Biogáz segédlet „A biogáz – anaerob digeszció” elıadáshoz Írta: Gyalai-Korpos Miklós A biogáz a szerves anyagok anaerob (oxigénmentes) közegben történı mikrobiológiai bontása során keletkezı gázelegy. Az elegy fı alkotói a metán és a szén-dioxid, körülbelül 60 – 40 % arányban. Az összetétel azonban nagyban függ a felhasznált szubsztrát minıségétıl, egyes esetekben a fenti adathoz képest lényeges eltérés tapasztalható. Írásos emlékek találhatóak arról, hogy biogázt használtak fürdıvíz melegítésére Asszíriában idıszámításunk elıtt a 10. században és Perzsiában a 16. században. Van Helmont a 17. században felfedezte, hogy gyúlékony gáz nyerhetı bomló szerves anyagokból. Alessandro Volta 1776-ban kimondta, hogy összefüggés van a bomlásban lévı szerves anyag mennyisége és a keletkezett gáz mennyisége között. 1804-ban Dalton meghatározta, hogy metán tartalmú az a gáz, mely állati trágya bomlása során keletkezik. Pasteur fedezte fel, hogy mikrobák állítják elı. Az elsı biogáz fermentor 1856-ban épült Mantungában egy lepratelepen. Európában az elsı fermentor 1895-ben épült meg Angliában, Exeterben, ahol a biogázt egy szennyvízkezelı üzemben állították elı, és az utcai lámpákban használták világításra. A mikrobiológia fejlıdése lehetıvé tette Buswell és mások számára, hogy 1930-ban meghatározzák az anaerob baktériumokat és a körülményeket, melyek szükségesek a metánképzıdéshez. A természetben sokszor megfigyelhetı a spontán biogáz keletkezés: mocsarakban, rizsföldeken, állattartó- és, szeméttelepeken. Utóbbit összegyőjtik és hasznosítják is, ezt nevezik depóniagáznak. Az így képzıdı és légkörbe jutó metán igen nagy problémát jelent, mivel jelentısebben járul hozzá az üvegházhatáshoz, mint a szén-dioxid. A biogáz termelését négyféle mikrobacsoport együttes és összehangolt mőködése teszi lehetıvé. A szükséges mikrobaközösség a szennyvízben és a trágyában megtalálható, ezért önmagában erjeszthetık anaerob körülmények közt, ezekhez nagyobb biogáz hozam végett sokszor adnak más szerves anyagot is (ko-fermentáció, ko-digeszció). A csoportok közt kölcsönösen egymásra vannak utalva, maga a folyamat emiatt meglehetısen érzékeny szubsztrát felhalmozódásra, toxikus anyagokra, hımérséklet és pH ingadozásra. További nehézséget jelent, hogy a csoportok pH optimuma eltérı. 1. Hidrolízis: minden szerves anyag nehezen bontható polimerekbıl épül fel. Állati eredető anyagokra a fehérjék, zsírok és olajok jellemzık nagyobb részben, míg növényi eredetőekre a szénhidrátok (cellulóz, keményítı). Elsı lépésben ezen polimerek bontása történik oligo- és monomerekké. Mivel ezek a vegyületek nagy méretőek a mikrobasejt nem tudja felvenni és sejten belül lebontani, ezért az az enzimeket a környezetébe bocsátja ki. A kibocsátott enzimkoncentráció határozza meg a hidrolízis sebességét. Nehezen hidrolízálható szubsztrátok esetén (pl.: fás növények) ez a lépés lehet az egész folyamat szők keresztmetszete, sebesség meghatározó lépése. 2. Fermentáció: az elızı lépésben keletkezett oligo- és monomereket (aminosavak, zsírsavak és egyszerő cukrok) mikroba sejten belül alakítja tovább, miközben azok a mikroba számára a továbbiakban nem hasznosítható közti termékekké alakulnak, amiket kiválaszt. Ez különbözı alkoholokat (metanolt és etanolt) illetve illékony zsírsavakat (Volatile Fatty Acids – VFA, leggyakrabban propionátot és vajsavat) jelent. Az elsı két lépés ugyanaz a mikrobacsoport végzi, ugyanis hidrolízis nem jelent számukra energiát, csak elıállítják a késıbb hasznosítható táplálékot.
