A szennyvíztelepi biogáz termelő fermentációs folyamatok nyomon követése kémiai és biokémiai módszerekkel Doktori értekezés tézisei Kardos Levente Témavezető: Dr. Záray Gyula, egyetemi tanár, DSc Konzulens: Dr. Barkács Katalin, adjunktus Dr. Oláh József, tudományos tanácsadó (FCSM Zrt.) Környezettudományi Doktori Iskola Környezetkémiai Program Környezettudományi Doktori Iskola Vezető: Dr. Kiss Ádám, egyetemi tanár, DSc Környezetkémiai Program Vezető: Dr. Turányi Tamás, egyetemi tanár, DSc
Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Környezettudományi Kooperációs Kutató Központ 2012
1. Célkitűzés, előzmények Doktori munkám során anaerob lebontás első (sok esetben nem is elkülönített), sebesség meghatározó lépcsőjét, a hidrolízist kívántam vizsgálni. A fermentorokban végbemenő folyamatok jellemzésére a szennyvíztelepi laboratóriumok számára csak a (mára már klasszikusnak tekinthető) fizikaikémiai paraméterek állnak rendelkezésre. Ezek a szárazanyag-, a szervesanyag-tartalom, a kémhatás, az illósav-, a lúgosságkoncentráció, a gázmennyiség és a gázösszetétel. Bizonyos esetekben vizsgálják a redoxipotenciált is. Ezek a paraméterek sok esetben nem adnak kellő információt a reaktorokban bekövetkező változásokról, illetve nem jelzik elég gyorsan az üzemeltetés és így a biogáz-kihozatal, -termelés érdekében fontos változásokat. A
folyamatok
hatékonyabb
biokémiai
paraméterekkel,
kívántam
meghatározni.
nyomon
követését
enzimaktivitás
vizsgálatokkal
hidrolitikus
enzimaktivitás
A
vizsgálatokkal az anaerob lebontás első lépcsője jellemezhető. Kísérleteim során félüzemi és üzemi reaktorokból származó iszapminták enzimaktivitásait kívántam meghatározni. A sejtek összaktivitásának
jellemzésére
a
dehidrogenáz,
míg
a
szennyvíziszap gyakori szubsztrát (elsősorban fehérje- és zsírtartalom) koncentráció változásainak nyomon követésére a 2
proteáz és a lipáz, illetve növényi hulladék, mint koszubsztrát rothasztása esetén a celluláz enzimaktivitás vizsgálatok alkalmazhatók. Anaerob szennyvíziszap minták enzimaktivitás vizsgálataira nincsenek nemzetközileg elfogadott standardok. Kísérleti munkámban ezért először adaptálni, illetve átalakítani kívántam a szakirodalmakban található, a nem szennyvíziszap minták vagy nem anaerob szennyvíziszap minták vizsgálataira használt enzimaktivitás mérési módszereket, tekintve, hogy a szakirodalomban ismertetett enzimaktivitás vizsgálatok aerob eleveniszapra, illetve anaerob talajmintákra vonatkoznak. Célom volt olyan enzimaktivitás vizsgálatok kidolgozása és alkalmazása, amelyekkel az anaerob fermentorban lejátszódó folyamatok az eddigieknél jobban jellemezhetők és az üzemeltetés számára is kellő információval szolgálhatnak. Célomnak
tekintettem
továbbá,
hogy
a
kiválasztott
enzimaktivitás vizsgálatokat mind félüzemi, mind pedig üzemi fermentorokból alkalmazott
származó
enzimaktivitás
iszappal
is
vizsgálatokat
elvégezzem. úgy
Az
kívántam
kialakítani, hogy gyorsan és viszonylag olcsón elvégezhetők, így az átlagos felszereltségű szennyvíztelepi laboratóriumok számára is kivitelezhetők legyenek.
3
2. Vizsgálati módszerek és kísérleti periódusok Kísérleti munkámat a Dél-pesti Szennyvíztisztító Telepen (Fővárosi Csatornázási Művek Zrt.) lévő üzemi rothasztókból, illetve a telepen lévő félüzemi fermentorokból származó iszappal végeztem. Laboratóriumi méréseimet a telepi és az egyetemi laboratóriumban folytattam. A klasszikus üzemellenőrzési paraméterek mellett dehidrogenáz, proteáz, lipáz, illetve celluláz enzimaktivitás vizsgálatokat végeztem. Kutatásaim során hat kísérleti periódust kívántam vizsgálni, amelyek a következők: 1. A
mezofil
és
a
termofil
hőmérsékletű
rothasztás
összehasonlítása enzimaktivitás vizsgálatokkal félüzemi és üzemi reaktorokban. 2. A hőmérséklet-változtatás hatásának vizsgálata félüzemi reaktorokban és a folyamatok nyomon követése kémiai és biokémiai paraméterekkel. 3. A
szennyvíziszap
terhelés
(szervesanyag
terhelés
változtatása) és az enzimaktivitás kapcsolata félüzemi és üzemi körülmények között. 4. Mechanikai előkezelés (roncsolás) hatásának vizsgálata az iszapfermentációra félüzemi fermentorban.
