Jiří Rusín Kateřina Chamrádová Václav Holuša Vysoká škola báňská – TU Ostrava VÝZKUM VYSOKOSUŠINOVÉ ANAEROBNÍ DIGESCE PODSÍTNÉ FRAKCE SMĚSNÉHO KOMUNÁLNÍHO ODPADU A VÝVOJ KONTEJNEROVÉ BIOPLYNOVÉ STANICE Jiří Rusín Kateřina Chamrádová Václav Holuša

SMĚSNÝ KOMUNÁLNÍ ODPAD PODSÍTNÁ FRAKCE Občané a původci komunálního odpadu (KO) si již v ČR částečně osvojili ruční třídění využitelných složek. Směsný komunální odpad (SKO) s katalogovým číslem 20 03 01 je ta část KO, kterou vyhazujeme do kontejnerů a popelnic. Směrnice Rady 1999/31/EC ukládá omezit množství biodegradabilního odpadu na skládky. Od roku 2024 nebude možno v ČR skládkovat SKO, bude nutno mechanicky dotřídit využitelné složky. Pouze zbytkový odpad (ZO) bude možno skládkovat. SKO respektive ZO ve značné míře obsahuje biologicky rozložitelnou - organickou frakci (OFSKO). OFSKO lze relativně efektivně odseparovat rotačními bubnovými síty, proto mluvíme o „podsítné frakci“.

Projekt Technologické agentury ČR Projekt EPSILON TH01030513 „Výzkum vysoko-sušinové (suché) anaerobní kodigesce organické frakce směsného komunálního odpadu s dalšími bioodpady a vývoj (semi)kontinuálně pracující kontejnerové bioplynové stanice se systémem převrstvování vsázky“ Řešitelé: VŠB - TU Ostrava, Institut IET, Laboratoř anaerobní digesce AGRO-EKO spol. s r.o. Albrechtice Zemědělský výzkum, spol. s r.o. Troubsko Období: 1 / 2015 – 12 / 2017 Cíle projektu: ověřit podmínky (semi)kontinuální suché či polosuché anaerobní digesce organické (podsítné) frakce směsného tuhého komunálního odpadu (OFSKO), ověřit podmínky kofermentace OFSKO s dalšími surovinami, vyvinout mobilní bioreaktor s pravidelným převrstvováním či mícháním vsázky hřeblovým dopravníkem vyvinout pilotní (demonstrační) malou bioplynovou stanici.

Etapy projektu Etapa 1 (2015) Etapa 2 (2016) Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Etapa 2 (2016) Prototyp / funkční vzorek kontejnerového (semi)kontinuálního bioreaktoru Etapa 3 (2017) Pilotní jednotka kontejnerové bioplynové stanice, provozní ověření, závěry

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Vzorky směsného komunálního odpadu - z firmy OZO Ostrava s.r.o. - svozové rajóny Ostrava Hrabůvka a Bělský les - odebrané na skládce Ostrava Hrušov Dvoustupňová separace SKO 1. stupeň: rotačním bubnovým separátorem Terra Select Trommelscreen T4 (kruhové otvory Ø 80 mm) 2. stupeň: laboratorní rotační bubnové síto (čtvercové otvory) 3,5 x 3,5 mm 15 x15 mm 24 x 24 mm 40 x 40 mm Testovaný produkt: podsítná frakce (OFSKO)

