Iszapkezelés, biogáz előállítás és tisztítás
Települési szennyvíz tisztítás alapsémája
A szennyvíziszap általános összetétele 1. Hasznosítható anyagok Iszapvíz Ásványi anyagok Szerves anyagok Tápanyagok Nyomelemek 2. Korlátozó összetevők Mérgező anyagok Patogének
Milyen formában van jelen az iszapban a víz? Pórusvíz (~70%) Kapillárisokban kötött víz (~22%) Sejtekben kötött víz (~8%)
Hogyan lehet eltávolítani az iszapvizet? Az iszapvíz fajtája Pórusvíz A víz eltávolítás módszere Iszapsűrítés Kapillárisokban kötött víz Sejtekben kötött víz Először: kondicionálás, stabilizálás Utána: Víztelenítés Szárítás
Az iszap térfogata a szárazanyag tartalom függvényében
Iszapkezelés általános technológiai folyamatábra
1. lépés: Iszapsűrítés Gravitációs iszapsűrítő (ülepítés) Flotációs iszapsűrítő (felúsztatás levegőbuborékokkal) Szűrőberendezés Centrifuga
2. lépés: Az iszap vízteleníthetőségének elősegíthetése: Kondicionálással Stabilizálással Utána: Víztelenítés
Kondicionálás (energiabevitel) Fizikai Kémiai Biokémiai (aerob, anaerob)
Biokémiai kondicionálás Aerob kondicionálás: levegőztető medence Anaerob kondicionálás: rothasztás
2/a. Lépés: Iszap víztelenítés (kondicionálás, stabilizálás után) Gépi víztelenítés Természetes víztelenítés: Centrifugális eljárások (centrifuga, hidrociklon ) Szűrési eljárások (vákuumszűrő, szalagszűrő prés, kamrás szűrőprés ) Iszapágyak Iszaplerakóhelyek
3. Lépés: Iszap szárítás Természetes szárítás Gépi szárítás Iszaptavak Iszapszárítás napenergiával Dobszárító Etázsszárító Fluid szárító
Anaerob biokémiai kondicionálás = ROTHASZTÁS
Iszaprothasztás
Anaerob biokémiai kondicionálás = ROTHASZTÁS Termékei: - kirothadt iszap mezőgazdaságban hasznosítható - Biogáz hő- és villamos energia termelés pl. gázmotorok, kazánok
A rothasztás hőmérséklet tartományai Hideg rothasztás t < 15 0 C (50-180 nap) Fűtött rothasztás t = 32-58 C mezofil tartomány t= 32-38 C (15-25 nap) termofil tartomány t= 55-58 C (5-12 nap)
Mi történik a rothasztóban? Az iszap és a mikroorganizmusok intenzív keverése (mechanikus keverővel, szivattyús cirkulációval, a biogáz buborékoltatásával) Fűtés, hőntartás (fűtő csőkígyóval, külső hőcserélővel)
ROTHASZTÓK Keverés Célja: A reaktorban a hőmérséklet különbségek kiegyenlítése A biológiai iszap és a nyers iszap összekeverése A felúszó vagy leülepedő szilárd részek kiválásának megakadályozása Keverési lehetőségek: Biogázzal Mechanikus keverővel Iszap recirkulációval 19
ROTHASZTÓK Keverés a.mechanikus keverés b.mechanikus keverés c.szivattyús keverés d.szivattyús keverés e.biogázos és folyadékos keverés f. Biogázos keverés 20
A reaktor alakja Hengeres Kúpos fenék Kúpos fedél Tojásdad 21
22
ROTHASZTÓ FEDÉL Fix fedél Úszó fedél 23
ÚSZÓ TETŐS ROTHASZTÓ 24
ROTHASZTÓ FŰTÉS Belső csőkígyó Külső hőcserélő 25
ROTHASZTÓ FŰTÉS (Belső csőkígyó) 26
ROTHASZTÓ FŰTÉS (Külső hőcserélő) 27
28
Rothasztók és gáztárolók 29
Az épülő győri rothasztó tornyok 30
Nyíregyházi anaerob rothasztók 31
Nyíregyházi rothasztó biogáz gázdómja 32
Dél-pesti termofil rothasztó V = 2000 m 3 33
Iszaprothasztók BKSZT
Iszaprothasztók
Iszaprothasztók (Kína)
Iszaprothasztók (Wiesbaden)
A biogáz metán (60-65% CH 4 ) és széndioxid (30-35% CO 2 ) keverékéből álló gáz, mely kommunális szennyvíziszap, állati trágyák és mezőgazdasági maradékok fermentációja során termelődik
Fogalmak Biogáz: Szénhidrát-, illetve cellulóz- tartalmú, valamint fehérjéket és zsírokat tartalmazó szerves hulladékok anaerob szervezetek hatására végbemenő bomlásának gáznemű, rendszerint éghető terméke, amely ammónia, kén-hidrogén, szénmonoxid és széndioxid mellett legnagyobbrészt metánból áll; Biometán vagy bioföldgáz: Földgáz minőségűre tisztított biogáz. Bio-CNG (Bio-Compressed Natural Gas): a biogáz tisztításával és komprimálásával előállított, üzemanyag minőségű éghető gáz.
