Bioszén és termésnövelő tényezői

Kategória: Agrárgazdaság, Növénytermesztés | Szerző: Madár Viktor, Betovics András, Tóth László, 2023/11/05

Az élelmiszerelőállítás lehetőségeként fenn áll, hogy a terület növelése nélkül egységnyi területen nagyobb mennyiségű élelmiszert termelünk, de ez csak akkor megoldható, ha a talaj termőképessége és a termesztés körülményei lehetővé teszik. A világon számos kutatás foglalkozik a helytelen használat következtében leromlott talajok feljavításával, de az eddig mezőgazdasági művelésre alkalmatlannak nyilvánított területek termővé tétele is célként szerepel. A kutatók jelentős része az ehhez szükséges, ezeket támogató technológiák és technikák forrását a természetben folyamatosan megújuló energiaforrásokban látják. Ilyen például a különféle biológiai hulladékok felhasználása energiatermelésre, illetve olyan anyagok előállítására, amelyek a talaj termelékenységét fenntartják, netán növelik is. Jelen cikkben az egyik ilyen lehetőséggel kívánunk bemutatni, mégpedig a bioszén felhasználásával és előállításával kapcsolatosan.

MI A BIOSZÉN? 

A bioszén (angol megfelelője a biochar) faszénszerű anyag (1. ábra), amelyet olyan növényi anyagokból állítunk elő, mint pl. fahulladékból, lágyszárú növényi melléktermékekből, mezőgazdasági és erdei termelési maradványokból stb., amelyeket hő hatására bontanak le, miközben (a folyamattól függően) megújuló energia is keletkezik. A folyamat során a növényi anyag fizikai és kémiai tulajdonságai megváltoznak és nagyon porózus, biológiailag stabil (nehezen lebomló), szénben gazdag anyaggá alakul. 

A vele végzett kutatások azt igazolták, hogy talajjavítóként használható a mezőgazdaságban és a kertészetben (tehát befolyásolja a talaj számos fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságát). A jótékony hatása azon múlik, hogy milyen a szén előállítási módja, alkalmasak-e az alapanyagként használt biológiai anyagok és az a felhasználási (termesztési) rendszer, amelyben alkalmazzák.

A bioszén javítja a talajból a növények tápanyag-elérhetőségét és fokozza a talaj víztartó képességét és csökkenti a tápanyagok kimosódását. A vízvisszatartás hatására a bioszén csökkentheti az öntözési igényeket, és lehetővé teszi a termelés bővítését korlátozott vízkészletek esetében is. A fenti előnyök együttesen módosítják a növények gyökérzónájában a mikrobaközösség élőhelyét, ami nagyobb mikrobiális bőséghez és aktivitáshoz vezet és ezáltal nő a terméshozam. 

1. ábra Fahulladék (A), a belőle készült bioszén (B) rövidszárú fűből készült bioszén (C).

A BIOSZÉN ELŐÁLLÍTÁSA

A bioszenet hőbontással az un. pirolízis eljárással készítik (2. ábra). Az egyik ág a torrefaction, amely gyakorlatilag csak a biomassza hőkezelését jelenti, tehát hőkezelt (szén jellegű) kevésbé stabil anyag a végtermék. A valódi bioszén ennél is stabilabb, ezért hosszabb időn keresztül (50-80 év) változatlanul a talajban marad, nem bomlik le. Ez a folyamat másik ága, amikor már energia előállítási célokat is szolgálhat. Ha a cél csak az energia, tehát a gáznemű hajtóanyag, akkor csupán néhány százalék szenes-hamu a maradék , de e folyamat úgy szabályozható, hogy a szén (ábrán „szenes maradék”) mennyisége nő és a minősége a talaj kezeléséhez megfelelő.

2. ábra Biomassza anyagok többcélú hasznosítása termikus eljárással

A pirolízis olyan termokémiai folyamat, amely elsősorban a lignocellulóz anyagokra vonatkozóan a szerves polimerek és biomassza egyes ásványi anyagainak lebomlásából áll. A bomlási termékek oxigén nélkül 400 °C és 800 °C közötti hőmérsékleten keletkeznek (3. ábra). 
A bioszén előállítási körülményeinek befolyása a tulajdonságaira.

