Obsah skript | Časopis BIOM, články a sborníky | Domovská stránka     

Přednáška IV.

Zemědělské odpady

1. Charakteristika zemědělských odpadů

Většina zemědělských odpadů jsou hmoty rostlinného a živočišného původu, které nejsou dále využívány jako krmivo nebo jako hnojivo. Ekologický zemědělský podnik by se měl vyznačovat bezodpadovým hospodářstvím s uzavřeným koloběhem látek podle schématu:

Pouze v ekologicky nevhodných velkochovech zvířat, které byly vybudovány bez jakékoliv vazby na půdu, se pohlíží na exkrementy zvířat jako na odpad, který by měl být zcela nebo z části zlikvidován. S ohledem na nutnost zabezpečování positivní bilance organických látek a humusu v půdě je žádoucí veškeré organické zbytky vracet do půdy přímo nebo zpracované na statkový hnůj nebo kompost. Nevyužívaná sláma (jako stelivo, krmivo nebo palivo) by měla být použita jako organické hnojivo zaoráváním nejlépe s kejdou.

Na většinu hmot, které jsou někdy označovány jako zemědělské odpady, je nutno pohlížet jako na vedlejší produkty zemědělské výroby, využitelné jako organické hnojivo, stelivo nebo krmivo. Množství skutečných odpadů ze zemědělské výroby ve srovnání s průmyslem a energetikou představují zcela zanedbatelné množství.

Mezi zemědělské odpady s nebezpečnými vlastnostmi (infekce) patří uhynulá zvířata, odpad vajec (skořápek a embryí) z líhní drůbeže. S těmito odpady se nakládá podle předpisů o veterinární asanaci. Zpracovávají se v asanačních závodech tzv. kafilériích v tlakově tepelných destruktorech. Destrukce probíhá po dobu 30 minut a při tlaku cca 2 atm. Tlak a teplota se zabezpečuje vyvíječem páry. Spolu s uhynulými zvířaty je možno zpracovávat jateční odpady, kuchyňské odpady, kosti, peří apod. Sterilní destruovaný materiál se drtí a vznikají různé další produkty použitelné do krmných směsí nebo jako hnojivo (masové, péřové, masokostní, kostní moučky). Kafilerní tuk se většinou spaluje v elektrárnách.

Dalšími nebezpečnými odpady ze zemědělství jsou odpady pesticidů a obaly od pesticidů. Pytle z plastů od průmyslových hnojiv je nutno soustřeďovat a předávat ke zpracování na granulační linku. Tyto pytle se nesmí spalovat přímo na poli.

2. Exkrementy hospodářských zvířat

Hnojiště je zpevněná a vodohospodářsky nepropustná plocha určená k výrobě hnoje. Skladová kapacita hnojiště je nutná pro desetiměsíční produkci hnoje při hnojení 1x ročně, při hnojení 2x ročně stačí pro 6 měsíční produkci. Pro jednu velkou dobytčí jednotku je zapotřebí 6-12 m³ skladové kapacity hnojiště. Okraj hnojiště musí být řešen tak, aby se zamezilo vniknutí přívalových vod, okraje obrubníků musí být vyvýšeny 40 cm nad terénem. Dno hnojiště musí mít sklon 1,5-3% směrem k hnojůvkové jímce. Mrva se ukládá na hnojišti tak, aby zrála v anaerobních podmínkách (udusaně).

Sklad kejdy je nadzemní jímka vytvořená záchytnou vanou nebo jako zemní nádrž. Sklad má být vybaven homogenizačním zařízením, které je schopno promíchat kejdu za 8 hodin. Minimální skladová kapacita v nížinách má být pro 3-měsíční produkci kejdy, ve vyšších polohách pro 6-měsíční produkci. Celý areál pro skladování a přečerpávání kejdy musí být vodotěsný a vybavený kontrolním systémem, protože úniky kejdy jsou častým zdrojem vodohospodářských havárií.

3. Aerobní čištění kejdy

Silně zředěné kejdy je možno zpracovat principy biologického aerobního čištění, při kterém se vyčištěná voda vypustí do vodoteče a vzniklý aktivovaný kal se použije jako hnojivo. Jde však o energeticky vysoce náročný proces. Jsou tyto technologické možnosti:

Čištění je možno provádět v přirozených systémech např. biologických rybnících, kde se kejda po hrubém předčištění napustí do výšky hladiny 1,5 m. Čištění se provádí pomocí kyslíku, který produkují zelené řasy při fotosyntéze. Čistící efekt klesá pod teplotou 2°C. V zemích, kde je velká intenzita slunečního záření je možno spojit tento způsob čištění s produkcí řas.

