Problematika řízení a kontroly bioplynových stanic

Úvod

Anaerobní rozklad organických látek je souborem několika procesů, které jsou v dynamické rovnováze. Změna jednoho vyvolá odezvu u ostatních procesů. Každá změna některého z dílčích procesů může být příčinou celkové nestability procesu metanizace. Mezi hlavní faktory způsobující nestabilitu procesu metanizace patří:

  • změny teploty procesu,
  • změny v zatížení organickými látkami,
  • změny ve složení a vlastností zpracovávaného materiálu,
  • hydraulické přetížení,
  • expozice toxickými látkami.

O stavu a průběhu procesu nám vypovídá řada veličin, které můžeme analytickými nebo biologickými metodami sledovat. Takto získané veličiny nazveme „proměnné“ a slouží ke kontrole a řízení procesu. Podle toho k jakým účelům tyto proměnné použijeme můžeme je rozdělit do dvou hlavních skupin:

  • proměnné pro řízení procesu
  • indikátory stavu procesu - diagnostické veličiny

Proměnné veličiny pro řízení procesu

Proměnné veličiny pro řízení procesu - jsou takové veličiny, jejichž změnou můžeme ovlivňovat průběh procesu. Mezi tyto veličiny patří kontrola a regulace teploty, je to proměnná, která je nejlépe technicky zvládnuta v oblasti měření i regulace a zpravidla nezpůsobuje problémy při řízení procesu. Další významnou proměnnou je zatížení reaktoru, tj. dávkování substrátu do reaktoru a jeho regulace. Zatížení reaktoru spolu se složením substrátu je nejvýznamnější proměnnou, kterou můžeme ovlivňovat průběh procesu. Třetí proměnnou je dávkování chemikálií, využívá se při doplňování nutrientů a k úpravě neutralizační kapacity reakční směsi.

Indikátory stavu procesu

Indikátory stavu procesu - charakterizují průběh dílčích procesů a nebo celkový průběh procesu anaerobního rozkladu. Tyto veličiny mohou charakterizovat plynnou, kapalnou nebo pevnou fázi reakční směsi.

V plynné fázi sledujeme: množství produkovaného bioplynu, složení bioplynu - obsah CH4, CO2, H2, CO, H2S. Složení bioplynu se stanovuje nejčastěji plynovou chromatografií, produkce se stanovuje objemově nebo měřením tlaku.

V kapalné fázi sledujeme následující proměnné: pH, celkovou koncentraci mastných kyselin, jednotlivé mastné kyseliny, kyselinovou a zásadovou neutralizační kapacitu, CHSK, celkový organický uhlík, rozpuštěné látky celkové, organické i anorganické (solnost), koncentraci nutrientů a jiných specifických látek, oxidačně-redukční potenciál.

V tuhé fázi sledujeme: koncentraci suspendovaných látek a jejich organickou frakci, koncentraci organického dusíku (často slouží jako měřítko množství biomasy), sedimentační a filtrační vlastnosti suspendovaných látek, další specifické metody jsou používány pro sledování aktivity biomasy.

Vzhledem ke komplexnosti anaerobních rozkladných procesů musí být sledován celý komplex proměnných, neexistuje jediná proměnná, která by samostatně charakterizovala průběh procesu. Nelze jednoznačně předepsat, které z uvedených proměnných musíme sledovat a jaká má být četnost sledování. To záleží na konkrétních podmínkách provozu, zejména na druhu zpracovávaného znečištění, typu reaktoru, jeho zatížení a způsobu provozu, na stabilitě funkce reaktoru a v nemalé míře na zkušenosti řídícího personálu.

Význam a důležitost některých proměnných.

Produkce bioplynu

Produkce bioplynu je často jediným sledovaným parametrem. Nepopisuje stav procesu, ale pouze jeho výsledek a to pouze v korelaci s množstvím přivedených organických látek do reaktoru a se složením bioplynu.

