Tisztelt Hölgyeim és Uraim, kedves Kollégák!

bevezetô

Editorial

Tartalomjegyzék Table of contents

Tisztelt Hölgyeim és Uraim, kedves Kollégák!

Bevezető / Editorial........................ 1 „Hírös” komposztálás Kecskeméten / The composting plant in Kecskemét, Hungary......................................... 2

Egy rövid szünet után megújult erővel készítettük el Önöknek a Biohulladék Magazin legújabb számát, amelyet szeretettel ajánlok szíves figyelmükbe. Az új hulladéktörvénnyel új időszámítás kezdődött a magyar hulladékgazdálkodás területén, hiszen a lerakó járulék bevezetésével január 1-jétől már nemcsak elméleti és ideológiai kérdés a hulladékok eltérítése a hulladékgazdálkodás hierarchiájának utolsó lépcsőjén álló lerakással történő ártalmatlanítástól, hanem gazdasági szükségszerűség is. Bízunk benne, hogy ez a törvény kiegészülve a végrehajtási rendeletekkel a biológiailag bomló hulladékok hasznosításában is áttörést fog hozni. Ha kitekintünk határainkon túlra, akkor hasonló tendenciákkal találkozunk, egy példát azonban szeretnék kiemelni. „Lengyel–magyar két jó barát” tartja a mondás, de most barátaink a hulladékgazdálkodás terén egy kicsit elhúztak tőlünk azzal, hogy tavaly szeptemberben hatályba lépett a hulladékok lerakhatósági feltételeit meghatározó jogszabály, amely a fejlettebb országokban már néhány éve létezik. A paraméterekből a biológiai stabilitás (AT4 érték) és a maximális fűtőérték talán a legfontosabbak, hiszen ezek garantálják egyrészt a lerakók kedvezőtlen környezeti hatásának csökkentését, másrészt a magas fűtőértékű frakció energetikai hasznosítását a lerakás helyett. Következő számainkban több lengyel projektet is be fogunk mutatni, remélve, hogy hamarosan nálunk is szabályozva lesz ez a terület is. A megszokott rovatok mellett ezúttal 4 darab tudományos cikket is olvashatnak, amely bizonyítja, hogy a kutatás-fejlesztés, az innováció töretlen a szakterületünkön.

Tisztelettel: Dr. Aleksza László

Dear Readers, After a short break, we prepared the latest issue of Biowaste Magazine with renewed effort, and I would now like to bring it to your kind attention. In Hungary, the new waste law marks a new era in waste management since introducing the landfill disposal fee from 1 January 2013 makes diverting waste from landfills disposal being the least preferred step of the waste management hierarchy - not only a theoretical and ideological question, but also an economic necessity. We trust that this law, along with implementing regulations, will bring about a breakthrough in the utilization of biodegradable waste. If we look outside our borders, we see similar trends. I would, however, like to highlight one example. “Poles and Hungarians are good friends” goes the saying, but our friends have, so to say, overtaken us in the field of

waste management in that the law regulating the conditions of waste disposal had already been enacted last September in Poland. In more developed countries similar regulations have already been in force for several years. From among the various parameters to be considered, biological stability (AT4 value) and maximum calorific value are probably the most important since they guarantee that adverse environmental impacts are minimized as well as fractions with high calorific value are utilized for energy generation instead of being landfilled. In our forthcoming issues we will introduce several Polish projects in the hope that appropriate legislation will soon follow in this field in Hungary. Besides our regular columns, this time we present four scientific articles which prove that research and development as well as innovation show steady momentum in our field. Yours, Laszlo Alexa

Hogyan tud a biohulladékok komposztálása és erjesztése hozzájárulni az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentéséhez? / Composting and Fermentation of Biowaste – Contribution to reduce Greenhouse Gases ............................................ 8 Energiaültetvények létesítése: ültetési alapanyag és telepítés / Creation of Energy Plantations: Planting Materials and the Planting Process ............. 13 Tudományos melléklet / Scientific section ....................................... 15 Almalégyártási melléktermék hasznosításának vizsgálata / Utilization Experiments of Apple Pomace ...... 37 Biológiailag lebomló hulladékok, komposzt és bio-szén mezőgazdasági újrahasznosítása a szintetikus műtrágyák és kemikáliák csökkentésére / Reducing mineral fertilisers and chemicals use in agriculture by recycling treated organic waste as compost and bio-char products .... 42

Biohulladék Magazin Negyedévente megjelenő szaklap Kiadja/Published quarterly by: Profikomp Zrt. Szerkesztőbizottság/ Editorial board: Dr. Aleksza László, Dr. Csőke Barnabás, Dr. Füleky György, Dr. Gyuricza Csaba, Ferencz Károly Felelős kiadó/Publisher: Dr. Aleksza László Magyar nyelvű cikkek fordítása angolra és lektorálás: Válaszút Fordító Iroda/ Translation and proofreading from original non-English language work: Válaszút Translation Agency Tervezés és nyomdai előkészítés/Design and layout: Stég Grafikai Műhely Nyomtatás/Printed by: Globál Kft. ISSN 2062-8811 Hirdetési tarifák/Advertisements: Belső borítók/Inside covers: 150 000 Ft • Hátsó borító/ Back cover: 190 000 Ft • 1/1 oldal: 120 000 Ft • 1/2 oldal: 75 000 Ft Szerkesztőség/Editorial office: 2100 Gödöllő, Perczel Mór u. 107 Telefon/fax: (+36) 28/422-880 e-mail: [email protected]

7 . é v f o ly a m 1 . s z á m

Biohulladék

1

mintaTelep

Model

plant

„Hírös”

komposztálás Kecskeméten

Kecskeméten 2010-ben több nagyszabású beruházás is befejeződött: ezek egyike az ISPA/KA támogatással megvalósult csatornahálózat bővítés és a komposztáló üzem. A Bácsvíz Zrt. üzemeltetésében álló korszerű tisztítómű egyik fontos eleme a teljesen zárt technológiával működő iszapkomposztáló csarnok. A fél évig tartó sikeres próbaüzemet követően immár teljes kapacitással működő telepre jelenleg már számos környező település szennyvíziszapját is beszállítják, illetve hasznosítják. Az üzem működéséről és az eddigi tapasztalatokról Padra István komposztálási üzemvezetőt kérdeztük.

2

Biohulladék


Milyen méretű beruházást képzeljünk el, amikor a kecskeméti szennyvíztisztítóról beszélünk, és hány település problémáját oldja meg az üzem? A kecskeméti szennyvíztisztító több ütemben épült. Az utolsó legjelentősebb fejlesztés a komposztáló telep építése volt. A szennyvíztisztító telep teljes egészében megoldja Kecskemét város, és további három közeli település szennyvízének a tisztítását (korábban 50%-volt a szennyvíz csatornahálózattal ellátott lakosok száma, ez a beruházással szinte 100%-os). Bővítések történtek a szennyvíztisztítás iszapkezelő rendszerében, épült egy korszerű iszapvíztelenítő gépház, teljesen új gépészeti berendezésekkel. A szennyvíztisztító telep 240 000 lakos szennyvízének tisztítására alkalmas. A befolyó szennyvíz mennyisége 20 000 m3/nap. Milyen technológiával működik maga a szennyvíztisztító? A kecskeméti szennyvíztisztító telepen mechanikai- és biológiai tisztítási fokozat van. A mechanikai tisztítás egységei: 2 durva rács, 2 huber rács, 2 homokfogó és a 4 db előülepítő medence (az egységek párhuzamosan üzemeltethetőek). A biológiai tisztítóegység négy párhuzamosan elhelyezett teljes keverésű műtárgy. Térfogata medencénként 3000 m3, ez összesen 12 000 m3 levegőztetett térfogatot jelent. A medencékben a szennyvíz-eleveniszap elegy lebegésben tartását, körbeáramlását Flygt banánkeverők biztosítják. A szervesanyag lebontásához szükséges oxigénbevitelt a medence fenekén elhelyezett Flygt Sanitaire rendszerű gumimembrános levegőztető elemek végzik. Mindegyik levegőztető medencéhez tartozik egy-egy utóülepítő. Átmérőjük egyenként 36 m, térfogatuk pedig 2750 m3. A tisztított szennyvíz a Csukáséri csatornán keresztül, a Tiszába folyik. Az előülepítőkből történik a nyers iszap

mintaTelep

Model

plant

The composting plant in Kecskemét, Hungary In 2010 in Kecskemét several large investment projects were concluded, one of them being the ISPA/ Cohesion Founds supported sewage system expansion and composting plant project. One of the main elements of the state-of-theart sewage treatment plant, which is operated by Bácsvíz Ltd., is the sewage composting hall that applies closed system composting technology. Following the successful six months long test run, the plant now operates at full capacity and treats sewage sludge transported there from numerous neighboring settlements. We interviewed István Padra, the manager of the composting plant about the operations of the plant and their experience so far. 1 . k é p : G á z mo só t or o ny és biofilter / Picture 1: Gas scru b b er a n d b iof ilter

elvétele, melyet az utóülepítőkből elvett fölös iszappal együtt sűrítve a rothasztó tornyokba töltünk (a rothasztók összes térfogata 5160 m3). A szennyvíztisztító telepen átlagosan 3300 m3 biogáz képződik naponta. A képződő biogázt gázmotorokban hasznosítva villamos energiát és hőenergiát termelünk. A megtermelt villamos energia a szennyvíztisztító telep összes

villamos energia igényének 63%-ra elegendő. Rothasztás után a stabilizált iszapot 2 db ALFA LAVAL ALDEC G2 60 típusú iszapvíztelenítő centrifugával víztelenítik és átadják a komposztálónak. A bejövő szennyvíz mennyisége 20 000 m3 /nap, mely megtisztításából átlagban 25 m3 stabilizált iszap képződik. A lakott terület közelsége miatt

KECSKEMÉT DÁTUM 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

befolyó szv. elfolyó szv. befolyó szv. elfolyó szv. befolyó szv. elfolyó szv. befolyó szv. elfolyó szv. befolyó szv. elfolyó szv. befolyó szv. elfolyó szv. befolyó szv. elfolyó szv. befolyó szv. elfolyó szv. befolyó szv. elfolyó szv.

BOI

KOI

NH3-NH4

szerv. N

össz. N

P

25 mg/l 825 6,5 502 5,4 536 8,8 514 8,7 534 9 571 9,3 421 7,1 492 8,5 641 8,7

75 mg/l 1375 44,8 888 51,4 1015 52,4 1093 43,1 924 43 945 42,8 738 39,4 800 39,3 984 39,7

10 mg/l 51,2 4,48 56,4 7,57 51,6 4,95 75,1 3,80 65 4,6 61,3 3,58 54,3 3,99 54,0 5,0 58,0 6,5

40 mg/l – – – – – – – – – – 61,6 8,54 55,0 9,38 54,5 8,8 57,7 7,0

50 mg/l 71,6 11,92 74,1 16,3 79,5 15,5 94,8 11,1 86 9,9 86,2 11,5 75,4 11,7 75,2 11,4 85,0 9,7

5 mg/l 17,2 5,7 14,9 6,5 13,4 4,6 15,1 5,7 13 4,0 12,2 3,7 9,8 2,9 11,1 2,5 13,2 2,9

össz. leb. anyag 50 mg/l 625 15,6 380 19,3 449 19,0 493 13,9 446 11 421 14,1 493 12,1 419 11,6 457 8,7

1 . tá b lá z at: A b efoly ó és a tisztított szennyvíz jellem ző pa r a m éter ei

SZOE 15 mg/l 66 1,7 58,9 2,5 50,1 2,7 77,8 2,9 74 4,4 68,3 2,5 50,4 2,4 46,6 2,0 77,5 2,0

Can you tell us how large the investment at Kecskemét was, and the sewage problem of how many settlements it solved? The sewage treatment plant at Kecskemét was built in several phases. The last and at the same time most significant development phase was the building of the composting plant. The new treatment plant treats wastewater from the whole town of Kecskemét and three neighboring settlements (prior to the investment 50% of the population had access to sewage system, now nearly 100%). During the project, the sludge handling system was expanded, a state-of-the-art sludge dewatering engine house was built with completely new mechanical equipment. The plant is suitable for treating the sewage of a population of 240,000 people. The quantity of influent wastewater is 20,000 m3. What kind of technology does the plant use? At the Kecskemét sewage treatment plant there is a mechanical and a biological treatment level. The mechanical treatment level has the following elements: 2 coarse-mesh grids, 2 huber grids, 2 sand trap and 4 presettling basins (these elements can be operated parallel). The biological cleaning unit consists of four fully mixing engineering structures placed parallel to one another. Its volume is 3,000 m3 per basin, so altogether they add up to an aerated volume of 12,000 m3. The mixture of sewage sludge and activated sludge is kept floating and circulating by Flygt mixers. Oxygen input needed to decompose the organic matter is provided by Flygt Sanitaire system rubber membrane aeration elements placed at the bottom of the basin. Each of the aeration basins are connected to a post-settling unit. The diameter of these units is 36 m and their volume is 2,750 m3. Finally, the treated wastewater is flown through the Csukás-éri canal into the River Tisza. →


Biohulladék

3

mintaTelep

→

Model

plant

Raw sludge from the pre-settling basins and excess sludge from the post-settling units are thickened and put into digester towers (the total volume of the digesters is 5,160 m3). At the sewage treatment plant 3,300 m3 biogas is generated on average every day. The biogas is utilized in gas engines to produce electricity and heat. The electric power thus generated is sufficient to cover 63% of the electricity needed at the plant. Following digestion, the stabilized sludge is dewatered by 2 ALFA LAVAL ALDEC G2 60 type centrifuges and is taken to the composting plant. The amount of influent wastewater is 20,000 m3/day, following its treatment 25 m3 stabilized sludge is generated on average. KECSKEMÉT BOD COD

DATE

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

influent sew. effluent sew. influent sew. effluent sew. influent sew. effluent sew. influent sew. effluent sew. influent sew. effluent sew. influent sew. effluent sew. influent sew. effluent sew. influent sew. effluent sew. influent sew. effluent sew.

NH3- organic total N NH4 N

25 mg/l 75 mg/l 10 mg/l 40 mg/l 50 mg/l 825 1375 51.2 71.6 6.5 44.8 4.48 11.92 502 888 56,4 74.1 5.4 51.4 7.57 16.3 536 1015 51.6 79.5 8.8 52.4 4.95 15.5 514 1093 75.1 94.8 8.7 43.1 3.80 11.1 534 924 65 86 9 43 4.6 9.9 571 945 61.3 61.6 86.2 9.3 42.8 3.58 8.54 11.5 421 738 54.3 55.0 75.4 7.1 39.4 3.99 9.38 11.7 492 800 54.0 54.5 75.2 8.5 39.3 5.0 8.8 11.4 641 984 58.0 57.7 85.0 8.7 39.7 6.5 7.0 9.7

P

total organic floating solvent mateextract rial

5 mg/l 17.2 5.7 14.9 6.5 13.4 4.6 15.1 5.7 13 4.0 12.2 3.7 9.8 2.9 11.1 2.5 13.2 2.9

50 mg/l 15 mg/l 625 66 15.6 1.7 380 58.9 19.3 2.5 449 50.1 19.0 2.7 493 77.8 13.9 2.9 446 74 11 4.4 421 68.3 14.1 2.5 493 50.4 12.1 2.4 419 46.6 11.6 2.0 457 77.5 8.7 2.0

Table 1: Specific parameters of the influent and treated wastewater Because of the closeness (<300 m) of populated areas, the composting plant had to have a closed system technology. The exchange of air needs to happen in a way that gases and vapors first go through primary cleaning in gas scrubbers, and then the ammonia-free air is channeled out through biofilters (in which more than 1,000 m3 biologically active charge is responsible for fixing and decomposing any remaining pollutants).

2. kép: Gore PLS em el őtetős kom pos ztá l ó r en d s zer / P ic tu r e 2: G or e PLS l if tin g r o o f com posting s ys tem

(<300 m) a komposztáló telepet zárt technológiával kellett megépíteni, melyhez a légcserét úgy kell megoldani, hogy a csarnokokban keletkező gázokat és gőzöket gázmosó tornyokkal előtisztítva, az ammóniától mentesített levegőt biofiltereken keresztül vezetjük a levegőbe (melyekben több mint 1000 m3 biológiailag aktív töltet végzi a maradék szennyezőanyagok megkötését és lebontását). Az iszap komposztálás minden munkafázisa teljesen zárt körülmények között valósul meg: Hogyan működik ez a rendszer? Az előkezelő, alapanyag tároló csar-

3. kép: Kom po s zt a f el em elt ta ka r ópon yva a l att / P ic tu r e 3: C om pos t u n d er th e cover

Each and every phase of the sludge composting process is conducted under completely enclosed conditions: how does this system work? The dewatered sewage sludge is taken from the centrifuge engine house into the pretreatment and storage halls through two pulleys. At this stage the dry matter content of dewatered sludge is 20 - 23%. Until mixing, the sludge is stored on specially made concrete in the hall. Structure materials are also stored there on drying beds where screened forestry chippings are dried with airflow. Fibrous sawmill waste and chippings are purchased as raw materials. Twigs collected in the town are shredded and then utilized. Selectively collected biodegradable waste is also treated (greenery, grass cutting and leaves).

4

Biohulladék

nokba érkezik a víztelenített szennyvíziszap a centrifuga gépházból két iszapátadó csigán keresztül. A víztelenített iszap szárazanyag tartalma átadáskor 20–23%. A bekeverésig az iszaptároló betonon tároljuk a csarnokon belül, a struktúráló anyagokat szintén az alapanyag tároló térben kialakított szárítóágyon tároljuk, ahol a visszarostált erdőgazdálkodási aprítékot légbefúvással szárítjuk. Nyersanyagként fűrészüzemi szálas hulladékot és faaprítékot vásárolunk, ill. a város területéről összegyűjtött gally aprítás után felhasználásra kerül, továbbá a szelektíven gyűjtött biológi-


mintaTelep

Model

plant

4. kép: Rostá r a f el a d á s / P ic tu r e 4: S c r een in g

ailag lebomló hulladékokat is kezelünk (lomb, fű nyesedék és levél). A keverőgép a csarnok közepén található, mely digitális mérleggel van ellátva, így a gépre feladott anyag tömegét is tudjuk ellenőrizni. Általánosságban 4 egység struktúráló anyaghoz 1 egység iszapot keverünk, így a C/N arány és a víztartalom megfelelő lesz az előírt 60 °C feletti hőmérséklet eléréséhez és a magas hő tartáshoz. A nyersanyag a keverőgép szalagja alól az intenzív érlelő silóba kerül betárolásra. A cellák oldalfala 2,5 m magas vasbeton, melyhez 4 m magasságú üvegszálas 5 . k é p : A " Hír ös" k omposzt / Picture 5: Finished com post "H ír ös "

The mixer is placed in the centre of the hall and is equipped with digital scales, so the weight of the material fed into the machine can be monitored. On average 4 units of structure material are mixed with 1 unit of sludge, so that the C/N ratio and water content will be appropriate for reaching the predetermined min. 60 °C temperature as well as for sustaining high temperature later. The material is then taken from under the mixer and is placed into intensive digesting silos. The side walls of the cells are 2,5 m high and made of reinforced concrete. A 4 m high glass-fiber tarpaulin is attached to these, and the whole structure is covered with semipermeable membrane (which is fully isolated from the environment). Storage and mixing take up 3 working days, before which the air supply pipes are cleaned with a high pressure machine (a combined trough washer is used). In order to assist good air dispersion and avoid blocking, windrows are built using the shredded wood. At half time during the maturation process (21 days) the composting material is transferred to the curing cell where maturation is continued. Transferring the material helps make it homogeneous again, its temperature rises and anaerobic zones are eliminated. The maturation process is monitored by on-line equipment. Biological activity, for example, is indicated by a low level of oxygen saturation and concurrent high temperature. From the 42nd day the compost can be considered mature; however, sifting is not started until the material in the windrows almost stops consuming oxygen and its temperature is about the same as the temperature of the environment (35 – 40 °C in summer). The material is separated using a Doppstadt drum screen with 12 x 12 mm holes on its drum, so compost with good grain size can


Biohulladék

5

→

mintaTelep

→

Model

plant

be produced. Naturally, sifting is done under closed conditions as well; the prescribed air exchange is conducted through 7 injection and 2 extractor ventilators. Extractor ventilators blow the ammonia-free air through scrubbers onto biofilters, where the charge neutralizes any remaining pollutants. The finished compost is stored in covered halls in windrows for several months until it is sold. What is your experience so far with the completely new and unique, so-called lifting roof system technology which is used in the intensive phase of the composting process? At the Kecskemét composting plant altogether 8 cells can be found, the closed nature of which is ensured by the use of the GORE® PLS system. The mixing space (the preparation and raw material storage hall) and the sifting hall are connected by a corridor on one side of which the intensive and on the other the post-maturation cells can be found. The cover tarpaulins of the cells are lifted by 104 elevator motors. The intensive cells have 14 elevator motors each, and the post-maturation 12. The only difference between them is in the length of cells because during intensive maturation there is so much material loss that after 21 days maturing the mixture can be placed in cells that are 5 meters shorter. Tarpaulins are moved during loading (tarpaulins are lowered every day to avoid damaging them), and then for 21 days monitoring devices are put in through spaces fashioned in the tarpaulins (a threezone thermometer and an oxygen saturation meter for each cell). The technology operates without problems despite the high number of elevator motors (high potential for failures). The ropes of the elevator motors had to be cut to size perfectly to avoid any breaks in the wire rope. The GORE® Cover is impermeable to moisture and thus the system neither cools down (hygienisation is complete) nor dries out too much due to condensation on the interface of the semi-permeable membrane. The final product, the compost, has already received marketing authorization. Is there any demand for it? The quality of the compost satisfies the criteria set by the 36/2006. (V. 18.) decree of the Ministry of Agriculture and Rural Development in Hungary (the decree on licensing, storing, marketing and using yieldincreasing materials). Marketable grain size is achieved with the smallest slit size drum screen (12 x 12 mm). Small grain size allows for wider scale utilization, for example, the sustaining top dressing of lawns. On sand soils spectacular quality change was experienced during field tests (sapling, fruit and sod production, sodding, sawing of hayseed, forced vegetable varieties, etc.). Micro-element deficiencies (Mg, Fe, Zn, S and Cu)

6

Biohulladék

6. kép: Kom pos zt h atá s a 10. n a pon / P ic tu r e 6: C om pos t ef f ec t a f ter 10. d ays

ponyva csatlakozik, a tetejét pedig félig áteresztő membránnal zárja (teljesen el van zárva a környezettől). A betárolás és keverés 3 munkanapot vesz igénybe, előtte a levegő befúvó csöveket nagynyomású (kombinált csatornamosó) géppel kitisztíttatjuk és a csövekre a jó levegő eloszlás elősegítése ill. a dugulás elkerülése miatt prizmákat képzünk aprított fából. Az érési idő felénél (21 nap) megkezdődik az átpakolás az utóérlelő cellába, ahol folytatódik az érés. Az átrakással a félkész komposzt újra homogén lesz, hőmérséklete felszökik és az anaerob zónák is megszűnnek. Az érést on –line műszerekkel figyeljük, a biológiai aktivitást például a prizmában lévő alacsony oxigéntelítettség és az egyidejű magas hőmérséklet jelzi. A 42. naptól a komposzt késznek tekinthető, de a rostálást akkor kezdjük meg, ha a prizmában lévő anyag már alig fogyaszt oxigént és a hőmérséklete közelít a környezeti hőmérséklethez (nyáron 35–40 °C). Az anyag szétválasztása Doppstadt dobrostával történik, melynek dobján 12 x 12 mm –es lyukak vannak, így tudunk jó szemcseméretű komposztot előállítani. Természetesen a rostálás is zárt térben történik, a zárt csarnokokból az előírt légcserét 7 befúvó- és 2 elszívó ventilátor végzi. Az elszívó ventillátorok gázmosó tornyokon keresztül biofilterre nyomják az ammóniától mentesített


levegőt, ahol a maradék szennyeződést a töltet „eszi meg”. A kész komposztot is fedett csarnokban, prizmában tároljuk, ahol az értékesítésig több hónapot „pihen”. Mik a tapasztalatok a teljesen új, egyedi, ún. emelőtetős rendszerű technológiáról, amellyel a komposztálás intenzív szakasza működik? A kecskeméti komposztáló telepen összesen 8 cella található, melyeknek a zártságát a GORE® PLS rendszer biztosítja. A keverő teret (előkészítő és alapanyag tároló csarnok) ill. a rostáló csarnokot egy folyosó köti össze melynek egyik oldalán az intenzív- a másik oldalán pedig az utóérlelő cellasor van. A cellák takaróponyváinak emelését 104 db emelőmotor hajtja végre. Az intenzív celláknak egyenként 14 emelőmotorja van, az utóérlelőknek pedig 12 db. A szerkezeti különbség csak a cella hosszában van ugyanis az intenzív éréskori anyagveszteség akkora, hogy 5 méterrel rövidebb cellába befér a keverék 21 nap érés után. A ponyvák mozgatása be- és a kirakodás időtartama alatt történik (naponta leeresztik a kollégáim az esetleges ponyvasérülések elkerülése miatt), majd 21 napig a ponyván kialakított helyen a mérő műszerek behelyezésre kerülnek (egy háromzónás hőmérsékletmérő és egy oxigén telítettség mérő cellánként).

mintaTelep

A technológia stabilan üzemel a sok emelőegység ellenére (sok a hibalehetőség). Az emelőmotorok köteleit kellett csak pontos méretre vágni, hogy a drótkötelek okozta töréseket megakadályozzuk. A GORE ponyván a csapadékok nem tudnak átjutni, így a rendszer nem hűl vissza (higiénizáció tökéletesen megy végbe), de nem is szárad túl a félig áteresztő membrán határfelületén végbemenő kondenzáció miatt. A keletkező végtermék, a komposzt már forgalomba-hozatali engedéllyel is rendelkezik. Van rá kereslet? A komposzt minősége megfelel a 36/2006. (V. 18.) FVM rendeletben (a termésnövelő anyagok engedélyezéséről, tárolásáról, forgalmazásáról és felhasználásáról) leírtaknak, a piacképes szemcseméretet a legkisebb résméretű rostadobbal (12 x 12 mm) állítjuk elő. Az apró szemcseméret lehetővé teszi a szélesebb körű felhasználást pl. gyepek, pázsitok fenntartó fejtrágyázását. A homokhátsági talajokon látványos minőségi változásokat tapasztaltunk a tesztkultúrákban (szabadföldi csemete – és gyümölcstermesztésben, gyepszőnyeg előállításhoz, gyepszőnyeg terítéséhez, fűmagvetéshez, hajtatott zöldségfélékhez stb.). A homoktalajon termesztett mikroelem hiányos tünetek (Mg, Fe, Zn, S és Cu) megszűntek. Az előállított komposzt mennyisége 5000 m3/év körül van, a felhasználási lehetőségeket és dózisokat az engedélyokirat tartalmazza (zöldség, gyümölcs, szőlő és szántóföldi kultúrák). A kereslet lassan növekszik, általában a kísérletező vásárló szomszédja keres meg bennünket. Parképítők állati eredetű szervestrágya helyett használják a könnyebb bedolgozás-, az egyöntetű kelés- és a gyommentesség (mag és egyéb szaporító képletek) miatt. Összességében mik az első néhány év üzemeltetési tapasztalatai a telepen? A kezdeti nehézségek után az üzemet megfelelő technológiai módosításokkal, odafigyeléssel üzembiztossá tudtuk tenni. A technológia sajátossága (zárt) intenzív gőzképződést indukál, melynek következménye a rossz látási viszonyok és a kondenzáció miatti csúszásveszély. 2012 februárjában

-17 °C –os környezeti hőmérsékleten a befúvó ventillátorok hóágyúvá váltak, a csarnok belsejében 1 centis hó állt mindenütt (kint semmi). A beltérben lévő kapcsolószekrényekben állt a víz, zárlatokat és üzemzavarokat okozva (az IP 44-es védettségű szekrényeknél a kábelátvezetéseket kétkomponensű folyékony gumival (kiöntés), ill. fűtőpatronok beszerelésével tettük vízmentessé). A gőzképződést a gócpontokra történő elszívás fokozásával mérsékeltük. A kezdeti magas ammónia koncentrációt technológiai optimalizálással: a keverési arány megváltoztatásával (1:2,5 iszap/struktúra arányról 1:4-re változtattuk), a 3. naptól a 10. napig történő magasabb levegőztetési idővel és a közlekedő folyosó levegőjének koncentrált elszívásával) csökkentettük. A változtatások eredménye, hogy már csak az átrakásnál és a keverésnél van nagyobb gőzmennyiség. Fejlesztésként a fajlagos költségek csökkentését tűztük ki célként, zsákolásban továbbra sem gondolkodunk. A piacot ellentmondások jellemzik: a Hírös komposzt ára 40% -a a bevásárló központokban lévő kínálatnak, ill. állati trágyákat alig lehet jó minőségben vásárolni, mégsem kapkodják el a terméket a gazdák.

