu bielkovín a tukov, ktoré zvyšujú obsah metánu. Vplyv má aj intenzita obhospodárovania, pričom sa zvyšuje produkcia BP s častejšou kosbou trávnych plôch a zvyšuje sa tým aj produkcia biomasy. Dôležitým je aj spôsob uskladnenia tráv. V tejto práci sme zamerali na spracovanie čerstvej trávy a sena, ale medzi preferované spôsoby konzervácie tráv patrí silážovanie, pri ktorom sa dobre zachováva energetická hodnota substrátu. Amon sa vo svojej práci zaoberá optimalizáciou anaeróbneho spracovania a špecifickou produkciou a výťažnosťou metánu viacerých rastlinných substrátov pri rôznych vegetačných dobách a intenzite zberu. Pri trvalých trávnych porastoch sa špecifická produkcia metánu pohybovala v rozmedzí od 0,128 – 0,392 l/g (SŽ), pričom najvyššia produkcia metánu bola pri druhom zbere zo 4 krát zberanej oblasti z horského údolia. Medzi ďalšie faktory, ktoré môžu ovplyvniť produkciu BP, patrí veľkosť častíc substrátu. Avšak údaje v literatúre uvádzajú rôzne hodnoty, a to ako aj zanedbateľný vplyv na produkciu BP z trávy, siláže alebo sena pri znížení veľkosti častíc, tak aj nárast v produkcii BP.

Tráva sa anaeróbne spracúva použitím bežnej anaeróbnej technológie bez špeciálnych úprav. Pri takomto substráte vzniká problém s flotáciou materiálu a vytváraním povrchových krúst alebo peny, dochádza aj k zachyteniu dlhších častí trávy okolo pohyblivých zariadení v reaktore a zvyšuje sa opotrebovanie reaktorov. Problém sa zvyšuje pri substrátoch s vysokou sušinou alebo obsahom vlákien, ako je slama alebo pozberové zvyšky plodín. Pri laboratórnych experimentoch sa zistilo, že zníženie veľkosti častíc a zvýšenie obsahu celkovej sušiny (nad 10 %) môže takéto problémy odstrániť, avšak kontinuálne miešanie a značná redukcia veľkosti substrátu, ktoré sú pri tom potrebné môžu značne zvýšiť náklady.

Nordberg a Estrom uvádzajú flotujúci substrát (siláž) na povrchu kalu pri organickej sušine okolo 4-5 %, pričom tomuto problému sa pri ďalších experimentoch vyhli udržiavaním organickej sušiny kalu 10 %, mletím substrátu a kontinuálnym miešaním. Najlepší dopad na reologické vlastnosti kalu malo mletie na veľkosť 9,5 mm a odhadovaná energetická spotreba bola 1% z obsahu energie vyprodukovaného metánu.

Reaktory a substráty na farmách sú často vystavené veľkému kolísaniu vonkajších teplôt, predovšetkým vo vyšších nadmorských oblastiach, čo takisto môže spôsobiť nestabilitu procesu a viesť k nižším výťažkom.

Substráty

Naším cieľom bolo overiť v laboratórnych podmienkach dlhodobé anaeróbne spracovanie substrátov dostupných na malej farme v oblasti severného Slovenska. Ako substrát predpokladáme čerstvú trávu z lúk a pasienkov ako aj burinné a invázne druhy z nitrofilných spoločenstiev, ktoré sa často vyskytujú v blízkosti gazdovstiev, kde sa chovajú hospodárske zvieratá, a v zimnom období seno, slamu, prípadne trávnu siláž a exkrementy z chovu hospodárskych zvierat.

Na severnom Slovensku  sa v podhorskom pásme vyskytujú prevažne:

  • Podhorské kosné lúky - pravidelne kosené lúky (1-2 x ročne), sú druhovo bohaté. Z druhov tráv sa tu vyskytujú najmä: Agrostis capillaris (psinček tenučký), Arrhenatherum elatius (ovsík obyčajný), Dactylis glomerata (reznačka laločnatá), Festuca rubra (kostrava červená), Phleum pratense (timotejka lúčna), Poa pratensis (lipnica lúčna), Trisetum flavescens (trojštet žltkastý) a iné. Na vlhších stanovištiach sa vyskytuje aj Alopecurus pratensis (psiarka lúčna), Festuca pratensis (kostrava lúčna), Holcus lanatus (medúnok vlnatý).
  • Mezofilné pasienky a spásané lúky - svieže extenzívne až polointenzívne vypásané pasienky na živinami dobre zásobených pôdach. Z druhov tráv sa tu vyskytujú najmä: Agrostis capillaris (psinček tenučký), Anthoxanthum odoratum (tomka voňavá), Briza media (traslica prostredná), Cynosurus cristatus (hrebienka obyčajná), Deschampsia cespitosa (metlica trsnatá), Festuca pratensis (kostrava lúčna), Festuca rubra (kostrava červená), , Nardus stricta (psica tuhá), Phleum pratense (timotejka lúčna), Poa annua (lipnica lúčna), Poa pratensis (lipnica lúčna), Poa trivialis (lipnica pospolitá) a iné.
  • Intenzívne využívané pasienky a degradované lúčne porasty - intenzívne spásané pasienky často silno degradované nadmernou pastvou s výskytom odolných druhov tráv a nitrátofilných druhov.Z druhov tráv sa tu vyskytujú najmä: Agrostis capillaris (psinček tenučký), Dactylis glomerata (reznačka laločnatá), Deschampsia cespitosa (metlica trsnatá), Lolium perenne (mätonoh trváci) a iné.
  • Nitrofilné spoločenstvá v blízkosti sídel a porasty inváznych neofytov - porasty v blízkosti hospodárskych budov, na silne prehnojených pôdach. Vyskytujú sa tu mnohé druhy vhodné na anaeróbne spracovanie, z toho najvhodnejšie sú Fallopia japonica (krídlatka japonská), Rumex sp. (štiavec).
  • Výnimočne sa môže použiť aj hmota z podmáčaných  a slatinných lúk. Vzhľadom na cennosť týchto biotopov je nutné ich kosiť v období po odkvitnutí ohrozených a chránených druhov rastlín s povolením Štátnej ochrany prírody. Takéto biotopy sa tiež pomerne často vyskytujú na severnom Slovensku.

Experimentálna časť

Ako substrát sa používal čerstvý trávny porast (podhorský lúčny porast) dodávaný približne raz za 10 dní a bol zberaný z rôznych lokalít severného Slovenska (Turie, Rosinský potok, Oščadnica a pod.). Medzitým bola tráva skladovaná na chladnom a tmavom mieste pri teplote do 8 °C. Priemerné hodnoty sušiny dodaných čerstvých vzoriek trávneho porastu sa pohybovali v rozmedzí 15 – 27 %, čo záviselo najmä od druhového zloženia substrátu a jeho doby zberu. Straty žíhaním tráv boli v rozmedzí 86 – 92 %. V zimnom období sme prešli na dávkovanie sena so sušinou 94 – 97 % a stratou žíhaním 89 – 93 %.

Ako ko-substrát boli použité exkrementy hospdárskych zvierat: zmiešaný kravský a prasací hnoj v pomere 70:30 so sušinou 25 – 40 % a stratou žíhaním 70 – 82 %, konský hnoj so sušinou 19 – 22 % a stratou žíhaním 83 – 90 %, kravský hnoj so sušinou 19 – 24 % a stratou žíhaním 68 – 87 %. Skladované boli takisto na chladnom a tmavom mieste pri teplote do 8 °C.

Laboratórne testy prebiehali v anaeróbnom reaktore s celkovým objemom 18 litrov (obr. 1). Teplota bola udržiavaná na 37 °C. Miešanie bolo zabezpečené miešadlom IKA RW 14basic, počet otáčok bol nastavený na 100 rpm po 15 minútových intervaloch. Ako kal na inokuláciu sa zlial kal zo štyroch 1,4l reaktorov použitých na jednorazové metanizačné testy s trávou a bol doplnený kalom z čistiarne odpadových vôd v Devínskej Novej Vsi na pracovný objem 15 litrov. Charakteristika kalu: pH – 7,19, sušina – 20 g/l, strata žíhaním (obsah organických látok) SŽ – 50 %, CHSK (chemická spotreba kyslíka) – 530 mg/l, NMK (nižšie mastné kyseliny) – 850 mg/l, NH4-N (amoniakálny dusík) – 501 mg/l, PO4-P (fosforečnanový fosfor) – 27 mg/l.

Priemerné hodnoty sušiny a straty žíhaním substrátov sú uvedené v tab. 1.

substrát

tráva

seno

kravský a prasací hnoj

konský hnoj

kravský hnoj

sušina (%)

15 - 27

94 - 97

25 - 40

19 - 22

19 - 24

SŽ (%)

86 - 92

89 - 93

70 - 82

83 - 90

68 - 87

Tab. 1.  Priemerné hodnoty sušiny a straty žíhaním

Počas prevádzky laboratórneho modelu boli v anaeróbnom reaktore sledované parametre ako CHSK, koncentrácia NMK, NH4-N, PO4-P, pH, sušina kalu – Xc, strata žíhaním kalu a množstvo a zloženie vyprodukovaného bioplynu. Stanovenie zloženia bioplynu bolo realizované pomocou analyzátora plynu GA 2000 Plus od firmy Geotechnical Instruments.