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru 1. stupeň separace SKO

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru 2. stupeň separace SKO

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Parametry organické (podsítné) frakce OFSKO Parametr Značka Jednotka ≤ 3,5 mm ≤ 15 mm ≤ 24 mm ≤ 40 mm Sušina celková TS % 58,5 52,0 59,70 76,95 Spalitelné látky (ztráta žíháním) VS %TS 43,0 40,9 38,50 83,0 Celkový organický uhlík TOC 19,8 19,4 20,4 19,2 Uhlík TC 20,0 19,7 20,7 19,5 Vodík H 3,3 2,5 2,7 Dusík N 0,9 1,1 1,0 Síra S 0,3 0,8 1,5 0,5 Kyslík O 14,8 13,4 14,7 14,5 Celková hořlavina Ċ 44,0 41,6 39,2 86,5 Prchavá hořlavina V 39,5 37,0 35,1 83,6 Fixní uhlík FC 4,5 4,6 4,1 2,9 pH-H2O pH - 6,4 6,5 6,2 Aerobní aktivita AT4 AT4 mg O2/gTS 65,1 60,4 62,0 nestanoveno Fosfor P 0,19 0,15 Vápník Ca 2,18 3,53 2,92 Draslík K 0,56 0,41 0,40 Hořčík Mg 0,29 0,38 0,20

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Parametry organické (podsítné) frakce OFSKO Parametr Značka Jednotka ≤ 3,5 mm ≤ 15 mm ≤ 24 mm ≤ 40 mm Suma nižších mastných kys. C2-C5 VFA % 3,59 4,54 3,39 nestanoveno Popeloviny A %TS 57,00 59,1 61,5 Lipidy CL 1,42 3,18 2,41 Sacharidy CH 0,10 1,61 0,55 Škrob ST 2,70 5,54 2,78 Vláknina CF 9,40 3,51 7,50 Proteiny CP 0,62 0,68 0,69 Bezdusíkaté látky výtažkové NFE 24,10 24,40 15,80 Dusíkaté látky NC 6,15 5,90 6,61 Dusík amoniakální NNH4+ 0,13 0,01 0,12 Dusík dusičnanový NNO3- 0,003 0,001

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Parametry organické (podsítné) frakce OFSKO Rizikové prvky Parametr Značka Jednotka ≤ 3,5 mm ≤ 15 mm ≤ 24 mm ≤ 40 mm Arsen As mg kgTS-1 6,7 4,0 5,8 nestanoveno Kadmium Cd 1,4 1,2 1,0 Kobalt Co 8,7 7,0 5,5 Chrom Cr 25,8 154,0 12,2 Měď Cu 85,6 84,3 61,7 Nikl Ni 58,7 7,8 Olovo Pb 19,0 72,0 15,9 Zinek Zn 158,0 1320,0 104,0 Molybden Mo 0,5 3,9 Rtuť Hg 0,1 2,2 Obsah Fe byl velmi vysoký (12000 – 25000 mg kgTS-1) Obsah PCB a PAU nebyl sledován

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Parametry organické (podsítné) frakce OFSKO Mikrobiální rozbor Parametr Značka Jednotka ≤ 3,5 mm ≤ 15 mm ≤ 24 mm ≤ 40 mm Enterokoky ENT KTJ gTS-1 7 x 105 5 x 101 8 x 104 nestanoveno Termotolerantní koliformní bakterie TTC 1 x 104 Escherichia coli EC Salmonella SLM pozit./ negat. negativní Listeria monocytogenes LM Clostridium perfingens CP KTJ g-1 1 x 105 7 x 104 Celkový počet mikroorganismů TNM 2 x 107 1 x 108 Kvasinky Y 6 x 106 4 x 103 4 x 105 Plísně F 3 x 105 7 x 101 2 x 105 Termofilní mikroorganismy TM 4 x 106 1 x 107 Mezofilní bakterie MB 8 x 106 Psychrofilní bakterie PB 2 x 106

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Laboratorní anaerobní bioreaktor Původním záměrem bylo vyrobit laboratorní model bioreaktoru s mícháním pomocí hřeblového dopravníku, dle zkušeností s aerobním fermentorem EWA (AGRO-EKO spol. s r.o.)