Model

plant

experienced on sand soils were eliminated. The amount of compost produced is about 5,000 m3/year, utilization options and dozes are described in the permits (vegetable, fruit, grape and crop cultures). Demand is growing slowly; the neighbors of experimenting buyers are usually the ones who approach us. Park maintenance companies also use compost instead of manure as it is easier to work in, shooting is more uniform and the material is weed-free (due to seed and other propagating formula). On the whole, what is your experience after the first few years of operation? Following initial difficulties and after introducing appropriate technological modifications as well as with conscious management we managed to make the plant foolproof. The specificity of the technology (the fact that it is closed system) induces intensive vapor generation, the consequences of which are poor visibility and slip hazard due to condensation. In February 2012 at -17 °C outdoor temperature injection ventilators started operating as snow guns and the floor of the hall was covered by 1 cm thick snow (when there was no snow outside). The switch cupboard in the hall was covered in water which caused faults and breakdowns (IP 44 protected cupboards and cable passages were waterproofed by two-component liquid rubber (casting) and installing heating cartridges). Vapor generation was minimized by increasing extraction. Initial high ammonia concentration was reduced by technological optimization: through changing the mixing ratio (from 1:2.5 sludge/structure material to 1:4), increasing aeration time from day 3 to day 10 and concentrated air extraction in the corridor. The result of these modifications is that by today we only struggle with higher vapor content during transferring and mixing the material. Our aim is to reduce specific costs. At the same time, we do not plan to sell composts in bags. The market is characterized by controversies: the price of our compost is only 40% of the compost available in supermarkets and good quality manure is not available, still, demand for it is low.

→ 7 . é v f o ly a m 1 . s z á m

Biohulladék

7

á lta l á n o s

general

→ D r . - In g. C a rs t e n C uhls , G e witr a G m b H

Hogyan tud a biohulladékok komposztálása és erjesztése hozzájárulni az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentéséhez? 1. Bevezetés Napjainkban nagyon sok szó esik a biohulladékok hasznosításáról mind az erőforrás-hasznosítás, mind pedig az energiatermelés szempontjából. Az Európai Unióban a komposztálás és anaerob lebontás általánosan alkalmazott megoldások a bio- és kerti hulladékok kezelésére. A kerti zöldhulladékok prizmákban történő komposztálása minden EU tagországban korszerű technológiának számít; Németországban a kezelési kapacitás kb. felét jelenti. A kapacitás másik fele forgatott és levegőztetett, zárt rendszerű technológia. Bizonyos telepeken ez utóbbit kiegészíti egy anaerob lebontási szakasz, amelynek biogáz termelés a célja. Annak érdekében, hogy a hulladék szén- és tápanyag-tartalmát minél nagyobb mértékben újrahasznosítsuk, a komposztált szerves hulladék mennyisége előre láthatólag növeked-

ni fog. A szerves anyagok mikrobiális lebontása különböző gázok – úgymint szén-dioxid (CO2), metán (CH4), nitrogén-oxid (N2O) és ammónia (NH3) – termelésével jár. Ezek közül a gázok közül több üvegházhatású gáz (ÜHG), és így hozzájárul a klímaváltozáshoz. A komposzttelepekről nagyon kevés ÜHG kibocsátási adat áll rendelkezésre. A különböző komposztálási folyamatok során keletkező ÜHG kibocsátások dinamikus és diffúz jellegéből adódóan a kibocsátott ÜHG-k mennyiségi meghatározása nem egyszerű feladat. 2. Az ÜHG kibocsátások mérésére szolgáló projekt bemutatása, definíciók 2006 és 2011 között kb. harminc különböző komposzttelep ÜHG kibocsátásait elemezték egy, a Német Szövetségi Környezetvédelmi Hivatal

1. ábra: Mintavétel i m ód s zer : a ktív d if f ú z f or r á s ( b a l r a : b iof ilter ) , pa s s zív d if f ú z forrás ( jobbr a : pr izm a ) / F ig u r e 1: S a m pl in g m eth od : a c tive open S ou r c e ( l ef t: biofilter) , pas s ive f u g itive s ou r c e ( r ig h t: w in d r ow )

8

Biohulladék


á lta l á n o s

general

Dr.-Ing. Carsten Cuhls, Gewitra GmbH

2. ábra: Mintavételi módszer: aktív pontforrás (kémény, csövek) / Figure 2: Sampling method: active point source (pipe)

(Umweltbundesamt) által támogatott kutatási projektben. A projekt során minden telep kibocsátásait több alkalommal, különböző évszakokban és legalább egy hétig mérték a következő paraméterek alapján: • TOC (összes szerves széntartalom, folyamatos FID módszerrel), • CH4 és N2O (folyamatos NDIR módszerrel), • NH3 (szakaszos abszorpció H2SO4ben). A reprezentatív adatgyűjtés rendkívül komplex és munkaigényes volt a különböző típusú kibocsátási források miatt: aktív pontforrás (kémény), aktív diffúz forrás (biofilter) és passzív diffúz forrás (a prizmák felülete). A nagy biofilter rekeszeket átmenetileg vékony fóliával, a nyitott prizmákat pedig hatalmas, 10 méter hosszú fóliasátorral fedték le (1. ábra). A kéményekből történő mintavétel egyszerűbb volt, a szokásos módszernek megfelelően csövek segítségével történt (2. ábra).

Telep Rövidítés sorszáma

3. ábra: Metá n ( CH 4 ) kib oc s átá s i faktorok: átl a g és ta rtom á n y / F ig u r e 3: Methane (CH 4 ) em is s ion fa c tor s – m eans and r a n g es

4. ábra: Nitrog én - oxid ( N 2 O ) kib oc s átá s i faktorok: át l a g és ta rtom á n y / F ig u r e 4: Nitrous oxid e ( N 2 O ) em is s ion fa c tor s – m eans and r a n g es

5. ábra: Am món ia ( NH 3 ) kib oc s átá s i faktorok: át l a g és ta rtom á n y / F ig u r e 5: Am m onia (NH 3 ) em is s ion fa c tor s – m eans and ra n g es

Alkalmazott módszerek

1

Anl + Aufb

anyag beszállítás + előkezelés

2

KOA g (FrischK)

zárt rendszerű komposztálás (friss komposzt)

3

KOA g (FertigK)

zárt rendszerű komposztálás (kész komposzt)

4

KOA tg (FertigK)

zárt + nyitott rendszerű komposztálás (kész komposzt)

5

KOA sM

membránnal takart komposztálás, levegőztetett

6

KOA o (Bio+Grün)

nyitott prizmás komposztálás (bio és kerti hulladék)

7

KOA o (Grün)

nyitott prizmás komposztálás (kerti hulladék)

8

VA

anaerob rothasztás

9

VA + NR g

anaerob rothasztás + zárt rendszerű érlelés

10

VA + NR o

anaerob rothasztás + nyílt rendszerű érlelés

Composting and Fermentation of Biowaste – Contribution to reduce Greenhouse Gases 1. Introduction Utilization of bio waste is very popular from the view of resource recovery and regenerative energy production as well. Composting and anaerobic digestion (AD) have become a common treatment option for bio and garden waste in the European Union. Garden waste composting in windrows is state-of-the-art in all the EU countries and covers about half of the treatment capacity in Germany. Other half of the facilities is turned and aerated in-vessel composting. Some plants are combined with an AD step for producing biogas. In future the amount of organic waste treated by composting is expected to increase in order to recycle the carbon and the nutrients in the waste material. Microbial degradation of organic substrate entails the production of various gases such as carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide (N2O) and ammonia (NH3). Some of this gases are classified as greenhouse gases (GHG), thus contributing to climate change. Currently only few GHG emission data from composting facilities are available. The dynamic and diffuse nature of GHG production and emission from different composting systems challenge the quantification of these. 2. GHG measuring project, Definitions Between 2006 and 2011 GHG emissions of about thirty different composting plants were analyzed in a research project founded by the German Federal Environmental Agency (Umweltbundesamt). All plants were continuously measured several times in different seasons and over a period of at least one week; parameters: TOC (Total Organic Carbon, continuous FID method), CH4 and N2O (continuous NDIR method), NH3 (discontinuous absorption in H2SO4). The representative sampling was complex and laborious because of different types of emission sources: active point (stack), active area (biofilter) and passive area (windrow surface). Large compartments of biofilters were temporary capsulated by thin foil, open windrows were capsulated by large wind tunnel of 10 meters length (Figure 1), samplings in pipes or from stacks were done easily like a typical point source method (Figure 2).

→

1. táblázat: A vizsgált telepek és a telepeken alkalmazott módszerek összefoglalása


Biohulladék

9

á lta l á n o s

→

general

Goals of the research project carried out: • Identification of relevant emission sources, • Quantification the GHG emissions, • Summarize all emission sources with respect to the plant throughput (= emission factor), • Emission control and mitigation of GHG, • Guideline and recommendations into the process management for operators. 3. Emission factors and discussion First of all it is obvious that most emissions various in a very wide range. The emissions depend on input material: substrate (bio, garden, yard, kitchen, sludge) and season, C:N ratio, water content, structure and porosity. And the emissions depend on process conditions seriously: oxygen saturation, temperature, pH-value. So it is very important to regulate the right process by mixture and homogenization of input materials, dimensions of rotting piles, anaerobic potential in case of digester output, active aeration for aerobic milieu, turning and watering. Plant No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Abbreviation

6. ábra: Szén- d ioxid eg yen érték ( CO 2 e q .) kibocs átá s i fa ktor ok: átl a g és tartom ány / F ig u r e 6: C a r b on d ioxid e equivalents ( CO 2 e q .) – m ea n s a n d r a n g es

Steps and Types of composting plants

Anl + Aufb KOA g (FrischK) KOA g (FertigK) KOA tg (FertigK)

material delivery + pre-processing In-vessel composting (fresh compost) In-vessel composting (finished compost) In-vessel + open composting (finished compost) KOA sM Membrane cover composting, aerated KOA o (Bio+Grün) open windrow (bio + garden) KOA o (Grün) open windrow (garden) VA anaerobic digestion VA + NR g anaerobic digestion + in-vessel curing VA + NR o anaerobic digestion + open curing

7. ábra: Metá n ( CH 4 ) kib oc s átá s i faktorok: kö zépérték és ta rtom á n y / Figure 7: Meth a n e ( CH 4 ) em is s ion factors – m e d ia n s a n d r a n g es

Table 1: Steps and Types of composting plants, considered in figures The emission of GHG like methane and nitrous oxide could be minimized only in the biological process of degradation. Methane occurs under anaerobic conditions (high temperature, no oxygen, high water content). Nitrous oxide is produced by nitrification (NH4 + g N2O - g NO3 -) especially in the curing phase under temperature < 45 °C. In all biological systems methane is minimized by sufficient aeration, best done with positive aeration and smart geometric dimensions, e.g. easily performed by cover systems. In all biological systems nitrous oxide is reduced by high C:N value > 25 and temperature > 45 °C in the curing phase. In all biological systems ammonia emissions are reduced by high C:N value < 25, low pHvalue < 7 and low temperature < 60 °C. Plant [8] is equipped with a thermal drying for the digestate, therefore ammonia emissions are on that high level of 10 kg/Mg input. In biofilters NH3 is absorbed and mineralized around 60 %, but formation of secondary N2O is negative. For AD systems aerobization and in-vessel curing with active aeration is recommended. All storage tanks with anaerobic liquid and

10

Biohulladék

8. ábra: Nitr og én - oxid ( N 2 O ) kib oc s átá s i faktorok: középérték és ta rtom á n y / Figure 8: Nitr ou s oxid e ( N 2 O ) em is s ion factors – m e d ia n s a n d r a n g es

9. ábra: Am m ón ia ( NH 3 ) kib oc s átá s i faktorok: középérték és ta rtom á n y / Figure 9: Am m on ia ( NH 3 ) em is s ion factors– m ed ia n s a n d r a n g es


10. á b r a : S zén - d ioxid eg yen érték ( CO 2eq. ) kib oc s átá s i fa ktor ok: középérték és ta rtom á n y / F ig u r e 10:C a r b on d iox i d e equ iva l en ts ( CO 2 e q. ) – m ed ia n s a n d r a n g es

A kutatási projekt a következő célokat tűzte ki: • A meghatározó kibocsátási források azonosítása; • Az ÜHG kibocsátások mennyiségi meghatározása; • A kibocsátási források összefoglalása a telep teljesítményének függvényében (= emissziós/kibocsátási faktor); • A kibocsátások csökkentése és semlegesítése; • A komposzttelepek működtetői számára iránymutatás és ajánlások megfogalmazása. 3. Kibocsátási faktorok, az eredmények tárgyalása Egyértelmű, hogy a kibocsátások értéke különböző faktorok következtében igen nagy váltakozást mutat. A kibocsátások mértékét meghatározza az input anyag összetétele: az, hogy milyen szubsztrátról van szó (bio-, kerti, udvari, konyhai hulladék, vagy szennyvíz iszap), milyen évszakban keletkezett, milyen a C/N arány, a víztartalom, a szerkezet és a porozitás. Ezen felül a kibocsátások mértékét a folyamat során fennálló körülmények is igen nagy mértékben befolyásolják: az oxigéntelítettség, a hőmérséklet, valamint a pH érték. Ezért nagyon fontos a megfelelő folyamat kialakítása azzal, hogy megfelelően keverik és homogenizálják az input anyagot, fontos az érlelő prizmák mérete, az anaerob potenciál abban az esetben, ha rothasztót használnak, aerob környezetben pedig a levegőztetés, forgatás és nedvesítés. Az olyan ÜHG-k kibocsátását, mint a metán és a nitrogén-oxid, csak a lebomlás biológiai folyamata során lehet minimalizálni. A metán anae-

á lta l á n o s

rob körülmények között keletkezik (magas hőmérséklet, magas nedvességtartalom, valamint oxigénmentes állapot). A nitrogén-oxid pedig a nitrifikáció folyamata során termelődik (NH4+ ➝ NO2- ➝ NO3-), különösen az érlelési szakasz alatt, amikor a hőmérséklet alacsonyabb mint 45 °C. Biológiai rendszerekben a metán mennyiségét a megfelelő levegőztetés biztosításával lehet csökkenteni, amit pozitív levegőztetéssel és a célnak megfelelő méretezéssel lehet leginkább megoldani. Erre alkalmasak például a különböző takaró rendszerek. A nitrogén-oxid mennyisége a biológiai rendszerekben a magas C/N arány (>25), valamint 45 °C-nál magasabb hőmérséklet mellett csökken az utóérési szakaszban. Biológiai rendszerekben a kibocsátott ammónia mennyisége magas C/N arány (>25), alacsony pH érték (<7) és alacsony hőmérséklet (<60 °C) mellett csökken. A [8] számú telepen a fermentált anyagot termikus szárítóval kezelik, ezért az ammónia kibocsátás magas szinten van, 10 kg/Mg. A biofilterekben az ammónia megkötődik és kb. 60%-a mineralizálódik, de a másodlagos N2O keletkezése negatív. Anaerob lebontó rendszerekhez aerobizáció és zárt rendszerű utóérlelés ajánlott aktív levegőztetéssel. Az anaerob folyadékok és a reaktív technológiai víz tárolására szolgáló tartályoknak zártnak kell lenniük úgy, hogy közben a biogáz termelő rendszerhez vannak csatlakoztatva. Annak érdekében, hogy a magas ammónia kibocsá-

1 1 . á b r a : A b io filt e r ek hatásfoka VOC, CH 4 , ne m metá n VOC , NH 3 , N 2 O, CO 2 e q . e s e t é n / Figu r e 1 1 : Bio f ilter efficiency fa c t o r s for VOC , CH 4 , NonMethaneVOC, NH 3 , N 2 O, CO 2 e q .

tást csökkentsük, savas gázmosót kell a biofilter elé iktatni. A metán és nitrogén-oxid kibocsátást további kezeléssel nem lehet csökkenteni. A magas pH érték (>7) és magas hőmérséklet (>45 °C) hatására az ammónia-kibocsátás emelkedik. Az alacsony C/N arány (<17) mind az ammónia, mind pedig a nitrogén-oxid kibocsátását csökkenti. A savas gázmosó beiktatása a rendszerbe hasznos, és bizonyos esetekben – amikor az anaerob lebontás után komposztálás történik – az ammónia megkötésére a bioszűrés előtt szükség is van. Segít csökkenteni a zavaró N-vegyületek felhalmozódását, valamint azt, hogy a biofilterekben ne keletkezzen újra nitrogén-oxid. A gázmosóban általában kénsavat használnak, a folyamat végterméke pedig ammónium-szulfát, amelyet műtrágyaként lehet hasznosítani. A biofilterek működtetése során a megfelelő méretezés és karbantartás hiánya nagyon súlyos problémát jelenthet. A lebontás hatékonysága annak függvényében változik, hogy a hulladékgáz milyen szerves összetevőket tartalmaz. Ezért indokolt lenne a kibocsátások csökkentése során az illékony szerves vegyületek (VOC) és a metán leválasztására külön figyelmet fordítani. A metán biológiai lebonthatósága – a biológiai hulladékkezelésből származó különböző nem metán illékony szerves vegyületek (NMVOC) keverékének 90%-os lebonthatóságához hasonlítva – nagyon alacsony (átlagosan 10%). Az ammónia biofilterekben történő lebontása eredményeként nagy mértékben növekszik a nitrogén-oxid mennyisége a tisztított gázban. Ez az oka a magas ammónium tartalmú biofilterek negatív ÜHG hatékonyságának (CO2eq.) (11. ábra). 4. Következtetések és összefoglalás A Német Szövetségi Környezetvédelmi Hivatal K+F projektjét megvalósító Gewitra vállalat különböző típusú – nyitott rendszerű prizmás, zárt rendszerű és anaerob lebontást is alkalmazó – nagyméretű, biohulladékokat kezelő komposzttelepek gázhalmazállapotú kibocsátásait vizsgálta. A projekt során VOC (FID), CH4, NH3 és N2O kibocsátások szabályozására vonatkozó adatokat gyűjtöttek. Ezen felül kibocsátási faktorokat és CO2 egyenértékeket is fognak

general

reactive process water should not be open but connected to the biogas system. To reduce high ammonia emissions it is necessary to have acid scrubber before biofilter. Additional exhaust treatment cannot reduce GHG methane and nitrous oxide. High pH level > 7 and high temperature > 45 °C lead to rising ammonia emissions. Low C:N ratio < 17 supports both, decreasing ammonia and nitrous oxide emissions. Acid scrubbers are useful and sometimes – in case of composting after AD – necessary to absorb ammonia before biofilter. It helps to reduce disturbing the accumulation of N-compounds and the new formation of nitrous oxide in biofilters. Normally sulfuric acid is used and the product is ammonium sulfate that could be used as fertilizer. Deficiencies in dimensioning and missing maintenance cause major problems in biofilter operation. Efficiency of degradation is different depending on the organic substances in the waste gas, so it may be reasonable to differ emission control of VOC (Volatile Organic Compounds) into nonmethane VOC + methane. The biodegradability of methane is very low (mean value 10 %) compared to the mixture of various NMVOC from biological waste treatment with a high rate (mean value 90 %). The degradation of ammonia in biofilter results in high increase rate of nitrous oxide in the clean gas. This is the reason for negative GHG efficiency (CO2eq.) of biofilters with high ammonia load (Figure 11). 4. Conclusions and summary Gewitra company carried out R&D project of the German federal environmental agency (UBA) on determining gaseous emissions from different types of large scale treatment plants for bio waste in Germany: open windrow, in-vessel systems and composting plants with integrated anaerobic digestion step. Measurement data of emission control are VOC (FID), CH4, NH3 and N2O; emission factors and CO2Equivalents (CH4 factor GWP 25, N2O factor GWP 298) will be calculated as well. Arrangements to optimise/minimise process emissions to air are Guidelines: Good practice of composting. They are well known by operators but sometimes superior necessities swing a decision. On principle for a well done process the material characteristics should have structure (high porosity) and water content of max. 65 – 70 %, the C/N ratio should be 25 – 35 to avoid ammonia and nitrous oxide emissions. Important process parameters are water content: 50– 60 %, O2-supply, turning cycles (intensive phase 1 – 2 times per week, phase of declining activity 0.5 times per week). Windrow profile: height max. 2.50 m (positive aeration), height max. 1.50 m (passive aeration), best available technology must be decided case-by-case. Depending on the rotting milieu there is an opposed formation of CH4 (anaerobic) and


Biohulladék

11

→

á lta l á n o s

→

general

N2O (aerobic) within the biological process. It is a principle that minimisation of the CH4 and N2O emissions to air is the result of the right material characteristics and the right process parameters for the entire time of aerobic treatment. Because there is no end-of-pipe technology to reduce CH4 and N2O in exhaust gas treatment, like scrubber and biofilter. Arrangements for the emission control with acid scrubber and biofilter are shown to the components. For methane (CH4) there is only very less < 10 % in biofilters at suitable air loads > 50 m3/m3 • h. For N2O there is no reduction, but rather new generation due to NH3 degradation in biofilter. For nonmethane Volatile Organic Compounds (NMVOC) there are normally good reductions of easily degradable compounds (~ 90 %) at well operating biofilters and suitable air loads < 100 m3/m3 • h. Ammonia (NH3) has deposition rate 60 % in biofilters, accordingly to new generation of N2O and NO, declining pH value -as a result of nitrification-reinforces accumulating NH4. Acid scrubber (H2SO4) precipitates NH3 > 90 %, mostly necessary after anaerobic step. Ammonium sulfate from acid scrubbers could be used as fertilizer in agriculture. Emission factors from composting in practice: CH4 low: 100 – 200 g/Mg average: 250 – 1,000 g/Mg high: 1,200 – 1,800 g/Mg N2O before biofilter: ~50 g/Mg clean gas after biofilter: ~100 g/Mg NH3 before biofilter: ~200 g/Mg clean gas after biofilter: ~20 g/Mg Emissions of CH4, N2O and NH3 from anaerobic digestion could be higher than from composting. CO2-Equivalent (data from CH4, N2O) from biological treatment of bio waste is in the waste gas ~ 30 – 40 kg/Mg and in the clean gas after biofilter ~ 70 – 80 kg/Mg. The estimated specific contingent for CH4, N2O and NH3 from composting/digestion is rather low (< 0.5% of total national emission). Source: Dr.-Ing. Carsten Cuhls: Composting and Fermentation of Biowaste –Contribution to reduce Greenhouse Gases IRRC – International Recycling and Recovery Congress, 10-11. September 2012, Berlin

12

Biohulladék

számolni (a CH4 globális felmelegedési potenciál (GWP) értéke 25; az N2O globális felmelegedési potenciál értéke 298. A folyamat során keletkező kibocsátások optimalizációját/minimalizálását A komposztálás jó gyakorlata című iránymutatás tartalmazza. A telepvezetők jól ismerik ezt, de bizonyos esetekben egyes különleges körülmények felülírhatják az iránymutatásban megfogalmazottakat. Az alapelvek szerint egy jól kivitelezett folyamathoz strukturált (magas porozitású) anyag szükséges, max. 65-70% nedvességtartalommal és 25-35 közötti C/N aránnyal annak érdekében, hogy elkerüljék az ammónia és nitrogén-oxid kibocsátást. A fontosabb folyamat-paraméterek a következők: 50-60% közötti nedvességtartalom, O2 utánpótlás, és a forgatás gyakorisága (az intenzív érési szakasz alatt hetente 1-2 alkalommal, utána pedig hetente 0,5 alkalommal). A prizma profilja: max. 2,50 m magas (pozitív levegőztetés esetén), vagy max. 1,50 m magas (passzív levegőztetés esetén). A legjobb elérhető technológiával kapcsolatban mindig az adott helyzet figyelembe vételével kell döntést hozni. A lebomlás körülményeitől függően CH4 (anaerob) vagy N2O (aerob) keletkezik a biológiai folyamat során. Az alapelv az, hogy a CH4 és N2O kibocsátást a megfelelő anyagjellemzők és folyamat-paraméterek kialakításával kell minimalizálni az aerob kezelés teljes időszakára vonatkozóan. A kibocsátott gázban a CH4 és N2O mennyiségét ugyanis nem lehet már további csővégi technológiával, például gázmosóval vagy biofilterrel csökkenteni. Megvizsgálták, hogy a gázmosó ill. a biofilter csökkenti-e a CH4 és az N2O mennyiségét. A metán (CH4) mennyisége a kibocsátott gázban kevesebb, mint 10%-kal csökkent megfelelő légterhelés > 50 m3/m3 • h mellett. Az N2O esetében egyáltalán nem tapasztalható csökkenés, hanem inkább növekedés a biofilterben található NH3 miatt. Jól működő biofilterek használatakor és megfelelő (azaz < 100 m3/m3 • h) légterhelés mellett a nem metán illékony szerves vegyületek (NMVOC) esetén általában nagy mértékű csökkenés (~ 90%) tapasztalható a könnyen lebomló vegyüle-


tek mennyiségében. Az ammónia (NH3) lebomlási aránya a biofilterekben 60%, az újonnan keletkező N2O és NO2 függvényében, miközben csökken a pH érték a nitrifikáció következtében, és NH4 halmozódik fel. A savas gázmosóban (H2SO4), amelyre az esetek többségében szükség van az anaerob fázis után, kicsapódik az NH3 több, mint 90%-a. A gázmosóban keletkező ammónium szulfátot műtrágyaként lehet hasznosítani a mezőgazdaságban. A komposztálás gyakorlatban tapasztalt kibocsátási faktorai a következők: CH4: alacsony 100 – 200 g/Mg átlagos: 250 – 1,000 g/Mg magas: 1,200 – 1,800 g/Mg N2O: bioszűrés előtt: ~50 g/Mg bioszűrés után a tisztított gázban: ~100 g/Mg NH3: bioszűrés előtt: ~200 g/Mg bioszűrés után a tisztított gázban: ~20 g/Mg A keletkező CH4, N2O és NH3 kibocsátott mennyisége anaerob erjesztés során magasabb lehet, mint a komposztálás során keletkezett mennyiség. A biohulladék biológiai kezelése során keletkezett gázokra (CH4 és N2O) vonatkozó CO2eq. adatok a következők: a még tisztítatlan gáz esetében ~ 30–40 kg/Mg, a tisztított gáz esetében pedig (a bioszűrés után) ~ 70–80 kg/Mg. A komposztálással/erjesztéssel történő kezelés esetén a CH4re, N2O-ra és NH3-ra vonatkozó becsült fajlagos kontingens alacsony (a teljes nemzeti kibocsátás < 0,5 %-a). Forrás: Dr.-Ing. Carsten Cuhls: Composting and Fermentation of Biowaste – Contribution to reduce Greenhouse Gases IRRC – International Recycling and Recovery Congress, 10-11. September 2012, Berlin

b i o m a ssZA

BIO M A S S

→ D r. G y u ricz a Cs ab a S z e nt Is t vá n E g y e t e m

Energiaültetvények létesítése:

ültetési alapanyag és telepítés A fás szárú energianövények termesztésének egyik – a hagyományos szántóföldi növényektől eltérő – sajátossága a szaporítóanyag formája és a telepítés módja. Az ültetvények létesítésének időpontja többnyire tavasszal van, azonban a felkészülést a telepítésre már az előző év őszén, illetve a tél folyamán meg kell kezdeni a szaporítóanyag kiválasztásával, levágatásával, esetleges előkészítésével. A fás szárú energianövények termesztését és felhasználását bemutató sorozatunkban ezúttal az ültetési alapanyagokat és a telepítés módszereit mutatjuk be.

