HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA

Átírás

1 HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA Biodegradálható műanyag ételhulladékból Tárgyszavak: biodegradáció; műanyag; ételhulladék; SBR; PHA. Jó lehetőség az ételhulladék hasznosítására A műanyagok sok tekintetben átalakították, könnyebbé tették életünket, ugyanakkor azonban biológiailag nem lebontható szerkezetük miatt sok környezetvédelmi gondot is okoztak. Bizonyos alkalmazásokban megfelelő megoldást jelentetnének a biológiailag lebontható polimerek, pl. a poli(hidroxi-alkanoátok) (PHA), amelyek sok tekintetben emlékeztetnek a műanyagokra, de eddig magas áruk miatt csak néhány speciális területen sikerült bevezetni őket. Ismeretes, hogy a PHA vegyületek egyes baktériumok raktározó vegyületei, amelyek akkor képződnek, ha a környezetükben kevés az oxigén, a kén és a foszfát, valamint a kálium, de bőségesen áll rendelkezésre szénforrás. Egyes szennyvízkezelő egységekben kimutatták pl. 3HB (3-hidroxi-butirát) és 3HV (3-hidroxi-valerát) polimerjeinek jelenlétét. A természetben képződő PHA vegyületek főként PHB- (poli(hidroxi-butirát)) és PHV-tartalmúak (poli(hidroxi-valerát)), bár kisebb mennyiségben egyéb komonomerek is előfordulnak. Ha PHB van túlsúlyban, a polimer kristályosabb, merevebb és ridegebb, ha a PHV, akkor lágyabb és rugalmasabb. Az, hogy melyik típus képződik inkább, bizonyos mértékig függ a jelenlévő szénforrás összetételétől is. Általában azt figyelték meg, hogy páros tagszámú szénforrások jelenlétében inkább PHB, páratlan esetében inkább PHV képződik. Dél-Koreában naponta kb tonna szilárd települési hulladék képződik, amelynek összegyűjtéséhez 42 tonna műanyag zsákot használnak. Mivel a polietilén zsák nem degradálódik, megakadályozhatja a benne levő hulladék megfelelő lebomlását is. Ezért a hulladékgyűjtő zsákokat gyakran 30% keményítő és 70% PE felhasználásával készítik. A hulladékáram kb. 26,5%-a ételhulladék, ami napi tonnát jelent. Az ételhulladék víztartalma általában 75 85% és 67 70%-ban biodegradál-

2 ható. Mivel az ételhulladék bomlása során bűzt áraszt, egyre erősebb az igény elkülönült begyűjtésére és hasznosítására deponálás vagy égetés helyett. Ha a fermentált ételhulladékot fel lehetne használni PHA termelésére, két előnyhöz juthatnánk egyszerre: hasznosulna a hulladék egy része, és a keletkező, biológiailag degradálható polimert fel lehetne használni a hulladékgyűjtő zsákok gyártására. Kísérleti anyagok és módszerek A beoltáshoz használt mikrobákat a városi szennyvízfeldolgozóból nyerték, amely a biológiailag hasznosítható tápanyagok eltávolítására szolgál. A mikrobákat egy laboratóriumi, szekvenciálisan szakaszos reaktorba (SBR) vitték át, amelyet olyan tápláltak, amely nátrium-acetátot, nátrium-propionátot, peptont, élesztőextraktumot és ásványi anyagokat tartalmazott (a táptalajok egyéb jellemzőit az 1. táblázat mutatja). Az akklimatizáció után a reaktorokban (az 1. és 2. ábra szerint) kialakították a limitált oxigén és N/P viszonyokat. A fermentált ételhulladékot tartalmazó reaktorban csak a foszforbevitelt korlátozták. A vizsgálatok 20 C-on folytak. Hét reaktorban különböző AN (anaerob), MAA (mikro-aerofil) és AE (aerob) ciklusokat állítottak be. Egy ciklus 6 órás volt (tehát naponta 4 ciklusra került sor), amelyből 30 perc anyagbeáramlás volt, 90 percig tartott az AN vagy az MAA szakasz, 150 percig az AE szakasz, majd 80 perc jutott az ülepítésre és 10 perc a kivonásra. 1. táblázat Az SBR reaktorban alkalmazott és fermentált hulladék táptalaj jellemzői (a ph kivételével mg/l egységben) Komponens Koncentráció fermentált ph 7,2 6,3 Alkalikus jelleg (CaCO 3 ) Illékony zsírsav (VFA) Teljes kémiai oxigénigény (TCOD) Oldható kémiai oxigénigény (SCOD) 679 Teljes szuszpendált szilárd anyag (TSS) 80 Illékony szuszpendált szilárd anyag (VSS) 57 Oldható foszfát (SP) 12,3 1,05 Ammónium-nitrogén (NH 4 -N) 28,8 19