4
5. Enzimkészítmény alkalmazásának lehetőségei a biogáz termelés fokozása érdekében laboratóriumi körülmények között. 6. Szennyvíziszap és szervesanyagok (tejipari szennyvíz, növényi
hulladék)
együtt
rothasztásának
vizsgálata
félüzemi reaktorokban és a folyamatok nyomon követése enzimaktivitás vizsgálatokkal. 3. Az új tudományos eredmények összefoglalása 1. A mezofil és termofil hőmérsékletű félüzemi és üzemi kísérletek alapján megállapítottam, hogy az iszaprothasztás gyakorlatában
alkalmazott
klasszikus
ellenőrző
paraméterek közül csak az illósav koncentrációja mutatott korrelációt a fajlagos szervesanyag terheléssel, illetve a hőmérséklet változtatásával. Az illósav koncentrációja és a fajlagos gázmennyiség között negatív korreláció áll fenn. 2. Az
általam
enzimaktivitás
kifejlesztett mérés
fajlagos
alkalmas
az
dehidrogenáz anaerob
módon
fermentált szennyvíziszap biokémiai jellemzésére. Az anaerob iszap jellemzésére optimált fajlagos proteáz, a fajlagos lipáz és a fajlagos celluláz enzimaktivitások félüzemi és üzemi körülmények között végzett kísérleteim tanúsága szerint - a fermentorokba táplált szubsztrát 5
gyakori
összetétel
változásának
kimutatására
alkalmazhatók. A nagy fehérje- és zsírtartalmú szubsztrát adagolás esetén a proteáz és a lipáz, míg növényi hulladék adagolás hatásának nyomon követésére a celluláz aktivitás vizsgálata bizonyult megfelelőnek. 3. Mind félüzemi, mind pedig üzemi körülmények között igazoltam, hogy a termofil hőmérsékletű iszaprothasztás során a mezofil rendszerekben meghatározottakhoz képest a fajlagos dehidrogenáz enzimaktivitása nagyobb. Mezofil és termofil hőmérsékletű félüzemi és üzemi kísérletsorozat alapján
megállapítottam
továbbá,
hogy
a
termofil
hőmérsékletű rothasztásnál a dehidrogenáz, a proteáz- és lipáz enzimaktivitás értéke is meghaladja a mezofil hőmérsékletű rendszerben mért aktivitást. 4. Félüzemi körülmények között igazoltam, hogy a fajlagos dehidrogenáz enzimaktivitás alkalmas a hőmérséklet változtatás hatásainak nyomon követésére és korrelációt mutat a képződött biogáz mennyiségével. 5. Félüzemi és üzemi körülmények között, mezofil és termofil hőmérsékleten végzett vizsgálataim alapján egyaránt azt állapítottam meg, hogy a fajlagos szervesanyag terhelés változásával szoros korrelációt mutatnak a fajlagos proteáz és a lipáz enzimaktivitások. A proteáz enzimaktivitás egy6
két napos, míg a lipáz enzimaktivitás maximum egy napos időbeni eltolódással jelezte a fajlagos szervesanyag terhelés változását.
Ugyanezen
kísérleti
körülmények
közt
eredményeim szerint egy-két napos időeltolódást tekintetbe véve a proteáz és a lipáz enzimaktivitások és a fajlagos gázmennyiség között is szignifikáns korreláció áll fenn. A proteáz és a lipáz enzimaktivitás értékeinek változása ugyanis egy-két nappal korábban már előre jelezte a bekövetkezett gázhozam változást. 6. Félüzemi
mezofil
körülmények
közötti
előkezelési
kísérletek alapján megállapítottam, hogy az ultrahanggal történt előkezelés hatására a kontroll reaktor fajlagos gázmennyiségéhez viszonyítva 33% gáztérfogat növekedés tapasztalható. Az előkezelést alkalmazó fermentáció során a dehidrogenáz enzimaktivitás és a fajlagos szervesanyag terhelés,
illetve
szignifikáns körülmények
a
fajlagos
kapcsolatot között,
gázmennyiség
mutattam
mezofil
ki.
között
Laboratóriumi
hőmérsékleten
végzett
előkezelési kísérletek alapján pedig megállapítottam, hogy az alkalmazott enzimkészítménnyel növelhető az iszap dehidrogenáz,
a
proteáz,
a
lipáz
és
a
celluláz
enzimaktivitása.
7
7. A növényi koszubsztráttal végzett félüzemi kísérlet során meghatároztam, hogy a szennyvíziszaphoz adagolt fű hatására - optimált terhelési viszonyok közt - 33%-kal megnövelhető
a
fajlagos
gázmennyiség.