Ültetési alapanyag A fás szárú energiaültetvények létesítéséhez kizárólag a fajtatulajdonos vagy engedélyes termelő által központi vagy üzemi törzsültetvényen előállított minősített szaporítóanyagot lehet felhasználni. Az energetikai faültetvények létrehozása telepítési engedélyhez kötött, amely megszerzésének feltétele a szaporítóanyag eredetét bizonyító fajtatulajdonosi igazolás. A csemetének minden esetben egészségesnek, sérülésmentesnek kell lennie. Az energiaültetvények létesítésére különböző típusú szaporítóanyagok használhatók fel. Fűz és nyár fajok telepítése esetén leggyakrabban a 20-22 cm hosszúságú gyökér nélküli, egyéves hajtásokról származó simadugványokat (1. kép) használják. Egyes ültetőgépek lehetővé teszik a hosszabb dugványokkal (30-35 cm) történő telepítést is, ezeket elsősorban nyár fajtáknál alkalmazzák. A simadugványokkal szembeni minőségi követelmény, hogy átmérője érje el legalább az 1 cm-t, az ennél vékonyabb dugványok a talajba helyezés során sérülhetnek, gépi és kézi telepítésnél egyaránt könnyen eltörnek. A dugványok egyenes, görbülésmentes hajtásokról származzanak, ellenkező esetben szintén nagy lehet a törésveszély. →


Biohulladék

13

BIO M A S S

→ Dr. Csaba Gyuricza, Szent István University

Creation of Energy Plantations: Planting Materials and the Planting Process One of the features – differentiating it from traditional arable land plantations - of woody energy plant production is the form of the propagation material and the method of planting. Plantations are usually created in spring; however, the preparation must be started in autumn or winter of the previous year by selecting, cutting and possibly preparing the propagation material. Within our series on woody energy plant production and utilization, this time planting materials and planting methods will be introduced. Planting materials For the creation of woody energy plantations certified quality propagation material must be used and this material must be produced in central or industrial stock nurseries by the species owner or a certified producer. The creation of energy tree plantations requires a plantation permission, which can only be obtained with the species owner’s certificate verifying the origin of the propagation material. Saplings must always be healthy and free from damage. There are a number of different propagation materials that can be used to create energy plantations. For the plantation of willow and poplar species most frequently 20-22 cm long, root-free plain cuttings (Picture 1) are used that come from one-year-old plants. Certain planting machines can also work with longer shoots (30-35 cm); however, they are normally used for poplar species. A quality requirement of plain cuttings is that their diameter must be minimum 1 cm as cuttings thinner than that may be damaged when placed into the soil and can also easily break whether planting is carried out with machines or manually. The cuttings must originate from straight plants without bends; otherwise they can also break easily. Another method for the creation of energy tree plantations is propagation with stake shoots (Picture 2). Stake shoots are 1 to 4 meters long, root-free planting materials cut from one-year or a few-year-old (usually 2, maximum 3-year-old) plants. In this case the diameter of the cutting is between 1 and 5 cm depending on the age and size of the cutting. The length of one-yearold stake shoots (also called long shoots) is usually not longer than 2 to 2.5 m while the length of a stake shoot cut from traditional, few-year-old

14

Biohulladék

Az energetikai faültetvények létesítésének másik módszere a karódugványokkal történő szaporítás (2. kép). A karódugvány 1-4 méter hosszúságú gyökér nélküli, egyéves vagy többéves (általában két, legfeljebb három éves) növényi részekből vágott ültetési alapanyagot jelent. Ebben az esetben a dugvány átmérője 1-5 cm között változhat a dugvány korától és méretétől függően. Az egyéves karódugvány (hosszú dugványnak is nevezik) hosszmérete általában nem haladja meg a 2-2,5 métert, ugyanakkor a hagyományos többéves növényi részekből vágott karódugvány mérete elérheti a 4 méter hosszúságot is. A dugványok végződhetnek csúcsrügyben (egyéves hajtások), ugyanakkor a többéves növényi részből vágott karódugványok többnyire fejezettek. A nagy területen létesítendő energiaültetvényekhez általában a simadugvány használatos, ugyanakkor speciális esetekben a karódugvány használata is szóba jöhet. Csalitos, nehezen művelhető termőhelyen a talaj előkészítése nélkül speciális fúróval készített ültetőgödörbe akár 80-100 cm mélységbe is behelyezhető a szapoítóanyag (3. kép). Ugyanezen módszerrel ár- és belvíz által veszélyeztetett termőhelyeken, rekultivációs területeken létesíthető energiaültetvény karódugványokból. Ez a módszer lényegesen drágább, munkaigényesebb, mint a simadugvánnyal történő telepítés, ugyanakkor talajelőkészítés nélkül is alkalmazha-

tó, a gyomszabályozás kisebb költséggel, kevesebb növényvédőszer felhasználásával oldható meg, a növekvő hajtásokat kevésbé fenyegeti a növénysorokban fejlődő gyomnövények víz- és fénykonkurenciája, időszakos ár- és belvíz borításra kevésbé érzékeny. Az akác esetében egyéves, jól meggyökeresedett 30-100 cm magas magágyi csemetéket alkalmaznak. Sok esetben közvetlenül a telepítés előtt 10–15 cm hosszúságúra vágják vissza a gyökeres növényeket. Mivel az akác gyökérsarjakat fejleszt, ezért a telepítés történhet a nemesített fajtákból származó gyökérdugványokkal is. Szaporítóanyag tárolása A vesszők levágása a vegetációs időszakon kívül, a növény lombmentes állapotában történik. Dugvány előállítására csak az egyenes, egészséges, sérülésmentes kérgű növényi részek használhatók fel. A törzsültetvényről a több méter hosszúságú vesszőket fűrésszel vágják le, amely során ügyelni kell arra, hogy a vágás felszíne roncsolásmentes legyen. Ezt követően történik meg a dugványok méretre vágása speciális körfűrésszel vagy ollóval. A dugványokat kötegelve vagy ládákba helyezve (4. kép) -2- –4 °C-ra hűtött helyiségben tárolják, majd a telepítés előtt a felhasználás helyére szállítják. Nagyon fontos, hogy a tárolás során egyenletesen alacsony hőmérsékletet lehessen biztosítani, mert ellenkező esetben a nedvkeringés

1. kép: Fűz és n yá r ü ltetvén y l étes ítés e l egg ya kr a b b a n s im a d u g vá n yokka l történik / Pic tu r e 1: W il l ow a n d popl a r pl a n tation s a r e u s u a l ly c r eated u s in g plain cuttin g s


Folytatás a 31. oldalon

b i o m a ssZA

tud o m á n y o s m e l l é k l e t

Sci e nti f ic s e c t i o n

A komposzt érettség vizsgálata forróvizes extrakcióval (HWP) Kovács Dénes PhD hallgató, Kiss Zsolt László MSc hallgató, Gulyás Miklós PhD hallgató, és Dr. Füleky György egyetemi tanár Szent István Egyetem, Környezettudományi Intézet, Talajtani és Agrokémiai Tanszék, Gödöllő

Bevezetés A komposztálás napjainkban reneszánszát éli egyrészt azért, mert a fogyasztói társadalmakban termelődő hulladékhegyek több mint egyharmad része szerves-anyag, másrészt talajaink degradációja nagyobb mennyiségű szerves-trágya felhasználását teszi szükségessé. A szerves hulladékok komposztálása alapvető fontosságú hulladékkezelési eljárás, ami dinamikusan terjed világszerte, így hazánkban is. Számos komposztálási technológia áll rendelkezésre és sok komposztáló telep működik már napjainkban. Nem elegendő azonban csak véghezvinni a komposztálás folyamatát, de nagy hangsúlyt kell helyezni a minőség biztosítására is. A felhasználás és a környezet szempontjából döntő minőségi tényező a komposzt érettségének meghatározása, ami jelen dolgozat tárgyát is képezi. Munkánk során arra kívántunk választ kapni, hogy nyomon követhető-e a komposzt érettségének alakulása forróvizes extrakciós (HWP) módszer segítségével.

az ammónia (ammónium) tartalom is, hiszen az éretlen komposzt jelentős mennyiségű ammóniát tartalmaz, míg az érett komposztban mennyisége nagymértékben lecsökken és nitráttá alakul. Bernal et al. (1998) szerint az érett komposztokban az ammónium-N/nitrát-N arány 0,16 vagy ennél kisebb érték.

Irodalmi áttekintés A komposzt érettség meghatározására a szerves-anyag átalakulás számos fizikai, kémiai, biológiai, biokémiai és humifikációs tulajdonsága alkalmas. Mindezek közül a vízoldható szerves-anyag a legfontosabb, hiszen ez a frakció vesz részt a legtöbb biokémiai folyamatban. A szerves-anyag átalakulás mértéke és a vízoldható szerves vegyületek képződése nyilván függvénye a kiindulási anyagok minőségének is. Ez a frakció elsősorban cukrokat, kis molekulájú szénhidrátokat, aminosavakat, kis molekulájú fehérjéket, fenolokat és szerves savakat tartalmaz. Korábbi vizsgálatok bebizonyították, hogy a komposztálás során a szerves-anyag mikrobiológiai bontása és az egyszerű szerves molekulákból humuszanyagok szintézise egyidejűleg megy végbe. (Bernal et al, 1998, Sanchez-Mundero et al, 2001). A legfontosabbnak a vízoldható szerves szén mennyiségének a változását tartották, ami rendkívül gyorsan csökken a komposztálási folyamat során. Hasonló tendenciát tapasztalt Füleky (2010) is a forróvíz oldható szerves széntartalom esetén. Érettnek azt a komposztot találták, ahol a vízoldható szerves szén mennyisége kisebb volt 0,5-1,7 %-nál. Benito M. et al, (2009) szerint ez az érték nagymértékben függ a kiindulási anyagok minőségétől is. A vízoldható széntartalom azonban Sellami F. et al (2008) szerint kismértékben fluktálhat is a komposztálás során a mikrobiológiai aktivitás változásának hatására. Megállapítják emellett, hogy a fenti határértékek esetén a komposztálandó anyagok átalakulása során nagyfokú humifikáció állt be. A komposzt érettség vízoldható széntartalom mérése alapján történő meghatározásának egyik legjobb jelzője a 254 nm-nél mért UV abszorbancia és a mért vízoldható széntartalom hányadosa a fajlagos UV abszorbancia (SUVA254), amely egyben a képződött szerves-anyag aromás jellegének jelzője is. Said-Pollicino D. et al. (2007) kimutatták, hogy a vizsgált komposzt fajlagos UV abszorbanciája a komposztálás 28. napjáig állandó volt, majd hirtelen megnövekedett 0,97 Lmg-1m-1 értékről 1,77 és 3,02 Lmg1 -1 m értékre a komposztálás 90. illetve 250. napjára. A fajlagos UV abszorbanciát tehát az aromás jelleg, vagyis a nagyfokú humifikáció jelzésére, egyúttal az érettség meghatározására tartották alkalmasnak. A vízoldható széntartalom mellett fontos jelzője az érettségnek

A minták összes-C tartalmát izzítási veszteség értékből, az összes N, P és K tartalmat kénsavas roncsolással tártuk fel és vízgőzdesztilláció, spektrofotometriás mérés, illetve lángfotométer segítségével határoztuk meg. A HWP-oldható ammónium-N tartalmat szintén vízgőzdesztilláció során határoztuk meg.

Anyag és módszer A komposztmintákon átengedett forró víz segítségével oldottuk ki 10, egyenként 100 cm3-es frakcióban a meghatározni kívánt elemeket. (Füleky és Czinkota 1993). Az abszorbanciát mindig az első HWP frakcióban mértük 254 nm-nél. A HWP-oldható széntartalmat az összes frakcióban meghatároztuk kénsavas roncsolással és ezek összegeként adtuk meg a ∑ HWP-C értékeket. A SUVA254 fajlagos UV abszorbanciát az abszorbancia és a vízoldható széntartalom hányadosaként kaptuk meg.

Eredmények Az összes széntartalom a kezdeti 36 %-ról egy hét alatt a felére csökkent (18 %), hiszen ez idő alatt ment végbe a termofil fázisa a komposztálásnak. Hasonló jelentős csökkenés következett be a forróvízoldható széntartalomban (HWP-C) is (1. táblázat). A forróvíz oldható C tartalom 0. és 42. napon mért mennyisége az 1. ábrán látható, ahol a mérési adatokra kinetikailag elsőrendű függvényt illesztettünk konstans taggal kiegészítve.

1. ábra: Komposztok forróvíz oldható C mennyiségének alakulása a komposztálás kezdetén (0. nap) és végén (42. nap)


Biohulladék

15

tudományos melléklet

Scientific section

A 254 nm-nél mért abszorbancia-érték ez alatt 7,15-ről 5,78-ra csökkent, jó összhangban az összes-C tartalom és a HWP-oldható széntartalom változásával. A fajlagos UV abszorbancia a két utóbbi paraméter hányadosa, a kezdeti viszonylag nagy értékről (1,67) tovább növekedett az első hét során. A kezdeti nagy SUVA254 arra utal, hogy a komposztáláshoz felhasznált zöldhulladék bomlása már a komposztálás beindítása előtt megkezdődött. Said-Pollicino D. et al. (2007) vizsgálatai szerint is kezdetben a SUVA értéke 0,97 volt és a komposztálás végére, érettség esetén érte el a 3,02-es értéket. A komposztálás további szakaszában az összes-C tartalom a 7. napon mért 18 % körül maradt. A HWP oldható C-tartalom jól jelezte az érettség kialakulását, hiszen értéke a 28. napig 10.000 mg/kg C-érték körül mozgott, ekkor azonban értéke hirtelen lecsökkent a felére (5727 mg/kg C), ami a komposztálás további időszakában már nem változott érdemben. Az összes széntartalom és a forróvíz oldható C-tartalom szoros összefüggését a 2. ábra mutatja.

3. ábra: Komposztok forróvíz oldható NH4-N mennyiségének alakulása a komposztálás kezdetén (0. nap) és végén (42. nap) Nagy ugrás (csökkenés) a 14. napon és a 28. napon volt, amikor is mindkét alkalommal a felére csökkent le az ammónium-N tartalom (2. táblázat). A minták összes N, P és K tartalma is a 2. táblázatban található. Mindhárom tápelem mennyisége jelentősen lecsökkent a komposztálás során a kezdeti értékről. Az összes-P tartalom a 21. napon érte el a minimumát, az összes-K tartalom értéke viszont a hetedik naptól állandónak tekinthető.

2. ábra: A komposzt minták Összes-C és HWP-C tartalmának összefüggése A 254 nm-nél mért abszorbancia a kezdeti 7,15 értékről a komposztálás során folyamatosan csökkent, leginkább a HWP-C tartalommal jó összefüggésben. A fajlagos abszorbancia (SUVA) értéke pedig az irodalmi megfigyelésekkel összhangban fokozatosan növekedett, jelezve a képződő szerves szénvegyületek aromás jellegének növekedését (1. táblázat). minta (nap) 0 7 14 21 28 35 42

Összes-C (%) 36 18 20 21 17 18 15

∑ HWP C (mg/kg) 17 765 10 144 10 454 14 642 5 727 5 931 5 009

Abszorbancia 254 nm 7,15 5,78 5,11 3,11 3,53 2,68 2,10

minta (nap) 0 7 14 21 28 35 42

∑HWP NH4-N (mg/kg) 1949 1406 842 774 385 411 350

Összes-N (%) 3,21 1,87 1,69 1,44 1,14 1,74 1,65

Összes-P (%) 0,71 0,46 0,52 0,39 0,45 0,51 0,63

Összes-K (%) 0,37 0,26 0,25 0,24 0,21 0,25 0,25

2. táblázat: HWP-N, P, K tartalom változása a komposztálás során Az összes N-tartalom és az ammónium-N mennyiségének összefüggése a 4. ábrán látható.

SUVA254 (Lmg-1m-1) 1,67 1,84 2,71 2,61 2,37 2,42 2,92

1. táblázat: A C-tartalom változása a komposztálás során A komposzt érettség jellemzésére szintén alkalmas ammónium-N tartalom a kezdeti 1949 mg/kg értékről a komposztálás 42. napjára 350 mg/kg értékre csökkent le, szintén jelezve az érettség elérését. A forróvíz oldható NH4-N tartalom 0. és 42. napon mért mennyisége a 3. ábrán látható, a HWP-C tartalomhoz hasonló függvény illesztés esetén.

16

Biohulladék


4. ábra: A komposzt minták Összes-N és HWP-NH4-N tartalmának összefüggése Következtetések A nemzetközi irodalommal megegyezően a komposztok vízoldható széntartalma jó jelzője a komposztok érettségének. Az általunk bevezetett forróvizes perkolációs módszer (HWP) által kioldott széntartalom segítségével nyomon követhető a komposztérés folyamata. A HWP-oldható C tartalom jelentős lecsökkenése mellett a 254 nm-nél mért abszorbancia csökkenése, valamint a fajlagos abszorbancia (SUVA254) növekedése is jó jelzője az érés folyamatának. Nemcsak a HWP-C, de a HWP által kioldott ammónium-N mennyisége is szoros kapcsolatban van a komposzt érésével, és mennyisége jelentősen lecsökken a komposztérettség elérésekor.


Irodalmi hivatkozások Benito M., Masaguer A., Moliner A., Hontoria C., Almorox J. (2009): Dynamics of puring waste and spent horse litter co-composting as determined by chemical parameters. Bioresource Technology, 100 (1), 497-500 pp. Bernal M. P., Paredes C., Sanchez-Monedero M. A., Cegarra J. (1998): Maturity and stability parameters of composts prepared with a wide range of organic wastes. Bioresource Technology 63. 91-99 pp. Füleky Gy. – Czinkota I. (1993): Hot Water Percolation (HWP): - A New Rapid Soil Extraction Method. Plant and Soil, 157, 131-135 pp. Füleky Gy. (2010): Hot-water carbon – extracted with Hot Water Percolation (HWP) – the indicator of compost maturity stages, XV Meeting of the International Humic Substances Society, Proceedings Vol 2, 436-439 pp. Mathur S. P., Owen G., Dinel H., Schnitzer M. (1993): Determination of Compost Biomaturity. I. Literature Review. Biological agriculture and Horticulture, Vol. 10, 65-85 pp. Said-Pollicino D., Kaiser K., Guggenberg G., Gigliotti G. (2007): Changes in the chemical composition of water-extractable organic matter during composting: Distribution between stable and labile organic matter pools. Chemosphere, Vol. 66. (11.) 2166-2176. pp. Sanchez-Monedero M. A., Roig A., Bernal M. P. (2001): The watersoluble organic fraction and its relationship to the degree of maturity of organic matter during composting. ORBIT Journal 01/2001.

Scientific section

Sellami F., Hachicha S., Chtourou M., Medhioub K., Ammar E. (2008): Maturity assessment of composted olive mill wastes using UV spectra and humification parameters. Bioresource Technology, 99 (15) 69006907 pp.

Summary

Examining compost maturity using hot water percolation In line with current literature, the water soluble carbon content of composts is a good indicator of their maturity. The method of hot water percolation (HWP) introduced by us allows for the maturation process to be monitored through examining dissolved carbon content. Just like the decrease in HWP-dissolved organic C content, decrease in absorbance measured at 254 nm as well as increase in specific absorbance (SUVA254) are both good indicators of the maturation process. Not only HWP-C but also the amount of HWP dissolved ammonium-N is closely connected to the maturity of composts. Its amount decreases radically once the compost maturation process is completed.

Biogázüzemi erjesztési maradékkal végzett kísérletek a mezőgazdasági felhasználás tükrében Gulyás Miklós1 – Dr. Szegi Tamás1 – Dr. Makádi Marianna2 - Dr. Füleky György1 1 Szent István Egyetem, Környezettudományi Intézet, Talajtani és Agrokémiai Tanszék, Gödöllő 2 Debreceni Egyetem AGTC KIT Nyíregyházi Kutató Intézet

1. Bevezetés Földünk fosszilis energiakészlete véges, a tartalékok hozzáférhetősége problémákat vet fel. Ezen anyagok használata energiahordozóként számos környezeti problémát vet fel, melyek térléptéke mára globális méretű. A problémakör megoldására tett politikai lépések hatására, az alternatív megoldások gyakorlati alkalmazása előtérbe került. A fosszilis készletekkel szemben a megújulók, jóval kisebb környezeti terhelést jelentenek, mindamellett folyamatos ellátást biztosíthatnak. Hazai viszonyainkat tekintve, a jövő meghatározó megújuló energiaforrása a biomassza lehet. Erre kínál alternatívát a biogáz előállítás is. EU-s irányelveknek való megfelelés következtében előtérbe került a mezőgazdasági biomasszára alapozott biogáz üzemek létesítése. A mezőgazdaságban és élelmiszeriparban évről-évre nagy mennyiségű trágya és egyéb hasznos melléktermék keletkezik, melynek megfelelő és biztonságos kezelése létfontosságú. A nemzetközi trendeket követve hazánkban is sorra épülnek a kisebb-nagyobb biogáz üzemek. 2011 végére a mezőgazdasági biogázüzemek száma megközelítette a 30-at. Ezzel egyidőben számos új kérdés merült fel, mint például az erjesztési maradékok mezőgazdasági hasznosításának kérdésköre. Talajaink állapotának, termékenységének fenntartása, javítása, illetve talajvizeink minőségének megőrzése, továbbá egészséges, gazdaságos élelmiszertermelés, és a keletkező hulladékok mennyiségének csökkentése szükségszerű elengedhetetlen. Ezen indokok miatt meg kell ismernünk

az erjesztési maradék talajbani viselkedését, hatását a talaj kémiai tulajdonságaira, tápanyag-ellátó képességére, szervesanyag tartalmára, mikrobiológiai tevékenységére. A fermentum a metán-, és hőtermeléssel foglalkozó biogáz üzemekben képződő melléktermék. A fermentációs technológiától függően a melléktermék folyékony vagy szilárd halmazállapotú lehet. Hazánkban a nedves technológiát alkalmazó üzemek terjedtek és várhatóan terjednek a jövőben is, ezért a folyékony állapotú fermentum, mint melléktermék, környezetbarát felhasználásának megoldása sürgető probléma. A fermentum kémhatása 7,8 és 8,7 között változott [1] [2] tehát a lúgos tartományba tartozik. Nitrogén, foszfor, kálium tartalomra vonatkozóan szintén nem lehet megadni konkrét értéket, mert az nagyban függ a felhasznált alapanyagtól is [2] [3] [4] [5] [6]. Az erjesztési maradék általában a komposztokhoz képest magasabb összes-N, P és K tartalommal rendelkezik [7]. A nitrogén általában 60-80 %-ban ammónia formában van jelen. Szoros összefüggést figyeltek meg az ammónia illékonysága, a talaj kémhatása, a hőmérséklete és a talaj között. Ez a veszteség fontos a megfelelő mennyiségű fermetum kijuttatásában a „Nitrát direktívában” meghatározott, maximálisan kijuttatható N miatt, és a N csírázás csökkentő szerepe okán is. A fermentum tartalmazhat toxikus elemeket is, melyek leginkább az állati takarmányok adalékanyagaiból, az élelmiszeripari anyagokból,