3. ábra A hőbontás technológiai folyamata (az un. nyugvóágyas rendszer)

A zónák, azaz a hőfok tartományok között nincs éles átmenet, az oxidáló anyag lehet: levegő, gőz stb.). Végül is, fontos az alapanyag hevítési hőmérséklete és a hőnek mennyi ideig van (Cégény Zs.:2017). Tehát a hőátadási folyamat lehet gyors vagy lassú, függően a fűtési sebességről és az expozíció időtartamáról. Ha a a melegítési folyamat gyors és a növényi anyag rövid idő alatt igen magas (> 660oC) hőmérsékletre melegszik, akkor a bioszén-termék jellemzően nagyon finom részecskéket tartalmaz. A bioszén előállításánál az optimum hőfokra kell törekedni (4. ábra), tehát a hevítési hőmérsékletet úgy megválasztani, hogy lehetőleg a visszamaradó szénnél a legnagyobb fajlagos szemcsebelső felületet érjük el, miközben a kiindulási anyag széntartalmához viszonyított szén mennyiség (szénvisszatartás) még kedvező mértékű és a kation kicserélő képessége (CEC) még kedvező szinten van. A bioszén kation cserélő képesség lényeges, mivel a negatív töltésű és a részecskékhez tapadó kationok helyét más kationok veszik át, tehát kicserélődnek. A kationcserélő kapacitás az a mennyiség amennyit a talaj képes megkötni. A kedvező gyártási hőfoktartomány ~500 oC (4. ábra). Ekkor a legnagyobb a belső felszín területe, kedvező a pH értéke és közepes a CEC érték is. A bevitt biomassza kezdeti szén mennyiségének ~60-65% át a bioszénben visszakapjuk. A folyamat során egy rövid szakaszban az anyag magasabb hőmérsékleten is tartózkodik, ami a PAH komponensek lebontását eredményezi. 

4. ábra A bioszén jellemzőinek változása a hőmérséklet függvényében.

A folyamat hőfokainak pontos betartása, szabályozása porózusabb, nagyobb belső felületű bioszenet eredményez és magasabb a pH érték is. 

Végül is a gyakorlatban a bioszén akkor megfelelő, ha nagy:

• a felülete, 
• a porozitása, 
• a kationcserélő képessége, és
• a stabilitása a különféle alkalmazásokban stb.

A BIOSZÉN FELHASZNÁLÁSA 

(A mezőgazdaságra gyakorolt hatások)
A leromlott, száraz és a rossz termőképességű és alacsony szervesanyag-tartalmú talajokon a bioszén bevitele javítja a tápanyag- és vízmegtartó képességet, növeli a gazdálkodás hatékonyságát. A bioszén képes megtartani a kijuttatott műtrágyát és egyéb tápanyagokat. Az egyértelműség kedvéért különbséget kell tenni a bioszén és a komposzt között. A bioszén abban különbözik a mezőgazdasági termelés céljára a talajhoz szokásosan hozzáadott komposztoktól, hogy azok közvetlen tápanyagforrások és az egyéb tápanyagokkal együtt lebomlanak. 

A bioszén stabil anyag, hosszabb idő alatt sem bomlik le, ezért nincs szükség évente újabb és újabb alkalmazására. 
A talajban a szén a körforgása során fontos szerepet játszik a különböző kémiai és biológiai reakciókban. A növények szénforrása a talaj és a légkör, ahonnan a szenet CO2 formájában veszik fel (5. ábra).

5. ábra A szén körforgása a biológiai folyamatban

A környezetre előnyös hatása a folyamat során mérhető:

• 1,0 kg biomasszából készült bioszénben ~ 300g CO2 a talajban (a bioszénben) van eltárolva és hosszú ideig a talajban marad. 
• Ezért is a biomasszák természetes lebomlásától eltérően a 900 g CO2 helyett, csupán 600 g CO2 tér vissza a légtérbe (tehát a különbséget „kivonjuk” az ÜHG hatás alól), miközben 
• ~ 1,0 kWh energiát is nyerünk. 