3 AN/AE BNR iszap + tápanyag MAA/AE akklimatizációs periódus (10-15 nap) N-, P- vagy N+P-megvonás P-megvonás fermentált hulladék N-, P- megvonás P-megvonás fermentált hulladék PHA termelési periódus 1. ábra A szekvenciálisan szakaszos reaktor (SBR) működtetési körülményei a PHA-termelés (poli(hidroxi-alkanoát)) során. (A BNR rövidítés jelentése: biológiailag hasznosítható tápanyagok eltávolítására szolgáló szennyvíztisztítási módszer. A többi rövidítés jelentését ld. a szövegben.) Az SBR reaktor térfogata 4 l volt, a hidraulikus retenciós idő 12 óra, a számított szilárd anyag retenciós idő (SRT) 2 és 12 nap között változott. A levegőbevitel a bevitt kémiai oxigénigénynek (COD) mindössze 0,33%-a volt. Az akklimatizáció során tápanyagot juttattak be napig, majd ezután adták hozzá a fermentált élelmiszerhulladékot. Az élelmiszerhulladék fermentációjára használt eljárást a 3. ábra mutatja. A szerves és a szilárd anyag betáplálási árama 9,7 kg COD/m 3 /nap, ill. 6,1 kg illékony szuszpendált szerves anyag (VSS)/m 3 /nap volt. A megőrölt élelmiszer-hulladékot még mielőtt a fermentálóba jutott volna 1:1 arányban szennyvízzel hígították. A fermentáló végtermékét csapvízzel hatvanszorosra hígították és úgy juttatták be az SBR reaktorokba. (Az 1. táblázat az így létrejött, hígított fermentált lé adatait mutatja). Az illékony zsírsavakat gázkromatográfiásan analizálták, illetve mérték a létrejött polimer mennyiségét és összetételét is. PHA-termelés és fermentált ételhulladékkal A PHA-termelést táptalaj esetében AN/AE és MAA/AE ciklusokkal is megpróbálták három különböző megvonási körülmény mel-

4 betáplálás (30 perc) beállás/kivonás (10 perc) SBR AN/MAA (90 perc) ülepítés (80 perc) AE (150 perc) tápanyag a) ciklusidő SBR a mikrobák előkészítése és betáplálása (COD mg/l) akklimatizációs periódus (valószínűleg helyettesíthető fermentált ételhulladékkal) SBR PHA-termelés N- és/vagy P-megvonással tápanyag vagy fermentált ételhulladék b) működési mód 2. ábra A ciklusidő felosztása és a reaktor működési módja a PHA-termelés során lett (N, P és mindkettő megvonása). Az eredményeket a 2. táblázat, valamint a 4. ábra foglalja össze. A N-megvonás a PHA-termelés szempontjából kevésbé mutatkozott hatékonynak, mint a P-megvonás, és az AN/AE kombináció jobbnak bizonyult, mint az MAA/AE ciklus. Az elérhető legjobb kitermelések (a VSS közel 50%-a) az AN/AE ciklus alkalma-

5 zása esetén alakultak ki P-megvonás mellett, az MAA/AE ciklusnál csak 30% VSS körüli kitermeléseket sikerült elérni. motor ételhulladék városi szennyvíz centrifuga koncentrátum + csapvíz (x60) 400 ml : 400 ml SBR-ek PHA-termelésre 800 ml 800 ml FERMENTOR szilárd anyag 3. ábra Az ételhulladék fermentálására használt reaktor működési vázlata 2. táblázat A reaktorok működési jellemzői különböző feltételek mellett Tápanyag Szintetikus Fermentált hulladék Oxigén MAA/AE AN/AE MAA/AE AN/AE Megvonás N P N P N+P P P COD-eltávolítás (%) MLSS (mg/l) PHA (mg/l) PHA/VSS (%) PHB/PHA 0,4 2 0,6 3 0,4 2 0,65 3 (0,9 4 ) 0,66 3 0,74 1 0,77 1 A bejövő anyag illékony zsírsav (VFA) tartalma eltérő volt: 1. 30% acetát és 70% propionát, 2. 36% acetát és 64% propionát, 3. 50% acetát és 50% propionát, % acetát. Rövidítések: AN =anaerob, AE = aerob, MAA = mikro-aerofil, COD = kémiai oxigénigény, MLSS = kevert folyadék illékony szuszpendált szilárd anyag, PHA = poli(hidroxi-alkanoát), VSS = illékony szuszpendált szilárd anyag, PHB = poli(hidroxi-butirát).

