Anaerobní stabilizace čistírenských kalů a anaerobní energetické a materiálové využívání tekutých průmyslových a potravinářských odpadů jsou procesy, které na první pohled využívají podobné technologie a poskytují shodné produkty.
Při bližším porovnání stabilizace kalů s energetickým a materiálovým využitím odpadů však lze nalézt celou řadu podstatných rozdílů. Na základě znalostí těchto rozdílů je nutné rozdílně přistupovat také k intenzifikaci produkce bioplynu v obou procesech.
Podstatný je zejména rozdíl ve složení zpracovávaných substrátů, tedy mezi čistírenskými kaly a např. odpady, využívanými pro energetickou produkci bioplynu. Kaly z ČOV obsahují oproti substrátům vhodným k energetickému využití zpravidla nejen výrazně nižší množství snadno využitelných "živin", tedy zejména snadno rozložitelných uhlíkatých látek, ale mohou obsahovat, a většinou i obsahují, látky nepříznivě působící na vlastní proces methanizace.
Oproti tomu na bioplynových stanicích se přednostně využívají látky s co nejvyšším množstvím snadno využitelného uhlíku, které zároveň musí obsahovat co nejméně látek působících na methanizaci nepříznivě.
Přidáním takových uhlíkatých látek jako substrátů vhodných pro produkci bioplynu do anaerobních reaktorů ČOV však koncentraci látek nepříznivě působících na methanizaci většinou nijak podstatně nesnížíme, protože látek "vhodných" obvykle stačí přidávat relativně malé množství.
Ani samotný účel provozování obou technologií není totožný. Hlavním důvodem stabilizace čistírenských kalů je redukce patogenních mikroorganizmů, zmenšení pachové závadnosti či-stírenských kalů, dále pak využití přítomných uhlíkatých látek atd. Oproti tomu důvodem energetického a materiálového využití odpadů je zisk energie jako hlavního produktu, který má pro provozovatele zásadní ekonomický význam.
Při správném ekonomickém nastavení se mohou stát dalším významným zdrojem příjmů bioplynových stanic platby za využití biologicky rozložitelných průmyslových a komunálních odpadů. Z výše uvedeného plynou hlavní rozdíly v provozování bioplynových stanic a anaerobních reaktorů ČOV.
TECHNOLOGICKÉ ODLIŠNOSTI
Aby bylo při stabilizaci kalů dosaženo dobré redukce patogenních mikroorganizmů, je u nejčastěji využívaného mezofilního procesu nutné dodržovat minimální dobu stabilizace na zhruba 22 dnech, spolu s následnou klasickou hygienizací kalu. Vzhledem k průměrným hodnotám živin ve stabilizovaných kalech je tato doba za daných podmínek zpravidla dostatečná pro jejich využití.
Proto je ekonomicky výhodnější stabilizovat kaly většinou "extenzivně". Dostačuje udržovat teploty ve spodní oblasti mezofilních hodnot, není třeba příliš intenzivní homogenizace a výtěžnost produkovaného bioplynu ani jeho kvalita nejsou hlavními požadovanými parametry. Proto se objemové zatížení stabilizačních čistírenských anaerobních reaktorů většinou pohybuje v oblasti do 1m3 bioplynu na 1 m3 reakčního objemu a den, pro které např. postačují základní, konstrukčně relativně jednoduché typy anaerobních reaktorů.
Jak bylo již uvedeno, ve zpracovávaných čistírenských kalech jsou vzhledem k jejich původu téměř vždy přítomny látky, které nepříznivě působí na samotný proces anaerobního rozkladu a mohou způsobit jeho zpomalení či další komplikace, významné především při intenzifikaci procesu. Může se jednat např. o rezidua léčiv, dezinfekční prostředky z domácností nebo o sloučeniny těžkých kovů a další chemické látky běžně užívané v domácnostech i v průmyslu. Přítomnost těchto látek sama o sobě může produkci bioplynu účinně snížit a případný růst produkce bioplynu poté v důsledku poškození aktivní biomasy v anaerobních reaktorech neodpovídá růstu množství surovin, prostředků a energie do procesu vkládané.
Při energetickém využití odpadů není provozovatel vázán na zpracování energeticky chudých surovin (např. čistírenských kalů), a přednostně proto pracuje se substráty (čili s odpady a se surovinami) s co možná nejvyšším podílem využitelných uhlíkatých látek.
Maximální intenzifikace procesu je žádoucí proto, aby byla co nejvyšší produkce bioplynu při minimalizaci reakčních objemů, co nejmenším množství vznikajícího digestátu a spolu s minimalizací ostatních energetických ztrát v procesu. Tomu většinou odpovídají např. nejen vyšší reakční teploty, ale také důsledná úprava pH vstupních surovin, dobrá homogenizace obsahu reaktorů, relativně kratší doba zdržení a důsledný monitoring vstupních surovin, který je důležitý pro minimalizaci vstupů látek nepříznivě ovlivňujících methanizaci.
Zejména díky důkladnému monitoringu vstupů a důslednému dodržování procesních podmínek je možné dosáhnout jak intenzivního využití reakčního objemu, tak stabilního množství a kvality produkovaného bioplynu (tzv. řízená produkce bioplynu). Běžné zatížení anaerobních reaktorů při energetickém využívání odpadů odpovídá produkci 2-5 m3 bioplynu na 1 m3 reakčního objemu a den. Při výstavbě nových anaerobních reaktorů potom zvýšení měrné produkce bioplynu (intenzifikace procesu) odpovídá snížení investičních nákladů při zachování celkového objemu denní produkce bioplynu.
