Ugrás a tartalomhoz

Komposztálás, biogáztermelés

Dr. Kocsis István (2011)

Szent István Egyetem

10. fejezet - Biogáz-előállítás

10. fejezet - Biogáz-előállítás

Bevezetés

Környezetünkben ugyanazok a biológiai folyamatok játszódnak le, mint a biogáz üzemekben, azzal a különbséggel, hogy a természetben a szerves anyagok bomlása során keletkező metán nem kerül elégetésre. A biogáz helyét a természetes tápanyag körforgásban a 43. ábra mutatja be.

43. ábra. Biogáz helye a természetes tápanyag körforgásban

A metán agresszív üvegházhatású gáz, a légkörbe jutva a szén-dioxidhoz képest huszonháromszor erősebben fejti ki káros hatását.

Az emberi tevékenység során, a hulladéklerakókon, szennyvíztelepeken, állattartó telepeken spontán mennek végbe a természetes metángáz képződési folyamatok. A biogáz üzemben szabályozott körülmények között termelt metán elégetésekor szén-dioxid, víz és jelentős mennyiségű energia keletkezik.

A biogáz elégetése Európában jellemzően blokkfűtőműben történik. Ez ún. kogenerációs hasznosítást jelent, melynek során a gázmotorral elektromos áramot és hőenergiát, termelnek. A megtermelt gáz napi viszonylatban tartalékolható, és így alkalmas a hálózat napi csúcsterheléseinek kiszolgálására

A biogáz-termelés alkalmas mezőgazdasági melléktermékek, valamint energianövények hasznosítására; ezáltal olyan területek gazdaságos művelését is ösztönzi, amelyek alacsonyabb termőképességgel rendelkeznek.

A probléma megoldásában segíthet a biogáz gyártás, hiszen a rosszabb termőképességű területeken élelmiszeripari alapanyagok helyett energianövényeket lehet termeszteni, illetve a kialakuló feleslegek biogáz üzemekben feldolgozhatók.

A biogáz szerves anyagok baktériumok által anaerob körülmények között történő lebontása során képződő termék. Kb. 45-70% metánt (CH4), 30-55% szén-dioxidot (CO2), nitrogént (N2), hidrogént (H2), kénhidrogént (H2S) és egyéb maradványgázokat tartalmaz. Biogáz képződik a mocsarakban, de a kérődzők bélrendszerében is.

A biogáz-előállítás a levegő (oxigén) kizárásával, hő bevitellel történő szerves anyag lebomlási-stabilizálási folyamat, mely során hasznosítható biogáz keletkezik

Követelmények:

  • Ismerje a biogáz és a biogáz-előállítás fogalmát!

  • Tudja felsorolni a biogáz-termelésre alkalmas nyersanyagokat!

  • Ismerje a biogáz-termelés feltételeit!

  • Ismerje a biogáz-termelés mikrobiológiai alapjait!

A biogáz

A biogáz szerves anyagok anaerob térben, mikroorganizmusok közreműködésével történő erjedésekor keletkezik, a földgázhoz hasonló, légnemű anyag, melynek felhasználhatósága rendkívül sokoldalú.

A biogáz üzemek a kor technikai színvonalán a kérődzőkben lejátszódó folyamatokat utánozzák, gyengébb hatásfokkal.

Biogáz forrásai

Biogáz előállításra valamennyi szerves anyag (kivéve a szerves vegyipar termékeit) alkalmas.

A biogáz előállítására legáltalánosabban használt nyersanyagok:

  • trágya és hígtrágya,

  • tejsavó,

  • vágóhídi hulladék (bendő-, béltartalom, vér),

  • konzervipari hulladékok,

  • növénytermesztési zöldhulladékok,

  • éttermi hulladékok (ételmaradék, használt zsiradékok),

  • szennyvíziszap.

  • élelmiszeripari melléktermékek és hulladékok (különösen a cukor-, édesség-, sajt-, burgonyagyárak és üzemek),

  • valamennyi zöld növényi rész,

  • háztartási hulladék,

  • kommunális szennyvizek stb.

A biogáz képződés előfeltételei:

  • a szerves anyag,

  • a levegőtől, oxigéntől elzárt körülmény,

  • a metanogén baktériumok jelenléte.

  • állandó és kiegyenlített hőmérséklet,

  • folyamatos keveredés,

  • kellően aprított szerves anyag,

  • a metanogén és acidogén baktériumok különböző, s egymással szimbiózisban tevékenykedő törzsei is szükségesek.

Szerves anyagból kinyerhető metángáz mennyisége erősen függ:

  • a kiindulási szerves anyag összetételétől,

  • a biogáz-erjesztő műszaki-technikai színvonalától,

  • az alkalmazott technológiától, szárazanyag tartalom, hőmérséklet, aprítás, keverés stb.

Keletkezés körülményei

A biogáz keletkezése elméletileg +4....+98 °C között lehetséges. Minden hőmérsékleti tartományban a metanogén baktériumok más-más törzse tevékenykedik. A különböző technikai szintet jelentő biogáz telepeken a szokásos lebontási hőmérséklet

  • pszichofil zóna, azaz a környezeti hőmérsékleten termelő biogáz berendezés,

  • mezophil, azaz +28...+36 °C között termelő biogáz telep,

  • termophil, azaz +48...+53 °C hőmérsékleten termelő telep.