Biogáz felhasználási lehetőségei
Biogázok jellemzői Decentralizált energiaforrások; A földgáznál jelentősen kisebb az energiatartalmuk; Összetételük nem felel meg a közszolgáltatású földgázokénak; Jelentős mennyiségben tartalmazhatnak inert komponenseket (N 2, CO 2 ); A depóniagázokban kis mennyiségben oxigén is előfordulhat (kockázati faktor); Kis mennyiségben tartalmaznak egyéb, általában nem kívánatos komponenseket (H 2 S, NH 3, halogén vegyületek, sziloxánok, stb.) Összetételük és a képződés mennyisége időben változó lehet; Atmoszférikushoz közeli, kis nyomáson képződnek.
Különböző forrásból származó földgázok és biogázok jellemzői
Előírt értékek biogázok gépjármű üzemanyagként történő felhasználásához Franciaország Svájc Svédország Harmatpont C 5 -kal alacsonyabb, mint a legalacsonyabb környezeti hőmérséklet Víztartalom max. mg/nm 3 100 5 32 Metán min. térf % 96 97 Szén-dioxid max. térf % 3 Oxigén max. térf % 3,5 0,5 1 CO 2 +O 2 +N 2 max. térf % 3 3 3 Hidrogén max. térf % 0,5 Kén-hidrogén max mg/nm 3 7 5 23 Összes kén mg/nm 3 14,3 Halogénezett szénhidrogének mg/m 3 1 0
Tisztítási igény A biogáz tisztítási igénye a következő felhasználási sorrend szerint fokozódik: eltüzelés kazánban (H 2 S leválasztása, vízmentesítés), eltüzelés gázmotorban vagy mikroturbinában (H 2 S és sziloxánok leválasztása, vízmentesítés), felhasználás tüzelőanyag-cellában (H 2 S, halogének, sziloxánok és CO 2 leválasztása, vízmentesítés), betáplálás a földgázhálózatba vagy gépjármű üzemanyagként történő felhasználás(h 2 S, halogének, sziloxánok, CO 2 és NH 3 leválasztása, vízmentesítés).
A biogáz szennyezőinek veszélyei A tisztítatlan biogázok veszélyt jelenthetnek a gázvezetékekre, szerelvényekre és tüzelőberendezésekre: CO 2 : csökkenti az égéshőt, rontja a gyulladási paramétereket, elősegíti a korróziót, vízzel szénsavat képez; N 2 : csökkenti az égéshőt, rontja a gyulladási paramétereket; H 2 : lángterjedési sebessége miatt kockázat a tüzelőberendezésekben; O 2 : nedves környezetben korrozív; H 2 S: korróziót okoz, SO 2 emisszió elégetéskor, az égéstermék víztartalmával kénessavat alkot; NH 3 : rontja a gyulladási paramétereket; NO x emisszió eltüzeléskor, az égéstermék víztartalmával ammóniumiont és hidroxidiont képez
A biogáz szennyezőinek veszélyei CO: erős vérméreg, erős redukáló hatású; Halogénelemek (Cl és F ): fémekkel sószerű vegyületekké egyesülnek, az égéstermék víztartalmával savat képeznek; BTX (Benzol, Toluol, Xilol): erős korrózió műanyag vezetékekben és berendezésekben; Sziloxánok: elősegíti a gázmotorok és gázturbinák intenzív kopását; H 2 O: elősegíti a korróziót, fagyveszélyes; Por: eltömíti a fúvókákat; Szerves mikroorganizmusok: biokorróziót okozhatnak; PAHs (poliaromás szénhidrogének): mérgező, rákkeltő anyagok, károsítják a PE vezetékeket, elégetésükkor korom képződik.
A biogáz előnyei Megújuló energia termelhető belőle; Tárolható; Sokféle alapanyagból előállítható; Akár földgáz minőségűre tisztítható; Törvényi kötelezettség vonatkozik a megfelelő minőségű biogázok földgázhálózati betáplálásának engedélyezésére; A vezetékek, szerelvények és tüzelőberendezések helyes anyag-megválasztásával a káros hatások kiküszöbölhetők; Bizonyos minőség mellett földgázra beszabályozott berendezésekben is eltüzelhető.
