Tápanyag-betáplálás és -keverés biogázüzemben

Kategória: Agrárenergetika | Szerző: Lektorálta: Patay István Írták: Dr. Bártfai Zoltán, Dr. Tóth László, Dr. Oldal István, Dr. Schrempf Norbert Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, 2015/03/18

A kutatásunkban egy olyan biogázüzemet elemzünk, ahol a szokásostól eltérés van a bevitt anyagokban és az anyagok egymáshoz való viszonyában. Az ún. vegyes üzemű technológiákban a csatornaiszap aránya (SZA-ra vetítve) a 25–60%-ot is elérheti. Az iszap több település szennyvíztisztítójából is származhat, s a beszállított anyagok egymáshoz viszonyított összetétele is igen eltérő lehet. A kierjesztési nehézséget (pl. a gáz csökkenését, habképződést) fokozza, ha a különféle élelmiszer-ipari hulladékok is felhasználása kerülnek.

A működés jellemzése

A vizsgálatunkban egy ~2,0 MW villamos teljesítményű üzem technológiai problémáit elemeztük. A rendszer elvi felépítését az 1. ábra szemlélteti. A telepen a bevitt anyagok keverése és aprítása a szálas szarvasmarha trágya és kukoricaszilázs esetén az SDM tárolóban és aprítóban történik. Innen kerül betöltésre a FF előfermetorokba. A hígtrágya, a csatornaiszap, valamint egyéb folyékony anyagok elsődleges bekeverése a WH fűthető előtárolóban történik. A telepre érkező, különféle lejárt szavatossági idejű élelmiszerek és egyéb hulladékok (konyhai hulladék, felmosásból származó zsíros anyagok, lesütött olajok, zsírfogóból származó zsírok stb.) fogadása a WM zúzóban történik, ahol dobozolt áruknál megtörténik az aprítás és a dobozanyagok leválasztása és tárolása W tárolóban, a híg részeket pedig az autoklávba (WH) vezetik, ahol sterilizálják, legalább 4 órán keresztül 70 °C-os hőmérsékleten tartják.

A biogázüzemnél alapvető cél az állandó, előre kiszámítható villamos- és hőenergia-előállítás, amelynek feltétele a folyamatos, zavarmentes gáztermelés. A villamos energia átvételénél az átadandó mennyiségre (a következő 24 órára) előzetes menetrendadási kötelezettség van, s az eltérést a magyar energiarendszer szankcionálja, illetve ha 20%-nál nagyobb az eltérés, akkor a villamos energia árát átvételiár-levonással bünteti.

Az ilyen üzemekben a gázkihozatalt leginkább a beadagolt anyagok eltérő mennyisége és összetétele csökkenti. Irodalmi források arra utalnak, hogy a nem eléggé egyenletes etetés miatt gáztermelést csökkentő habképződés lép fel. Ez ismert jelenség biogázüzemeknél, egyes források szerint a biogázüzemek szinte mindegyike átesik ezen a problémán.

Szennyvíziszap

A szennyvíziszapot felhasználó biogázüzemekben a szennyvíziszap aránya az összes anyag 10–15%-a. Esetünkben ez 40–60%-os részarány volt. Az anyag a károselem-tartalma határérték alatti, az alkalmazása ezért is igen perspektivikus a mezőgazdasági talajerő-gazdálkodás, de energianyerés szempontjából is.

A hazánkban jelenleg keletkező, mintegy 500 000 tonna/év iszap 58%-a mezőgazdasági területre, 20–22%-a lerakóba (depóniákba), 1–2%-a égetésre, a fennmaradó rész jobbára ismeretlen helyre kerül. 2015-ben már a mintegy 390 000 tonna/év iszap (szárazanyag/év, 65%-a) kerül mezőgazdasági elhelyezésre. Az iszapok rekultivációs célú felhasználása csak a kezelésükkel érhető el, tehát az erjesztésével előállított biogáz felhasználásával energiamegtakarítás érhető el, ami csökkenti a szennyvíztisztítás fajlagos költségét is. A biogázüzemben kierjesztett szennyvíziszap problémamentes elhelyezhetősége javítja életminőségünket és a környezet ökológiai állapotát.

