Anaerobní digesce

Tento název je složen ze dvou slov a to „anaerobní“ – absence kyslíku a „digesce“ – neboli trávení. Tento proces za přístupu vzduchu je přirozený rozklad organických látek a to za vzniku digestátu a bioplynu. Za objevitele anaerobní digesce je považován italský fyzik A. Volta, který již v roce 1776 zkoušel první anaerobní fermentaci v laboratoři. V roce 1897 byl použit poprvé bioplyn k ohřevu vody a to v nemocniční ČOV v Bombay.

V dnešní době je již rozvoj produkce a využití bioplynu na celém světě. Je využíván především ke kogeneraci, což je výroba tepla a elektrické energie pomocí spalovacího motoru, který je poháněn bioplynem. Tento způsob považován za atraktivní ochranu klimatu.

Methanizace, což je také fermentace, která probíhá bez přístupu volného kyslíku je soubor procesů, které na sebe musí přesně navazovat. Biologicky rozložitelná organická hmota je rozkládána směsnou kulturou mikroorganismů, které se dělí do několika skupin. Výpadek jen jedné skupiny naruší průběh celého procesu anaerobní digesce, protože produkty jedné skupiny jsou substrátem té druhé. Anaerobní digesce anaerobní fermentace, či anaerobní vyhnívání, je technologie výroby bioplynu, což je jeden ze dvou konečných produktů. Takovéto zpracování zbytkové biomasy je ekologický způsob, při kterém nedochází ke snížení její hnojivové hodnoty. Mezi dva produkty tohoto procesu je již zmiňovaný bioplyn a také biologicky stabilizovaný substrát, který má vysoký hnojivový účinek.

Fáze anaerobní digesce

Hydrolýzní fáze

V této fázi je nejdůležitější přítomnost anaerobních bakterií, které makromolekulární látky přeměňují na nizkomolekulární látky. Bakterie k tomuto procesu využívají extracelulárních hydrolytických enzymu, které samy vytvářejí. Mezi nízkomolekulární látky, které jsou rozpustné ve vodě, jsou látky, které anaerobní bakterie vytváří v průběhu této fáze. Patří mezi ně monosacharidy, aminové kyseliny, mastné kyseliny, voda.

Acidogenní fáze

Acidogenní neboli kyselá fáze (acidogeneze), následuje těsně po fázi hydrolýzní. Produkty hydrolýzní fáze jsou vstupními materiály, které jsou v acidogenní části štěpeny na ještě jednodušší organické látky jako jsou kyseliny, alkoholy, CO2, H2, apod. Fermentací těchto látek se tvoří řada konečných produktů. Tyto produkty jsou závislé nejen na charakteru původního substrátu, ale také na podmínkách prostředí za jakých proces probíhá. Fermentací těchto látek se tvoří řada konečných redukovaných produktů, které jsou závislé na charakteru původního substrátu a podmínkách prostředí. Například při nízkém parciálním tlaku vodíku jsou produkovány hlavně kyselina octová, CO2 a H2 a při vyšším parciálním tlaku vodíku jsou produkovány vyšší organické kyseliny, kyselina mléčná, ethanol.

Acetogenní fáze

Probíhá oxidace produktů acidogeneze na CO2, H2 a kyselinu octovou. Kyselina octová je tvořena acetogenní respiraci CO2 a H2 homoacetogenními mikroorganismy. Účast těchto mikroorganismů produkujících vodík je nezbytná, protože rozkládají kyselinu propionovou a ostatní organické kyseliny, které jsou vyšší než octová, alkoholy a některé aromatické sloučeniny. Jsou zde zastoupeny i minoritní skupiny organismů (sulfátreduktanty, nitrátreduktanty) produkující vedle kyseliny octové a vodíku také sulfan a dusík. Produkty této fáze jsou tedy CO2, H2, kyselina octová, sulfan a dusík.

Methanogenní fáze

Methanogeneze, poslední fáze procesu anaerobní digesce. V této fázi se již nachází methanogenní bakterie, které rozkládají některé jednouhlíkaté látky jako je kyselina mravenčí, metylamin, methanol, CO2, H2 a CO a kyselinu octovou. Jsou nejdůležitější trofickou skupinou, mají specifické požadavky na substrát i životní podmínky a vedle acetogenů zpracovávajících kyselinu propionovou se často stávají limitujícím faktorem celého procesu.

