Technologie anaerobní digesce

Popis anaerobní digesce z praxe

Organické látky požadované kvality a množství jsou shromážděny v zásobnících. Dle výsledků laboratorních rozborů se stanoví poměr míchání jednotlivých odpadních materiálů tak, aby anaerobní digesce proběhla co nejintenzivněji. Po provedení biotechnologických rozborů se materiály upravují na požadovanou vlhkost, obsah sušiny, organické látky, pH apod. Poté se provádí homogenizace v homogenizační jednotce a pasterizace v pasterizační jednotce. Vlhkost se snižuje zahušťováním za pomoci odstředivek a usazovacích nádrží. Proces zahušťování urychlí přidané flokulanty a koagulanty. Vznikne surový směsný kal, který putuje do fermentoru, kde proběhne anaerobní stabilizace prvního stupně. Pomocí přepadu se následně dostane do fermentoru, druhého stupně stabilizace. Z těchto dvou fermentorů je jímán bioplyn a digestát. Bioplyn se uchovává ve speciálním zásobníku.

Celý objekt pro umožnění využití procesu anaerobní digesce je postaven tak, aby fungoval kontinuálně. Pomáhá tak zajišťovat přepad mezi fermentorem pro stabilizaci prvního stupně a fermentorem pro stabilizaci druhého stupně. Fermentory se nikdy nevypouští, pouze v případě poruchy, např. překyselení obsahu fermetoru, nebo zjištění přítomnosti inhibujících látek. Překyselení může nastat i během několika málo hodin, je proto nutné neustále odebírat vzorky z fermentorů a kontrolovat, zda je obsah v pořádku. Pokud by k překyselení došlo, musí se fermentor vypustit a vyčistit, což by způsobilo nežádoucí časové ztráty a nadměrné nahromadění vstupních materiálů.

Mikroorganismy přítomné při anaerobní digesci

Mikroorganismy se dělí z hlediska využívání kyslíku na anaerobní a aerobní. Anaerobní mikroorganismy nevyžadují k rozkladu organických látek kyslík. Naopak aerobní mikroorganismy kyslík potřebují.

Dále lze dělit mikroorganismy z hlediska fáze procesu anaerobní digesce, ve které naleznou své uplatnění při rozkládání a jaké druhy materiálu zpracovávají a jaké produkty produkují. Jsou to například methanogenní bakterie, které lze dále dělit na acetotrofní a hydrogenotrofní. Další skupinou, která se může a měla by se vyskytovat v methanogenní fázi jsou minoritní skupiny mikroorganismů (sulfátreduktanty a nitrátreduktanty), jež produkují síru a dusík.

Mikroorganismy využívající anaerobní digesci

Z bakterií se nejčastěji při anaerobní digesci vyskytují rody Pseudomonas, Flavobacterium, Chromobacterium, Azotobacter, Micrococcus, Arthrobacter, Acinetobacter, Mycobacterium aj. V menším množství mohou být přítomny také houby, plísně či kvasinky. Pravidelně bývají přítomny i bakterie nitrifikační Nitrosomonas a Nitrobacter. Přítomnost vláknitých mikroorganismů je běžná, ale pokud se přemnoží, způsobí technologické potíže projevující se špatnými usazovacími a zahušťovacími vlastnostmi kalu. Z vyšších organismů jsou pravidelnou součástí aktivovaného kalu různá protozoa, vířníci, hlístice aj. Z prvoků jsou nejvíce zastoupena Peritricha (cca 33%). Prvoci indikují stav aktivovaného kalu. Jsou v něm přítomny, protože v něm nacházejí bohatou stravu.

Patogenní mikroorganismy

Hlavním zdrojem patogenních mikroorganismů jsou exkrementy infikovaných lidí a zvířat v čistírenských kalech. Mezi patogenní organismy, které se mohou vyskytnout v odpadních vodách, patří zejména viry, př. hepatitida A, bakterie Salmonella, Escherichia coli, protozoa a parazitičtí červi.

