Az 1930-as években folytak az első kísérletek szerves hulladékok biológiai átalakítására éghető gázokká. Mára a biogáztermelés világszerte elterjedt: a kis méretű, egyszerű háztartási készülékektől a nagyipari léptékű, összetett berendezésekig széles technológiai választék jött létre.
A kierjedt biogáz-fermentlé humuszosítható szerves szenet és mezőgazdaságilag fontos növényi tápanyagokat tartalmaz. Ezek szántóföldi felhasználása azonban korlátozott: részben környezetjogi, részben agronómiai, részben gazdaságossági korlátokba ütközik. Ugyanezek a lehetőségek és akadályok vonatkoznak a nagyüzemi állattartó telepeken keletkező hígtrágya mezőgazdasági felhasználására is. Vizsgálatunk tárgya e magas szervesanyag-tartalmú szennyvizek stabilizálása olyan eljárásokkal, melyek kinyerik a bennük rendelkezésre álló, mezőgazdaságilag fontos tápanyagokat úgy, hogy a tisztított elfolyó összetétele teljesítse a környezetvédelmi kibocsátási határértékeket.
A FAOSTAT és az EUSTAT adatai szerint 2015. év során az Európai Unió mezőgazdasága 11 350 000 tonna nitrogén, 2 663 000 tonna P2O5, valamint 2 972 000 tonna K2O műtrágya hatóanyagot használt fel [1], [2]. Ugyanebben az időszakban 17 400 biogáz üzemben összesen 18 milliárd m3 metánt termelt meg, mintegy 44 millió tonna szárazanyag-tartalmú kierjedt fermentlé kibocsátása mellett [3]. Ez átlagos összetétellel becsülve mintegy 1,85 millió tonna N, 0,7 millió tonna P2O5 és 0,38 millió tonna K2O hatóanyagot tartalmazott. Az EU mezőgazdasága a 2015-ben csak az ipari és mezőgazdasági biogázüzemek elfolyóinak felhasználásával 17 százalék vegyes NPK műtrágya hatóanyagot takaríthatott volna meg. És ez a mennyiség a szennyvíztelepi iszaprothasztók adatait még nem is tartalmazza!
Még fontosabb, hogy ennyi elfolyó víz mintegy 22 millió tonna szenet tartalmaz szerves kötésben. Ennek átlagosan 15 százaléka már az elfolyóban stabil szerves anyagként van jelen. A biológiailag bontható rész további, mintegy 25-30 százaléka humuszosodik egy éven belül természetes körülmények között, vagy komposztálással néhány hónap alatt. Hogy érzékeljük ennek rendkívüli jelentőségét: e több, mint 8 millió tonna stabil szerves szénnel Magyarország teljes mezőgazdasági termőterületén majdnem 3 százaléknyi, iparszerű gazdálkodás miatt elveszített humusztartalmat lehetne pótolni.
Az anaerob elfolyók közvetlen mezőgazdasági hasznosítása azonban rendkívül korlátozott részben jogszabályi előírások (EU nitrát-direktíva, Natura 2000-es területekre vonatkozó előírások, környezetvédelmi törvényi határértékek), részben agrárszakmai szempontok miatt (például kiöntözéskor átmenetileg reduktív környezet jön létre a gyökérzónában, ami a talaj-ökoszisztémát visszaveti).
Kutatásunk során olyan aerob stabilizációs módszereket vizsgálunk, amelyek a maradék elfolyóra vonatkozó környezetvédelmi határértékek teljesítése mellett hasznosítható formában kinyerik az elfolyókban rendelkezésre álló, mezőgazdaságilag fontos anyagokat.
Mi folyik itt?
Az anaerob elfolyók alapesete a biogáztermelésből visszamaradó kierjedt fermentlé, amiből világszerte naponta több millió köbméternyi keletkezik. A biogáz-elfolyó az Európai Unióban kockázatos anyagnak minősül, kihelyezésére hazánkban is szigorú jogszabályi előírások vonatkoznak. Minden egyes ipari tétel kijuttatása külön engedélyköteles, az engedély alapfeltétele pedig az összetételt igazoló laboratóriumi analízis. A hatóságok azonban ezeket az adatokat bizalmasan kezelik. Így – a létező információ-mennyiséghez képest – viszonylag kevés a valós technológiából származó, ugyanakkor szabadon hozzáférhető analízis-eredmény. Az 1. táblázat néhány jellegzetes biogáz elfolyó összetételét mutatja be a szakirodalom alapján, szarvasmarhatelepi hígtrágyával összevetve.
