Ugrás a tartalomhoz

Environmental management

Prof. Tamás János, Prof. Blaskó Lajos (2008)

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

9.2. A biogáz-termelési technológiák csoportosítása

9.2. A biogáz-termelési technológiák csoportosítása

A biogáz hasznosítására illetve előállítására több eljárás alakult ki. Az eljárások mindegyikének közös jellemzője, hogy középpontjában kizárólag a biogáz termelés áll; ennek mennyiségi és minőségi jellemzőin keresztül értékelik, minősítik magát az eljárást, a projektet. A bioreaktor egy olyan magasszintű (csúcstechnológia) technológiai megoldást képvisel, mely zárt rendszerben képes a szükséges és elégséges feltételeket biztosítani és ehhez kapcsoltan szabályozni és irányítani a biológiai anyagrendszerben a gázképződést meghatározó folyamatokat. Ez utóbbi annak eredményeként valósul meg, hogy a biológiai anyagokból történő gázképződést elősegítő baktériumok láncreakciószerű szaporodásának feltételeit biztosítja, folyamatát szabályozza és vezéreli. Összességében és végkimenetelében a bioreaktor biológiai anyagok (többségében környezet szennyező) környezet-harmonikus átalakítását és feldolgozását végzi egybekapcsolva a bioreaktor működési térségére méretezett további projektek környezetbarát működésével (Sinóros-Szabó et al., 2005).

A biogáz üzemek kialakításának célja, hogy minél olcsóbban, minél több és jobb minőségű terméket állítsunk elő, lehetőleg automatizált módon. A biogáz előállítására szolgáló eljárások az alapanyag minőségében, betáplálásának módjában és gyakoriságában különböznek (Bai, 2007).

A biogáz képződése során levegőmentes anaerob körülmények között a biológiailag degradálható szerves anyagok alkotó elemeikre bomlanak, a folyamat eredményeként 50%, esetenként 75% metánt, 25-50% szén-dioxidot és egyéb gázokat tartalmazó gázkeverék képződik (9.1. ábra) (Mézes, 2007).

9.1. Ábra. Az anaerob fermentáció egyszerűsített vázlata (Mézes, 2007)

A biogáz metán-tartalma hő- és/vagy villamos energiaként, esetleg bioüzemanyagként hasznosítható, míg a végtermék, az un. „biotrágya” szerves trágyaként, öntözésre, vagy talajjavító anyagként alkalmazható (Petis, 2005).

A következőekben a biogáz-termelés csoportosításának lehetőségeit tárgyalom.

Klein és Winter (2000) a biogáz előállítási eljárásokat három típusokra bontotta, melyen belül a nedves eljárást további eljárásokra osztotta fel (9.2. ábra).

9.2. ábra. A biogáz előállítás típusai (Klein és Winter, 2000 nyomán)

Az alapanyag szárazanyag-tartalmát alapul véve a biogáz előállítás technológiáját Bai (2007) három csoportra osztotta:

  • nedves: max. 15%-os Sza.%,

  • félszáraz: 15 – 30%-os Sza.%,

  • és száraz: 30 - 35%-os Sza.% eljárásokra.

A nedves biogáz-gyártás alapanyaga általában hígtrágya vagy élelmiszer-ipari szervesanyag-tartalmú folyadék, melyeknek szárazanyag tartalma 2-8%, és szervesanyag-tartalma 40-60% között van. Az alapanyagot általában naponta több alkalommal szivattyúval táplálják be a fermentorba. Az erjesztő-térben az úszókéreg, valamint a leülepedés megakadályozására szakaszos, vagy folyamatos keverést kell biztosítani

A félszáraz biogáz-gyártási eljárás a felhasznált alapanyag összetételében tér el lényegében a nedves eljárástól. A fermentorba előre tervezett recept alapján összeállított anyagot juttatnak. Az anyag konzisztenciáját különböző mezőgazdasági melléktermékekkel, gyakran szalmával állítják be (Barótfi, 1998).

Az utóbbi években figyelhető meg a 30%-nál magasabb szárazanyag-tartalmú szilárd biomasszát felhasználó száraz eljárás megjelenése hazánkban (9.3. ábra), (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2006).