Biológiai gáztisztítás az1920-as években kezdték el kifejleszteni fő módszerek: bioszűrő (biofilter) bioreaktor (csepegtetőtest) biomosó membrános bioreaktor
bioszűrő szerves töltőanyag biztosítja a mikroorganizmusok tápanyagellátását, nincs mozgó folyékony fázis bioreaktor és a biomosó mozgó folyékony fázis: a mikroorganizmusok tápanyagellátását szolgálja a szennyező anyagok átviteli fázisa a gázból a mikroorganizmusokra
Biológiai gáztisztítás Technológia Mozgó fázis Töltőanyag Aktív biomassza Bioszűrő gáz szerves fix (rögzített) Bioreaktor folyadék és gáz szintetikus fix (rögzített) Biomosó folyadék és gáz diszperz
Bioszűrő 1. tisztítandó gáz keresztülhalad egy szerves anyagból álló szűrőágyon alapjaként gyakran komposztot, tőzeget, korhadt fát, fakérget, faforgácsot és ezek kombinációit alkalmazzák nincs mozgó folyékony fázis megfelelő a vízben rosszul oldódó- és az alacsony diffúziójú szennyező anyagok kezeléséhez
Bioszűrő 2. Hátránya: a szűrőágy komplex szerves töltőanyaga gátló reakciótermékek szűrő folyamatos cserére szorul a szerves szűrőágy tápanyag-utánpótlásként és az aktív biomassza hordozóanyagaként is szolgál Szűrőanyagként komposztot, talajt, rőzsét, szénát, tőzeget, fakérget, fanyesedéket, gyökérnyesedéket, kukoricacsutkát, szőlőmagot, fűrészport, szárított szennyvíziszapot, stb. alkalmaznak
Bioszűrő 3. Fontos paraméterek: nedvességtartalom hőmérséklet nyomás a szűrőágy nedvességtartalma: nem lehet túl alacsony, mivel a mikroorganizmusok élettevékenységéhez a víz nélkülözhetetlen nem lehet túl magas sem, mert komoly problémákat okozhat a megfelelő nedvességtartalom 20 és 80% között van
Bioszűrő 4. A szűrőágy hőmérséklete az optimális hőmérséklet megfelel a mezofil hőmérsékletének, ami kb. 30 C A nyomáscsökkenés a szűrőn áthaladó gázfázis okozza költségek; függ a szűrőágy nedvességtartamától; függ a szűrőágy jellegétől: legnagyobb nyomás: a talaj komposzt, tőzeg, fakéreg
Bioszűrő 5.
Bioreaktor 1. szintetikus töltőanyag ezen rögzülnek a mikroorganizmusok és biofilm nő felülről lefelé áramlik a víz, a szerves szennyezést tartalmazó gáz pedig általában ezzel ellenáramban a szennyeződések a folyékony fázisba, majd a biofilm felületére kerülnek és ott biológiailag oxidálódnak.
Bioreaktor 2. ugyanolyan előnyökkel és hátrányokkal rendelkezik, mint a biomosó hátránya még, hogy a biofilm a szintetikus töltőanyag felületén fejlődik, és ez a mikrobák növekedését fokozatosan csökkenti csökken az üres térfogat nagyobb nyomásesés a szűrő teljes eltömődése.
Permetezett bioreaktor
Biomosó 1. a nedves gáztisztítás és biológiai lebontás olyan kombinációja, ahol a mosófolyadék a káros gázkomponenst oxidáló mikrobakultúrát tartalmaz, így alkalmazhatóságának feltételei: az eltávolítandó gázkomponens kimosható legyen a kimosott komponens aerob úton bomoljon le. a szennyeződött gázt feloldják a folyékony fázisban Akkor alkalmazható, ha a szennyező gázokat vízben oldani lehet hátránya: kétlépéses eljárás szükség van a gázszennyezők feloldására a vizes fázisban, de a legtöbb szennyező gáz nem oldható vízben
Biomosó 2.
Biomosó 3.
Biomosó 4. a.) abszorber b.) eleveniszap keringetés c.) eleveniszapos levegőztető tartály
Biomosó 5.