Pro dosažení této intenzity procesu mohou být využívány specifické typy reaktorů, určené na dosažení vysoké koncentrace aktivní biomasy. Také termofilní teplotní oblast umožňuje v reaktorech kratší dobu zdržení vstupujících surovin (většinou odpadů obsahujících potřebné živiny). Nejčastěji však bývá s ohledem na stabilitu procesu výhodné využít teplotní oblast při horní hranici mezofilie a typ reaktoru bývá závislý na vlastnostech a charakteru převážně zpracovávané suroviny, odpadu.
V souladu s přejímáním legislativy Evropské unie je na bioplynových stanicích nutno počítat s provozováním pasterizace, zajišťující dostatečnou hygienizaci problémových odpadů.
MOŽNOSTI INTENZIFIKACE
V současnosti se často prosazuje intenzifikace produkce bioplynu v stávajících anaerobních reaktorech ČOV pomocí využití vhodných substrátů, především průmyslových odpadů s velkou měrnou produkcí bioplynu.
Zvyšování produkce bioplynu touto cestou však může být diskutabilní. Pro nastavení technologických parametrů procesu jsou zde určující kvalitativní charakteristiky kalu z ČOV zpracovávaného anaerobní stabilizací.
Přidávání odpadů či jiných substrátů s vysokým obsahem uhlíkatých látek a s vysokou měrnou produkcí bioplynu může být vhodné při "čistě energetické" produkci bioplynu v bioplynových stanicích, avšak u stabilizace kalů mohou tyto odpady naopak zhoršit využití některých hůře rozložitelných organických složek ve stabilizovaných kalech. Při přítomnosti některých nevhodných látek se také může přetížit samotný methanogenní proces, což vede k nežádoucím projevům, jako jsou nestabilita procesu, výrazné kolísání kvality a množství produkovaného bioplynu či intenzivní pěnění anaerobních reaktorů.
Mnohem vhodnější pro intenzifikaci stabilizačního procesu by mohlo být použití např. lyzačních odstředivek či enzymů, které mohou zvýšit intenzitu procesu a míru využití vstupujících organických látek při produkci bioplynu. Tím můžeme dosáhnout vyšší objemové produkce bioplynu a zkrácení doby stabilizace bez negativního ovlivnění kvality stabilizovaného kalu. Nevyřeší se tím však problém případné nevyužité kapacity reaktorů a možnosti přidání odpadů s vysokou měrou produkcí bioplynu.
Intenzifikace produkce bioplynu na bioplynových stanicích při "čistě energetickém využívání odpadů" se od intenzifikace při stabilizaci kalů odlišuje jinými procesními podmínkami, zejména použitím jiných substrátů (tedy za současných ekonomických podmínek především odpadů) i samotným technickým uspořádáním zařízení. Procesní a technologické informace získané při stabilizaci kalů jsou proto jen těžko přenositelné do oblasti energetické produkce bioplynu a naopak. Tedy i modely využití živin a měrné produkce bioplynu, které jsou založené na datech získaných při provozu anaerobních reaktorů klasických ČOV, jsou na energetické využívání odpadů jen omezeně přenositelné. Dá se říci, že je u nás nedostatečné množství ověřených provozních parametrů a provozních zásad pro provoz bioplynových stanic. Proto také nelze intenzifikovat produkci bioplynu při stabilizaci kalů pouze využitím obdobných substrátů, které využívají bioplynové stanice.
V úvahu přichází jako další možnost intenzifikace procesu zejména možnost využití tzv. předřazených reaktorů menšího objemu přímo v areálech ČOV, ve kterých budou zpracovány pouze odpady a suroviny vhodné pro energetické vy-užití s vysokou intenzitou anaerobního procesu. Je zde možné uplatnit jak termofilní proces, tak vysoký stupeň homogenizace a dobrý monitoring kvality vstupních surovin i samotného procesu. Produkovaný kal se zbytky substrátů a aktivní biomasou je možné dávkovat do stávajících anaerobních reaktorů s nevyužitou kapacitou, aniž by hrozilo přetížení reaktorů se všemi negativními projevy.
ČEMU DÁT PŘEDNOST
Samotná myšlenka intenzifikace výroby bioplynu na čistírnách odpadních vod využitím vhodných odpadů s vysokou měrnou produkcí bioplynu vychází zejména z předpokladu, že obě technologie využívají obdobná periferní zařízení a zvýšená produkce bioplynu bude proto ekonomickým přínosem. Jedná se např. o užité separační technologie pevného podílu a fugátu, akumulaci a čištění bioplynu, kogenerační jednotky a další. Na komunálních ČOV je také dobře zajištěno např. dočištění produkovaného fugátu.
Ekonomicky ještě výhodnější možností než digestát dočišťovat je jeho použití jako hnojiva. Tato cesta je ale při společném zpracování surovin vhodných pro energetickou produkci a kalů z ČOV často nemožná pro vyšší koncentrace některých složek, běžně obsažených v kalech z ČOV (např. kovy), či v jiných energeticky chudých surovinách.
Při úvahách o zpracování vhodných odpadů s vysokou měrnou produkcí bioplynu v anaerobních zařízeních ČOV je nutné zvážit, zda při uplatňování této cesty neupřednostnit spíše jejich zpracování v předřazeném, intenzivně pracujícím anaerobním reaktoru přiměřené kapacity, než přímé dávkování do stávajících vyhnívacích nádrží. Jedná se sice o variantu investičně dražší a technologicky náročnější, umožňuje však dosažení vyšší produkce energie bez ohrožení kvality procesu vlastní methanizace ani samotného procesu čištění odpadních vod. Využití společných periferních zařízení znamená, že celkové investiční náklady zůstanou nižší než při výstavbě zcela nových zařízení produkujících elektrickou energii z obnovitelných zdrojů.
Ing. David Horatius
Přírodovědecká fakulta,
Universita Karlova