Tato technologie zahrnuje:

1. oxidační příkopy hrubé předčištění;
2. oxidační rotor (Kessenerovy kartáče);
3. aktivační prostor;
4. dosazovací nádrž.

Zředěná kejda cirkuluje ve žlabech provzdušňována oxidačními hřebenovými bubny, přebytečný kal se odděluje do dosazovací nádrže a čistá voda se vypouští do vodoteče.

4. Anaerobní zpracování exkrementů zvířat s výrobou bioplynu

Anaerobní fermentace má dvě hlavní fáze:

a) předmetanizační fázi rozkladu způsobuje velké množství mikroorganizmů přítomných v exkrementech. Tato fáze začíná hydrolýzou vysokomolekulárních organických látek. Polysacharidy se štěpí na monosacharidy, tuky se rozkládají na glycerol a vyšší mastné kyseliny, bílkoviny se rozkládají na aminokyseliny. Tento rozklad lze urychlit zvýšením teploty. Dalšími rozkladnými procesy vznikají v kyselé reakci prostředí kyseliny pyrohroznová, máselná, octová, propionová, mléčná, mravenčí, jantarová a valerová, dále ethanol, amoniak, vodík, oxid uhličitý a sirovodík. Tyto rozkladné produkty slouží jako substrát pro metanové bakterie.

b) metanizační fáze

Tato fáze probíhá v neutrálním až mírně alkalickém prostředí a přísně anaerobních podmínkách. Metanogenní bakterie využívají oxidu uhličitého jako zdroje uhlíku na stavbu svých buněk a část oxidu uhličitého redukují na methan (při oxidaci vodíku). Nejvíce methanu však vzniká při přeměně kyseliny octové, méně při přeměně methanolu nebo methylaminu. Proces inhibují těžké kovy, některé soli, antibiotika a vyšší obsah mastných kyselin a amoniaku. Nejdůležitějším faktorem metanizace je teplota. Optimální teplota je v mezofilních podmínkách 35-37°C, v termofilních 50-55°C. pH by se mělo pohybovat mezi 7-8. C/N na vstupu materiál by mělo být kolem 25/1.

Typy fermentorů:

• s přerušovaným provozem (diskontinuální, vsázkové);
• průtočné fermentory (kontinuální);

• vysokosušinové (sušina kolem 25%);
• nízkosušinové (sušina < 10%);

• jedno a dvou stupňové.

Fermentor pro tekuté substráty s přerušovaným provozem (např. čínský anaerobní fermentor):

K očkovacímu materiálu ponechanému na dně se načerpá čerstvá kejda, fermentor se uzavře a odebírá se bioplyn. Před zahájením provozu je možno přidat veškeré tuhé organické odpady, shromažďované za dobu předchozí fermentace. V průběhu fermentace do fermentoru přitékají ještě další tekuté odpady a na opačné straně se z odběrného otvoru odebírá tekutá zfermentovaná složka ke hnojivé zálivce. Nejmenší fermentory tohoto typu jsou pro dvě osoby (3 m³).

Fermentor s přerušovaným provozem pro zpracování slamnatého hnoje:

Chlévská mrva se nasype do drátového koše o průměru 6 m. Na plný koš se portálovým jeřábem nasadí zvon, který má zařízení na odvod bioplynu do plynojemu. Anaerobní fermentace trvá 30 dnů.

Průtočné fermentory:

Dosahují nejvyšší produkci bioplynu při nejmenším objemu vyhnívacích prostor.

Ze sběrné nádrže na odpady se průběžně doplňuje vyhnívací prostor a současně se část vyhnilého kalu odvádí do jímky. Je mnoho variant řešení (vyšší počet vyhnívacích nádrží, míchací zařízení apod.). V našich klimatických podmínkách je třeba část bioplynu použít pro ohřev a krytí tepelných ztrát v zimních měsících (až 50% denní produkce v zimě).

Zpracování a využívání zfermentovaného substrátu po výrobě bioplynu:

Z tekutého zfermentovaného substrátu je výhodné oddělit tuhou složku tzv. separací a využít ji k organickému hnojení nebo ke kompostování.

Separaci je možno provést:

a) sedimentací (energeticky nenáročné):

• usazovací nádrž slouží zároveň jako zásobní jímka, nádrž má přepad, ze spodu se čerpá zahuštěný materiál.

