HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA
8.3
A biomassza energetikai hasznosításához kapcsolódó anaerob hulladékkezelési eljárások alkalmazása Tárgyszavak: anaerob; biomassza; energetikai hasznosítás; hulladékégetés; hulladékhasznosítás.
Az anaerob eljárások és a hulladékok energetikai hasznosítása Az anaerob eljárások alkalmazása a kommunális hulladékgazdálkodásban folyamatosan terjed, annak ellenére, hogy az erre alkalmas berendezések beruházási költsége nagyobb, mint az aerob eljárásoké. A tartós és környezetbarát fejlődés mint követelmény már az 1992. évi Rio de Janeiró-i konferencián is központi kérdésként szerepelt az energiatermeléssel és a hulladékkezeléssel kapcsolatban. 1997-ben Kyotóban csaknem minden ipari ország elfogadta az üvegházhatást okozó gázok emissziójának csökkentésével kapcsolatos célokat, amelyek elérését segítik elő az EU 2001/77. és 2003/30. irányelvei a villamos áram és bioüzemanyagok megújuló energiafajtákra épülő előállításának a támogatásáról, valamint az egyes tagállamok nemzeti céljai elérésének eszközeiről. Az üvegházhatást okozó emissziókat Németországban 2008/2012ig az 1990. évi értékhez képest 21%-al kell csökkenteni. A szövetségi kormány célul tűzte ki, hogy a CO2-emissziókat 2005-re az 1990. évi értékekhez képest 25%-al csökkenti. 2010-re a villamosenergia-termelés 12,5%-át megújuló energiaforrásokból kell biztosítani, ami szintén EU-s előírás. A 2004-ben módosított, a megújuló energiaforrásokra vonatkozó törvény szabályozza az elektromos energia lerakóhelyi gázból, derítő-
gázból és biomasszából történő előállítását. A bio- és a zöldhulladékra épülő villamosenergia-előállítást – ellentétben a maradék hulladékok szervesanyag-tartalmából történő termeléssel – az említett törvény támogatja, ezért a maradék hulladékok mechanikai-biológiai kezeléséhez az anaerob eljárást csak kevés berendezésben alkalmazzák. Az EU több tagországa támogatja ugyanakkor a maradék hulladékra épülő áramtermelést, és ezekben az országokban az anaerob eljárást gyakrabban alkalmazzák.
Az erjesztési eljárások osztályozása Az anaerob kezelés során különböző erjesztési eljárásokat alkalmaznak, amelyek elsősorban a reaktorba betáplálásra kerülő anyagok szárazanyag-tartalmában, a folyamat hőmérsékletében és irányításában, illetve az anyagáramokban térnek el egymástól. Az erjesztés a reaktorba betáplálásra kerülő hulladék szilárdanyag-tartalma szerint nedves és száraz eljárásra osztható. 15–20% szárazanyag-tartalom esetén félszáraz erjesztésről beszélnek. A nedves erjesztési eljárás során folyadék hozzáadásával a hulladék 15% szárazanyag-tartalomig még keverhető és szivattyúzható zaggyá alakul. A száraz eljárásban a szárazanyagtartalom 20–40%. A feldolgozandó hulladék függvényében a zagy készítéséhez szükséges technológiai víz mennyisége változik, bizonyos hulladékokhoz azok kiindulási víztartalma miatt víz beadagolása nem szükséges. Az elmúlt években – elsősorban a maradék hulladékok kezelésekor – perkolálást (kilúgozást) is alkalmaztak, amely során az anyagot a technológiai víz kilúgozta. A szerves anyagokkal feldúsult technológiai vizet egy anaerob eljárási lépcsőbe vezették, ahol a szerves anyagokból biogáz képződött. Egyéb, a mezőgazdasági biogázüzemekben kipróbált eljárások az anyag elárasztásával (duzzasztási eljárás) vagy folyadék közvetlen beadagolása nélkül működnek. Az anaerob reaktorok és eljárások osztályozásának egyik kritériuma a biomassza feldúsulásának és visszatartásának módja: a reaktorok lehetnek biomassza-feldúsulás nélkül és feldúsulással üzemelő reaktorok. Az anaerob reaktorok osztályozása a 1. táblázatban látható. A bio- és maradék hulladék feldolgozására jelenleg kicsit nagyobb száraz eljárási kapacitás áll rendelkezésre, míg az elmúlt években a nedves és a száraz eljárások kapacitása közel azonos mértékben nőtt. A szerves vegyületek anaerob lebontása több lépcsőben, különböző mikroorganizmusok segítségével zajlik. Zavartalan lebontás csak a kü-