1
3. Acetogenezis: a közti termékeket és a fel nem használt monomereket az acetogén baktériumok hidrogénné és acetáttá alakítják. Utóbbi konverzió egy egyensúlyi folyamat, ami a kiindulási anyagok felé van eltolva, végbemenetelét mégis az teszi lehetıvé, hogy a keletkezı termék hamar elfogy. Az egyensúly a propionsavra felírva: CH 3CH 2 COOH + 2 H 2 O ↔ CH 3COOH + H 2 + CO2 Az acetogén baktériumok csoportja sokféle baktériumfajt tartalmaz és környezeti változásokkal szemben ellenálló, ez azzal magyarázató, hogy nagyon sokféle szubsztrátot képesek hasznosítani, így túlélési esélyeik is nagyobbak. 4. Metanogenezis (metánképzés): a hidrogént és az acetátot alakítják metánná és széndioxiddá. A metán körülbelül 70%-a az acetátból képzıdik. Metántermelés acetátból, metilotróf fajok: CH 3COOH ↔ CH 4 + CO2 Metántermelés hidrogénbıl, hidrogenotróf baktériumok:
4 H 2 + CO2 ↔ CH 4 + 2 H 2 O Könnyen hasznosítható szubsztrátok esetén (ahol a hidrolízis nem okoz gondot) ez a lépcsı az egész folyamat sebesség meghatározó lépése, ugyanis a metanogén mikrobák nagyon lassan szaporodnak és érzékenyek mind toxikus anyagokra, mind a környezeti feltételek változásaira, csak lassú változásokat képesek követni (adaptálódni). A csoportot úgynevezett ısbaktériumok alkotják, amik sok mindenben (membrán szerkezet, biokémiai reakciók…) eltérnek a legtöbb baktériumtól. A legszorosabb kölcsönös kapcsolat az acetogén és a metanogén baktériumok közt van. Az acetogének mindkét fı anyagcsere termékére (hidrogén és acetát) szükségük van a metanogéneknek. Azonban az acetogéneknek is létfontosságú, hogy a keletkezı termékek elfogyjanak. A két csoport közt szintropikus viszony van, ez azt jelenti, hogy nemcsak segítik egymást (szinergia), hanem a táplálkozásukban is függnek egymástól Az acetát és a hidrogén fogyása biztosítja az egyensúlyi reakció mőködését, hiányában feldúsulnak a VFA vegyületek, ami a rendszer savanyodásához és ezáltal a folyamat leállásához vezet. Ebbıl az is látható, hogy nagy mennyiségő, hirtelen beadagolt, jól bontható szubsztrát, amit már nem tudnak átalakítani a lassan reagáló metanogének, szintén az acetát feldúsulását, ezáltal a pH leesését, a folyamat leállását okozza. A két csoportnak ugyan eltérı a pH optimuma, azonban egyik sem tőri az alacsony pH-t. A metanogének pH tőrése szőkebb, így elıször ık állnak le, ami a rendszer további savanyodásához vezet. A termelt hidrogén hozzájárul a megfelelıen alacsony redoxpotenciál (kisebb, mint -330 mV) fenntartásáért, azonban ha túlzottan nagy koncentrációban van jelen, gátolja az acetogének mőködését. A két faj közti hidrogén átadás sokat vizsgált jelenség. Mára már nyilvánvaló, hogy az acetogének nem a közegbe bocsátják ki a termelt hidrogént, buborékok formájában, hanem közvetlenül a metanogén baktériumoknak adják át. Ezt támasztja alá, hogy a hidrogén koncentráció egy anaerob reaktorban igen alacsony (10-8 és 10-5 M közt), fıleg ha azt is figyelembe vesszük, hogy a gyorsan fogyó acetát koncentrációja: 10-4 és 10-1 M közt van. A folyamatot befolyásoló legfontosabb paraméterek: 1. Hımérséklet: Irodalmi adatok bizonyítják, hogy az anaerob digeszció majdnem 0 ˚Ctól közel 100 ˚C-os hımérsékletig végbemegy. Ezen belül két – technológiai szempontból is hasznosított – optimum található: a mezofíl (25 – 40 ºC, leggyakrabban: 35 – 37 ºC) illetve a termofíl (49 – 60 ºC, leggyakrabban: 55 ºC) 2