Koncentrace CH4

Koncentrace CH4 v bioplynu také není pravým indikátorem stability procesu, je spíše bilančním prvkem. Množství produkovaného metanu musí být v relaci s přiváděným zatížením.

Koncentrace CO2 v bioplynu.

Vypovídací hodnota tohoto indikátoru stability procesu nemá vždy stejnou váhu. Podstatně citlivějším indikátorem stability procesu je poměr koncentrace CH4 a CO2. Poměr CH4/CO2 je dán charakterem organických látek v přítoku a při stabilním provozu se příliš nemění. Zvyšování koncentrace CO2 v bioplynu souvisí se zvýšeným zatížením a vyčerpáním neutralizační kapacity. Nejnižší poměr CH4/CO2 v bioplynu mají sacharidické substráty a je blízký jedné, jeho náhlé snížení indikuje nestabilitu procesu.

Koncentrace vodíku

Koncentrace vodíku v bioplynu patří mezi nejcitlivější indikátory stability procesu. Obecně lze konstatovat, že objevení se vodíku v bioplynu prakticky vždy signalizuje nestabilitu procesu.

Sledování pH

Tuto proměnnou nelze považovat za příliš citlivý indikátor stavu procesu. Monitorování pH a jeho regulace jsou nejvíce opodstatněné pro sledování reaktorů zpracovávající substráty, které při svém rozkladu nevykazují dostatečnou neutralizační kapacitu. Je známo, že pH je velice důležitým parametrem procesu, avšak za předpokladu dobrého míchání v reaktoru je regulace pH v přítoku irelevantní, zvláště jestli je nízké pH přítoku způsobeno přítomností organických kyselin. Rozhodující je vždy pH v reaktoru a pro jeho stabilitu je rozhodující neutralizační kapacita reakční směsi.

Neutralizační kapacita

Neutralizační kapacita reaktoru je tvořena hydrogenuhličitanovým systémem a je nejdůležitějším fyzikálně-chemickým faktorem pro udržení stability procesu.

Význam nižších mastných kyselin při řízení procesu

Nižší mastné kyseliny patří mezi jeden z nejcitlivějších indikátorů stavu (stability) procesu. Podstatně větší vypovídací hodnotu má sledování koncentrace jednotlivých mastných kyselin než celkové sumy mastných kyselin. Mezi nejdůležitější patří kyselina octová, kyselina propionová a kyselina máselná. Tyto proměnné indikují metabolickou aktivitu dvou nejcitlivějších skupin mikroorganismů a to vodík produkujících acetogenů a acetotrofních metanogenů. Akumulace mastných kyselin v systému ukazuje na nerovnováhu mezi aktivitou mikroorganismů produkujících a rozkládajících mastné kyseliny, což je typickým znamením stresové situace v anaerobním reaktoru. Mnoho autorů se snažilo kvantifikovat koncentraci individuálních mastných kyselin při které dochází k destabilizaci procesu. Avšak, již z povahy procesu vyplývá a bylo to experimentálně i v praxi potvrzeno, že není možné obecně definovat limitní koncentrace mastných kyselin indikující stabilitu nebo nestabilitu procesu. Maximální koncentrace mastných kyselin, při které lze anaerobní proces udržet v ustáleném stavu, závisí na celé řade faktorů zahrnující složení substrátu, podmínky vlastní fermentace (zatížení, doba zdržení, teplota, neutralizační kapacita, adaptace biomasy, pH) a technologické uspořádání (jednostupňová nebo vícestupňová fermentace, biomasa ve formě suspenze, granulí nebo biofilmu, hydraulické uspořádání reaktorů). Náhlé změny technologických podmínek zejména teploty a zatížení způsobují následné zvýšení koncentrace všech mastných kyselin. Nebezpečí tohoto zvýšení závisí na jeho velikosti a na „volné výkonnostní“ kapacitě systému. Je-li systém na hranici své výkonnosti, pak i po malém zvýšení koncentrace mastných kyselin může nastat až kolaps systému.

