MEMBRÁNOK ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEI A BIOGÁZ ELŐÁLLÍTÁSNÁL

Átírás

1 PANNON EGYETEM VEGYÉSZMÉRNÖKI TUDOMÁNYOK ÉS ANYAGTUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA MEMBRÁNOK ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEI A BIOGÁZ ELŐÁLLÍTÁSNÁL DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI KÉSZÍTETTE: SZENTGYÖRGYI ESZTER OKL. KÖRNYEZETMÉRNÖK TÉMAVEZETŐ: BÉLAFINÉ Dr. BAKÓ KATALIN TUDOMÁNYOS FŐMUNKATÁRS PANNON EGYETEM MŰSZAKI KÉMIAI KUTATÓ INTÉZET 2010

2 BEVEZETÉS A levegő és a vizek szennyezésének növekedésével a világ minden részén egyre fontosabb kérdéssé válik a környezet védelme. A kormányok támogatják az olyan új technológiák kifejlesztését, melyek segítségével hatékonyan és gazdaságosan lehet eltávolítani a káros anyagokat a környezetből. A rendelkezésre álló megoldási lehetőségek közül, a szennyezések szerves frakciójának kezelésére alkalmas, anaerob körülmények között végzett mikrobiológiai lebontás az egyik legígéretesebb, környezetvédelmi és gazdaságossági szempontból egyaránt. Az anaerob folyamat (rothasztás) egyik fő terméke a biogáz, mely környezetvédelmi aspektusból megújuló energiaforrás. Napjainkra egyre több biogáz üzem épül világszerte, részben az egyre nagyobb mennyiségű, különböző eredetű szerves hulladékok kezelésére, részben pedig a megújuló energiaforrások iránti igény növekedése miatt. A biogáz előállítás hatékonyságának növelésére két lehetőség kínálkozik. Egyrészről a mikroorganizmusok metabolizmusának tanulmányozása során fény derült különböző lehetséges metabolikus utakra, melyek által elősegíthető a megfelelő populációk hatékonyabb szaporodása és működése. Másrészről a membránszeparációs technikák, mint környezetkímélő, hulladékszegény eljárások hatékony eszközök lehetnek az iszaptartózkodási idő növelésében, amennyiben a mikroorganizmusokat szinte teljes mértékig visszatartják az anaerob rendszerben. Amennyiben a membránok közvetlenül kapcsolódnak az anaerob rendszerhez, a rendszer integrált anaerob membrán bioreaktorként (AnMBR) üzemel. Munkám során célul tűztem ki egyrészt az anaerob lebontás és annak hatékonyság növelési lehetőségeinek tanulmányozását membrántechnikákkal való integrálás esetén, másrészt a termékként előállított biogáz tisztítási lehetőségét gázszeparációs membrán használatával. Vizsgálni kívántam, hogy az anaerob fermentorban visszamaradó iszap membrános koncentrálásával lehet-e biogáz többletet termelni, illetve a membrán integrálásával kialakítható membrán bioreaktor működtethető-e jobb hatékonysággal, nagyobb szerves anyag terheléssel, mint a konvencionális anaerob fermentor.

