Ugrás a tartalomhoz

Komposztálás

Fazekas Bence, Pitás Viktória, Dr. Thury Péter, Dr. Kárpáti Árpád (2011)

3.2 Sztatikus prizmás, vagy reaktoros komposztálás

3.2 Sztatikus prizmás, vagy reaktoros komposztálás

A sztatikus prizmák, vagy statikus reaktorok megnevezése arra utal, hogy a komposztálás során nem történik ciklikus átforgatás, keverés. Ez az egyes paraméterek jellemző gradienseinek kialakulását, a folyamatok időbeni elnyúlását, valamint az anyagminőség inhomogenitását eredményezheti a halmokban.

A hazai gyakorlatban Magyarországon igen sok helyen megvalósult napjainkra már a betonmedencés, elvileg statikusan levegőztetett „csaknem prizmás”, GORE-tex fedéssel zárttá tett megoldás. Emellett számos ide sorolható technológia ismeretes, melynél a megfelelően bekevert alapanyagot teljesen zárt, statikus körülmények között tartják, levegőztetik, vagy akár melegítik is, a lebomlási folyamatok sebességének meggyorsítására. Ezeknél a megoldásoknál lényegesen rövidebb intenzív lebontási szakasz (akár egy hét) után is helyezhető a félig kész komposzt az érlelő prizmákba, halmokba. Ilyen előkomposztálásnál az érlelés is rövidebb időtartamot vehet igénybe, mint a nem reaktoros, gyengébben hőszigetelt rendszereknél.

Ezek a statikus, víztelenített iszapot segédanyaggal komposztáló rendszerek a múlt század 70-es éveitől terjedtek el az USA-ban. Oxigén ellátásukat levegő befúvatásával biztosítják. A strukturáló (formázó) segédanyag, rendszerint faapríték, a komposztálást követően eltávolításra kerül a késztermékből, és újra visszakeverik azt az alapanyaghoz. A faapríték jó nedvességmegkötő anyag, és egyidejűleg szerkezetjavító, porozitás növelő komponens. Ezt a funkcióját azonban csak már kellően száraz iszapok esetében tudja betölteni.

Túlzottan nyers, nedves szennyvíziszappal kevés faapríték darabos részeket tartalmazó kenőccsé válik. A faapríték arány növelésével ez a rendszer faaprítékot tartalmazó iszapcsomóra esik szét, melyek még mindig túl nedvesek a megfelelő kiszárításhoz. Nyers iszap (nem rothasztott) felhasználásakor az említett kenőcsszerű, levegőztethetetlen állapotnál, vagy nagyobb anaerob iszapcsomók kialakulásakor igen gyakran zavaró az anaerob folyamatok okozta szag keletkezése. A faapríték hányad további növelésével a megfelelő nedvességtartalom elérhető, miközben a nyers iszap energiatartalma a komposztkeverék kiszáradását is biztosíthatja. Gondot jelenthet azonban a keverék túlzott tömörödése a komposztálás során, amely a további kezelésnél megfelelő előaprítást igényel a rostálás előtt. Az ilyen vizes iszapok komposztálására mindenképpen a dinamikus megoldás javasolható, amely levegőztet is és a keverék folyamatos aprítását is biztosítja.

A fenti munkaigény csökkentése vezetett érdekében inkább az alapanyagok bekeverését igyekeztek javítani. Jó állagú alapanyag keverékkel, megfelelő levegőztetéssel a statikus komposztálás jó minőségű alapanyagot biztosít a további, levegőztetés nélküli statikus érleléshez, humifikációhoz. Az utóbbival mind a rothasztott, mind a nyers lakossági szennyvíziszapok szerencsésen feldolgozhatók. Különösen javasolják a megoldást nedvesebb iszapok komposztálására nagy strukturanyag hányaddal, mivel ekkor a formázó, vagy töltőanyag megfelelő porozitást, szabad gáztérfogatot, a fúvatás pedig jó levegőztetést biztosít a komposzthalomban.

