Bioodpady.sk

Bioplyn je hlavným záujmovým produktom bioplynovej stanice. Väčšinou sa spaľuje v kogeneračnej jednotke a získava sa elektrická energia a teplo.

Bioplyn vzniká zo vstupných surovín činnosťou metanogénnych baktérií bez prístupu vzduchu. Na fermentácií sa zúčastňujú rôzne druhy mikroorganizmov.

Celý proces môžeme rozdeliť na nasledovné 4 fázy:

1. Hydrolýza – v prostredí sa ešte nachádza vzdušný kyslík. Polymérne organické látky (polysacharidy, tuky, bielkoviny) sa rozkladajú na jednoduchšie monoméry – alkoholy, mastné kyseliny, uvoľňuje sa vodík (H₂) a oxid uhličitý (CO₂).
2. Acidogenéza – spotrebuje sa zvyšný vzdušný kyslík a vytvára sa anaeróbne prostredie (bez kyslíka). Tejto fázy sa zúčastňujú fakultatívny anaerobionti – mikroorganizmy schopné existencie v prostredí s alebo bez kyslíka. Vznikajú vyššie organické kyseliny.
3. Acetogenéza – pomocou acidogénnych baktérií sa menia vyššie organické kyseliny a alkoholy na kyselinu octovú, H₂ a CO₂.
4. Metanogenéza – záverečná fáza rozkladného procesu. Pomocou metanogénnych baktérií, ktoré sú striktnými anaerobiontmi (schopné života len v prostredí bez prístupu vzduchu) sa kyselina octová rozkladá na metán (CH₄) a CO₂. Niektoré kmene vytvárajú metán z H₂ a CO₂. Táto záverečná fáza prebieha asi 5 krát pomalšie ako predchádzajúce 3 fázy, preto tomu musí byť prispôsobená aj veľkosť fermentora a dávkovanie vstupných surovín.

Vzniknutý bioplyn je v podstate zmesou metánu a CO₂, ktorá obsahuje prímesi ako N₂, H₂S, NH₃, H₂O:

Z prímesí je najproblémovejší sírovodík (H₂S),pretože ak sa nachádza v bioplyne v množstve nad 0,1 %, pôsobí korozívne na motory a technologické zariadenia. Amoniak (NH₃) je zdrojom zápachu. Prítomnosť CO₂ v bioplyne je prospešná, ak sa bioplyn spaľuje v kogenerácií, pretože CO₂ pôsobí ak antidetonátor v spaľovacích motoroch.

Výhrevnosť bioplynu sa pohybuje okolo 20 – 25 MJ/m³. Jeden m³ bioplynu obsahuje toľko energie ako 0,6 – 0,7 l vykurovacieho oleja. Pri výrobe bioplynu z odpadových surovín vznikajúcich pri chove hovädzieho dobytka (hnoj, hnojovica) sa uvažuje s výkonom 1 kW elektrickej energie na 7 – 10 ks dobytka.

Tvorba bioplynu, jeho zloženie a obsah prímesí závisí od vstupných surovín. Ak vstup obsahuje veľa bielkovín a polysacharidov typu celulóza a lignín, produkcia bioplynu je nižšia a bioplyn obsahuje veľa amoniaku. Najviac bioplynu vzniká zo surovín bohatých na tuky a škrob.

(Gaduš, J: Bioplyn – jeho výroba a využitie v podmienkach Slovenska. Mechanizačná fakulta, SPU v Nitre. ppt prezentácia, 19.2.2008)

Pri spracovávaní kalov z čistiarní odpadových vôd (ČOV) vo fermentore sa vynára problém tzv. siloxánov, organických zlúčenín kremíka. V bioplyne sa nachádzajú v stopových množstvách – v jednotkách až desiatkach mg/m³, ale napr. v pražskej ČOV niekoľkokrát siloxány prekročili hranicu 100 mg/m³. Významným zdrojom siloxánov je silikónový olej v kozmetických prípravkoch a najmä v silanizačných avivážnych prostriedkoch.

