HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA
8.3
Energiakinyerés fűhulladékból kétfázisú anaerob emésztés útján Tárgyszavak: települési hulladék; kétfázisú anaerob emésztés; anyagok; módszerek; eredmények; modellezés.
A települési hulladék alternatív feldolgozásának szükségessége Az Egyesült Államokban évente több millió tonna szilárd hulladék képződik lakossági, ipari és mezőgazdasági forrásból. A települési hulladék mennyisége kb. évi 208 M t, amely évi 1,1%-kal nő. A szilárd hulladék egyszerű deponálása szennyezi a földet, a vizet és a levegőt. A szilárd hulladék bomlása során képződő metán és szén-dioxid hozzájárul a globális felmelegedéshez. Egy 2000-ben hatályba lépett levegőtisztasági törvény előírja a deponált hulladékból származó gázok kibocsátásának csökkentését, megbecslését és műszeres követését. A városi hatóságok számára ezek a kötelezettségek nehézséget jelentenek, ezért nőtt az érdeklődés olyan módszerek iránt, amelyekkel a lakossági hulladék szerves részének légmentes (anaerob) lebontása felgyorsítható. A fű és az udvari szemét a települési hulladék jelentős részét teszi ki (a teljes szilárd települési hulladék mintegy 14,6%-a, a szerves frakciónak pedig közel 50%-a). A szerves hulladék stabilizálásának több módja ismert, pl. a komposztálás, az egyfázisú anaerob emésztés és a kétfázisú anaerob emésztés. A komposztálás gyors lebomlást eredményez, de a szén-dioxid ellenőrzés nélkül jut ki a légkörbe, és még azzal az előnnyel sem jár, hogy a hulladék energiatartalmát hasznosítjuk. Ezzel szemben az egyfázisú anaerob emésztés során 4060% metánt tartalmazó gázok képződnek, amelyeket energiatermelésre is fel lehet használni. A hagyományos egyfázisú emésztőkben azonban a metántermelő és a savtermelő baktériumok egy rendszerben fordulnak elő. Az ilyen közegben az illékony zsírsavak (VFA) képződési sebessége nagyobb, mint a VFA átalakulási sebessége metánná. Ez a savak feldúsulásához, a pH csökkenéséhez és a metánképződés inhibiálásához vezet. E problémák kiküszöbö-
lésére javasolták a kétfázisú anaerob emésztést, amelyben a kétféle mikrobiológiai környezetet fizikailag is elválasztják, két külön reaktorban folyik a bontás (1. ábra).
gáz betáplálás visszaáramlása
szilárd ágy (savképzők)
szilárd fázisú reaktor, visszaáramoltatás
gáz anaerob szűrő (metánképzők)
szivattyú
szivattyú betáplálás
1. ábra A kétfázisú anaerob emésztés vázlatos folyamatábrája A kétfázisú rendszer egy szilárd fázisú reaktorból és egy metánképző reaktorból áll. A szilárd fázis esetében vizet csorgatnak a hulladék teteje irányából, csepegtető vagy permetező öntöző segítségével. A kiázott oldatot összegyűjtik és recirkuláltatják a szilárd hulladékágyon keresztül, amíg a VFA koncentráció el nem ér egy bizonyos határértéket. Ekkor a kioldott anyagokat átviszik a metántermelő reaktorba, ahol a VFA komponenseket viszonylag rövid idő alatt (2–3 nap) metánná alakítják. A metántermelő reaktorból kifolyó maradékot visszajuttatják a szilárd fázisú reaktorba, hogy helyreállítsák a VFA eredeti koncentrációját. A rendszer vízigénye viszonylag kicsi (kb. 25%-kal nagyobb, mint az ún. szabadtéri kapacitás), és ez folyamatosan cirkulál a két reaktor között. A kétfázisú rendszernek számos előnye van az egyfázisúval szemben. Először is a tartózkodási idő sokkal rövidebb a kétfázisú reaktorban, mint az egyfázisúban. A kétfázisú rendszer átlagos tartózkodási ideje 6–12 hónap, szemben az egyfázisú rendszer 30–50 évével (!). A másik előny az egyfázisú rendszerhez képest a sokkal nagyobb gázkonverziós hatásfok. A kétfázisú rendszerben 1 kg illékony szilárd hulladékból 0,66–0,85 m3 metán képződik, szemben az egyfázisú rendszerben tapasztalt 0,22–0,48 m3-es értékkel. A kétfázisú rendszerben a gáz metántartalma is nagyobb (50-80%), mint az egyfá-
zisúban (40-60%). Itt fűhulladék feldolgozására vonatkozó adatok találhatók kétfázisú anaerob rendszerben feldolgozva.
