KUTATÁS + FEJLESZTÉS PROGRAM. - AKF2012/2. ütem -

Átírás

1 KUTATÁS + FEJLESZTÉS PROGRAM - AKF2012/2. ütem - AGROWATT biogáz kutató központ Kecskemét, április - augusztus Készítette: AGROWATT Nonprofit KFT. 1

2 Előzmények: Az Agrowatt Kft. biogáz kutató központ építkezési munkái 2011 áprilisában befejeződtek. Az ezt követő technológiai próbák, beüzemelés eredményeképp az erőmű próbaüzeme, ezzel párhuzamosan a K + F tevékenység 2011 szeptemberében kezdődött meg. Célok: A kutatás fejlesztési program során különböző, biogáz technológiai felhasználásra feltehetőleg alkalmas anyagok üzemi körülmények között történő kipróbálása történik. A program célja az eredmények folyamatos kiértékelése, dokumentálása, s egy a gyakorlati felhasználókat segítő, ösztönző tudásháttér kialakítása. A program végrehajtásának műszaki feltételei: Az alkalmazott technológia alkálikus iszaprothasztás, menynek során a szerves anyagok lebontása anaerob környezetben történik meg. A technológia mezofil hőmérsékleti tartományban végzett fermentálás. A lebontást különböző baktérium populációk munkája eredményezi. A folyamat eredményeképp egyrészt biogáz, másrészt kierjedt fermentlé keletkezik. A rothasztás műtárgya a fermentor. Az Agrowatt biogáz kutató központban két fermentor, egy normál üzemi, illetve egy kísérleti fermentor található. A fermentor egy szigetelt, megerősített kör alakú betonacél tartály, mely trapézlemez-burkolattal van ellátva. A fermentorban történik az erjesztendő szubsztrát fermentálása 35 és 40 C között. A feltöltés egy szubsztrát vezetéken keresztül történik, amelyik a fermentor folyadékszintje felett végződik. A töltés idővezérelten történik. A beadagolt szubsztrát mennyiségének függvényében az erjedő folyadékba merülő túlfolyó-vezetéken keresztül, adott mennyiségű végtermék kerül átvezetésre a végterméktárolóba. A folyadékszint felett található a gáztér, amely egy gázfóliával le van zárva. A gázfóliát egy szilárdan felszerelt, megerősített szövetből készült ponyvatető burkolja és védi. Nettó térfogata kb m 3. A kísérleti fermentor szerkezeti kialakítás szempontjából mindenben megegyezik a fő fermentorral. Térfogata 200 m 3, alapanyag-ellátása a fő fermentorral megegyező módon, de kézi üzemben történik. A kutatási munkát továbbá különböző online mérő berendezések segítik, melyekkel a következő paraméterek folyamatosan nyomon követhetők: közeg hőmérséklet, gáznyomás, üzemidő, tartózkodási idő, rothasztótér szerves anyag-terhelés, gázösszetétel (metán, kén-hidrogén és oxigén), biogáz mennység, betáplált anyag mennyiség, redoxpotenciál. 2