9.3. ábra. Száraz biogáz-előállítási eljárás (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2006 nyomán)

Ez utóbbiakat elsősorban az állattenyésztéssel nem foglalkozó gazdaságok részére fejlesztették ki. A száraz eljárásnál fontos megemlíteni az un. második generációs biogáz előállítási fejlesztéseket, melyeknél a nagy cellulóztartalmú melléktermékek kierjesztése hatékonyabban és gyorsabban megoldható, mert a cellulóz lebontását nagy nyomáson és magas hőmérsékleten, vagy enzimek segítségével végzik. Ez által a főtermék helyett a nagy mennyiségű melléktermék (szalma, kukoricaszár stb.) használható fel alapanyagként (Kacz, 2009).

Gerardi (2003) a szennyvíztisztításban használt anaerob fermentrok típusait a baktérium tenyésztés módja, a hőmérséklet és a fermentorok felépítése alapján osztotta fel (. táblázat).

9.1. táblázat. Anaerob fermentorok típusai. Forrás: Gerardi, 2003 nyomán

A hőmérséklettől függően három hőmérsékleti tartományt különböztethető meg (. táblázat), ahol az eltérő hőmérsékleteken különböző baktériumtörzsek aktívak (Olessák és Szabó, 1984).

9.2. táblázat. A baktériumok hőmérséklet igénye. Forrás: Olessák és Szabó, 1984

  • Pszihrofil: Fűtést nem igénylő eljárás, használata hazánkban nem jellemző az éghajlati feltételek miatt. Alacsony baktérium aktivitás, az alapanyagok hosszú tartózkodási ideje (akár 60 nap) jellemzi.

  • Mezofil: A leggyakrabban használt hőmérsékleti tartomány. 25 +/-5 nap tartózkodási idő, viszonylag egyöntetű, könnyebben bomló alapanyagok esetében.

  • Termofil: A baktériumok tevékenysége gyors, tartózkodási idő 15 +/-2 nap. A gáztermelés sebessége a termofil zónában 25-50%-kal nagyobb, mint a mezofil tartományban (Olessák és Szabó, 1984). A baktériumok érzékenysége nagyobb. Előnye, hogy a magasabb hőmérséklet miatt a patogén mikroorganizmusok és a féregpeték nagyobb arányban pusztulnak (Schulz és Eder, 2005). Azonban az anaerob bomlás nem exoterm, hanem endoterm folyamat, ezért a lebontandó anyagtömeg melegítésére van szükség, amelynek gazdaságossági hatásai miatt a mezofil lebontás előnyösebb (Barótfi, 2000). Másik hátránya, hogy a termofil baktériumok érzékenysége nagyobb (Eder és Schulz, 2006).

A Bayerisches Landesamt für Umwelt (2006) is meghatározta az egyes hőmérsékleti tartományokhoz rendelhető tartózkodási időtartamok, mely alatt az alapanyagok lebomlanak (. táblázat).

9.3. táblázat. Hőmérsékleti tartományok és a hozzá rendelhető tartózkodási idők. Forrás: Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2006

Az állandó hőmérsékletet a fermentorok folyamatos fűtésével és szabályozásával tudják biztosítani, melynek módjait a 9.4. ábra szemlélteti (Kuhn, 1995).

9.4. ábra. Száraz biogáz-előállítási eljárás (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2006 nyomán)

Bai (2007) építési mód alapján függőleges (9.5. ábra), vízszintes és csőfermentorokat (9.6. ábra) különböztet meg.

9.5. Ábra. Álló betonfermentor (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2006 nyomán)

9.6. Ábra. Fekvő csőfermentor (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2006 nyomán)

Napjainkban jellemzően az előbbieket használják, mert a keverésük jól megoldható és talajszint alá is telepíthetők, ami hidegebb éghajlatú vidékeken egyszerűbb és olcsóbb módszer a fermentorok fogyasztásának csökkentésére. A vízszintes berendezések alkalmazását a kedvezőtlen (sziklás, talajvizes) talajviszonyok indokolhatják.

A csőfermentorok jellegzetessége, hogy egy térben található az erjesztő és a gáztároló, általában kisebb tömegű és jól szállítható, létesítése tehát olcsó, de a függőleges fermentorok előnyei itt hátrányként jelentkeznek. Elsősorban kisgazdaságokban, alacsony komfortigényű tömegtermelésre alkalmasak (Bai, 2007).

