2.1. V bioplynu existují dvě skupiny složek: makrosložky a mikrosložky nebo stopové plyny. Mezi makrosložky patří metan a oxid uhličitý, dusík a vodík. Složení bioplynu z různých skládek se výrazně liší v závislosti na objemu a kvalitě ukládaného odpadu, geografických podmínkách oblasti, kde se skládka nachází, provedení základny a krytu skládky, možnosti přístupu vzdušného kyslíku k odpadu, výšce uložení odpadu, podmínkám jejich zhutnění a intenzitě rozkladných procesů. Bioplyn, . obsahuje složky škodlivé pro lidské zdraví, které mohou výrazně překročit MPC pro ně stanovené v atmosférickém vzduchu (krát): Amoniak a sirovodík, oxid uhelnatý a hexan, cyklohexan a benzen, etylen, propylen a butylen přítomné v bioplynu mají kumulativní efekt. Nejtypičtější složení bioplynu a možné přebytky MPC pro různé složky jsou uvedeny v tabulce 1 v příloze 1.
Složení bioplynu se liší v závislosti na stáří skládky. Změny koncentrací hlavních složek bioplynu v různých fázích životního cyklu skládky jsou znázorněny na Obr. 1.
Pro rychlé posouzení stavu systémů odplyňování skládek lze složení bioplynu převzít z tabulky 2.
Poznámka: Typ 1 – čistý bioplyn získaný za anaerobních podmínek, typ 2 – bioplyn obsahuje kyslík a dusík v poměru charakteristickém pro atmosférický vzduch. Vzduch vstupuje v důsledku netěsností v sacím potrubí; typ 3 – nad povrchem skládky je nasáván vzduch, jehož kyslík se využívá v mikrobiologickém procesu; typ 4 – kombinace typů 2 a 3.
2.4. Fyzikální vlastnosti bioplynu: hustota, p (bioplyn) = 1.07*10-4 kg/m 3, viskozita c (bioplyn) = 1.15-10-5 He/m 2 ; výhřevnost bioplynu vyčištěného od nečistot je 1800-25100 kJ/mXNUMX, což je poloviční výhřevnost oproti zemnímu plynu.
Při obsahu metanu 50 % a obsahu oxidu uhličitého 45 % má 1 mj bioplynu výhřevnost cca 18 500 kJ (5,14 W).
Vlhkost bioplynu závisí na teplotě a tlaku. Plyn může být nasycený nebo nenasycený vlhkostí. Bioplyn obsahuje v průměru od 25 % do 45 % vlhkosti. Zdrojem dodatečné vlhkosti jsou atmosférické srážky, povrchové a podzemní vody.
Fyzikální vlastnosti složek bioplynu se zjišťují podle tabulky 3
*Výbušnost plynných složek smíchaných se vzduchem je uváděna pro teplotu 20°C a tlak 1 atm. v horní a dolní hranici exploze
Složky bioplynu mají korozivní vlastnosti
2.7. V závislosti na úrovni emisí bioplynu do atmosféry a stupni zředění vzduchem může mít bioplyn toxický účinek na živé organismy a rostliny, způsobovat nebezpečné jevy, se kterými je třeba počítat a je třeba jim předcházet: výbuchy a požáry; přítomnost toxických a karcinogenních látek a pachových látek, které nepříznivě ovlivňují obyvatelstvo; přítomnost složek toxických pro rostliny a zvířata; zátěž životního prostředí ve formě škodlivých složek bioplynu uvedených v tabulce. 1 a fotooxidační činidla; dopad na ozonovou vrstvu; výskyt skleníkového efektu.
2.8. V závislosti na úrovni tvorby bioplynu a pravděpodobnosti výskytu jevů uvedených v odstavci 2.4. se pilotová tělesa dělí na:
Bezpečné, kde jsou skládkové zeminy plyno-chemicky inertní, obsah metanu v přízemní vrstvě je menší než 0.1. obj. % a CO2 méně než 0.5 obj. %,
Potenciálně nebezpečné skládky, kde je obsah metanu v přízemní vrstvě vyšší než 0.1. obj. % a CO2 více než 0.5 obj. %.