Zvláštním zařízením pro separaci může být kalové pole s drenáží ve dnu.

b) odstřeďování (dekantační odstředivky):

• k lepšímu oddělení tuhé fáze se dávkují koagulanty
• značná energetická náročnost

c) vibrační sítové separátory (síto 0,5 mm):

d) spádová scezovací síta:

• energeticky nenáročné zařízení

e) pásové sítové lisy:

jsou energeticky úspornější než odstředivky, vyžadují používání flokulantů (chlorid železitý nebo polyakryláty). Odvodňovaný materiál se přivádí na filtrační pás, ze kterého nejprve voda vytéká gravitací, pak se pás pohybuje vrstvou lisovacích válců.

Kalová voda po separaci má vysoký obsah amoniakálních solí a fosforu. Fosfáty je možno vysrážet vápnem. Případná destilace amoniaku je energeticky velmi náročná i když by zpětně bylo možno využít teplo z destilace k ohřevu vyhnívací nádrže.

5. Využití bioplynu

Bioplyn vznikající anaerobní fermentací exkrementů zvířat má 55-70 obj.% methanu a výhřevnost 35,8 MJ.m^-3. V závislosti na obsahu methanu má bioplyn výhřevnost 19-23 MJ.m^-3. Bioplyn obsahuje 1-3% vodíku, dále 27-44% oxidu uhličitého a 0,1-1% sirovodíku. Sirovodík při spalování vytváří oxid siřičitý, který znečišťuje ovzduší, a ve spojení s vodou má korosivní účinky (síry je však v bioplynu podstatně méně než v uhlí a topných olejích). Bioplyn obsahuje stopy čpavku, příměs dusíku a 2-6% vodních par, které v plynových rozvodných systémech kondenzují a mohou vytvořit tzv. vodní kapsy. Proto je nutno dimenzovat potrubní systém se značnou rezervou a instalovat lapače vodních kapek. Korosivní účinky sirovodíku jsou přítomností vodních par v bioplynu vždy zvýrazněny. Při spalování pro vytápění se sirovodík zpravidla neodlučuje, pro pohon motorů nebo pro zkapalňování je to nezbytné. Pro odstranění oxidu uhličitého a sirovodíku se používají mokré pračky bioplynu. Bioplyn je nízkotlakým kompresorem (370 kPa) tlačen do vodní pračky, kde se sirovodík i oxid uhličitý rozpustí a pak se plyn vede do sušiče plynu a do filtru. Poté je možné vysokotlakým kompresorem (20-22 MPa) bioplyn stlačovat do tlakových lahví. K výrobě elektrického proudu je nezbytné snížit obsah sirovodíku pod 0,1%.

Bioplyn je možno použít k vytápění každého kotle pro zemní plyn za předpokladu, že upravíme hořák. (Zemní plyn má výhřevnost 33 MJ.m^-3). Pro spalování bioplynu je nutný vyšší přívod vzduchu než při spalování zemního plynu.

V zemědělství je mnoho vhodných aplikací pro využití bioplynu (skleníky, sušárny, vytápění hal pro odchov selat, telat, prasat a drůbeže).

Elektrickou energii je možné pomocí bioplynu vyrábět v plynových turbínách, dvoupalivových vznětových motorech, v upravených zážehových motorech. Nezbytné je využívat energii z tepla spalin a chlazení motoru k výrobě horké vody. U dvoupalivových motorů se pohonná směs zapaluje vstřikováním nafty. Podíl energie, která se dodává v dvoupalivovém motoru naftou představuje 10%. Pro malé výkony jsou adaptovány zážehové motory z automobilů v kombinaci s generátorem elektrického proudu. Na příklad v minulosti používaná řešení s motorem z automobilu Fiat 127 měla spotřebu 9 m³ bioplynu.h^-1 a výkon 12 kW elektrického proudu. Problematika plynových motorů bude podrobně probrána v jiné přednášce.

6. Energetický potenciál exkrementů při výrobě bioplynu

Z 1 kg sušiny kejdy je možné získat:

Od 1 ks zvířat lze ročně získat:

Přídavek 1 kg slámy zvyšuje produkci bioplynu o 0,15-0,35 m³.

Při bilancích výroby bioplynu je nutno počítat s 25-30% hrubé produkce bioplynu pro ohřev procesu.

Bioplyn je možno získávat rovněž při anaerobním čištění odpadních vod z kanalizací. Tento bioplyn má velmi nízký podíl sirovodíku.

Použitá literatura: Jonáš, Petříková: Využití exkrementů hospodářských zvířat. SZN, Praha 1988.