Membrán bioreaktor
Kén-hidrogén (H 2 S) leválasztása biogázból H 2 S: 0-2000 ppm Merkaptánok: 0-100 ppm
Helyi kéntelenítés: Szulfid eltávolítás fémsók (vas klorid és vas szulfát) beadagolása a fermentorba vagy a szubsztrát előkeverő tartályba ammónia is eltávolításra kerül olcsó eljárás, külön beruházási költséggel nem jár kéntelenítés hatékonysága kevésbé kontrollálható
Biológiai mosás oxigénre van szükség kén hidrogén eltávolítása oxidációval mikroorganizmusok révén a vízzé és elemi kénné (vagy kénessavvá) átalakított gáz összetevők a torony mosószennyvízével együtt távoznak kis beruházási költség kis üzemeltetési költség magas vagy ingadozó kén hidrogén tartalom esetén nem jó
H 2 S leválasztása biomosóban
Kémiai oxidatív mosás kén hidrogén abszorpció maró hatású oldószerben (NaOH) Oxidálószerrel növelhető a H 2 S szelektivitás a CO 2 -vel szemben Oxidálószer pl: H 2 O 2 (hidrogénperoxid) magas vagy ingadozó kén hidrogén tartalom esetén is alkalmazható
Fémoxidos vagy aktív szenes adszorpció fémoxid (vasoxid, cinkoxid, rézoxid) adszorbens esetén a kén kötött fémszulfid formába kerül és közben vízgőz is felszabadul; aktív szénen történő adszorpció esetén kis mennyiségű oxigén hozzáadására van szükség, hogy a kén hidrogén katalitikus úton elemi kénné alakulhasson, és erősebben kötődjön meg a felszínen
H 2 S leválasztása adszorberben
Szén-dioxid (CO 2 ) leválasztása biogázból Fizikai abszorpció (vizes, szerves oldószeres) Kémiai abszorpció: aminos mosás Nyomásváltásos adszorpció Membrán technológia
Fizikai abszorpció: Nagynyomású vizes mosás szén dioxid vízben jobban oldódik, mint a metán, különösen alacsony hőmérsékleten és nagy nyomáson regenerálás gyors nyomáscsökkentéssel (deszorpció)
Szerves fizikai abszorpció Víz helyett szerves oldószert (pl. polietilén glikolt) alkalmaznak jobb szén-dioxid oldhatóság, kisebb oldószer szükséglet, és kisebb berendezés méret
Kémiai abszorpció: aminos mosás Abszorbens: MEA, DEA, MDEA üzemeltetési nyomása alacsonyabb, mint a nagynyomású vizes mosóké A felhasznált aminos oldatot 160 C ra melegítik, ahol a szén dioxid nagy része eltávozik a regenerációs toronyból A melegítés a folyamat során keletkező hővel megoldható.
Nyomásváltásos adszorpció (PSA) Adszorbens: aktív szén, zeolit magas nyomású adszorpció Regenerálás fokozatos nyomáscsökkentéssel Folyamatos üzem több párhuzamosan kapcsolt adszorberre
Membrán technológia: Gázpermeáció Az alkalmazott membránok áteresztik a széndioxidot, a vizet és az ammóniát; A kén hidrogén, az oxigén és a nitrogén csak kis mértékben képes áthatolni a membránon; a metán csak igen kis mennyiségben; alkalmazott membránok: különböző polimer anyagok (poliszulfon, poliamid, polidimetilsziloxán; üreges szálas membrán modulok.
Membrán technológia: Gázpermeáció
Biogáz víztelenítés Kondenzáció Abszorpció (glikolos) Adszorpció
Iszapvonal polielektrolit (A) éttermi hulladék fölösiszap sűrítő sűrítő asztal term. rothasztó nyersiszap csurgalékvíz csurgalékvíz 55 C beszállítás mezofil rothasztó 35 C polielektrolit (B) víztelenítő centrifuga csurgalékvíz gázharang kéntelenítő gázfáklya kazán gázmotor hő hő áram
Dél-pesti szennyvíztisztító telep termofil-mezofil rothasztás technológiai vázlata
Biogáz tartályok BKSZT
Gázmotor BKSZT (3,2 MW)
Biogáz kazánok
Gázmotor
Villamos energia kihozatali példa Dél-pesti szennyvíztisztító telep Bővítés előtt : 4db mezofil reaktor üzemel 16t/d szerves anyag betáplálás: ~ 6400 Nm 3 /d biogáz termelődés 1db gázmotor (500 kwel) üzemel ~ 13 600 kwh/d áram Bővítés: +1db 2000 m3-es termofil reaktor 28t/nap szerv. anyag betáplálás: ~13700 Nm3/d biogáz +1db gázmotor (803 kwel) ~ 30 000 kwh/d áram, illetve 10000 MWh/év elektromos áram termelés A biogáz átlagos fűtőértéke 22,5 MJ/m3, metán-tartalma 62-67 %.