Európában és hazánkban is előtérbe kerül a biomassza mint alternatív környezetbarát energiaforrás.
A mezőgazdaságban és az iparban, az energiatermelők és felhasználók felelősek a világ földi és légtéri szennyezettségének jelenlegi kritikus helyzetéért. Ezekben a szektorokban jellemző a nagyarányú anyag- és energiaigényes felhasználás. A jövőben az emberi tevékenységek során elhasznált fosszilis energiahordozók eltüzelésekor keletkező káros emissziókat – amelyek a talajt, a vizet és a levegőt együttesen és külön-külön egyaránt szennyezik – csökkentenünk kell.
Ezen problémák egyik kulcspontja az energiafogyasztás, ami napjainkra a téma középpontjába került és elkezdődött a most használt fosszilis energiahordozók alternatíváinak keresése, alkalmazhatóságuk kidolgozása.
Európában és hazánkban is előtérbe kerül a biomassza mint alternatív környezetbarát energiaforrás. Ehhez nagyszámú lehetőség mutatkozik, mint például a szántóföldi melléktermékek vagy az energianövényként alkalmazható növények. Európában ennek nagy a potenciálja, mivel a mezőgazdaságban túltermelés mutatkozik, és ez a probléma biomassza-termesztéssel és -hasznosítással megoldhatónak tűnik. Azonban számos ellenérv is felsorakoztatható a biomassza-hasznosítással kapcsolatban. Meg kell vizsgálni, hogy miként befolyásolja az élelmiszer-előállítást, az élelmiszerek árát. Problémát jelent még az, hogy az energianövények optimális használatára alkalmas területek elég szűkösek, valamint a jövőben nem látható e fajok ökológiai hatása a környezetre. E tények ismeretében szeretnék egy alternatív lehetőséget bemutatni, ami a felmerülő kérdések mellett biztosítana termelési lehetőséget az egyik hazánkban alkalmazható energianövény termesztésére.
A Miscanthus-ról röviden
Az évelő lágyszárú fűfélék energiaipari felhasználását a 1980-as évek közepétől vizsgálják. Amerikában a fűféléket találták a legalkalmasabbnak, miközben Európában a kínai nádfajok (Miscanthus spp.) mutatkoztak a legproduktívabbnak. A Miscanthus-fajok Délkelet-Ázsia területén őshonosak. A biomassza termesztésére alkalmasnak ígérkező fajták többsége a Miscanthus sinensis-től származik. Hazájában a meleg trópusi és szubtrópusi éghajlaton él, azonban a mérsékelt övi klímához alkalmazkodva víz- és hőmérsékletigénye alacsonyabbá vált.
Legfontosabb tulajdonsága a jó szárazságtűrés és a fagyállóság.
Több egyetemen az eddigi gyakorlatban alkalmazott energianövények (főleg a fás szárú, energiafűz) mellett új növényként megjelent az energianád is. Számos probléma kiküszöbölése mellett kidolgozták a termesztéstechnológiáját és erőműi felhasználási lehetőségét. De termesztésének gyakorlati kidolgozása rámutatott a növény alkalmazásának veszélyeire is. A jó mezőgazdasági területek elfoglalása nem gazdaságos más kultúrákkal szemben. A gyengébb minőségű területeken pedig víz- és tápanyag-utánpótlást igényel (jelenleg a szennyvíziszap- és szennyvízöntözéssel oldanák meg). A Miscanthus nem különösebben igényes a talajra. Terméshozamát nem elsősorban a talaj típusa, hanem a terület csapadékellátottsága határozza meg. A csapadékellátottság szempontjából igényei a kukoricához hasonlítanak, vagyis jelentősen csökkentjük a termesztés kockázatát, ha olyan termőhelyet választunk, ahol az éves csapadék eléri vagy meghaladja a 600 mm-t. Emellett a szabadföldi termesztés után az ültetvények felszámolása nehézkes. Ha jól érzi magát, nehéz a rizómák kiirtása.
