Ugrás a tartalomhoz

Environmental management

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

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

8. fejezet -

8. fejezet -

10. Biogáz üzemi fermentlé kezelése

10.1.A biogáz alapanyag beszállítási folyamatainak rendszere

Az alábbiakban a Nyírbátorban üzemelő regionális biogáz üzemre kidolgozott precíziós technológiai módszertant mutatjuk be röviden. A mezőgazdasági technológia keretén belül alkalmazható termőhely specifikus elhelyezés célja a „biotrágya” kijuttatási technológiájának kidolgozása, agrár-környezetvédelmi és technológiai határfeltételeinek paraméterezése és bevezetése a mérnökirányítási rendszerbe. Ennek feltétele a GPS technológia alkalmazásának bevezetése a logisztikai rendszerbe, azaz a beszállítandó szerves eredetű hulladékok és a kijuttatandó „biotrágya” nyomon követhetőségének megvalósítása és ezzel az elhelyezés minőségirányítási rendszer bevezethetőségének megteremtése. Ezután üzemi szintű térinformatikai adatbázis megteremtése (térképek digitalizálása, aktualizálása, terepi felmérés, távérzékelés), és térbeli döntéstámogatási - szaktanácsadási rendszer kialakítása.

A beszállítási és kijuttatási folyamatok, mint időben és térben változó folyamatok komplex, számítógéppel támogatott irányítástechnikai fejlesztéseket igényelnek, amely rendszert integrálni kell a biogáz telep logisztikai és technológiai rendszereivel, hogy azok egységes felületen tegyék lehetővé az input anyagoktól a hasznosításig a teljes termék életciklusának a követését. A vizsgálat keretében elkészült flottakövetési és kijuttatási rendszer folyamatábráját mutatjuk be az alábbiakban (10.1. ábra).

10.1. ábra. A biogáz előállítás és fermentlé újrahasznosítás integrált rendszerének folyamatábrája

A logisztikai rendszer felépítése során a Nyírbátori Regionális Biogáz Üzem beszállítóinak adatait adatbázisban dolgoztuk fel. Az üzem tercier biomasszát (állati zsírt, vért is feldolgoz) amely csak a legszigorúbb környezeti előírások mellett szállítható. Fontos követelmény a folyamatos nyomon követhetőség és ellenőrizhetőség. Ennek érdekében meghatároztuk a beszállítói telephelyek koordinátáit, majd ezeket térinformatikai rendszerbe beépítettük. A célállomások és az üzem közötti engedélyezett útvonalakat leválogattuk és egységes hálózatba rendeztük (10.2. ábra).

10.2. ábra. A nyírbátori biogáz üzem beszállítói hálózatának térinformatikai rendszere

Az engedélyezett útvonalakra 20-es puffer távolságot számítottunk. Amennyiben a gépjármű ezt a védőtávolságot engedély nélkül átlépi a rendszer riasztást ad a központi diszpécsernek, ezzel megakadályozható, hogy a veszélyes hulladékot szállító jármű esetleg illegális ürítést végezzen (10.3. ábra).

10.3. ábra. A beszállítási útvonal pufferzónái

Az alkalmazott rendszer teljes ellenőrzési és menedzselési lehetőséget kínál a beszállító járművek és az alkalmazotti utasítások betartása felett. A jogosultságok előre definiált módon oszthatóak ki a rendszerben (10.4. ábra).

10.4. Ábra. A jogosultságok kiosztása az egyes modulok között

A fejlesztés során létrehozott GPS alapú beszállítási követési modell lehetővé teszi a veszélyes hulladéknak minősülő tevékenység során a nem engedélyezett útvonal módosításkor vészjelzés küldését a diszpécser központba. A szállítás folyamatos naplózását és a szállítmány, a vezető egyedi azonosítását szintén elvégzi a rendszer. Működése automatikus, a Biogáz üzem beszállítói körére előre definiált szabályrendszeren alapul. A követési folyamat teljes körű személy és gépjármű azonosítást valósít meg.

Számos olyan műszaki adatot is gyűjthetünk, melyet a rendszerfelügyelet határoz meg az üzembe helyezés során. Többek között megadható a gépjármű alvázszáma, a maximálisan megengedett sebességhatár, a regisztrált fogyasztási norma, a műszaki engedély érvényesség és zöldkártya érvényesség mellett a szállított biomasszára vonatkozó egyedi tulajdonságok (10.5. ábra).

