Potencial, ki še zdaleč ni izkoriščen – EOL 58

1 Uvod

Današnja stopnja družbenega razvoja ter tehnološke razvitosti civilizacije povzroča s svojim načinom življenja vse več odpadkov različnih vrst, kjer so biorazgradljivi organski odpadki prevladujoči po količini. Želja in potreba po čistem okolju za življenje in posledično težnja k vse večji sonaravnosti so nam v zadnjih desetletjih dale zakonodajo, ki prepoveduje običajno odlaganje biorazgradljivih odpadkov na deponije ter zapoveduje bolj skrbno in sonaravno ravnanje s temi odpadki. Tako se je v tem času razvila vrsta postopkov, ki lahko s prilagoditvijo v naravi obstoječih procesov primerno predela biorazgradljive odpadke v uporabne sekundarne surovine in energente.
V zadnjih desetletjih se je za predelavo organskih odpadkov močno uveljavil anaerobni proces biološke stabilizacije, ki počasi izrinja kompostiranje. Z anaerobnim procesom se da stabilizirati, higienizirati in mineralizirati organske snovi hkrati s pridobivanjem bioplina, ki je zelo dober energent iz obnovljivih virov (kurilna vrednost okoli 30 MJ/Nm³).

2 Anaerobna predelava

Organski material naravnega izvora se razgradi s pomočjo mikroorganizmov v odsotnosti kisika oz. zraka, torej v anaerobnih razmerah. Poglavitna prednost tega postopka je pridobivanje energetsko bogatega bioplina in odsotnost emisij smradu v zrak, omejitev pa je zelo slaba biorazgradnja celuloze in lignina (komponent lesne biomase).
Anaerobna biorazgradnja (oz. anaerobno vrenje, digestija) se uporablja za obdelavo organsko bogatih biorazgradljivih odpadkov z visoko koncentracijo organskih snovi. Največkrat gre za anaerobno obdelavo odpadnega aktivnega blata komunalnih ali industrijskih bioloških čistilnih naprav, organskih odpadkov iz kmetijstva, živalskih stranskih proizvodov (gnojnica), namensko gojenih rastlinskih kultur (koruzna, travna silaža) in komunalnih odpadkov (ločeno zbranih biorazgradljivih komunalnih odpadkov) in drugih ostankov iz gospodinjstev, živilske in farmacevtske industrije, klavnic ter košnje in obrezovanja rastlin. Razkroj poteka s pomočjo naravnih razkrojnih mikroorganizmov, kot so bakterije, glive in plesni. V tehničnem merilu proces poteka v zaprtih napravah, ki se imenujejo digestorji oz. fermentorji.
Prav pridobivanje bioplina je ena izmed velikih prednosti postopka kontrolirane anaerobne predelave odpadkov. Postopek hkrati rešuje problem stabilizacije razgradljivih organskih odpadkov in proizvaja metan, ki je dober energent. Na ta način lahko na državnem nivoju doprinesemo k zmanjševanju toplogrednih plinov in doseganju ciljev 20-odstotnega deleža obnovljive energije do leta 2020. Ena tona organske snovi v komunalnih odpadkih lahko v anaerobnem postopku sprosti do 450 m³ metana, kar da 4.500 kWh energije.

3 Tehnologija anaerobne predelave

V konvencionalnih postopkih digestije se vhodne surovine pripravljajo v tekočem stanju, zaradi lažjega manipuliranja. Ker so komunalni organski odpadki v trdnem stanju, se zdrobijo in pomešajo z različnimi surovinami v tekočem stanju, npr. odpadno vodo, nedehidriranim odpadnim blatom ali gnojevko. Reciklaža procesne vode po anaerobni predelavi ni zmeraj mogoča zaradi možnih učinkov koncentriranja določenih hranil (tipično dušika), kar lahko ima posledično tudi zaviralne učinke na anaerobni proces. Še posebej je to prisotno pri živinskih gnojevkah, medtem ko komunalna blata in organski odpadki v tem pogledu običajno ne predstavljajo problemov. V tem primeru je potrebno pri vsakem posameznem objektu preučiti surovine in natančno določiti razmerja recikliranih tekočin.