3 A program végrehajtásának menete: A program ciklusokra osztja az erőmű kutatás-fejlesztési tevékenységét. Egy évben 4 6 ciklus zajlik, tehát egy ütem kb napig tart. Egy egy ütemben előreláthatólag 2 5 különböző alapanyag üzemi próbájára van lehetőség. Minden ciklus végén kiértékelésre kerülnek a kísérleti / üzemi eredmények. A kiértékelés az alapanyagok szerint felosztva, az egyes próbákat bemutatva történik. A kutatás-fejlesztési eredmények minél hatékonyabbá tétele, valamint az esetleges kockázatok időben történő elkerülése érdekében az egyes alapanyagok még a tényleges felhasználás előtt többnyire laboratóriumi kivizsgálásra kerülnek. Az anyagokból vett minták laboratóriumi feldolgozását egy nagy tapasztalatokkal rendelkező németországi labor végzi. A laboratóriumi feldolgozás során megállapítást nyer, hogy az adott minta tartalmaz-e a fermentációt, a baktériumok működését gátló anyagokat. Az eljárás a bakteriális életet akadályozó maradványanyagok, mint pl. az antibiotikumok, szulfonamidok kimutatására szolgál. A teszt során nem meghatározott gátlóanyagokat vizsgálnak, hanem azt ellenőrzik, hogy általános gátlóhatás kimutatható-e az adott mintában. A folyamatot szükséges 6,0, 7,2, 7,4 és 8,0 ph tartományban is vizsgálni, mivel a gátlóanyagok hatás optimuma különböző. A gátlóanyag teszt mellett mindig megállapításra kerül a minta száraz, valamint szerves szárazanyag tartalma. Az anyag kémiai összetétele alapján pedig megbecsülik az egyes szubsztrátok üzemi körülmények között várható biogáz potenciálját szerves szárazanyagra, száraz anyagra, valamint teljes anyagra vetítve, valamint a metánképző potenciálját is. A laboratóriumi eredmények ezt követően kiértékelésre kerülnek. A kiértékelés alapján születik döntés arról, hogy az adott alapanyag érdemes, illetve a gátlóanyag teszt alapján alkalmas üzemi / kísérleti feldolgozásra vagy sem. A kiértékelés alapján alkalmas alapanyagok ezután kerülnek a tényleges, üzemi körülmények között zajló szakaszba. Az anyagok feldolgozásának üzemi körülmények között történő kiértékelése folyamatosan történik, a tapasztalatok, eredmények dokumentálását a K + F Program egyes ütemeinek leírása tartalmazza. A 2012/2-es kutatási ütem az előző szakaszoktól eltérően, egyedi módon valósult meg. Az ütem ugyanis egyetlen alapanyag, - a 2012/1-es szakaszban egyébként már vizsgált - tyúktrágya adagolásának hatásait vizsgálta. Ennek oka, hogy bár a tyúktrágya viszonylag alacsony költség mellett beszerezhető, valamint széles körben fellelhető az országban a biogáz üzemek számára, de jelentős mennyiségben történő fermentálásnak hatásairól mégis kevés a rendelkezésre álló publikált tapasztalat. 3

4 A 2012/2. ütemben kutatott alapanyag alapadatai: Vizsgált anyag: Származási hely: Tojó trágya Tojótelep, Kunszállás Fotó: Fizikai állag, halmazállapot: szilárd, darabos Laborvizsgálat, előminősítés eredményei Szárazanyag tartalom: 31,5 % Szerves szárazanyag tartalom: 69,2 % Elméleti gázkihozatal: 543 l/kg szerves szárazanyag 375 l/kg szárazanyag 115 l/kg teljes anyag Elméleti metánpotenciál: 59,6 % Gátlóanyag teszt: Értékelés: negatív minden tartományban A laboreredmény alapján az anyag alkalmas biogáz üzemben történő felhasználásra. 4

5 A próba lefolytatásának rövid ismertetése Az üzemi próba négy szakaszból állt: - Indítási szakasz (30 nap) - Felfuttatási szakasz (20 nap) - Csúcsterhelés (15 nap) - Optimalizálás (88 nap) Az egyes szakaszokban a tyúktrágya, illetve a párhuzamosan adagolt siló mennyisége eltérő. A kutatás célja a különböző mennyiségek mellett a fermentációs folyamatok, illetve a gázképződés vizsgálata. A tyúktrágya adagolása a fogadó bunkeren keresztül, toló padozat, szállítócsigák közreműködésével valósult meg. 5

6 I. Indítási szakasz Az időszak 30 napig tartott, április hónapban. A hónap folyamán átlagosan napi 3 tonna tyúktrágya került fermentálásra, átlagosan napi 22 tonna kukorica siló mellett. 1. ábra: Trágya és silóetetés a kutatási fázis I. szakaszában Az indítási szakaszban a biogáz termelés átlagosan m 3 volt naponta. 2. ábra: A biogáz termelés alakulása a kutatási fázis I. szakaszában 6

