Vynález ae týká způsobu jímání čpavku z odpadní vody po mstanové fermentaci kejdy · z exkrementů užitkových zvířat.

Kejda je splašková voda, která vzniká při čistění bezstellnových stájí splachováním vodou. Produkuje se především v chovu vepřů a skotu. Při dodržování technologické kázně ve stájích obsahuje kejda 8 % i více sušiny. Lze ji používat přímo ke hnojení polí.

Problémy s využitím kejdy vznikají ve velkochovech, např. s 10 000 ks a více praO sat nebo 1 000 ks a více skotu, které produkují asi 100 m a více kejdy denně. Ve vegetačním období není možné rozvážet kejdu na pole i 100 dnů a více a proto je třeba budovat velké zásobní nádrže. Průměrná vzdálenost rozvozu kejdy na pole od velkokapacitních chovů přesahuje 5 km a tím vznikají značné nároky na přepravní techniku a pohonné hmoty. Ve skladované kejdě dochází k částečnému rozkladu především rozpuštěných organických a dusíkatých látek. Při tomto rozkladu se neúčinně ztrácí do ovzduší jednak energie a jednak cenné dusíkaté hnojivo - čpavek. Hledají se proto způsoby zpracování kejdy, které odstraňují zmíněné problémy.

Nejjednodušší způsob zpracování kejdy spočívá v tom, že se kejda odvodní, např. v pásovém lisu, takže vznikne kompost a přefiltrovaná odpadní voda. Tu je možné vyčistit v aerobně biologické čističce. Množství kompostu představuje zhruba čtvrtinu množství kejdy. Tím se náklady na rozvoz kompostu sníží zhruba na čtvrtinu v porovnání s náklady na rozvoz kejdy. Při tomto způsobu se však nevyužije ani energie v kejdě rozpuštěných organických látek ani dusíkaté látky obsažené v přefiltrované odpadní vodě.

V dokonalejším způsobu využití kejdy se před odvodněním kejda zavádí do fermentoru, kde se udržuje za nepřítomnosti vzduchu při teplotě okolo 35 °C. Za těohto podmínek anaerobní bakterie štěpí rozpuštěné organické látky za vzniku bioplynu, tj. plynné směsi obsahující přibližně 65 % metanu a 35 % oxidu uhličitého. Průměrná doba zdržení kejdy ve fermentoru je 15 až 20 dnů. Na udržování potřebné teploty je třeba do fermentoru dodávat tepelnou energii, která se vyrábí spalováním bioplynu. Při fermentaci se odbourá tolik rozpuštěnýoh organických látek, že jejich poměr vůči dusíkatým látkám ve filtrované odpadní vodě za odvodněním je podkritický. Odpadní voda s podkritiokým poměrem uhlíkatých a dusíkatých látek se v aerobně biologické čističce dostatečně nedočistí. Poměr uhlíkatých a dusíkatých látek lze upravit nad kritickou hodnotu bučí tak, že se do odpadní vody přidává uhlíkatá látka (např. metanol), anebo se z odpadní vody odstraní část dusíkatých látek zastoupených především čpavkem, který je v odpadní vodě chemický vázán oxidem uhličitým. Druhá alternativa, jímání čpavku, je racionálnější, protože se při ní získává cenná hnojivá látka, místo aby se do procesu dodávala jiná cenná látka, která by se v aerobním dočištění rozložila.

Jímání čpavku se provádí např. tak (způsob DELEWA BĚSA), že se do filtrované odpadní vody přidává vápno, kterým se v odpadní vodě vysráží oxid uhličitý jako uhličitan vápenatý a čpavek 3e uvolní z chemické vazby. Odpadní voda s volným čpavkem se zavádí na hlavu desorpční kolony. V desorpční koloně stéká odpadní voda samospádem po výplni s velkou mezerovitostí. Protiproudně tekoucím vzduchem hnaným ventilátorem se z ní vyfouká Čpavek. Vzduch obsahující čpavek se vede do absorbéru stejné konstrukce jako je desorpční kolona, kde se čpavek ze vzduchu pohlcuje do roztoku silné kyseliny, výhodně do kyseliny fosforečné, zaváděného na vrch absorbéru. Z absorbéru vystupuje spodem kapalné hnojivo - fosforečnan amonný - a vrchem vzduch zbavený čpavku. Z vrchu absorbéru se vzduch vede do spodku desorpční kolony, takže proudí v uzavřeném okruhu. Odpadní voda se v desorpční koloně zbavuje asi 90 % čpavku a ze spodku desorpční kolony se vede do aerobně biologického dočištění. Předností způsobu DELEWA BĚSA je nízká energetická náročnost na zjištění cirkulace vzduchu desorpční kolonou a absorbérem. Nevýhodou je, že vzhledem k dobré rozpustnosti čpavku ve vodě je nutný velký průtok cirkulujícího vzduchu, oož vede k velkým rozměrům desorpční kolony