A felhasznált anyagok és módszerek A szilárd fázisú reaktor egy 8 m3-es tartály volt, amelyet 1 mm-es polietilén béléssel láttak el. A tartályon volt egy beömlőnyílás, egy kiömlőnyílás és egy permetező öntöző a folyadék recirkulációjára. A feldolgozott szerves anyag 155 kg 24 kg/m3 halmazsűrűségű pázsitfű volt, amelynek kiindulási nedvességtartalma 8% volt. A kísérletek megkezdése előtt meghatározták a szabadtéri kapacitást, amelyet 70%-nak találtak, az illékony szilárdanyagtartalom 88% volt. A töltethez a szabadtéri kapacitásnál 25%-kal több vizet adtak, ami 700 l-nek felelt meg, ezt cirkuláltatták. Az abszorpció és a párolgás miatt a forgó vízmennyiséget időnként pótolni kellett. A metántermelő reaktorok két, 366 cm hosszú és 30,5 cm belső átmérőjű PVC csőből álltak, amelyeket megfelelő bemeneti és kimeneti nyílásokkal láttak el. A csöveket kereskedelmileg beszerezhető töltettel látták el, hogy elősegítsék a baktériumok letapadását és szaporodását. A töltet porozitása 90%-os volt, tehát az oszlopoknak egyenként 190 l-es szabad folyadéktérfogata maradt. Az oszlopokat anaerob szűrőkkel látták el. A szilárd tölteten a vizet addig áramoltatták, amíg a pH el nem érte az 5,4-es értéket, ami benne van az acidogén (savtermelő) baktériumok számára optimális 4,0–6,5 tartományban. A kioldott anyagokat átjuttatták az anaerob szűrőbe, és azt fokozatosan megtöltve meghatározták a szűrők szerves anyaggal való terhelhetőségének a kapacitását. Ez az érték 2,7 kg kémiai oxigén igény/szűrő m3/napnak adódott. Annak kiderítésére, hogy a hőmérséklet hogyan hat a gázosítási hatásfokra, az egyik szűrőt fűtőszalaggal melegítették, ami a szobahőmérséklet felett kb. 5,5 oC-kal melegebb szűrőt eredményezett. A másik szűrő szobahőmérsékletű maradt. Folyadékmintákat vettek a szilárd fázisú reaktor, valamint az anaerob szűrő ki- és bemeneti oldalán, mérték a kémiai oxigénigényt (COD), a pH-t és az illékony zsírsavak (VFA) mennyiségét. A gáztérből vett mintákban mérték a CO2, a CH4, az N2, a H2S és az O2 mennyiségét.
A mérési eredmények és értékelésük A kísérlet 190 napon át folyt, november 1. és május 7. között. A működést akkor állították le, amikor a COD és a VFA érték tartósan alacsony maradt. A COD érték az első hónapban egy 35000 mg/l-s csúcsértéket ért el, majd a 190 napos működés végére 5000 mg/l-re csökkent. A befolyón mérhető COD görbe alatti terület a reaktorba bevitt illékony szilárdanyag-tartalom mintegy 67%ának felel meg. A maradék 33% komposztszerű maradékként a szilárd fázisú reaktorban maradt. Azt, hogy érdemes-e a működést tovább folytatni, amíg a
maradék illékony szilárd anyag is át nem alakul, gazdasági és működtetési szempontok döntik el. A szűrőkből kiáramló anyag COD értéke kb. 5000 mg/lre csökkent, függetlenül attól, hogy a szűrőt fűtötték vagy nem. A VFA értékek a COD görbékhez hasonló lefutást mutatnak. A beömlő áramban a VFA érték a COD érték mintegy 40–60%-a. A kísérlet végére a VFA mintegy 85%-a gázzá alakult, a fűtött szűrőn valamivel nagyobb hatásfokkal, mint a szobahőmérsékletűn. Ha az összes gázfejlődést nézzük, a fűtött szűrőn képződő gáz mintegy 40%-kal több, ami a nagyobb mértékű COD konverzióval magyarázható. Ez a melegítés és a jó hőszigetelés fontosságát támasztja alá a VFA biogázzá való átalakításában. A fejlődő gázban az átlagos metánkoncentráció 70% körüli, a maximum 79% volt. A metántartalom szempontjából nem volt jelentős különbség a szobahőmérsékletű és a fűtött szűrők között. A következő legfontosabb komponens a szén-dioxid (26%), a maradék 3% pedig oxigént, nitrogént és kénhidrogént tartalmaz. A felhasznált COD kg-jára vonatkoztatva a standard állapotú metán kitermelése 0,344 m3 volt a fűtött és 0,339 m3 a szobahőmérsékletű rendszer esetében.