A finomszemcsés bioszén, erősen porózus anyag, nagy a felülete (150-250m2/g), amit gyakorlatilag a hőkezelése hoz létre. A nagy fajlagos felülete és porozitása lehetővé teszi, hogy felszívja a vizet és megtartsa (a tápanyagokkal együtt), miközben élőhelyet is biztosít a hasznos mikroszervezetek számára (HUNT et al. 2010). Azt is megállapították, hogy a mikrobák reprodukciós rátája is növekedést mutatott a bioszénnel kezelt talajokban (STEINER et al. 2004).

A bioszén porozitása befolyásolja a gyökérzónában zajló folyamatokat, beleértve a növények légzését, de a talajt is módosítja, javítja annak porozitását és szerkezetét. A homokos agyagos talaj a porozitásban és a víztartalomban jelentősen javul. A porózus szerkezete segíti a talajvíz megőrzését, de valójában nem növeli a hasznosítható vízkapacitást. A talajban a nyers szerves anyagok tápanyagként szolgálnak a növények és talaj mikroorganizmusai számára, a bioszén pedig katalizátorként működik, fokozva a növények tápanyagfelvételét (KOCSIS et al., 2017). A kereskedelemben árult bioszén alapú talajjavító készítmények potenciálisan képesek növelni a talaj specifikus felszínét az eredeti talaj pórusméreteinek és sűrűségének megváltoztatásával (RÉKÁSI és UZINGER, 2015).

Az irodalmi források és saját elemző méréseink alapján készült el egy hazai bioszén előállító berendezés. A gyártó és tervező célja volt, hogy a kisebb vállalkozások, üzemek részére készüljön egyszerű, de automatizált, jól használható berendezés. Műszaki technológiai szempontból pedig olyan rendszer, amely kiváló minőségű anyagot termel és a a már jelzett károsanyag (PAH) tartalma a hazai forgalmazott készítményekénél kisebb (az EU előírásainak megfelel).

A rendszerben a szenesedés során a keletkező pirolízis gázok elégetése révén nyert energia biztosítja a rendszer hőenergia szükségletét (külső energiaigény nem számottevő). 

A szenesítő reaktor:

• bioszén előállító teljesítmény: 50-100 kg/h, 
• elektromos teljesítmény igény: 5,0 kW,
• a szenesítő fő mérete méretei: 6,0 x 2,4 x 3,6 m.

A komplett rendszer vezérlése teljesen elektronikusan történik. A központi panelen a folyamat aktuális adatain túl az esetleges hibák is azonnal megjelennek (10. ábra)

10.ábra A fejlesztett berendezés vezérlő panelje

Akkreditált laboratóriumban megvizsgálták az anyag összetételét, elsősorban a különféle mikroelem tartalom szempontjából. A mulcsozott és aprított anyagból kapott bioszén igen sokféle elemet tartalmaz, melyek közül a nehézfémek jóval a megengedett érték alatt fordultak elő. A rövid ideig tartó hőzóna révén a PAH anyagok lebomlanak és ennek köszönhetően a kedvezően alacsony kicsi (PAH: 1,27mg/kg sz.a., összes PCB <0,01mg/kg sz.a.). 

A bioszén költsége 

A bioszén használata révén megváltoznak a talaj tulajdonságai, növekszik a talaj termőképessége és csökkenti a növénytermesztés költsége (szántóföldön és növényházakban is). A bioszén hosszútávon, sok termelési ciklusban is a talajban marad és ezáltal hosszú időn keresztül fejti ki előnyös hatásait. A felhasználása révén például csökken a foszfor és kálium műtrágyák felhasználási igénye, mérsékeltebbek az ezekre fordított kiadások A vízmegtartó képessége révén az öntözési költségek is mérséklődnek. A beruházás biztos megtérülést jelent a gazdálkodók számára. 

Tekintve hogy a bioszén különféle biológiai anyagokból, a mezőgazdasági termékek hulladékaiból (pl.: szeparált trágya, szárított eleveniszap stb), melléktermékekből készül, amelyek általában rendelkezésre állnak azokon a területeken ahol a növénytermesztés is folyik, tehát megvan a lehetősége annak, hogy helyben előállítható legyen. A helyi előállításnál csökkennek a szállítási költségek és a termelés jövedelme is a helyszínen marad.