Počas celej prevádzky sme dávkovali trávny substrát a exkrementy v pomere 1:1 pridanej organickej sušiny (SŽ).

Obr.1.  Laboratórny model. 1 – anaeróbny reaktor, 2 – miešadlo s elektromotorom, 3 – časový spínač, 4 - elektrický ohrev s reguláciou , 5 – laboratórny plynomer PL-01, 6 – dávkovací otvor

Výsledky

Jednorazové anaeróbne kinetické testy

Jednorazové testy prebiehali v anaeróbnych reaktoroch s objemom kalu 1,4 l a pri teplote 37 °C. Charakteristiky použitého kalu boli: celková sušina (Xc) 8,1 g/l, organická sušina (SŽ) 4,8 g/l, CHSK 1274 mg/l a pH 7,18. Následné dávky substrátu sa uskutočnili s kalom z predchádzajúcich jednorázových testov. Priemerné hodnoty špecifickej produkcie bioplynu z jednotlivých vzoriek trávy sú uvedené v tab. 2.

substrát

sušina (%)

SŽ (%)

objemové zaťaženie (kg/m3 SŽ)

špecifická produkcia bioplynu (m3/kg SŽ)

mesiac

tráva*

15

90

2,9

0,216

máj

20

90

3,0

0,255

jún

25

89

7,9

0,206

júl

4,8

0,199

tráva**

15

88

2,8

0,270

september

senáž

31

88

5,0

0,236

máj

seno

94

93

5,0

0,175

máj

seno

95

89

3,7

0,498

október

0,337

november

krídlatka

21

91

6,8

0,160

júl

11

90

3,5

0,118

jún

92

88

2,9

0,131

jún

štiav

13

86

4,0

0,219

august

10

82

2,9

0,135

september

*prvý zber   ** druhý zber

Ako substrát sa použil čerstvý trávny porast, senáž, krídlatka, štiav a seno. Substráty boli dodávané a zbierané z rôznych lokalít severného Slovenska (Turie, Rosinský potok) firmou Ekospol. V týchto oblastiach sa vyskytujú predovšetkým podhorské kosné lúky, čo sú pravidelne kosené lúky (1-2 x ročne), a mezofilné pasienky a spásané lúky na pôdach dobre zásobených živinami. Keďže ide o trávne porasty, ktoré sú druhovo veľmi rôznorodé, aj vzorky obsahovali veľa druhov tráv. Porasty inváznych neofytov, krídlatka japonská (Fallopia japonica) a štiavec (Rumex sp.), sa nachádzajú v blízkosti hospodárskych budov a na silne prehnojených pôdach. Priemerné produkcie bioplynu pri rôznych objemových zaťaženiach reaktora substrátmi sú uvedené v tab. 1. Priemerná špecifická produkcia bioplynu zo vzoriek trávy bola 0,229 m3/kg SŽ, zo senáže 0,236 m3/kg SŽ, krídlatky 0,136 m3/kg SŽ a štiavu 0,177 m3/kg SŽ.

Keďže sa jednotlivé druhy tráv od seba líšia rôznym chemickým zložením, výťažnosť bioplynu závisí od celej zmesi trávneho spoločenstva. Ďalší faktor, ktorý môže ovplyviť produkciu bioplynu je obdobie kosby, pretože s pokročilejším stupňom vegetácie sa znižuje špecifická produkcia BP. Zvyšujúci sa obsah lignínu a hemicelulózy sťažuje rozložiteľnosť v anaeróbnych podmienkach a zníženie obsahu bielkovín a tukov znižuje obsah metánu. Vplyv má aj intenzita obhospodarovania, pričom s častejšou kosbou trávnych plôch sa zvyšuje produkcia BP a zvyšuje sa tým aj produkcia biomasy.

Dlhodobá prevádzka laboratórneho modelu

V tomto príspevku je vyhodnotených 275 dní prevádzky laboratórneho reaktora.