lönböző tulajdonságú mikroorganizmusok együttműködésével valósulhat meg. Az egylépcsős eljárásban a lebontási lépcsők egy reaktorban mennek végbe, ami veszélyezteti a folyamat stabilitását. A kétlépcsős eljárásban a hidrolízis és a metánképződés elkülönítetten történik. A könynyen lebomló hulladékok erjesztése savas termékek felhalmozódásához vezet, ami akadályozhatja a folyamat végbemenetelét. A kétlépcsős eljárásban a lebontási folyamatok szétválasztása lehetőséget biztosít a folyamatparamétereknek a mikroorganizmusok környezetéhez történő illesztésére, ugyanakkor megnő a berendezések és a telepítés költsége. A bio- és maradék hulladékok kezelése általában egylépcsős erjesztő berendezésben zajlik, mert a szerves vegyületek lebomlása egylépcsős folyamatban is stabilan végbemegy, ezáltal nem szükséges nagyobb beruházási ráfordítás. 1. táblázat Az anaerob reaktorok osztályozása A reaktor megnevezése
Az átkeverés módja
Jellemzők
Átkevert reaktor
Mechanikus, hidraulikus, gázkeringetés
Baktérium-visszatartás nélküli mosóreaktorok, amelyekkel kapcsolatban figyelembe veendő az anaerob lebomlási folyamatban részt vevő mikroorganizmusok generációs ideje. Főleg mezőgazdasági biogázberendezésekben alkalmazzák szarvasmarha- és sertéstrágya emésztésére.
Dugóáramú reaktor Mechanikus, gázkeringetés
Kizárólag biológiai és maradék hulladék száraz erjesztéséhez alkalmazzák, mert a nedves eljárásban a dugóáram nem tartható fenn.
Iszapágyas reaktor
Hidraulikus
Rögzített ágyas reaktor
Hidraulikus fel-, illetve lefelé irányuló áramlás
Nagy teljesítményű reaktorok, általában metánreaktorként, kétlépcsős erjesztési eljárásban alkalmazzák, mert a biomassza fixálása és visszatartása során nagy lebontási kapacitások érhetők el.
Eleveniszapos reaktor
Hidraulikus
Örvényágyas reaktor
Hidraulikus, gázkeringetés
A biohulladék-kezelés és a maradék hulladékok mechanikai-biológiai kezelésének helyzete a hulladékgazdálkodásban Németországban 2001-ben a bio- és zöldhulladék értékesítésére 12 M t/év feldolgozókapacitás állt rendelkezésre. Ebből az erjesztő berendezések éves feldolgozó kapacitása 2,4 M t/év, ezen belül a nedves eljárás kapacitása kicsit nagyobb volt. A bio- és zöldhulladék mellett feldolgozásra kerülnek szilárd és folyékony mezőgazdasági és ipari hulladékok is. 2005-ben Németországban 51 berendezésben kezeltek mechanikaibiológiai módszerrel maradék hulladékokat, összesen 5,6 M t/év feldolgozókapacitással. Ebből 36 berendezés (kapacitás: 3,8 M t/év) hagyományos berendezés, amelyek feladata lerakásra alkalmas hulladék előállítása. 13 berendezésben integrált anaerob lépcső található. A perkolátorral felszerelt berendezéseket az anaerob lépcsőhöz sorolják, mert a perkolálás során az erjeszthető anyagok a hulladékból folyékony fázisba kerülnek, és a nedves erjesztés lépcsőjébe táplálhatók. 17 további berendezés (kapacitás: 1,6 M t/év) csak mechanikai feldolgozóval rendelkezik. Az alábbi okokkal magyarázható az, hogy az anaerob eljárás jelentősége a hulladékkezelésben kisebb: – az utánkapcsolt anaerob lépcsővel felszerelt erjesztő berendezések beruházási költsége még mindig nagyobb, mint az aerob berendezéseké, bár a két berendezéstípus költsége közötti különbség napjainkban kisebb, mint az 1990-es években volt; – az anaerob lépcső integrálása a mechanikai-biológiai stabilizáló berendezésekbe megvalósítható, de gyakorlati tapasztalatok hiányában nagyüzemi léptékben nem alkalmazzák, – szemben a zöld- és biohulladékok energetikai hasznosításával, a megújuló energiafajtákra vonatkozó törvény ma még nem támogatja a hulladékokra épülő villamosenergia-termelést. 15 berendezés (feldolgozókapacitás: 1,7 M t/év) ún. mechanikai– biológiai, illetve mechanikai–fizikai stabilizáló berendezés, amelyekben a cél másodlagos tüzelőanyagok előállítása. A kezelés során a biológiai, illetve a fizikai lépcsők átveszik a hulladékok szárításának feladatát. Németországban az egyik legnagyobb maradékhulladék-kezelő erjesztő berendezés Hannover környékén üzemel, amelyben száraz erjesztési lépcsőként a Valorga eljárást alkalmazzák. Az anaerob kezelési lépcső kapacitása 110 M t/év, a keletkező biogáz mennyisége 13 millió
Nm3/év, a telepített elektromos teljesítmény 3,2 MW. A maradék hulladék szerves frakciójából a biológiai kezelés során keletkező biogázt a lerakóhelyi gázzal együtt értékesítik. Az aerob utórothasztási lépcső erjesztési maradékát intenzíven levegőztetik, az erjesztés során keletkező ammónia kihajtása érdekében.