10.5. ábra. A szállítási viszonyokra vonatkozó adatok listája

A Flottakövetési tevékenység illeszthető a már meglévő GIS számítás-technikai rendszerhez. A modulok adatai átadhatóak a vállalatirányítási rendszer számára (pl. munkaidő elszámolási adatok, tankolási adatok, megtett km adatok). A biomassza szállítási időszakra vonatkozóan különböző lekérdezéseket lehet on line vagy off line végezni. A navigációs mezőben megjelenítve időpont óra, perc, másodperc pontossággal mutatja, a rendszer hogy a térképre rajzolt gépjárművek által bejárt útvonalon a jelzett gépjármű abban az időpontban éppen hol tartózkodott. A lekérdezett időszak adatai között időben előre, illetve hátra haladva listázhatunk ki adatokat: Kiválasztható, hogy mely gépjárművek útvonal adatait szeretné az irányító lekérdezni. Felsorolásra kerülnek a lekért időszakra vonatkozóan, a megjelölt gépjárművek által bejárt útvonalak koordinációs pontjai, és a mért tankszint értékek.

10.2. A biogáz eredetű fermentlé elhelyező területének térinformatikai rendszere

A beszállítás után a termelési folyamat optimalizálására végzett mintavételezési és mintaazonosítási folyamatok összekapcsolása a precíziós elhelyezés következő lépése. A beszállító jármű fentiekben leírt egyedi azonosítása a biomassza eredetének egyedi azonosítását is biztosítja. A veszélyes állati eredetű melléktermékek helyben végzett elő feldolgozás és ártalmatlanítás után kerülnek a Biogáz üzembe. A veszélyes hulladékok közzé sorolt anyagokat előbb megfőzik, és csak ezután kerülhet be a biogáz üzembe. A biogáz üzemben a fenti anyagokat összekeverik, homogenizálják. A termofil és a mezofil anaerob erjesztés (fermentáció) során a bevitt anyagokból metángáz és biotrágya keletkezik.

A Nyírbátori Regionális Biogáz Üzemben (Nyírbátor, Árpád út 1.) keletkező biotrágyát Nyírbátor, Nyírvasvári, Terem és Bátorliget határában, a használatában lévő 3000 ha szántó művelési ágú területeken hasznosítják.

Az üzem az 50/2001. (IV.3.) Korm. rendeletben előírt feltételeket betartva a biotrágyát az általa használt 3000 ha szántó művelési ágú területen hasznosítja. A biogáz üzemben a saját mezőgazdasági szerves anyagikat használják fel. Így a következő belső szállítási feladatokkal kell számolni: 7.000 t/év mennyiségű szarvasmarha trágya, 557 t/év mennyiségű baromfi trágya, 5000 t/év mennyiségű növényi hulladék,40.000 t/év mennyiségű vágóhídi szennyvíz, 24500 t/év mennyiségű vágóhídi hulladék,1500 t/év mennyiségű elhullott állati tetem.

Átlagosan összesen 78.557 t/év mennyiségű szerves eredetű anyag kerül be a rendszerbe. A fermentlé precíziós elhelyezhetőségének logikai adatrendszerét az . ábrán mutatjuk be.

10.6. ábra. A kihelyezési rendszer adatkapcsolata

Az adatokat legtöbb esetben az adatintegráció előtt át kellett alakítani. Az alap térképi adatokat georeferáltuk, mozaikoltuk, levágtuk és annotáltuk. Ellenőriztük a vetületi pontosságot (10.7. ábra).

10.7. ábra. Fermentlé elhelyező terület digitális ortofotó és illesztett topográfiai alaptérkép

A táj domborzatára, észak-dél irányú dombvonulatok, szélbarázdák, deflációs mélyedések és deflációs eredetű nagyobb, laposabb felszínek a jellegzetesek. A geológiai folyamatok hatással voltak a talajképződés kialakulására, jelentős talajképződés és humuszosodás következett be. A térképezett terület hidrológiai viszonyai kedvezőtlenek, mivel a felszíni vizek, patakok, folyók a területet nem érintik. Néhány belvízlevezető csatorna található, de ezek a csatornák a nagy része nyári időszakban általában kiszáradnak.