7 A diagramokból leolvasható, hogy a gáztermelés alakulása jól követhető módon az alapanyag betáplálással párhuzamosan alakult. A 3. és a 15. nap közötti kevesebb anyag bejuttatás alacsonyabb biogáz képződést eredményezett, az ezt követő intenzívebb siló betáplálás arányosan magasabb gáztermelődéshez vezetett. Az ütem során a fermentorból vett minta laboreredményeit a következő táblázat tartalmazza: Szárazanyag NH ph-érték 4 -N CaCO [Sz.a. %] [g/kg] 3 % 3,30 7,20 0,4 0,43 Az értékek optimálisak, azt mutatják, hogy a folyamatbiológia jól működik. Közismert a tyúktrágya által kiváltott magas ammóniumtartalom, ezért különösen fontos az NH 4 -N érték alakulásának nyomon követése a későbbiek során. Az időszak alatt a ph-érték a manuális mérések szerint is folyamatosan 7,2 és 7,3 körül, tehát ideális tartományban mozgott. A következő diagram a metán alakulását ábrázolja az időszak során. 3. ábra: A metán alakulása a kutatási fázis I. szakaszában Az átlagos érték 52,9 % volt. A képződött gázelegy metántartalma viszonylag stabil volt, csak szűk tartományban váltakozott. 7

8 II. Felfuttatási szakasz A második szakasz 20 napból állt. Ebben az időszakban a tyúktrágya mennyiségének folyamatos fokozásával (~ tonna) párhuzamosan zajlott a kukorica mennyiségének csökkentése (~ 0 3 tonna). 4. ábra: Trágya és silóetetés a kutatási fázis II. szakaszában A szakasz folyamán a biogáz termelés átlagosan m 3 volt naponta. 5. ábra: A biogáz termelés alakulása a kutatási fázis II. szakaszában 8

9 Az időszak folyamán a kezdeti 7,2 ph-ról a fermentlé kémhatása kb. 3 hét alatt 7,6-ra emelkedett, ugyanígy növekedés volt tapasztalható a NH 4 -N és a CaCO 3 értékekben. Szárazanyag NH ph-érték 4 -N CaCO [Sz.a. %] [g/kg] 3 % 3,60 7,60 1,7 1,2 A metán változását a következő diagram szemlélteti. 6. ábra: A metán alakulása a kutatási fázis II. szakaszában Az átlagos érték az előző szakaszhoz hasonlóan 53 % körül alakult, viszont jóval tágabb tartományban, és a 9. napot követően a korábbi lassú csökkenés után hirtelen emelkedés volt tapasztalható. (~ 47 % ~ 57 %) A metán emelkedése nyilvánvalóan a trágya adagolás fokozásával mutat összefüggést. 9

10 III. - Csúcsterheléses szakasz A harmadik szakasz 15 napból állt, nagy volumenű tyúktrágya adagolás mellett csekély silóbetáplálás jellemezte. Átlagosan 28 t/nap tyúktrágya került ekkor fermentálásra. 7. ábra: Trágya és silóetetés a kutatási fázis III. szakaszában A biogázképződés napi átlagértéke az előző szakaszokhoz hasonlóan m 3 volt, viszont teljesen más lefutással. 8. ábra: A biogáz termelés alakulása a kutatási fázis III. szakaszában 10

11 A hetedik napot követően a gáztermelődés drasztikusan visszaesett, holott az alapanyag betáplálás ekkor még nem csökkent, sőt növekedési szakaszban volt. A fermentlé kémhatása a két hét alatt tovább emelkedett, s elérte a 7,8-as értéket. A legfeltűnőbb változás a metán alakulásában érhető tetten, a kezdeti stabil 55 %-os értékről a hetedik napot követően meredek esés következett. A biogáz metántartalma a szakasz végére 42 %-ig zuhant. 9. ábra: A metán alakulása a kutatási fázis III. szakaszában Szembetűnő, hogy mind a gáz mennyiségének, mint a metán értékének csökkenése egy időben következett be. A két változás együttesen nyilvánvalóan rendkívül negatív hatással volt a teljes üzem teljesítményére, illetve az energetikai hatásfokra. Érdemes a II. és a III. szakasz metángörbéjét egyetlen diagramon ábrázolni. 10. ábra: A metán alakulása a kutatási fázis II. és III. szakaszában A tyúktrágya növelésével a metántartalom a kezdeti átlagos 52 %-os értékről 55 % átlagértékre emelkedett (csúcs: 58%), viszont a további fokozás drasztikus és gyors csökkenéshez vezetett. Az érték alakulása egyértelműen a metanogének jelenlétének, illetve aktivitásának csökkenését mutatja. 11

