HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA
8.3
Biogázok előállítása szennyvíziszapból és más hulladékokból Tárgyszavak: biogáz; kihozatal; hozam; termelés; mezőgazdasági rothasztás; hulladékrothasztó.
Egy idő óta viták folynak a szennyvíziszap és biogén hulladékok felhasználásáról és elhelyezéséről. Egyesek a biomasszában levő energia maximális kinyerése és hasznosítása mellett érvelnek, mások a biogáz termelése után visszamaradó iszapot, erjedő anyagokat és komposztot veszélyesnek tartják, amelyet anyagában nem szabad hasznosítani, hanem el kell égetni. Ha gazdaságos termikus hasznosítást is végeznek, az előzetes energiakinyerés miatt ennek negatív eredménye lehet, vagy a kinyerhető energiatöbblet minimális lesz. Fogalmak és meghatározások − Biogáz: szerves anyagok (szennyvíziszap, nagy szervesanyag-tartalmú szennyvíz, mezőgazdasági hulladék, városi szemét szerves részei stb.) anaerob bomlása során keletkező gázkeverék, amely csaknem kizárólag metánból (CH4) és szén-dioxidból (CO2) áll. − Biogáztermelés: Meghatározott reaktortérfogatban időegység alatt termelhető biogázmennyiség. Mértékegység: m3 biogáz/m3 reaktortérfogat/nap. − Biogáz-kihozatal: Meghatározott anyagmennyiségből kivont biogáz mennyisége, l vagy m3/kg KOIbe vagy KOIlebontott. − Biogázhozam: Meghatározott anyagmennyiségből időegység alatt kitermelt biogáz mennyisége, l/LE · nap vagy m3/kg szárazanyag · nap. (LE = lakosegyenérték)
Elméleti kihozatal A biogáz-kihozatal a rothadó anyagok összetételétől és ennek lebonthatóságától függ. Az alapanyagok néhány fontosabb összetevőjének lehetséges kihozatalát az 1. táblázat tartalmazza. A gyakorlatban azonban a táblázatban megadott értékek nem érhetők el, mivel az anyagok nem bomlanak le tökéletesen. Különösen a lignin (szalma, fa) csak előzetes fizikai, kémiai és biológiai előkészítés után bontható le. Az anyagoktól függően a biogáz metántartalma is különböző. Mivel az anyagkeverékben az említett anyagok aránya becsülhető, tervezés céljára az előállítható biogáz mennyisége és hozama jól prognosztizálható. 1. táblázat Elméleti biogáz-kihozatal a szerves anyagok tökéletes lebomlásából Gázkihozatal m3/kg sz.a.
Metántartalom
Energia MJ/kg sz.a.
kWh/kg sz.a.
Szénhidrátok
0,83
50
15,1
4,2
Fehérjék
0,72
71
18,4
5,1
Zsírok
1,43
70
36
10,0
sz.a. = szerves szárazanyag Biogén hulladékok anaerob kezelésének többféle célja lehet: pl. az anyag stabilizálása, a bűz minimálisra csökkentése, maximális biogáz-kihozatal, hulladékdepóniák környezetkímélő feldolgozása, szennyvizek részleges biológiai lebontása a befogadóba való beeresztés előtt. Szennyvíziszap rothasztása során keletkező biogázok A biogáz-kihozatal, a biogázhozam és a biogáztermelés, valamint a kinyert gáz minősége a szennyvíziszap anaerob rothasztásának következő technológiai paramétereitől függ: − az iszap adottságai; − toxikus hatások; − terhelési állapot; − a rothasztó reaktor térfogata; − a hozzátartozó szennyvíztisztító üzemmódja.