Faktory ovlivňující proces anaerobní digesce

Tyto faktory jsou nutné pro tento proces dodržet, aby byl zaručen kvalitní průběh.

teplota procesu – teplotu prostředí volíme v závislosti na kultuře mikroorganismů, které jsou použity pro uskutečnění procesu. Mezofilní teploty jsou využívány nejčastěji (tj. okolo 35°C).
pH – hodnota pH je i v tomto procesu velice důležitá. Mikroorganismy jsou nejčastěji schopny růst v neutrální oblasti okolo 6,5 – 7,5.
přítomnost živin potřebný poměr živin se udává jako CHSK:N:P v rozmezí od 300 : 6,7 : 1.
přítomnost toxických a inhibujících látek – amoniak a mastné kyseliny jsou látky s inhibičními účinky nejčastěji se vyskytující. Mohou ovlivnit nebo zcela zastavit proces. Tvorba mastných kyselin je závislá na pH procesu fermentace.

Vstupní materiály

Zdroje biomasy:

Zemědělství

Odpady ze živočišné výroby – je stále obtížnější využívat exkrementy hospodářských zvířat k rostlinné výrobě jako hnojivo a to z důvodu zpřísňujících předpisů,
Zbytky z rostlinné výroby, pro něž není další uplatnění, nebo cíleně pěstovaná nepotravinářská produkce,
Travní fytomasa ze zatravněné půdy, která musí být pravidelně odstraňována.

Komunální sféra

Biologický odpad tvoří asi 40% komunálního odpadu. V této sféře jsou také kaly z čistíren odpadních vod a odpady z údržby zeleně.

Průmysl, zejména potravinářský

Tyto odpady mohou obsahovat nebezpečné látky, které znamenají riziko pro další uplatnění jako hnojivo, jako jsou krmiva nebo hnojiva.

Stravovací zařízení

Zpracování kuchyňských odpadů včetně použitých fritovacích olejů.

Produkty anaerobní digesce

Konečným produktem anaerobní digesce je vyhnilý kal s obsahem zbylých, nerozložených organických látek (dále jen OL), anorganický podíl a kalová voda. Pro další využití se kal odvodňuje na co nejvyšší obsah sušiny. Z uvedené závislosti odvodňování vyplývá, že snížení obsahu OL ve vyhnilém kalu dosahuje intenzifikace anaerobního procesu při co nejvyšší transformaci organických látek do bioplynu.

V případě, že je obsah OL v kalu 70%, ve 100 kg surového kalu je 70 kg OL a 30 kg anorganických látek. Při anaerobní stabilizaci se transformuje do bioplynu cca 50% z původního obsahu. Je to tedy 35 kg OL. Ve vyhnilém kalu pak zůstává 35 kg OL a 30 kg anorganických látek. Obsah OL ve vyhnilém kalu je pak 53 %.

Bioplyn

Obsah methanu významně ovlivňuje výhřevnost bioplynu. Závislost methanu je hlavně na technologických parametrech bioplynové stanice a na složení vsazky. Největším problémem bioplynu je složka sulfan, která vytváří při spalování kyselinu sírovou, která způsobuje korozi, při kondenzaci spalin. Proto je nutné sulfan z bioplynu odstraňovat, pokud má vyšší koncentraci. K tomu účelu se nejčastěji používá chemická adsorpce H2S do pevné látky (FeO, Fe2O3), nebo biologická metoda využívající sirných bakterií, které v aerobním prostředí oxidují H2S na elementární síru a sírany v závislosti na teplotě a pH.

Způsoby využití bioplynu

Přímé spalování a ohřev teplonosného média,
Výroba elektrické energie a ohřev teplonosného média – kogenerace,
Výroba elektrické energie, tepla, chladu – trigenerace.

Biologicky stabilizovaný substrát

Vlastnosti tohoto substrátu je závislý na druhu zpracovaného materiálu. Co se týče technologického procesu, ten není tak důležitý.

Využití substrátu

Využití substrátu je rozděleno na přímou nebo nepřímou metodou.

Přímá aplikace substrátu:

Nejjednodušší způsob jak lze využít substrát, který je stabilizovaný a má vysoký hnojící účinek. Aplikuje se přímo na zemědělskou půdu.

Tento druh substrátu má spoustu výhod:

· Substrát je homogenizovaný a biologicky stabilizovaný,

· Má zvýšenou využitelnost živin a sníženou vyplavitelnost,

· Dále má snížený obsahu patogenů, semen plevelů a zápachu,

· Pokles emisí skleníkových plynů.

Nepřímé způsoby využití substrátu:

Jak je možné také využít stabilizovaný substrát je odseparování tuhé složky od tekuté a to za pomocí lisování v kalolisu, odstřeďováním či sedimentací. Takto tuhá frakce je vhodná k aerobní stabilizaci, jako je kompostování a to díky vysokému obsahu organické hmoty.