12 IV. - Optimalizálás A IV., időben leghosszabb szakasz célja a trágya mennyiségének variálása a fermentációs folyamatok optimalizálása mellett. A teljes szakasz átlagában a tyúktrágya adagolásának napi mennyisége 14 tonna volt. A 45. naptól a siló mennyisége már meghaladta a trágya mennyiségét. Az ütem során átlagosan napi 20 m 3 vízbetáplálásra is sor került. 11. ábra: Trágya és silóetetés a kutatási fázis IV. szakaszában A biogáz termelés a napi 2000 m 3 mennyiségről folyamatosan emelkedett előbb napi 4000 m 3 -re, majd napi 6000 m 3 fölé. 12. ábra: A biogáz termelés alakulása a kutatási fázis IV. szakaszában 12

13 A megnövekedett biogáz termelődés a növelt silókukorica adagolás következménye, a tyúktrágya hatását inkább a metán és az egyéb biológiai értékek alakulásában érdemes vizsgálni. A metán alakulását a következő diagram szemlélteti. 13. ábra: A metán alakulása a kutatási fázis IV. szakaszában Az időszak elején a metán értéke hirtelen felugrott, egy hét alatt 43-ról 63 %-ra. Ezt azonban gyors visszaesés követte és mintegy 40 nap átlagában 50 % alatt maradt. A 49. és a 65. nap között az átlagérték különösen alacsony volt; 47,5 % körül alakult. Ezt követően viszont emelkedni kezdett, és 55 % átlagérték mentén stabilizálódott. 13

14 Az eredmények összegzése és értékelése, következtetések A kutatási fázis első szakaszában minimális trágyabetáplálás történt, miközben a növényi alapanyag mennyisége tartósan magas és egyenletes maradt. A tyúktrágya ilyen mértékű jelenléte nem generált jelentős változásokat a fermentációs folyamatokban. A gázképződés az anyagbetáplálást követte, a biogáz metán tartalma pedig végig stabil volt. A második szakaszban a tyúktrágya folyamatos növelését hajtottuk végre, miközben a siló adagolását szinte megszüntettük, minimális mértékűre csökkentettük. Ezt a szakaszt ingadozó gáztermelődés és a metántartalom erőteljes növekedése jellemezte. A harmadik, csúcsterheléses szakaszt magas trágya- és alacsony silóbevitel mellett folytattuk le. A rendszer elvesztette stabilitását, ez leginkább a metántartalom zuhanásában volt tetten érhető. A negyedik szakaszban a zöldanyag bejuttatást fokozatosan növeltük a trágya menynyiségének mérséklése mellett. Az optimalizálás eredményeképp pedig kialakult egy stabil fermentációs rendszer. A teljes kutatási fázisban a fermentorszubsztrát kémhatása jól látható módon a tyúktrágya adagolás növelésével párhuzamosan emelkedett 7,2-ről 8,1-re, majd ott stabilizálódott. 14. ábra: A ph-érték alakulása a teljes kutatási ütemben A gáztermelés szempontjából az optimális kémhatású fermentum az enyhén lúgos, 7,2 7,6 ph tartományban mozog. A savképző baktériumok anyagcsere termékei miatt előfordul, hogy a kémhatás savas irányba tolódik el. A savasodás hatására pedig a metánbaktériumok életműködése teljesen lelassul. Esetünkben a tyúktrágya ellenkező hatást vált ki, a kémhatás a lúgos irányba, 8 8,1 ph értékig tolódott el. A tyúktrágya fehérjetartalmának lebontásából keletkező ammónia tolja felfelé a 14