Alternatív termőhely lehetősége
Magyarországon és a világon a csatornázottság bővülésével és a lakosság városokba történő vándorlása miatt egyre több szennyvíz keletkezik. A jövőben szükséges lesz új tisztító telepek létesítése, valamint a jelenlegiek korszerűsítése és bővítése. Az optimális tisztítási technológia kiválasztását számtalan tényező befolyásolja (keletkező szennyvíz mennyisége, minősége, területi adottságok, beruházási költségek stb.), de a döntésben fontos szerepet kell kapnia az alternatív funkcióknak. Egyik ilyen alternatíva a szennyvíz mint termőhely lehetősége is.
Napjainkban a legelterjedtebb és az egyik leghatékonyabb tisztítási technológia a levegőztető medencékben rögzített filmes eleveniszapos szennyvíztisztítás. Ebben a rendszerben a levegőztető eleveniszapos medencébe biofilm kialakítására alkalmas rögzített hordozót helyeznek (1. ábra), ahol a tisztítást a hordozókon megtelepedő mikrobák végzik. Az ilyen üzemekben, a nitrifikáció javulása éppen a protozoák nagyobb mennyiségű jelenléte eredményeként jelentkező kisebb iszapprodukció következménye. Ez a jobb iszapülepedési hajlam (kis iszapindex) következtében nagyobb iszapkoncentráció tartását teszi lehetővé. A növények gyökereinek természetes biofilm hordozóként való alkalmazása nagy fajlagos felületet biztosít. A tápanyagok eltávolításában a növényzetnek nincs jelentős szerepe, a szerves anyagok és a növényi tápanyagok lebontását a mikroorganizmusok végzik.
1. ábra: Biofilm kialakítására alkalmas rögzített hordozó vázlata
Ennek köszönhetően kiváló életteret biztosíthat főleg nagy vízigényű növények számára. Egy ilyen rendszerben a növények gyökerei biofilm-hordozóként is szolgálhatnak.
A biológiai szennyvíztisztító rendszer
A félüzemi tesztelés egy többlépcsős kísérleti biológiai szennyvíztisztító rendszeren történt. A kísérleti rendszer Telki község kommunális szennyvizét használja. A módszer során élő organizmusokat és hagyományos technológiát használtak.
A technológia egyesíti az eleveniszapos, biofilmes, gyökérzónás tisztítási eljárásokat. Mindez egymás után kapcsolt reaktorokban valósult meg. A biofilm reaktorokba helyezett mesterséges hordozókon és a rendszerbe telepített növények gyökerein egyaránt kialakult.
Biológiai szennyvíztisztító rendszer jellemzői a következők voltak:
• mechanikai rácsos szűrő,
• folyamatos táplálás, gravitációs átfolyás,
• munkám során 8 db egyenként 2 m3-es kaszkádelem üzemelt,
• 24 óra hidraulikus tartózkodási idő,
• aerob, finombuborékos levegőztetők,
• kaszkádelemekbe merített mesterséges hordozók,
• a rendszer első három reaktora a szervesanyag-tartalom eltávolításában (1. kép), a további reaktorok főként a nitrifikációban játszottak szerepet.
1. kép: A kísérleti biológiai szennyvíztisztító rendszeren egyik reaktora
A rizómákat a rendelkezésre álló 8 reaktorból minden másodikba helyeztük el, amelyek a vízfelszínre acél növénytartó rácsok segítségével kerültek.
Az energianád-termesztés feltételei
A kísérlet során a termesztést és a hozamot befolyásoló feltételrendszerek közül három, szerintem lényeges és a magyarországi kutatásokban szereplő szempontot figyeltem meg.
Ezek a következők voltak:
• hajtási arány (a telepítés után meginduló hajtások száma),
• rügyaktivitás (axilláris rügyek hossza /mm/ éves ciklusban),
• a termesztési feltételek kialakítása.
Az eredményeim közül a növényi aktivitást és az ezt követő hajtásaktivitást mutatom be.