Mezőgazdasági alapanyagokra épülő biogáz üzemek működését tekintve Szij (2005) szerint két főbb üzemtípus terjedt el a gyakorlatban. Egyik a tartályos fermentálás, alacsony fermentorokkal, mely főleg vegyes összetételű hulladékokat használ, nedves biogáz-gyártási technológia jellemzi, a tartályok nagy felületűek, mezofil, termofil, vagy kombinált fermentálási ciklus esetében alkalmazzák (Petis, 2005). Előnye, hogy alacsonyabb beruházási költséget igények, hátránya alacsonyabb hatásfoka. A másik típus a csőfermentor, mely alacsony lapos csőszerű tartály, főleg termofil hőmérsékleten történik a kezelés, folyamatos üzemben. Előnye nagyon jó hatásfoka, míg hátránya a magas beruházási költsége (Szij, 2005).

Gruber (2007) működési mód szerint, azaz alapanyagok feladása és kiürítése alapján két üzemeltetési típust, folyamatos és Batch-üzeműt különített el (. táblázat).

9.4. táblázat. Üzemeltetés típusai. Forrás: Gruber (2007) nyomán

Hozzáfűzte, hogy előfordul a gyakorlatban ezek kombinációja is. A folyamatos eljárás során a híg konzisztenciájú alapanyagot (hígtrágya, szennyvíziszap) folyamatosan vezetik az erjesztőtérbe, ahonnan egy túlfolyón keresztül azonos mennyiségű, de már kierjedt „biotrágya” távozik a rendszerből. Az előállított biogáz mennyisége állandó összetételű alapanyag esetén nem változik. Előnye az eljárásnak, hogy az alapanyag jól keverhető, könnyen üríthető, jól automatizálható. Hátránya, hogy kierjedt végtermék nehezebben kezelhető, nagyobb tárolóteret, ill. szeparálást igényel. A Batch-eljárás jellegzetessége az alapanyag egyszeri betáplálása az erjesztő tartályba. Elsősorban nagy szárazanyag-tartalmú alapanyagok (almos trágya, növényi maradványok) elgázosítására alkalmas. A biogáz reaktort feltöltése után lezárják és a fermentáció végén nyitják csak ki a kierjedt anyag kivétele és az újbóli feltöltés céljából. A „biotrágya” kitárolása után annak egy meghatározott részét, mint alapanyagot, illetve oltóanyagot a következő lebontási fázishoz megtartják. Az ebben az anyagban lévő baktériumkultúra adja az alapot a következő fermentációs ciklushoz az előzetesen összegyűjtött csurgaléklében található baktériumokkal együtt. Az eljárás előnye, hogy a nagy szárazanyag-tartalom miatt térfogategységre vetítve jóval nagyobb a biogáz-hozam és a szilárd konzisztenciájú „biotrágya” könnyebben felhasználható a hígtrágyánál. A fermentáció során a biogázreaktor tápanyaggal történő napi utánpótlása nem jelenik meg a feladatok között, ezért az üzem működtetésére fordítandó idő igen kevés. A betáplálás rövid időn belül megtörténik (kb. 5-6 óra 300 m3 anyag esetén), s ezután a teljes folyamatot számítógép irányítja. Ugyanakkor a biogáz-előállítás hatékonysága csökkenő, hiszen változik a fermentált végtermék összetétele is, ezért általában hosszabb érlelési idő szükséges a megfelelő gázkihozatalhoz, ami azonban az alapanyag jobb higienizálását is eredményezi (Bai, 2007). A rendszer hátránya, hogy a biogáztermelés nem folyamatos. A 28 napos ciklusok közötti minimum 3 napon nincs elektromos áram termelés, ami a gazdaságosságot befolyásolhatja. Az ingadozások kiküszöbölése végett egyszerre több fermentort is telepítenek, aminek köszönhetően a termelés kisebb kapacitással, de kvázi folyamatosan történik a friss anyagok betáplálása után is.

Az optimális mikrobiális tevékenység elérése érdekében nem elegendő a szubsztrát összetétel megfelelő megválasztása, hanem a tápanyag egyenletes, folyamatos adagolá¬sára is szükség van. A folyamatos betáplálással mérsékelni lehet az alapanyag minőségében elkerülhetetlenül beálló változások következtében fellépő terhelés-ingadozások negatív hatását (Öllős, 2010).