A felhabzás lehetséges okai

Kougias és tsai (2014) megállapítják, hogy e probléma különböző mértékben mind a 16 általuk vizsgált üzemet érintette. A habzás időtartama általában 1–21 nap volt, és ez alatt 20–50%-os gázveszteséget okozott. A Lemwig (Dánia) biogáz üzemben végezett vizsgálatok alapján a habzás fő okát a beadagolt anyag összetételében és a nem megfelelő keverési jellemzőkben határozták meg.

Méréseik szerint a baktériumközösség nem befolyásolta a habzás alakulását, ezzel utalva a fonalas baktérium (más szerzőkkel ellentétesen) indifferenciájára az általuk üzemeltetett koszubsztrát bázisú reaktorokban. Ugyanakkor megerősítik, hogy a fonalas mikroorganizmusok, különösen a Gordonia-fajok és a Microthrix parvicella a szennyvíziszapok fermentációja esetén elősegítik a habosodást. Kiemelik, hogy vizsgálataik szerint jellemzően a reaktor etetési túlterhelése és az ecetsav-túltermelődés váltja ki az intenzív habképződést (utalnak Boe és tsai eredményeire). Moreno-Andrade et al. (2004) az összes szubsztrátum maximálisan 10%-át kitevő iszapterheléssel dolgoztak. A terhelést fokozatosan növelték (~30 napon át). A beüzemeltetés alatt az iszapot recirkuláltatják és szükség esetén a pH-értéket meszezéssel állítják be.

McCarty meghatározása szerint a szennyvíziszap, mint szubsztrát a baktériumok számára szükséges összes tápanyagot tartalmazza. Az iszap szárazanyagának 60–75% a szerves anyag. A bonthatósági határ eléréséhez átlagos a 70% szervesanyag-tartalmú iszapnál, mezofil tartományban 12–13 napos tartózkodási időre van szükség elvileg. Az iszap szervesanyag-tartalmának csökkenésével a rothasztás gazdaságossága kérdéses, így általánosan elmondható, hogy 50% szervesanyaghányad alatt az iszap anaerob úton való lebontása nem gazdaságos.

Oláh és tsai összefoglaló munkájukban kiemelik, hogy a beérkező szerves hulladék közvetlenül a fermentorokba való beadagolása veszéllyel jár, mivel a rothasztó túlterheltté válhat. A túlterhelést a rátáplálást követő mintegy 30 percen belül erős felhabzás vagy a képződő gáz metántartalmának hirtelen csökkenése jelzi.

Irodalmi források alapján feltételezések (és küszöbértékek) a túlzott habosodás okairól és a lehetséges megoldásokról:

Előnyös, ha a betáplált szerves tápanyagkeverék összetétele közel állandó, ekkor kiegyensúlyozott mikrobiológiai populáció alakulhat ki (max. 4 kg/nap/m3 szárazanyag reaktortérfogatra vetítve)[1., 15.].

Fontos a C/N aránya, mivel a sejtfehérjék felépítéséhez nitrogén kell. Ha kevés a nitrogén, akkor a szénmennyiség feldolgozása csökken, ha sok, akkor sok az ammónia, s a metánképződést csökkenti. Előnyös a C/N = 15–30/1, amit különböző alapanyagok keverésével érhetünk el. [3]

A pH a hidrolizáló és fermentatív baktériumoknál 4,5–6,3, a metanogén baktériumoknál 7–7,5 az előnyös (a fermentorban 6,8-nál kevesebb már hátrányos lehet. [3., 11]

A szárazanyag-tartalom 6 és 15% között jó a nedves (mechanikus keveréses) eljárásnál. Az anyag folyamatos, egyenletes keverése az erjedés hatásfokát emeli.