tartomány. Biogáz hozam szempontjából a magasabb hımérsékletek a kedvezıbbek, ugyanis magasabb hımérsékleten a reakciók gyorsabban játszódnak le, ezáltal adott idı alatt nagyobb mennyiségő szerves anyag betáplálásra van lehetıség, tehát csökken a retenciós idı, végeredményben növelhetı a fermentor kapacitása. Valamint magasabb hımérsékleten a patogén mikroorganizmusok túlélési esélye jelentısen csökken. Így a fentiek alapján elmondható, hogy termofil tartományban a biogáz hozam nagyobb, mint mezofilben, ugyanakkor azonban a rendszer érzékenyebb, mivel szőkebb a fajspektrum, így a bontható szubsztrátok köre is, emiatt a legtöbb rothasztó mezofíl hımérsékleten mőködik. A két hımérséklet közt megvalósítható az átjárás, ehhez azonban több hónapos adaptáció szükséges. Valamint az alacsonyabb hımérséklet fenntartása kevesebb energiát is igényel. 2. pH: Az acetogének pH optimuma 6-os érték körüli, míg a metántermelıké körülbelül 7, valamint tőrésük sokkal szőkebb, gyakorlatilag 6-os pH-n már nem termelnek. pH csökkenéshez vezethet hirtelen, nagy mennyiségő, jól bontható szubsztrát beadagolása. A szennyvíziszapok azonban nagy pufferkapacitással rendelkeznek, ami tompítja a gyors változásokat. Gyakori technológiai megoldás a folyamatok különválasztása két reaktorba, így mindegyik az optimumán mőködhet. 3. C/N arány: A rendszer megfelelı C/N aránya 20 – 30 körül van. Ez az érték csak más hozzáadott szubsztrát segítségével érhetı el, mivel a szennyvíziszapok egyedül elmaradnak ettıl az értéktıl. Alacsony C/N arány, azaz magas nitrogén tartalom esetén ammónia termelıdik és szabadul fel, ez két helyen is akadályozza a rendszert: magas pH-t okoz (~ 8,5), valamint megszőnteti az anaerob viszonyokat (növeli a redoxpotenciált). Egy szóval toxikus a baktérium közösségre nézve. A maximális elviselhetı ammónia koncentrációt illetıen igen eltérıek az irodalmi adatok: Angelidaki és Ahring (1994) szerint 0,7 g/l NH3 a felsı határ, Wellinger és Fruteau (1998) azonban 3,5 g/l-es koncentrációt állapított meg szabad ammóniára. A különbözı mért eredmények oka valószínőleg abban keresendı, hogy a közösség a magas ammónia szinthez is képes adaptálódni. Koster és Lettinga 1988-as adaptációs mérései alapján akár 16 g/l-es NH3 koncentrációig is mőködıképes marad a rendszer! Alacsony C/N aránnyal a magas fehérje tartalmú, így elsısorban állati eredető szubsztrátok rendelkeznek. Magas C/N arány estén a biogáz hozam lesz alacsony, mivel a mikrobák a szervezetük felépítéséhez szükséges nitrogén igényt sem tudják fedezni, nitrogén limitáció lép fel. Magas C/N arány a növényi szubsztrátokra jellemzı. 4. HRT (Hydraulic Retention Time): Általában célszerő úgy beállítani, hogy a betáplált szubsztrát teljes mennyisége elbomoljon. A minimális tartózkodási idıt a szubsztrát bontási sebessége szabja meg, általában a hidrolízis a szők keresztmetszet, így ennek sebessége mérvadó. Bontási sebesség szerint növekvı, azaz tartózkodási idı szerint csökkenı sorrendben a leggyakoribb szubsztrátok: cellulóz, hemicellulóz, fehérjék, zsírok és olajok, egyszerő cukrok. A tartózkodási idı tipikusan 10 és 40 nap közt mozog, például marhatrágyának (magas cellulóz és hemicellulóz tartalom) 12 – 18 nap, sertéstrágyának (magas zsírtartalom) 10 – 15 nap szükséges. Ha azonban a marhatrágya szalmát is tartalmaz a lebontáshoz szükséges idı akár 36 nap is lehet. Gyakorlatban az anaerob erjesztés folyamatát három helyen hasznosítják. Leggyakrabban kommunális szennyvíziszap ártalmatlanításra használják, ilyenkor az erjesztı szennyvíztelep, a szennyvízkezelı struktúra része. Magának a kommunális szennyvíz kezelésére nem alkalmazzák, mivel annak összetétele változó, nem jól definiált, így nem ideális a nehezen adaptálódó metanogének számára. Amennyiben azonban a szennyvíz szerves anyagban gazdag és összetétele állandó, jó alternatívát jelent az anaerob erjesztés. Ez a helyzet például 3