Biohulladék

17


Scientific section

szennyvízből és szennyvíziszapból, zsírokból származhatnak [8]. A fermentáció során csökken a szerves szárazanyag- és a széntartalom [6]. Tambone és munkatársai (2009) nagy biológiai stabilitású aromás és alifás molekulákat találtak a fermentumban, de kisebb arányban található nehezen bontható széntartalmú anyag, mint a komposztban [1]. 2004-ben Indiában a fermentlé laskagombára gyakorolt hatását vizsgálták. A kezelések hatására növekedett a kontrollhoz képest a laskagomba termésmennyisége. Fehérjetartalma növekedett miközben a szénhidrát tartalma csökkent. A gombában kimutatható tápanyagok mennyisége növekedett [9]. Észak-kínai üvegházas kísérletben sertés trágyát fermentáltak, és vizsgálták a termesztett uborka és paradicsom terméshozamot és C-vitamin tartalmát. Uborka esetében 18,4%-os termésnövekedést és 16,6%-os C-vitamin tartalomnövekedést értek el, míg paradicsom estében 17,8%, illetve 21,5% volt a növekedés a kontrollhoz képest [10]. A fermentlé szója jelzőnövény alá kijuttatását követően vizsgálták a talaj elemtartalmát. A talajoldat mérési eredményeiből kiderült, hogy nehézfémtartalma nem változott, a talaj foszfor, kálium és kén készlete szignifikánsan nőtt. Pozitív hatás volt, hogy az alumínium tartalom csökkent, és egyes mikroelemek koncentrációja növekedett. Negatív hatás a Zn tartalom csökkenése és a Na tartalom növekedése, ami hosszú távon hátrányos lehet [11]. A tenyészedényes, kisparcellás és üzemi kísérletekben a fermentlével, és egyéb talajjavító anyaggal kezelt területeken nőtt a növények termés mennyisége, nagyobbra nőttek a növények, javult a beltartalmi mutató [12] [13]. A fermentlé kezelés hatására növekedett a talajok össz. nitrogén tartalma a felsőbb rétegekben a vártnak megfelelően. A nitrát tartalom csökkenést mutatott a mélyebb talajrétegekben, jelezve, hogy a növények felvették a kijuttatott tápanyagot [14]. Munkánk célja, hogy az erjesztési maradék talajra és növényre gyakorolt hatását modellezzük tenyészedényes, majd szabadföldi kísérletekben. Bebizonyítsuk, hogy a keletkező fermentum nem jelent környezeti problémát. Körültekintő használatával talajaink állapota, termékenysége megőrizhető illetve javítható, ezáltal a termesztett növények mennyisége növelhető. A megszerzett ismeretek segítséget nyújtanak a jogi szabályozás megfogalmazásának és a jelenleg hulladékként számon tartott melléktermék értékes, tápanyagutánpótlásra alkalmas anyag lehet. 2. Anyag és Módszer 2.1. Mintavétel A laborvizsgálatokhoz, kísérletekhez szükséges erjesztési maradék mintákat az ELMIB csoporthoz tartozó Green Balance Kft. dömsödi biogáztelepén szereztük be (szennyvíziszapot is tartalmaz). Mintákat minden alkalommal az utótárolóból, homogenizált állapotban vettük. A kísérletekben alkalmazott talajminták a Szent István Egyetem Szárítópusztai, és Józsefmajori kísérleti és tangazdaságából származtak, a mintavételezést a talaj felső (0-25 cm) szintjéből végeztük. A Szárítópusztai terület (Gödöllői-dombság) adottságait figyelembe véve jellemző talaja az erdőtalaj, illetve fellelhetők itt beékelődött csernozjomok. A talajtakaró kialakulásában a változatos geológiai viszonyokon kívül meghatározó szerepe van az eredeti erdős, illetve erdőssztyepp növényi formációnak, a változatos lejtő és ehhez kapcsolódó hidrológiai viszonyoknak. A dombság területén nagy felületet foglal el a barnaföld, illetve a talajképző kőzetnek megfelelően a rozsdabarna erdőtalaj, keletebbre már a csernozjom dinamika, s ennek megfelelően már a csernozjom barna erdőtalaj, majd a csernozjom talaj az uralkodó. A Józsefmajori tangazdaság területe az Észak Alföldi hordalékkúpsíkság és a Cserhátalja határán található. Talajai a táj hegylábi és Alföld-peremi helyzeténél fogva változatos talajképző kőzeten alakultak ki (nyirok, lösz stb.). Uralkodó talajok a barnaföldek és a csernozjom talajok. A barnaföldek nagyrészt nyirkon, míg a csernozjomok főként löszön alakultak ki. Az alkalmazott talaj típusa mészlepedékes csernozjom, fizikai félesége vályog, kémhatása kissé savanyú. A felső szint szervesanyag-tartalma 2 %. körüli vagy magasabb. 2.2. Fermentlé és talajvizsgálatok A vizsgálatok során meghatároztuk a fermentlé minta szárazanyag, valamint szerves anyag tartalmát. Meghatároztuk a fermentum pH-ját, só tartalmát, összes nitrogén, NH4-n és NO3-N tartalmát. A foszfor tartal-

18

Biohulladék


mat SPEKOL 221 típusú spektrofotométerrel, a káliumot és nátriumot JENWAY PFP7 típusú lángfotométerrel, míg a kálciumot FLAMOM B automatikus lángfotométerrel határoztuk meg. Toxikus nehézfémek (réz, cink, vas, mangán, ólom, és kadmium) meghatározásához Perkin-Elmer 303 típusú AAS berendezést használtam. A kapott eredményeket MS Excelben értékeltük. Talajvizsgálatoknál meghatároztuk a humusz illetve a szerves szén tartalmát Tyurin módszerével a mintáknak. A pH-ját, só tartalmát, NH4-N és NO3-N tartalmát a talajoknak. 2.3. Kezelések, biotesztek A növények fejlődésének megfigyelésére és a kísérlet befejeztével a gyökérzet megvizsgálására angolperjét (Lolium perenne) vetettünk lapos edényekbe. Korábbi kísérleteink során bebizonyosodott, hogy az angolperje ideális jelzőnövény, a fermentum, komposztok esetben, a növényekre gyakorolt, növekedést gátló hatások vizsgálatára, gyors növekedése és érzékenysége miatt. Az évek során többféle kezelést állítottunk be különböző fermentlé adagokkal, melynél mindig a Nitrát Direktívában meghatározott N értéket vettük alapul. A kezeléseket a kötöttségnek megfelelő 60%-os nedvességtartalomra állítottuk be, a szükséges folyadékot a nedvesítéshez desztillált vízzel pótoltuk. A kísérlet időtartama alatt súlyra történt az edényzetek öntözése. A Szárítópusztai talajból (rozsdabarna erdőtalaj) a következő kezeléseket állítottuk be 3 ismétlésben: • 2010-ben végzett kísérletek: – Kontroll: 200g talaj – 1.kezelés: 200g talaj – 42,5 kg ha-1 N – 2.kezelés: 200g talaj – 85 kg ha-1 N – 3.kezelés: 200g talaj – 127,5 kg ha-1 N – 4.kezelés: 200g talaj – 170 kg ha-1 N • 2011-ben végzett kísérletek: – Kontroll: 200g talaj – 1.kezelés: 200g talaj – 25 kg ha-1 N – 2.kezelés: 200g talaj – 50 kg ha-1 N – 3.kezelés: 200g talaj – 75 kg ha-1 N – 4.kezelés: 200g talaj – 100 kg ha-1 N A Józsefmajori talajból (mészlepedékes csernozjom) a következő kezeléseket állítottuk be 10 ismétlésben: • 2012-ben végzett kísérletek: – Kontroll: 200g talaj – 1.kezelés: 200g talaj – 80 kg ha-1 N – 2.kezelés: 200g talaj – 120 kg ha-1 N – 3.kezelés: 200g talaj – 170 kg ha-1 N 2012-ben végzett szabadföldi kísérletek (mészlepedékes csernozjom – Bugyi): A kutatás során szabadföldi kísérletben mér(tük)jük a kijuttatott fermentum hatását a talajok fizikai, kémiai, és tápanyag tulajdonságaira. A növényi tesztek során összefüggéseket keresünk a kijuttatott fermentum mennyisége és minősége között. Továbbá a fermentum magas tápanyagtartalma és szerves anyag tartalma kedvező hatással bír a termesztett növények terméseredményére és beltartalmi értékeire egyaránt, valamint alkalmas a talaj termékenységének fenntartására, esetleg javítására. A kísérletben alkalmazott erjesztési maradék csak mezőgazdasági eredetű alapanyagokat tartalmazott. A kísérlet háromismétléses, sávos, véletlen elrendezésű. Parcellaméret 18 x 100 m= 1800 m2. Alkalmazott növény kukorica (Zea mays). – 1. kezelés: 1800 m2 – 170 kg ha-1 N erjesztési maradék – 2. kezelés: 1800 m2 – 170 kg ha-1 N műtrágya


Scientific section

3. Eredmények 3.1. Kémiai paraméterek

2. ábra: Angolperje fejlődése érlelt talajon Angolperjénél azt tapasztaltuk, hogy a kis adagú kezelések korábban kifejtik kedvező hatásukat, míg a nagy adagok kezdetben depressziót, fejlődésben való elmaradást okoznak. A 20 napos tenyészidőszak végére a különbségek csökkentek. A gyökérzetet megvizsgálva a legnagyobb adagú kezelés hatására csökevényes gyökérzett fejlődött, amit a fermentum magas ammónia tartalmával magyarázunk. 3.3. 2011-ben végzett kísérletek

1. táblázat: Fermentlé vizsgálati alapadatai Az erjesztési maradék oldott formában tartalmazza a tápelemeket, amiket így a növények könnyen fel tudnak venni a talajból. Az 50/2001. Korm. rendeletben a szennyvíziszapokra előírt határértéket, a vizsgált nehézfémek közül a Cr(VI) mennyisége haladta meg (1. táblázat) minimálisan.

3. ábra: Angolperje gyökérfejlődése erjesztési maradékkal kezelt talajon 14 nap után A 2010-es eredményekhez hasonlóan itt is azt tapasztaltuk, hogy a kezelések adagjainak növelésével arányosan lassabban indultak csírázásnak az angolperje magok. A kísérlet ideje alatt a kezelések közti különbségek lecsökkentek, csaknem eltűntek, a növények számára rendelkezésre álló könnyen felvehető tápanyagoknak köszönhetően. Azonban a gyökérzetet megvizsgálva ismételten depressziót tapasztaltunk a növekedésben, fejlődésben (3. ábra).

3.2. 2010-ben végzett kísérletek

1. ábra: Érlelés és kezelések hatása a talaj NH4-N tartalmára

4. ábra: Erjesztési maradék hatása a kezelt talaj pH-jára

A kezelések hatására lineárisan nőtt a talaj ammónium-ion tartalma a kontrollhoz viszonyítva (1. ábra). A 20 napos érlelés utáni mérési eredmények az NH4-N tartalom szignifikáns csökkenését mutatják minden kezelés esetében, ami a nitrifikációval magyarázható. A kezelések hatását az angolperje tesztnövényen értékeltük (2. ábra). Figyeltük a csírázás kezdetét, a kelés egységességét, növények átlag magasságát stb. Ezeket összevetve százalékos rendszerben értékeltük a kezelések eredményeit, minden esetben a kontrollt 100%-nak tekintve.

Bár az anyag lúgos kémhatású, a nagy mennyiségben található ammónium ionból a nitrifikáció során felszabaduló H+ ionok miatt a talaj kémhatása csökkenő tendenciát mutat (4. ábra). Ehhez járul még hozzá a különböző savak képződése, és a növényi felvétellel járó savanyodás.


Biohulladék

19


Scientific section

5. ábra: Erjesztési maradék hatása a talaj sótartalmára A kezelések hatására szignifikánsan nőtt a sótartalom (5. ábra), ezt a változást az ammónium- sók bomlásakor felszabaduló ionok okozzák. A kationcsere kapacitás vizsgálatból kiderült, hogy a nátrium aránya a kezelések hatására nem változott jelentősen. 3.4. 2012-ben végzett kísérletek

7. ábra: Erjesztési maradék hatása az angolperje gyökérfejlődésére 14 nap után A korábbi években tapasztalt gyökérfejlődési depressziót jelen kísérletben is igazoltuk. A 7. ábrán jól látszik, hogy a kezelések hatására a növények kevesebb, és gyengébb gyökérszerkezettel rendelkeznek 3.5. 2012-ben végzett szabadföldi kísérletek

8. ábra: Erjesztési maradék hatása a kukorica termésmennyiségére Szabadföldi kísérletünkből kiderült, hogy a fermentlé pozitív hatással volt a termés mennyiségére (8. ábra), bár a két kezelés között nem volt szignifikáns különbség. A további eredmények feldolgozása folyamatban van, amivel az eredeti céloknak megfelelően értékelhetőek majd az eredmények.

6. ábra: Ammónium- és nitrát-ion időbeni változása a kezelések hatására

A 6. ábráról leolvasható, hogy a kontrollt leszámítva, a pontokra illesztett másodfokú polinom függvény metszi egymást. Ez a pont ott található, ahol az ammónium-ion és a nitrát-ion mennyisége megegyezik. A 80 kg-os kezelés esetén a metszéspont a 2. és a 3. nap között, a 120 kg-osnál a 3. és a 4. nap között, a 170 kg-os kezelésnél, pedig pont a 4. napnál metszi egymást a két függvény. A magyarázat az, hogy a kezelésekkel több ammónium-ion kerül a talajba, így több idő kell a nitrifikációhoz, amit a növények fejlődést vizsgálva igazoltunk.

20

Biohulladék


4. Összefoglalás A hazai és külföldi tendenciákat figyelembe véve fokozatosan nőni fog a kisebb-nagyobb biogáz üzemek száma. Ezáltal megnő a kezelt termék és az erjesztési maradék mennyisége is, melyről gondoskodni kell a folyamat végén. Felhasználásához ismerni kell a keletkezett anyag tulajdonságait. A talajvizsgálatból kiderült, hogy a talajhoz kevert fermentlé megnövelte annak oldott nitrogén tartalmát a kezeléseknek megfelelően. Az ammónium-ion, levegőzött talajon nitrifikáló baktériumok hatására átalakulási folyamaton ment keresztül, és nitrát-ionná alakult. Az anyag lúgos kémhatású, azonban a magas ammónium tartalom miatt a nitrifikáció eredményeképpen mégis csökkentette a talaj kémhatását és növelte annak sótartalmát. Amíg az erjesztési maradék magas ammónium tartalmának nagy része át nem esik a nitrifikációs folyamaton addig a növények fejlődése min-


den esetben gátolt, lassabb. A nagy adagok depressziót, és csökevényes gyökérfejlődést okoztak. A szántóföldi eredmények alapján a fermentlé tápanyag-utánpótlásra felhasználható, a laborban tapasztalt depressziót nem észleltünk a növényeken. Irodalomjegyzék 1. Gómez, X., Cuetos, M.J., García, A.I. & Morán, A. (2007). An evaluation of stability by thermogravimetric analysis of digestate obtained from different biowastes. Journal of Hazardous Materials, Vol. 149, No.1, pp. 97-105 2. Pognani, M., D’Imporzano, G., Scaglia, B. & Adani, F. (2009). Substituting energy crops with organic fraction of municipal solid waste for biogas production at farm level: A full-scale plant study. Process Biochemistry, Vol. 44, No. 8, (August 2009), pp. 817-821 3. Loria, E.R., Sawyer, J.E., Backer, D.W., Lundwall, J.P. &Lorimor, J.C. (2007). Use of anaerobically digested swine manure as a nitrogen source in corn production. Agronomy Journal, Vol. 99, No. 4, (JulyAugust 2007), pp. 1119-1129, ISSN 0002-1962 4. Makádi, M., Tomócsik, A., Kátai, J., Eichler-Loebermann, B. & Schiemenz, K. (2008): Nutrient cycling by using residues of bioenergy production - effects of biogas-digestate on plant and soil parameters. Cereal Research Communications, Cereal Research Communications, Vol. 36, Supplement 5, (August 2008), pp. 1807-1810 5. Möller, K., Stinner, W., Deuker, A. & Leithold, G. (2008). Effects of different manuring systems with and without biogas digestion on nitrogen cycle and crop yield in mixed organic diary farming systems. Nutrient Cycling in Agroecosystems Vol. 82, No. 3, (November 2008), pp. 209-232, ISSN 13851314 6. Stinner, W., Möller, K. & Leithold, G. (2008). Effect of biogas digestion of clover/grass-leys, cover crops and crop residues on nitrogen cycle and crop yield in organic stockless farming system. European Journal of Agronomy, Vol. 29, No. 2-3, (August 2008), pp. 125-134, ISSN 1161-0301

Scientific section

7. Tambone, F., Genevini, P., D’Imporzano, G. & Adani, F. (2009). Assessing amendment properties of digestate by studying the organic matter composition and the degree of biological stability during the anaerobic digestion of the organic fraction of MSW. Bioresource Technology, Vol. 100, No. 12, (June 2009), pp. 3140–3142 8. Marianna Makádi, Attila Tomócsik and Viktória Orosz (2012). Digestate: A New Nutrient Source - Review, Biogas, pp.295-310 Dr. Sunil Kumar (Ed.), ISBN: 978-953-51-0204-5, 9. BANIK, S. & NANDI, R. (2004): Effect of supplementation of rice straw with biogas residual slurry manure on the yield, protein and mineral contents of oyster mushroom. Industrial Crops and Products 20. 311319. 10. QI, X., ZHANG, S., WANG, Y. & WANG, R. (2005): Advantages of the integrated pigbiogas-vegetable greenhouse system in North China. Ecological Engineering 24. 177-185. 11. VÁGÓ I., MAKÁDI M., KÁTAI J., BALLÁNÉ KOVÁCS A. (2008): A biogáz gyártás melléktermékének hatása a talaj néhány kémiai tulajdonságára. Talajvédelem, Supplementum. Talajtani Vándorgyűlés, Nyíregyháza. p. 555-560. 12. MAKÁDI M., TOMÓCSIK A., OROSZ V., BOGDÁNYI ZS., BIRÓ B. (2007c): Effect of a biogas-digestate and bentonite on some enzyme activities of the amended soils. Cereal Research Communication 35 (2): 741-744. 13. TOMÓCSIK A., MAKÁDI M., OROSZ V., BOGDÁNYI ZS. (2007a): Biogázüzemi fermentlé hatása a silókukorica (Zea mays l.) termésére és beltartalmi mutatóira. Első nemzetközi környezettudományi és vízgazdálkodási konferencia, Szarvas, 2007. október 18-20. TSF Tudományos Közlemények, 2007 (7):1. 1. kötet, p.163-168. 14. MAKÁDI, M., TOMÓCSIK, A., LENGYEL, J., MÁRTON, Á (2008b): Problems and successess of digestate utilization on crops. Proceedings of the Internationale Conference ORBIT 2008, Wageningen, 13-16 October, 2008. CD-ROM (ISBN 3-935974-19-1)

Summary

Experimenting with fermentation residue from biogas plants in the light of utilization in agriculture Considering both national and international trends, the number of biogas plants is likely to gradually grow. Thereby the amount of treated product as well as fermentation residue will also increase, and will need to be taken care of at the end of the process. For successful utilization, its properties need to be known. Results of soil tests showed that liquid broth mixed to soil increased its dissolved nitrogen content depending on treatments. In aerated soil the ammonium ion went through a transformation process and was transformed into nitrate ion influenced by nitrifying bacteria. The material is alkaline; however, due to its high ammonium content it lowered the pH of the soil and increased its salt content. Until the greatest part of the ammonium content in the fermentation residue goes through the nitrification process, plant growth is inhibited and slower. Adding large doses to the soil resulted in depression and vestigial root development. Based on field test results liquid broth can be used for nutrient re-supply, depression observed under laboratory conditions was not detected in the field.


Biohulladék

21


Scientific section

Szelektíven gyűjtött papírhulladék illetve fűrészpor és faforgács tablettázhatóságának vizsgálata Nagy Sándor, tanszéki mérnök Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet

1. Bevezetés A darabosítás az aprítással ellentétes eljárás. Darabosításnak (agglomerálásnak) nevezzük azt a mechanikai eljárást, amikor szemcsék közötti kötőerők révén a finom szilárd diszperz anyag (porok, zagy finom részecskéi) szemcseméretét megnöveljük. Számos iparágban – ásványi nyersanyagok előkészítése, cementipar, vegyipar, élelmiszeripar, tüzeléstechnika, mezőgazdaság, gyógyszeripar, hulladékelőkészítés – előfordulnak olyan finom-diszperz anyagok, termékek, amelyeket agglomerálni kell. A granulátum, agglomerátum számos előnnyel rendelkezik a porformával szemben: halmaz térfogatsúly nő, folyási tulajdonságok megváltoznak, javul a keverhetőség, a granulátum halmaz átáramlási ellenállása lényegesen kisebb, mint a porformának, az anyag kezelésénél csökken a kiporzás. A briketteknek általában több szempontnak is meg kell felelniük. Egyik legfontosabb minőségi jellemző a törési szilárdság, amelyet a brikett későbbi felhasználásának megfelelően kell beállítani. Általában megfelelően szállíthatónak és adagolhatónak kell lenni a briketteknek, felhasználásuk során azonban adott igénybevételre a legtöbb esetben szét kell esniük (pl.: tüzelőanyag tűztérben, tabletták oldása, stb.). Az előállítás során fontos paraméter az alkalmazott préselési nyomás és hőmérséklet, ezekre a berendezéseket méretezni kell. Nagyobb préselési nyomás esetén a berendezés alkatrészei nagyobb igénybevételnek vannak kitéve. A nagyobb mechanikai szilárdság és a hőálló berendezés kialakítás a beruházási költséget növeli. Az agglomerálás során befektetett fajlagos munka ismerete és a préselési hőmérséklet kiemelt fontosságú, mivel a gyártás költségeivel szoros összefüggésben áll. A gyártás optimálásához elengedhetetlen a gyártási paraméterek brikettminőségre gyakorolt hatásának pontos ismerete. A vizsgálatok elvégzésére a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetében található kísérleti dugattyús prés továbbfejlesztett változatát használtuk, mellyel eltérő paraméterek mellett nagyszámú kísérletsorozat végezhető el, így téve lehetővé a fő paraméterek megbízható meghatározását, ill. a különböző anyagok brikettálhatóságának vizsgálatát. A vizsgálat során meghatározott optimális paraméterek mellett szükséges csak üzemi-félüzemi kísérletek elvégzése, mely jelentősen csökkenti a vizsgálatok mintaigényét és költségét [9]. 2. Nyomással történő agglomerálás Az agglomerálásnak három fő módja létezik: nyomással történő agglomerálás, felépítő agglomerálás (pelletálás) és a szinterezés. 2.1 Alapelvek A nyomással történő agglomerálás során a présberendezések az általában száraz ömlesztett anyagra olyan nagy erőt fejtenek ki, hogy a nyomás hatására a pontszerűen jelenlévő kontaktusok száma nő, és felületszerű kapcsolattá alakulnak, így a kötőerők intenzívebbek lesznek. A tömörítés kezdetén (nagy porozitásnál és kis nyomásnál) kiváltképp a szemcsék átrendeződése zajlik le, ahol a súrlódó erőket kell legyőzni. Nagyobb nyomás elérésekor, mikor a porozitás már kisebb, a szemcsék alakváltozása válik jellemzővé, anyagtól függően rugalmas változás, majd azt követő törés (rideg anyag), vagy plasztikus alakváltozás (rugalmas-képlékeny, ill. szálas anyag) [1, 2].

22

Biohulladék


Az anyag plasztikus viselkedése a felületszerű kapcsolatok keletkezését segíti, ezért a tömöríthetőség szempontjából nagy jelentőséggel bír. A préselés során a tabletta belsejében az erőátvitel eltérősége miatt helyenként eltérő nyomások lépnek fel. Nagy nyomással érjük el, hogy az érintkező felületen megfelelő, különböző eredetű kötőerők léphessenek fel. Az alkalmazott nyomás 10 - 1000 MPa, de leggyakrabban 50–250 MPa tartományba esik. Egy szemcsehalmaz nyomással történő agglomerálhatósága függ [1, 3]: • az anyagsajátságoktól, • a szemcsemérettől, és szemcseméret eloszlástól, • az eljárási körülményeitől (különösen a nyomástól, hőmérséklettől), • a kötőanyagtól. A brikettáláshoz számos gépfajta áll rendelkezésre. Létezik dugattyús berendezés, ellendugattyúval rendelkező, extruder típusú, hengerpár, ill. sík-, és hengermatricás. Közös jellemző, hogy az alapjelenség minden berendezésben azonos. Két szemcse között többféle kötés léphet fel. A két fő csoportja ezen kötéseknek az anyagi, illetve agyagi kötés nélkül létrejövő kapcsolódások. Mind a két fő csoporton belül vannak még további alcsoportok. Jelen cikkben bemutatott anyagok tablettázása kötőanyag nélkül történt. 2.2 Tablettázás elméleti háttere A zárt térben a finom szemcsés anyaghalmazok (porok) térfogata külső terhelés hatására megváltozik, csökken, amely a porok halmaz sűrűségének növekedésével jár: V=f(p, κ), amelyben p a terhelés (nyomás), V a tabletta térfogata és κ az anyagtól függő kompresszibilitási tényező [4]. Fontos jellemző a kompresszibilitás vagy más néven összenyomhatóság. A kompresszibilitás a tabletta térfogatának (sűrűség) változása és a préselési nyomás közötti összefüggést adja meg, azaz a porok nyomás hatására történő deformációs képességét mutatja. Johanson mérések alapján egyszerű hatványfüggvényt állított fel, amit hengeres prések méretezésénél használt:

azaz ahol ρA a tabletták (agglomerátum) sűrűsége, p a préselési erő, ρ0, p0 alapsűrűség ill. alapnyomás. κ a préselési ellenállásra jellemző szám, a kompresszibilitási tényező. Szokásos értékei: 2…10 közé esnek. [5, 6, 7] A kompresszibilitás azonban nem ad felvilágosítást a tabletták szilárdságáról. Gyakorlati szempontból kiemelten fontos a tömöríthetőség, amely a szilárdság (eredmény) és a befektetett energia, ill. nyomás közti összefüggést vizsgálja. A kompresszibilitásra és a tömöríthetőségre számos empirikus,


ill. félempirikus közelítő egyenlet létezik, többnyire korlátozott érvényességi tartománnyal [5, 8]. A tablettázás során befektetett munkát az erő elmozdulás diagramból integrálással határozhatjuk meg. 2.3 Brikettek minősítése A brikett minőség jellemzésére a törési szilárdság és a brikett sűrűség a legalkalmasabb. Gyakorlati szilárdságvizsgálatok elvégzésére több lehetőség is adódik. A mindenkori szilárdsággal kapcsolatos követelményeknek megfelelően azok vizsgálatára technológiai tesztmódszereket alkalmaznak. Sokat a gyógyszeripar érdekének megfelelően fejlesztettek ki (tablettavizsgáló berendezés), viszont más termékek vizsgálatánál is alkalmazzák. A főbb módszerek: – nyomószilárdság vizsgálata, – húzószilárdság vizsgálata, – hajlítószilárdság vizsgálata, – ejtési vizsgálat, – morzsolódási vizsgálat. 3. Vizsgálati berendezések és módszerek A vizsgálatok során 25 mm átmérőjű tabletták készültek, a tablettázás során változtattuk a préselési nyomást. A készült tabletták minősítése sűrűségük és húzó szilárdságuk alapján történt, meghatároztuk a fajlagos tablettázási munkákat. Minden esetben meghatároztuk a préselési nyomás és sűrűség, valamint préselési nyomás húzó szilárdság közti összefüggéseket. 3.1 Berendezések A kísérleteket a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézete által kifejlesztett, és legyártott hidraulikus brikettáló-berendezéssel (1. ábra) folytattuk le. A berendezés egy nyomáshatárolóval ellátott hidraulikus tápegységről üzemel. A prés dugattyú 200 kN maximális erő kifejtésére képes. A dugattyúkba jutó olaj nyomását (így a tabletta felületére ható erőt) tetszőleges, előre beállított értéken le lehet határolni, a hüvely hőmérséklete 20 és 140 ˚C között szabályozható. A dugattyú pozíciója inkrementális távolságmérővel határozható meg, a fellépő erők meghatározására erőmérő cella került beépítésre. Műszaki adatok Fmax vmax Hőmérséklet tart. Tabletta átmérők Távolságmérés Adatfeldolgozás (erő, távolság)

A tabletták minősítésének másik eszköze a közvetett húzószilárdság meghatározása volt. A vizsgálatok során, az adott tabletta törése során fellépő maximális erőből számoltuk a húzó szilárdságot. A közvetett húzó szilárdság a következő összefüggés szerint számítható: σ = 2 Fmax/( π h D ), ahol: σ: a tabletta húzó szilárdsága, a maximális erő a törés során. Fmax: 4. Darabosíthatósági vizsgálatok A hulladékgazdálkodási cégek a papírhulladékok mellett gyakran fahulladékot is begyűjtenek. A papírhulladék energetikai hasznosítása mellett, a papír és fa együttes energetikai hasznosítása is célszerű lenne. Emiatt a kísérletek a papírhulladékok (újságpapír), valamint papírhulladék és fa kötőanyag nélküli együttes brikettálásának vizsgálatára irányultak [9, 10]. 4.1 Eljárástechnikai alapvizsgálatok A brikettálás során kiemelten fontos a nyersanyagok nedvességtartalma, az eddigi intézeti vizsgálatok alapján 5-10 % nedvességtartalom az optimális. Nedvességtartalom vizsgálatra a vágómalommal (RETSCH SM2000 típusú vágómalom, 12 mm-es lyukbőségű kihordó szitarács) aprított újságpapír (n=6,3 %), valamint a 2 mm-nél nagyobb szemcseméretű faforgács (n=11,4 %) és a 2 mm-nél kisebb szemcseméretű fűrészpor (n=11,3 %) került. 4.2 Tablettasűrűség vizsgálata A kísérletek során az újságpapír brikettálási lehetőségeit; valamint az újságpapír és faforgács (> 2 mm), illetve az újságpapír és fűrészpor (< 2 mm) együttes brikettálásának lehetőségeit vizsgáltuk. Mind a három esetben öt különböző nyomáson (50, 100, 150, 200, 250 MPa), és szobahőmérsékleten három tabletta készült (2. ábra és 1. táblázat).

