SZERVES HULLADÉKOK KEZELÉSÉNEK FEJLŐDÉSI IRÁNYAI, KÜLÖNÖS TEKINTETTEL AZ ENERGIANYERÉSRE Az előadás bevezető részében összefoglaljuk a hulladéktechnológiákkal szembeni követelményeket, támaszkodva az EU hatalmas környezeti instrumentumává dagadt esetenként ellentmondásos – szabályozórendszerére. E technológiák esetében kevés kivételtől eltekintve szerves (szennyező) anyag lebontását, hasznositását, ill. ártalmatlanítását értjük. Ennek fontosabb okai; konkrétan a magyarországi viszonyok figyelembevételével: a) Az Országos Hulladékgazdálkodási Terv (OHGT) 2008-as előirányzata alapján az ún. nem veszélyes hulladékok begyűjtött mennyisége összesen 32,3 millió tonna/év, amelyből az alábbi tételek összetételében túlnyomórészt szervesanyag található: - Mezőgazdasági –élelmezésipari H. 3 Mt - Települési szilárd H. 5,2 Mt - Települési folyékony hulladék és szennyvíziszap 6,1 Mt Emellett: az ipari hulladékok 18 Mt mennyiségéből is egy kisebb rész a szervesanyag. A legnagyobb tétel az ún. biomassza 32 Mt teljes egészében szervesanyag (meghatározása az OHGT szerint: „a biológiai körforgásba megközelítőleg teljes egészében visszakerülő mező- és erdőgazdasági maradványok”). Az ún. veszélyes hulladékok (vörös iszap nélküli) 1,8 Mt/év mennyiségének kb. kétnegyed részét kitevő állati eredetű hulladékok, ill. ásványolaj/származék jellegű hulladékok is főleg szervesanyag összetételűek, és mint ilyenek biológiailag többé-kevésbé jól lebonthatók. b) A természetben „sorsukra hagyott” nem élő szervesanyagokra leginkább jellemző az instabilitás, ami legtöbbször intenzív bűzhatással járó spontán lebomlást jelent, egyben igen súlyos víz-, talaj- és atmoszférikus környezetszennyezést okoz. c) Nagymértékben a fenti okból, az 1999/31 ún. „EU lerakó irányelv” Hulladékgazdálkodási Törvény (HGT), és az OHGT igen szigorúan, határidőkkel korlátozza a biológiailag lebomló szervesanyagok lerakóra (szeméttelepre) vitelét (azonos bázis időszakhoz képest) Határidő Lerakóra vihető rész 2004 75% 2007 50% 2014 35% 1. táblázat A lerakható biohulladékok csökkentési üteme Fontos a kötelezettség gazdasági vonatkozását nyomatékosítani: a lerakás messze a legolcsóbb hulladékártalmatlanítási alternatíva. Így a helyébe léphető két csoport: - a biológiai eljárások is sokkal költségesebbek, de - a termikus eljárások (főleg beruházási) költsége hatalmas mértékben drágítja azonos probléma megoldását.
1
Az OHGT nyilvánvalóan emiatt, de környezeti károssága miatt is igen korlátozott égetési kapacitásbővítést irányoz elő. d) Fontos az ártalmatlanítás energiamérlegének értékelése is. A szervesanyag lebontás említett mindkét útja potenciálisan energiatermelő, de a kinyert energia nagyon eltérő mértékben hasznosítható a választott megoldás alapelve és kivitele függvényében. A nagy kérdés az, van-e egységes értékelési módszer a nyerhető energia meghatározására? Ugyanazt az égési reakciót kétféle entalpiaváltozás kísérheti, attól függően, hogy a keletkező víz gőzállapotban marad-e, vagy kondenzálódik. Az első esetben bekövetkező entalpiaváltozást hívják fűtőértéknek, míg a másodiknál az égéshő mindig magasabb a fűtőértéknél . Mivel a mikróbák összes lebontó/energiatermelő reakciójaa sejt citoplazmájában játszódik, a keletkező viz is folyadékállapotú, e mikróbiális rendszerek mindig a magasabb égéshőt hasznositják. Néhány szerves anyag égéshőjét gyűjtöttük ki az 1. sz. táblázatba. Vegyük észre, hogy az 1 grammnyi anyagra vonatkoztatott reakcióhő jelentősen különbözik a három fő tápanyagcsoport (fehérjék, szénhidrátok, zsírok(lipidek)) esetén. A lipidek több, mint kétszer annyi energiát tartalmaznak grammonként, mint a fehérjék vagy a szénhidrátok, ideértve a keményítőt és a cellulózt is. Mivel a legtöbb szerves hulladék e három nagy csoportból felépülő keveréknek tekinthető, égéshőjük jó közelítéssel a nagyon széles 8,8-38,9 kJ/g tartományba esik.