ipari szennyvizek esetén, ahol az üzemen belül külön történik a szennyvíz ártalmatlanítása. Állattartó telepek esetén sok esetben, önmagában a trágya erjesztése nem éri meg, ezért a magasabb biogáz hozam és egyéb kedvezıbb tulajdonságok (lásd késıbb) egyéb szerves anyagot kevernek a trágyához. Szeméttelepeken spontán biogáz (depóniagáz) képzıdés figyelhetı meg, ami szintén kinyerhetı hasznosítható formában. A biogáz termelés három szempontból is elınyös és gazdaságilag meggondolandó folyamat: 1. Zöldenergiát termel: a keletkezı jó főtıértékő metán elégethetı illetve megfelelı kezelés után a földgáz hálózatba betáplálható. Az elégetés során nyert villamos energia a zöldenergiára vonatkozó garantált felvásárlói áron eladható. 2. Hulladékkezelés: az anaerob erjesztés során a felhasznált nyersanyag mennyisége jelentısen csökken. A kötésekben raktározott energia nagy része a metánba kerül, ami távozik a rendszerbıl, valamint anaerob kezelés során jóval kevesebb sejttömeg képzıdik, kisebb mennyiségő táplálék épül be a sejtbe, mint aerob kezelés esetén. Közegészségügyileg illetve elhelyezés miatt problémás anyagok – például trágyák és szennyvíziszapok – kezelésére is jó alternatíva, ugyanis a folyamat során a patogén mikrobák elpusztulnak fıleg termofíl esetben. 3. A kierjesztett szerves anyagban a tápanyagok feldúsulnak (N, P, K, makro- és mikroelemek), így víztelenítés után jó minıségő komposztot és trágyalevet nyerünk, amelyek mezıgazdasági célra, talajjavítónak használhatók. Figyelembe kell venni viszont, hogy a nem biodegradálható, toxikus anyagok illetve nehézfémek koncetrációja is megnı. Szennyvíz- illetve szennyvíziszap kezelés esetén, a következı elınyökkel jár biogáz termelése: •
Biogáz elıállítása, hasznosítása
•
Az iszap tömegének és térfogatának csökkentése (anaerob mikrobáknál a sejthozam alacsony)
•
Az iszap fertızıképességének csökkentése
•
Biológiailag stabil biotrágya elıállítása
•
A keletkezı biotrágya mezıgazdasági hasznosítása
Ipari szennyvizek kezelésére számos reaktortípust fejlesztettek ki, a legelterjedtebb azonban az UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed/Blanket) reaktor. Maga a reaktor, gyakorlatilag egy üres tartály, ezáltal kialakítása egyszerő és olcsó. A szennyvizet a tartály alján vezetik be, majd áthalad az iszapágyon, ahol a lebontást végzı mikroorganizmusok felveszik a szennyvízbıl a hasznosítható szubsztrátot. Az iszapágy a lebontást végzı baktériumokból áll, amik jól ülepedı, 0,5-2 mm átmérıjő pelyheket képeznek, ami következtében magas betáplálási sebesség esetén sem kell kimosódástól tartani. Az iszapágyat a bevezetett szennyvíz tartja „lebegésben”, míg a keverésrıl a képzıdött gázbuborék gondoskodnak, azaz a reaktorban nincs semmiféle mechanikai egység. A reaktor felsı részében található szeparátor rendszer feladata az iszapszemcsék és a biogáz elválasztása az elfolyóból. Az UASB reaktorokban alkalmazott nagy áramlási sebesség és jó anyagátadás, magas hatásfokú és gyors lebontást (alacsony tartózkodási idıt) tesz lehetıvé. EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) reaktor alkalmazásával azonban a tartózkodási idı tovább csökkenthetı, olyan áramlási sebesség megválasztásával, ami már részleges fluidizációt, ezáltal jobb érintkezést okoz.
4
A biogázhozam növelhetı, ha a szennyvíziszaphoz vagy a hígtrágyához (ezekben található meg a kívánt mikrobaközösség) egyéb bontható szubsztrátokat adunk (ko-digeszció). Ezáltal hulladékkezelésre is használható a technológia. A felhasználható vegyületek köre igen széles, mint ahogy a dián is látszik. Összetevık szerint csoportosítva, lebontási idı szerint növekvı sorrendben: •
Magas zsír- vagy olajtartalmú anyagok (pl.: vágóhídi hulladék, használt sütıolaj): gyors lebontási idı és magas biogázhozam jellemzi. Hátránya, hogy elegyedési problémák léphetnek fel, a vizes fázisú iszap és az olaj fázis közt, ami megfelelı keveréssel és felületaktív anyagok alkalmazásával kiküszöbölhetı. Rendeletek elıírhatják az elızetes hıkezelést is fertıtlenítés céljából, ami külön technológiai egységet és beruházását igényel.