200 kN 30 mm/s 20–140 ˙C 25 ill. 40 mm Inkrementális PC, LabWindows

1. ábra: Hidraulikus brikett-prés az ME Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetében A tabletták törése a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén egy hidraulikus törőgéppel történt (MTS Systems Corporation, Minneapolis, Minnesota, USA), mely a pillanatnyi összenyomó erőt az elmozdulás függvényében rögzítette [9]. 3.2 Kísérleti tabletták minősítése A tabletták sűrűségével jól és egyszerűen jellemezhető a minőségük: ρt = m / V = 4 m / ( D2 π h ), ahol ρt a tabletta sűrűsége, m a tabletta tömege, V a tabletta térfogata, D a tabletta átmérője, h a tabletta magassága.

Scientific section

2. ábra: A brikettek sűrűsége és a préselési nyomás közötti összefüggés

Minta összetétele újságpapír újságpapír és fűrészpor újságpapír és faforgács

Illesztett görbe ρ = 506,57 p 0,178105 ρ = 492,23 p 0,17041 ρ = 418,02 p 0,194408

κ 5,61 5,87 5,14

Relatív szórás V = 1,69 % V = 2,39 % V = 3,05 %

1. táblázat: Illesztett görbék Látható, hogy kis relatív szórás érhető el a Johanson-féle hatványfüggvény illesztésével (V=2,38%). Johanson szellemében ábrázoltuk a relatív sűrűséget is a préselési nyomás függvényében (3. ábra), a kompresszibilitás jobb összehasonlíthatósága érdekében, hiszen a keverék alkotóinak sűrűsége is eltér egymástól.


Biohulladék

23



3. ábra: A brikettek relatív sűrűsége és a nyomás közötti összefüggés Az újságpapírra és az újságpapír-fűrészpor keverékére gyakorlatilag ugyanaz a hatványfüggvény illeszthető. Az eredmények alapján a következő megállapítások tehetők: a legnagyobb sűrűségű briketteket 250 MPa nyomáson sikerült előállítani, az átlagos sűrűségértékek 870…1340 kg/m3 között változnak. A nyomás növelésével arányosan nő az előállítás költsége is. A nyomás növelésével azonban egy bizonyos érték után (jelen esetben 200 MPa) csak kis mértékben nő a sűrűség, emiatt meg kell találni azt az optimumot, ahol megfelelő a sűrűség és az előállítás gazdaságos. 4.3 Húzószilárdság A 4. ábra mutatja a papír tabletta törési szilárdságának meghatározásának módját.

5. ábra: A húzószilárdság (σh) és a préselési nyomás (p) összefüggése

Minta összetétele

Illesztett görbe

újságpapír újságpapír és fűrészpor újságpapír és faforgács

σh = 1,5332 ln(p) – 5,4402 σh = 1,1199 ln(p) – 3,8156 σh = 1,1300 ln(p) – 3,7946

Relatív szórás V = 7,57% V = 5,79% V = 4,83%

2. táblázat: Illesztett függvények egyenletei

A 6. ábra és a 3. táblázat a brikettálási munka és a feszültség összefüggését szemlélteti.

4. ábra: Papír tabletta törése

A tömöríthetőség logaritmikus (Higuchi, lásd 5. ábra és 2. táblázat) és hatvány függvényekkel (Newton és Grant) írható le, legnagyobb húzószilárdság tiszta papír esetén érhető el, a fűrészpor és a faforgács csökkentették a szilárdságot, a fűrészpor kevésbé, mert jobban be tudott épülni a papír mátrixba.

6. ábra: A húzószilárdság és a fajlagos brikettálási munka (w) összefüggése A leolvasott egyenletek paramétereit a következő táblázat tartalmazza a logaritmikus görbék esetén (Vátl.=5,60 %). Egyenes illesztéskor a relatív szórás: Vátl.=9,33 % [9].

24

Biohulladék



Minta összetétele újságpapír újságpapír és fűrészpor újságpapír és faforgács

Illesztett görbe σh = 1,4796 ln(w) – 2,6283 σh = 1,2444 ln(w) – 2,4369 σh = 1,4175 ln(w) – 3,1323

Relatív szórás V = 6,22 % V = 7,75 % V = 2,84 %

3. táblázat: A húzószilárdság - brikettálási munka görbéről leolvasott egyenletek 5. Összefoglalás A brikettált újságpapír, ill. annak fűrészporral és faforgáccsal kevert változatai esetén a kompresszibilitás a Johanson-féle hatványfüggvénnyel írható le legjobban a vizsgált tartományban. A legnagyobb sűrűség tiszta papír esetén érhető el. A κ értékei 5,14…5,87 között változnak (átlagban κátl=5,54). Ábrázoltuk a relatív sűrűséget is –Johanson szellemében- a préselési nyomás függvényében, a kompresszibilitás jobb összehasonlíthatósága érdekében, hiszen a keverék alkotóinak sűrűsége is eltér egymástól. Az újságpapírra és az újságpapír keverékeire az ρ/ρ0-p (relatívsűrűség) Johanson-féle hatványfüggvénnyel leírható összefüggés gyakorlatilag megegyezik, ugyanaz a hatványfüggvény illeszthető. Bár a malomban 6 mm-es szitaráccsal aprított papír brikettálási eredményei nem kerültek bemutatásra a cikkben, de azok és a bemutatott 12 mm-es szitaráccsal kapott brikettek eredményeinek összehasonlításakor megállapítható, hogy a tiszta papír esetén a szemcseméret ebben a két mérettartományban nem befolyásolja a tabletták sűrűségét. A tömöríthetőség logaritmikus (Higuchi) és hatvány függvényekkel (Newton és Grant) írható le, legnagyobb húzószilárdság tiszta papír esetén érhető el. Megállapítható a hasznosítási lehetőségek vonatkozásában, hogy a használt kísérleti berendezés, és a tabletták értékelésének módszere alkalmas különböző hulladékok optimális préselési paramétereinek behatárolására, ugyanis nagyszámú kísérlet végezhető el különböző paraméterek mellett, kis mintaanyag szükséglettel. A vizsgálat során meghatározott, kedvezőbb paraméterek mellett szükséges csak üzemi-félüzemi kísérletek elvégzése, mely jelentősen csökkenti a vizsgálatok mintaigényét, és költségét. A σh(w) bevezetésével különböző hulladékok brikettálhatóságának jellemzése (leírása) és összehasonlítása válik lehetővé. Köszönetnyilvánítás „A publikáció a TÁMOP‐4.2.1.B‐10/2/KONV‐2010‐0001 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg”. Köszönettel tartozom az AVE Miskolc Kft.-nek a munkámhoz szükséges minták és információk biztosításához. Felhasznált irodalom [1] H. Schubert: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1984.


[2] W. Pietsch: Agglomeration methods in particle engineering. Proceedings of the XXI. Inernational Mineral Processing Congress (A4), Rome, July 23-27 2000. [3] G. Göll, H. Knöbel, D. Espig: Einfluss der Korngrössenverteilung auf Dichte und Festigkeit pyrotechnischer Tabletten. Aufbereitungs Technik 47 (2006) Nr 7. p36-49 [4] Por alakú anyagok adagolása és kompaktálása nagyteljesítményű hengerprésben. Kutatási jelentés, Miskolci Egyetem Eljárástechnikai tanszék, 1994. [5] Stiess: Mechanische Verfahrenstechnik 2, Springer Lehrbuch 1993 [6] Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet; Paderborni Egyetem: Feeding and Compacting of Powders in High-Performance Roll Presses (U/No CIPACT93-0151). Kutatási jelentés, 1998. [7] Csőke B.: Előkészítéstechnika. Intézeti jegyzet, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet, 2004. [8] Jorn M. Sonnergaard: Quantification of the compactibility of pharmaceutical powders. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 63 (2006) p270-227. [9] Nagy Sándor: Hulladékok dugattyús préssel történő kompaktálásának vizsgálata. ME, Doktori (PhD) értekezés, 2012. [10] Bodnár Zoltán: Papír hulladék darabosítására irányuló kísérletek, szakdolgozat, ME-NyKE, 2010.

Summary

Investigation of tabletting of selective collected paper waste, sawdust and woodchip It was established, that the Johanson function is appropriate for describing the binderless briquetting process of wood, paper and the mixture of them. The briquetting phenomena (volume reduction) is similar: κ=5,14… 5,87≈konst., average κátl=5,54. Related to briquette strength it was established, that the strength of paper is higher than the strength of the mixture, and in the case of pure paper the particle size (two examined cases: < 6 mm and < 12 mm) does not affect the tablet density. The ρ/ρ0-p relationship was also described by the Johanson form. The compactibility σh=f(p) can be described in the investigated ranges by the Higuchi and Newton-Grant formulas. Regarding the opportunities of application the experimental equipment and the evaluation method of tablets are able to determine the optimal briquetting parameters of different wastes, namely numerous experiments can be carried out with different parameters, and the necessary amount of sample is low. The industrial experiments can be made so already with optimal parameters, so the costs and amount of sample material are low. The introduced correlation σh(w) allows by the same or by different materials the comparison of briquettability at different circumstances.


Biohulladék

25


Scientific section

ORGANICA-FBR Szennyvíztisztító rendszer energiahatékonyságának vizsgálata dinamikus szimulációk segítségével Zékány Anita Kinga, Környezetmérnök BSc hallgató Szent István Egyetem, Mezőgazdaság- és Környezettudományi Kar Témavezetők: Dr. Aleksza László, c. egyetemi docens, Mezőgazdasági- és Környezettudományi Kar, Környezettudományi Intézet, Talajtani és Agrokémiai Tanszék Törő Balázs, Fejlesztőmérnök, Organica Technológiák ZRt. Bevezetés A szennyvíztisztítás megjelenése óta állandó problémát jelent lépést tartani a szennyvíz mennyiségi és minőségi paramétereinek változásával. A fejlesztések elengedhetetlenek a rendelkezésre álló vízkészlet folyamatos csökkenése, az urbanizáció növekedése, a határértékek szigorodása és nem utolsó sorban az energiaárak emelkedése miatt is. A szennyvíztisztítás sokféleképpen megvalósítható, kezelési módszerek széles választéka áll a szakemberek rendelkezésére. A telepek nagy energiafogyasztók, viszont jelentős környezetvédelmi értékkel bírnak (PG&E 2003). Az energiafelhasználás nagymértékben függ a tisztító méreteitől, a befogadott vízmennyiségtől, az alkalmazott technológiától, a berendezések állapotától és az irányítástechnikától (Bányai et al., 2009). Az üzemek teljes energiafelhasználásának átlagban 30-60%-át jelentő eleveniszapos biológiai kezelés számít a legnagyobb energiafogyasztónak, ezen belül a levegőztetés és a keverés, amit a szivattyúzás, majd az iszapkezelés követ (PG&E 2003). Célom, egy eddig még nem alkalmazott, jelenleg fejlesztés alatt álló, szakaszos üzemű biológiai szennyvíztisztító technológia tanulmányozása energiahatékonyság és tisztítási hatásfok tekintetében. Ebbe a problémakörbe tartozó vizsgálatokat virtuális környezetben végzem. Az Organica Technológiák ZRt. tulajdonában álló félüzemi kísérleti telep szolgáltatja számomra a modellezés során felhasználandó adatokat. Organica A magyar szakemberek által több mint egy évtizede létrehozott Organica Technológiák ZRt. az Organica csoport tagja. Elsődleges feladata a komplex ökoszisztémán alapuló élőgépes technológia fejlesztése, bemutatása és nemzetközi terjesztése, ezen kívül a szakemberek betanítása és továbbképzése (http1). A kutatásoknak, illetve az általam végzett vizsgálatoknak helyet adó Ökotechnológiai Szolgáltató Központ, a Budaörsi kistérség egyik községében, Telkiben található. Élőgépek Az élőgépes biológiai szennyvíztisztítási eljárás egy különleges, alacsony munka- és energiaigényű, magas hatásfokú és költségkímélő megoldás, amely eleveniszapos technológiára épül, és úgy működik, mint egy ökológiai rendszer. Ennek az elvnek a kialakítása dr. John Todd, az Ocean Arks International szervezet vezetőjének nevéhez fűződik. Az eljárás külön erre a célra kiválasztott organizmusok, növények és ásványi anyagok segítségével, szabályozott körülmények között törekszik a természet közeli ökoszisztéma kialakítására, amivel önszabályozó és dinamikus egyensúly jöhet létre. A folyamatos újításoknak köszönhetően a technológia mára már felülmúlja az eleveniszapos szennyvízkezelés gazdasági és tisztítási hatékonyságát (Grant et al., 1996). Kísérleti helyszín A félüzemi kísérleti telepen működő, HFBR-nek (Hybrid Fed Batch Reactor) nevezett félfolyamatos eleveniszapos technológia egy reaktorsor segítségével végzi a szennyvíz tisztítását. Moduláris felépítésének köszönhetően különböző módon történő összekapcsolás esetén, különböző üzemmenet alakítható ki. A hagyományos Organica-FBR-től eltérően, itt nem található külön anaerob/anoxikus medence, de ennek hiányában is lejátszódik szi-

26

Biohulladék


multán denitrifikáció a reaktortér egyes részeiben, amit a mérési eredmények is rendre alátámasztanak. A reaktormodul 6 darab, egyenként 2 m3 hasznos térfogatú, felülnyitott tartályból épül fel, amelyre növénytartó rács szerelhető. Az így elhelyezett növények természetes biofilm-hordozóként viselkednek, amelyeket mesterséges hordozóval is kiegészítenek. Ezek, nagy fajlagos felületüknek köszönhetően biztosítanak életteret a különböző mikroorganizmusok és egyéb élő szervezetek számára (Susánszky 2000). Más eleveniszapos eljáráshoz hasonlóan mikroorganizmusok segítségével történik a biológiai lebontás, a nitrogén és foszforvegyületek részleges eltávolítása. A technológia előnye, hogy a lebontó organizmusok között kialakuló tápláléklánc végeredményeként csökken a keletkező iszap mennyisége, ami jelentős költségmegtakarítást eredményez (Jankovics 2011). Modell A fent említett rendszer modelljével végzem a vizsgálatimat, amihez a GPS-X szennyvíz-technológiai szimulációs szoftvercsomag 6.0-ás verzióját használom. A Hydromantis Inc. által kifejlesztett program az International Association on Water Pollution Research and Control (IAWPRC – Nemzetközi Vízszennyezés Kutatás és Ellenőrzés Egyesület) nevéhez köthető eleveniszapos modellcsaládon (Activated Sludge Model-ASM), azon belül az ASM2d-n alapszik (Brun et al., 2002). A 21 reakció leírására képes ASM2d, a biomassza három típusát (a heterotróf, nitrifikáló és foszforakkumuláló organizmusokat) foglalja magába. A foszforakkumuláló szervezetek denitrifikációs folyamataival kiegészült modell a foszfát és nitrát dinamikájának jobb leírását tette lehetővé (Pásztor 2010, Hydromantis Inc. 2004). Ennek köszönhetően GPS-X átfogóan és reálisan szimulálja a kis- és nagy szennyvíztisztító telepek viselkedését. Fejlett grafikus felülete megkönnyíti a modellezést és annak nyomon követését. Képes a különféle összetett folyamatok közötti kölcsönhatások dinamikus vizsgálatára (http2). Modellezés A GPS-X-et eredetileg eleveniszapos rendszerekhez hozták létre, ezért az Organica Technológiák ZRt., egy sor saját fejlesztésű modellrészlettel egészítette ki a programot, hogy alkalmas legyen az élőgépek szimulációjára. Ahhoz, hogy a vizsgált rendszert képes legyek a valósághoz mérten modellezni, elengedhetetlen első lépésben a telep műszaki és működési adatainak ismerete. Ezt követően a programba beépített szennyvíz-technológiai rendszerelemekből könnyedén kiválaszthatom a számomra szükségeseket. Elsőként a befolyó objektum, a kiegyenlítő tartály és a hat darab reaktor kihelyezését végeztem el. Majd a tartály térfogatok, a beérkező napi vízmennyiség, a feladott vízmennyiség és a fázisok száma került meghatározásra. A félüzemi rendszernek megfelelően 2 m3 hasznos térfogatú reaktorkaszkádokat hoztam létre. Egy cikluson belül 6 fázist, feladott vízmennyiségként 2 m3/ciklust állítottam be. A tisztítható napi vízmennyiség, az egy nap alatt lejátszódott ciklusok mennyiségétől függően változik.


Scientific section

Az első reaktorban 0,4 mg/l DO szint a rendszer keverését szolgálja. A speciális hordozó teszi lehetővé a levegőztetéssel végzett keverést, amely sokkal előnyösebb, a mechanikus keverő működtetésénél. A harmadik változtatásra kerülő paraméter a ciklusidő. Ebben az esetben az oldott oxigén és a terhelés adott szinten történő rögzítése mellett ment végbe a fázisok idejének módosítása. Valós esetben a tisztítás során mind a félüzemi, mind a nagyüzemi telepnél 6 óra áll a rendszer rendelkezésére. Tehát elsőként a szimuláció beállításakor minden fázishoz 60 percet rendeltem, ami hat órás ciklusidőt eredményezett. A további beállítások értékei a 2. táblázatban láthatóak.

1. ábra: A modellezett Hybrid FBR rendszer képe (GPS-X-ben) A tisztítás során a cikluson belüli fázisbeállítások határozzák meg a szennyvíz átadásának útvonalát a reaktorkaszkádok között. Irányítástechnikai szempontból egyszerűbb, ha leürítéssel kezdődik a ciklus felépítése, ami a következőképpen játszódik le: 1. fázis: a dekantálás, csak a hatodik reaktort érinti. Addig a többi tartályban folyamatos a keverés és levegőztetés. 2. fázis: R1 fázisban a 4-es számú reaktorból a vizet átirányítjuk az 5-ös medencébe, miközben az 5. vizét átvezetjük az első fázisban leürített (6.) tartályba. Levegőztetés és keverés: 1., 2., 3., 5. medencében. 3. fázis: a második reakciós fázisban (R2) az 5. reaktorból a nitrát dús vizet átvezetjük az első medencébe, a többi tartály, az azt követőnek adja át a tartalmát. Így az 1-es reaktor szervesanyag-dús vize felhígul. Levegőztetés és keverés: 1., 2., 3., 6. medencében. 4. fázis: a harmadik reakciós fázisban (R3) az 1-es számú reaktor vizének továbbításával a többi tartály is áttöltődik. Levegőztetés és keverés: 2., 3., 4., 6. medencében. 5. fázis: feladás során történik az 1-es számú reaktor feltöltése és a többi levegőztetése és keverése. 6. fázis: a negyedik reakciós (R4) szakaszban, az összes reaktorban egyszerre működik a levegőztetés, és a keverés. A kísérleti rendszerrel végzett rövid távú, 10 napos szimulációk elemzését követően, a kapott értékek közül a leghatékonyabb és legalacsonyabb energiafogyasztású üzemmenetet választom ki. Majd a megfelelő beállításokat felhasználva, nagyüzemi méretekben, 40 napos szimulációval is ellenőrzésre kerülnek az eredmények, amelyektől szintén csökkentett energiafelhasználást remélek. Paraméter beállítás Dolgozatom során az oldott oxigén (DO - Dissolved Oxygen), ciklusidő és a vízminőség terhelési viszonyainak módosító hatását elemzem, mert ezek befolyásolják leginkább egy telep energiafogyasztását. Elsőként a kémiai oxigénigényt (KOI) igazítottam alacsony (600 mg/l), átlagos (átlagos befolyó érték, amely az Ökotechnológiai Szolgáltató Központban mért, félüzemi rendszer vízmintáinak eredményeiből származik) és magas (1200 mg/l) terhelési viszonyoknak megfelelően. A következő vizsgálati szempont az oldott oxigén szintben végzett változtatások által kialakuló, eltérő energiafogyasztás. A szakirodalomban legtöbbször 2 mg/l-es DO beállítást ajánlanak a megfelelő nitrifikáció eléréséhez. De egy feltétlenül szem előtt tartandó felvetéssel is találkozhatunk a levegőztetés beállításával kapcsolatban (Kárpáti 2002): a feladási fázisban a frissen betáplált szennyvíz, a kezdeti időszakban csak kis mennyiségű tápanyagot (kevés ammónia, sok szerves anyag) szolgáltat a nitrifikáló mikroorganizmusok számára, így felesleges a ciklus legelejétől, nagy mennyiségű levegőt bejuttatni. Ezért célszerű, egy bizonyos idő elteltével elindítani a levegőztetést, vagy esetemben tartályról-tartályra megemelni a bejuttatott légmennyiséget. Ezt az elvet is felhasználva döntöttem az 1. táblázatban található értékeket megállapítása mellett.

DO 1 [mg/l] DO 2 [mg/l] DO 3 [mg/l]

Cas1 2 0,4 0,4

Cas2 2 0,8 1

Cas3 2 1,2 1,5

Cas4 2 1,6 2

Cas5 2 2 2,5

Cas6 2 2,4 3

1. táblázat: A szimulációk során, a reaktorokban alkalmazott DO szintek

discharge R1 duration 1 [min] 60 60 duration 2 [min] 50 40 duration 3 [min] 30 30

R2 60 30 30

R3 60 30 30

feed 60 40 30

R4 60 50 45

Ciklusidő 6h 4h 3h 15min

2. táblázat: A szimulációk során, a ciklusokban alkalmazott fázisidők

HFBR szimulációk eredményei A kísérleti rendszeren végzet vizsgálatok során 27 darab, tíz napos szimulációt futtattam le az előző fejezetben felsorolt beállításokat felhasználva. A számításokat úgy végeztem el, hogy az első öt napot, vagyis a rendszer beálltáig eltelt időszakot figyelmen kívül hagytam. Ezáltal egy stabil rendszer adatait dolgozhattam fel. Az első futtatások során a terhelési viszonyok függvényében figyeltem meg a rendszer viselkedését. Az 1. számú szimuláció esetén 600 mg/l KOI, 70 mgN/l összes nitrogén (TN) és 48,38 mgN/l ammónia koncentráció, 6 órás ciklusidő és minden reaktorba 2 mg/l oldott oxigén koncentráció betáplálását végeztem. Ebben az esetben a hatásfokok az elvárásoknak megfelelően, elégségesnek bizonyultak, hiszen viszonylag alacsony terhelés, magas DO koncentráció, illetve hosszú ciklusidő állt a rendszer rendelkezésére. A következő két esetben csak a terhelést változtattam meg (rögzített ciklus hossz, DO szint mellett), elsőként a hibrid rendszerben mért befolyó KOI és TN értékekre (2. szimuláció), majd a 1200 mg/l KOI koncentrációra (3. szimuláció). Mindhárom futtatás eredménye az 1. grafikonon látható:

1. grafikon: A kísérleti rendszer hatásfoka és fogyasztása eltérő terhelés függvényében A diagram 2 y tengellyel rendelkezik, így egyszerre figyelhető meg az energiafogyasztás és az eltávolítási hatásfok a különböző szimulációk esetében. Az 1. grafikon eredményeiből kitűnik, hogy minél nagyobb a rendszer terhelése, vagyis minél töményebb a beérkező szennyvíz, annál több energiát kell felhasználnia a modellnek a tisztításhoz. Átlagban 6,13 kWh energiafelhasználás történt a 10 napos futtatás második 5 napja alatt, azonos DO szint és ciklusidő mellett. Ebben az esetben a rendszernek egy nap alatt mindössze 8 m3 szennyvizet kellett megtisztítania, 1,5 napos hidraulikai tartózkodási idő (HRT - Hydraulic Retention Time) mellett, ami azt az átlagos időtartamot mutatja meg, melyet a szubsztrát (oldható vegyület) a reaktorban tölt. Minél nagyobb a beérkező térfogatáram, annál kevesebb ideig maradhat a szennyvíz a medencében. Ennek következményeként a HRT befolyással lehet a tisztítási hatásfokokra. Ezt követően a fenti beállításokat lefuttattam 4 órás és 3 óra 15 perces ciklusidők mellett is. Mindkét esetben romlott az eltávolítási hatásfok és


Biohulladék

27


Scientific section

megnőtt a fogyasztás a 6 órás ciklusidőhöz képest, de az 1 nap alatt kezelt vízmennyiség is megemelkedett. Az elvárásaimmal ellentétben a 2 futtatás eredményei közötti különbség elhanyagolható. A 4 órás ciklus esetében a HRT 1 napra, a megtisztított vízmennyiség 12 m3/nap-ra változott. A 3 óra 15 perces beállításnál a HRT 19,5 órára csökkent, az egy nap alatt megtisztított vízmennyiség 14,77 12 m3-re nőtt úgy, hogy a fogyasztás nem haladta meg a 4 órás beállításét. A következő futtatások folyamán az oldott oxigén koncentráció változtatását végeztem el úgy, hogy visszatértem a 6 órás ciklusidőhöz.