A biotrágya elhelyezésre kijelölt terület leválogatását digitális talajtani állományokból végeztük el azzal a céllal, hogy mintavételi pontosságot a további mintavételezés érdekében javíthassuk. A biotrágya elhelyezésre kijelölt területen az alábbi tulajdonságokkal jellemzett talajtípusok fordulnak elő a leválogatás eredményeként:

A futóhomok talajok azok a homok mechanikai összetételű talajok, amelyeknél talajképződési folyamat bélyegei határozott formában még nem figyelhetők meg. A humuszos homoktalajok esetében a humuszosodás jelei jól láthatóan és mérhetően jelentkeznek. A humuszréteg morfológiailag elkülöníthető, laza szerkezetűek és fejlődésükben a lágyszárú növényzet játszotta a főszerepet. Az agyagbemosódásos barna erdőtalajokra jellemző, hogy a kilúgzás és az agyagosodás folyamatait az agyagos részek vándorlása és a közepes mértékű savanyosodás kíséri. A kovárványos barna erdőtalajok talajképződésükben a humuszosodás, kilúgzás, agyagvándorlás és savanyodás folyamatához az úgynevezett kovárványképződés társul és válik jellemzővé. A csernozjom barna erdőtalajokra jellemző, hogy szelvényükben egyidejűleg két talajképződési folyamat hatása figyelhető meg, egyik a kilúgzás és a vasas agyagosodás (erdőtalaj képződés bélyege), a másik az erőteljes humuszosodás (csernozjom képződés bélyege). A réti talajok a nedvességbőség körülményei között alakultak ki közeli talajvíz és gyakori felszíni vízborítás hatására, valamint a réti növényzet játszotta a döntő szerepet. Humuszban, tápanyagban gazdagabbak, többnyire szénsavas meszet már a felszíntől tartalmaznak. Mivel nagy méretarányú digitális talajtérkép nem állt rendelkezésre ezért a meglevő analóg térképekből és saját terepi elsődleges adatgyűjtésből mintavételezés, szelvényezés útján kellet ezeket előállítani. Az attributív adattáblában a humusztartalom, feltárási rétegvastagságok, talajfizikai féleség, talajgenetikai leírás, növénytermesztési alkalmassági jellemzők, és tartós elöntések kerültek feltöltésre. Az ilyen módon előállított vektoros GIS állomány különböző SQL lekérdezések alapján válogatja le talajtani információkat (10.8. ábra).

10.8. ábra. A fermentlé elhelyező terület vektoros térképe és a vizsgálati terület légifelvétele

Talajfizikailag ezek könnyű és nehézagyag talajok, amelyekben az illit a domináns agyagásvány, amely alluviális üledéken jött létre. A gyenge víznyelésű talajok felszínén pangó vizes területek alakulnak ki. A legmélyebb területeken állandó vízborítás van amely nem alkalmas elhelyezésre. A talajfelszín maximális és minimális vízkapacitása meglehetősen heterogén térbeli eloszlású volt. A fermentlé kijuttatásakor ügyelni kell, hogy a tápanyag ne mosódhasson a mélybe így fontos annak vízgazdálkodási tulajdonságait részletesen megismerni. A talajok az elhelyező területen kicsi-közepes szántóföldi vízkapacitással, 170-250 mm/100 cm körüli, illetve közepes-igen nagy 110-180 mm/100 cm körüli felvehető vízkészlettel rendelkeznek. A vizsgált területünk vízgazdálkodási tulajdonságai alapján igen nagy víznyelésű és vízvezető képességű, gyenge vízraktározó képességű, gyengén víztartó, kis vízkapacitású homokos vályog, és vályog talajokra jellemző közepes víznyelésű és vízvezető képességű, közepes vízraktározó képességű, közepes-kis vízkapacitással rendelkező talajok dominálnak (10.9. ábra).

10.9. ábra. Elhelyező terület talaj vízgazdálkodási információs rendszere

A talajfizikai paraméterek mellett a biofermentlevet felhasználó tápanyag gazdálkodási rendszernek a terület agrokémiai tulajdonságait is figyelembe kell venni. A területről elkészített az agrokémiai mintavételezési adatokat is integráltuk az adatbázisba ezzel egy igen részletes talajinformációs alrendszert állítottunk elő, amely a precíziós elhelyezési üzemeltetés fontos alapinformációja (10.10. ábra).

10.10. ábra. A talajfizikai és talajkémiai feltárások digitális térképe

Az elhelyezés előtt ilyen módon már kijelölhető volt a kiegészítő minták helyei. A mintákat akkreditált laborban kell bevigázsgáltatni. Egy vizsgálati lapot mutat be az alábbi (10.11. ábra).

10.11. Ábra. A fermentlé elhelyezése előtt alkalmazott talajkémiai vizsgálati módszerek

Az eredményeket beépítettük a GIS adatbázisba így az eredményeket kartogramokba vagy speciális riportokba rendezhetjük (. ábrák).