•
Magas fehérjetartalmú anyagok (pl.: tejipari hulladék, élelmezési maradék): a magas fehérje tartalomhoz, rendszerint megnövekedett NH3 és H2S szint is társul a biogázban, aminek eltávolításáról gondoskodni kellhet. Bizonyos esetekben itt is szükséges a hıkezelés.
•
Lignocellulóz alapú szubsztrátok (pl.: mezıgazdasági melléktermékek): ilyen anyagok esetében a hidrolízis lesz a meghatározó lépés, sok idıt igényel a lignocellulózok konverziója hasznosítható glükózzá illetve pentózokká.
Ko-digeszció elınyei: •
Jobb C/N/P arány: a szennyvíziszap illetve trágya C/N arány más szubsztrát adagolásával az optimális arány felé mozdítható.
•
Több biogáz termelés
•
Megújuló biomassza hasznosítás
•
Melléktermékek minısége is javul: a nyomelemek aránya a terméként eladható kierjesztett iszapban.
•
Optimálisabb reológiai tulajdonságok: egyéb szubsztrát adagolásával olyan elegy állhat elı, ami tárolása illetve mozgatása jobban kivitelezhetı.
•
Kellemetlen szaghatások csökkentése
Hátrányok: •
Megnövekedett elfolyó KOI
•
Kiegészítı elıkezelések szükségesek lehetnek: hıkezelés, aprítás…
•
Keverési igények
•
Higiénés elıírások betartása
Erjesztık csoportosítása: •
Technológia szerint: a hidrolízis és fermentáció lépése szétválasztható a folyamat befejezı két lépésétıl, így biztosítva megfelelı körülményeket. Ilyen esetben két külön reaktor van, ezért két lépcsıs a megvalósítás neve.
•
Lépték szerint: Németországban az úgynevezett farm szintő kisebb üzemek terjedtek el, ezek általában szakaszos üzemőek. Dániában viszont a nagyobb, centralizált erjesztık, amelyek teljes beszállítói körrel rendelkeznek.
5
•
Szárazanyag tartalom szerint: Nedves: 4-6%, félszáraz: 10-15%, száraz: 2030% szárazanyag.
•
Hımérséklet: mezofíl, termofíl.
•
Rothasztó fajta: például a legegyszerőbb a szakaszos mőködéső úgynevezett covered lagoon megoldás.
Ma a legelterjedtebbek a kis, egyes farmergazdaságokat ellátó biogáz reaktorok; 6-8 millió ilyen „családi mérető”, alacsony technológiai színvonalú fermentor mőködik világszerte. Az itt keletkezı biogázt fıként fızésre, világításra használják változó sikerrel. Ilyen farmszintő berendezéseknek megvan a helye a mezıgazdasági hálózatban, mint ahogy az a dián is látszik, így ezek fontos regionális szerepet tölthetnek be. Németországi tapasztalatok szerint egyéni gazdálkodóknak akkor éri meg biogázos energiaellátásra berendezkedni, ha •
legalább 10 tehene van
•
megfelelı hígtrágya és kierjesztett trágya tárolótér áll rendelkezésére
•
a trágyaprodukciónak legalább 75%-a hígtrágya
•
a hígtrágyához hozzákeverhetı szerves terméket tud beszerezni
•
a kierjesztett trágyát saját gazdaságában tudja felhasználni
•
a saját áram és hıszükséglet nagy (pl. sertés és baromfitenyésztés, kertészet), vagy ha a többlet a közelben átadható (vagy visszavásárolja a villamos szolgáltató)
Nagy léptékő felhasználásra példa a BTA folyamat. Ez három lépésbıl épül fel: 1. Elıkezelés: aprítás után a hulladékot a recirkuláltatott technológiai vízzel keverik, majd a hidropulperbe kerül, ami hatékonya választja el az egyéb, nem biológiai eredető tárgyakat (mőanyag, szövet, kı, fém…). A könnyő frakciót az elegy tetejérıl szedik le, míg a nehéz frakció kiülepszik. A kezelés után egy jól mozgatható, könnyen kezelhetı és erjeszthetı elegyet kapnak. Az elıkezelés második lépése, az opcionális hidrociklon, ami homok, kisebb kövek és üvegszilánkok, eltávolítására szolgál. 2. Erjesztés: egy vagy két lépcsıben. A két lépcsıs megoldás a több mint 50 000 t/év kapacitású üzemek számára gazdaságos. 