-2 817 -1 365
kJ/g KOI
180 90
kJ/g
a
C6H12O6 CH3CH(OH)COOH
g KOIa/g szerves anyag
tripalmitin fehérjék glicin (aminosav) szénhidrogének n- dekán metán
H0R (kJ/mol)
g KOI /mol
szénhidrátok glükóz tejsav poliszacharidok (pl. keményítő és cellulóz) lipidek palmitinsav
képlet
molekulatömeg (g/mol)
név
192 96
1.067 1.067
15,66 15,15
14,69 14,23
(C6H10O5)X CH3(CH2)14COOH
1.185
(CH3(CH2)14COO)3(C3H5)
256 809
-10 038 -31 437
736 2 320
2.87 2.87
39,22 38,85
13,63 13,56
CH2(NH2)COOH
75
-683
48
0.64
9,13
14,27
CH3(CH2)8CH3 CH4
142 16
-6 739 -882
496 64
3.49 4.00
47,47 55,12
13,60 13,77
: kémiai oxigénigény 1. táblázat: Néhány szerves anyag égéshője A gyakorlati alkalmazásra, amikor nem ismert a hulladékok pontos , vagy közelitő összetétele sem, új megközelítés lehetőségét rejtik a 1. táblázat utolsó oszlopának meglepően állandó értékei. Ennek megfelelően létezik egy, bárminemű szervesbomlás energiavetületére érvényes ökölszabály, miszerint az égés során 14.2 0.84 kJ energia szabadul fel 1 gramm KOInak megfelelő szerves hulladékból.
2
Avagy: 4g KOI-ból 1g metán képződik. Ezek a megállapítások a legtöbb szerves anyagra igazak, és mivel a KOI-mérés a legtöbb laboratóriumban könnyedén elvégezhető, a fenti szabály alapján könnyen becsülhető az égéshő. A fenti megfontolások tükrében érthető, hogy az anyagok széles spektrumára igaz, hogy a KOI az aerob oxidáció során felszabaduló energiamennyiséggel arányos ( ez a hő fűti fel a komposztálódó hulladéktömeget, vagy folyadékfázisú eljárásváltozatánál az ún. ATAD reaktor töltetét) . A legnagyobb anyagtömeg, a LIGNOCELLULÓZ ALAPÚ HULLADÉKOK ENERGETIKAI hasznositásának kérdésköre szélsőséges végletek között változó megítélésű, benne a közvetlen eltüzeléstől az elvileg magas hozzáadott értékű tárolható motorhajtóanyagig terjedő termékű megoldások széles skálája. Az elsőt , mivel forrása nem is hulladék, nem tárgyaljuk.. Ennél az esetek többségében meglévő széntüzelésű erőművek, átalakításáról van szó. A fűtőanyag túlnyomórészt kétesen fenntarthatókitermelésű rönkfából aprított faapríték (amelyet lehet „elegánsan” dendromasszának is hívni). Mindezek mellett a lignocellulóz biomasszák hőbontása, ezeken belül pedig az ELGÁZOSITÁS jelenleg a talán leginkább perspektivikus eljárás csoport, melynek hőfoktartománya a legmagasabb 900-1000 C. A lignocellulóz biomasszahulladékra érvényes összefoglaló reakciósémája: C6H10O5 + 1/2O2 → 6CO + 5H2 + 1,85 MJ/kg bemenő anyag. A megfelelően gyorsfűtést villamosan, majd a visszahűtést folyékony N2 befecskendezésével történő ún. quencheléssel érik el, amivel a kátrányképződés gyakorlatilag elkerülhető. A gáz fő összetevői 11-13% CO, 14-17% H2 és mintegy 70% N2 – 3,2-3,5 MJ/Nm3 fűtőérték mellett. Ez csak félüzemi fejlesztésként működő, nagyon gazdaságtalan eljárás, de létezik emellett bizonyos tekintetben hátrányosabb, de ipari alkalmazásra érett megoldás. amelynek kulcs berendezése a cirkulációs fluidágyas elgázosító. Kiemelkedő összteljesítményét meglehetősen bonyolult körfolyamatba foglalt (l.2 ábra) sokféle, minden lehetséges energiahasznosítási lehetőséget kiaknázó részfolyamat, ill. berendezés összekapcsolása eredményez egy finn terv szerint.
2. ábra.