A biogáz-elfolyó instabilitását magas nitrogén-, foszfor- és szerves széntartalma okozza. A mért adatok hiányosak, és alapanyagtól-technológiától függően erősen szórnak [7], [8], [9]. De így is világosan mutatják, hogy ezek a szennyvizek enyhén lúgosak, bár magas a szerves széntartalmuk, de a nitrogén és foszfor koncentrációhoz viszonyítva – az élettani igényekhez képest – relatíve szénhiányosak, továbbá az is látszik, hogy a nitrogén-tartalom döntően NH4-N formájában van jelen.
Emiatt kétszeres kockázatot jelentenek. Egyrészt kórokozó mikroorganizmusok szaporodhatnak fel bennük, másrészt nagy mennyiségben élővízbe kerülve eutrofizációt okozhatnak. Ilyen összetételű folyadékot ökoszisztémába kibocsátani nem lehet, minden összetevő messze meghaladja a környezetvédelmi határértéket. Egyértelműnek látszik tehát, hogy a mezőgazdaságban érdemes felhasználni, ha egyszer ott szükség van rájuk, másutt meg szennyeznek. Szántóföldi kijuttatásuk azonban a nitrát-direktíva és a vízbázisvédelem hatálya alá esik, egyéb jogszabályok még tovább is korlátozzák. Az agrárszakma oldaláról pedig talajökológiai, növényfiziológiai, agronómiai és üzemszervezési akadályok sorakoznak. A valóságban helyszíntől, növénykultúrától és évjárattól függően évente 2, legfeljebb 3 hónap áll nyitva szántóföldi kijuttatásra. Ennyi idő az egész évi mennyiségre édeskevés. Paradox módon éghajlati viszonyaink között az elvileg szükséges és fontos alapanyag teljes mennyiségének mezőgazdasági felhasználása több kárt okozna, mint amennyi hasznot hajt.
Ha kibocsátani tilos, elhelyezni pedig körülményes e magas szervesanyag-tartalmú szennyvizeket, akkor mégis, mit lehet tenni?
Stabilizálás
A kérdéses folyadékok elvileg bevett szennyvíztisztítási technológiákkal is stabilizálhatók. Így a környezetterhelő nitrogéntartalmat semleges nitrogéngáz, a szerves széntartalmat pedig szén-dioxid formájában a légkörbe lehet juttatni, a foszfortartalmat pedig oldhatatlan vegyületként kicsapni. Ez környezetvédelmi szempontból korrekt. Ám utána ugyanezeket a költség- és energiaráfordítással kivont anyagokat szintén költség- és energiaigényes műtrágyagyárakban a mezőgazdaság számára újra kell szintetizálni. A gyakorlatban tehát a szennyvíztisztítási módszerek alkalmazása a vízszennyezés egy részét nem elhárítja, hanem légszennyezéssé konvertálja – jelentős kiadások árán.
A kutatások másik hányada átfogó, hosszú távú megoldások, a tápanyag-hasznosítás irányába mutat. Ezek közül kiemelendő az ammónium-, illetve foszfát-ionok közös sóinak (NH4MgPO4 – struvit, illetve NH4H2PO4 – MAP) kikristályosítása, a tápanyagok koncentrálása bio-elektrokémiai rendszerekkel [10], [11], valamint a szerves szén és NPK-tartalom megkötése élő, vagy elhalt biomasszában, majd stabil szerves makromolekulákban – légköri szén-dioxid egyidejű fotoszintézise mellett. Erre kiváló példa a világszerte terjedő, bár hazánkban még ritkán alkalmazott gyökérzónás tisztítás [12].
Az új eljárások hiányossága azonban, hogy a makro-tápanyagok ásványi kristályba kötése nem kezeli a szubsztrát széntartalmát; továbbá a foszfortartalomnak olyan csekély hányada van csak jelen oldott PO4-P formájában, hogy sztöchiometriailag nagyon kevés NH4-N megkötésére ad lehetőséget [7]; ezen kívül a folyamat olyan magas pH mellett zajlik hatékonyan, ami mind az eredeti elfolyó pH-ját, mind a kibocsátási határértéket meghaladja. Ezen kívül fontos probléma az is, hogy a tápanyagtartalom biomasszába kötése csak utókezelés (például humifikálás komposztálás útján) nyomán eredményez stabil végterméket.
E hiányosságok miatt a Pannon Egyetem Bio-, Környezet- és Vegyészmérnöki Kutató-Fejlesztő Központjában végzett kísérletünkben a bioszűrés alkalmazhatóságát vizsgáltuk.
