Využití sekundárních produktů v substrátové skladbě BPS

Změny legislativy, výpadky produkce cíleně pěstované biomasy a rostoucí cena objemných krmiv vede řadu provozovatelů BPS ke krokům zařazení sekundárních produktů zemědělské, zpracovatelské a potravinářské výroby do substrátové skladby BPS. Jaké možností a úskalí tento krok přináší?

V tomto roce došlo ke změně legislativy týkající se podmínky zastoupení cíleně pěstované biomasy na BPS kategorie AF1. Původní podmínka minimálního zastoupení 50 % cíleně pěstované biomasy ve vstupní sušině byla zrušena. Původní podmínka minimálního zastoupení cíleně pěstované biomasy Kategorie 1, stanovené Vyhláškou č. 477/2012 Sb., přinášela provozovatelům BPS v řadě případů nemalé problémy. V ročnících postižených suchem nebylo možné nahradit výpadek produkce objemných krmiv alternativními krmivy do takové míry, aby byl vždy dosažen požadovaný výkon BPS. Ekonomika nákupu objemných krmiv v letech s vysokou poptávkou není pro provozovatele BPS kladná a spolu se zvýšenou poptávkou ze strany ŽV nárůst cen krmiv v daný moment ještě více umocňuje.

Řešením se nabízí zařazení biomasy Kategorie 2 do substrátové skladby BPS. V prvé řadě je v tomto případě nutné respektovat Provozní řád BPS. Tento dokument je pro provozovatele závazný. Jeli Provozním řádem BPS povoleno použití biomasy Kategorie 2, nejsou legislativní omezení jejího použití. Zemědělské BPS nemohou zpracovávat biomasu Kategorie 3 – Odpadní. Pro její využití na BPS je potřeba splnit další legislativní požadavky nad rámec běžných podmínek.

Potravinářský průmysl je zdrojem širokého spektra vedlejších produktů. Ve většině případů se jedná o produkty s vysokou energetickou hodnotou. Při vyřešení způsobu skladování, dávkování a přepravy jsou levným substrátem, s vysokou stravitelností a měrnou produkcí bioplynu.

U tekutých forem je nutné zdůraznit potřebu odděleného skladování a precizního dávkování. V případě společného skladování s dalšími substráty dochází k jejich degradaci a nepřesnému dávkování, které může způsobit rozkolísání produkce bioplynu a následné snížení ekonomického přínosu neefektivním využitím substrátu.

Firmy zpracovatelského a potravinářského odvětví často nabízejí produkty s proklamovanou vysokou energetickou hodnotou a kvalitou. Stabilitu jakostních znaků je potřeba ověřovat. K tomu slouží specifikace a produktové listy dodavatele, stejně jako vlastní odběry a analýzy základních jakostních znaků.

Před zařazením uvedených produktů do substrátové skladby BPS je potřeba brát na zřetel výrazně odlišné obsahy potenciálně rizikových složek. Prvky jako Na, K, Ca, S při vysoké koncentraci ve fermentátu způsobují inhibici funkce biologie fermentačního procesu. Důsledná analýza substrátu a stanovení maximálně možné dávky je zde zcela na místě. Jedině tak lze docílit dlouhodobé stabilní fungování biologie. Dalším potenciálně rizikovým faktorem je vysoký obsah bílkovin. Rozkladem bílkovin dochází jednak k uvolnění volné síry a následně k tvorbě nežádoucího sirovodíku, ale i k zvýšené tvorbě amoniaku. Při vysokých koncentracích totiž amoniak svými účinky vytráví a silně inhibuje mikrobiální aktivitu ve fermentoru.

Inhibice amoniakem

Při biologickém dozoru je sledována koncentrace amoniakálního dusíku (N-NH₄). Existuje totiž vztah mezi obsahem amoniaku, teplotou, pH a obsahem N-NH₄. S rostoucí teplotou a pH se mění poměr mezi koncentracemi volného amoniaku (NH₃) a N-NH₄ viz Obr. 1.

S rostoucí teplotou a pH se zvyšuje obsah amoniaku a klesá obsah amonných iontů. Současně klesá produkce metanu z kyseliny octové, v důsledku inhibice metanogenů amoniakem. Negativní vliv zvýšených koncentrací amoniaku není stejný pro různé BPS. Na základě znalostí o stavu biologie a procesních parametrů je možné s vysokou přesností určit mezní koncentraci amoniaku, při které dochází k inhibici fermentačního procesu (poklesu produkce metanu).

Při vysokých koncentracích N-NH₄, ztrácí svou vypovídací hodnotu parametr Fos/Tac. Dochází k ovlivnění pufrační kapacity nárůstem hodnoty Tac a celkový poměr Fos/Tac nereflektuje případný nárůst mastných kyselin (Fos). Při vysokém obsahu N-NH₄ je na místě sledovat koncentrace jednotlivých mastných kyselin. Významné je sledovat koncentrace mastných kyselin s delším řetězcem (propionová, máselná, valerová). Inhibiční vliv těchto kyselin se na fermentačním procesu projevuje již při jejich nízkých koncentracích. Na rozdíl od předávkování fermentoru nebo nedostatku významných živin, nedochází k výraznému překyselení fermentátu, pokles produkovaného bioplynu je však velmi výrazný.