cirkulációs fluidágyas elgázosító körfolyamat
3
A többféle alacsony hőfok szintű külön hasznosító távhőellátás, nyersanyag előmelegítés, és szárítás mellett fontos eleme a két lépcsős; gázturbinás, ill. gőzkörfolyamatos villamos energiatermelés, amelynek eredményét a korszerű szilárd oxidos tüzelőanyag-cella beiktatása fokozza. Ezzel legmagasabb energiaszintű (1,0 energia minőségi tényező) villanytermelésre az energetikai hatásfok 58% (!!!)-ra növelhető, jellegzetesen távhőellátás rendeltetésű hőre ez további 38% a végeredmény pedig a szinte hihetetlen 96%-os összhatásfok. (200 MW bemenő tüzelőanyag energiaárammal kifejezett kapacitás mellett). Elvileg tárgyalni kellene a „médiabajnok” un. Bioetanol, biodizel motorhajtóanyagelőállitás rendkívül perspektivikusnak mondott alternatíváit, azomban az előirányzott, ill. szóbajövő nyersanyagok között nem szerepel a lignocellulóz biomasszahulladék, csak a keményítő ill cukoralapu haszonnövények.Így viszont rendkívül előnytelenné válik egyrészt egy szemléletes összehasonlítás szerint - a kukorica közvetlen elégetéséhez hasonlított energiamérlege: az utóbbinál 54%., míg a bioetanolnál mindössze 9,4% az energiahasznosítás mértéke. Az USA gyakorlatban és nagy kapacitásokkal előrehaladott programja jól mutatja az ott még sikeresen ellensulyozott, de kevésbé gazdag országban baljós prognózisú környezet/termőtalajrombolástól a hulladéktermelésen át a népélelmezési hátrányokat generáló hatását. A nagyon várt un. másodgenerációs, (biorefinery) technológiájának fő nehézségét a cellulóz igen nehezen „támadható „ kristályos szerkezete, a felületrét bevonó ligninburok, nagy fajlagos felület finom aprítással is nehezen biztosítható előállítása okozza ami a glükóztermelő enzimes hidrolizis feltétele az alkoholos erjesztés előtt.. A bevezetőben felsorolt hulladékok többségénél egyértelmű az ANAEROB BIOGÁZOSITÁS MESSZEMENŐ ELŐNYE a gyakorlatban. Három nyersanyagfajta biogázosításában kulcsszerepet játszó technológiai „state of art” helyzetet ill. a fejlődési irányzatokat, röviden az alábbiakkal jellemezhetjük, amelyekből legalább egy fontos következtetés fog adódni: a.) a trágya biogázosítás műszaki-technológiai eszközeiben kevés az előrehaladás – ennek ellenére fontos az intenziv további alkalmazás.(Egy újszerű megközelitésű saját fejlesztés ismertetésére kitérünk). b.) A háztartási hulladékok kezelésében legnagyobb a fejlődés, ami főleg a „száraz eljárások megjelenésével” látszik megvalósulni (BIOCEL szakaszos rendszer UASB reaktorral kapcsoltan az a.) pont szerinti törekvéshez hasonló.) c.) Az iszaprothasztás módszertana egészen új eszközökkel keresi a konzervatív 20-30 napos kezelési idők (és beruházási költéség) csökkentésének útját, de gyökereiben azonos alapgondolatból kiindulva: a biogázosítást megelőzően mechanikai vagy termikus előkezeléssel kell feltárni az iszapot a gyorsabb lebontás érdekében. E tendenciák összevetéséből valószínűleg indokolt azt a következtetést levonni, hogy egyrészt várható az egyes nyersanyagspecifikus fejlesztési eredmények átvétele más anyagok kezelésére, másrészt törekedni célszerű hasonló „keresztirányban megtermékenyítő hatású” fejlesztési információátvitelre.