Segít a trágya
Tudatosan érlelt almos trágyát (a komposzt legrégebb óta ismert válfaját) már az ókorban is dokumentáltan használtak talajerőpótlásra. Egyéb biológiailag bontható szerves anyagok komposztálása nagyüzemi gazdálkodásban azonban csak az 1970-es évek óta terjed. A szakterület dinamikusan fejlődik, ma a komposztálás már a szilárd hulladékok aerob stabilizálásának is kiforrott módszere.
Kísérletünkben a komposztálás felfogható úgy is, mint az augmentált biofilter szélsőséges változata, ahol maga a töltőanyag is részben elbomlik, kiegészítő szénforrást biztosítva. Részben viszont kiegészül a szubsztrátból nyert szervetlen, illetve inert szervesanyag-tartalommal, továbbá a biokonverzió folyamatában képződött stabil szerves vegyületekkel is. Olyan kiindulási anyagokat választottunk, amelyek napjainkban széles körben okoznak problémát, ezért stabilizációjuk – társadalmi szinten – nagy hozzáadott értéket képvisel. Méréseink alapján az első kísérlet szubsztrátja kiinduláskor az alábbi értékekkel jellemezhető: KOI: 21.856 mg/l; pH: 7,47; EC: 10,07 mS/cm; DO: 0,02 mg/l; TN: 2.100 mg/l; TP: 632,69 mg P/l.
Természetes talajképződés, és a komposztálás során a humusz előanyagok szerves polimerekkel, illetve ioncserélő ásványi polimerekkel is képeznek komplexet. Ennek mintájára a bioszűrő töltőanyaga lehet akár ioncserélő szervetlen, akár szerves mátrix, vagy a kettő kombinációja. A töltőanyag kiválasztásának döntő szempontja tehát a mátrix fizikai tulajdonságai, a víz- és gázáteresztő képessége, a vízkapacitás, pórustérfogat, vagy fajlagos felület.
A fenti tulajdonságok miatt szerves töltőanyagként széles körben használnak érett komposztot [13]. Ennek előnye, hogy eleve tartalmazza a humuszképzésért felelős mikrobiális konzorciumot, nem szükséges külön beoltani. Szervetlen töltőanyagként perspektivikus az ásványgyapot, mely ugyan beoltásra szorul, vízháztartása viszont a komposzténál is jobb [14]. Mechanikailag is kedvezőbb, mivel térhálós szerkezetét víztelített állapotban is hosszú ideig megőrzi. Az előnyök ötvözése érdekében a kísérletben kombinált töltőanyagot használunk, amely ásványgyapot és komposzt 50-50 tömegszázalékos keveréke.
Hőmérséklet és időtartam
A komposztálás első termofil szakaszát jelen kísérletben elhagytuk, mert annak fő feladatát, a szerves polimerek hidrolízisét az anaerob előkezelés már elvégezte. A komposztálási folyamat humuszképző szakasza mezofil tartományban zajlik, melynek során a hőmérséklet kb. 40 °C-ról nagyjából egy hónap alatt fokozatosan 20 °C-ra hűl le. Ennek átlagát alapul véve, a bioszűrést 30 °C-on végeztük.
Nemzetközi szakirodalmi adatok szerint [8] 40 °C-on végzett respirometriás mérések során a biogáz elfolyók a biológiailag bontható szervesanyag-tartalmának több, mint 90 százaléka 8,5 nap alatt felhasználódott. Bioszűrési kísérletünk a humusz prekurzorok épülése érdekében ennél alacsonyabb hőmérsékleten zajlott, ezért hosszabb ideig, 9 helyett 14 napig folytattuk.
A bioszűrő az 1. ábrán látható 1 liter hasznos térfogatú, töltött aerob reaktor. Batch üzemmódban működtettük úgy, hogy az elfolyót a bioszűrő anyagán át keringettük, ellenáramban levegőztetve. A cirkuláló folyadékáramot úgy állítottuk be, hogy a töltőanyag folyamatosan vízkapacitásig telített legyen. Ez a tapasztalatok szerint 1,6 l/h folyadékárammal teljesült. A humusz prekurzorok építése aerob, ám nem oxigéntelített közegben zajlik. Túl sok oxigén jelenlétében a humuszosítható széntartalom szükségtelenül nagy részét veszítenénk el CO2-ként, ami ellenkezik a kísérlet céljával. Ezért a levegőztetést úgy kellett beállítani, hogy a víztelített töltőanyagot éppen csak átjárja, térfogatárama 70l/h alatt maradjon.
A kísérlet során, az adott töltőanyaggal és szubsztráttal ez az érték10 l/h levegő térfogatáramra adódott.