Esetenként a két lépcső között megfelelő lignocellulóz bekeverésre is sor kerülhet, melynek a lebomlását a második fázisban speciális lignin és cellulózbontó kultúrák adagolásával is javítani lehet. Így lényegesen nagyobb humusz tartalmú termék állítható elő a technológiával.

3.2.1 Üzemeltetési paraméterek

A levegőztetett sztatikus prizma vagy halom abban különbözik a forgatott prizmától, hogy nincs ciklikusan átkeverve. Az aerob körülményeket a halomban a mesterséges levegőztetés biztosítja. Más jellemző különbségek, hogy ennél a korábban már komposztált anyagot rendszerint nem keverik vissza a nyersanyaghoz annak merevítése, nedvességtartalmának beállítása érdekében, csupán a rostálásnál fennmaradó, döntően el nem bomlott strukturanyagot, amelyből az ilyen komposztáláshoz többet kell használni, mint a ciklikus keveréssel történő komposztáláshoz. A strukturanyag rendszerint durvább faforgács, amely a nedvesség megkötésére és a porozitás javítására egyaránt alkalmas. A faapríték térfogat-aránya a szennyvíziszaphoz általában 2/1 és 3/1 között javasolt. Legtöbb tapasztalat a faforgács felhasználására van, de más formázó anyagok is felhasználásra kerültek. Nyilvánvalóan mind a töltőanyag mérete, mind mennyisége ellenőrizendő a kedvező porozitás beállításához, és a szükséges levegőztetés (megfelelően kis fúvóteljesítmény) eléréséhez. A folyamat általánosítható sémája az 3.1. ábrán látható.

3.1. ábra - A szennyvíziszap és faforgács együttes sztatikus komposztálására alkalmas levegőztetés és anyagfeldolgozás különböző lépései.

3.1. ábra. A szennyvíziszap és faforgács együttes sztatikus komposztálására alkalmas levegőztetés és anyagfeldolgozás különböző lépései.


A komposzt-halmos kialakításának lépései a következők:

- az iszap alapanyag és a strukturáló komponens megfelelő keverése,
- 0,3 m vastag töltő- vagy formázóanyag-réteg kialakítása levegőztetett prizma-alapként az alapzatba fektetett levegőztető csövek felett,
- az iszap / faapríték elhelyezése vastag halomban az előkészített levegőztető-ágyon,
- komposzthalom külső felületének betakarása rostált, vagy rostálatlan kész komposzttal (hőszigetelés), esetleg GORE-takarás,
- fúvó és a levegőztető csövek összekötése, beüzemelése (ez utóbbit esetenként a feltöltés alatt is javasolják).

A levegőztetés fúvatással történik. A fúvót az aerob környezet fenntartásának megfelelően kell szabályozni. Általában ki/be kapcsolásos üzemmódban működik a komposzthalom túlzott lehűlésének elkerülésére. A ki/be kapcsolás ugyanakkor a komposzthalom hőmérsékletének a visszacsatolásával, mint beállítandó alapjellel is szabályozható.

A felső légtér szívása esetén a gáz szagtalanítása könnyebben megoldható. Korábban általános gyakorlat volt az ilyen gáz finom komposzt szűrőrétegen történő átvezetése. Napjainkban a GORE takarón kialakuló biofilmmel és az alatta kialakuló nedvesebb komposztkeverék biológiai gáztisztító hatásával is megfelelő szagtalanítást érnek el.

A komposzthalmoknál általában a minimálisan 3-4 hetes intenzív lebontást alkalmazzák, melyet követően a halmot szétbontják. Ez az időtartam esetleges, de a gyakorlatban megfelelőnek bizonyult a legtöbb szennyvíziszapnál. Mint említve volt, a gyorskomposztálás nagyobb hőmérsékleten már egy hét alatt is elegendő lebomlást biztosíthat az utóérlelés előtt. Valószínű, hogy a tervezőknek, üzemeltetőknek nem kellene félni a hosszabb kezelési idők alkalmazásától sem, mint azt a GORE technológia is ajánlja, de rendszerint nem tervezi.