A nagy hőingadozásnál a metánképződés csökken, a gyakori hőingadozás a biokémiai egyensúlyt felbontja. [12.]

A mezofil baktériumok optimális élettere 35–40 °C-on van. A fermentorok hőfokára az iszap leengedésekor mérhetünk jó értéket.

A bemérésnél mértékadó a szárazanyag-tartalom, a rendszer terhelését határozza meg. Csak a mennyiség és koncentráció együttesen adja a megfelelő terhelési adatot.

A szervesillósav-tartalmat, illetve a HCO3 lúgosságot, valamint az ezzel összefüggő ammóniumion-koncentrációt meg kell határozni.

Előnyös, ha az illósavkoncentráció1000 mg ecetsav egyenérték/l alatt van.

A FOS/TAK értéke általában 0,3–0,4 között van a jó reaktorban (de rendszerspecifikus, csak hosszabb idejű, gyakori mérésekkel határozható meg). 0,2–0,3 érték az utófermentornál és a lagúnában van. 0,2 alatt szerves anyagban hiány van, 0,4 fölött sok a szerves anyag.

A felsorolás a részleteket is tekintve ennél hosszabb, és még ehhez járulnak a rendszer műszaki meghibásodásai miatti kényszerű módosítások, leállások, időbeni késések az anyagok szállításánál stb.

Az adagolás követelményei

A technológia lehetővé teszi többféle anyag beadagolását, amelyek igen eltérő összetételt jelentenek. A meghatározó anyagféleségek:

• silókukorica,
• szarvasmarha almos trágya,
• hígtrágya,
• szennyvíziszap (12 helyről),
• élelmiszer-maradékok,
• olaj- és zsíriszap,
• lejárt szavatosságú élelmiszerek (felvágott, fagylalt, chips stb.),
• lesütött étolaj, illetve lejárt szavatosságú étolaj.

A hatásfok fenntartása céljából a fenti paraméterek egy részénél (terhelés, hőmérséklet, keverés) az üzemeltető viszonylag egyszerűen be tud avatkozni, míg a szubsztrát paramétereinek (kémiai, mikrobiológiai összetétel, toxikus anyagok) módosítása körülményes vagy sokszor lehetetlen.

A probléma feltárásához első lépésként megvizsgáltuk a beérkező anyagokat összetétel, energiatartalom és hamutartalom vonatkozásában. Cél volt, hogy ezek alapján „recepteket állítsunk össze”, melyekkel az optimálishoz közeli összetétel létrehozása kísérelhető meg. A receptek szélső értékeit a C/N arány, a pH-érték, valamint FOS/TAK értékek szolgáltatták, hiszen legtöbb irodalmi forrás ezek eltérése esetén jelöli meg a habképződést. Az adott anyagösszetevők jele Je, ami lehet például C/N, pH. stb., ami többféle anyagnál az irodalmi források szerinti követelménynek felel meg (1. táblázat). A komponensek mennyiségének változtatásával érjük el az összetétel követelmény szerinti arányát, nyilván figyelemmel a reaktortér szárazanyag-befogadó képességére és terhelhetőségére (SZA/kg).

A számítást minden egyes betáplálási időben és helyen, minden anyagra, majd ezeket összesítve is el kell végezni. Ha nincs változás, az adagolás ismételhető. de minden alkalommal el kell végezni, ha a tömegben vagy az anyag összetételben eltérés van.

Szennyvíziszapok jellemzői

A 12 helyről begyűjtött 3–3 minta energetikai és kémiai vizsgálati eredményeit a 2. és 3. ábrák szemléltetik. Az egyes minták szárazanyag-tartalma jelentősen eltér, de a szárazanyagra vetített széntartalma közel azonos.

A legnagyobb probléma, hogy az egyes minták között igen jelentős az eltérés a pH-értékekben és a szén-nitrogén (C/N) arányban. Ezeket mindenképpen más anyagokkal kell kiegyenlíteni, ami viszont további kiegyenlítéseket generál.