3. Termékhasznosítás: iszap víztelenítés és biogáz elégetés Biogáz termelés harmadik lehetısége a szeméttelepeken jelentkezik, itt spontán képzıdı depóniagázról (landfill gas) van szó. A fermenetáció során keletkezı gáz jelentısen eltérı összetétellel rendelkezik, mint a földgáz, ami számos egyéb szénhidrogén tartalmaz a metánon kívül, pl.: etán, propán, bután, így nagyobb kalorikus értékkel rendelkezik, mint a tiszta metán. A fermentációs körülményektıl függıen a biogáz metán tartalma 55 és 70% között változik, emellett második legnagyobb mennyiségben szén-dioxid van jelen. A két fıkomponens mellett nyomokban még ammónia és kén-hidrogén, valamint még kisebb mennyiségben nitrogén és szén-monoxid található meg. A földgázzal szemben, amelynek harmatpontja* -10 ºC, a biogázban a vízgız az aktuális hımérsékletnek megfelelı parciális nyomású. Noha ezen vegyületek mennyisége igen csekély, káros hatásuk nem elhanyagolható, ezért felhasználástól függıen el kell ıket távolítani. Ha a biogázzal földgázt kívánnak helyettesíteni, a lentebb részletezett négy komponenstıl tökéletesen meg kell tisztítani (upgrade).
6
*
A harmatpont a levegınek az a hımérséklete, amelyen az adott hımérséklető és nedvességtartalmú levegı a folyékony vízre nézve telítetté válik. A harmatpontnál – a harmatpont-hımérsékletnél – alacsonyabb környezeti hımérsékletnél megindul a víztartalom kicsapódása, a kondenzáció. Eltávolítandó komponensek: 1. CO2: színtelen, szagtalan, inert gáz, levegınél nehezebb. Fı problémát biogázban főtıérték csökkentı szerepe jelenti. Amennyiben a biogázt csak hıtermelésre fordítjuk a szén-dioxid eltávolítása nem szükséges, illetve vannak olyan gázmotorok is, amelyekben szén-dioxid tartalmú biogáz felhasználható. 2. H2S: színtelen, levegınél nehezebb gáz, mérgezı. Kis koncentrációban tipikus záptojás szagú, a nagyobb, veszélyes koncentrációtartományban szagtalan. Technológiai szempontból gondot korrozív viselkedése jelenti, valamint hogy elégetése során a szintén mérgezı és savas karakterő SO2 keletkezik. A környezetbe kibocsátható SO2 mennyiségét, pedig környezetvédelmi elıírások szabályozzák. A kén-hidrogén eltávolítása a bojler/gázmotor gyártó elıírásainak megfelelı mértékben történik. 3. NH3: levegınél könnyebb. Gázmotorokban elégetve NOx gázok szabadulnak fel. 4. Vízgız: önmagában ártalmatlan, azonban az elızı három gázzal keveredve korrozív hatású elegyet alkot. A biogáz vízgıztartalmát a képzıdı gáz hımérséklete határozza meg. Az erjesztıbıl kikerülı gáz hımérséklete lecsökken, ami a vízgız kondenzációját is jelenti.
Víztartalom eltávolítás: a leggyakrabban alkalmazott technikák a kondenzált víz elvezetésén és a gáz szárításán alapulnak. Ráadásul a vízzel együtt a biogáz por és hab tartalma is távozik. A vízgız kondenzációjára és a víz eltávolítására sok megoldás áll rendelkezésre, azonban a gázmotorokhoz elégséges kondenzált víz eltávolítást szolgáltat egy a gázvezetékbe épített csap is. Szárításos technikák esetén a környezet hımérsékleténél alacsonyabb harmatpont is elérhetı: •
Hideg szárítás: gáz lehőtésének hatására megindul a kondenzáció
•
Adszorpció szilikagélre: a gázt szilikagéllel töltött oszlopon vezetik keresztül, amelynek nagy hatékonyságú víz eltávolítás az eredménye (harmatpont: -10 – -20ºC is elérhetı). Általában két oszlopot kötnek be párhuzamosan, mivel így folyamatos üzem mellett megvalósítható a gél hıvel történı regenerálása.