Az energianád a termőhelyre történő kihelyezés után a hajtások megjelenésével mutatja legjobban, hogy mennyire kedvező számára az adott környezet. Ezért vizsgáltam a hajtások megjelenését, a kihajtott tövek számát (2. ábra).
2. ábra: A kihajtott tövek száma a vizsgálatokban
A hajtásokat a többszakaszos kísérleti biológiai szennyvíztisztító rendszer négy pontján vizsgáltam. Ennek egyik oka, hogy az így kapott eredményekből következtethettem arra, hogy a szennyvíz tisztulási szakaszaiból, melyiket tolerálják a Miscanthus-ok, és melyik az optimális szakasz a számukra.
A második reaktorba helyezett növények eredményei a kontrolltól jól láthatóan elmaradtak mind a kezdeti, mind a későbbi szakaszban. A hajtások alacsony számából következtethetünk arra, hogy a rizómák számára nem teljesen felel meg a nyers szennyvízhez közeli vízösszetétel, de valószínűleg ezt a víz még viszonylag alacsony hőmérséklete is befolyásolta. Ezen kívül ebben a reaktorban sajnálatos módon meghibásodás bekövetkezett be (vízszintingadozás és időnkénti felhabzás), ami nemkívánatos stresszhatásként jelentkezhetett.
A négyes reaktorba telepített növények már jobb eredményt hoztak, de a kezdeti időszakban még itt is a kontrolltól elmaradt a hajtások száma. A növények későbbi vizsgálata során azonban már a kontrollt meghaladó hajtásszámot észleltem. Itt a magasabb ammónia és alacsonyabb KOI (kémiai oxigénigény) már pozitív kihatást gyakorolt a növekedésre.
A hatodik reaktorba telepített szaporító anyagok, már a kezdeti időszakban is felülmúlták a kontroll növényeket. Jól látható, hogy a szerves anyagok biológiai bontásának ezen szakaszában a csökkenő oxigénigény és a megnövekedő mikrobiológiailag nem bontható szerves anyagok aránya a rügyek aktivitására pozitívan hat.
A nyolcadik reaktorban indultak a legjobban növekedésnek a rizóma rügyei. A kezdeti magas hajtásszám a harmadik mintavételre elérte a teljes kihajtást. A betelepített összes rizóma legalább egy hajtást nevelt. A hajtásszám a kontrollhoz képest már a kezdeti időszakban megközelítőleg 25 %-kal magasabban alakult. Ez arra enged következtetni, hogy az energianövény hajtásának az ebben a reaktorban kialakult körülmények voltak optimálisak, aminek köszönhetően a kontrollhoz képest is jelentős különbséget mutatott.
A hajtások számának alakulása mellett, megfigyeltem a hajtások növekedésének mértékét is, amit a keramzit feletti hosszváltozással mértem (3. ábra).
3. ábra: A hajtások növekedésének mértéke a viszgálatokban
A hajtások növekedése a hajtások számától nem függött. A hajtások megközelítőleg a reaktorra jellemző növekedési mértéket mutatták. A reaktorokban az előbb ismertetett tendenciák mutatkoztak ebben a vizsgálati módszerben is. A kedvezőbb körülmények közt lévő rügyek nagyobb növekedési rátát értek el: a kettes reaktor első két mintavételi időpontja kivételével az összes többi reaktorban a kontroll növények hajtáshosszát meghaladó értékek voltak mérhetők. Azonban a harmadik mintavételnél már a kettes reaktor hajtásai is túlszárnyalták a kontroll növényekét.
A legjobb növekedést a hatos és a nyolcas reaktor nádhajtásai mutattak. A minták mindegyikére igaz volt azonban, hogy a kezdeti gyors növekedés a harmadik mintavételre visszaesett. Ennek több oka is lehet, de a csapadékos időjárás (ami hígító hatással lehet a szennyvíz koncentrációjára), a hasznosítható napfény mennyiségének csökkenése vagy együttes hatásuk is okozhatta.