Nábeh reaktora začal vyhrievaním kalu bez pridávania substrátu počas 6 dní. V období od 7. do 68. dňa sme dávkovali čerstvú trávu so zmiešaným kravským a prasacím hnojom s objemovým zaťažením 0,5 kg/m3.d (SŽ). S týmto zaťažením sa reaktor prevádzkoval 60 dní, priemerná špecifická produkcia bioplynu bola 0,124 l/g (SŽ). Tráva v dôsledku svojej štruktúry patrí medzi pomalšie biologicky rozložiteľné materiály a adaptácia biomasy na takýto substrát môže trvať oproti iným substrátom dlhšie. Táto pomalá lag-fáza sa prejavila počas prvých 20 dní, keď produkcia bioplynu bola minimálna (do 0,009 l/g (SŽ)). Nasledovalo postupné zvyšovanie a ustálenie produkcie bioplynu. Priebeh hodnôt objemového zaťaženia a špecifickej produkcie bioplynu je znázornený na obr. 2.

Obr. 2.  Priebeh objemového zaťaženia a špecifickej produkcie bioplynu

V 47. dni sa odobral bioplyn na analýzu, zloženie bolo nasledovné: 52,3 % CH4, 8,0 % CO2, 11,1 % O2, 27 ppm H2S, 0 ppm H2. Pomerne vysoký obsah kyslíka môže byť zapríčinený zavzdušnením reaktora pri dávkovaní substrátu a môže negatívne vplývať na procesy anaeróbnej degradácie a predovšetkým na metanogénne baktérie, ktoré vyžadujú striktne anaeróbne podmienky  [1]. Neprítomnosť vodíka poukazuje na rovnovážny stav medzi fázou acidogenézy a metanogenézy.

Po ustálení prevádzky reaktora (68. deň) sa zvýšilo zaťaženie  na 0,64 kg/m3.d (SŽ) a priemerná špecifická produkcia bioplynu sa zvýšila na 0,150 l/g (SŽ). Zloženie bioplynu bolo 54,3 % CH4, 20,0 % CO2, 7,1 % O2, 14 ppm H2S, 0 ppm H2. V tomto období sa začali prejavovať problémy s flotáciou trávy na povrchu kalu.

Po 2 mesiacoch sa zvýšilo objemové zaťaženie na 0,82 kg/m3.d (SŽ) a potom na 0,86 kg/m3.d (SŽ). Ako substrát k tráve sa začal dávkovať konský a kravský hnoj v pomere organickej sušiny 1:1. Špecifická produkcia bioplynu bola 0,175 a 0,224 l/g (SŽ). Zloženie bioplynu bolo 60,7 % CH4, 11,4 % CO2, 6,6 % O2, 40 ppm H2S a 5 ppm H2. V 130. dni prevádzky sme otvorili reaktor a zistili masívnu flotáciu nesfermentovanej trávy na povrchu kalovej zmesi (hrúbka vrstvy cca 5-7 cm) – obr. 3.

Obr. 3.  Flotácia trávy v anaeróbnom reaktore

Kalová zmes bola intenzívne premiešaná a reaktor uzatvorený. Napriek tomu po opätovnom otvorení reaktora v 171. dni prevádzky bola opäť pozorovaná flotujúca vrstva (cca 10-12 cm). Z toho dôvodu bola uskutočnená úprava miešadla tak, aby rozrážalo hladinu a zamedzilo sa tak vytváraniu vrstvy trávy na hladine kalu. Znížili sme otáčky miešadla na 12 rpm a miešanie sme nastavili na kontinuálne.

Keďže v polovici decembra napadol sneh, od 198. dňa sme začali dávkovať namiesto trávy seno a zvýšili sme zaťaženie na 1,0 kg/m3.d (SŽ). Priemerná špecifická produkcia bioplynu sa zvýšila na 0,261 l/g (SŽ).

Keďže zvyšovanie zaťaženia prebiehalo postupne a miernym tempom, proces degradácie bol ustálený a  zmena substrátov (tráva na seno, rôzne druhy hnoja) nespôsobovala žiadne výrazné zmeny alebo destabilizáciu procesu. Skokové zmeny v koncentráciách boli spôsobené zväčša po otvorení reaktora a rozmiešaní nahromadenej biomasy. Hodnoty základných parametrov kalu a kalovej vody boli počas prevádzky reaktora stabilné. Hodnoty pH sa pohybovali v rozmedzí 6,8 – 7,8.

Priebeh parametrov CHSK a NMK stanovovaných vo filtrovaných vzorkách kalovej vody z reaktora je znázornený na obr. 4.

Obr. 4.  Priebeh hodnôt CHSK a koncentrácií NMK

Pokles koncentrácie CHSK a NMK z počiatočných vyšších hodnôt počas prvých 35 dní prevádzky reaktora bol pravdepodobne spôsobený postupnou degradáciou organických zvyškov v kale z vyhnívacej nádrže z ČOV DNV a nízkym zaťažením reaktora na začiatku prevádzky. Postupne so zvyšujúcim sa zaťažením sa zvyšovala aj koncentrácia CHSK a NMK. Koncentrácia NMK však nedosiahla hodnoty, pri ktorých by bol proces metanogézy inhibovaný.