3 KÍSÉRLETI MÓDSZEREK Az anaerob lebontás és a biogáz képződés vizsgálatára légmentesen zárható üvegreaktorokat használtam, melyekhez módosított U-cső kialakítású, a folyadék-kiszorítás illetve feszültséggenerálás elvén működő gáztérfogat mérő eszköz csatlakozott. Az anaerob fermentáció hatékonyság-javításának vizsgálatára saválló acélból készült fermentorokat alkalmaztam. A munkám során különböző anyagú és pórusméretű mikro-, ultra- és fordított ozmózis membránokat teszteltem. Az anaerob fermentáció vizsgálatához a beoltó iszap egy hazánkban működő biogázüzemből származott. Az adagolt szintetikus szubsztrát, mely az állati és mezőgazdasági szerves hulladékok modellezésére szolgált, saját készítésű volt. A folyamatok követésére analitikai módszereket és gázkromatográfiát alkalmaztam. A biogáztisztítás vizsgálatához egy mobil, nagynyomású membrántesztelő berendezést használtam, melyben kereskedelemi forgalomban kapható membránmodul szeparációs tulajdonságait teszteltem. A gázszeparáció teszteléséhez egykomponensű és modell gázelegyeket alkalmaztam. A folyamat követésére gázkromatográfiás módszert alkalmaztam. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK Doktori munkám során az anaerob lebontást és a biogáz előállítás hatékonyság növelését tanulmányoztam membrántechnikák alkalmazásával, továbbá vizsgáltam a biogáz metánban való dúsításának lehetőségét gázszeparációs membránnal. Az anaerob lebontás folyamatát membránszeparációs eljárással integrálva a rendszerben teljesebb lebontás, és ezáltal nagyobb biogázhozam érhető el a hagyományos rendszerekhez képest. Ezen felül a hidraulikus tartózkodási idő csökkenthető, melynek köszönhetően a reaktor méretek csökkenthetők, a technológiának kisebb lesz a helyigénye. Az anaerob fermentáció során termelődött biogáz energiatermelésre illetve üzemanyagként való felhasználhatóságát a metántartalom növelésével lehet kedvezőbbé tenni. Ezen cél érdekében vizsgáltam a membrános gázszeparáció lehetőségét. Jelenleg az iparban a biogáz tisztítására főként abszorpciós eljárásokat használnak. A membrános gázszeparáció ezen eljárásokkal szemben versenyképes, hiszen nincs vegyszerigénye, környezeti hőmérsékleten üzemeltethető és könnyen kombinálható egyéb eljárásokkal, így hatékonyabb és környezetkímélőbb eljárásnak tekinthető.

4 1 ANAEROB LEBONTÁS VIZSGÁLATÁRA ALKALMAS RENDSZER Az egymástól lényegesen különböző biológiailag bontható szubsztrátok biogázkihozatali vizsgálatainak reprodukálható elvégzésére alkalmas berendezést tervezését és kialakítását végeztük el. Az újszerű mérőrendszer részei: termosztálható, saválló, több munkahelyes acélkád; 1 liter térfogatú üveg fermentorok; volumetrikus elven működő gázmennyiség mérők. A mérőrendszer alkalmas a biogáz hozam és képződési sebesség együttes meghatározására. A szubsztrátok minősítési eljárását, melynél minden mérési sorozatnál vizsgálható a beoltó iszap biogázkihozatala, ezzel korrigálhatóak a mérési eredmények. Továbbá a beoltó iszap biogázkihozatala állandó minőségű szintetikus szubsztráttal mérhető. Ezen mérési eredmények segítségével a különböző időpontokban vizsgált szubsztrátok egymással összehasonlíthatóvá válnak. A kialakított rendszernek és eljárásnak köszönhetően vizsgálható és összehasonlítható bármely szubsztrátok lebontási és biogázelőállítási folyamata. 2 ISZAPKONCENTRÁLÁS MEMBRÁNSZŰRÉSSEL Az anaerob fermentáció intenzifikálására és ezáltal a biogázelőállítás hatékonyságának növelésére, nyomáskülönbségen alapuló membránszeparációs kísérleteket végeztem különböző típusú mikro- és ultraszűrő membránokkal. A vizsgált ultraszűrő membránok alkalmasnak bizonyultak a szerves anyag %-ának visszatartására. A PS_100H és P_020F ultraszűrő membránok alkalmazásával, 3 bar nyomáskülönbség és 50 %-os kitermelés mellett az 1,6 %-os iszapot 2,3-2,6 %-osra koncentráltam, és így a fajlagos biogázhozamot 0,33 m 3 /m 3 -ről 0,50-0,59 m 3 /m 3 -re növeltem. Az ultraszűrő membránok permeátumát további tisztítás céljából fordított ozmózis membránnal kezeltem. Megállapítottam, hogy a permeátumba kerülő tápanyagok fordított ozmózis membrán segítségével eltávolíthatók, így a tisztított víz (0,4-0,5 mg szárazanyag/l, a 0,5-10 mg KOI/l, 0,8-0,9 mg NH 4 -N/l és 1-3 mg TP/l) természetes befogadóba vezethető.

