V celém světě se hledají alternativní zdroje energie, které by nahradily strategicky významnou ropu. Jedním z těchto zdrojů, kterým lze částečně pokrýt poptávku po energii, je bioplyn, který produkují také skládky komunálního odpadu.
Vznik plynu ve skládkách komunálních a podobných odpadů je podrobně popisován a sledován od počátku 70. let 20. století. Dřívější skládky z období, kdy většina domácností byla vytápěna lokálně tuhými palivy, obsahují vysoké podíly popela a velmi málo rozložitelných látek.
Bioplyn se skládá především z methanu a oxidu uhličitého (tab. 1). Vzniká při biologickém odbourávání organické hmoty (biomasy) bez přístupu vzduchu v přirozených prostředích, jako jsou mokřady, sedimenty, trávicí ústrojí (zejména u přežvýkavců). Uvolňuje se také například z rýžových polí nebo z uskladnění hnojů a kejdy. V odpadovém hospodářství vzniká na skládkách odpadů (skládkový plyn), na anaerobních čistírnách odpadních vod (ČOV), v bioplynových stanicích.
Průběh postupného biologického odbourávání organické hmoty odpadů deponovaných ve skládce je popisován jako sled několika oddělených fází s charakteristickými podmínkami i výslednými produkty. Nejpodrobnější dělení rozlišuje čtyři následující samovolně probíhající fáze procesu:
- aerobní fáze,
- fáze acidogeneze - kyselinotvorná (aerobní, fakultativně anaerobní i anaerobní),
- fáze nestabilizované methanogeneze (přísně anaerobní),
- fáze stabilizované methanogeneze (přísně anaerobní).
Aerobní fáze biologického odbourávání odpadů ustává po uložení odpadů poměrně rychle v průběhu několika dnů či týdnů následkem vyčerpání kyslíku, zvláště po zhutnění odpadů. Hlavním plynným produktem je v této fázi CO2. Aerobními procesy je biologicky narušena většina snadno a středně odbouratelných substrátů v odpadu.
Po vyčerpání dostupného kyslíku se změní biologické oživení substrátu a je samovolně zahájena kyselinotvorná (acidogenní) fáze. Postupně klesá pH prostředí (až na hodnoty okolo 5) a jsou odbourávány tuky, celulóza a proteiny na jednoduché mastné kyseliny. V plynných produktech kyselinotvorné fáze se vedle CO2 objevují i malá měřitelná množství vodíku, který je pro četné methanové bakterie základem pro pozdější tvorbu methanu.
Pokud nejsou v odpadu trvale dodrženy striktně anaerobní podmínky, produkce methanu je slabá, kolísá a může se téměř zastavit, protože methanogenní populace jsou citlivé na porušení anaerobního prostředí. Dokonalému rozvoji methanogenních společenstev musí předcházet účinné prokvašení substrátu v kyselinotvorné fázi, které vytvoří dostatek nutrientů. Další podmínkou pro rozvoj methanogení fáze je opětný nárůst pH, neboť kyselé prostředí není pro společenstva, produkující methan, vhodné.
Hlavním zdrojem pro dlouhodobou produkci methanu ve skládkách TKO jsou především celulózové materiály (papír, lepenka, dřevo).
V následující stabilizované fázi tvorba metanu nekolísá, rychlost procesu však klesá se stupněm zpracování substrátu. Tvorba methanu je v této fázi vždy provázena i produkcí CO2.
Pro všechny biologické procesy je významným, životně důležitým parametrem vlhkost substrátu. Při nízkých vlhkostech se proces nemůže účinně dostat do stabilizovaného stadia a hrozí zpomalení až zastavení procesů. Naopak zvlhčení substrátu nad sorpční kapacitu způsobí zanesení bakterií i enzymů do míst dosud nezasažených kultivací a tvorba methanu prudce vzrůstá.
Obsah CH4 a CO2 v produkovaném plynu není obecně konstantní a skládku od skládky se liší podle podmínek a podle složení substrátu. Určujícími podmínkami jsou vedle složení odpadu také již zmíněné vlivy vlhkosti a teploty.
Ing. Martin Havlice
Ing. Jiří Vacek
Katedra geotechniky,
Stavební fakulta ČVUT v Praze