6 60 50 akklimatizációs periódus PHA-termelés P-megvonással PHA/MLVSS, % AN/AE MAA/AE működési idő, nap (PHA = poli(hidroxi-alkanoát), MLVSS = kevert folyadékban levő illékony szilárd szuszpendált anyag, AN =anaerob, AE = aerob, MAA = mikro-aerofil). 4. ábra A PHA-tartalom változása P-megvonás esetén ( tápanyag) A fermentált élelmiszer-hulladék oldatban minden bevitt 1 kg VSSből (illékony szuszpendált szilárd anyagból) kb. 0,6 kg SCOD (oldott kémiai oxigénigény) jött létre. A fermentált koncentrátum adatait a 3. táblázat foglalja össze. Látható, hogy az oldható foszfor (SP) jóval kisebb, mint a széntartalom vagy az illékony zsírsav tartalom. Az oldható kémiai oxigénigény (SCOD) mintegy 27%-a illékony zsírsav oxigénigény (VFACOD) volt, ami 40% acetátot, 20% propionátot, 25% butirátot és 15% valerátot tartalmazott. A koncentrátumot az SBR reaktorokhoz történő hozzáadás előtt felhígították, és az 1. táblázat adatai szerint az SCOD értékek összevethetőek voltak a tápanyagéval, amit az akklimatizációs periódus során használtak. Mivel a fermentált élelmiszerhulladék N-tartalma alacsony volt, ezt 19 mg/l-ről 35 mg/l-re növelték, hogy szükségtelenül ne korlátozzák a baktériumok nitrogén-felhasználását. A P-koncentrációt viszont az eredeti, alacsony értéken hagyták, hogy megvalósuljanak a PHA-termelés optimális feltételei. A polimertermelési görbéket fermentált hulladéklé és P-megvonás esetén az 5. ábra mutatja. Az MAA/AE ciklusban gyors emelkedés, de rögtön utána gyors csökkenés lép fel, míg az AN/AE ciklusban lassabb az emelkedés, de nagyobb az elért maximum érték.

7 3. táblázat A fermentált ételhulladékból készült koncentrátum jellemzői (az értékek a ph kivételével mg/l egységben) Paraméter Érték ph 6,4 Alkalikus jelleg (CaCO 3 ) TCOD (teljes kémiai oxigénigény) SCOD (oldható kémiai oxigénigény) VFA (illékony zsírsav) SP (oldható foszfát) 63 NH 4 -N PHA/MLVSS, % akklimatizációs periódus PHA-termelés P-megvonással és fermentált ételhulladék működési idő, napok AN/AE MAA/AE 5. ábra A PHA-tartalom változása P-megvonás esetén (fermentált ételhulladék ). (A rövidítések leírása a 4. ábránál szerepel.) A polimerek kitermelési hatásfoka és összetétele A poli(hidroxi-butirát) (PHB) aránya a teljes poli(hidroxi-alkanoát) (PHA) mennyiségen belül tápanyag esetében 0,4 0,66, fermentált ételhulladék esetében 0,74 0,77 volt. Tiszta acetát szénforrás