CS 274 594 B1 a absorbéru a tím i ke značným investičním nákladům. Další nevýhodou je, že se do procesu zavádí silná kyselina, tedy chemikálie, se kterou nejsou zemčdčlci zvyklí manipulovat. Doporučená kyselina fosforečná je nedostatková. Její náhrada např. dostupnou kyselinou sírovou je nevhodná, protože při hnojení 3Íranem amonným se zakyseluje půda.

Při jiném způsobu se vypuzuje z odpadní vody přímo uhličitan amonný. To lze provést za podmínek varu vodní parou. Odpadní voda se zavádí na vrch vypuzovací kolony a stéká kolonou dolů. Za podmínek varu se uhličitan amonný postupně rozkládá a složky, tj. oxid uhličitý a čpavek přechází do protiproudně tekoucí vodní páry. Parní směs se vede z vrchu vypuzovací kolony do obohacovací kolony, kde se v ní zvyšuje podíl kysličníku uhličitého a čpavku a snižuje podíl vody. Kapalina pro zpětný tok do obohaoovaoí kolony se získává částečnou kondenzací parní směsi v deflegmátoru. Z deflegmátoru vystupuje parní směs do kondenzátoru, kde kondenzuje tuhý uhličitan amonný. Předností způsobu je, že se do procesu jímání čpavku nezavádí žádná chemikálie.Vzhledem k vyšší těkavosti uhličitanu amonného při vypuzování vodní parou za podmínek varu oproti vypuzování čpavku vzduchem za normální teploty jsou u tohoto způsobu rozměry vypuzovací a obohacovací kolony několikanásobně menší než rozměry desorpční kolony u způsobu DELEWA BĚSA. Nevýhodou je, že na výrobu vodní páry potřebné k vypuzení uhličitanu amonného se spotřebuje množství tepla odpovídající téměř celé produkci bioplynu. Kromě toho se jako obtížný technický problém jeví i kondenzace tuhého uhličitanu amonného.

Způsob jímání čpavku z odpadní vody po metanové fermentaci kejdy z exkrementů užitkových zvířat podle tohoto vynálezu zachovává výhody a do značné míry odstraňuje nevýhody předchozích způsobů. Ve způsobu jímání čpavku podle tohoto vynálezu se filtrovaná odpadní voda za odvodněním nejprve zalkalizuje na pH 10 až 12,4 pro uvolnění čpavku z chemické vazby s oxidem uhličitým. K tomu účelu je nejvhodnější levné vápno. Dále srážecí reakcí s oxidem uhličitým vzniká sraženina uhličitanu vápenatého, která se snadno usazuje a přitom strhává jemné pevné nečistoty. Odpadní voda se tak částečně mechanicky dočišíuje. Zalkalizovaná odpadní voda se ve výměníku tepla předehřeje co nejblíže k bodu varu a nastřikuje se na vrch vypuzovací kolony. Ve vypuzovací koloně se odpadní voda protiproudým způsobem uvádí do styku s vodní párou. Přitom čpavek z odpadní vody přechází do vodní páry, takže se obsah čpavku v odpadní vodě snižuje. Odpadní voda se sníženým obsahem čpavku stéká ze spodku vypuzovací kolony do vařáku, kde se jí dodává teplo a vyvíjí se vodní pára s obsahem čpavku odpovídajícím jeho těkavosti a zbytkovému obsahu v odpadní vodě, Z vařáku se odčpavkovaná odpadní voda vede do výměníku tepla, kde předá teplo odpadní vodě nastřlkované do vypuzovací kolony. Přitom se ochladí a vystupuje z procesu jímání čpavku. Je možné i jiné uspořádání, kdy se vodní pára do vypuzovací kolony vyrábí z jiné vody a odpadní voda se odvádí ze spodku vypuzovací kolony, aniž by stékala do vařáku.