10.12. Ábra. A vizsgálati terület makroelem tartalmának megoszlása

10.13. ábra. A vizsgálati terület mikroelem ellátottsági értékei

A vizsgálati területre a kutatás megkezdése előtt nem állt rendelkezésre digitális domborzati információ, amely az esetleges káros összefolyások kockázatát segített kiszűrni. Az alapadatokat a topográfiai alaptérképekről, mint másodlagos adatforrásokból elkészített a szintvonalak digitalizálása szolgáltatta (10.14. ábra).

10.14. ábra. Az elhelyező terület domborzati szintvonalai

A vizsgálati területen a szintvonalak alapján korrekt interpolátort alkalmaztuk a felszín elkészítéséhez (10.15. ábra).

10.15. ábra. A vizsgálati területre elkészített digitális domborzati modell

Csapadékos időjárás esetén elképzelhető volt, hogy a talajvíz a főként a réti és az agyagbemosódásos barna erdőtalajok esetében a felszín közelében helyezkedik el, ezért a biotrágya elhelyezésnél figyelmet kell fordítani a talajvíz mélységbeli elhelyezkedésére. A talaj kapillaritásának figyelembe vételével egyméteres biztonsági zóna megtartása szükséges a talajvíz és a biotrágya között.

A Vízi Keretirányelv vízvédelmi előírásait is figyelembe véve a vizsgálati terület északi része erősen módosított víztest, míg a nagyobb része a nem erősen módosított Pilis-Piricsei vízfolyás vízgyűjtőjén fekszik (táblázat).

10.1. táblázat. Az elhelyező terület által érintett felszíni és felszín alatti víztestek

A vizsgálati terület éghajlatára a mérsékelten száraz, hideg telű éghajlati sajátosságok a jellemzők. A területre vonatkozó adatokból megállapítható, hogy az átlagok kedvezőek, csak az átlagtól sokszor lényeges eltérések is mutatkoznak, pl. a kora őszi fagyok, vagy a csapadék-kiesés

A vizsgálati terület mesterséges létesítményinek GIS felmérése során 5690 pontra mérést végeztünk. A részletes állományt szintén integráltuk az egységes GIS környezetbe (10.16. ábra).

10.16. Ábra. A Biogáz üzem és a fermentlé öntözés környező hidránsai GIS környezetben

10.3. A fermentlé kiszállítása - hasznosítása

A fermentlé folyamatos mintázáson és belső laborvizsgálaton megy keresztül, majd azokon termő területeken hasznosítják ahol az előzetes terepi vizsgálatok erre lehetőséget adnak. A hígtrágyát kijuttatni azonban csak az év egy bizonyos szakaszában lehetséges, így szükség volt a 60 000 m3 (6x 10000 m3) befogadóképességű ideiglenes tározótér kiépítésére.

A tényleges kijuttatás alapja a GIS rendszerben előkészített területi adatállomány.

A kihelyezésnek két alternatív technológiája van a rendelkezésre álló területen:

  1. A csőhálózaton végzett szállítás és csévélhető dobos vízágyús kijuttatás

  2. A tengelyen végzett kiszállítás és kanalas – injektálásos, azaz felszíni-felszínalatti terítés.

A csőhálózaton végzett kijuttatás előnye a folyamatos üzem biztosítása puffer tározók beépítésével, kisebb energiaköltség és a teljes automatizálás. Hátránya, hogy a kijuttatási terület a kötött csőhálózat következtében nem módosítható, így a területi terhelés itt nagyobb lehet. A tengelyen végzett szállítási energia költsége nagyobb, a területi adottságok precíziós kihasználási lehetősége szintén jobb. A Nyírbátorban megépült biogáz üzem esetében a kiépített döntéstámogatási rendszer keretében a két technológiát kombinálni lehet.

Mindkét technológia alkalmazásához elkészült a precíziós, a táblákon belüli vezérlés térképi alap adatrendszer. A döntéstámogatás során az alapadatok folyamatosan optimalizálhatók az aktuális tápanyag és vízellátottság valamint vetésterv függvényében.

Az öntözéses kijuttatás során a dob behúzási sebessége, az elsődleges vezérlési lehetőség. Kisebb finomításra van lehetősége a fúvóka méret és nyomáskorrekció segítségével (10.17. ábra).

10.17. ábra. A csévélődobos öntözőberendezés programozása a vizsgálati területen

A gyakorlatban alkalmazott fermentlé öntözés esetén a BAUER Rainstar T61 típus üzemeltetési paraméterei a következőek: 40 mm-es fúvóka méret, 180°-os öntözési szektor, 31 M3/h vízigény, 6.2 bar nyomás, 12 mm/nap öntözési norma, 4 napos öntözési forduló.