A termesztés előnyei
A hazai és nemzetközi kutatások, termesztési tapasztalatok és energetikai vizsgálatok alapján az energianád a jövőben fontos szerepet kaphat és kell is hogy kapjon. A megfelelő termesztési technológiával gazdaságosan és klímatudatosan hasznosíthatjuk ezen energianövényünket. Magyarország kedvező természeti adottságából adódóan nagy mennyiségű biomasszát tud előállítani, amelynek energetikai célú felhasználásában potenciális lehetőségek vannak. Az energianád szaporítására egyaránt megfelel a palánta és a rizóma, de én az utóbbi használatát tartottam jobbnak. Az energianád telepítése elsősorban olyan területekre tervezhető, ahol nem jelent konkurenciát az élelmiszernövényeknek. Az eredményes termesztés feltétele az átgondolt telepítés (szántóföldi körülményeknél talajművelés), megfelelő szaporítóanyag kiválasztása, a jól időzített telepítés, és a 90 % (9000 tő/ha vagy 9 tő/m2) fölötti beállottság elérése a harmadik tenyészévre.
A félüzemi tesztelés és termelési tapasztalatok alapján az energianád termesztése a mezőgazdasági területek elfoglalása nélkül is potenciális alternatíva lehet. A termesztésének gazdasági előnye mellett a környezetvédelemben is jelentős lehet. Környezetvédelmi lehetőségei az ÜHG (üvegházhatást okozó gázok) emisszió csökkentése mellett a szennyvíztisztításban is jelentős potenciállal bírhat.
Az eredmények láttán nem lehet kétség, hogy az energianád beilleszthető a biológiai szennyvíztisztításba. A növekedési mutatók alapján, a szántóföldi termőhelyen történő termesztéshez hasonló produktumot lehetne elérni a megfelelő gépesítés kidolgozásával.
14 érv az energianád szennyvízen történő termesztése mellett
• Egy nagy terméspotenciállal rendelkező C4-es növény, amely képes alkalmazkodni a körülményekhez.
• Energiaültetvény, amely legalább 15-20 évig terem, csökkenő ráfordítások mellett.
• Nem vesz igénybe talajt, így nem hódít el termőhelyet egyéb élelmiszernövényektől.
• Természetközeli élőhelyet biztosít, mellyel növeli a biológiai diverzitást, mely hatékonyabb tisztítást eredményez, így pozitívan befolyásolja a szennyvíztisztítási folyamatokat.
• Tápanyag-utánpótlás nélkül nagy biomassza-tömeg (20-25 t/ha) előállítására lehet képes.
• Kórokozótól és kártevőtől mentes növény, termesztése nem okoz növényvédelmi problémát.
• Növénytermesztés diverzifikálása. Energiacélú növény, nem befolyásolja az élelmiszer- és takarmánynövények piacát.
• Hazánk energiafüggőségének mérséklésére irányuló törekvések miatt piacképes technológia lehet.
• Saját és lakosság célú felhasználással (hő-előállítás) kiemelt haszon érhető el, a levegő ÜHG terhelésének csökkentése mellett (zöld energia).
• Már meglévő technológiai eszközökkel megoldható a termesztése, a betakarítása minimális gépesítéssel, de kézi betakarítással is végrehajtható.
• A betakarítási munkák gyorsan elvégezhetőek, kevés többletmunkát igényelnek.
• Bővíti a szennyvíztisztító telepek profilját, továbbá stabil bevételi forrást jelenthet.
• Csökkenti a tisztítók bűzszennyezését, természetközelibb környezetet biztosít a telep számára.
• A felesleges hőenergia (biogáztermelés, gázmotor, szennyvíziszap-rothasztás, komposztálás stb.) az üvegház fűtésére fordítható, ami a folyamatos termelést és a mikrobiológiai folyamatok stabilizálását jelentheti.
Fotó: A szerző felvétele
Szaniszló Albert PhD hallgató
SzIE Mezőgazdaság- és Környezettudományi Kar, Növénytermesztési Intézet, Gödöllő