Vypuzování volného čpavku ze zalkalizované odpadní vody je výhodnějěí než vypuzování uhličitanu amonného, protože těkavost volného čpavku je podstatně vyšší, dvou a vícenásobně podle raolového poměru oxidu uhličitého a čpavku v roztoku, podle absolutní hodnoty koncentrace a podle teploty roztoku, viz např. Nikulin, Poljakov: Destilacija v proizvodstve sody, Goschiraizdat, Leningrad 1956; Ramm V.M.: Absorpční pochody v chemickém průmyslu, str. 298-302, SNTL, Praha 1954; Ginzburg D.M.: Žurn. prikl. chim. No. 10, 2197 (1965), než těkavost čpavku nad roztokem obsahujícím čpavek chemicky vázaný oxidem uhličitým. Množství vodní páry potřebné ke snížení obsahu čpavku na zvolenou hodnotu je tedy u zalkalizované vody podstatně menší než u vody se čpavkem chemicky vázaným. Alkalizací vody se dosáhne podstatné snížení spotřeby tepla, které je třeba dodávat na vyvíjení vodní páry.

Odpadní voda ve vypuzovací koloně a vařáku je při teplotě asi 100 °C a může se při této teplotě sterilizovat. Dobu zdržení odpadní vody ve vařáku lze upravit podle

CS 274 594 BI průtoku odpadní vody vařákem a požadavku hygienika na dobu potřebnou ke sterilizaci volbou vhodného objemu vařáku.

Vodní pára se čpavkem z vrchu vypuzovací kolony vstupuje do obohacovací kolony, kde se při protiproudem styku se zpětným tokem obohacuje čpavkem. 2 vrchu obohacovací kolony se vede parní směs do kondensátoru, kde úplně zkondenzuje na čpavkovou vodu. Část čpavkové vody se vrací na vrch obohacovací kolony a vytváří zpětný tok. Ostatní čpavková voda se vede k dalšímu zpracování. Teplo uvolněné kondenzací parní směsi v kondenzátoru představuje podstatnou část tepla dodávaného do vařáku. Toto množství tepla s určitou rezervou odpovídá teplu, které se musí bez ohledu na způsob jímáni čpavku dodávat do fermentoru k udržování optimální teploty metanové fermentace. Kondenzačním teplem páry lze proto s výhodou vyhřívat obsah fermentoru, takže snížení obsahu čpavku z odpadní vody vypuzováním vodní parou se provede z hlediska spotřeby tepla z větší části zadarmo.