Minél jobb a szennyvíztisztító biológiai fokozatának tisztítási hatásfoka, annál kisebb fajlagos biogáztermelés várható. Gyakorlati tapasztalatok alapján a 2. táblázat szerinti biogázhozamok várhatók. 2. táblázat Várható biogázhozam a szennyvíztisztítási technológiától függően A biológiai tisztítási fokozat Szerves terhelés az előtiszüzemmódja títás és eleveniszap hozzáadása után
Várható fajlagos biogáztermelés
Iszap kora: 8 nap (nyáron nitrifikáció, esetenként részleges denitrifikáció)
Eleveniszap hozzáadása 35 g Átlagos mennyiség: BOI5/LE · nap 20,7 l/LE · nap (ingadozás 16,5–25 l/LE.d) (nagyfokú előtisztítás)
Iszap kora az eleveniszapos medencékben 15 nap (erős nitrifikáció és denitrifikáció egész évben)
Eleveniszap hozzáadása 35 g Átlagos mennyiség: BOI5/LE · nap 18,3 l/LE · nap (ingadozás 14,5–22 l/LE.d)
Iszap kora az eleveniszapos medencékben 15 nap
Eleveniszap hozzáadása 48 g Átlagos mennyiség: BOI5/LE · nap 13,2 l/LE · nap (ingadozás 10,5–15,9 l/LE.d) Nincs előtisztítás és durva iszaptalanítás
Iszap kora az eleveniszapos medencékben 15 nap
Eleveniszap hozzáadása 60 g Átlagos mennyiség: BOI5/LE · nap 7,8 l/LE · nap (ingadozás 6,2–9,4 l/LE.d) Nincs előtisztítás
Anaerob stabilizációs beren- Eleveniszap hozzáadása 60 g Átlagos mennyiség: dezés, 25 nap tartózkodással BOI5/LE · nap 4,4 l/LE · nap (ingadozás 3,5–5,3 l/LE.d) Nincs előtisztítás LE = lakosegyenérték
Biogáz-kihozatal szerves anyagokat tartalmazó szennyvízekből Az anaerob eljárással kezelt ipari szennyvizekből való biogáz-kihozatal számos tényezőtől függ, pl.: − az ipari folyamat jellege; − a vízfelhasználás és -szennyezettség; − a szennyvíztisztító típusa és üzemeltetési módja.
Különféle iparágakban termelhető biogáz tapasztalati mennyiségeit a 3. táblázat tartalmazza. Átlagosan 0,19 és 0,33 m3 CH4/kg KOIbe között vannak. 3. táblázat Ipari üzemek biogáztermelése Szennyezőanyag-tartalom kg KOI/t termék
KOIcsökkenés %
Gázkihozatal m3 CH4/kg KOIbe
CH4 koncentráció a gázban, %(V/V)
6–8
70–90
0,24–0,32
65–85
Keményítőgyártás – burgonyakeményítő – búzakeményítő – kukoricakeményítő
30–40 100–120 8–17
75–85 80–95 80–90
0,26–0,30 0,28–0,33 0,28–0,32
75–85 55–65 65–75
Melaszgyártás
180–250
60–75
0,21–0,26
60–70
Pálinkafőzés – burgonyából – gabonából
50–70 180–200
55–65 55–65
0,19–0,23 0,19–0,23
65–70 65–70
Burgonyafeldolgozás
15–25
70–90
0,24–0,32
70–80
Savanyúságkészítés
15–20
80–90
0,28–0,32
70–75
Gyümölcslékészítés
2–6
70–85
0,24–0,30
70–80
Tejfeldolgozás
1–6
70–80
0,24–0,28
65–75
Sörgyártás
5–10
70–85
0,24–0,33
75–85
110–125
75–95
0,26–0,33
70–75
4–30
60–80
0,21–0,28
70–80
Iparág Cukorgyártás
Cellulózgyártás Papírgyártás
Biogáz-kihozatal mezőgazdasági rothasztókból A mezőgazdaságban biogáz-berendezéseket állati (szarvasmarha, sertés, baromfi) trágya és istállószemét kezelésére alkalmaznak. Az alapanyag szárazanyag-tartalma 4–10%, baromfinál 30% körül van. Optimális biogázkihozatalhoz közepes (37 °C) hőmérsékleten 20–30 napi rothasztás szükséges. Háromheti tartózkodást feltételezve 1 m3 rothasztótér-térfogatot kell az állatállomány 500 kg-os egységeire számítani, ami napi 5 kg szárazanyagterhelésnek felel meg. 1 kg bemenő szárazanyagból 300–500 liter biogáz nyerhető 60–65%-os metántartalommal.