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Laboratorní bioreaktor Vzhledem ke zkrácení dotace o 20 % byly využity bioreaktory dostupné na VŠB-TU Ostrava. Rotační bubnový reaktor TERRAFORS (13 l vsázky)

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Laboratorní bioreaktor Horizontální válcový reaktor CSTR400 (300-380 l vsázky)

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Laboratorní bioreaktor Naklopitelný válcový reaktor BPR-800-1800 (800 l vsázky)

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Jednostupňová mezofilní vysokosušinová digesce podsítné frakce

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Doprovodné testy digesce

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Užitný vzor Na základě laboratorních zkušeností byl vytvořen užitný vzor specifikující konstrukci anaerobního bioreaktoru míchaného hřeblovým dopravníkem. VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA. Zařízení pro anaerobní digesci tekuté vsázky. Původce: Jiří RUSÍN. Česká republika. Užitný vzor CZ 29831 U1. 27.09.2016.

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Parametry digestátu Parametr Značka Jednotka Digestát z OFSKO ≤ 3,5 mm Digestát ze směsi ≤ 15 mm: kukuřičná siláž (1:1) Sušina celková TS % 26,03 25,39 Spalitelné látky (ztráta žíháním) VS %TS 48,70 46,60 Celkový organický uhlík TOC 24,2 26,1 Dusík N 0,9 Síra S 0,3 0,8 Chemická spotřeba kyslíku CODCr kg m-3 47,5 49,2 pH-H2O pH - 8,4 8,2 Aerobní aktivita AT4 AT4 mg O2/gTS 23,4 14,0 Fosfor P 0,68 0,41 Vápník Ca 4,39 4,56 Draslík K 1,46 1,33 Hořčík Mg 0,54 0,61 Dusík amoniakální NNH4+ 1,20 1,04 Dusík dusičnanový NNO3- 0,03 0,01

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Parametry digestátu Rizikové prvky Parametr Značka Jednotka Digestát z OFSKO ≤ 3,5 mm Digestát ze směsi ≤ 15 mm: kukuřičná siláž (1:1) Arsen As mg kgTS-1 1,5 6,5 Kadmium Cd 0,4 1,6 Kobalt Co 7,3 9,0 Chrom Cr 32,10 148,0 Měď Cu 104 584 Nikl Ni 19,4 68,8 Olovo Pb 19,1 42,6 Zinek Zn 269 591 Molybden Mo 0,9 2,5 Rtuť Hg 0,2 1,0 Obsah Fe byl velmi vysoký (11400 a 20600 mg kgTS-1) Obsah PCB a PAU nebyl sledován

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Parametry digestátu Mikrobiální rozbor Parametr Značka Jednotka Digestát z OFSKO ≤ 3,5 mm Digestát ze směsi ≤ 15 mm: kukuřičná siláž (1:1) Enterokoky ENT KTJ gTS-1 <5 x 101 6 x 104 Termotolerantní koliformní bakterie TTC 2 x 103 Escherichia coli EC 6 x 102 Salmonella SLM pozit./ negat. negativní Listeria monocytogenes LM Clostridium perfingens CP KTJ g-1 4 x 102 1 x 105 Celkový počet mikroorganismů TNM 4 x 106 1 x 108 Kvasinky Y <1 x 101 3 x 105 Plísně F 5 x 102 Termofilní mikroorganismy TM 7 x 105 6 x 107 Mezofilní bakterie MB 1 x 106 8 x 107 Psychrofilní bakterie PB 8 x 105 9 x 107

ETAPA 1 Fyzikální model vysokosušinového (semi)kontinuálního bioreaktoru Kultivační testy

ETAPA 2 Prototyp kontejnerového bioreaktoru Prototyp bioreaktoru GEWA (Gas Ecological Waste Apparatus) základní konstrukce vychází v aerobního fermentoru EWA, míchací systém s hřeblovým dopravníkem byl upravován tak, aby zvládal převrstvovat tuhou vláknitou vsázku o sušině do 40 % (hustotě do 700 kg/m3) to se zatím nepodařilo, je možno zpracovávat polotekutou vsázku o sušině 25-30 % (hustotě do 1200 kg/m3)