3. grafikon: A kísérleti rendszer hatásfoka és fogyasztása változó DO szint és 3 óra 15 perces ciklus során

2. grafikon: A kísérleti rendszer hatásfoka és fogyasztása 0,4-3 mg/l DO szinttel Az új beállításoknak köszönhetően a 2 mg/l-es DO, és 6 órás ciklusidejű futtatásához viszonyítva (1. grafikon) az eltávolítási hatásfok pár százalékkal növekedett. A tendencia a 2. grafikonon mindhárom terhelés esetében megfigyelhető. Ez azért nagyon fontos eredmény, mert általában a 2 mg/l oldott oxigén koncentrációt ajánlják, mint megbízható tisztítási paramétert, a szennyvíztelepek működtetéséhez. Ebben az esetben viszont azt a következtetést lehet levonni, hogyha a megfelelő reaktorban, a biológiai folyamatoknak ideális, eltérő DO koncentráció kerül betáplálásra, akkor jobb hatásfok érhető el. Bár, például a hibrid adatokkal történő szimulációknál a KOI és ammónia eltávolítás különbsége minimálisnak mondható, összes nitrogén tekintetében az átlag 78,89%-os hatásfok 80,57%-ra emelkedett. Mindemellett a rendszer energiafogyasztása lecsökkent az átlag 6,13 kWhról 5,33 kWh-ra. Mivel a feladatom első sorban, az összes energiafogyasztásra ható tényező változtatásából a legelőnyösebb munkamenet kiválasztása, a 0,4-3 mg/l DO szintek beállításán túl, további vizsgálatokat kell végeznem, hiszen a megtisztított napi vízmennyiség a 6 órás ciklusidő miatt mindössze 8 m3. Ezért a fenti szimulációkat lefuttattam 3 óra 15 perces és 4 órás ciklusidő beállításával is. Ebben az esetben is rosszabb eredményeket szolgáltatott a 4 órás ciklusidővel lefuttatott szimuláció, amely oka a fázisidők kiosztásában is kereshető. Ugyanis a futtatásokból az rajzolódik ki, hogy ha az utolsó fázis hosszát megnöveljük - ami a teljes rendszer egyidejű levegőztetését végzi - viszont a többit azonos értéken tartjuk, jobb eredményeket érhetünk el a kezelés végére. A következő futtatásoknál azt vártam, hogy a 0,4-2,4 mg/l DO beállítás jobb értékeket szolgáltat majd, mint a 0,4-3 mg/l oldott oxigén koncentrációval történő futtatás, ha a ciklusidőt 3 óra 15 percre állítom, mert a 6 órás szimuláció esetében így történt. Ennek ellenére a feltevés fordítva igazolódott be, és a 0,4-3 mg/l DO szint szimulációs értékei voltak hatásfok tekintetében magasabbak. Mindhárom terhelésnél jobb eredményt szolgáltatott ez a beállítás. Például az ammónia eltávolítás hatásfokánál mutatkozott jelentős különbség, ahol átlagban 15,5 %-kal jobban működött a rendszer, viszont 1,5 kWh többlet energiafelhasználás történt.

A 3. grafikonon látható, hogy az ammónia eltávolítás rövidebb ciklus esetén nagyobb érzékenységet mutat a terhelés növekedésének függvényében. A 2 mg/l DO koncentrációval történő tisztítás eredményeivel összevetve leginkább az ammónia eltávolítás hatásfokában tapasztalható visszaesés. Ennek mértéke átlagban eléri a 17%-ot. A rendszer energiafogyasztása viszont több mint 13%-al csökkent az új beállításnak köszönhetően. A kísérleti rendszer tervezése során külön figyelmet fordított az eddig alkalmazott térfogathányad megosztásának vizsgálatára az anoxikus és aerob reaktor térrészek között. Ennek vizsgálata és optimalizálása későbbi tanulmányok céljaként szerepelt, de az általam végzett kísérletek során bebizonyosodott, hogy a térfogathányadok optimalizálása elengedhetetlen a megfelelő DO illetve eltávolítási hatásfok tökéletesítéséhez. Ennek szükségességét mutatja, hogy a kísérleti rendszer nitrifikációja csökken. Tehát ennek elkerülése érdekében a hatékony levegőztetés mellett nagyobb térfogathányadra van szükség a megfelelő ammóniaeltávolítás érdekében. Amennyiben csak a hatásfokot veszem figyelembe, a 0,4-3 mg/l DO-val futtatott szimulációk, 6 órás ciklusidővel jobb eredményeket értek el, még a 2 mg/l DO beállítással szemben is. Viszont, ha azt szeretnénk, hogy 400 m3/nap beérkező vízmennyiséget tisztítson meg a rendszer 6 órán át tartó ciklusokkal, olyan mértékben kellene a tartályok térfogatát megnövelni, ezzel együtt a fogyasztást is, ami óriási költségeket jelentene a kivitelezés során. Ezért döntöttem a 3 óra 15 perces ciklus és 0,4-3 mg/l DO beállítás mellett a további nagyüzemi szimulációk egyik kiindulási pontjaként. Ez a beállítás jelenti a legtöbb megtisztított szennyvízmennyiséget egy nap leforgása alatt, viszonylag kisebb mértékű hatásfok-, és nagyobb mértékű energiafogyasztás csökkenéssel. Nagyüzemi HFBR szimulációinak eredményei Nagyüzemi rendszer méretezésénél a 400 m3/nap beérkező vízmennyiséget kell figyelembe vennem. Ez megegyezik a Telki szennyvízkezelő telep, egy tisztítási körére eső napi vízmennyiségével. A másik fontos tényező a 3 óra 15 perces ciklus, amely 24 óra leforgása alatt 7,38-szor megy végbe, ezért célszerű a könnyebb számítás kedvéért megnövelni a tisztítási idő hosszát úgy, hogy 7 teljes periódus játszódjon le egy nap alatt. Ez alapján 3 óra 25 perc állhat a rendszer rendelkezésére egy munkafázisban. Amennyiben naponta 7 alkalommal kerül feladásra szennyvíz, 57 m3 tartálytérfogat esetén 399 m3 víz tisztítható meg. A nagyüzemi rendszer szimulációjához, a Telki befolyó nyersvíz értékeit napi lebontásban tápláltam a modellbe, 20°C-os vízhőmérsékleten. Ebben az esetben a futtatások 40 napig tartottak, hogy az öt napos beállási időszakot leszámítva, egy hónapot kismértékben meghaladó értékekkel számolhassak. Az első szimuláció alkalmával az oldott oxigén szinteket úgy állítottam be, hogy a lehető legjobban hasonlítson a nagyüzemi rendszerre, ahol külön megtalálható az anoxikus és aerob tartály is. Ezért a 3. táblázatban található értékeket adtam meg a modellnek:

1. szimuláció DO [mg/l] 2. szimuláció DO [mg/l] 3. szimuláció DO [mg/l]

Cas1 0 2 0,4

Cas2 0 2 1

Cas3 2 2 1,5

3. táblázat: DO szintek

28

Biohulladék


Cas4 2 2 2

Cas5 2 2 2,5

Cas6 2 2 3


Scientific section

Minden szimuláció során a fázisidőket úgy állítottam be, hogy az első 5 fázis 30 percig, míg az utolsó, 55 percig tartson. Az 1. szimulációban, az első két reaktor keverővel ellátott, anoxikus térrészként viselkedik. A következő (2. szimuláció) futtatásnál minden tartályban 2 mg/l-re állítottam az oldott oxigén szintet. Végül a 3. szimuláció esetében adtam meg a hibrid rendszer 10 napos futtatásainál kiválasztott paramétereket.

A valóságban egy nap alatt a fúvók 12 órát üzemelnek, 521 m3/h levegő térfogatárammal. A levegőt 4,8 m mélységben juttatja a medencébe, 101.325 Pa légköri nyomáson. A 35 nap során a 12 órás napi üzemmenetben történő levegőztetés 420 órán át tart. Így a fenti képletbe behelyettesítve 2415 kWh fogyasztást kapunk. Ez 452 kWh-val haladja meg az általam modellezett telep fogyasztását, ami közel 19%-os energia megtakarítást jelent. Amennyiben ezeket az értékeket anyagiasítani szeretnénk, az ELMŰ érvényes, egyetemes szolgáltatási egységáraival kiszámolhatjuk, hogy mekkora megtakarítást jelent az üzemeltetőnek az elvégzett DO szabályozás és gyorsabb üzemmenet kialakítása. Tehát a 2415 kWh fogyasztás a jelenlegi áramdíjak mellett, 110 kWh-ig 48,11 Ft-tal, a fennmaradó 2305 kWh-ot 49,85 Ft-tal számolva 120.399 Ftot kapunk havi szinten, ami egy évre átszámítva 1.444.788 Ft. Az általam modellezett rendszer 1963 kWh-ás energiafogyasztása az előbb említett árakkal kalkulálva havonta 97.867 Ft-ba, éves szinten 1.174.404 Ft-ba kerül. Ez azt jelenti, hogy egy év alatt nem kevesebb, mint 270.384 Ft megtakarítás érhető el, amely a valós szennyvíztisztító rendszer több mint 2 havi számláját teszi ki.

4. grafikon: A nagyüzemi rendszer hatásfoka és fogyasztása

Javaslatok Az eredmények egyértelműen igazolják, hogy van létjogosultsága az energiafelhasználás csökkentésére irányuló kísérleteknek. Természetesen az általam végzett feladat, egy nagyobb fejlesztés részfolyamata, amely további kutatást igényel. A félüzemi kísérleti rendszeren végzett teszteket követően lehet ténylegesen meggyőződni arról, hogy az általam kiválasztott paraméter beállítások a valóságban mennyire hatnak ki a fogyasztásra. A vizsgálatok során jelentős energia megtakarítást sikerült véghezvinni, azonban tisztítási hatásfok tekintetében további elemzésre van szükség. Ennek érdekében, a jövőben elengedhetetlen egyes paraméterek kalibrálásának elvégzése. Ilyen feladat az aerob és anoxikus tartályok térfogathányadának optimalizálása, amely megoldást jelent a megfelelő mértékű nitrifikációra. Általánosan elfogadott, hogy minél több irányítástechnikai lehetőség adott egy szennyvíztisztító berendezés üzemeltetése során, annál egyszerűbb a megfelelő oldott oxigén koncentráció, ciklusidő és egyéb üzemeltetési paraméter beállítása, vezérlése. Ezért fontosnak tartom a félüzemi telep DO vezérlésének finomítását is. A levegőztetésen túl, a keverés, szivattyúzás és iszapkezelés is nagy energiafogyasztóknak számítanak. Ezért egy energia hatékony üzem kialakítása érdekében, a jövőben ezek vizsgálataira is szükség lenne. A modell, sajátosságaiból fakadóan nem képes minden esetben valósághű eredményeket reprezentálni, ezért további fejlesztéseknek kellene alávetni. Ilyen terület a szimuláció vezérlése, amely adatbevitel tekintetében nagyon körülményes és időigényes folyamat.

A 4. diagramon láthatjuk, hogy az első szimuláció értékei annak ellenére, hogy a valósághű kivitelezésre törekedtem az anoxikus medencék létrehozásával, a többi futtatáshoz képest alacsony hatásfokot értek el. Ennek oka lehet, hogy a rendszernek kevesebb tér áll rendelkezésére ahhoz, hogy nitrifikációt végezzen. Az energiafogyasztás tekintetében viszont ez szolgáltatja a legjobb eredményt, hiszen az első 2 reaktorban nincs szükség légbefúvásra. A 2. és 3. szimulációt vizsgálva megállapítható, hogy KOI és összes nitrogén eltávolítás hatásfokában az eltérés minimális, mindössze 1-1 %. Viszont ammónia eltávolítást összehasonlítva, már jelentős különbséget tapasztalhatunk, ami visszavezethető a már megállapításra került aerob-anoxikus térfogathányad optimalizálásának hiányára. Mivel az összes nitrogén magába foglalja a szerves nitrogént, NH4-N-t, NO2-N-t és NO3-N-t is, ezért az, hogy a TN csak 1%-os visszaesést mutat, úgy, hogy ammóniából kevesebbet tisztított meg a rendszer, azt jelenti, hogy a többi nitrogénforma eltávolítása nagyobb mértékű, mint a 2. szimulációnál. Energetikai szempontból, a 3. szimuláció 35 napja során a rendszer 1963 kWh-t fogyasztott, ami 281 kWh-val kevesebb a 2. szimuláció energiafelhasználásánál. Végeredményként, ha a hatásfokokat és energiafogyasztást egyaránt figyelembe veszem, akkor a 3. szimuláció beállításaival üzemeltetném a valódi félüzemi kísérleti rendszert további vizsgálatok elvégzéséhez. Ezért a 3. futtatás értékeivel hasonlítom össze az Organica-FBR telep energiafelhasználását. A következő képlet segítségével számoltam ki a Telki-FBR rendszer biológiai tisztítása során felhasznált energia mennyiségét, 35 nap leforgása alatt:

ahol: E – energiafogyasztás, kWh; Qa,h – levegő térfogatáram, m3/h; pa – légköri nyomás, Pa; h – légbefúvás mélysége, m; t – eltelt idő, h.

Összefoglalás Az általam elvégzett vizsgálatok rámutattak arra, hogy akár egyetlen paraméter megváltoztatása, milyen nagymértékű hatást gyakorol egy szennyvíztisztító telep működésére. A szimulációk során bebizonyosodott, hogy az oldott oxigén koncentráció és a tisztítási ciklusok hosszának változtatása jelentősen képes befolyásolni a telep energiafelhasználását. A modellezés segítségével kiválaszthattam azokat a beállításokat, amelyek a lehető legnagyobb energiafogyasztás csökkentést idézték elő a rendszerben, úgy, hogy a tisztítási hatásfok is elfogadható mértékű maradjon. Ezeknek a beállításoknak a pozitív hatását nagyüzemi léptékben is igazoltam. Végeredményként, közel 19%-os fogyasztás megtakarítást jelentene az új konfiguráció a nagyüzemi szennyvíztisztító telep esetében. A vizsgálatok folyamán kapott értékek első sorban a levegőztetés vezérlésével érhetőek el. Számos olyan fogyasztó berendezés található egy szennyvíztisztító telepen, amely további vizsgálatokra ad okot. Ezért a kísérleteknek folytatódniuk kell, hiszen egyes tényezők optimalizálása még hátra van, és a modell is fejlesztésre szorul a szimulációk során jelentkező hiányosságai miatt.


Biohulladék

29



Irodalom jegyzék Bányai Zs., Fazekas B., Pitás V., Kárpáti Á. (2009) : A szennyvíztisztítás energiahatékonysága (Energy efficiency of the municipal sewage treatment), Környezetmérnöki Intézet, Pannon Egyetem, 1-5. p. Brun, R., Kühni, M., Siegrist, H., Gujer, W., Reichert, P. (2002): Practical Identifiability of ASM2d parameters – systematic selection and tuning of parameter subsets. Water research, 36: 4113 – 4127. Grant, N., Moodie, M., Weedon, C. (2009): Szennyvízkezelés – Élőgépek – Gyökérmezők – komposztvécék. CSER Kiadó, Budapest, 128 p., 44-45. p. Hydromantis, Inc. (2004): GPS-X Technical Reference 277 p., 27 – 98. p. Kárpáti Á. (2002): Szakaszos betáplálású eleveniszapos szennyvíztisztítás / SBR/. Szerk.: Kárpáti Á., Eleveniszapos szennyvíztisztító rendszerek és ellenőrzése. Ismeretgyűjtemény No. 2. Veszprémi Egyetem, Környezetmérnöki és Kémiai Technológia Tanszék,102 p., 50-62. p. Pásztor I. (2010): A szennyvízminőség Hatásának vizsgálata a szennyvíztisztítás dinamikus szimulációjánál. Ph.D disszertáció, Pannon Egyetem, Vegyészmérnöki Tudományok és Anyagtudományok Doktori Iskola, 162 p., 12-20. p.

PG&E (Pacific Gas and Electric Company) - Energy management program (2003): Municipal Wastewater Treatement Plant Energy Baseline Study, Sun Francisco, 18 p., 3-16. p. Internetes hivatkozások: http1: Környezetbarát szennyvíztisztítás: http://www.zoldmod.hu/ technologia/kornyezetbarat-szennyviztisztitas-20110530 - 2012. Április http2: Company information: http://www.directory51.com/profile/ Hydromantis-Inc-c43402.html - 2012. Július Jankovics S. (2011): Magyar botanikus kert mosná a szennyvizet Kínától Amerikáig: http://vallalkozoi.negyed.hu/vnegyed/20110609-magyarbotanikus-kert-mossa-a-kinai-szennyvizet-az-organicasikersztori.html 2012. Március Susánszky F. (2000): Élőgépek a szennyvíztisztításban: http://www.lelegzet. hu/archivum/2000/05/2301.hpp.html - 2012. Március

Summary

Examining the energy efficiency of the ORGANICA-FBR wastewater treatment system using dynamic simulations The tests I conducted indicated that modifying just one parameter can have a great influence on the operation of a wastewater treatment plant. During simulations it was proved that the concentration of dissolved oxygen and changing the length of treatment cycles can greatly influence the energy consumption of a plant. With the help of modeling I was able to select those settings that resulted in the greatest energy consumption reduction in the system in a way that treatment efficiency remained acceptable. The positive effect of these settings was verified in large-scale plant tests. The new configuration can result in almost 19% energy consumption reduction in the case of a wastewater treatment plant. The results obtained in the experiments can be achieved through controlling aeration. There are numerous further pieces of energy consuming equipment in a wastewater treatment plant that could be examined in the future. Therefore, experiments need to be continued as some parameters still need to be optimized as well as the model developed and the flaws that were detected during simulations corrected.

30

Biohulladék


b i o m a ssZA

Folytatás a 14. oldalról

2 . k é p : Ho sszú d u gvá n yok egy- és többéves növényi részekb ől vá g h atók / P ic tu r e 2: L o n g sh o o ts c a n b e c ut from one and two- year- old plan t pa rts

megindulásával a dugványok kihajtanak, a képződő hajtások a telepítés során letörnek, ami a megeredés esélyét rontja, a képződő biomassza mennyiségét csökkenti. Magyarországon még kevésbé terjedt el, de Nyugat-Európában működnek olyan ültetőgépek, amelyek nem a 20-25 cm hosszúságú simadugványokat telepítik el, hanem az ültetés közben a gép a vesszőkből vágja méretre a dugványokat. Ilyen esetben a rövid simadugvány ös�szevágása szükségtelen, a hűtőházakban kizárólag a szálvesszőket tárolják be. A gyökeres akácmagoncok előkezelésére

és tárolására nincs szükség, ezek közvetlenül kerülnek a csemetekertből a felhasználás helyére. A simadugványokat felhasználás előtt 24 órán keresztül áztatni szükséges, ami lehetővé teszi a talajba került dugványok fejlődésének gyors megindulását, valamint az esetleges szárazabb időszakok átvészelését. Telepítés ideje Az eredményes telepítés előfeltétele a gondosan előkészített talaj (kivéve a művelés nélküli telepítés ese-

3 . k é p : Ka r ód u gvá n y okkal létesített ültetvény gyepterü l eten / P ic tu r e 3: P l a n tin g w i t h s ta k e sh o o ts in a grassy area

BIO M A S S

plants parts can be as long as 4 meters. The shoots sometimes have terminal buds (one-yearold plants) whereas stake shoots cut from fewyear-old plant parts are usually topped. For establishing large energy plantations plain cuttings are usually used; however, in certain cases the use of stake shoots is also possible. In bushy habitats that are difficult to cultivate the propagation material (Picture 3) can be placed as deep as 80-100 cm into specially drilled planting holes. This technique does not require any prior soil preparation. By applying this method it is possible to create energy plantations using stake shoots even in areas affected by flood and inland water or under recultivation. This method is significantly more expensive and requires more work than the planting of plain cuttings; however, it can be applied without any prior soil preparation, weeds can be controlled with lower costs and using lower amounts of pesticides and herbicides. Furthermore, sprouts are less exposed to competition for water and light from weeds living in the rows, and they are less sensitive to being covered by temporary flooding and inland water. For acacia plantations one-year-old, 30-100 cm tall seed-bed shoots with well-developed roots are used. In many cases before plantation the plants with roots are cut back to a length of 10-15 cm. As acacia develops root-suckers, planting can be carried out with root cuttings from cultured species. Storage of the propagation material Shoots are cut outside the vegetation period when the plant does not have foliage. For cuttings only straight, healthy plant parts can be used that are without damage to the bark. At stock nurseries shoots of several meters are cut with a saw. During the process special care is needed to ensure that the surface of the cut is free from damage. After this step, shoots are cut to the appropriate size with special disc saws or scissors. Shoots are stored (Picture 4) in bundles or in boxes in rooms with a temperature of -2 to -4 °C, and prior to planting they are transported to the place where they will be used. It is very important that the temperature is kept continuously low during the storage period; otherwise the shoots will begin to sprout once sap circulation has started and developing sprouts can break off during planting, which decreases the chance of establishment as well as the amount of biomass produced. Although not yet widespread in Hungary, in Western Europe there are planting machines which are able to cut the shoots to the right size during the planting process instead of having to plant the 20-25 cm long plain cuttings. In this case, no additional cutting is required, and only long shoots are stored in the cold store. There is no need to prepare and store acacia seedlings as they are transported to the place of use directly from the nursery. Before planting, plain cuttings must be placed


Biohulladék

31

→

b i o m a ssZA

→

BIO M A S S

in water for 24 hours, which accelerates development once the cuttings are placed in the soil as well as helps them survive occasional dry periods. Planting time In order for the plantation to be successful, the soil must be prepared carefully (except when planting is done without cultivation). The seedbed must have a smooth surface, crumb structure, and should not contain a solid closing layer. Planting is usually carried out in spring but in some cases it may take place in autumn as well. Spring planting is the most frequently applied method when plain cuttings are used. After the period of winter frost when the soil is not frozen anymore and it is possible to walk on it, the seedbeds need to be created and planting can start. The earlier the cuttings are placed into the soil, the higher the chance that they will get established as the plants can start an intensive development stage as soon as the vegetation period starts. After a dry, droughty winter and a similarly dry spring planting early may be risky: if the planted stock does not get any water for several weeks or months once the cuttings have established themselves but before the roots start to grow, a significant proportion of the plants may get damaged. Under such weather conditions late planting (April) may result in a higher proportion of plants established successfully. If the weather is excessively wet, the cuttings will be placed into the soil only later; however, it is important that the planting process be completed by the end of April or early May the latest. Stake shoots are not so much affected by weather conditions as they contain more moisture and nutrients, and can also draw water from deeper soil layers. Autumn planting is more advantageous with rooted saplings. By spring the stock will be more established and can more easily cope with dry periods. If cuttings without roots are used, the professional literature recommends spring planting only; however, some successful experiments have been conducted with autumn planting as well. Cold winters do not normally damage the cuttings and in spring the plants start their intensive development independent of the weather conditions, their roots grow more quickly, which results in steady growth and development even in dry periods. In relatively mild winter periods sap circulation may start in the cuttings, while frost may damage them once the temperature drops again. Our experience shows that stake shoots can tolerate temperature changes more easily than shorter and thinner cuttings. Planting structure Before cuttings are placed into the soil, the distance between stems and rows as well as the planting structure (single or twin rows) must be carefully considered. The ecological needs

32

Biohulladék

tén). A magágy egyenletes felszínű, aprómorzsás szerkezetű legyen, tömör záróréteget nem tartalmazhat. Az ültetés ideje többnyire tavasz, de egyes esetekben ősszel is történhet. A tavaszi telepítés a simadugványok használatakor a leggyakrabban alkalmazott módszer. Azzal lehet számolni, hogy a fagyok elmúltával, a talaj felengedése után, ha rá lehet menni a talajra, magágykészítést követően el lehet kezdeni a telepítést. Minél korábbi időpontban sikerül a dugványokat a talajba juttatni, annál biztosabb eredésre lehet számítani, ugyanis a vegetációs időszak beindultával a növények intenzív fejlődésnek indulhatnak. Száraz, aszályos telet követően, amennyiben a tavasz is csapadékmentes a korai telepítés kockázatos is lehet: ha több hétig, hónapig nem kap nedvességet az eltelepített állomány a dugványok eredése után, de még a gyökérképződés megindulása előtt, a növények jelentős része károsodhat. Ilyen időjárási körülmények között a későbbi (áprilisi) ültetéssel nagyobb eredési arányt lehet elérni. A túlzottan csapadékos időjárás késleltetheti a dugványok talajba juttatását, azonban ebben az esetben is ügyelni kell arra, hogy legkésőbb április végére, május első napjaira a telepítést befejezzék. A karódugványok kevésbé kitettek az időjárás viszontagságainak, mivel nagyobb a tartalék nedvesség és tápanyag a növényekben, továbbá mélyebb rétegekből is hozzáférnek a vízhez.

1. á b r a : Egys or os ü ltetés i h á l ózat vá zr a j za

Az őszi telepítés a gyökeres csemetéknél kedvezőbb, tavaszra beállt, a szárazabb időszakot is könnyebben elviselő állományt kapunk. A gyökér nélküli dugványok esetében a szakirodalom kizárólag a tavaszi telepítést ajánlja, azonban vannak biztató kísérletek az őszi telepítéssel is. A hideg tél többnyire nem károsítja a dugványokat, ugyanakkor tavasszal az időjárási feltételektől függetlenül a növények intenzív fejlődésnek indulnak, gyorsabban begyökeresednek, ami szárazabb időszakban is biztos növekedést és fejlődést eredményez. Az időszakosan enyhe tél során megindulhat a dugványokban a nedvkeringés, ugyanakkor

4. kép: A dug vá n yokat l á d á kb a n va g y köteg elve h ű tőh á zb a n kel l tá r ol n i / Picture 4: Sh oots m u s t b e s tor ed in b u n d l es or b oxes


b i o m a ssZA

újabb fagyok kárt tehetnek a dugványban. Tapasztalataink szerint a karódugványok nagyobb biztonsággal viselik el a hőmérsékleti ingadozásokat, mint a rövidebb és vékonyabb simadugványok. Ültetési hálózat A dugványozás előtt gondosan mérlegelni kell a tő- és sortávolság, valamint az ültetési hálózat (egysoros vagy ikersoros) megválasztását. Ebből a szempontból figyelembe kell venni a telepítendő faj ökológiai igényeit, de nagyon fontos tekintetbe venni a területi adottságok mellett a telepítés utáni munkaműveletek (vegyszerezés, növényápolás, betakarítás) agrotechnikai- és műszaki követelményeit, illetve az alkalmazható műszaki megoldásokat. Az egysoros ültetési hálózat (1. ábra) különböző változatai rövid és hos�szú vágásfordulóban termelt fafajhoz és fajtához egyaránt javasolhatók. Egyes fűzfajták termesztése során az állomány besűríthető akár 50 000-55 000 db/ha növényre, ami 60-70 cm sortávolságot és 30-40 cm tőtávolságot jelent. Ilyen intenzív hasznosítás az évenkénti vágást teszi lehetővé. Normál idejű vágásforduló (2-3 év) esetén egyes hengeres fa növekedésű fűz és nyár fajoknál, valamint akácnál javasolható az egysoros ültetés 150-200 cm x 40-50 cm térállásba (5. kép). Hosszú vágásfordulójú (4-5 év) vagy újratelepítéses technológiák esetén elsősorban nyárfajoknál és akácnál nagy térállásba történik az ültetés: minél hosszabb a rotáció, annál nagyobb a sor- és tőtávolság. Ebben az esetben a tőszám a hasznosítás formájától függően 2000-8000 között váltakozik. Az ikersoros ültetési hálózat (2. ábra) a gépi betakarítás hatékonyságának javítása miatt terjedt el. A technológia kizárólag a rövid, két-hároméves vágásfordulójú ültetvények telepítése esetén alkalmazható. Az ikersorok közötti távolság általában 70-75 cm, a soron belül a növények közötti távolság 40-50 cm (6. kép). Rugalmasabban tervezhető ugyanakkor a művelőutak távolsága, amely 150-300 cm között változik. A művelőút szélességét befolyásolják a termőhely ökológiai adottságai (nedvesség), a növény faja és fajtája, valamint a sorok mechanikai ápolására rendelkezésre álló művelőeszközök munkaszélessége.

2. ábra: Ikers or os ü ltetés i h á l ózat vázrajza

Az ültetési hálózattól függően az eltelepített növények, illetve dugványok száma hektáronként tág határok között változhat (2000-55 000 db/ha), azonban a leggyakrabban alkalmazott rövid vágásfordulójú fűz és nyár energiaültetvények esetén 12 000- 15 000 db/hektár simadugvánnyal lehet számolni. A kéthároméves rotációjú ültetvényekben az egysoros hálózatban az első évben kevesebb mechanikai ápolásra van szükség, ugyanakkor az ikersoros technológia hatékonyabban illeszkedik az egymenetes betakarítás gépeihez.