Maximální koncentrace mastných kyselin v reaktoru, která ještě nezpůsobí zhroucení metanizačního procesu závisí na velikosti neutralizační kapacity tj. na koncentraci hydrogenuhličitanů v reakční směsi. Za citlivý indikátor stability procesu se pokládá poměr koncentrace mastných kyselin k neutralizační kapacitě (MK/KNK4,5). Tento faktor se stále doporučuje pro sledování a řízení procesu anaerobní stabilizace kalů.

Strategie řízení procesu

Pro řízení procesu anaerobního rozkladu organických látek neexistuje jednotná nebo obecná strategie, aplikovatelná na všechny případy. Pro každý případ musí být strategie řízení vypracována samostatně.

Prvním krokem vypracování strategie procesu je volba reakční teploty. Je však nutno připomenout, že náhlá změna teploty (snížení nebo zvýšení) může významně narušit stabilitu procesu a způsobit zhroucení procesu. Proto je důležitá spolehlivá regulace teploty. Regulace teploty procesu obvykle nepůsobí provozní potíže, proto případy nestability procesu vyvolané změnou teploty jsou nejčastěji důsledky nějaké havárie (např. porucha regulace teploty, porucha na systému vytápění a pod.).

Prakticky jediné dvě proměnné, kterými můžeme řídit průběh procesu jsou: rychlost dávkování substrátu (zatížení reaktoru) a dávkování chemikálií. U dávkování chemikálií se většinou jedná o dávkování alkálie k obnovení nebo udržení potřebné neutralizační kapacity. Strategie řízení procesu založená na dávkování chemikálií neřeší vlastní příčinu nestability procesu (přetížení nebo intoxikace), ale pouze se snaží obnovit optimální podmínky, především pH a neutralizační kapacitu. Na druhé straně strategie založená na řízení zatížení, může snížením přítoku substrátu nebo jeho úplným zastavením odstranit pravé příčiny nestability procesu.

V praxi se nejčastěji spojují obě strategie řízení procesu a to tak, že v první řadě je proces řízen dávkováním chemikálií, tj. udržováním dostatečné neutralizační kapacity a pouze v případě, že proces je na hranici stability (hrozí zhroucení procesu), nastupuje strategie řízení zatížením, tj. snížení přítoku. Tato strategie je výhodná i z ekonomického hlediska - minimalizuje potřebu velkých vyrovnávacích nádrží. Řízení procesu regulací zatížení je založeno na kontrole rychlosti přítoku substrátu a jeho koncentrace, eventuálně složení. Když hrozí překročení požadovaného zatížení (vysoká rychlost přítoku, vysoká koncentrace, nebo přítomnost toxických látek v přítoku) nebo při začínající nestabilitě procesu, část přítoku se odvede do vyrovnávací nádrže, odkud se po konsolidaci podmínek řízeně přidává k přítoku do reaktoru. Jednodušším řešením je předřadit dostatečně velkou vyrovnávací nádrž, která by srovnala výkyvy v množství a v koncentraci přítoku. Z této nádrže je pak dávkována homogenní směs do reaktoru. Při tomto uspořádání a při relativně dlouhé době zdržení ve vyrovnávací nádrži může již zde dojít k acidifikačním procesům, s čímž se musí počítat při návrhu strategie provozu metanizačního reaktoru.

Zatížení můžeme regulovat kontrolou rychlosti přítoku, ale indikace správného zatížení se děje ve většině případů sledováním (monitorováním) pouze jediné proměnné a to produkce bioplynu. Operátor řídí proces na základě znalostí o produkci bioplynu a podle toho rozhoduje o možnosti zvyšování zatížení. Hovoříme o extenzívním řízení procesu. Proces je udržován při nízkém zatížení, aby se chránil před přetížením nebo jiným nepříjemným překvapením. Při takovém řízení se celý proces nachází v suboptimálních podmínkách a mikroorganismy se nacházejí v útlumovém stavu. Při intenzivním způsobu řízení se udržuje zatížení podle produkce bioplynu těsně pod bodem přetížení. Vzhledem k tomu, že produkce bioplynu je málo citlivá proměnná a reaguje s určitým zpožděním, hrozí neustále narušení rovnováhy až zhroucení systému.