A gázosítás modellezése A termelt gáz metántartalma nagyon fontos gazdaságossági tényező a szerves hulladék biogázosításakor, ezért fontos lenne kifejleszteni egy olyan modellt, amelynek segítségével megjósolhatjuk a főbb gázkomponensek koncentrációját a folyamatparaméterek, pl. a pH, az alkálitartalom vagy a VFA koncentráció függvényében. Ez különösen akkor fontos, ha az emésztőüzem nem rendelkezik gázkromatográffal, mert a modell segítségével nedves analitikai módszerrel meghatározott paraméterekből megbecsülhetjük a gázösszetételt. A gázfázisú metánt termelő reaktorban egyensúly van a pH és a folyadékfázisú bikarbonát koncentrációja között, valamint a pH és gázfázisban levő szén-dioxid koncentrációja között. Ha kombináljuk a Henry törvényt (H = Cgáz/ Cfolyadék) és a karbonátegyensúlyra vonatkozó egyenletet (K = [H2CO3]/ [H+][HCO3-]) a szén-dioxid és a bikarbonát alkálitartalom (BA), valamint a pH között, az alábbi összefüggést lehet fölállítani:
log BA = pH − pK a + log((C / ((100 × H) × (1000 / 18)) × 50000) ahol BA a bikarbonát koncentrációja mg/l CaCO3 egységben, pKa a szénsav (első) disszociációs egyensúlyi állandója 15 oC-on (pKa = 6,42), C a széndioxid koncentrációja az oszlop fejtermékében, H a Henry állandó 15 oC-on (H=1200 atm/mol). Egy másik egyenlet érvényes a bikarbonát alkálitartalom, a teljes alkálitartalom és a VFA koncentráció közti összefüggésre:
BA = teljes alkáli–0,85×0,833×VFA (ecetsavban számolva) A két egyenletet kombinálva kiszámítható a fejlődő gáz CO2-tartalma. A mért és számított CO2-tartalom közti összefüggés korrelációs együtthatója 0,89, ami elfogadható egyezést mutat. A kisebb komponenseket elhanyagolva a metántartalmat jó közelítéssel megkapjuk, ha a 100%-ból kivonjuk a széndioxid-tartalmat.
Következtetések A kísérlet eredményeként elmondható, hogy a kétfázisú emésztőben a fűhulladék a deponált hulladék átalakításához képest viszonylag rövid idő (190 nap) alatt gázosítható. A szükséges idő tovább rövidíthető, ha az emésztőt fűtjük és/vagy szigeteljük. A termék gáz metántartalma átlagosan 71%, és egy kg fűből hozzávetőleg 0,145 m3 metán termelhető. Az üzemi megvalósítás esetén ez az érték attól függ, hogy mennyi ideig tartjuk a hulladékot az emésztőben, és ezt gazdaságossági szempontok határozzák meg. Matematikai eszközökkel, nedves analitikai módszerekkel meghatározható kiindulási adatokból kiindulva a kilépő gáz összetétele jól modellezhető. (Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes) Yu, H.W.; Samani, Z. stb.: Energy recovery from grass using two-phase anaerobic digestion. = Waste Management, 22. k. 1. sz. 2002. p. 1–5. Buckner, s. C.: Controlling odors during grass composting. = Biocycle, 43. k. 9. sz. 2002. p. 20–22.
Egyéb irodalom Gürmen, S.; Timur, S.; Duman, I.: Gewinnung von Kupfer und Zink aus Fällprodukten. (Réz és cink kinyerése melléktermékekből.) = Metall, 57. k. 1–2. sz. 2003. p. 40–44. Vollrath, K.: Edelstahl-Recycling erfordert Know-how und Sorgfalt. (Acélhulladék hasznosítása, know-how.) = Recycling Magazin, 56. k. 20. sz. 2001. okt. p. 28–30. Chen, J. H.; Chen, K. S. stb.: On the pyrolysis kinetics of scrap automotive tires. (Hulladék abroncsok pirolízisének kinetikája.) = Journal of Hazardous Materials, 84. k. 1. sz. 2002. jún. p. 43–55. Kiser Jonathan, V. L.: Scrap-Tire-Pyrolysis – The Impossible Dream? (Abroncshulladék pirolízise – elérhetetlen álom?) = Scrap, 59. k. 5. sz. 2002. szept./okt. p. 34–41.
Taylor, A.: Waste Tyres fuel cement production. (Hulladék abroncs a cementgyártásban.) = Wastes Management, 2002. jún. p. 26–28. Miquel, G. S.; Fowler, G. D.: The leaching of inorganic species from activated carbons produced from waste tyre rubber. (Szervetlen anyagok kilúgozása hulladék abroncsból nyert aktív szénből.) = Water Research, 36. k. 8. sz. 2002. ápr. p. 1939–1946.
X. Budapesti Nemzetközi Könyvfesztivál 2003. ÁPRILIS 24-27. BUDAPEST KONGRESSZUSI KÖZPONT
30 ország félezer kiállító sok tízezer megvásárolható kiadvány másfélszáz szakmai és közönségprogram Európai Elsőkötetes Szerzők Fesztiválja kortárs francia irodalom és könyvkiadás nemzeti irodalmak bemutatkozása Könyvtáros Klub További információk: www.mkke.hu