A mikrobiális üzemanyagcellákban (MÜC) termelt áram erőssége (állandó külső ellenálláson tehát a kapocsfeszültség is) egyenesen arányos a szubsztrát biokémiai oxigénigényével (BOI), ami viszont a stabilitást jelzi. Ezt kihasználva a MÜC bioszenzorként használható a BOI valós idejű nyomonkövetésére, válaszideje a MÜC kialakításától függően néhány perctől néhány óráig terjed.
A reaktorban ioncserélő réteggel lehatárolt anódteret létrehozva, a két elektród megfelelő elhelyezésével alakítottunk ki mikrobiális üzemanyagcellát erre a célra. Polarizációt követően az elektródákat 500 Ohm külső ellenállással kötöttük össze.
A 2. táblázat a bioszűrési kísérlet mérési eredményeit veti össze a vonatkozó határértékekkel, külön gyűjtve a kezelt szennyvízben, valamint a biofilter töltőanyagában bekövetkezett változásokat.
Látható, hogy a kibocsátási határértéket az oldott oxigén-koncentrációt és az elektromos vezetőképességet leszámítva minden vizsgált paraméter tekintetében sikerült elérni, és e kettőben is megközelíteni. A kezelt szennyvíz vezetőképessége és szárazanyag-tartalma a kísérleti időszak utolsó napjaiban enyhe növekedésnek indult. Ebből arra lehet következtetni, hogy ekkorra megkezdődött a töltőanyag szerves molekuláinak részleges lebomlása is, melynek során köztes anyagcsere-termékek oldódtak vissza. Ezt támasztja alá az is, hogy a töltőanyag száraz tömege ugyan a várakozásoknak megfelelően megnőtt, azon belül a szerves anyagtartalom azonban csökkent. Ez alapján a kezelés optimális időtartama rövidebb lehet a kísérletben alkalmazott 14 napnál.
SZELÉNYI GÁBOR ZOLTÁN
A cikk a TIT-DOSZ közös cikkpályázatára érkezett.
A kutatómunkát a GINOP-2.3.2-15-2016-00016 nyilvántartási számú, „Vízbázis-védelem, moduláris, mobil vízkezelő rendszerek és szennyvízkezelő technológiák fejlesztése a Pannon Egyetem bázisán, hazánk dinamikus export növekedésének elősegítése érdekében” című projekt támogatja.
IRODALOM
[1] FAO, 2015. http://www.fao.org/faostat/en/#data/RFN
[2] EBA Statistical Report, 2017. https://www.europeanbiogas.eu/ eba-statistical-report-2017-published-soon
[3] EurObserv’ER Renewable Energy Sector barometers, 2017. https:// www.eurobserv-er.org/biogas-barometer- 2017
[4] Insam et al.: „Manure-based biogas fermentation residues – Friend or foe of soil fertility?” Soil Biology & Biochemistry, 2015
[5] Comino et al.: „Constructed wetland treatment of agricultural effluent from an anaerobic digester”, Ecological Engineering, 2013
[6] Kadam et al.: „Filtration of biogas spent slurry and it’s chemical analysis”, International Journal of Chemical Studies, Új-Delhi, 2018
[7] Thury: „Az anaerob iszaprothasztás után keletkező iszapvíz minősége, és annak hatása a tisztítás főágára” doktori disszertáció, Pannon Egyetem Környezetmérnöki Intézet, 2009
[8] Maynaud et al.: „Characterisation of the biodegradability of post-treated digestates via the chemical accessibility and complexity of organic matter”, Bioresource Technology, 2017
[9] Akhiar: „Caractérisation de la fraction liquide des digestats issus de la codigestion de résidus solides”, doktori disszertáció, INRA Narbonne, 2017
[10] Chen et al.: „Novel self-driven nutrient recovery cell with simultaneous wastesater purification” Scientific Reports 5, 15744, 2015
[11] Nancharaiah et al.: „Recent advances in nutrient removal and recovery in biological and bioelectrochemical systems”, Bioresource Technology, 2016
[12] Avellan et al.: „Constructed wetlands for resource recovery in developing countries”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018
[13] Yakar et al.: „Impacts of various filtration media on wastewater treatment and bioelectric production in up-flow constructed wetland combined with microbial fuel cell (UCW-MFC)”, Ecological Engineering, 2018
[14] Renman et al.: „Transformation and removal of nitrogen in reactive bed filter materials designed for on-site wastewater treatment”, Ecological Engineering, 2008
A KEHOP-3.1.5-21-2021-00003. sz. projektet
támogatta Magyarország Kormánya
és az Európai Unió.