V obou případech je řízení založeno na empirii, na znalosti výtěžnosti bioplynu ze zpracovávaného substrátu, a ne na znalostech stavu procesu a nemožno tudíž včas reagovat na eventuelní porušení rovnováhy procesu.

Optimálním způsobem řízení je řízení založené na vyhodnocování více proměnných udávajících maximální množství informací o stavu procesu, o aktivitě biomasy, tak aby byly zaznamenány již první náznaky narušení dynamické rovnováhy procesů uvnitř reaktoru. Vedle množství a kvality přiváděného substrátu (složení, pH apod.) je potřebné také soustavně vyhodnocovat stav procesu. Z výše uvedených indikátorů to mohou být: teplota, pH, jednotlivé mastné kyseliny, poměr CH4/CO2. Pouze na základě kontinuálního vyhodnocování uvedených proměnných a z přihlédnutím k dalším proměnným, sledovaných v pravidelných intervalech, lze dosáhnout spolehlivého provozu intenzivního anaerobního procesu.

Obecné aspekty zapracování reaktorů.

Zapracování je prakticky nejdůležitější fází provozu anaerobního reaktoru. Na něm závisí doba, za kterou je dosaženo ustáleného stavu provozu a v neposlední řadě i stabilita a účinnost provozu.

Zapracování zahrnuje tyto důležité fáze:

  • adaptaci biomasy na daný substrát a dané podmínky,
  • imobilizaci biomasy v biofilmu nebo agregaci pro biofilmové reaktory a reaktory UASB,
  • nahromadění (akumulaci) takového množství aktivní biomasy, aby reaktor byl schopný zpracovávat požadované zatížení.

Existují určitá specifika pro zapracování různých typů reaktorů, avšak většina kritérií platí obecně.

Rychlost zapracování závisí na:

  • kvalitě a množství inokula. Čím větší množství inokula je k dispozici, tím rychleji proběhne zapracování,
  • rychlosti adaptace mikroorganismů inokula na daný substrát. Zde záleží na druhu, povaze a koncentraci organického znečištění i na druhu a koncentraci ostatních látek přítomných v zpracovávaném materiálu (na možnosti inhibice nebo toxického působení),
  • rychlosti růstu metanogenních mikroorganismů. Nízké růstové rychlosti acetotrofních metanogénů jsou ve většině případů limitujícím faktorem úplného rozkladu substrátů. Proto je žádoucí vést zapracování za optimálních růstových podmínek acetotrofních metanogénů
  • rychlosti vyplavování mikroorganismů odtokem. Z tohoto důvodu je nutno maximálně zabránit ztrátám zejména metanogénů odtokem, a to důkladnou separací biomasy a vracením do reaktoru nebo zadržováním biomasy v reaktoru (recirkulace biomasy, použití reaktorů s biomasou v biofilmu nebo s granulovanou biomasou, použití membránových reaktorů).

Množství inokula bezprostředně ovlivňuje dobu zapracování. Výjimkou jsou reaktory pro stabilizaci prasečí a hovězí kejdy nebo hnoje. Tyto materiály ve většině případů nepotřebují inokulum. Zažívací trakty hospodářských zvířat zvláště přežvýkavců obsahují hojné množství anaerobních a speciálně metanogenních mikroorganismů.

Nejlepším měřítkem správné rychlosti zatěžování je koncentrace těkavých mastných kyselin v reaktoru, produkce bioplynu a účinnost rozkladu. Produkce bioplynu musí odpovídat přivedenému zatížení a účinnosti rozkladu, koncentrace mastných kyselin má zůstat na požadované hodnotě. Doporučovaná hodnota koncentrace těkavých mastných kyselin v průběhu zapracování se pohybuje v rozmezí 6 až 16 mmol/l. To znamená, že zvyšování zatížení musí být postupné, tak aby byla dodržena požadovaná účinnost rozkladu a nebyla překročena stanovená koncentrace těkavých mastných kyselin.