Az erjesztési technológia alkalmazási lehetőségei Az erjesztés során felhasználásra kerülő nyers- és maradék anyagok hasznosítását a megújuló energiaforrásokra vonatkozó törvény szabályozza. Biogáz előállítására alkalmas anyagok és az évente keletkező mennyiségük az 1. ábrán láthatók.
a háztartásokból és a településekről származó szerves hulladékok; 580 M m3/év lerakók; 1250 M m3/év
kommunális és ipari szennyvíziszapok; 935 M m3/év szerves üzemi és ipari hulladékok; 435 M m3/év
energianövények; 11 100 M m3/év trágyalé; 5750 M m3/év
mezőgazdasági művelés; 405 M m3/év
a növénytermesztés melléktermékei; 3700 M m3/év
1. ábra A Németországban képződő biogáz forrásai, M m3/év (a teljes mennyiség: 24 Mrd m3/év) Németországban a lakosság 47%-a használ külön gyűjtőedényt (kukát) a bio- és zöldhulladékok gyűjtésére, a használat mértéke az új szövetségi államokban jelentősen kisebb, mint a régiekben. Az összes, el-
különítetten gyűjtött zöld- és biohulladék mennyisége 2001–2002-ben 8,1 M t volt (98 kg/lakos, év), ebből 4,3 M t/év biohulladék, 3,8 M t/év zöldhulladék. Különösen a maradék hulladék (27–39%-ban), de a háztartási hulladékhoz hasonló ipari hulladék is jelentős mennyiségű biogén alkotórészt tartalmaz. A nem elkülönítetten gyűjtött biogén hulladékok mennyisége 4,8 M t/év. A biohulladék erjesztéssel, míg a zöldhulladék inkább termikusan értékesíthető. Feltételezve, hogy egy tonna biohulladékból 100 Nm 3 biogáz keletkezik, az évente képződő biogáz mennyisége 480 millió Nm3. A hulladék 21,5 MJ/Nm3 energiatartalmával számolva 1000 GWh/év elektromos és 1300 GWh/év termikus energia állítható elő.
Fejlesztések az anaerob technikában Az anaerob eljárás alkalmazása a szilárd hulladékok értékesítésében az elmúlt években vált jelentőssé, elsősorban a légkör- és erőforrásvédelem miatt. Az eljárások ökológiailag hatékonyak, de csak megfelelően nagy energetikai hatásfok esetén, amelyet a fajlagos energiatermelés mértéke, a kezelő berendezés saját energiaigénye és a biogáz-hasznosítás határoznak meg. Az erjesztési eljárás teljesítményének a növelése, illetve az üzemviteli paraméterek javítása érdekében az alábbi területeken van szükség további kutatásra és fejlesztésre: – a gázkihozatal növelése érdekében erjesztés előtti előkezelés az anaerob módon lebontható szerves anyagok rendelkezésre állásának a növelése céljából, – a szilárd erjesztési maradék konfekcionálása trágya és szekunder tüzelőanyag előállítása érdekében, – a biogáz-értékesítés hatásfokának és az üzembiztonságnak a javítása.