Nebezpečný, s obsahem metanu v přízemní vrstvě > 1.0 % a S2 až 10 %;
d). Nebezpečné, kde obsah metanu v přízemní vrstvě je do 5 % obj.
e) Nebezpečný požár a výbuch, s obsahem metanu > 5.0 % a CO2-n*-10 %.
2.9. Bioplyn je schopen se pohybovat na velké vzdálenosti pod vlivem tlakových gradientů a molekulární difúze. Nekontrolovaný pohyb (migrace) biopánve je způsoben smršťováním vrstev, prasklinami a prasklinami finálního nátěru.
2.10. K horizontální migraci dochází, když je vozovka špatně propustná (syntetická) a podklad skládky není zhutněný. K vertikální migraci dochází, když je základ skládky dobře zhutněn a povrch je vysoce propustný. Pohyb bioplynu je ovlivněn: pórovitostí půdy (čím větší objem pórů, tím větší emise plynu a jeho distribuce); vlhkost (sypká půda s nízkým obsahem vlhkosti podporuje uvolňování plynu, a naopak hustá, mokrá půda mu brání), složení odpadu; design skládky.
2.11. Maximální vzdálenost od tělesa skládky, do které lze bioplyn odstranit v zrnité zemině, je určena vzorcem 2.1:
kde: D – vzdálenost, na kterou je bioplyn odváděn, m; A – hloubka odpadu, m.
2.12. Migrační bariéry mohou zahrnovat hluboký sníh a vodou nasycené půdy; podzemní vody; příkopy naplněné vodou v okolí skládky a na skládce; přirozená hustá vrstva půdy.
2.13. Potenciál nebezpečí skládky bioplynu je stanoven v závislosti na kapacitě skládky.
Na skládkách pevných odpadů je nutné kontrolovat šíření bioplynu pomocí monitorovacích systémů bioplynu dle odstavců 5.1-5.8.
Složení a množství bioplynu není konstantní a závisí na typu zpracovávaného substrátu a technologii výroby bioplynu. Průměrné složení bioplynů podle výše uvedené klasifikace je uvedeno v (Tabulka 1).
Klasifikace a složení bioplynů
Obsah složek, % obj.
Plyn z vyhnívacích nádrží městských čistíren odpadních vod se vyznačuje stabilnějším složením. Obsah hlavní hořlavé složky – metanu – se v různých čistírnách pohybuje od 60 do 65 % objemových. Významnější výkyvy ve složení plynu jsou pozorovány během zpracování zemědělského odpadu a v plynu jsou přítomna některá poměrně významná množství sirovodíku. Proto je před použitím nutné čištění plynu od H.2S.
Procesy tvorby prvních dvou typů bioplynů probíhají ve stacionárních zařízeních. Technologické parametry procesu (spotřeba a vlhkost substrátu, teplota kvašení, doba kvašení) jsou víceméně kontrolovatelné. Odlišná situace je na skládkách a skládkách, kde v průběhu času dochází k biologickému rozkladu vrstev odpadků (využitelný bioplyn vzniká cca po 10-15 letech) a proces tvorby plynu je nekontrolovatelný. Pro sběr plynu se vrtají studny nebo plynové vrty. Konstrukce a způsob provozu vrtu, obsah vlhkosti v odpadní hmotě mají další vliv na složení plynu. Obsah metanu v plynu se může značně lišit (35-80 %). Kromě metanu a balastního dusíku a oxidu uhličitého mohou být přítomny sloučeniny síry, merkaptany, sloučeniny obsahující halogeny a aromatické uhlovodíky (celkem více než 100 složek).
Z 1 tuny sušiny organické hmoty v důsledku anaerobního zpracování zemědělského odpadu můžete získat:
z prasečí kejdy – 500 m³ bioplynu (360 tce);
z hnoje dojnic – 350 m³ bioplynu (250 tce);
z výkrmové mrvy skotu – 450 m³ bioplynu (321 tce);
z ptačího trusu – 660 m³ (428 tce).
Výroba bioplynu z fermentorů a zemědělských bioplynových stanic
Podle technického provedení se bioplynové stanice dělí na tři systémy: akumulační, periodické, kontinuální.