A szomszédos sávok határán a keresztirányú egyenetlenségi tényező kisebb, mint 80%. A csévélhető tömlős öntözőberendezésekkel szabálytalan alakú táblák is öntözhetők, bár inkább szabályos alakú táblán célszerű a berendezést használni. Az aktuálisan kijuttatható mennyiséget a célnövény NPK és mikroelem igénye, a fermentlé napi mennyisége és aktuális összetétele, a fermentlé tárolási és kijuttatási vesztesége valamint a talaj tápanyag hasznosulási tényezője határozza meg.

A dózis értékét alapvetően a nitrogén tartalom limitálja az alábbiak szerint:

D= számított fermentlé terhelés (mm)
Pn= a növény tervezett termésátlagának (t/ha) szükséges N hatóanyag (kg/ha)
O = fermenté nitrogén tartalma (kg/m3)
L= tárolási veszteség (kg/m3)
W= tápanyag hasznosulási tényező (N-re 0.5-0.7)

A kijuttatandó vízmennyiség az alábbiak szerint számolható, amennyiben felszíni és felszín alatti le és odafolyással nem számolunk:

O= P-C+ ΔT
C= csapadék
O= fermentlé+esetleges hígító víz
P= evapotranspiráció

Az öntözés tervezés során a hígító vízzel együtt kijuttatott vízmennyiség adott öntözési cellában sem haladhatja meg a Diszponibilis vízkészlet 80%-át. Az alkalmazható idénynormák 20-60 mm között vannak. Az öntözés vezérlése hidránsokra egyedileg megtervezett rend szerint folyhat (10.18. ábra).

10.18. ábra. A 018 hrsz-ú tábla raszterhálós fermentlé öntözési térképe

A másik kijuttatási forma a kanalas (injektálásos) terítés során az előre megtervezett digitális térképi adatokat John Deer Green Star valamint Trimble FM munkakomputerek segítségével teszteltük. A zárt irányítási rendszereken a hulladék keletkezésétől a feldolgozáson keresztül a kijuttatásig követhetővé és tesztelhetővé válik a biofermentlé életciklusa.

10.19. ábra. Kanalas és injektálásos fermentlé terítés tarlóhántás előtt és után

Az alkalmazott TRIMBLE Zephir DGPS alkalmas RTK korrekcióra, míg a beállítási felület lehetővé teszi a precíziós sorvezérlést Omnistar korrekcióval cm-es pontosság mellett. A Green Star 220 munka komputere TeeJet átfolyás szabályzóval szinkronizálva mágnes szelepes vezérlés mellett, egyedileg is szabályozhatóvá teszi az injektáló tagokhoz jutó fermentlé mennyiségét (.ábrák).

10.20. ábra. Greenstar 220-as munka komputer elhelyezése és a vezérlőn látható 0.1 m-es x-y pontosságú vektor követése

A precíziós rendszer megkívánja az adott injektor munkagép paramétereinek beállítását a külső GPS antennához viszonyítva, ugyanakkor folyamatosan követhető és később visszaellenőrizhető a munka pontossága (ábrák).

10.21. Ábra. John Deere Greenstar fedélzeti komputerén a fermentlé injektálás műszaki beállítási adatainak bevitele

10.22. Ábra. StarFire ITC GPS külső antenna és az aktuális műholdak pontossági értékei

A precíziós kijuttatáshoz a környezeti előírásokat meghatározó digitális térképek szükségesek, amely a vezérlés alapkoordinátáit szolgáltatják. Az egységes térinformatikai rendszer lehetővé teszi, hogy platform függetlenül adhassunk meg vezérlési utasításokat (térképi információkat) asztali számítógépen, terepi tenyérgépen és a munkagép munkakomputerén egyaránt. Az alábbi .ábrán ArcPAD 9 környezetben tenyérgépen látható a vizsgálati tábla légi felvétele, a felmért hidránsok és csatornák helyzete, valamint a talajminta vételi pontok is.

10.23. ábra. PDA-an futó ArcPAD GIS állomány a folyamatos aktualizálás hatékony eszköze

Ez lehetővé teszi a későbbiekben nem csak a mintavételi helyre végzett navigálást, hanem kihelyezés során valamennyi terepi adat aktualizálását is ugyanabban a környezetben (10.24. ábra).

10.24. ábra. Aktualizált terepi akadályok, vizes és gyomfoltok elhelyezkedése a terepi GIS állományok között

Az elhelyező területen számos korlátozó tényezőt kellett a logikai rendszerbe beépíteni elsősorban a talaj és vízvédelmi szempontok alapján (10.25. ábra).

10.25. ábra. Talajtani, kataszteri, hidrológiai információk együttese ArcPAD terepi GIS környezetben