ETAPA 2 Prototyp kontejnerového bioreaktoru Prototyp bioreaktoru GEWA základní konstrukce vychází v aerobního fermentoru EWA, míchací systém s hřeblovým dopravníkem byl upravován tak, aby zvládal převrstvovat tuhou vláknitou vsázku o sušině do 40 % (hustotě do 700 kg/m3) to se zatím nepodařilo, je možno zpracovávat polotekutou vsázku o sušině 25-30 % (hustotě do 1200 kg/m3)

ETAPA 2 Prototyp kontejnerového bioreaktoru Prototyp bioreaktoru GEWA

ETAPA 3 Pilotní jednotka kontejnerové bioplynové stanice Pilotní jednotka BPS etapa je aktuálně v řešení pilotní jednotka bude umístěna v areálu firmy AGRO-EKO, spol. s.r.o. v Albrechticích BPS bude sestávat z těchto komponent: šnekový dávkovač biomasy kontejnerový bioreaktor GEWA membránový plynojem odvodňovací a odsiřovací jednotka bioplynu (aktivním uhlím) mikro-kogenerační jednotka 30 kWel elektrická energie bude sloužit pro potřeby firmy teplem může být v pozdější fázi vytápěna výrobní hala digestát bude aerobně stabilizován s ligno-celulózovými bioodpady v technologii EWA testována je mokrá granulace (bioextruze) digestátu / dosušování / distribuce jako certifikovaného biopaliva / případně i zplyňování.

Závěry 1 Cílem výzkumného projektu bylo ověřit proces vysokosušinové anaerobní digesce organické (podsítné) frakce směsného komunálního odpadu a vyvinout nový typ kontejnerové bioplynové stanice. 2stupňovou separací byly připraveny vzorky OFSKO ze skládky Ostrava Hrušov sušina OFSKO obsahoval 40-80 % spalitelných látek (spalné teplo 6-11 MJ kgTS-1) poměr C:N:P 100:5:1 byl pro digesci optimální aerobní aktivita AT4 se pohybovala okolo 60 mg O2/g sušiny z rizikových prvků byly ve vyšší koncentraci přítomny Cr, Cu, Zn testy přítomnosti Salmonelly a Listerií byly negativní jednostupňovou vysokosušinovou digescí bylo možno získat 65-108 l bioplynu / kg OFSKO, což odpovídá literárním údajům výtěžek CH4 dosahoval 33-51 % teoretické hodnoty (dle CHNOS) jako optimální velikost částic se jeví 20-40 mm, což bude upřesňováno pro provoz bude vhodná kofermentace s cíleně pěstovanou biomasou optimální obsah sušiny v reaktoru je 25-30 %

Závěry 2 digestát z jednostupňové digesce podsítné frakce obsahuje 40-50 % spalitelných látek v sušině (spalné teplo 7-9 MJ kg-1 sušiny) obsahuje významná množství rizikových prvků a hlavně Fe může obsahovat různé patogenní mikroorganismy (Enterokoky, Clostridium perfingens, …) objem digestátu je o 20-30 % nižší než objem podsítné frakce pro uložení na skládku je nezbytné digestát stabilizovat a) anaerobně v dofermentoru b) aerobně v technologii EWA (spolu se strukturní biomasou) testovací plodiny snesly 10 % digestátu v zálivce prototyp bioreaktoru GEWA prozatím nezvládá pracovat v tuhou vsázkou jako optimum se jeví polotekutá vsázka při sušině 25-30 % pilotní jednotka BPS je aktuálně ve vývoji

Poděkování: Projekt TA ČR EPSILON č. TH01030513 „Výzkum vysoko-sušinové (suché) anaerobní kodigesce organické frakce směsného komunálního odpadu s dalšími bioodpady a vývoj (semi)kontinuálně pracující kontejnerové bioplynové stanice se systémem převrstvování vsázky“ (2015 – 2017). Projekt MŠMT ČR Národní program udržitelnosti I č. LO1208 „Teoretické aspekty energetického zpracování odpadů a ochrany prostředí před negativními dopady“ (2014 - 2018).

DěkujI za pozornost