Praktický příklad inhibice amoniakem k němuž došlo na zemědělské BPS

V tabulce 1 jsou uvedeny výsledky biologického rozboru BPS s inhibicí amoniakem. Jedná se o zemědělskou BPS, jejíž krmná dávka je tvořena cíleně pěstovanými krmivy a hovězí kejdou. V zobrazeném období byla teplota ve fermentoru navýšena z 50 na 55 °C. Současně došlo k nárůstu koncentrací N-NH₄, zapříčiněné zvýšením dávky travních senáží a GPS. Stav biologie se začal zhoršovat, což se projevilo nárůstem mastných kyselin, výrazný byl nárůst u kyseliny propionové, máselné a valerové. Hodnota parametru Fos/Tac byla v celém období v optimálních hodnotách nebo mírně nadlimitní. Zde se projevilo zkreslení hodnoty Fos/Tac ovlivněné vyšším obsahem N-NH₄ a pH. Produkce metanu výrazně poklesla. V období od 1. poloviny měsíce června do konce července dosahovala produkce elektrické energie pouze 20–25 % instalovaného výkonu! Pro nápravu stavu biologie byla snížena teplota (problematické v letních měsících), zastaveno dávkování krmiv o vysokém obsahu dusíkatých látek a aplikován byl přípravek GASTIM vyvazující amoniak a eliminující jeho účinky. Následně na to došlo k poklesu koncentrací mastných kyselin a navýšení produkce metanu (elektrické energie).

Uvedený příklad jasně demonstruje specifický projev inhibice amoniakem a význam biologického rozboru pro její včasné odhalení.

Zkušenosti z provozu komunální BPS

Jako další příklad inhibičního projevu poslouží vývoj stavu biologie na komunální BPS zpracovávající jateční odpady, kejdu skotu a odpadní tuky, původně dávkovaná krev musela být vyřazena, pro problémy s jejím dávkováním a tvorbou sraženin. V substrátové skladbě není zastoupena cíleně pěstovaná biomasa.

Provozní parametry komunální BPS jsou uvedeny v tabulce 2 a 3.

Malý objem fermentoru, zvýšené organické zatížení spolu s vysoce stravitelnými substráty a absencí cíleně pěstované biomasy jsou předpokladem pro nestabilní funkci a provoz BPS. Siláže a senáže jsou v BPS nejen zdrojem energie, slouží rovněž jako životní prostor mikrobiální mikroflóry a bilancují poměr C : N. Při jejich absenci je biologie vysoce labilní.

Vývoj stavu biologie na komunální BPS je zobrazen na grafech 1, 2.

Na počátku sledovaného období byla BPS mimo provoz a dávky substrátů byly minimální, což odráží velmi nízký obsah sušiny. Analýzou byly i přes nízké zatížení fermentoru zjištěny vysoké koncentrace mastných kyselin a amoniaku ukazující na špatný stav biologie. Byl sestaven plán postupného náběhu provozu BPS za použití přípravku GASTIM-SAMON. Cílem bylo nejen „zpracovávat“ substráty, ale zároveň vyrábět kogenerací elektřinu, což při špatném stavu biologie nebylo možné. V období po 15. 4. byla započato dávkování přípravku GASTIM-SAMON (červená šipka v grafu 1), který svým komplexním účinkem eliminuje nežádoucí amoniak spolu se sirovodíkem a optimalizuje využitelnost významných stopových prvků. Přípravek slouží rovněž k rozvoji aktivity mikrobiální biomasy a navýšení jejího počtu ve fermentoru. Zlepšení stavu biologie proběhlo okamžitě po nadávkování aplikační dávky. Obsahy kyselin se snížily na únosnou mez, obsah metanu v bioplynu se navýšil do té míry, že bylo možné jeho využití na KJ. Rovněž obsah amoniakálního dusíku se snížil i přes navýšení intenzity dávkování. Pozitivní výsledky motivovaly provozovatele k dalšímu intenzivnímu navyšování dávky (prudké navýšení obsahu sušiny ve vzorku z 24. 6.). Toto se projevilo zhoršením stavu biologie, koncentrace kyselin se prudce navýšila. Poté se ovšem systém stabilizoval, kyseliny poklesly a opět fungoval dle požadavků provozovatele. Pravidelné dávkování přípravku GASTIM-SAMON umožňuje udržovat stav biologie dlouhodobě v dobrém stavu.

Závěr

Uvedené příklady BPS zemědělského a komunálního typu ukazují na případná úskalí, která jsou spojena se zpracováváním substrátu obsahujících vysoký obsah bílkovin, a kde hrozí silná inhibice amoniakem. Tyto substráty mohou pocházet ze zemědělské produkce, ve většině případů jsou ovšem tvořeny sekundárními produkty zpracovatelského a potravinářského průmyslu, představující pro provozovatele levný a snadno dostupný substrát pro BPS. Náhrada objemných krmiv těmito substráty dává možnost pokrytí surovinové základny při menším tlaku na osevní postupy a výměry cíleně pěstované biomasy.