Protozoa:

Escherichia coli:

Hlístice:

Bakterie methanogenní fáze

Bakterie methanogenní fáze lze rozdělit na pouze hydrogenotrofní nebo pouze acetotrofní, podle specifiky substrátu, který rozkládají. Působením acetotrofních methanogenních bakterií, které rozkládají kyselinu octovou na směs methanu a CO₂, vzniká více než 2/3 methanu v bioplynu. Ve srovnání s druhou skupinou pomaleji rostou (generační doba několik dní). Hydrogenotrofní methanogenní bakterie produkují methan z CO₂ a H₂. Rostou poměrně rychleji, jejich generační doba je cca 6 hodin. V anaerobním procesu působí jako samoregulátor. Odstraňují z procesu vodík, jehož koncentrace by měla být při dobré činnosti organismů minimální. Vodíkem jsou nejvíce ovlivňovány acetogenní bakterie rozkládající kyselinu propionovou a máselnou. Pro tyto organismy je přítomnost hydrogenotrofních organismů životně důležitá.

Methanové bakterie jsou nejdůležitější metabolickou skupinou procesu methanizace. Tyto bakterie převádějí konečné produkty obsahující uhlík do plynné fáze a tím zakončují metabolický řetězec anaerobního rozkladu organických látek. Methanogenní bakterie ve své buněčné stěně neobsahují murein. Mají charakteristické složení 16S – RNA a unikátní složení lipidů cytoplasmatické membrány. Jsou fylogeneticky příbuzné s nejprimitivnějšími organismy na počátku života na zemi. Vyžadují pro svůj růst nízký redoxní potenciál (okolo 330 mV), protože na počátku života na zemi bylo životní prostředí extrémně redukční.

Na základě tvorby methanu z různých známých substrátů bylo zjištěno, že pomocí těchto bakterií je energeticky nejméně výhodná reakce tvorby methanu z kyseliny octové. Na rychlost produkce methanu a na růstovou rychlost methanogeneze mají vliv rozdílné energetické výtěžky reakcí. Při růstu na kyselině octové je generační doba methanogenních bakterií 2 až 10 dní. Při růstu na vodíku s oxidem uhličitým je generační doba těchto bakterií 9 až 24 hodin. K inhibici využívání kyseliny octové může dojít v případě přítomnosti energeticky výhodných substrátů s obsahem vodíku a methanolu.

V případě že porovnání kinetickou spotřebu energie kyseliny octové a vodíku zjistíme, že maximální růstová rychlost je 5 – 10 krát vyšší při spotřebě vodíku než kyseliny octové. Afinita ke kyselině octové je asi 10 krát nižší než k vodíku, záleží na druhu methanogenu.

Anaerobní čistírenské technologie

Stabilizace kalů v anaerobních reaktorech, anaerobní čištění odpadních vod, jsou více než sto let zdokonalovány. Jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňující hospodárný provoz zařízení zpracovávajících kal, využívajících anaerobní digesci je koncentrace zpracovávaného kalu. Z toho důvodu je především kal před vstupem do reaktoru zahušťován za pomoci gravitačního zahušťování – strojně (např. zahušťovací odstředivky, sedimentační nádrže apod.). Zahušťování kalu způsobí zvýšení intenzity procesu anaerobní digesce. Se zahušťováním souvisí další z významných intenzifikačních kroků – dezintegrace buněk aktivovaného kalu. Buněčný lyzát, který je při dezintegraci buněk vypouštěn, působí jako katalyzátor anaerobní digesce.

Lyzační zahušťovací odstředivka

Lyzační odstředivka slouží k dezintegraci buněk v přebytečném aktivovaném kalu, tady k narušení buněčných stěn a membrán. Tímto se zvyšuje účinnost anaerobní digesce. Po této dezintegraci z buňky vyteče buněčný lyzát, který slouží jako katalyzátor anaerobní methanové fermentace. Buněčný lyzát je uvolněný obsah buněk mikroorganismů následkem dezintegrace. Proces probíhá přirozenou cestou (autolýzou) u všech odumřelých buněk, nebo pomocí hydrolytických enzymů. Přítomnost buněčného lyzátu způsobuje stimulaci anaerobní fermentace. Zvýší se tím rychlost procesu, prohloubení rozkladu organických látek a tomu odpovídající zvýšení produkce bioplynu. Zároveň klesne produkce stabilizovaného kalu, čímž se sníží náklady na jeho likvidaci.