Siloxány predstavujú problém pre spaľovacie motory kogeneračných jednotiek. Pri ich spaľovaní vznikajú nánosy oxidu kremičitého (SiO₂) v spaľovacích komorách motora, ktorých mechanickým uvoľnením sa môžu poškodiť funkčné časti (abrazívny účinok) až ich zadretie. Takýmto mechanickým poškodením sa často zničí celý blok motora. Preto sa bioplyn zo spracovania kalov ČOV musí pred kogeneráciou čistiť, čo čiastočne zvyšuje náklady spracovania bioplynu. Pre čistenie sa často využíva absorpcia na aktívnom uhlí či silikagéli.

Príklady siloxánov nachádzajúcich sa v bioplyne (Prochádzková, A., Ciahotný, K., Vrbová, V.: Odstraňování organických sloučenin křemíku z bioplynu. Odpadové fórum 2008, sborník přednášek 1. díl. Milovy 16. – 18.4. 2008. p. 3196 – 3203)

Sírovodík (H₂S) v zvýšenom množstve tiež predstavuje problém v ďalšom využití bioplynu. Pri jeho spaľovaní vzniká korozívna kyselina sírová. Akceptovateľná úroveň H₂S v bioplyne je do 0,1 % (1 000 ppm). Pri prekročení tejto úrovne sa musí surový bioplyn čistiť.

Čistením bioplynu sa odstraňujú okrem sírovodíka aj iné nežiaduce prímesi, napr. siloxány. Najjednoduchším a najlacnejším čistením bioplynu (pokiaľ je účelom len zníženie koncentrácie H₂S) je privádzanie vzduchu do bioplynu – max. do 2 %, pretože vzduch vytvára s bioplynom v istom pomere (nad 4 %) výbušnú zmes. Pri reakcii vzdušného kyslíka s H₂S vylučuje z bioplynu elementárna síra (S₈). V bioplynovej stanici v Kolíňanoch takýmto spôsobom znižujú množstvo H₂S z 2 600 ppm na približne 200 ppm.

Čistenie bioplynu môžeme rozdeliť na:

• biologické – pomocou špeciálnych rodov baktérií (napr. rod Tiobacillus) sa odstraňuje z bioplynu sírovodík. Síra z H₂S sa oxiduje na elementárnu síru a vylučuje sa z bioplynu ako S₈.
• chemické – do bioplynu sa pridáva vzduch (max. do 2 %). Vzdušný kyslík oxiduje H₂S na elementárnu síru S₈. Pri pridávaní sa vzduch nesmie dostať do fermentora, pretože brzdí proces digescie a znižuje tak výťažnosť bioplynu.
• adsorpčné – na materiáloch s veľkým povrchom (aktívne uhlie) sa zachytia nežiaduce prímesi z bioplynu.

Využitie bioplynu

Vzniknutý bioplyn sa najčastejšie využíva na výrobu elektrickej energie a tepla v kogenerácií. Motory kogeneračných jednotiek dosahujú účinnosť pri výrobe elektrickej energie 32 až 40 %. Využitím odpadového tepla motora je možné dosiahnuť celkovú účinnosť 80 – 85 %.

V porovnaní s klasickou výrobou tepla a elektrickej energie je takýmto spôsobom možné ušetriť až 40 % paliva.

Spálením 1 000 m³ bioplynu sa získa 2 178 kWh elektrickej energie a 11,4 GJ tepla. Časť vyrobenej elektrickej energie a tepla využívajú bioplynové stanice pre svoju spotrebu, najmä na pohon čerpadiel, osvetlenie areálu a vyhrievanie fermentorov).

Ak sa bioplyn dôkladnejšie vyčistí môže sa využívať v palivových článkoch. Z bioplynu je technologicky možné extrahovať takmer čistý metán a CO₂ a ďalej tieto plyny využívať.

Stlačený bioplyn sa využíva na pohon dopravných prostriedkov, metán sa môže dodávať do siete ako zemný plyn. Čistý CO₂ sa využíva v potravinárstve alebo ako technický plyn.

Schéma procesu splyňovania - anaeróbnej digescie (mokrá fermentácia) a približné bilancie pre kuchynský bioodpad (Váňa, J.: Anaerobní digesce komunálních bioodpadů. Biom.cz, 25.9.2002, biom.cz/index.shtml?x=103725)

(MV)