Az anaerob fermentáció első fázisában, a hidrolízis fázisában megy végbe legnagyobb arányban az alapanyagok feltáródása. A nehezebben feltáródó nyersanyagokat (vágóhídi hulladék, szemes termés, növényi szármaradványok, kukoricacsutka, stb.) érdemes előzetesen előkezelni, melyet többek között hőkezeléssel, aprítással, vagy előzetes erjesztéssel, mikroorganizmusokkal történő oltással lehet elősegíteni. A mezőgazdasági biogáz üzemek esetében a speciális, fertőtlenítést igénylő hulladékok (vágóhídi, élelmiszeripari) hőkezelése és szilárd hulladékok aprítása terjedt el. A szilárd anyagokat automatikus adagolórendszerrel juttatják a keverőaknába, vagy a fermentorba (9.7. ábra).

9.7. Ábra. Szilárd nyersanyag aprítása, keverése majd feladása automatikus adagolórendszerrel (Kenderes-Bánhalmai biogáz üzem) (www.agrener.hu)

Az adagolórendszer konténeres és betonsilós változatára a 9.8. ábra és a 9.9. ábra szolgáltatnak példát.

9.8. Ábra. Alapanyag-adagoló rendszer (konténer) (Kemenesmagas) (www.stsgroup.hu).

9.9. Ábra. Alapanyag-adagoló rendszer (betonsiló) (Hajdúszovát) (www.stsgroup.hu)

A folyékony és szilárd konzisztenciájú alapanyagokból a keverőaknákban állítják össze az optimális összetételű, minőségű recepturát, melyet a fermentorba adagolnak.

A fermentorokban keveréssel meg lehet akadályozni, hogy felülúszó réteg, vagy alsó rétegződés alakuljon ki, amikor is a mikroorganizmusok a rothasztó alján koncentrálódnak és így a felsőbb rétegekben lévő szervesanyagok nem hozzáférhetőek számukra. Azonkívül a bomlás és anyagcseretermékek is feldúsulnak, amelyek gátolják a mikroorganizmusok életmű¬ködését. A felszíni szilárd kéreg kialakulása is rontja a reaktor működését, a zsírban gazdag réteg gátolja a rothasztó térben lévő iszap gázképződését és nem vesz részt a mikrobiális lebontásban, pedig pont a zsírszerű anyagokból képződik a legtöbb és a legnagyobb metántartalmú biogáz. (Öllős, 2010). A keverés típusa alapján három eljárást lehet megkülönböztetni mechanikus, hidraulikus és pneumatikus keverést (. táblázat) (www.bower99.de), melyek sematikus vázlatát a 9.10. ábra mutatja be (Kuhn, 1995).

9.5. táblázat. A biogáz üzemekben alkalmazott keverők típusai. Forrás: www.bower99.de nyomán

9.10. Ábra. A biogázüzem keverési módjai (Kuhn, 1995)

A keverési mód típusainak jellemzését, az egyes típusok előnyeit, hátrányait Öllős (2010) írta le részletesen (. táblázat)

9.6. Táblázat. Keverési mód típusai. Forrás: Öllős, 2010

Az USA-ban folytatott vizsgálatok ki¬mutatták, hogy keverés nélküli reaktorban a rothasztótérnek csak 50%-a a biológiailag aktív rész (Öllős, 2010).

A fent említett paramétereket, tehát a biogáz előállítás feltételeit folyamatosan szabályozni kell a biogáz üzemben, mellyel szintén növelhető a gáztermelés hatékonysága. A rendszer irányítástechnikai vezérlése (pl.: hőmérséklet szabályozása, szelepek vezérlése, keverőegység vezérlése), valamint az adatokat gyűjtése (termelődött biogáz mennyiség, minőség, pH) az erre a célra kifejlesztett szoftverekkel történik. A Nyírbátori Regionális Biogáz Üzem mezofil fermentorának vezérlési panelje a . ábrán figyelhető meg.

9.11. Ábra. Mezofil fermentor vezérlési panelje (Nyírbátori Regionális Biogáz Üzem) (Petis, 2005)

A mezőgazdasági biogáz előállítás technológiája egyes szakirodalmak szerint energiafarm koncepcióval tehető gazdaságosabbá. Ez a lehetőség a mezőgazdasági nagyüzemekben jelentkezhet, mint egy új ágazat, mely a többi ágazatra épül, így pl. az állattenyésztés, növénytermesztés melléktermékeire és hulladékaira, melyek költség-hatékony kezelését, ártalmatlanítását oldja meg komplex, egymásra épülő koncepcióval. A felhasznált anyagokból nagyobb értéket képviselő terméket hoz létre (Tóth, 2009). Magyarországon például a Nyírbátori Regionális Biogáz Üzem szolgáltat erre gyakorlatban megvalósult példát.