A komposztkeverék előzőekben felsorolt alapanyagait rendszerint külön-külön halmokban tárolják. A kiérlelt komposzt anyagot a töltőanyag kirostálása előtt célszerű kitermelni a halomból, s azzal kicsit még szárítani is lehet. Az alapanyag-keverék nedvességtartalma igen fontos paraméter, amely meghatározza a termék és a faforgács szeparálhatóságát. A minimális szárazanyag-tartalom 50 %, de kedvezőbb az 55 % körüli érték a vibrációs- és dobrostákkal történő szétválasztásnál. Több esetben is hasznosnak találták a gyorskomposztált termék további egy-két hónapra történő felhalmozását, és levegőztetését is. A keverés eredményeként a hőmérséklet további stabilizálása, esetenként növekedése és az anyag száradása volt megfigyelhető. Számos telepen a rostálást megelőzően külön utószárítást biztosítottak fedett térben, ahol levegőztetést is végeztek.

A töltő, formázó anyag elválasztása a készterméktől, majd újra felhasználása mindenképpen szükséges, hiszen általában nagy mennyiségben használatos és jelentős költség-hányadot képvisel. Ez a kész, kereskedelmi termék minősége miatt is elengedhetetlen. A 3-4 hetes komposztálás alatti kiszáradás fokozható a szennyvíziszap (meghatározó alapanyag) előzetes hatékonyabb víztelenítésével, valamint intenzívebb levegőztetéssel. A folyamat „hőmérsékleten tartása” azonban alapvető követelmény a sterilizálás érdekében. Ugyanígy a száradás is a levegőztetési programmal szabályozható. A faforgácsnak csak az apróbb darabjai bomlanak le részlegesen a komposztálásnál. A fizikai aprózódás azonban egyértelműen megfigyelhető. Ez anyagveszteséget jelent a rostálásnál. A strukturáló, formázó anyag részarányának folyamatos fenntartását ezért annak a megfelelő nyers faapríték utánpótlásával lehet biztosítani.

Általános, hogy az ilyen komposzthalmok alól a szivárgó vizet is, különösen az első néhány napban, valamiképpen összegyűjtsék és elvezessék, ha túlzottan nagy víztartalmú iszap alapanyagot dolgoznak fel. Jól rothasztott és víztelenített lakossági szennyvíziszap, és kellően kiszáradt strukturanyag esetén erre nincs szükség. A keverék alá terített 20-30 cm vastagságú strukturanyag réteg is csökkenti a vízeleresztés gyakoriságát.

A sztatikus komposzt-halmok jellemző kialakítása látható a 3.2. ábrán. Az eddigi gyakorlat során számos alapanyag előkészítési módosítási javaslat történt a területigény csökkentésére. Egyik lehetőség az, hogy az új halmokat a régi halmok alapjára rakják. Más javaslat szerint a halmok méretének, magasságának növelésével ugyanígy jelentős megtakarítás jelentkezhet az új halmok kialakításánál. Egyik javaslat sem jelent azonban alapvető technológiai változtatást. Az előző változatot sokhelyütt bevezették, de a halmok magasságát nem igen változtatták. A maximum a nyersanyag felrakásakor valahol 3-4 méter között van.

3.2. ábra - Statikus komposzthalom méretezése 40 m3 víztelenített szennyvíziszap feldolgozásához.

3.2. ábra. Statikus komposzthalom méretezése 40 m3 víztelenített szennyvíziszap feldolgozásához.


Az ilyen komposztálás során az anyag hőmérséklete a 3.3 ábrának megfelelően alakul. Kedvező hőmérséklet-emelkedést lehet biztosítani nyersiszap felhasználásakor hideg és nedves évszakban is a módszerrel. Mint a 3.3. ábrán látható, az első 3-5 nap során gyorsan emelkedik a hőmérséklet, majd viszonylag állandó marad. Három hét után kezd csak csökkenni.