•
Glikolos szárítás: a biogázt tri-etilén-glikolon vezetik keresztül, ami megköti a vizet. -5 – -15 ºC-os harmatpont érhetı el. A glikolt 200 ºC regenerálják.
Szárításos technikákat csak abban az esetben alkalmaznak, ha földgáz minıségő gázt kívánnak elıállítani. Ezek a technikák kis biogáz üzem (farm szintő) esetén nem alkalmazhatóak gazdaságosan. Kén-hidrogén eltávolítás: •
Kis mennyiségő levegı/oxigén (~5% oxigén) adagolása a reaktor légterébe megfelelı feltételeket biztosít olyan mikrobafajoknak, amelyek a kén-hidrogén oxidációjára képesek. A reakció terméke elemi kén és víz. Ezek a mikrobák szintén megtalálhatóak a trágyában, ezért trágyával nedvesített felület szükséges jelenlétükhöz. A módszerrel 80-99%-os kén-hidrogén eltávolítás érhetı el, a koncentráció 20-100 ppm-re csökkenthetı, ami már elégséges gázmotorban történı elégetéshez, azonban nem megfelelı földgáz helyettesítésre. A módszer elınyei, hogy alacsonyak a beruházási és 7
megvalósítási költségek, könnyő a mőködtetés és fenntartás, nincs speciális vegyszer és berendezés igénye. •
Vas(III)-klorid adagolásával (közvetlenül az erjesztıbe) a szulfid ionok vízoldhatatlan FeS formájában kicsaphatóak, ezáltal maga a H2S gáz koncentrációja 100 ppm körüli értékre csökkenthetı. Elınyei, hogy mőködtetés és fenntartás egyszerő, és költségei alacsonyak. Mivel magát a H2S kikerülését gátoljuk meg a gázfázisba, a reaktor és a berendezés további részei nem kerülnek érintkezésbe a gázzal.
•
Vas(III)-oxid granulátummal töltött oszlopon való átvezetés esetén, a dián látható kémiai reakció alapján történik a megkötés. A pelletek regenerálása a második egyenlet alapján oxigénnel zajlik. Itt is két oszlopot kötnek be párhuzamosan, hogy a regenerálás alatt is biztosítsák a folyamatos mőködést. A módszer egyszerő, olcsó és könnyen üzemeltethetı, hátránya viszont, hogy a regenerálás során sok hı keletkezik, valamint érzékeny a gáz magas víztartalmára.
•
Elnyeletés NaOH vagy vas só oldatban. Ezekben az esetekben kémiai abszorpcióról beszélünk, hisz kémiai reakció játszódik le. NaOH esetén Na2S (nátrium-szulfid) és NaHS keletkezik, míg vas só, leggyakrabban FeCl3 alkalmazásakor FeS. Hátrány, hogy e csapadékok eltávolításáról, kezelésérıl gondoskodni kell, illetve ebbıl is következik, hogy a reagens nem regenerálható. Emellett igen magas a módszer víz és vegyszer igénye, ezért kis biogáz üzemeknél nem is alkalmazzák, nagy mérető üzemek esetén esetleg gazdaságossá tehetı.
•
H2S-re szelektív membránokkal is kivitelezhetı az elválasztás, amin a CO2 és CH4 nem tud áthaladni.
CO2 eltávolítás: •
Gázmosó berendezésben, a mosóközeg lehet víz vagy polietilén glikol. Mindkét esetben fizikai abszorpció történik. Vizes mosás mind a CO2-t, mind a H2S-t eltávolítja a gázból, hisz e szennyezık oldhatóságán lényegesen nagyobb a metánénál. A mosóvíz recirkuláltatható, legegyszerőbb azonban hulladék víz áramot használni. A polietilén glikolban a CO2 és H2S oldhatósága jobb, így tisztítás hatásfoka is nı. Ráadásul benne a víz és a halogénezett szénhidrogének is oldódnak. A polietilén glikolt mindig recirkuláltatják.
•
A molekulaszőrı pórusaiban a CO2 molekulák reverzibilisen kötıdnek, a membrán szelektivitása a pórusmérettıl és a nyomástól függ. Túlnyomás (gázáramlás) megszőnése esetén a megkötött molekulák távoznak a szőrırıl.
•
CO2 (és H2S) áteresztı membránokkal.