A jövő lehetőségei Az erjesztés jövőjét Németországban nagymértékben az fogja meghatározni, hogy milyen tarifát állapítanak meg a megújuló energiaforrásokra vonatkozó új törvényben a nyilvános hálózatba betáplált villamos energiáért. Az erjesztési technika fejlődését jelentősen befolyásolhatja a speciális növényekből és növényi részekből előállított villamos áramért kapható külön támogatás. A feldolgozó kapacitás bővítése a zöld- és a biohulladékok kezelésére jelenleg nem szükséges, mert az ilyen hulla-
dékok szelektív gyűjtése nagyrészt megvalósult. Az erjesztési lépcső telepítése átépítés, utólagos beépítés, felújítás és csere során lehetséges. Az erjesztési lépcsőnek a bio- és a maradékhulladék-kezelésbe történő utólagos integrálásával megnő a feldolgozókapacitás, javul az energetikai hatásfok és csökkennek a levegővel távozó emissziók. Elméletileg lehetséges anaerob kezelési lépcsőt tartalmazó komposztáló berendezés telepítése vagy utólagos beépítése az alábbi módokon: – egy anaerob lépcső pótlólagos beépítése (a legrugalmasabb megoldás, lehetővé teszi a folyamatos nedves és a száraz eljárások integrációját), – az intenzív rothasztó rendszerek átépítése kombinált perkolációs és erjesztési lépcsőkké (a telepítés csak zárt rendszereknél alkalmazható, a kialakítás módja és az üzemvitel hasonlít a BEKON-eljáráshoz), – az intenzív rothasztó rendszerek átépítése perkolációs lépcsővé, elkülönített anaerob lépcső alkalmazásával (kiválóan alkalmas alagút- és Boxen-eljárások esetén). A rothasztó berendezés átalakításához a következő lépésekre van szükség: – a kazlak intenzív öntözése az aerob folyamat feltételeinek egyidejű, levegőztetés útján történő fenntartásával (aerob hidrolízis), – a perkolált (kilúgozott) szilárd anyag mechanikus vízmentesítése a perkoláció után a folyékony fázis teljes szilárdanyag-tartalmának növelése érdekében, – a szerves anyagokban feldúsult folyékony fázis erjesztése nagyteljesítményű reaktorokban (rögzített ágyas, illetve hibrid reaktorok). A dinamikus perkolációs eljáráshoz képest a fentiekben ismertetett statikus eljárások perkolációs teljesítménye és a keletkező biogáz menynyisége kicsi. A kisebb pótlólagos ráfordítás (beruházási és üzemeltetési költségek) miatt kedvezőnek tűnik az utólagos telepítés. A CO2-kereskedelem a zöld-, a bio- és a maradék hulladékok esetében alárendelt jelentőségű, mert a 2004. július 15-én hatályba lépett, az üvegházhatást okozó gázok emisszió-kereskedelmére vonatkozó törvény csak a 20 MW-nál nagyobb hőteljesítményű berendezésekre vonatkozik, a zöld-, a bio- és a maradék hulladékot értékesítő erjesztő berendezések pedig általában nem érik el ezt a teljesítményt (a 110 000 Mg/év kapacitású hannoveri erjesztőberendezés hőteljesítménye például 8 MW).
A német levegőtisztasági törvény (TA-Luft) 2002. évi módosításával megszigorított immisszióvédelmi követelmények elősegítik az erjesztési lépcső telepítését a komposztáló berendezésekhez. Az utólagos telepítések során meg kell valósítani – a komposztáló berendezések burkolását 10 000 t/év átmenő teljesítmény felett, – a megfelelő tárolási kapacitás kialakítását, – a feladó bunkerek zárt, zsiliprendszerű kialakítását, – a reaktorokból távozó füstgáz és a levegőztetett kazlak biofilterrel történő tisztítását. A berendezések utólagos telepítéséhez a hatóságoknak biztosítaniuk kell a vonatkozó előírások legkésőbb 2007. október 30-ig történő teljesítését (Szövetségi Immisszióvédelmi törvény 5. §). A zöld- és biológiai hulladékok mennyisége az évszakok függvényében változik, a téli hónapokban minimális. Vannak tervek, amelyek az erjesztés szabad kapacitását ebben az időszakban a mezőgazdasági maradék anyagok vagy az energianövények együttes feldolgozásával használják ki, így biztosítva az áramtermelő aggregátorok egyenletes terhelését. Az energianövények nemcsak mezőgazdasági maradék anyagok, hanem célzottan nemesített kultúrák, amelyeket speciális termelési eljárásokkal és előkezeléssel fejlesztenek ki az energetikai célú értékesítéshez. Ezek az alapanyagok savanyítással tárolhatóvá alakíthatók, és a téli hónapokban a biohulladékokkal együtt erjeszthetők. Összeállította: Regősné Knoska Judit Hüttner, A., Turk, T.; Fricke, K.: Stellenwert der Anaerobverfahren bei der energetischen Biomasse-nutzung im Abfallbereich. = Müll und Abfall, 38. k. 1. sz. 2006. p. 20–26. Santen, H.; Fricke, K.: Das Perkolationsverfahren zur Vorbehandlung vor der Vergärung – Leistungsfähigkeit und Auswirkungen auf den behandelten Abfall. = Müll und Abfall, 37. k. 2. sz. 2005. p. 56–65. Dalhoff, R.: Neue Wege in der Bioabfallbehandlung. = Wasser, Luft und Boden, 49. k. 3–4. sz. 2005. p. 46–48.