Po zapracování anaerobních reaktorů je strategie řízení provozu zaměřena na udržení stability provozu, tj. udržení dynamické rovnováhy všech probíhajících procesů. Velmi důležitým faktorem stability provozu reaktoru je vysoká koncentrace aktivní biomasy. V množství biomasy je jediná rezerva možnosti rychlého zvýšení výkonnosti reaktoru při náhlém přetížení.

Možné poruchy procesu a jejich odstraňování.

Nestabilita procesu tj. takové narušení dynamické rovnováhy, které vede až k zhroucení procesu může nastat z mnoha důvodů. Z technologického hlediska hlavními příčinami poruch může být:

  • 1. Náhlá změna teploty - V kapalné fáze se zvyšuje koncentrace mastných kyselin vedle kyseliny octové se značně zvyšuje koncentrace kyseliny propionové a máselné, v bioplynu se zvyšuje obsah CO2 a může se objevit i vodík. Při poklesu teploty zpomalí se více činnost metanogénů než acidogenů, výsledek je obdobný jako v předchozím případě. Náprava: stabilizace teploty na původní hodnotu, udržování potřebné neutralizační kapacity. Náprava je možná v případě, že teplota nedosáhla hodnoty při níž dochází již k denaturaci bílkovin a enzymů.
  • 2. Vysoké koncentrace amoniaku. Vysoká koncentrace nedisociované formy amoniaku může působit inhibičně až toxicky na tvorbu metanu (bioplynu). Stává se to především při zpracovávaní bílkovinných substrátů nebo koncentrovaných exkrementů hospodářských zvířat, kdy koncentrace amoniaku dosahují 4 a více gramů na litr. Tato inhibice je nevratná. Inhibici amoniakem lze do určité míry zamezit nebo zmírnit postupnou adaptací biomasy, účinnější je však kofermentace substrátů s nízkým a vysokým obsahem dusíku.
  • 3. Přetížení organickými látkami - odezva procesu jako v předchozím případě. Náprava: odstranění přetížení a udržování potřebné neutralizační kapacity.
  • 4. Přetížení hydraulické - zkracuje dobu zdržení a může způsobit vyplavení části biomasy. Zkrácená doba zdržení nemusí stačit k proběhnutí celého procesu rozkladu. Snížení množství biomasy vede k jejímu přetížení organickými látkami a odezva může být jako v posledním případě. Náprava: odstranění přetížení, kontrola neutralizační kapacity a množství biomasy.
  • 5. Intoxikace přítokem - odezva reaktoru bude záviset na koncentraci, době expozice a na druhu toxického činidla. Náprava: odstranit toxickou látku - nejlépe propláchnutím reaktoru a urychleně provést diagnosu (zjistit zda jsou zasaženy všechny skupiny mikroorganismů nebo jen některé).
  • 6. Změna pH přítoku v důsledku přítomnosti kyselin nebo zásad. Odezva reaktoru závisí na velikosti neutralizační kapacity. Náprava: neutralizovat přítok, eventuálně zajistit potřebnou neutralizační kapacitu reaktoru.
  • 7. Vyplavení biomasy z reaktoru - odezva jako při přetížení procesu. Náprava: podle množství uniklé biomasy - snížení zatížení, doplnění biomasy nebo nová inokulace.

Ve většině případů je narušení rovnováhy nebo až porucha procesu následkem a ne prvotní příčinou. Příčinou obyčejně bývá selhání, porucha nebo havárie některé z technologických komponent zajišťujících provoz reaktoru. Například porucha čerpadla, prasklé potrubí, porucha vytápění, špatně fungující neutralizace a pod. Častou příčinou poruchy procesu je i technologická nekázeň.