Biogáz felhasználás: A metán a legegyszerőbb szénhidrogén, kiválóan felhasználható számos területen. Alkalmazható mindazon energiatermelı rendszerekben, melyek földgázt hasznosítanak. Ma leggyakrabban gázmotorban égetik el a biogázt, mely eredményeként elektromos áramot állítanak elı. A gázmotor egy speciálisan átalakított Ottó-motor, aminek a forgási energiáját egy generátor villamos árammá alakítja. A gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy 200 kW-nál kisebb teljesítményő gázmotorok esetében a hatásfok 25% körüli, míg 600-1000 kW teljesítményő motort használva a hatásfok javul, közel 38%-ra. A biogáz gázmotorban való elégetése során azonban nem csak a termelt elektromos árammal kell számolnunk, hanem más értékes „melléktermék” is keletkezik, mely nem más, mint a gız, illetve forró víz a hőtırendszerbıl. Ha a megtermelt elektromos energiát és a keletkezett forró vizet együttesen
8
figyelembe vesszük a rendszer hatásfoka 80%-ra javul. A biogázt épületek, mezıgazdasági létesítmények (üvegházak) főtésére is fel lehet használni, közvetlen elégetéssel. A biogázt szintén sikeresen alkalmazzák, mint alternatív üzemanyagot személyautókban, teherautókban, buszokban egyaránt. A felhasználás elıtt azonban meg kell tisztítani a benne található hidrogén-szulfidtól, szén-dioxidtól és a vízgıztıl. Ezt követıen már ugyan olyan módon használható, mint a sőrített földgáz. A metánt üzemanyagként használó jármővek sokkal kevésbé szennyezik környezetünket, mint a dízelolajjal mőködtetett jármővek, ugyanis a metán elégetése során csak víz és szén-dioxid keletkezik, a szén-monoxid, illetve nitrogénoxid kibocsátás igen alacsony. Ellenırzı kérdések (a válaszok vagy a szövegben, vagy a dián megtalálhatóak): 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Mit nevezünk biogáznak? Hol figyelhetı meg természetben a spontán biogáz képzıdés? Sorolja fel a biogáz képzıdés négy mikrobiológiai folyamatát! Mi történik a hidrolízis alatt? Milyen intermedierek keletkeznek a fermentáció során? Miben nyilvánul meg az acetogén és metanogén baktériumok egymásra utaltsága? (Gondoljon az acetogenezis egyensúlyi (!) egyenlétere!) 7. Mi a mezofíl és a termofíl hımérséklet tartomány? 8. Miért a mezofíl tartományt alkalmazzák gyakrabban? 9. Milyen problémát okoz az alacsony C/N arány? Milyen szubsztrátok esetén figyelhetı meg? 10. Milyen problémát okoz a magas C/N arány? Milyen szubsztrátok esetén figyelhetı meg? 11. Mi szabja meg a minimális tartózkodási idıt a biogáz reaktorban? 12. Melyik három területen lehet kihasználni a biogáz termelést? 13. Mi a biogáz termelés három legfontosabb elınye? 14. Mit nevezzünk ko-digeszciónak? 15. Milyen problémával kell számolni magas olajtartalmú szubsztrát erjsztésekor? 16. Mely termékekben jelenik meg a fehérjék magas N és S tartalma erjesztéskor? 17. Melyik a folyamat sebesség meghatározó lépése lignocellulózok erjesztésekor? 18. Sorolja fel a ko-digeszció elınyeit! 19. Milyen arányban van jelen metán a biogázban? 20. Mi okozza, hogy a biogáz főtıértéke alacsonyabb a földgázénál? 21. Mik a legfontosabb eltávolítandó komponensek? 22. Miért jelent problémát a vízgız jelenléte? 23. Min alapszik a H2S mikrobák által történı eltávolítása? 24. Hogyan csökkenthetı nagymértékben a képzıdött H2S gáz mennyisége? (Hogy gátolható a H2S gázfázisba kerülése?) 25. Mik a H2S lúgoldatban történı elnyeletésének hátrányai? 26. Hogy oldható meg legegyszerőbben a CO2 és H2S együttes eltávolítása? Milyen fizikai-kémiai jelenségen alapul az elválasztás? 27. Milyen oldatot szükséges használni, ha a gázmosóban a vízgızt is el akarjuk távolítani a CO2 és H2S mellett? Milyen fizikai-kémiai jelenségen alapul az elválasztás? 28. Mi a biogáz legelterjedtebb felhasználása? Mi a folyamat két terméke? 29. Milyen célra használható a tisztított (upgrade) biogáz? 30. Milyen vegyületek jelenthetnek problémát a kierjesztett iszapban?
9