Priebeh koncentrácie amoniakálneho dusíka NH4-N a fosforečnanového fosforu PO4-P je uvedený na obr. 5.

Obr. 5. Priebeh koncentrácií NH4-N a PO4-P

Koncentrácia amoniakálneho dusíka sa pohybovala počas prevádzky aj v hodnotách nad 1000 mg/l, čo je však v rozsahu hodnôt v systémoch, v ktorých je spolufermentovaný hnoj.

Vývoj koncentrácie straty žíhaním a jej podielu na celkovej koncentrácii nerozpustených látok v reaktore uváza obr. 6.

Obr. 6.  Koncentrácia straty žíhaním (Xorg) a jej podiel na celkovej koncentrácii nerozpustených látok v reaktore

Je zrejmé, že koncentrácia SŽ v reaktore vzrástla za 275 dní z 20 g/l na 53 g/l, aj keď prebytočný kal bol pravidelne odťahovaný. Je predpoklad, že jej koncentrácia ešte porastie. Vzrástol aj podiel SŽ v celkových nerozpustených látkach. Z približne 49 %, čo je hodnota obvyklá pre anaeróbne stabilizovaný kal z čistiarne odpadových vôd, ktorý bol použitý ako inokulum pre nábeh reaktora, na 72 %.

Záver

Anaeróbne spracovanie poľnohospodárskej biomasy je považované za jednu z najvhodnejších technológií decentralizovaných zdrojov dodávok energie, predovšetkým kvôli využitiu a ľahkej dostupnosti substrátov na väčšine fariem.

Veľké množstvo trávnych plôch je po poklese poľnohospodárskej výroby nevyužitých. Trávne porasty sú najúčinnejším producentom rastlinnej biomasy v oblastiach s chladnejšími klimatickými podmienkami ako je napríklad aj severné Slovensko.

Cieľom našej práce bolo overiť v laboratórnych podmienkach možnosti celoročného anaeróbneho spracovania substrátov dostupných na farme v oblasti severného Slovenska – čerstvých a suchých tráv s rôznymi druhmi exkrementov. Po ustálení prevádzky reaktora pri zaťažení 1,0 kg/m3.d (SŽ) sa priemerná špecifická produkcia bioplynu pohybovala v rozmedzí 0,250 – 0,320 l/g (SŽ). Problémy spôsobovala flotácia substrátu, čo by sa malo brať do úvahy pri technologickom riešení miešania reaktora, resp. úpravy trávy pred jej dávkovaním do reaktora. Dá sa očakávať, že dezintegrácia trávy pred jej spracovaním bude mať pozitívny vplyv na stabilitu procesu anaeróbnej degradácie a zvýšenie špecifickej produkcie bioplynu.

Upozornenie: Text vyšiel  v odbornom magazíne ENERGETIKA č. 11/2011. Publikujeme so súhlasom magazínu.
Zoznam použitých zdrojov nájdete na tejto linke (pdf).

O autoroch
Ing. Viera Špalková (1981) - je študentkou IV. ročníka doktorandského štúdia na Ústave chemického a environmentálneho inžinierstva, Fakulty chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity v Bratislave. Témou jej dizertačnej práce je produkcia bioplynu z obnoviteľných zdrojov energie. Okrem štúdia anaeróbnych procesov a technológií je jej vedeckovýskumné zameranie aj na biologické čistenie odpadových vôd a využitie membránový technológií v tomto procese.

Doc. Ing. Miroslav Hutňan, PhD. (1961) - ako vedecko-výskumný pracovník pracuje na Fakulte chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity v Bratislave (Oddelenie environmentálneho inžinierstva) od roku 1984. V svojej odbornej činnosti sa venuje najmä štúdiu anaeróbnych procesov a ich využitiu pri spracovaní odpadových vôd a biomasy.

Doc. Ing. Igor Bodík, PhD.
(1961) - pracuje ako vedecko-výskumný pracovník (Oddelenie environmentálneho inžinierstva) na Fakulte chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity v Bratislave od roku 1985.  V svojej odbornej činnosti sa venuje hlavne problematike biologických procesov čistenia odpadových vôd, odstraňovaniu dusíka a fosforu z odpadových vôd, procesom spracovania čistiarenských kalov, využívania biologicky rozložiteľných odpadov ako substrátov pre produkciu bioplynu a pod.

Odborní partneri