Akumulační systémy zajišťují fermentaci v reaktorech, které zároveň slouží jako sklad pro fermentovaný hnůj (substrát) až do jeho vyložení. Počáteční substrát je nepřetržitě přiváděn do nádrže, dokud není naplněn. Fermentovaný substrát se vykládá jednou až dvakrát ročně v období aplikace hnojiv do půdy. V tomto případě je část fermentovaného kalu speciálně ponechána v reaktoru a slouží jako zárodečný materiál pro následný fermentační cyklus. Skladovací objem spojený s bioreaktorem je vypočítán pro celkový objem hnoje odstraněného z komplexu během období mezi setím. Takové systémy vyžadují velké množství úložiště a používají se velmi zřídka.
Periodický systém výroby bioplynu zahrnuje jednorázové naložení počátečního substrátu do reaktoru, dodání zárodečného materiálu tam a vyložení fermentovaného produktu. Takový systém se vyznačuje poměrně vysokou pracností, velmi nerovnoměrným výstupem plynu a vyžaduje alespoň dva reaktory, zásobník pro akumulaci počátečního hnoje a skladování fermentovaného substrátu.
Při kontinuálním schématu je výchozí substrát průběžně nebo v určitých intervalech (1-10x denně) nakládán do fermentační komory, odkud je současně odebíráno stejné množství fermentovaného sedimentu. Pro zintenzivnění fermentačního procesu lze do bioreaktoru přidávat různé přísady zvyšující nejen rychlost reakce, ale také výtěžnost a kvalitu plynu. Moderní bioplynové stanice jsou obvykle navrženy pro kontinuální proces a jsou vyrobeny z oceli, betonu, plastů a cihel. Pro tepelnou izolaci se používá sklolaminát, skelná vata a celulární plast.
Na základě denní produktivity lze stávající bioplynové systémy a zařízení rozdělit do 3 typů:
malý – do 50 m 3 /den;
střední – do 500 m 3 /den;
velké – až 30 tisíc m 3 / den.
Digesce a zemědělské bioplynové stanice nemají s výjimkou použitého substrátu žádné zásadní rozdíly. Technologické schéma bioplynového zemědělského zařízení je uvedeno na (obr. 1).
Podle tohoto schématu se hnůj z objektu pro hospodářská zvířata (1) dostává do skladovací nádrže (2), poté je pomocí fekálního čerpadla (3) nakládán do fermentoru – nádrže pro anaerobní vyhnívání (4). Bioplyn vzniklý při fermentačním procesu se dostává do plynojemu (5) a následně ke spotřebiteli K ohřevu hnoje na fermentační teplotu a udržení tepelného režimu ve vyhnívací nádrži slouží tepelný výměník (6), kterým horká voda teče, ohříván v kotli (7).Zkvašený hnůj se vykládá do skladu hnoje (8).
Obr. 1. Zobecněné schéma výroby bioplynu
Bioreaktor má tepelnou izolaci, která by měla stabilně udržovat fermentační teplotu a v případě poruchy by měla být rychle vyměněna. Bioreaktor je vytápěn umístěním výměníků tepla po obvodu stěn ve formě spirály trubek, kterými cirkuluje horká voda s počáteční teplotou 60-70 °C. Takto nízká teplota chladiva je přijata proto, aby se zabránilo úhynu mikroorganismů produkujících metan a ulpívání částic substrátu na teplosměnném povrchu, což může vést ke zhoršení přenosu tepla.Bioreaktor má také zařízení pro neustálé promíchávání hnoje. Tok hnoje do fermentoru je regulován tak, aby proces fermentace probíhal rovnoměrně.
Během fermentace se v hnoji vyvíjí mikroflóra, která postupně ničí organické látky na kyseliny a ty se vlivem syntrofních a metanotvorných bakterií přeměňují na plynné produkty – metan a oxid uhličitý.
V metanových nádržích jsou zajištěny všechny potřebné parametry procesu — teplota (33-37º C), koncentrace organických látek, kyselost (6,8-7,4) atd. Růst buněk metanové biocenózy je dán také poměrem C:N, a jeho optimální hodnota je 30 :1. Některé látky obsažené ve výchozím substrátu mohou inhibovat fermentaci metanu (tabulka 2). Kuřecí trus například často inhibuje fermentaci metanu přebytkem NH3.