8 esetében a PHB/PHA hányad 0,9-ig emelhető, ami a propionát részarányának növelésével csökken. Mivel a fermentált lé több acetátot tartalmazott, nagyobb volt a PHB/PHA hányad is. A jelen körülmények között kapott PHA-kitermelések hasonlóak a szakaszos kísérletekben kapott értékekhez, de az ilyen kvázi-folytonos rendszerekben az akklimatizációs periódus és egyéb körülmények között elképzelhető egy hosszabb kitermelési csúcs jelentkezése is. A kitermelési adatokat a 4. táblázat összegzi. Az akklimatizációs periódus nélkül vett kitermelések mindig jobbak, és kísérletek folynak annak eldöntésére, hogy rövidíthető vagy elhagyható-e az akklimatizációs periódus a folytonos rendszerben. PHA-kitermelés (g PHA megtermelt /g COD alkalmazott ) 4. táblázat Szénforrás Felhasznált MAA/AE AN/AE COD akklimatizációval (+) vagy anélkül ( ) N-megvonás P-megvonás N-megvonás P-megvonás N- és P- megvonás Szintetikus + 0,028 0,088 0,05 0,05 (0,01) 0,08 tápanyag 0,028 0,005 0,05 0,09 (0,05) 0,12 Fermentált + 0,04 0,17 (0,05) ételhulladék 0,086 0,25 (0,07) ( ) 40%-os vagy annál nagyobb PHA-tartalom esetén. A napi tonna ételhulladékból kb. napi tonna a szárazanyag, amiből fermentálással kb. napi tonna SCOD (oldható kémiai oxigénigény) hasznosítható. Ha ennek több mint 40%-a PHA-vá alakítható, az ételhulladék 1 tonnájából mintegy 25 kg PHA nyerhető. Ez naponta 63,5 tonna PHA-t jelent, ami több a mai napi 42 tonnás polietilén-zsák igénynél. A gond az eljárás gazdaságosságával van. A becslés szerint a kinyerési költség nélkül az így előállított PHA ára kb. 5 USD/kg lenne. A kereskedelmileg előállított PHA ára kb. 16 USD/kg, aminek nagyjából a fele a kinyerési költség, tehát a bio-pha ára kb. 13 USD/kg lenne, azaz 1 tonna száraz ételhulladékból kb. 325 USD értékű PHA nyerhető, amely érték nagyobb, mint a hulladékártalmatlanítás költsége (212 USD/tonna). Hosszú távon tehát van remény a hulladék ilyen jelle-

9 gű hasznosítására bár meg kell jegyezni, hogy jelenleg a biodegradálható PE-zsákok készítéséhez használt keményítő ára mindössze 1 USD/kg. Összeállította: Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes Rhu, D. H.; Lee W. H. stb.: = Polyhydroxyalkanoate (PHA) production from waste. = Water Science and Technology, 48. k. 8. sz p Lemos, P. C.; Viana, C. stb.: Effect of carbon source in the formation of polyhydrocyalkanoates (PHA) by a phosphate-accumulation mixed culture. = Enzyme and Microbial Technology, 22. k p Matsuo, T.; Mino, T.; Satoh, H.: Metabolism of organic substances in anaerobic phase of biological phosphate uptake process. = Water Science and Technology, 25. k. 6. sz p Röviden Beruházás lítiumos akkumulátorok újrahasznosítására Lítiumionokkal működő elemek és akkumulátorok újrahasznosítására indítottak 2 millió fontsterling költséggel nemrég Skóciában egy projektet, amely az észak-skóciai Sutherlandban létesülő kutatóbázisán az Egyesült Királyság és Európa megfelelő piacainak számottevő részére kiterjedő kutatási és fejlesztési tevékenységet is folytat. A 2005-ben bevezetendő környezetvédelmi szabályozásnak megfelelően ugyanis az elemek és akkumulátorok kibocsátói, valamint a szállítók fokozott mértékben felelősek lesznek hulladékba kerülő termékeik újrahasznosításáért. Jelenleg a lítiumos elemeket Franciaországba szállítják, ahol minimális mennyiségű anyag újrahasznosítása mellett égetőbe kerülnek. Az új létesítmény az AEA Technology ( igazgatója arra számít, hogy az adott területen meglévő piaci rést kitöltve erőteljes és jövedelmező üzleti tevékenységet folytathatnak majd. A maga nemében (Európa viszonylatában) egyedülálló üzem iránt ugyanis az új környezetvédelmi szabályozás hatályba lépésével várhatóan megnő az érdeklődés. Miután új generációs lítiumos elemek és akkumulátorok fejlesztésével is foglalkoznak, bíznak benne, hogy a skóciai létesítmény hamarosan élenjáró újrahasznosítási objektummá fejlődik. (Reuserecycle, 34. k. 1. sz p. 4.)