4
A legfontosabb, b.) ponthoz tartozó fejlesztéseknél csak a KOMMUNÁLIS (NÁLUNK TELEPÜLÉSI) SZILÁRD HULLADÉKOK SZERVES FRAKCIÓJÁVAL FOGLALKOZUNK (biohulladékok, az angol Organic Fraction of Municipal Solid Wastes elnevezésből ered a gyakran használt OFMSW betűszó). Ezek elválasztása a hulladékok egyéb frakcióitól megtörténhet már közvetlenül a keletkezés helyszínén, illetve erre specializálódott üzemekben. Nyersanyagtól függően szükség lehet az előkezelés során a következő műveletekre: mágneses szeparálás, aprítás, szitálás, őrlés, pépesítés, gravitációs szeparálás (száraz) vagy pasztőrözés. A rothasztás utáni kezelés tipikusan mechanikai víztelenítésből, aerob utókezelésből és az elválasztott víz tisztításából áll, azonban léteznek egyéb alternatívák is, melyek kapcsolódását a 3. ábra mutatja.
vas műanyag
durva darabos anyag
Hő OFMSW
mágnes/méret szerinti osztályozás/ pépesítés/őrlés/pasztőrőzés
Biogáz (50-70% CH4)
Elektromos energia HIDROLÍZIS
METÁNOSÍTÁS
víztelenítés Komposzt
Aerob utóérlelés
műanyagok homok rostanyagok
nedves szeparációs eljárások
3 . ábra: Az OFMSW potenciális elő- és utókezelési technológiáinak áttekintése A száraz rendszerekben a reaktorban található anyagot mintegy 20-40%-nyi szárazanyagtartalom jellemzi. Ebben az esetben csak a nagyon száraz (TS >60%) nyersanyagok esetén van szükség higításra. Az ilyen nagy szárazanyagtartalmú hulladékok kezelése során teljesen más technológiai megközelítésre van szükség, mint a nedves alkalmazások esetében. A hulladék mozgatása szállítószalaggal, csigákkal, és speciális, viszkózus anyagokhoz tervezett szivattyúkkal történik. Ezek a gépek jóval drágábbak, mint a nedves technológiánál használt centrifugálszivattyúk, azonban rugalmasabbak és robusztusabbak is annál, mivel itt 20 és 50% TS-tartalom közt bármilyen anyag kezelhető, és a nagyobb darabok, például kövek, fadarabok, üvegcserepek sem jelentenek problémát. Egyetlen előkezelési lépésre van szükség, mielőtt a hulladékot a reaktorba tápláljuk: el kell távolítani a kb. 40mm-nél nagyobb darabos szennyezőket. A száraz technológiánál alkalmazott előkezelési lépések tehát egyszerűbbek, mint a nedves technológia esetén, és különösen alkalmassá teszik a technológiát olyan hulladékok biogázosítására, melyek 25 tömeg%-nál több darabos, nehéz inert anyagot tartalmaznak. A hulladék a reaktorban a nagy viszkozitás miatt megközelítőleg dugóáramban mozog, ami miatt nincs szükség mozgó alkatrészekre. Legkevesebb háromra tehető azoknak a technológiáknak a száma, melyek hatékonynak mutatkoztak a szilárd hulladékok ipari léptékben történő keverésére. (l.4.ábra) A Dranco eljárás során a reaktor alján elvett anyag egy részét recirkuláltatják, és hozzákeverik a reaktor tetjén beadagolt friss hulladékhoz, ez biztosítja a megfelelő keveredést (általában egy rész friss anyagot kevernek hat rész már kezelt hulladékhoz). Ez az egyszerű eljárás hatékonynak bizonyult a 20-50% TS-tartalmú hulladékok kezelése során.