3.3. ábra - A hőmérséklet alakulása nyers iszap - faforgács keverék levegőztetett statikus prizmás komposztálása során.

3.3. ábra. A hőmérséklet alakulása nyers iszap - faforgács keverék levegőztetett statikus prizmás komposztálása során.


A 3.4. ábra különböző szennyvíziszapok és különböző segédanyagok keveréke esetén végzett sztatikus komposztálás hőmérséklet-profiljait mutatja be. Általában jó a hőmérséklet-emelkedés az indulásnál, de az apróbb segédanyagos keverékeknél sokkal több csatornásodási probléma jelentkezhet, mint a faforgács strukturáló anyag felhasználásakor.

3.4. ábra - A hőmérséklet alakulása rothasztott szennyvíziszap és különböző segédanyagok levegőztetett sztatikus halmokban történő komposztálásakor. Mindegyik mérési pont a halom keresztmetszetében 10 helyen történt hőmérséklet-mérés átlaga.

3.4. ábra. A hőmérséklet alakulása rothasztott szennyvíziszap és különböző segédanyagok levegőztetett sztatikus halmokban történő komposztálásakor. Mindegyik mérési pont a halom keresztmetszetében 10 helyen történt hőmérséklet-mérés átlaga.


Mind a 3.3., mind a 3.4. ábrán a hőmérséklet a klasszikus 3-4 hetes napos ciklus során megfelelően magas. Ezt követően a megfelelő éréshez további kezelés szükséges. A rostált, előkezelt komposzt érlelése általában 30-60 napot igényel. A rostálást gyakran az érlelés előtt végzik az utóbbi területigényének csökkentésére. Az érlelést is rendszerint levegőztetett halmokban végzik, időszakosan aláfúvatva a halmokat. A levegőztetésre az érlelés során is mindig szükség van.

Egy strukturanyaggal történő komposztálás példáját mutatja az 3.5. ábra. Ennél a faapríték döntően szerkezetlazító szerepet töltött be, bár a kis mértékű cellulóz lebomlásnak mindig van kevés energiatermelése is. A kis részarányú friss faapríték adagolás mellett a kellő nedvességtartalom és porozitás beállításához viszonylag nagy részarányban keverték vissza abban az időben a rostált faaprítékot, ami viszont jelentősen növelte a komposztáláshoz szükséges térfogatigényt, ugyanolyan gyorskomposztálási idő tartása mellett.

Az 3.5. ábrán látható példánál a feldolgozandó szennyvíziszap napi 200 tonna, 20 % szárazanyag-tartalommal. A felhasznált faapríték térfogata a víztelenített szennyvíziszapénak a 3/5-öd része a sikeresnek bizonyult 3 hetes gyorskomposztálás mellett. Nagy érdeme az ábrának, hogy a faapríték forgatása abban egyértelmű anyagáramokkal jellemzett érték. Ebből jól látható, hogy a kis friss faapríték adagolás mellett csaknem nyolcszorosa annak a rostált, visszaforgatott faapríték mennyisége. Az utóbbi térfogatában a feldolgozott víztelenített iszap mennyiségének a négyszerese (két alsó sorban számolt közelítő érték az 3.5. ábra táblázat részében).

A nyers apríték és a rostált apríték mellett van egy további belső recirkuláció is, ami a nyers iszap térfogata másfélszeresének megfelelő mennyiségű rostálatlan komposzt (strukturanyag és komposzt) visszakeverését jelenti. Ez utóbbi további térfogatlazító hatású a nyers komposztkeverékben, miközben megfelelő biológiai visszaoltást is jelent a komposztálás gyorsítására.

Igen jó adatokat ad meg ez a folyamatábra a gyorskomposztálás termékkihozataláról is. Jól látható belőle, hogy az érlelés milyen további stabilizálódást, anyagmennyiség csökkenést jelent az átalakításnál. Ennek a sztatikus komposztálásnak a jellemző anyagmérlege látható az 3.1 táblázatban.