V anaerobno predelavo odpadkov so običajno vključene naslednje stopnje:

1. Mehanska predobdelava. Za boljše delovanje procesa se pred obdelavo odpadkov z mikroorganizmi v procesu separacije iz odpadkov odstranijo tujki (plastika, steklo, kovine in trdni delci nad 5 cm). V nadaljevanju se odpadki zmeljejo na velikost 1–4 mm, s čimer se doseže večja homogenost, ki pripomore k boljšemu procesu anaerobne predelave. Z mletjem in mehčanjem povečamo površino za delovanje bakterij in na ta način skrajšamo čas obdelave. Mletje je lahko v tekočem stanju (z dodano vodo ali blatom), če nameravamo digestijo izvajati v tekoči fazi.

2. Anaerobna obdelava – digestija. V praksi obstaja več tehnik, ki omogočajo anaerobno predelavo organskih odpadkov. Med sabo se lahko razlikujejo glede na:
• temperaturno območje, v katerem potekajo procesi:
– mezofilne naprave delujejo na temperaturi 25–40 °C,
– termofilne naprave delujejo na temperaturi 50–65 °C;

• vsebnost suhe snovi v substratu:
– substrat tekočih sistemov vsebuje do 10 % suhe snovi,
– substrat trdnih sistemov vsebuje 10–40 % suhe snovi;

• število procesnih stopenj:
– enostopenjski (vse faze procesa se izvedejo v enem reaktorju),
– dvostopenjski (hidrolizno-kislinska in metanogena faza procesa sta ločeni).

3. Ravnanje z digestorskim ostankom. Po anaerobni obdelavi se lahko trdna faza od tekoče loči z dehidracijo in centrifugiranjem. V praksi se lahko uporabljata oba ostanka, trdni in tekoči. Trdni ostanki digestije se (lahko direktno ali po dodatnem kompostiranju) uporabijo za gnojenje obdelovalnih površin. Ker je tako gnojenje mogoče le kratek čas v letu, je potrebno imeti skladišče za digestijski ostanek, ki pa je manjše, če je ostanek trden oz. dehidriran. Voda iz dehidracije običajno vsebuje še precej organskih snovi in amonija, zato je uporaba za recikliranje (redčenje vhodnih surovin) omejena. Pred izpustom je potrebno tako vodo še dodatno obdelati, lahko v komunalni ČN, rastlinski ČN ali laguni.

4. Obdelava in uporaba bioplina. Bioplin kot glavni produkt pri anaerobni predelavi se le v redkih primerih lahko uporablja direktno brez postopkov obdelave. Bioplin poleg metana, ki ga je običajno med 55 in 75 %, vsebuje še CO2 (45–25 %), najbolj moteč H2S (0,1–2,0 %) in pa ostale pline v sledovih, kot sta H2 in amonijak. Če želimo uporabiti bioplin za kogeneracijo elektrike in toplote (30 % elektrike in 60 % toplote, ostalo izgube), kar je danes najpogosteje, je potrebno odstraniti H2S na vsebnost pod 0,1 %, za kar uporabljamo razne razžveplevalne postopke. Najobičajnejši postopek je pranje bioplina z raztopino NaOH. Če želimo uporabljati bioplin za distribucijo v omrežje zemeljskega plina, je potrebno odstraniti tudi CO2, in sicer pod mejo 5 %. To se lahko opravlja po običajnih postopkih z NaOH, novejši sistemi za to uporabljajo membrane, ostanek plina (CO2 in H2S) pa se odstrani v biofiltru, da ni emisij v atmosfero. Zadnja leta se precej razmišlja o uporabi bioplina kot materialni sekundarni surovini (sintezni plin). Za te namene je potrebno odstraniti le H2S, CO2 pa se ohrani v plinski mešanici. Cenen postopek, ki bi to omogočal, se mora šele razviti.

Slika 1: Shema predelave odpadkov v bioplin

Najpomembnejši obratovalni parameter pri osnovanju procesa je organska obremenitev. Velikokrat se obremenitev povezuje s hidravličnim zadrževalnim časom mešanice v bioreaktorju, kar ni vedno pravilno. Manjši zadrževalni čas resda pomeni višjo obremenitev, vendar igra tu koncentracija organskih snovi večjo vlogo. Mezofilni enostopenjski proces običajno zmore maksimalno obremenitev 3,5 kg organske snovi na m3 reaktorja na dan. To pa lahko zahteva zadrževalni čas od 15 do 40 dni, odvisno od koncentracije in razgradljivosti surovine. Pri konstruiranju procesa moramo upoštevati najprej organsko obremenitev in naknadno določiti ustrezen zadrževalni čas. V praksi se običajne obremenitve mezofilnega procesa gibljejo vedno med 2 in 3 kg/m3dan organske snovi. Za termofilni proces pa med 5 in 8 kg/m3dan, čeprav je za določene surovine možna obremenitev tudi 16 kg/³dan.