A
stabil
fűadagolási időszakban a fajlagos gázmennyiség és a proteáz, valamint a celluláz enzimaktivitások között szignifikáns kapcsolatot találtam. 4. Az értekezés témaköréből készült publikációk jegyzéke 4.1. Referált tudományos dolgozatok angol nyelven
folyóiratban
megjelent
Levente Kardos – Ágota Juhász – György Palkó – József Oláh – Katalin Barkács – Gyula Záray (2011): Enzyme activity analyses of anaerobic fermented sewage sludges. In: Applied Ecology and Environmental Research, 9(4), pp. 333-339. ALÖKI Kft., Budapest, Hungary. ISSN 1589-1623 (print), ISSN 1785-0037 (online) Levente Kardos – Ágota Juhász – György Palkó – József Oláh – Katalin Barkács – Gyula Záray (2011): Comparing of mesophilic and thermophilic anaerobic fermented sewage sludge based on chemical and biochemical tests. In: Applied Ecology and Environmental Research, 9(3), pp. 293-302. ALÖKI Kft., Budapest, Hungary. ISSN 1589-1623 (print), ISSN 1785-0037 (online)
8
Levente Kardos – György Palkó – József Oláh – Katalin Barkács – Gyula Záray (2009): Operation control of anaerobic digesters on basis of enzyme activity tests. In: Water Science and Technology, 60(4), pp. 957-964. IWA Publishing, London, UK. ISSN 0273-1223 Levente Kardos – Szilvia Tarjányi-Szikora – József Oláh – György Palkó – Katalin Barkács – Gyula Záray (2008): Co-digestion of sludge and organic wastes followed up by chemical and biochemical methods. In: Acta Pericemonologica Debrecina rerum ambientum, pp. 70-74. Debrecen, ISSN 1588 2284
4.2.
Tanulmánykötetek és konferencia kiadványok
Kardos Levente – Palkó György – Oláh József – Barkács Katalin – Záray Gyula (2011): A termofil és a mezofil hőmérsékletű kommunális szennyvíziszap rothasztás összehasonlítása kémiai és biokémiai vizsgálatok alapján. Erdei Ferenc VI. Tudományos Konferencia Tanulmánykötete, I. kötet, pp. 574-579. GyomaPress Kft. Kecskemét. ISBN 978-963-7294-99-0. Kardos Levente (2011): Az enzimaktivitás vizsgálatok szerepe az anaerob iszaprothasztás folyamatának ellenőrzésében. Erdei Ferenc VI. Tudományos Konferencia Tanulmánykötete, III. kötet, pp. 359363. GyomaPress Kft. Kecskemét. ISBN 978-615-5192-01-2. Kardos Levente (2009): A biogáz mennyiségének növelése fizikai és kémiai módszerekkel egy kommunális szennyvíztisztító telepen. In: Szabó V. – Fazekas I. (szerk.): Települési Környezet, pp. 234-238.
9
Debreceni Egyetem (Tájvédelmi és Környezetföldrajzi Tanszék) és az Alföldi Nyomda Zrt., Debrecen, ISBN 978-963-473-336-2 Kardos Levente – Juhos Katalin – Palkó György – Oláh József – Barkács Katalin – Záray Gyula (2009): Biogáz-kihozatal növelése egy kommunális szennyvíztisztító telepen. In: Orosz Z. – Szabó V. – Fazekas I. (szerk.) Környezettudatos energiatermelés és felhasználás, pp. 83-88. Alföldi Nyomda Zrt., Debrecen. ISBN 978-963-7064-20-3 Kardos Levente – Tarjányiné Szikora Szilvia – Oláh József – Palkó György – Barkács Katalin – Záray Gyula (2008): Szennyvíziszap és szerves hulladékok együttrothasztásának nyomon követése kémiai és biokémiai
módszerekkel.
In:
IV.
Kárpát-medencei
Környezettudományi Konferencia, I. kötet, pp. 173-177. Debrecen, REXPO Kiadó Kft. ISBN 978-963-06-4625-3 Kardos Levente – Barkács Katalin – Záray Gyula – Palkó György – Oláh József (2008): Anaerob rothasztók üzemének ellenőrzése biokémiai paraméterek alapján. In: Vízmű Panoráma, 2008/2. szám (16. évfolyam), pp. 3-8. Budapest, Magyar Víziközmű Szövetség, ISSN 1217-7032 Kardos
Levente
(2007):
A
szennyvíztelepi
biogáztermelés
optimálása és az üzemelés nyomon követése. In: Orosz Z. – Fazekas I. (szerk.) Települési Környezet, pp. 266-271. Debrecen, Kossuth Egyetemi Kiadó, ISBN 978-963-473-101-6.
10