15 ph-t. Az abszolút határ 8,2-nél van, ezt az értéket azonban itt nem értük el. Látható az is, hogy a magas ph nem befolyásolta negatív irányban a metánképződést. A további emelkedést egyébként a vízbevitel fokozásával lehetne ellensúlyozni. A fermentorból, a IV. ütem közepén vett minta laboreredményeit a következő táblázat tartalmazza. Szárazanyag [Sz.a. %] ph-érték NH 4 -N [g/kg] CaCO 3 % 6,9 8,1 5,6 3,1 A kutatási ütem elején vett minta eredményeivel összehasonlítva megállapítható, hogy minden érték extrém növekedést mutat. Az ammónium értéke megközelítette a kritikus határt (6 g/kg), de az ütem végén a rendszer a biogáz termelődése és a metántartalom alapján mégis stabilan működött. Az eredmények alapján világosan látható, hogy a metánbaktériumok lassú változtatás mellett képesek tolerálni a magas ammónium tartalmat. A mikroorganizmusok fontos építő elemei a szén, illetve a nitrogén. Emiatt a szerves anyagok anaerob lebomlását a szén és a nitrogén aránya nagymértékben befolyásolja. Nagy C/N aránynál a nitrogén-, kis C/N aránynál pedig az energiahiány hátráltatja a baktériumok életét. Ennek az aránynak az optimuma 20 és 30 közé esik. Azzal, hogy a siló mennyiségét a II. szakasz végére minimálisra csökkentettük, viszont a tyúktrágya betáplálását megnöveltük, a C/N arány olyan mértékben lecsökkent a III. szakasz végére, hogy az már kedvezőtlen hatással volt a metánbaktériumok működésére. A túl magas nitrogén tartalom ammónia felhalmozódást okoz, ami ismét csak a metánképződést akadályozza. Az ütem második felében az arány helyreállt, köszönhetően a megnövelt zöldanyag bevitelnek. A teljes kutatási fázis alapján a tyúktrágya 1 tonnára vetített biogáz hozama kb m 3, ami megfelel az előzetes laboratóriumi vizsgálat eredményének. 15

16 Az eredmények alapján a kutatási fázis végére összeállt egy optimális arányú receptúra: % tyúktrágya, % víz és % siló (zöldanyag). 15. ábra: Keverési arány a kutatási ütem végén Ilyen arányok mellett a fermentációs folyamatok stabilan működnek, ráadásul magas metántartalom érhető el. Azonban a tyúktrágya mennyiségét valószínűleg lehet még tovább növelni, akár a trágya zöldanyag egymáshoz viszonyított %-os aránya irányába. Egy ilyen arányú keverék vizsgálata egy későbbi kutatási ütem tárgyát képezheti. 16

17 Összefoglalás A kutatási fejlesztési program 2012-es év második üteme a tojó tyúktrágya hatásainak kutatására irányult. Az ütem során különböző mértékű trágyabetáplálás mellett vizsgáltuk a biológiai folyamatok stabilitását. Az ütemet négy szakaszra osztottuk. Az első szakaszban minimális trágyabetáplálás történt, ami nem generált szembetűnő változásokat a fermentációs folyamatokban. A gázképződés az anyagbetáplálást követte, a biogáz metán tartalma pedig végig stabil volt. A második szakaszban a tyúktrágya folyamatos növelése ment végbe, miközben a siló adagolását 0 közelébe csökkentettük. A szakaszt ingadozó gáztermelődés és a metántartalom növekedése jellemezte. A harmadik szakaszt magas trágya- és alacsony silóbevitel mellett folytattuk le. A rendszer elvesztette stabilitását, ez leginkább a metántartalom zuhanásában volt tetten érhető. Az ammónium hirtelen megugrását a metanogén baktériumok nem voltak képesek tolerálni, egyúttal a C/N arány is kedvezőtlen arányba tolódott el az alacsony szénvegyület bevitel miatt. A tyúktrágya mennyiségének növelését tehát lassabban célszerű végrehajtani, és fontos a növényi alapanyag bevitel is. A negyedik szakaszban a siló növelése mellett a tyúktrágya mennyiségének csökkentése történt. A biológiai folyamatok az optimalizálás végére stabilizálódtak, napi 8 10 tonna tyúktrágya és tonna siló bevitel mellett. Miután a magas ammónium értéket a metánképző baktériumok megszokták, feltehetőleg a tyúktrágya mennyiségét tovább lehet fokozni. Ezt egy későbbi kutatási ütemben érdemes tovább vizsgálni. A kutatási ütemben további számos anyag feltérképezése, némely esetben laboratóriumi vizsgálata történt meg. Ezen anyagok a kutatás-fejlesztési program következő ciklusaiban kerülhetnek a kutatási fázisba. A K + F Program 2012/2. ütem lezárult. Kelt: Kecskemét, szeptember