Produktem z vypuzovací popř. obohacovací kolony je vedle odčpavkované odpadní vody koncentrovaná čpavková voda. Čpavková voda je k přímému hnojení nevhodná, protože při je- , jím použití dochází ke značným ztrátám čpavku do atmosféry. Čpavek obsažený ve čpavkové vodě lze snadno chemicky vázat přidáním silné kyseliny. Vznikne tak roztok kapalného dusíkatého hnojivá obsahujícího vedle amonných iontů ionty příslušné kyseliny. Takový způsob má však nevýhody zmíněné při popisu technologie DELEWA BĚSA. Do procesu se zavádí chemikálie, se kterou nejsou zemědělci zvyklí manipulovat a kromě toho vhodná kyselina fosforečná je nedostatková a z dovozu a ionty dostupné kyseliny sírové zakyselují půdu. V technologii zpracování kejdy je však k dispozici jiná kyselá složka, a to oxid uhličitý obsažený v bioplynu. Ten se využívá ve způsobu jímání čpavku podle tohoto vynálezu tak, že se v absorbéru uvádí do styku čpavková voda s bioplynem. V absorbéru probíhá chemická reakce, při které oxid uhličitý z bioplynu přechází do čpavkové vody a chemicky váže čpavek. Při reakci mezi čpavkem a oxidem uhličitým se uvolňuje teplo. Uvolněné teplo se z absorbéru odebírá chlazením, aby se kapalná fáze udržovala při teplotě okolo 20 °C nebo nižší. Se vzrůstající teplotou totiž narůstá tenze čpavku nad roztokem a do bioplynu by přecházela nezanedbatelná část čpavku. Z absorbéru vystupuje jako kapalná fáze koncentrovaný roztok čpavku vázaného oxidem uhličitým - směs normálního a kyselého uhličitanu amonného. Tenze čpavku nad roztokem s molovým poměrem oxidu uhličitého a čpavku 0,7 až 0,8 při teplotě okolo 20 °C je asi 20 až 30krát menši než nad čpavkovou vodou se stejným obsahem čpavku. Jako plynná fáze vystupuje z absorbéru bioplyn zbavený části oxidu uhličitého a zbavený kyselých sloučenin síry, obsahující však malé množství čpavku, do 0,3 %. Pokud je to nutné, lze bioplyn zbavit příměsi čpavku v dalším absorbéru, kde se bioplyn uvede do styku buď s čistou nebo oděpavkovanou odpadní vodou. Ke zkrápěni absorbéru stačí jen malé množství vody, řádově asi 1 % průtoku odpadní vody. Jako alternativní zdroj oxidu uhličitého lze v absorbéru použít místo bioplynu i spaliny vznikající spalováním bioplynu např. při ohřevu vařáku.

Účinky dosažitelné způsobem jímání čpavku z odpadní vody po metanové fermentaci kejdy z exkrementů užitkových zvířat podle tohoto vynálezu jsou:

1. Snížení investičních nákladů. Vypuzovací a obohacovací kolona ve způsobu podle tohoto vynálezu má asi 20krát menší objem než desorpční kolona ve způsobu DELEWA BĚSA a asi 2,5krát menší objem než totéž zařízení u způsobu s vypu20váním uhličitanu amonného. Absorbér ve způsobu podle tohoto vynálezu mé asi 200krát menší objem než absorbér u způsobu DELEWA HESA. Jedná se o velmi malé a technicky velmi jednoduché zařízení.

2. Vypuzování čpavku ze zalkalizované odpadní vody vodní parou, jeho zakoncentrování a stabilizace oxidem uhličitým jsou podstatně méně náročné na spotřebu energie než vypuzování uhličitanu amonného. Na jímání čpavku a vyhřívání fermentoru podle tohoto způsobu se spotřebuje 40 až 50 % bioplynu vznikajícího ve fermentoru. V porovnání s tím je u energeticky nejvýhodnějšího způsobu DELEWA BĚSA spotřeba 40 % bioplynu, navíc je třeba do procesu dodávat silnou kyselinu.

CS 274 594 B1

3. Získává se mnohonásobně stabilnější amonné hnojivo než je čpavková voda bez dodávání silné kyseliny.

4. Bioplyn se zbavuje významného podílu zbytečné příměsi oxidu uhličitého a přitom se odsíří. Tím se zvyšuje jeho užitná hodnota.

5. Odpadní voda se varem ve vařáku vypuzovací kolony sterilizuje a může se použít jako užitková ke splachování stájí bez obav ze šíření infekčních chorob. Vzniká tak zcela bezodpadová technologie zpracování kejdy.

6. Je pravděpodobné, že ke splachování stájí by se mohla použít oděpavkovaná voda vystupující z procesu jímání čpavku bez aerobně biologického dočištění. To by představovalo další významné snížení zejména investičních nákladů, protože by odpadla investičně náročná stavba aerobně biologické čističky.