5 3 BIOGÁZELŐÁLLÍTÁS ANAEROB MEMBRÁN BIOREAKTORRAL Egy hagyományos anaerob fermentor recirkulációs áramába ultraszűrő membránt (160 kda) tartalmazó modult integrálva, anaerob membrán bioreaktort alakítottam ki. Vizsgáltam a rendszer biogáz előállítási és szerves anyag eltávolítási hatékonyságát. Megállapítottam, hogy az anaerob membrán bioreaktor a hagyományos anaerob fermentorokhoz képest lényegesen nagyobb térfogati terheléssel üzemeltethető (4 helyett 9 kg KOI/m 3 nap), és ilyen magas terhelés mellett, 6 napos hidraulikus tartózkodási idővel is megtartható a rendszer stabilitása. Megállapítottam továbbá, hogy konvencionális anaerob reaktorhoz képest az anaerob membrán bioreaktor fajlagos biogázhozama 10 %-kal metánhozama 20 %-kal növelhető. 4 BIOGÁZ TISZTÍTÁSA MEMBRÁNOS GÁZSZEPARÁCIÓVAL A biogázból való széndioxid eltávolításra egy kereskedelmi forgalomban kapható membrán modult (UBE CO5) gázszeparációs tulajdonságait vizsgáltam, A membrán modul pórusmentes poliimid kompozit kapilláris membránt tartalmazott. Meghatároztam a membrán metánra és CO 2 -ra vonatkozó áramlási sebességét és szelektivitását tiszta gázok felhasználásával, amely alapján megállapítottam, hogy a membrán alkalmas a képződő biogáz CO 2 tartalmának eltávolítására. A továbbiakban kétkomponensű modell gázelegy (80 % CH 4, 20 % CO 2 ) szelektivitását vizsgáltam különböző betáplálási/permeátum nyomás arányoknál (p f /p p ) és kitermelésnél. Megállapítottam, hogy azonos kitermelés mellett a nyomásarányok változtatásával nagyobb mértékben befolyásolható a termék összetétele. 2,5 p f /p p felett, 90 %-os kitermeléssel már előállítható a 10 %-nál kevesebb CO 2 -ot tartalmazó termék. A biogáz modellezésére % CO 2, 9-10 % N 2 és % CH 4 tartalmú elegyet használtam. A vizsgálatokat különböző betáplálási/permeátum nyomás arányoknál (p f /p p ) és kitermeléseknél elvégezve megállapítottam, hogy 92 %-os kihozatallal (metánra vonatkoztatva) 90 % koncentráció feletti metán tartalmú gáz, biometán állítható elő.

6 ÖSSZEFOGLALÁS Kísérleti munkám tárgya az anaerob lebontás vizsgálata és integrálása membránszeparációs eljárással a biogázkihozatal növelésének érdekében, továbbá a biogáz metántartalmának dúsítása membrános gázszeparációval volt. A kísérletsorozat kezdő lépéseként az egymástól lényegesen különböző biológiailag bontható szubsztrátok biogázkihozatali vizsgálatainak reprodukálható elvégzésére alkalmas berendezést állítottunk össze, és a kidolgoztuk a minősítési eljárást. Következő lépésként az anaerob fermentáció hatékonyság növelését vizsgáltam nyomáskülönbségen alapuló membránszűrési technikák alkalmazásával. Különböző mikro- és ultraszűrő membránokkal koncentráltam az anaerob iszapot, és megállapítottam, hogy ultraszűrő membránok alkalmazásával a mikrobák viszzatarthatóak, ennek eredményeként a biogázkihozatal növelhető. A szűrési/koncentrálási kísérletek eredményei alapján ultraszűrő membránt tartalmazó membránmodult integráltam az anaerob fermentor recirkulációs áramába, és vizsgáltam, hogy a hidraulikus tartózkodási idő csökkentése és a térfogati terhelés növelése mellett mennyiben változik a biogáztermelés. Megállapítottam, hogy a hagyományos rendszerekhez képest, a membrán segítségével elérhető iszapkoncentrálódás következtében az anaerob membrán bioreaktor lényegesen nagyobb terheléssel, kisebb hidraulikus tartózkodási idővel üzemeltethető. A hidraulikus tartózkodási idő csökkenésének köszönhetően a rendszer helyigénye csökkenthető. Mindemellett a biogázhozama 10 %-kal, biometánhozama 20 %-kal növelhető a konvencionális rendszerekhez képest. A biogáz membrános gázszeparációval történő tisztítási vizsgálatai során megállapítottam, hogy a tesztelt membránmodul alkalmas metánban dús (>90 %) végtermék előállítására, tehát valószínűleg ez az eljárás kiválthatja az abszorpciós eljárásokat. Eredményeink alapján megállapítottuk, hogy a membrános eljárások beiktatásával valóban javítani lehet a biogáz termelés technológiáját. PUBLIKÁCIÓK Szentgyörgyi E., Nemestóthy N., Bélafi Bakó K., Biomethane production by gas separation membranes, Desalination and Water Treatment, 14 (2010) Szentgyörgyi E., Bélafi-Bakó K., Anaerobic membrane bioreactors, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, (2010) nyomtatásban