3.5. ábra - Zárt, levegőztetett sztatikus komposztálás sémája (anyagáramok a 3.1 táblázatban.)

3.5. ábra. Zárt, levegőztetett sztatikus komposztálás sémája (anyagáramok a 3.1 táblázatban.)


3.1. táblázat - Zárt, levegőztetett sztatikus komposztálás anyagmérlege.

AnyagáramPont
123456789
t sza/d 40 205 20 245 78 245 194 50 45
sza, % 20 58 53,4 44,2 52,6 52,6 55 55 58
t nedves/d 200 410 37 554 148 664 352 91 77,5
t/m3 1,18 0,61 0,39 0,82 0,60 0,60 0,52 0,79 0,86
m3/d 169 675 95,5 675 245 771 675 115 90
V/V faapríték 2 8 1 8 3 10 8 1,5 1
V/V nyeresiszap 1 4 0,5 4 1,5 5 4 0,75 0,5

A 80-as évek további fejlődést hoztak a sztatikus komposztálásban. Legfontosabb a levegőztetés oxigénigény szerinti pontos szabályozása szükségességének a felismerése. Ez a fúvók teljesítményének a növelésével volt elérhető. Ez a túlzottan magas hőmérséklet kialakulását megszüntette. A hőmérséklet optimális értékre történő csökkentésével javult a lebomlás sebessége és hőtermelése, amely a másik oldalon ugyanakkor nagyobb vízmennyiség elpárologtatásához vezetett. Ezzel a rostálás kedvezőbb hatásfokát is biztosította.

A levegőbefúvatás gondos szabályozása az ilyen komposztálásnál azonban továbbra is alapkövetelmény. A levegőbevitel mennyisége a hőmérséklet alapján történő szabályozással jelentősen változott, mint azt a 3.6. ábra mutatja.

3.6. ábra - Fúvóteljesítmény igény a 25 % szárazanyag tartalmú, döntően nyers szennyvíziszap mint alapanyag, segédanyagokkal történő statikus komposztálásakor. (Levegőztetés szabályozása a hőmérsékletről (45oC) visszacsatolással történt.).

3.6. ábra. Fúvóteljesítmény igény a 25 % szárazanyag tartalmú, döntően nyers szennyvíziszap mint alapanyag, segédanyagokkal történő statikus komposztálásakor. (Levegőztetés szabályozása a hőmérsékletről (45oC) visszacsatolással történt.).


A levegőigény a komposztálás első hetében különösen nagy, majd ezt követően fokozatosan csökken a ciklus további idejében. Ez időben igencsak változó levegőigényt jelent. Egyértelművé vált, hogy ilyen oxigén-igény kielégítése csak nagyobb teljesítményű fúvókkal lehetséges. A maximális levegőztetési igény biztosítása ezért a tervezés fontos követelménye lett. A kiépítendő fúvókapacitás mintegy 15 m3 h / tonna szárazanyag fajlagos értéknek bizonyult, amivel azután a szabályozás segítségével a komposzthalom levegőterének oxigéntartalma 5-15 % között tartható. Az újabb tervezések ennek a négyszeresét (60 m3 h / tonna szárazanyag) is alkalmazzák átlagértékként, a csúcsigény kielégítésére pedig ennek a két és félszerese (150 m3 h / tonna szárazanyag) fúvókapacitás is kiépítésre kerülhet. Erre azonban csak a rendkívül intenzív, pár napos gyorskomposztálásnál van szükség.

A gyakorlatban vita alakult ki az ilyen komposztálásnál tartandó hőmérsékletet illetően. Az egyik csoport a 45 oC körüli értéket favorizálta a mikrobiális tenyészet kedvezőbb környezeti feltételei érdekében. Mások ezt alacsonynak tartják a kellő hőstabilizáláshoz. Valamennyien felismerték azonban, hogy a különösen magas hőmérséklet már káros a mikroorganizmusokra, de a biztonság érdekében inkább a magasabb érték felé mennek el. Ha a tervező egy adott rendszerben megfelelő levegőellátást biztosít, és a szabályozás is hatékony, az üzemeltető lehetősége a hőmérséklet-szabályozás kellő megválasztása a szükséges eredmény eléréséhez. Lakossági szennyvíziszapoknál általában az 55-65oC közötti tartományt választják a biztonságos pasztörizálás, fertőtlenítés érdekében. Az üzemeltető ezt a szabályozó értéket (hőmérsékletet) a ciklus vége felé már csökkentheti, ha megfelelő ideig tudta a sterilizálást biztosítani, illetőleg ha a termék kellően patogénmentes.