A már bemutatott közel azonos széntartalom ellenére jelentős eltérés van az egyes minták között az energiatartalomban. A nagyobb energiatartalom esetében kisebb a hamutatratalom, ami azt igazolja, hogy egyes minták igen jelentős mennyiségben tartalmaznak ásványi anyagokat, feltehetően a homokleválasztók hibás működése miatt. Mindenképpen káros az erjesztés szempontjából, hiszen a szárazanyag-tartalmat növeli, miközben a gázkiáramlást akadályozza.

A fermentorokban az anyagok kierjedése következtében a szén- és a szárazanyag-tartalom csökken. Az egyes előfermentorban a betáplált anyagok C/N-kiegyenlítése silókukoricával és szalmás trágyával megtörtént. Itt a felhabzás is a leginkább mérsékelt volt. A második előfermentor több csatornaiszapot kapott, ezért a szárazanyag-tartalom és a C/N arány is kedvezőtlenebb, a felhabzások előfordulása nagyobb volt.

A szárazanyag és a C/N arány kiegyenlítését segíti a kukorica siló (~23C/N arány) és szarvasmarha almos trágya (az utóbbi egyben a beoltást is segíti). Kedvező, közel azonos energiatartalommal rendelkeznek, viszont a hamutartalom az almos trágyánál a magas sártartalom (ásványi anyagok) miatt közel hatszor magasabb.

Egyéb hulladékok

Elemeztük az egyéb hulladékokat is:

• élelmiszermaradék,
• hígtrágya,
• olajos iszap,
• almos trágya (mélyalomból),
• lejárt szavatosságú élelmiszerek (például lejárt szavatossági idejű fagylalt),
• lesütött étolaj, illetve lejárt szavatosságú étolaj.

Ezeknél az anyagoknál igen jelentős eltérés van a száraz anyagban, viszont a C/N arány kedvezőbb, mint a csatornaiszapnál.

A hulladék anyagok (1–6-ig) szárazanyag-, szén- és C/N-tartalmát a 4. ábrán mutatjuk be.

Ahogyan az 1. ábra is szemlélteti, a reaktorokba az anyagok betáplálása több helyről lehetséges. Az ET előtárolóból, amely tároló és keverő folyékony anyagokhoz, ide érkeznek AC = fertőtlenítő (higienizáló, autokláv), SZK = Száraz anyagok keverése, aprítása és betárolása. A központi szivattyún keresztül lehetőség van anyagok betáplálására mindegyik fermentorba a higienizáló-, a lagúna- és az előtároló anyagából.

Eredmények

Mintegy 5 hónapos kísérletezés során arra törekedtünk, hogy – a korábban megfogalmazottaknak megfelelően és a lehetőségekhez képest – a betáplálással az optimum összetételt megközelítsük és a keverés is a lehető legmegfelelőbb legyen. Az elhatározásokat sajnos gyakran akadályozták a véletlenszerű meghibásodások, eltömődések, illetve az, hogy egyes anyagok a megfelelő időben nem álltak rendelkezésre. Az utóbbiból tanulságként levonható, hogy a tárolókapacitást egyes esetekben mindenképpen növelni kell, hogy a rendelkezésre állás mindig meglegyen.

A modellszerű alkalmazás eredményeképpen a felhabzások száma mérséklődött, és jobb lett a bevitt tápanyagra vetített gázkihozatal is. Ezt szemlélteti a 2. táblázat. Látható, hogy mintegy 3 hónap alatt a tápanyagból számított energiamennyiség 61,2%-ról, 68,7%-ra növekedett. Ez mindenféleképpen azt bizonyítja, hogy a kitűzött cél helyes, és a továbbiakban is folytatni kell. A keveréssel folytatott vizsgálatainkat és a modellezést egy következő cikkünkben mutatjuk be.