4. táblázat
Biogáz-kihozatal hulladékrothasztókból Vegyes anyagok rothasztása esetében optimális üzemi körülmények között jobb eredmények érhetők el, mint azonos forrásból származó anyagoknál. Néhány hulladékfajtából termelhető biogáz mennyiségét a 4. táblázat mutatja. Rothasztók tervezésénél a térfogat megállapításához az 5. táblázatban közölt adatok nyújtanak tájékoztatást.
Biogáz-kihozatal különféle hulladékokból Hulladékfajta
Biogázkihozatal l/kg sz.a.
Zöldnövények
500–600
55–60
Piaci hulladék
550–600
55–65
Zsírleválasztó
600–1000
70–75
Burgonyacefre
400–700
60–65
Repcezúzalék
400–900
65–70
Étkezési maradék
800–1000
60–65
5. táblázat Anaerob reaktorok fajlagos biogáztermelése Anyag
Biogáztermelés lehetőségei Németországban
CH4 %(V/V)
Biogáztermelés m3 gáz/reaktorm3 · nap
Szennyvíziszap
1.2–2,0
Háztartási szemét
2,4–2,6
A fontosabb biogén Állati trágya 0,8–1,6 hulladékok becsült Vegyes mezőgazdasági és ipari mennyisége a 6. tábláhulladék 4,8–5,0 zatban látható. A táblázat tartalmazza az anyagukban nem hasznosítható állati tetemeket is. Az anaerob biogáztermelési folyamatok gazdaságossága a különféle hulladékok esetében igen eltérő. A szennyvíziszapból való biogáztermelés lehetősége lényegesen kisebb lesz, ha a szennyvizeknél erősebb tisztítást alkalmaznak. Németországban a nagyszámú, 20 000 lakosegyenértéknél kisebb szennyvíztisztítóknál az iszap rothasztása gazdaságosan nem valósítható meg. Az állati tetemek zsíranyagának hasznosítására várhatóan más lehetőséget fognak találni, ennek a nagy energiatartalmú anyagnak elégetése is lehetséges. Más szerves hulladékoknak is csak kis hányadából lehet gazdaságosan biogázt kinyerni. A németországi biogén hulladékból gazdaságosan előállítható biogáz mennyiségét a 6. táblázat mutatja.
6. táblázat Biogén hulladékok képződése és a belőlük kinyerhető biogáz mennyisége Németországban Hulladékok
Mezőgazdaság – cukorrépalevél – burgonyazöldje – silóanyag – folyékony trágya – szilárd szemét
Friss tömeg Mt/év
Lehetséges biogázmennyiség Mrd m3/év
1,8 2,2 0,5 10,8 11,1
0,8 1,0 0,2 3,4 3,3
8 4 4 1 0,6 60
3,1 1,6 1,2 0,3 0,2 1,9
1,45 0,70 0,55 0,15 0,10 0,55
Élelmiszeripar – melléktermékek – hulladékok
1,5 7,5
3,0 2,3
2,3 2,3
Állati tetemek – húsliszt – állati zsír
0,8 0,3
0,6 0,3
0,6 0,5
Kommunális hulladék – háztartási – ipari – fű – étkezési – piaci – szennyvíziszap
14 11 10 150 52
Szerves száraz anyag Mt/év
(Dr. Garai Tamás) Loll, U.: Biogaspotenziale im Klärschlamm und anderen biogenen Abfällen. = KA – Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall, 48. k. 10. sz. 2001. p. 1424–1429. Sharma, S.: Biogas technology in India: does it have a future? = Industry and Environment, 24. k. 3–4. sz. 2001. júl.–dec. p. 71–72.
EGYÉB IRODALOM Rodriquez, J.; Laresgoiti, M. F. stb.: Pyrolysis of scrap tyres. (Hulladék abroncs pirolízise.) = Fuel Processing Technology, 72. k. 1.sz. 2010. p. 9–22. Friedrich, B.; Rombach, G:: Aluminiumrecycling-Anspruch und technische Realisierbarkeit. (Alumínium-újrahasznosítás – igények és műszaki megvalósíthatóság.) = BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte, 146. k. 5. sz. 2001. p. 177–184. Reinboth, K.. Die Wiederverwendung von Asphalt – Technologie, Ökonomie und Ökologie. Teil 1. (Aszfalt-újrahasznosítás – technológia, gazdaságosság, ökológia, 1. rész.) = Strasse + Autobahn, 52. k. 11. sz. 2001. p. 616–622.