7 Szentgyörgyi E., Nemestóthy N., Bélafi Bakó K., Anaerobic moving bed biofilm fermenter for biogas production, Environmental Protection Engineering, (2010) nyomtatásban Csanádi, Z., Bélafi-Bakó, K., Szentgyörgyi, E., Gubicza, L., Knez, Z., Habulin, M., Enzymatic esterification of glycerol and stearic acid in non-conventional media, Acta Chimica Slovenica, 57 (2010) Szentgyörgyi E, Vajda B., Nemestóthy N., Bélafiné Bakó K.: Membránok alkalmazási lehetőségei a biogáz előállításnál, Membrántechnika, Ipari Biotechnológia I/1 (2010) 2-10 Vajda B., Szentgyörgyi E.: Membránok alkalmazási lehetőségei a szennyvíztisztításban és a biogáz előállításban, Membrántechnika XIII/2., (2009) Szentgyörgyi E., Pitás V., Kárpáti Á., A biofilmes szennyvíztisztítási technológiák létjogosultsága a modern szennyvíztisztításban, MASZESZ Hírcsatorna, május-június (2008) 3-9 Pásztor István, Kárpáti Árpád, Szentgyörgyi Eszter, Varga Gyula István, A szennyvíz lúgosságának jelentősége a szennyvíztisztítási technológiák tervezésében és modellezésében, MASZESZ Hírcsatorna, május-június (2007), 8-13 KONFERENCIA PROCEEDINGEK JEGYZÉKE E. Szentgyörgyi, N. Nemestóthy, K. Bélafi Bakó, Recovery of methane from biogas by membranes, XXVII EMS-Summer School, június 14-19, Bukarest, E. Szentgyörgyi, N. Nemestóthy, K. Bélafi-Bakó, Anaerobic biofilm system for biogas production, Biotechnology Ecology of Big Cities március 15-17, Moszkva, Proceeding E. Szentgyörgyi, N. Nemestóthy, K. Bélafi Bakó, Biomethane production by gas separation membranes, PERMEA2009, június 7-11, Prága, Proceeding Szentgyörgyi E., Nemestóthy N., Bélafiné Bakó K., Két anaerob biofilmes rendszer biogáz termelési hatékonyságának összehasonlítása, Műszaki Kémiai Napok, Proceeding (2010) Szentgyörgyi Eszter, Tubik Eszter, Nemestóthy Nándor, Bélafiné Bakó Katalin, Mezőgazdasági hulladékok anaerob fermentációjának intenzifikálása membrános eljárásokkal, Műszaki Kémiai Napok, Proceeding (2009) Szentgyörgyi, E., Pitás, V., Kárpáti, Á., A biofilmes szennyvíztisztítási technológiák létjogosultsága a modern szennyvíztisztításban, Nemzetközi Konferencia, Sopron, Proceeding, (2008) 5-12 Szentgyörgyi, E, Thury, P, Téli nitrifikáció a balatonfüredi és révfülöpi szennyvíztelepen, Nemzetközi Konferencia, Sopron, Proceeding, (2008) 21-29