BIO M A S S

of the species to be planted just as well as the conditions of the habitat, the agro-technical and technical requirements of cultivation tasks (chemical use, plant care, harvesting) following the planting process as well as available technical solutions must be taken into consideration. The different versions of the single row planting structure (Picture 1) are recommended for tree species and types produced in both short and long cutting cycles. In the case of certain willow species the stock can be as dense as 50,000-55,000 pieces/hectare, which means a row distance of 60 to 70 cm and stand spacing of 30 to 40 cm. Such intensive production allows for annual cutting. In the case of normal cutting cycles (2-3 years) for certain cylinder growth willow trees, poplar species and acacia, single row planting is recommended with 150-200 cm x 40-50 cm spacing (Picture 5). In the case of long cutting cycles (4-5 years) or re-planting technologies, especially for poplar species and acacia, planting is done using larger spacing: the longer the rotation, the larger the spacing between rows and plants. In this case, the number of plants is between 2,000 and 8,000, depending on the form of utilization. The twin row planting structure (Table 2) became popular in order to increase the efficiency of harvesting by machines. The technology can only be used for plantations with short, two or three-year long cutting cycles. The distance between twin rows is usually 70-75 cm; spacing between plants within a row is 40-50 cm (Picture 6). There is more flexibility in planning the distance between cultivation paths; it can range between 150-300 cm. The width of the cultivation path is affected by the ecological conditions (humidity) of the habitat, the plant species and types as well as the width of the

→

5. kép: Eg yso r os f ű zü ltetvén y / P ic tu r e 5: S in g l e r ow w il l ow pl a n tation


Biohulladék

33

b i o m a ssZA

→

BIO M A S S

cultivation tools available for the mechanical cultivation of the rows. Depending on the planting structure, the number of plants and cuttings per hectare can vary widely (2,000-55,000 pieces/hectare); however, in the case of the most frequent willow and poplar energy plantations with short cutting cycles the number of plain cuttings needed is between 12,000 - 15,000 pieces/hectare. In the case of plantations with 2-3 years long cutting cycle and single row structure, less mechanical cultivation work is necessary in the first year. However, the twin row technology is more suitable for machines used for single pass harvesting. Planting Planting can be carried out with machines or manually. The method of planting is determined by habitat and weather conditions, planting materials, the workforce available for planting, etc. If the area is too dry or is covered by water temporarily, only machines can do the work. Plain cuttings can be planted both manually and with machines; however, stake shoots are mostly planted manually following certain soil drilling preparation work. Energy plantations can provide work for a large number of unskilled workers; therefore, can easily be fitted into public work programs, which is another advantage of manual planting. Using machines for planting Different machines can be used for planting: it is possible to use forestry sapling planting machines, planting machines used in horticultural plantations as well as special planting machines. All tools are semi-automatic, that is, only partly rely on human work. Machines used

6. kép: Ikersor os f ű zü ltetvén y / P ic tu r e 6: T w in r ow w il l ow pl a n tation

Telepítés A telepítés történhet géppel és kézzel. A telepítés módját meghatározzák a termőhelyi adottságok, az időjárási feltételek, az ültetési alapanyag, az ültetvény létesítéséhez rendelkezésre álló munkaerő, stb. Túl száraz területen vagy időszakos vízborította körülmények között csak a kézi telepítés jöhet számításba. Simadugvány telepítésénél gépi és kézi módszer egyaránt alkalmazható, ugyanakkor karódugványok telepítésénél elsősorban a talaj előfúrását követő kézi

7 . k é p : Sz or ítóu jja s e r dészeti csem eteültető- gép / Picture 7: F or es try s a pl in g p l a n t in g ma c h in e wit h vice grips

34

Biohulladék


ültetés végezhető. Az energiaültetvény létesítése révén nagyszámú képzetlen munkaerő köthető le, ezért a közmunka programokba jól illeszthető, ami szintén a kézi telepítést helyezi előtérbe. Gépi telepítés A gépi telepítésre használhatók az erdészeti csemeteültetők, a mezőgazdaságban, kertészeti ültetvényekben használatos ültetőgépek, valamint a speciális dugványozó gépek. Valamennyi eszköz félautomata, az emberi munkától csak részben függetleníthető. Az erdészeti és kertészeti gépek konstrukciójukat tekintve függesztett vagy féligfüggesztett gépek, amelyek nyitó csoroszlyája hasítékot készít, ebbe juttatják bele a dugványt. Ezt követően a tömörítő szerkezet a talajt a dugványhoz tömöríti. A tömörítés hatékonyságát minden esetben ellenőrizni kell, és szükség szerint utólagos tömörítést kell végezni. A dugványokat kezelő személyzet az ültető elemeken helyezkedik el. Ezek egymástól való távolsága állítható az alkalmazott sortávolság szerint. A csemeteültető gépek előnye, hogy könnyen kezelhetők, olcsón beszerezhető eszközök, hátránya ugyanakkor, hogy a dugványok hasítékba helyezése után nem garantálható a szaporítóanyag függőleges elhelyezkedése. A tőtávolság közvetlenül nem állítható, a munkasebesség és az ültető személy függvénye, hogy a dugványok közötti állandó távolság tartható-e. A nyitó csoroszlya

b i o m a ssZA

8 . k é p : Fé la u t omata h idraulikus ültetőgép szorítócsipes zei / P ic tu r e 8: C l a m p c l ips o f a s emi-a u t omatic h ydraulic planting m achine

vagy tárcsa a dugvány környezetében fellazítja a talajt, ezért a telepítés után könnyebben kiszárad, aszályos időben kevesebb nedvesség tartható helyben a dugványok fejlődésének elősegítéséhez. Sima dugványok telepítését úgy kell elvégezni, hogy a dugványok az ültetést követően a talajjal szintbe kerüljenek. Erdészeti csemeteültető gépekkel ez a követelmény csak részben teljesíthető, a dugványok utólagos kézi takarására és környezetének tömörítésére van szükség. E gépek hátránya, hogy nem kezelőszemély-barát, a telepítés a dolgozót nagyon igénybe veszi. A szorítóujjas megfogó elemmel

működő gépeknél a kezelőszemély a dugványt a szorító csipeszekbe helyezi (7. kép), amelyek a kívánt tőtávolságnak megfelelően állíthatók. A tárcsa körbefordulásával a nyitó ütközőnek ütközve a csipesz kinyílik, és a tárcsa a talajba helyezi a dugványt. Ez az eszköz lehetővé teszi a pontos tőtávolság állítását, ugyanakkor az előző típusok további hátrányai megmaradnak. A kifejezetten energetikai ültetvények létesítésére tervezett nagyteljesítményű félautomata hidraulikus ültetőgépekkel lehet a legprecízebben és legeredményesebben dolgozni. A dugványokat megfogó csipeszek nagy átmérőjű fém-

9 . k é p : A d u gvá n y ok a talaj bolygatása nélkül kerülnek a ta l a j b a / P ic tu r e 9: C u t t i ngs a r e p la c e d into the soil without disturbing the s oil

BIO M A S S

in forestry and horticulture are suspended or semi-suspended machines, the opening coulter of which makes a cleft into which the cutting is placed. After this step the soil is compressed against the cutting by a compressing tool. The efficiency of compressing must be controlled in every case and post-compressing must be carried out if necessary. The staff managing the cuttings is situated on the planting units. The distance between them can be set based on the distance between the rows. An advantage of sapling planting machines is that they are easy to handle and are relatively cheap. However, the disadvantage is that once the cutting is in the cleft, the vertical position of the propagation material is not ensured. The distance between plants cannot be set directly. It depends on the work speed of the planting staff whether the distance stays the same throughout the plantation. The opening coulter or disc loosens the soil around the cutting, and as a result, it dries more easily after planting. Thus, under droughty weather conditions there will be less moisture available to facilitate the development of cuttings. Plain cuttings must be planted in a way that after planting cuttings should be on the level of the soil. In the case of forestry sapling planting machines this can only be achieved partly; thus the cuttings must be covered manually and the soil around them must be compressed afterwards. A disadvantage of these machines is that they are not operator-friendly, which means that the planting process can be really demanding for the staff. If machines with vice grips are used, the operator places the cutting into the vice grips (Picture 7), which can be set depending on the desired plant spacing. As the disc turns, the grips hit the opening buffer and the disc places the cutting into the soil. This equipment ensures that the distance between the plants is accurately set. At the same time, the disadvantages mentioned above for the other methods of planting are still present. Planting can be done most accurately and efficiently with high performance semi-automatic hydraulic planting machines specifically designed for energy plantations. The grips that hold the cuttings are placed on metal wheels with a large diameter (Picture 8) and their number is set depending on the desired plant spacing. The operators place the standard 20 cm long cuttings into the gripping case. As the wheel turns around photocells sense the vertical position of the cutting and the work cylinder operated by the photocells pushes the cutting into the soil. The cylinder next to the wheel compresses the soil on the right side of the cutting and the wheel itself on the left side (Picture 9). The advantage of hydraulic planting machines is that they do not move the soil and without a seedbed the cuttings are placed into the soil with the same, adjustable row and plant distance. Their acreage is 3-4 hectares/ day. When these machines are used, the quality


Biohulladék

35

→

b i o m a ssZA

→

BIO M A S S

of cuttings (diameter, straight form, free from damage) and soil conditions must be checked carefully. The soil should not contain a solid layer at least as deep as the planting depth, otherwise the cutting may break, the planting unit may hit the solid layer and as a result be raised, and thus the propagation material may only get partly into the soil. Long shoots are placed into shoot-cutting and planting machines, then, once they have been placed into the soil at the set 20-22 cm, cuttings are cut above the surface. The acreage of these machines, calculating with a four-row version, may be as many as 8-10 hectares/day. Manual planting A special planting technique is manual planting which can be carried out in different ways. If the soil is properly loosened at least as deep as 20-25 cm, plain cuttings can be placed directly into the soil. This method can only be used if the bark of cuttings does not get damaged during the planting process. A planting string helps to set and keep the rows. With a soil loosening knife manual planting can be easily carried out as long as the soil has already been prepared. It must be ensured that the cuttings are compressed from the sides as remaining air inclusions may dry out the propagation material. Planting iron and wedge spade may be used especially for planting acacia saplings. Prior to the manual planting of stake shoots the soil must be drilled in the designated rows, which can be done manually or with soil drill machines. This is a time-consuming process as the shoots should be placed at least 50 cm deep. The one or multi-year-old shoots are mostly placed manually into prepared holes. Special care is needed so that the soil is compressed around the shoots at the end of the planting process. A special method of manual planting is the horizontal placement of plain cuttings into previously prepared furrows (Picture 10). Planting depth is 6-10 cm, and after planting the soil is returned to its original place. Experience shows that the proportion of established plants does not increase with this method; however, in droughty periods cuttings may dry out more easily, the propagation material is more sensitive to the quality of the prepared seedbed, cuttings may smother in lumpy or crusty soil following periods of intensive raining. Photos: Csaba Gyuricza

kerekeken vannak elhelyezve (8. kép), darabszámuk a kívánt tőtávolságnak megfelelően állítható be. A kezelőszemély a szabványos 20 cm hosszúságú dugványokat behelyezi a szorítóhüvelybe. A kerék körbe fordulásával a dugvány függőleges helyzetét fotocella érzékeli, és a fotocella által vezérelt munkahenger a dugványt a talajba nyomja. A kerék mellett haladó henger a talajt a dugvány jobb oldalán, maga a kerék pedig a bal oldalán betömöríti (9. kép). A hidraulikus ültetőgép előnye, hogy a talajt nem bolygatja, ültetőágy készítése nélkül egyenletes, állítható sor- és tőtávolságra juttatja a dugványt a talajba. Területteljesítménye 3-4 ha/nap. Ezeknél a gépeknél nagyon oda kell figyelni a dugvány minőségére (átmérő, egyenesség, sérülésmentesség), valamit a talaj állapotára. Az ültetés mélységéig tömör záróréteg nem lehet a talajban, ellenkező esetben a dugvány eltörhet, a telepítőegység a tömör rétegbe ütközve megemelkedhet, és a szaporítóanyag részlegesen kerül a talajba. A vesszővágó – dugványültető gépekbe a hosszú dugványokat helyezik be, majd a talajba juttatás után a föld felszíne felett vágja el a dugványt a beállított 20-22 cm hosszúság felett. E gépek területteljesítménye négysoros kivitelben elérheti a 8-10 ha/napot. Kézi telepítés A telepítés speciális módszere a kézi ültetés, amely többféleképpen végezhető. Ha a talaj kedvezően lazult legalább

20-25 cm mélységig, a simadugványok közvetlenül a talajba juttathatók. Ez a módszer csak abban az esetben végezhető, ha a telepítés közben a dugványok kérge nem sérül meg. A sorok kijelölését és tartását segíti az ültetőzsinór. A lazítókéssel előzetesen meghúzott talajba szintén könnyen végezhető a kézi telepítés. Ügyelni kell arra, hogy a dugványok oldalirányból tömörítve legyenek, a visszamaradó légzárványok a szaporítóanyag kiszáradását okozhatják. Elsősorban akác csemeték telepítésére szolgálhat az ültetővas és az ékásó. A karódugványok kézi telepítése előtt a kijelölt sorokban a talajt elő kell fúrni, amely történhet kézi vagy gépi talajfúróval. Ez a folyamat különösen időigényes, mivel a dugványok lehelyezése legalább 50 cm mélységbe történik. Az előkészített furatokba többnyire kézzel helyezik az egy- vagy többéves növényi részeket, ügyelve arra, hogy a telepítés végén a talajt a dugványokhoz tömörítsék. A kézi telepítés speciális módja, amikor a simadugványokat előre meghúzott barázdákba vízszintesen ültetik el (10. kép). A talajba helyezés 6-10 cm mélységbe történik, amely után visszatemetik a termőföldet. Tapasztalatink szerint ezzel a módszerrel nem növekszik a megeredési arány, ugyanakkor aszályos időszakban a dugványok hamarabb kiszáradhatnak, a magágy minőségére érzékenyebb a szaporítóanyag, rögös vagy intenzív esők után visszacserepesedett talajban a dugványok befulladhatnak. Fotó: Gyuricza Csaba

10. kép: Sim a d u g vá n yok vízs zin tes el h elyezés ei / P ic tu r e 10: H or izon ta l pl a c em e n t of plain cuttin g s

36

Biohulladék


Technika

Technical

→ D r. Mucs i G á b o r , e g y e t e m i ad junktu s * D r. G ombköt ő I m r e , e g y e t e m i ad junktus* S z i l á gy i A r tú r , MSc h al l g at ó * H á mori Andr á s * *

* Mis k ol c i E gy e t em , Ny e r san ya g e lő k é szí tési és Kö rnyezeti El já rá stechn i kai Intézet * *Biofa k t u ra K f t

Almalégyártási

melléktermék hasznosításának vizsgálata 1. Bevezetés A környezetvédelmi szabályozás szigorodása és a társadalom növekvő környezeti érzékenysége miatt egyre inkább előtérbe kerülnek a különböző hulladékhasznosítási lehetőségek, különösen ha azok újabb termékek nyersanyagaként szolgálhatnak. Az almatörköly az almalé előállítása folyamán keletkező, frissen fehéres-világossárgás színű, 70-90% nedvességtartalmú melléktermék; elsősorban héjrészeket, almahúst, magházat, magvakat és almaszárat tartalmazó heterogén anyag. A világon nagy mennyiségben termelt alma [1] jelentős részben feldolgozásra kerül, így a törköly felhasználása hagyományosan igen változatos. Egyszerűen komposztként, takarmányként való alkalmazásától a gomba táptalajon keresztül [2] könnyű erjeszthetőségénél fogva etanol és ecetsav, illetve anaerob körülmények közt metán és hidrogén előállításáig sok mindenre kiterjed [3, 4]. Újabban különböző mikroalkotók (pektin, fenolok, karotinoidok stb.) extrakciója a leginkább

kutatott terület [5], míg az almamagból kinyerhető, értékes anyagokat tartalmazó olaj a kozmetikai és gyógyszeripar keresett alapanyaga. Az üzem Az évi százezer liter bio almalevet előállító Biofaktura Kft.-vel 2011. szeptember elején kerültünk kapcsolatba. A szabolcsi Tiszanagyfalu-Virányoson 2007-ben létesült üzemben a környéken lévő 17 hektárnyi terület bioalma termését dolgozzák fel. A gyümölcsösökből ládákban érkező almát ventillációs mosóban való tisztítás és kézi válogatás után kalapácsos aprítógépben aprítják. Az almalevet szalagprésen nyomják ki, majd hőkeze-

lés után 3, 5 és 10 literes kiszerelésekbe csomagolják. A technológiát az 1. ábra mutatja. A legfőképpen szeptember-október hónapokban keletkező átlagosan napi 800 kg almatörköly gazdaságos hasznosítása nem megoldott (jelenleg deponálják), ezért tanulmányoztuk újabb – lehetőleg bio – termékek előállításának lehetőségeit. 2. Mintaanyag A Miskolci Egyetem Nyers anyag elő készítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumában a megfelelően összekevert és reprezentatív elemzési mintákon először a legfontosabb alapvető vizsgálatokat hajtottuk végre. Ennek

1. ábra: Az üzem technológiai vázlata / Fig 1. The technology flowsheet of the plant


Biohulladék

37

→

Technika

→

Technical

Dr. Gábor Mucsi, assistant professor* Dr. Imre Gombkötő, assistant professor* Artúr Szilágyi, MSc student* András Hámori** *Institute of Raw Material Preparation and Environmental Processing, University of Miskolc **Biofaktura Ltd.

Utilization Experiments of Apple Pomace 1. Introduction Due to stricter environmental regulations and the increasing environmental sensitivity of the society, various waste disposal options are becoming more and more important, particularly where these can serve as raw material for new products. Apple pomace is a by-product generated during apple juice production. When fresh, it has light yellow colour and 70-90 % moisture content. This heterogeneous material contains mainly apple flesh, stem particles and seeds. The apple - produced in large quantity globally -[1] is being processed in various ways, so the utilization methods of pomace are traditionally very diverse. They can include several procedures, starting from just used as compost or animal feeds (forage), through the application of fungal culture medium [2], to the production of ethanol (due to its easily fermentating property) and acetic acid or hydrogen and methane in anaerobic conditions [3, 4]. Recently, the extraction of various micro-components (pectin, phenols, carotenoids, etc.) is one of the most investigated research topics [5], while the oil, containing valuable materials, can be extracted from the seeds, and used in the cosmetics and pharmaceutical industries as raw material. Plant We have been contact with a company producing hundred thousand liters organic apple juice annually, called Biofaktura Ltd. since September 2011. It was established in Tiszanagyfalu-Virányos (Szabolcs county, Hungary) in 2007 to process the yield of the 17 hectares of bioapple orchards. From the orchards apple transported in crates to a ventilation washer to be cleaned, then - after manual sorting - it is comminuted in a hammer mill. The apple juice is made by tape press, and then, packed into 3, 5 or 10 liter size boxes, following the heat treatment (Fig. 1). The average 800 kgs daily amount (based on September and October 2011) apple pomace utilization is not solved yet, therefore further - preferably organic - ways of utilisation are going to be studied.

megfelelően mértük a halmazsűrűséget, nedvességtartalmat, meghatároztuk az anyag összetételét és szemcseméret-eloszlását. Szemcseméret-eloszlás Az almatörköly ragadós és könnyen rátapad a szitarácsokra, ezért két eltérő módon, vizes közegű nedves szitálással és a szárítást követő anyag száraz szitálásával határoztuk meg a szemcseméret-eloszlást. A szitákat a feladással együtt vízbe merítve (2. ábra) a rázás és a víz hatására azonnal megkezdődött az összetapadt szemcsék szétválása. A kalapácsos aprítóban történő aprítást követően kapott anyag relatív gyakorisági görbéi (3. ábra) alapján többé-kevésbé azonos leggyakoribb szemcseméretű xm=5 mm terméket eredményeznek. Szárítás utáni szitálás esetén a szemcsék dezagglomerációja elmarad, sőt a hő hatására tovább aggregálódnak, amely további durvulást jelent a szemcseméret-eloszlásban. Az 1. táblázatban összefoglalt adatokból, illetve a 3. ábrán megfigyelhető, hogy a száraz elemzés esetében jóval egyenletesebb eloszlást kaptunk.

2. ábra: Nedv es s zitá l á s / F ig . 2. W et sieving

2. Sample characterestics In the laboratory of our Institute, basic analyses of the correctly mixed and representative samples were carried out. Accordingly, the bulk density, moisture content were measured, and we also determined the material composition and the particle size distribution.

38

Biohulladék


3. á b r a : R el atív g ya kor is á g g ör b ék / F ig . 3: F r equ en c y c u rves

Sűrűség A laza halmazsűrűséget nedvesen és szárazon is vizsgáltuk: a víz távozásával a laza halmazsűrűség (0,562 g/cm3) kevesebb, mint felére (0,247 g/cm3) csökkent.

1. tá b l á zat: T öm eg h á n ya d ok Ta b l e 1. W eig h t r atios

Szemcseméret Particle size [mm] 0-2 2-3 3-6 6-10 10-15 15-30

Száraz szitálás Dry screening 2,9% 11,1% 19,5% 27,7% 26,9% 11,8%

Nedves szitálás Wet screening 6,5% 17,7% 39,7% 31,7% 4,3% 0,0%

Összetétel, nedvességtartalom Az anyagi összetevőket a mintaanyag kézi szétválogatásával kaptuk, amely során három frakciót tudtunk elkülöníteni: mag (2,16%), szár (0,44%) és az összetapadt húsból és héjdarabokból álló egyéb frakciót (97,4%). A nedves szitálással nyert szemcseméret frakciókat szintén összetevőkre bontottuk, így kiderült, hogy a magok teljes mennyisége a 3-6 mm szemcseméretű tartományba esik, és a szár is csak két frakcióban, (36 és 6-10 mm között) van jelen. Az almatörköly víztartalma még a préselés ellenére is igen magas. Pontos értékének meghatározása céljából szárítószekrényben 105°C-on tartottuk a tömegállandóság eléréséig, így 91,2% volt a víz aránya a teljes tömegből. 3. Kísérletek és berendezések A mintaanyag fizikai tulajdonságainak

Technika

megismerése után a különböző hasznosítási lehetőségeket vizsgáltuk, ezek közül is elsősorban a fizikai, mechanikai módszereket. Vegyi eljárásokat nem tanulmányoztunk, mert ezek beruházási költsége magas, továbbá könnyen kizáró ok lehet a meglévő bio minősítés további termékekre való továbbvitelében. Ezek alapján a felhasználási lehetőségek három fő irányát jelöltük ki: • Különböző szemcseméretű, élelmiszeriparban felhasználható porok előállítása az anyag szárítása, őrlése és osztályozása révén; • A magok kinyerése dúsítási és osztályozási műveletekkel, majd az almamagolaj sajtolása. A magok eltávolítása az őrleményben előálló rossz ízhatás miatt is fontos, így a feladat megoldásának célja kettős; • Az előző két hasznosítás egymásra épülő kombinációja. Ez a változat az olaj és a porok párhuzamos előállítását teszi lehetővé. Őrlés A szárított almatörkölyből készült porokat többfelé alkalmazzák az iparban, például a pipadohány, tea vagy lótáp ízesítésére használt almatörköly porok előállítására. Ezen kívül hatalmas potenciál rejlik a sütőipari felhasználásban [3]. Általános szabályként azt mondhatjuk, hogy a finomabb (250 μm-nél kisebb szemcseméretű) porok a legértékesebb frakciók, ezért ezek minél nagyobb tömegkihozatalát szerettük volna elérni.

4 . á b ra : A c en tr ifu gá lm alom vázlata / F i g u r e 4 . Sc h e matic d iagram of the c e n t r ifu ga l mill (Re t sch ZM200)

5. ábra: A fel a d á s ( f en t) és a z őr l és term ékei ( len t, b a l r ól j ob b r a : <250 μm , 150- 400 μm kö zötti és >400 μm / Fig. 5: Feed ( u p) a n d th e pr od u c ts of grinding ( do w n f r om l ef t: <250 μm, between 150-400 μ m a n d >400 μm )

A laboratóriumban vizsgáltuk a RETSCH cég által gyártott ZM 200 kézi ultra centrifugális malom alkalmazhatóságát. Ennek működése azon alapul, hogy a felülről adagolt szemcsék egy 4000-18000 1/perc fordulatszámú forgó rotoron elhelyezett, őrlőfogakkal szegélyezett körlapra – a forgás tengelyének irányából érkezve – a centrifugális erő hatására nekicsapódnak a fogaknak (4. ábra). A rotor körül elhelyezett szitadobról mindaddig visszapattannak a szemcsék a forgó lap belseje felé, amíg a szitarács mérete alá nem őrlődve ki nem repülnek a gyűrű alakban elhelyezett gyűjtő egységbe. Leginkább rostos, lágy vagy középkemény anyagok (pl. kollagén, csont, papír, élelmiszer, műanyagok, mészkő, szén stb.) őrlésére alkalmas. Az őrlési kísérletek során meghatároztuk a 250 μm alatti (finom-), a 400 μm feletti (durva-) és a kettő közti (közép-) termékek tömeghányadát, illetve vizsgáltuk a rotor kerületi sebességének és a kihordó szitarács méretének hatását az eredményekre (6. és 7. ábra). A kerületi sebesség növekedése a közép- és finomtermék arányának együttes növekedést hozta, míg a szita lyukbőségének az eredeti (2 mm) negyedére (0,5 mm) való csökkentése már a középtermék arányának csökkenésével is együtt jár, a finomtermék kihozatalának 28%-ról 70%-ra emelkedése mellett.

Technical

Particle size The apple pomace is quite sticky and adheres easily to the screen grid, so the particle size was determined by two different ways: wet sieving and dry sieving after drying. Putting the screens with the feed material into water, the disagglomeration of particles previously stucked together started immediately due to appropriate dispersing by shaking and contacting with the water (Figure 2). According to the dry weight ratios of the fractions (Figure 3), the hammer mill comminutes the material more or less constantly down to 5 mm size range. Disagglomeration does not occure in case of the dry sieving, where even the smallest particles cohere together during the drying process preserving the original particles. A higher mass of larger grain size fractions and a more uniform distribution can be seen from the data (summarized in the Table 1), and so in Figure 3. Density The wet and dry bulk densities were also measured: evaporating water causes the decrease of the bulk density (0.562 kg/m3) to the half of the original value (0.247 g/cm3) could be seen. Composition, moisture content The material components of the sample material were obtained by manual sorting, so we were able to isolate three fractions: seed (1.62%), stem (0.44%) and an ‘other’ group consisting of flesh and skin pieces (97.4%). After the wet sieving, the grain size fractions were also separated into components so it turned out that all the seeds were in 3-6 mm size range and the stem was present only in two fractions (3-6 and 6-10 mm) also. Despite pressing, the water content of the apple pomace is still very high, accurate value can be determined by using a drying cabinet keeping the material at 105 °C temperature until constant weight is reached. Thus the moisture content is 91.2% by mass. 3. Experiments and equipment After determining the physical properties of the sample, various recovery options were investigated in order to proper utilization, physical and mechanical methods mainly. Chemical processes have not been studied because the investment costs are high and they can also be easily obstructive to extend the existing organic product certification to the resulting new products. Based on these possibilities we marked out three main directions: • making powders with different fineness for food industry via drying, grinding and classification; • seed extraction with classification and enrichment processes, and then pressing apple seed oil; While seed oil is an precious raw material, the separation of seeds are important in any point of view as well. Removing seeds from the powder fraction before grinding can eliminate bad taste effect of the seed. • the sequential combination of the two previous recovery. This version allows the parallel production of oil and powders.