A komposztálás során történő hő-sterilizáláshoz a megfelelő hőmennyiséget döntően a szennyvíziszap oxidációjánál keletkező hő biztosítja. Szükség esetén ez a segédanyagokkal tovább növelhető, de tervezni elsősorban a szennyvíziszap hasznosítható energiatartalma alapján kell. Az erre megadott fajlagos értékeket a 3.2 táblázat tartalmazza.

3.2. táblázat - Segédanyagok energiatartalma

EnergiahordozóÉgéshő (kcal/g)
Légszáraz fa3,1
Nyers szennyvíziszap (víz-, és hamumentes)5,5
Rothasztott szennyvíziszap (víz-, és hamumentes)2,9

A fenti adatok alapján, figyelembe véve, hogy a rothasztott szennyvíziszapok a hamutartalma mintegy a szerves anyag tartalom fele, a vízmentes iszapra, tehát az iszap szárazanyagára számítható hasznosítható energiatartalma csupán 2 kcal/g iszap szárazanyag körüli érték. Ez az érték figyelembe veszi, hogy a szerves anyag egy része nem oxidálódik, tehát nem termel hőt a komposztálódásnál.

A különböző anyagok biológiai lebomlásánál keletkező hő egy része az anyag felmelegítésére, más része a víztartalmának elpárologtatására fordítódik. A fűtőérték ezért az égéshőnél kisebb, mert a reakció során víz keletkezik, ami gyakorlatilag minden esetben gőz halmazállapota miatt csökkenti a jelentkező, vagy hasznosítható hőmennyiséget (fűtőérték).

Ökölszabályként javasolják, hogy a különböző anyagok égéshőjét a 3,4 (+/- 0,2) kcal/g KOI értékkel számolják. Mivel szennyvíziszap 1 g szerves anyagának a KOI-je 1,5 g körül van, a szerves anyagra számolható az égéshő 5 kcal/g szerves anyag körüli érték. Ha azonban itt is figyelembe vesszük a hamutartalmat, a rothasztott iszap égéshője csak a korábbiakban megadott érték kétharmadára, azaz 3 kcal/g iszap szárazanyag értékre adódik.

Az előző táblázatból látható, hogy a rothasztott szennyvíziszap égéshője a nyers iszapénak alig valamivel több, mint fele. Ez egyrészt a metántermelés szerves anyag tartalom csökkentő hatásából adódik (hamutartalom nő), másrészt abból, hogy a biológiailag könnyebben bontható szerves anyag alakult metánná, s a maradék további biológiai lebonthatósága erősen korlátozott. A különböző szennyvíziszapok égéshője az iszap összetételétől (fehérje, szénhidrát, zsír) nagymértékben függ. A szerves anyag komposztálása során a bonthatatlan szerves anyag hányad tovább csökkenti a szerves anyagból ott biológiai oxidációval kinyerhető energiamennyiséget.

Az ilyen biológiai bontás (komposztálás) során tehát energia csak a KOI biológiailag lebontható, vagy lebontásra kerülő hányadából keletkezik. A különböző alapanyagok égéshőjének a kalorimetriás meghatározása tehát támpontot ugyan nyújthat a komposztálásuknál keletkező hőmennyiség becslésére, de minden esetben figyelembe kell venni mellette az illető anyag a komposztálással történő lebonthatóságát is. Az alapanyagok víz és szilárd anyag tartalma, mint külön komponens veendő figyelembe a részletes termodinamikai számításoknál.