Pro prevenci závad v procesu je velmi důležité správné sledování procesu, správná volba indikátorů stability a správné a pečlivé provedení příslušných analýz. Velmi často se v provozních reaktorech vyskytují závady způsobené špatnou funkcí některého čidla (např. při snížení hladiny v reaktoru, pH, nebo některé on-line metody) nebo nesprávným odběrem vzorků, např. z nesprávného místa, nesprávný způsob odebrání a pod.. Z nejčastějších dalších technicko-provozních poruch vyskytujících se v praxi nutno zmínit dvě - pěnění reaktorů a ucpávání potrubí.

Pěnění

Pěnění v anaerobních reaktorech je obecně spojeno s velikostí povrchového napětí kapalné fáze a hydrofobicitou buněk jednotlivých druhů mikroorganismů v biomase reaktoru. Například většina acidogenních mikroorganismů je hydrofilní, naproti tomu většina acetogenů a metanogény jsou hydrofobní. Hydrofobicita směsné kultury v reaktoru pak závisí na vzájemném poměru hydrofilních a hydrofobních mikroorganismů, ten závisí na technologických podmínkách (doba zdržení kapaliny a biomasy, zatížení, teplota, druh reaktoru apod.) a na druhu a složení substrátu. Pěnění může být způsobeno přímo přítomností průmyslově vyráběných a používaných tenzidů a nebo je způsobené přítomností povrchově aktivních látek produkovaných některými mikroorganismy tzv. biotenzidy. V prvním případě je náprava možná odstraněním příslušného tenzidu, nahrazením jiným typem, nebo přidáním tenzidu opačné polarity. V případě biologického pěnění je situace komplikovanější a neexistuje zatím spolehlivá jednoduchá metoda pro jeho zvládnutí.

Mezi nejvážnější provozní problémy, které pěnění způsobuje patří: vyřazení z činnosti míchání bioplynem, zanesení plynového potrubí, utíkání pěny okolo plovoucího stropu nádrže, „zavzdušnění“ cirkulačních čerpadel, obrácená stratifikace biomasy v reaktoru, to vše má za následek snížení účinnosti anaerobního rozkladu a tím i snížení produkce bioplynu.

Ucpávání potrubí

Ucpávání potrubí u reaktorů pro stabilizaci kalů, kejdy a tuhých odpadů je často způsobeno mechanicky - např. zvířecí chlupy a různá vlákna tvoří klky, které spolu s jinými pevnými částicemi ucpávají potrubí.

Další příčinou ucpávání potrubí a eventuelně náplně v reaktorech pro čištění odpadních vod je inkrustace, tj. vysrážení nerozpustných solí. Inkrusty jsou většinou tvořeny CaCO3 (zvláště když se k udržování neutralizační kapacity používá vápno), CaSO4, Ca3(PO4)2, Fe3PO4 a MgNH4PO4.

Náprava: co nejkratší a rovné spojovací potrubí s možností mechanického čištění; nepoužít k neutralizaci Ca(OH)2.

Velmi nebezpečná je tvorba MgNH4PO4. Je to nerozpustná krystalická látka, která se usazuje na stěnách potrubí za anaerobním reaktorem. Inkrusty MgNH4PO4 jsou velmi pevné a mechanicky se nedají odstranit, lze je uvolnit okyselením nebo zahřátím. Účinnější je však prevence. Tam kde hrozí tvorba MgNH4PO4 je vhodné dávkovat do směsi odcházející z reaktoru roztok FeCl3 Tato porucha se velmi často vyskytuje v oblastech, kde voda obsahuje vyšší koncentrace Mg++ - např. v Kalifornii. U nás byla pozorována pouze na některých bioplynových stanicích zpracovávajících prasečí kejdu.

Vypracováno v rámci grantu GAČR č. 104/05/0798.

Předneseno na Mezinárodní konferenci BIOPLYN 2007, 23.-24.4.2007 v Českých Budějovicích, , GAS s.r.o., Praha 2007

Autor: Michal Dohányos

 
 

Newsletter

Inzerce