ÖSSZEFOGLALÁS

A bioszén egy faszénszerű anyag, amelyet olyan növényi anyagokból állíthatunk elő, mint a fűfélék, fa anyagok, mezőgazdasági és erdei maradványok stb., s amelyek magas hőmérsékleten lebonthatók. A folyamat során a növényi anyag fizikai és kémiai tulajdonságai megváltoznak és stabil, porózus, nagy pórustérfogatú, szénben gazdag anyaggá alakulnak. Ezek a bioszén alapvető jellemzői. A kutatások és sok felhasználó tapasztalata azt mutatják, hogy talajjavítóként használható a mezőgazdaságban és a kertészetben, valamint javíthat a talaj és az aljzat számos fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságán. Növelheti a vízmegtartó képességet, a tápanyag kilúgozását minimalizálja, javíthatja a termelők nyereségét azáltal, hogy növeli a műtrágya felhasználás hatékonyságát, tehát csökkenti a műtrágyaköltségeket. A víz visszatartásának növelésével a bioszén csökkenti az öntözési igényeket, és lehetővé teszi a termelés bővítését korlátozott vízkészleteken is. 

Összességében: Módosítja a növények gyökérzónájának mikrobaközösségét, azok élőhelyét, ami gyakran nagyobb mikrobiális bőséghez és aktivitáshoz vezet, ezzel növelve a terméshozamot is. Tudni kell, hogy a felhasználása ellenőrzött körülmények között a leginkább hatékony. A homokos savanyú talajoknál mindenhol kedvező hatásról számolnak be. Nem elhanyagolható, hogy a gyártását és a teljes hatómechanizmusát is figyelembe véve csökken a CO2 légköri kibocsátása, tehát klímavédelmi célokból is előnyös.

Madár Viktor Pyrowatt Kft. PhD hallgató, 
Betovics András MATE PhD hallgató, 
Tóth László MATE professzor emeritus

IRODALOM

1. Kocsis Tamás: (2018) Bioszén és bioeffektor kombinációk hatása homoktalajok biológiai tulajdonságaira, Ph.D. értekezés https://archive.szie.hu/sites/default/files/kocsis_tamas_ertekezes.pdf (Letöltve: 2021)
2. Spokas K.A, Reicosky D.C (2009): Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas production. Annals of Environmental Science, 3:179-193 pp.
3. Hunt J, Duponte M, Sato D, Kawabata A (2010) The basics of Biochar: A natural Soil Amendment. Soil and Crop Management, College of Tropical Agriculture and Human Resources, 30:1-6 pp.
4. Rékási M, Uzinger N (2015): A bioszén felhasználásának lehetőségei a talaj tápanyag-utánpótlásában. Agrokémia és Talajtan, 64:239-256 pp 
5. Downie A, Crosky A, Munroe P (2009): Physical properties of biochar. In ‘Biochar for environmental management: Science and technology.’ (Eds J Lehmann and S Joseph) Earthscan: London. Sterling, VA, USA. 13-32pp.
6. Amonette J.E, Joseph S (2009): Characteristics of biochar: microchemical properties. In: Lehmann, J., Joseph, S. (Eds.), Biochar for Environmental Management: Science and Technology. Earthscan. London. 33-52 pp.
7. Warnock D.D, Lehmann J, Kuyper T.W, Rillig M.C (2007): Mycorrhizal responses to biochar in soil: concepts and mechanisms. Plant and Soil, 300:9-20 pp.
8. Tóth L., Madár V., Bácskai I.: (2019) Pirolízis berendezés fejlesztését megelőző vizsgálatok, Energiagazdálkodás, 60. évf. 1-2. pp. 27-33. 
9. Cégény Zs. et al: 2017 Impact of torrefaction on woody biomass properties, Energy Procedia Elsevier, Volume 105 Pages 1149-1154

Ajánlott kiadványokDr. Hajdú József:
A 21. század traktoraiDr. Kukovics Sándor szerk.:
A bárány- és juhhús fenntarthatóságaDr. Bai Attila (szerk.):
A biogázBai Attila - Lakner Zoltán - Marosvölgyi Béla - Nábrádi András:
A biomassza felhasználása

Ez is érdekelhetiFejlesztés előtt: Brojleristállók építéseBorászat: A korrupció marketingeszköz - a francia és magyar paradoxonFontos változások a földforgalmi szabályokban