Irodalom

• A. Zehnsdorf, L. Moeller , K. Görsch, V. Beer. Bernburg, 2010 Schaumbildung in Biogasanlagen, Hemholtz, Zentrum für Umweltforschung UFZ, 30. November
• Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL). (2006). Biogastechnologie zur umweltverträglichen Flüssigmistverwertung und Energiegewinnung in Wasserschutzgebieten, (http://www.LfL.bayern.de/publikat­ionen/)
• Esteves S.–Miltner M.–Fletch S.: Folyamatos ellenőrzési útmutató a biogáz és biometán üzemek megfelelő működtetéséhez. (http://www.fvmmi.hu/file/document/hir/monitoringmagyar.pdf)
• Gruber, W. (2007). Biogasanlagen in der Landwirtschaft. Aid infodienst Verbraucherschultz, Ernährung, Landwirtschaft e.V. Bonn. 1453.
• http://www.researchgate.net/publication/260381931_
  Anaerobic_digestion_foaming_in_full-scale_biogas_plants_a_survey_on_causes_and_solutions
• http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/
  0032_kornyezettechnologia/ch06s11.html
• Kardos L.: A szennyvíztelepi biogáz termelő fermentációs folyamatok nyomon követése kémiai és biokémiai módszerekkel. PhD dolgozat, ELTE, 2012
• Koppe, P.–Stozek, A.–Neitzel, V.: Municipal waste eater and sewage sludge in Rehm, H. J. and Reed G: Biotechnology, Volume. 11a. Environmental Process, p. 337-)
• Kougias P. G., Boe K., Thong S. O, Kristensen L. A. and Angelidaki I.: Anaerobic digestion foaming in full-scale biogas plants: a survey on causes and solutions ISWA publishing 2014,
• Kovács at al ( 2003): A szennyvíziszap-kezelés és -hasznosítás jogi, gazdasági, műszaki, környezetegészségügyi feltételrendszere (http://www.emla.hu/alapitvany/02-03/szviszap.pdf)
• Moreno-Andrade I., Buitron G. (2004): Influence of the origin of the inoculum on the anaerobic biodegradability test. Water Sci. and Technol. Vol. 49. No. 1.
• Noike T., Li Y.Y. (1989): State of the art on anaerobic bacteria for wastewater treatment. 2. Acid producing bacteria. In: Study on Anaerobic Wastewater Treatment. Japan Society of Civil Enginers. Tokyo
• Oláh J.–Palkó Gy.–Szilágyi M.–Barabás Gy.–Gyar­mati I.–Tuba L.: Rothasztók üzemeltetése (http://statex.hu/cikkek/Uzemeles_szerkesztett_5_.pdf
• Öllős G.–Oláh J.–Palkó Gy.: Rothasztás. MAVÍZ, 2010
• Petis, M. (2008): Biogáz hasznosítása. Energiapolitika 2000 Társulat. Energiapolitikai Hétfő Esték. 2008.02.11. Budapest.
• Tamás J., Blaskó L. (2008): Environmental management, Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat

Summary

This article dealt with an operational segment of a biogas plant. As far as we can prognosticate biogas plants will be wide spread in the near future in Hungary as the concept is supported by the Government. Furthermore the concept of settling biogas plants near by wastewater treatment plants is supported by the European Union. Biogas plant can be established in the area of a wastewater treatment plant, but the idea of serving a biogas plant by at least 2-3 sewage treatment plants seems to be more effective and economic. Usually the most important problems derive from the great variety of the input materials and the very much difference in content of them. Foaming is maybe the most serious malfunction. Operation without any troublesome can be observed mainly where recipes are used in the technology based on laboratory tests, focusing all the critical parameters and features of the input materials. If feeding is consistent, then the specific gas production (m3 gas/kg input material) increases. 

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 érdekelhetiA káposztafélék gépi betakarításaParlament előtt a 2025. év adózását meghatározó őszi adócsomagA lovak jólléte: a gondos lótartás eszközei és szabályai