Anaerobna digestija v trdnem stanju

Slika 2: Shema anaerobnega procesa v trdni fazi

Kot smo že omenili, običajna anaerobna digestija poteka s tekočimi surovinami zaradi lažjega transporta in mešanja surovin. Šele zadnja leta so se pojavili procesi in tehnologije, ki digestijo izvajajo v trdnem stanju. V bistvu je tak proces nek hibrid med kompostiranjem in anaerobno digestijo. Naprave so lahko podobne kot pri valjastih kompostnikih, vendar morajo biti valji plinotesni, hkrati pa omogočati mešanje, kar zahteva precej inovativnosti. Surovine za tako digestijo so običajno v svojem prvotnem stanju in imajo med 10 in 40 % suhe snovi, potrebno je le mletje na manjše kose (približno 5 cm), kot pri kompostiranju. Pri vlažnosti, nižji od 60 %, pa je potrebno dodajati vodo, da anaerobni proces nemoteno poteka. Prednost teh procesov se kaže ravno v tem, da ni potrebna velika količina vode. Potrebna sta najmanj dva reaktorja, kjer se uporablja izcedna voda za cepitev in prenos mikroorganizmov med posameznimi šaržami. Ti procesi so bistveno bolj odporni na toksične snovi in običajne zaviralce anaerobnega procesa. Obdelava prenese bistveno višje koncentracije slanosti in dušikovih spojin kot običajni tekoči anaerobni procesi. Razlog je v tem, da je zaradi trdne snovi v primerjavi s suspenzijo kontakt med mikroorganizmi in odpadki bistveno manj intenziven (bolj počasen) in tako lahko mikroorganizmi razvijejo določeno odpornost. Ta slabši kontakt pa pripomore k temu, da so organske obremenitve manjše, zadrževalni časi pa bistveno daljši (tudi do 100 dni). Ker pa transportiramo nekajkrat manj vode, so reaktorji lahko celo manjši, kot bi bili digestorji za tekoče surovine. Trdna digestija povzroči precej manj tekočih ostankov, večinoma so to izcedki, ki se uporabijo za recikliranje tekočine ali gnojenje in nadaljnje čiščenje vode ni potrebno.

4 Zaključki in trendi

Vsi odpadki, ki vsebujejo biorazgradljive organske snovi (organski komunalni odpadki, kuhinjski odpadki, odpadki prehrambne industrije, nekateri odpadki iz živinoreje in kmetijstva …), so primernejši za pridobivanje bioplina. V primerjavi s kompostiranjem dobimo znatne količine bioplina kot energenta in tudi biognojiva enake kvalitete. Take bioplinarne so tudi energetski objekti, s katerimi lahko pripomoremo k doseganju cilja zagotovitve 20 % obnovljive energije do 2020. Vsako področje z najmanj 250.000 prebivalci bi lahko imelo bioplinarno, ki bi predelovala le biorazgradljive komunalne odpadke in odvečno komunalno blato in goščo, velikosti 1 MW inštalirane električne moči ali pa bi z biometanom nadomestila 2 mio litrov dizelskega goriva letno. S tem pa bi bilo mogoče npr. večinsko oskrbovati vozni park javnega prometa. V vsakem primeru ima tako ravnanje s komunalnimi odpadki pozitivne okoljske in ekonomske učinke.
V Sloveniji bioplinarn, ki bi se ukvarjale izključno s predelavo biorazgradljivih komunalnih odpadkov, še ni. Biorazgradljivi komunalni odpadki se zadnje leto šele uvajajo na nekaterih bioplinarnah kot dodatni substrat. Imamo pa vsaj pet naprav, kjer se v bioplin predeluje odpadno komunalno blato in bi jih s primerno nadgradnjo lahko tako predelali, da bi sprejemale tudi biorazgradljive komunalne odpadke. Večinoma se ti odpadki skušajo kompostirati, kar pa le troši energijo (za prezračevanje). Tako je po najinem mnenju v odpadkih velik potencial obnovljive energije, ki ga v Sloveniji še ne izkoriščamo, zato bi s tem prispevkom predvsem rada spodbudila energijsko učinkovitejše ravnanje z biorazgradljivimi komunalnimi odpadki povsod po Sloveniji.

Slika 3: Primer digestorja za komunalno blato