Biohulladék

39

→

Technika

→

Technical

Grinding Several usages of dried apple pomace powders exist in industry today, such as tobacco, tea or horse feed flavouring. In addition, there is a huge potential in bakery uses [3]. As a general rule, one can say that the finer (particle size below 250 microns) powder is the most valuable fraction, therefore the main goal was to achieve the higher yield of this size fraction. In the laboratory we tested the grinding characteristics of dried apple pomace in a RETSCH ZM200 type ultra centrifugal rotor mill. The operation principle of this mill is the following: the feed material falls from the top onto a high-speed (4000-18000 min-1) rotating circular plate with rotor teeth on its edge. Arriving from the direction of axis of rotation, the particles - driven by the centrifugal acceleration - are comminuted on impact with the teeth (Fig. 4). A fixed ring sieve is placed around the rotor to throw back the ground material until it reaches the size of the sieve opening, when it can escape to the collecting cassette surrounding the grinding chamber. The machine is suitable mostly for milling of fibrous, soft or semi-hard materials (eg. collagen, bone, paper, food, plastics, limestone, coal, etc.). With the milling experiments, we determined the mass fraction of powder below 250 μm (fine-), above 400 μm (coarse-) and between 250-400 um (mid-) products, and analyzed the effect of the rotor circumferential speed and the opening size of the sieve on the results (See Figure 6 and 7). The growing circumferential speed increased the ratio of both the medium and the fine product, while reducing the original sieve opening size to its quarter affected the ratio of the medium product also, resulting, moreover, in a 42 % increase in the proportion of fine product (from 28% to 70%). Separation of seed According to the literature, sedimentation methods are used most frequently to separate the seeds, coupled with a very high water demand, causing additional problems concerning its treatment and cleaning. It is also possible to separate by density after drying - eg. in air separator, but the drying of the seed causes a significant loss of oil content, so the resulting product cannot be utilized as oil resource. The fact of concentration of apple seeds in the 3-6 mm grain size fraction has been suggested before in this article. The aqueous sieving is difficult, but the original, wet material can be sieved, when 3-6 mm product has the seeds in relatively low concentration (13-14%), and it contains the 80% of seeds in less than one tenth of the initial mass. It can be observed that the separation of seeds due to their grain size is only one part of the appropriate processing technology. The fact, that the core surface is less sticky, plays also a significant role, because, , when it is shaken gently, it detaches more easily from the rest, than other grains from each other. Using this phenomenon as a principle for a preliminary enrichment process can be taken into account. 4. Results The combination of powder production and apple seed oil extraction is a feasible way for utilization, suggested technology can be seen in Figure 8. The

40

Biohulladék

levált a többi alkotórészről, mint azok egymásról. Egy ilyen elven működő eljárás tehát előzetes dúsításként számításba vehető.

6. ábra: A töm eg h á n ya d ok a ker ü l eti sebesség függ vén yéb en / Fig. 6: Weigh t r atios of pr od u c ts in function of c ir c u m f er en tia l s peed

8. á b r a : J ava s olt tec h n ol óg ia i s or / F ig . 8: R ec om m en d ed tec h n ol og ic a l l i n e

7. ábra: A töm eg h á n ya d ok a kihordószita r és m ér et f ü gg vén yéb en / Fig. 7: Weig h t r atios of pr od u c ts in function of open in g s ize of s ieve

A mag leválasztása A szakirodalom alapján a magok szétválasztására leginkább ülepítéses módszerek léteznek igen nagy víz igénnyel, amelynek a kezelése, tisztítása problémás. A szárítás után szintén lehetőség van sűrűség alapján – pl. légszekrényben – a szeparálásra, de a szárítás során a mag elveszíti olajtartalmának jelentős részét, ezért az így kapott terméket nem érdemes kisajtolni. Az összetételnél már érintettük, hogy a vízzel történő szitálás során az összes almamag a 3-6 mm szemcseméretű frakcióban koncentrálódik. A vizes szitálás körülményes, viszont eredeti, nedves állapotban történő szitálásnál a 3-6 mm közti termék viszonylag alacsony koncentrációban (13-14%), de tartalmazza a magok 80%-át, a kiinduló tömeg kevesebb, mint tizedébe koncentrálva. Megfigyelhető, hogy a magok csak részben a szemcseméretük miatt szeparálódtak ki: jelentős szerepe volt annak is, hogy a mag felülete kevésbé ragadós, ezért enyhe rázáskor jóval könnyebben


4. Eredmények A kísérleti eredmények alapján javaslatot dolgoztunk ki az almatörköly feldolgozására, másodnyersanyagok előállítására. Jelen esetben megvalósítható a porelőállítás és az almamag olaj kinyerés együttes alkalmazása (8. ábra). Az új technológia nem egyszerűen a két különböző hasznosítás egymás után helyezése, hanem az almamag dúsítás és préselés során visszamaradt anyagok szárításba és porelőállításba vezetése miatt mindkét módszer melléktermékeinek kezelésére is megoldást nyújt. 5. Összegzés Jelen munkában a tiszanagyfalu-virányosi bioalma-feldolgozó üzem (Biofaktura Kft.) technológiai fejlesztését alapoztuk meg. A meglévő szakirodalmi források alapján vizsgáltuk az almatörköly hasznosítását, és bár számos lehetőség adódik, azok vagy nem alkalmazhatók ebben az esetben, vagy nem teljeskörűek. Mérések során megállapítottuk az almatörköly eljárástechnikai szempontból mérvadó tulajdonságait. Az alapanyagokon szisztematikus őrlési kísérletsorozatokat hajtottunk végre ultra centrifugálmalomban, vizsgálva a különböző rotor kerületi sebességének és kihordószita lyukbőségének hatását az őrlemény finomságára, amelynek eredményeként megállapítható, hogy a legfinomabb terméket 75 m/s kerületi sebesség és 0,5 mm szitarács esetén állítottunk elő.

Technika

Az alapvizsgálatok eredményeként egy újfajta, kombinált technológiát javaslunk az almatörköly feldolgozására, amelynek részletes kidolgozását megkezdtük. Ennek újdonsága abban rejlik, hogy egy elődúsítási lépcsővel leválasztjuk a magot, amiből almamagolaj készül, míg a sajtolásból származó préselményt és a törköly további frakcióit egy szárítás utáni őrlésnek tesszük ki. Az őrleményt végezetül három (kereskedelmi) méretfrakcióra bontjuk. A technológiának két fő előnye, hogy egyrészt megőrizzük a magot a préseléshez, amely a szárítás során elveszítené értékes hatóanyagait, másrészt az elődúsítási lépéssel kiküszöböljük a törköly teljes anyagának felhasználását az igen vízigényes dúsításhoz. 6. Javaslatok, jövőbeli tervek A vázlatos technológiai sor részleteinek kidolgozása a közeljövőben kezdődik meg. A fentiekben tárgyalt nedves elődúsítás például további vizsgálatokat igényel. Reményeink szerint egy dobszitában történő osztályozás esetén felerősödne a dúsulás, hiszen a dob forgó mozgásával a nagy összetapadt csomók még inkább hajlamosak lennének az agglomerációra, “felszedve” magukkal a többi szemcsét is, míg a magok átesnének. További cél az almatörköly minél hatékonyabb szárítása, amely kisebb mennyiség (kevesebb, mint 5 t/h) esetén gazdaságosan megvalósítható ellenáramú keverő-szárítóval. A kívánt mérettartományokba eső porok osztályozáshoz a kézenfekvő megoldást a különböző finomságú síkszitasorok jelentik például a 250 ill. 400 μm szemcseméretnél. A javasolt technológia részletes vizsgálatáról és egyes részelemeinek meghatározásáról egy következő cikkben számolunk be. 7. Köszönetnyilvánítás Köszönet illeti Csőke Barnabás profes�szor urat az értékes tanácsaiért. A technológiai vizsgálatok során igen sokban támaszkodtunk a Malomipari Gépgyártó Kft. (MAG Kft) évtizedes tapasztalataira. A kutató munka a TÁMOP4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai

Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Irodalomjegyzék [1] FAOSTAT, Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2009. [2] M. Kennedy, D. List, Y. Lu, R. H. Newman, I. M. Sims, and P. J. S. Bain, “Apple pomace and products derived from apple pomace: uses, composition and analysis,” in Analysis of Plant Waste Materials, vol. 20, Berlin: Springer-Verlag, 1999, pp. 75–119. [3] K. Tóthné Szita, “Az almatörköly hasznosításának ökohatékonysági vizsgálata,” MTA-JTB Konferenciakötet, pp. 183-203, 2004. [4] H. Wang, J. Wang, Z. Fang, X. Wang, and H. Bu, “Enhanced biohydrogen production by anaerobic fermentation of apple pomace with enzyme hydrolysis,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 35, no. 15, pp. 8303-8309, Aug. 2010. [5] M. Hoseyini, N. Asefi, and M. Mozaffari, “Production of Citric Acid from Apple Pomace by Using Surface Culture Method,” Agricultural Journal, vol. 6, pp. 226-230, May 2011. [6] G. Papp, “Szárított almatörköly, mint feldolgozóipari melléktermék, közvetlen hasznosítása a sütőiparban,” University of Debrecen, Debrecen, Hungary, 2009.

Technical

new technology does not simply used sequentially, (one after the other), but leading the by-products of seed enrichment and pressing to the drying process and powder production is a good solution to treat the residues of both methods. 5. Summary In this work the technological development of the bioapple-processing plant at Tiszanagyfalu-Virányos has been investigated. Based on the existing literature sources, we examined the utilization of apple pomace, and although there are several possibilities, they are not applicable in this case, or are incomplete. Via measurements the relevant material properties of apple pomace have been determined. Systematic grinding experiments were carried out on the raw material in an ultra centrifugal mill, examining the effect of different rotor speed and the opening size of the ring sieve on the ground material, resulting that the finest product can be achieved by 75 m/s circumferential speed and 0.5 mm sieve. As the result of the basic studies, a new kind of combined apple processing technology is recommended of which detailed experiments are already running. The new feature of this is an enrichment process when seeds are separated for oil pressing, while the pressing residue and the other fractions of apple pomace are fed to grinding after drying. Finally, the finished product, namely the powder, is divided to three (commercial) size fractions. This technology has two main advantages: first, the seeds, which would otherwise loose the valuable active ingredients during drying, remain for pressing, second, with the pre-enrichment phase, the use of the total amount of material is not necessary in the water-intensive enrichment process. 6. Evaluation and recommendations Clarifying the details of the investigation of the technological line will start in the near future. For example, the pre-enrichment discussed above deserves further investigation. We suggest that classification of the material in a drum sieve would improve the enrichment, because due to the rotating movement of the drum, the large clumps would agglomerate, “picking up” smaller grains, while the seeds would fall out. Another goal is to dry the apple pomace in an efficient way, which can be done with counter-current mixerdryer, which is economically feasible for smaller volumes (less than 5 t/h). The obvious solution to obtain the desired grain size range of powder, is the classification with different plane sieve series (for example 250 and 400 μm). The results of detailed laboratory tests and recomennded technology for complex utilisation of apple pomace is planned to introduce in a second article. 7. Acknowledgements Thanks for Prof. Barnabás Csőke for the valuable advices. The research project was part of the TÁMOP4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 - the New Hungary Development Plan - with the support of the European Union, and co-financed by the European Social Fund.


Biohulladék

41

n e m z e t kö z i

International

Reducing mineral fertilisers and chemicals use in agriculture by recycling treated organic waste as compost and bio-char products Improvement of comprehensive bio-waste transformation and nutrient recovery treatment processes for production of combined natural products

Biológiailag lebomló hulladékok, komposzt és bio-szén mezőgazdasági újrahasznosítása a szintetikus műtrágyák és kemikáliák csökkentésére A biohulladékok értéknövelt kezelésének és tápanyag tartalom újrahasznosítását célzó eljárásainak átfogó fejlesztése kombinált természetes termékek előállítása céljából

REFERTIL – SEVENTH FRAMEWORK PROGRAMME

REFERTIL – SEVENTH FRAMEWORK PROGRAMME

Acknowledgement: The REFERTIL project is co-funded by the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007- 2013) under grant agreement n° 289785.

Köszönetnyilvánítás: A REFERTIL projekt az Európai Unió Hetes Keretprogramjának (FP7/2007-3013) társfinanszírozásával valósult meg, a 289785 támogatási szerződés keretében.

Background Intensive farming practice and human activities have disturbed the natural cycles of nitrogen and phosphorus. Industrial agriculture relies on continual inputs of mined and non-renewable phosphorus and energy-intensive nitrogen supply. It is estimated that human activity has doubled the global amount of reactive nitrogen in circulation; while tripled the amount of phosphorus since the industrial revolution. There is a strong need for increased sustainability and closing the nutrient loop in agriculture with the creation of a virtuous cycle between urban and rural areas. In this context, reducing the use of mineral fertilisers and chemicals in agriculture are key priority objectives that can be achieved by recycling and reusing treated organic waste as compost and biochar products. Purpose of the project REFERTIL has the mission to contribute to the transformation of urban organic waste, food industrial by-products and farm organic residues from a costly disposal process into an income generating activity. This includes an EU-27 standardized, advanced, and comprehensive bio-waste treatment and nutrient recovery process towards zero emission performance. The improved output products will be safe, economical and standardized compost and biochar products containing phosphorous and nitrogen that can be economically and beneficially used by farmers. As a result, both food and environmental safety is improved, while a new economy is generated. What is biochar material and how is it made? Biochar originates from different types of plant and/or animal waste biomass origin carboniferous materials, used for multi functional soil enhancement, water retention, natural fertilization and/or carbon negative economical agricultural applications. Biochar is produced under low temperature carbonization conditions at an average 500°C in the absence of air and based on advanced zero emission or near zero emission process design, where all material element streams are recycled and reused into natural and safe products. Properly produced biochar has the potential to restore the natural balance of soil and to benefit crop

42

Biohulladék


Előzmények Az intenzív mezőgazdasági gyakorlat és az emberi tevékenységek mesterségesen avatkoztak be a nitrogén és a foszfor természetes körforgásába. Az iparszerű mezőgazdasági termelés a bányászott, ill. nem megújuló foszfor és energiaigényes előállítású nitrogén műtrágyák folyamatos használatától függ. Becslések szerint, az emberi tevékenység megduplázta a reaktív nitrogén, és megháromszorozta a foszfor mennyiségét a globális körforgásban az ipari forradalom óta. Növekvő igény mutatkozik a fenntarthatóság növelésére, a mezőgazdasági termelésre jellemző pazarló, és egyirányú tápanyag forgalom helyett a városi és a vidéki területek közötti intenzív tápanyag körforgás kialakítására. Ebben a tekintetben, a szintetikus műtrágyák és kemikáliák mezőgazdaságban történő felhasználásának csökkentése kulcsfontosságú cél, mely a szerves hulladékok, komposztként és bioszénként történő újrahasznosításával és felhasználásával érhető el. A projekt célja A REFERTIL projekt feladataként tűzte ki, hogy hozzájáruljon a települési szerves hulladékok, élelmiszeripari melléktermékek és mezőgazdasági biológiailag lebomló hulladékok költséges ártalmatlanítása helyett a költséghatékony, értéktöbbletet adó újrahasznosítási eljárások elterjedéséhez. Ez magába foglalja az EU 27 tagállamára kiterjedő szabványosított, korszerűsített és átfogó biohulladék- és tápanyag-újrahasznosítási eljárás fejlesztését, melyet közel nulla kibocsátás jellemez. A továbbfejlesztett végtermékek biztonságosak, gazdaságosak, szabványosítottak, magas nitrogén- és foszfortartalmú komposzt és bio-szén termékek lesznek, melyeket a gazdálkodók gazdaságosan és jövedelmezően tudnak majd alkalmazni. Végeredményként, mind az élelmiszer, mind a környezetbiztonság fejlődik, miközben új gazdasági erő jelenik meg. Mi a bio-szén, és hogyan készül? A bio-szén különböző típusú növényi és/vagy állati eredetű, széntartalmú biomasszából állítható elő, és számos mezőgazdasági alkalmazása ismert: használható talajjavító, vízvisszatartó, természetes tápanyagpótló anyagként és/vagy karbon-negatív ökológiai gazdálkodásban. A bio-szenet alacsony hőmérsékletű, 500 Celsius fokos, karbonizációs eljárással lehet előállítani, reduktív körülmények között, fejlett zéró, ill. közel zéró emissziós

n e m z e t kö z i

International

production economics by improved drought tolerance in plants, soil fertility and crop characteristics. What is compost material and the composting process? Compost is a humified solid particulate material, which has been sanitised and stabilised; and which confers beneficial effects when it is added to soil, used as growing media constituent, or used in another way in conjunction with plants. Composting is a process of controlled decomposition and humification of biodegradable materials under managed conditions, which are aerobic and which allow the development of temperatures suitable for mesophilic and thermophilic bacteria as a result of biologically produced heat. Photo:

3 R z e ro e missziós b er endezés bioszén előállításásra, Edwa r d S om eu s / 3R z e r o emissio n b io c h a r production unit, by Edward Som eu s

kibocsátás mellett, ahol minden anyagáram biztonságos termék formájában újrahasznosításra kerül. A megfelelően előállított bio-szén alkalmas a talaj természetes egyensúlyának helyreállítására, gazdaságilag jövedelmezővé tudja tenni a növénytermesztést azáltal, hogy növelni tudja a növények aszálytűrő képességét, a talaj termőképességét és a növénytermesztési jellemzőket. Mi a komposzt és mit jelent a komposztálási eljárás? A komposzt egy humuszszerű szilárd halmazállapotú anyag, ami biológiailag stabilizált és higiénizált. Talajhoz hozzákeverve előnyös hatást fejt ki, mint ültető közeg alkotóelem, ill. egyéb módokon használható fel a növénytermesztésben. A komposztálás, a biológiailag bontható anyagok ellenőrzött körülmények között végbemenő lebontási és humufikálódási eljárása. Az aerob feltételek teszik lehetővé, hogy a mezofil és termofil baktériumok által az anyag magas hőmérsékletet érjen el, amely során végbemegy a higiénizáció. Melyek a hulladékstátusz megszűnésének kritériumai? A felülvizsgált Hulladék Keretirányelv (2008/98/EC) rámutat annak a lehetőségére, hogy bizonyos hulladékáramoknak, megfelelő hulladékkezelési eljárás után, megszűnhet a hulladék státusza, abban az esetben, ha megfelelnek bizonyos kritériumoknak és kritérium-rendszereknek. A hulladékstátusz megszűnésének kritériumrendszere olyan előírások összessége, amelyeket a hulladékból származó anyagoknak kell teljesíteniük, illetve amely biztosítja, hogy ezeknek az anyagoknak a minősége megfelelő ahhoz, hogy a felhasználásuk nem veszélyezteti az emberi egészséget vagy a környezetet. A projekt feladatai A REFERTIL projekt 10 összefüggő munkafeladatból áll, melyek egységesen összefogják a 10 résztvevő ország tudásbázisát és tapasztalatát. Ezáltal hozzájárulva ahhoz, hogy a hulladékstátusz megszűnésének kritériumrendszere alapján megfelelő, szabványosított, biztonságos és gazdaságos komposztot és bio-szenet lehessen előállítani.

What are the End-of-Waste criteria? The revised Waste Framework Directive (2008/98/EC) introduces the possibility that certain waste streams that have undergone a recovery operation can cease to be waste, if they fulfil certain criteria - called End-of-Waste (EoW) criteria. The EoW criteria are the requirements that have to be fulfilled by a material derived from waste, and which ensure that the quality of the material is such that its use is not detrimental to human health or the environment. Project activities This project is organised into 10 work packages (WP) which coherently integrate knowledge and experience from 10 EU countries, which will reveal the possibilities of producing standardised, safe and economical compost and/or biochar meeting the EU EoW criteria. WP Activities no. 1 Identification, sampling and quantification of the main urban organic waste and agriculture organic residue flows and logistic systems in the participating countries 2 Development of a detailed pyrolysis technology and biochar product matrix database ranking the available biochar producing technologies. A biochar policy supporting report 3 Development of a detailed composting technology and compost product matrix database ranking the available compost production technologies. A compost policy supporting report 4 A microbiological strategy will be developed for fungus, bacteria and mycorrhizal fungi for compost activator and compost nutrient enrichment application incl. selection of inoculants and the development of inoculation technology 5 Improvement of the biochar production and treatment process towards high quality standardised ‘end-of-waste’ quality biochar production and zero emission performance 6 Composting process optimisation and product improvement for nutrient retention and emission minimisation, including identifying and proposing good operational practices and technological improvements 7 Best available technology (BAT) demonstrations and trials will be conducted for improved and sustainable compost and biochar production including small scale microbial inoculum trials


Biohulladék

43

n e m z e t kö z i

8

9

10

International

Validation of the improved technologies and recycled products against ‘end-of-waste’ criteria will be made with compost and biochar in field crop trials under different conditions, including environmental viability and safety evaluations Setting up a framework for common quality standard requirements and new application methods for biowaste treatments and compost/biochar products to guarantee a high level of protection of human health and the environment Extensive EU-wide dissemination and end-user involvement specifically for SME’s and farmers as endusers. A range of networking and field demonstrations will be established to reach as many stakeholders as possible

The REFERTIL Consortium • TERRA Humana Clean Technology Development, Engineering and Manufacturing Ltd., Hungary (www.3ragrocarbon.com) • Stichting Dienst Landbouwkundig Onderzoek (DLO), Netherlands (www.pri.wur.nl) • Aarhus University, Denmark (www.agrsci.au.dk) • Knowledge Center for Agriculture, Denmark (www.vfl.dk) • Universita Degli Studi Di Torino, University of Torino -Agroinnova, Italy (www.agroinnova.unito.it) • Gottfried Wilhelm Leibniz Universitaet Hannover, Germany (www.uni-hannover.de) • Biomasa del Guadalquivir S.A, Spain (www.bpeninsular.com) • TWI Ltd., United Kingdom (www.twi.co.uk) • WESSLING Hungary Kft., Hungary (www.wessling.hu) • KOTO proizvodno in trgovsko podjetje, d.o.o., Slovenia (www.koto.si) • Comune di Grugliasco (Municipality, Torino), Italy (www.comune.grugliasco.to.it) • Renetech Bioresources Ltd., Ireland (www.renetech.net) • Profikomp Environmental Technology Plc., Hungary (www.profikomp.hu) Project duration 48 months: October 1, 2011 – September 30, 2015 Coordinator contact Coordinator and key technology designer: Mr. Edward Someus, Terra Humana Clean technology Development, Engineering and Manufacturing Ltd E-mail: [email protected] Skype: edwardsomeus Tel: + (36-20) 201 7557, +(36-20) 805 4727 For more info: http://refertil.info Disclaimer - The views and opinions expressed are purely those of the writers and may not in any circumstances be regarded as stating an official position of the European Commission.

Feladat száma

Munkafeladat leírása

1.

A fő települési szerves hulladékáramok, mezőgazdasági biológiailag lebomló hulladékoknak és ezek logisztikai rendszerinek azonosítása, mennyiségi meghatározása és mintavételezése a résztvevő országokban

2.

Részletes pirolízis technológia és bio-szén előállítási adatbázis mátrix kidolgozása, az elérhető bio-szén előállítási technológiák rangsorolásával. A bio-szén jogszabályalkotás elősegítése

3.

Részletes komposztálási technológia és komposzt termék adatbázis mátrix kidolgozása, az elérhető komposztálási technológiák rangsorolásával. A komposzt jogszabályalkotás elősegítése

4.

Mikrobiológiai stratégia kidolgozása különböző gombák, baktériumok és mikorriza gombák komposzt aktivátorként történő alkalmazása és komposzt tápanyag tartalmának növelésére

5.

Bio-szén előllítás és a kezelési eljárások fejlesztése, magas minőségű, szabványosított termék minőségű, emisszió mentes bio-szén gyártására

6.

Komposztálási eljárás optimalizáció és termékfejlesztés a tápanyag-visszatartás és az emisszió-minimalizálás érdekében, mely tartalmazza a „jó üzemeltetési gyakorlat” meghatározását, ill. a technológiai fejlesztésekre tett javaslatokat

7.

A legjobb elérhető és fenntartható bio-szén elõállítási- és komposztálási technológiák demonstrációja

8.

A továbbfejlesztett technológiák és az újrahasznosított termékek termékstátuszának igazolása, különböző körülmények között végzett kisparcellás növénytermesztési kísérletekkel, környezeti biztonságosságuk igazolása

9.

Közös termék és biohulladék kezelési technológia minőség szabvány és követelményrendszer és új alkalmazási eljárás keretprogram felállítása komposzt/bioszén termékek előállítására, figyelembe véve a környezeti és humán egészségügyi szempontokat

10.

Az Európai Unió országaira kiterjedő hasznosítási program kidolgozása, végfelhasználók bevonásával, különös tekintettel a KKV-ra és a gazdálkodókra. A lehető legtöbb érintett célcsoport elérése érdekében terepi demonstrációk tartása

A REFERTIL Konzorcium • TERRA HUMANA Tiszta Technológiákat Fejlesztő, Tervező és Kivitelező Kft., Magyarország (www.3ragrocarbon.com) • Stichting Dienst Landbouwkundig Onderzoek (DLO), Hollandia (www.pri.wur.nl) • Aarhus University, Dánia (www.agrsci.au.dk) • Knowledge Center for Agriculture, Dánia (www.vfl.dk) • Universita Degli Studi Di Torino, Olaszország (www.agroinnova.unito.it) • Gottfried Wilhelm Leibniz Universitaet Hannover, Németország (www.uni-hannover.de) • Biomasa del Guadalquivir S.A, Spanyolország (www.bpeninsular.com) • TWI Ltd., Egyesült Királyság (www.twi.co.uk) • Wessling Hungary Kft., Magyarország (www.wessling.hu) • KOTO proizvodno in trgovsko podjetje, d.o.o., Szlovénia (www.koto.si) • Comune di Grugliasco (Torino), Olaszország (www.comune.grugliasco. to.it) • Renetech Bioresources Ltd., Írország (www.renetech.net) • Profikomp Környezettechnika Zrt, Magyarország (www.profikomp.hu) A Projekt időtartama 48 hónap: 2011. október 11.–2015. szeptember 30. Koordinátor elérhetőségei Koordinátor és fõ technológia tervezõ: Edward Someus, Terra Humana Kft. E-mail: [email protected] Skype: edwardsomeus Tel: + (36-20) 201-7557, + (36-20) 805 472 További információ: http://refertil.info :

44

Biohulladék


Tisztelt Hölgyeim és Uraim, kedves Kollégák!

Recommend Documents