5
A Kompogas ill. BRV eljárás hasonlóan működik, annyi eltéréssel, hogy a dugóáram vízszintesen valósul meg a hengeres reaktorokban. A vízszintes dugóáramot a reaktortérben elhelyezett, lassan forgó keverőkkel segítik, melyek szerepe a homogenizálás és a gáztalanítás mellett a nehezebb, esetleg kiülepedő részek visszakeverése. Ez a technológia a hulladék szárazanyagtartalmának pontos beállítását igényli kb 23%-ra. Ha ennél hígabb a betáplált hulladék, a nehezebb részek kiülepedése zavaróvá válik, ha pedig számottevően töményebb, akkor az áramási ellenállás lesz túlságosan nagy. A Valorga rendszer abban tér el az előbbiektől, hogy a vízszintes áramlás körkörösen jön létre az álló henger alakú reaktorban, és a keverést a reaktor alján, mintegy 15 percenként beinjektált nagynyomású biogáz biztosítja. Mechanikai okok miatt a Kompogas reaktor töltettérfogata rögzített, tehát egy ilyen reaktorokból álló üzem kapacitása csak a reaktorok üzembe állításával/leállításával szabályozható. A reaktorokat párhuzamosan kötik be, és oly módon építik meg, hogy a kapacitásuk kb. 15 000 vagy 25 000 tonna/év legyen. A rendszer lehetséges hátrányai közé tartozik a gázbevezető csövek eltömődésének veszélye, illetve az ebből következő gyakori karbantartás. inokulum recirkulációja
biogázrecirkuláció
betáplálás
rothasztott anyag
betáplálás
rothasztott anyag
rothasztott anyag
betáplálás
4. ábra: A száraz rendszereknél használatos reaktorkialakítások (balról jobbra: Drancorendszer, Kompogas- (BRV-) rendszer, Valorga-rendszer.) Biológiai térfogati lebontási teljesítményadatok: A szervesanyag lebontás fokát tekintve a fent részletezett három eljárás hasonlóan teljesít, 90m3/tonna friss kerti hulladék, illetve 150 m3/tonna friss élelmiszeripari hulladék biogázhozamokkal. Ezek megfelelnek 210-300 m3 CH4/tonna szervesanyagnak, azaz 50-70%-os szervesanyag -redukciónak. A száraz technológia különböző megvalósításai közt már jóval jelentősebb különbségek vannak a fenntartható legnagyobb terhelés tekintetében. A hollandiai Tilburgban működő Valorga üzem heti 1000 tonna növényi hulladékot kezel két 3000 m3-es reaktorban, 40°C-on. Ez 5 kgIS/m3d terhelésnek felel meg, ami nagyjából egyezik a nedves technológiákra jellemző terhelésekkel. Megfelelően üzemeltetett száraz rendszerek azonban sokkal nagyobb terhelésekkel is működhetnek, mint azt a Brechtben (Belgium) működő Dranco üzem példája is mutatja, ahol különösen jó, 15 kg szervesanyag /m3d átlagos terheléssel működött a rendszer egy éven keresztül.
6