Podstatou vynálezu je způsob jímání čpavku z odpadní vody po metanové fermentaci kejdy z exkrementů užitkových zvířat. Odpadní voda vzniklá oddělením tuhého podílu z kejdy po metanové fermentaci se nejprve zalkalizuje, ve výměníku tepla se předehřeje a vede se na vrch vypuzovací kolony. Ve vypuzovací koloně se vypuzuje čpavek ze zalkalizované odpadní vody protiproudým stykem s vodní parou. Odpadní voda se sníženým obsahem čpavku z vypuzovací kolony stéká do vařáku, kde se z ní vyvíjí pára pro vypuzování čpavku. Z vařáku se odpadní voda se sníženým obsahem čpavku odvádí přes výměník tepla, ve kterém předá teplo odpadní vodě nastřikované na vrch vypuzovací kolony a vystupuje z procesu jímání čpavku. Odpadní voda se sníženým obsahem čpavku se může také odvádět z procesu, aniž by vstupovala do vařáku. V tom případě se vodní pára na vypuzování čpavku přivádí z jiného zdroje. Směs vodní páry se čpavkem z vrchu vypuzovací kolony se vede přes obohacovací kolonu do kondenzátoru. V obohacovací koloně se ve směsi vodní páry a čpavku při protiproudém styku se zpětným tokem tvořenýui částí čpavkové vody z kondenzátoru zvyšuje obsah čpavku. V kondenzátoru směs vodní páry a čpavku kondenzuje za vzniku čpavkové vody. Část čpavkové vody se vrací jako zpětný tok do obohacovací kolony a zbývající část se vede do absor béru, kde se uvádí do styku s plynem obsahujícím oxid uhličitý. Tímto plynem může být buď bioplyn nebo spaliny vzniklé spalováním bioplynu. Kysličník uhličitý přechází do roztoku a chemicky se váže se čpavkem. Z absorbéru vystupuje roztok čpavku chemicky vázaného oxidem uhličitým a plyn se sníženým obsahem oxidu uhličitého. Teplem uvolňovaným při kondenzaci směsi vodní páry a čpavku v kondenzátoru se vyhřívá obsah fermentoru. Pokud je žádoucí vracet vyčištěnou odpadní vodu jako užitkovou ke splachování stájí, volí se provedení vařáku takové, aby se v něm odpadní voda zdržela po dobu potřebnou k její sterilizaci

Jako příklad jsou uvedeny parametry procesu jímání čpavku podle tohoto vynálezu z odpadní vody po metanové fermentaci kejdy z velkochovu vepřů.

Při metanové fermentaci se ve fermentoru z 1 t kejdy s 8 % sušiny uvolní 13,3 m\ tj. asi '3,5 kg, bioplynu s energií 300 MJ (83,6 kWh). V pásovém lisu se z kejdy získá kompost s obsahem 30 % sušiny v množství 0,267 t a 0,720 t odpadní vody, která sc vede do procesu jímání čpavku. Obsah čpavku je 2 g na 1 kg odpadní vody. Odpadní voda zatkalizovaná přídavkem vápna v množství 3,3 kg čistého oxidu vápenatého na 1 t zpracovávané kejdy se předehřívá ve výměníku tepla na 92 °C a vstupuje do vypuzovací kolony. Na snížení obsahu čpavku ze y g na 0,2 g v 1 kg odpadní vody při hodnotě relativní těkavosti čpavku vůči vodě 21 (Perry R. H., Chilton C. H.: Chemical Engineer^zs Handbook, jth Ed., str.

3-67, 68) je minimální teoretický poměr průtoku páry vystupující z vrchu vypuzovací kolony k množství nastřikované kapaliny 0,0448.

Skutečný poměr se volí jako 1,3 násobek minimálního. Potom z vrchu vypuzovací kolony vystu puje 41,9 kg páry obsahující 1,3 čpavku, to vše na 1 t zpracovávané kejdy. Na její tvorbu se do vařáku dodalo 94,7 MJ (26,7 kWh) tepla. Odpadní voda se ve vypuzovací. koloně ohřeje z 9? °C na 100 °C. Na tento ohřev je třeba dodat do vařáku 24,1 MJ (6,7 kiVh) tepla na i t zpracovávané kejdy. Ve vařáku se tedy musí odpadní vodě z 1 t kejdy dodat '18,8 MJ (33 kWh tepla. Toto teplo se získává spalováním bioplynu. Při účinnosti využití tepla obsaženého

CS 274 594 B1 v bioplynu spalováním z 81,5 % je třeba spalovat bioplyn s energií 145,8 MJ (40,5 kWh).

To znamená, že se na odčpavkování spotřebuje 48,6 % produkovaného bioplynu. Páry z vrchu vypuzovací kolony se vedou do obohacovací kolony, kde se zvýší obsah čpavku ze 31 na 80 g na 1 kg parní směsi. V kondenzátoru parní směs úplně zkondenzuje. Vznikne čpavková voda s obsahem 80 g čpavku na 1 kg čpavkové vody nebo jinak 16,5 % čpavková voda v obvyklejším způsobu vyjádření vztaženém na NH^OH. Přitom se uvolní množství tepla zhruba odpovídající teplu, které se dodalo do vařáku na tvorbu par vystupujících z vrchu vypuzovací kolony, tj. 94,7 MJ (26,3 kWh) na 1 t zpracovávané kejdy. Toto teplo se v kondenzátoru předá chladicí vodě, která proudí v uzavřeném okruhu a prostřednictvím výměníku tepla vyhřívá obsah fermentoru. K vyhřívání fermentoru je na zpracování 1 t kejdy dodávat 73,6 MJ (20,5 kWh) tepla. Účinnost využití tepla v teplosměnném systému kondenzátor - fermentor je 77 %· Počátek bodu varu čpavkové vody je při obvyklém barometrickém tlaku 72 až 73 °C a rosný bod parní směsi vstupující do kondenzátoru je 97 až 98 °C.

Z kondenzátoru se odebírá 16,2 kg 16,5 % čpavkové vody s 1,3 kg čpavku na 1 t zpracovávané kejdy. Čpavková voda se vede do absorbéru, kde se uvádí do styku s bioplynem.

V absorbéru zreaguje čpavek obsažený ve čpavkové vodě s kysličníkem uhličitým na kapalné hnojivo obsahující oxid uhličitý a čpavek v molovém poměru 0,8. Hmotnost kapalného hnojivá vystupujícího z absorbéru je 18,9 kg na 1 t zpracovávané kejdy. Absorbér je navržen tak, že může zpracovávat jak celou produkci bioplynu z fermentoru, tak i jen Část bioplynu představující produkt z technologie zpracování kejdy. V prvním případě se sníží obsah oxidu uhličitého v bioplynu ze 35 % o 33 % relativních na 26,5 % a v druhém případě o 64 % relativních na 16,3 %· V obou případech se bioplyn zbaví kyselých sloučenin siry.

Ve velkochovu 20000 ks vepřů se produkuje 100 nP kejdy s výše uvedenými parametry denně. Jejím zpracováním s použitím způsobu jímání čpavku podle tohoto vynálezu se denně získá 26,7 t kompostu, bioplyn s výhřevnou hodnotou 15,4 OJ (4,3 MWh), 1,9 t kapalného hnojivá s obsahem 130 kg čistého čpavku a 70 nP vyčištěné a sterilizované užitkové vody. Do technologie je třeba dodat 330 kg kysličníku vápenatého ve formě páleného nebo hašeného vápna. Tato přísada se získá zpět ve formě uhličitanu vápenatého.

Objem vypuzovací kolony se svislou rovinnou vestavbou z tahokovu a obohacovací kolony s patrovou vestavbou společně avšak bez vařáku je 1,5 nD a investiční náklady jsou asi 200 tis. Kčs. Objem absorbéru je 0,1 nP a investiční náklady asi 20 tis. Kčs. Pro dobu sterilizace odpadní vody 20 minut při teplotě 100 °C je potřebný objem části vařáku zaplněné kapalinou 1 m\ Investiční náklady na jímání čpavku celkem jsou asi 1 mil. Kčs.

U srovnatelné technologie DELEWA BĚSA se získává stejné množství kompostu, čistého čpavku ve formě soli kyseliny fosforečné a uhličitanu vápenatého. Získává se větší množství bioplynu s výhřevnou hodnotou 18 GJ (5 MWh) denně. Vyčištěná voda z technologie zpracování kejdy není sterilizována a nemůže se znovu použít ke splachování. Do technologie se navíc denně dodává asi 375 kg kyseliny fosforečné, která se získává zpět ve formě kapalného hnojivá. Objem desorpční kolony je 30 m\ objem absorbéru 20 nP a investiční náklady na část jímání čpavku jsou asi 2,4 mil. devizových Kčs.