A biogáz gyártáshoz alkalmazható technológia meghatározó tényezője a feldolgozandó szerves anyag szárazanyag-tartalma: a folyékony szennyvizek, a hígtrágyák biogázas kezelése lényegesen más technikai feltételrendszert kívánnak, mint a nedves, a félnedves, vagy a szilárd (pl. kommunális) szemét. A biogáz eljárás a szerves eredetű hulladékok olyan kezelési eljárása, amely a hulladékok fizikai-kémiai tulajdonságától függően, a hulladékok keletkezési ütemétől, jellemzőitől függően eltérő kezelést, és azokhoz szükséges technikai előfeltételt igényel.

A biogáz csoportosítása

A biogáz tág fogalma miatt érdemes azt csoportokba osztani. Az egyik legegyszerűbb besorolást a termelés helye jelenti. Ezek alapján három nagy csoportot tudunk megkülönböztetni:

  • depóniagáz (szeméttelepi gáz, a kommunális hulladékban lévő szerves anyag lebomlásából képződik);

  • szennyvíztelepi gáz (a szennyvíztelepeken képződő biogáz);

  • biogáz mezőgazdasági mellék/termékekből és egyéb szerves anyagokból (a biogáz szó alatt általában ezt értik).

A metán előállításában a mikroszervezetek életfeltételeinek szabályozása a döntő tényező. Az optimális életfeltételek biztosítása mellett a mikroszervezetek ugyanis mértani haladvány szerint, gyorsan elszaporodnak. Jelenlétük – különösen hulladékok esetén – a gyakorlatban szinte kizárhatatlan. Egyfajta hulladékanyagban nagyon sokféle mikroorganizmus van jelen egyidejűleg, amelyek közül azok szaporodnak gyorsabban és válnak döntő többségűvé, amelyek számára az életfeltételek kedvezőbbek.

Mikrobiológiai alapok

  • Hidrolízis - Hidrolizáló mikroorganizmusok (zsírok, cellulóz, keményítő, fehérjék)

  • Savas erjedés - Acetogén mikroorganizmusok (cukrok, aminosavak, zsírsavak)

  • Metán fermentáció – Metanogén mikroorganizmusok (illékony zsírsavak – acetát -, hidrogén)

A metánbaktériumok metánt, széndioxidot és vizet állítanak elő. A „kész” biogáz kb. 60-65% metánt, kb. 30% széndioxidot és csak néhány százalék egyéb gázt, pl. kénhidrogént tartalmaz.

A biogáz képződés teljes folyamata alapvetően két szakaszra oszlik:

  • az első egy fermentációs biokémiai folyamat, amely a nagymolekulájú szerves anyagok lebontását, feltárását jelenti,

  • a második a metánképződés biokémiai folyamata.

Újabb kutatások szerint a kettő között van egy acetogén biokémiai folyamat is, ennek elkülönítése azonban inkább elméleti jelentőségű, mivel kimutatták, hogy az ehhez a közbeeső folyamathoz szükséges acetogén mikroszervezetek csak a metánképzőkkel szimbiózisban tudnak élni. Lényegében is elegendő, ha ezt a közbülső folyamatot a második szakasz részeként fogjuk fel.

A biokémiai folyamat két szakaszának megfelelően csoportosíthatók az annak végrehajtására képes baktériumok. A fermentatív folyamat végrehajtóit savképző baktériumoknak, a metánt termelő baktériumokat metanogén baktériumoknak nevezzük.

A metánképződési folyamatban közreműködő mikroorganizmusokról általában az a vélemény, hogy nagyon érzékenyek a mérgezésre. Az alapanyagokban előforduló toxikus anyagok gyors aktivitáscsökkenést eredményeznek. Újabb kutatások szerint azonban rövidebb ideig elviselik a toxikus hatást, és ha kellően felhígul vagy kicserélődik a tápanyag, a populáció újra aktiválódik, tehát nem pusztulnak el a mikroszervezetek kisebb dózistól viszonylag rövid periódus alatt.

A biogáz-termelés mikrobiológiai ciklusai

A biogáz-termelés folyamatát több mikrobiológiai ciklusra oszthatjuk. Ezek szoros egymásra épülésük miatt természetes körülmények között nem lehet ezeket elválasztani egymástól.

A természetben ez a folyamat több ezer, több millió mikroorganizmus összehangolt tevékenysége során játszódik le, s ezekben a bonyolult folyamatokban minden fajnak meghatározott, specifikus funkciója van

Hidrolízis

Az első mikrobiológiai ciklusban a hidrolizáló mikroorganizmusok vesznek részt. Ennek során elsőként a komplex szerves anyagokat fakultatív és obligát anaerob mikroorganizmusok bontják le alkotóelemeikre. A folyamat jó alapanyagaiként szolgálnak a cellulóz, keményítő és a zsírmolekulák. Kevésbé jók a fehérjék, amelyek nagy mennyiségben negatív irányba befolyásolják a folyamat lejátszódását.

A hidrolizáló baktériumok a polimerláncok feldarabolására képes enzimeket bocsátanak ki magukból, amik a hidrolízisben is részt vesznek. A rendszer gáztermelő potenciáljának egyik nagyon fontos limitáló tényezője a polimerek hidrolízisének sebessége, amit a cellulózbontó exoenzimek szintje határoz meg.

Acetogenezis

A hidrolizáló baktériumok energiaszükségletüket úgy fedezik, hogy a felvett zsírokat, aminosavakat, cukrokat tovább bontják még kisebb molekulákká és az így felszakadó kémiai kötések energiáját használják fel saját bioszintetikus folyamataikhoz. A keletkező kémiai energia mellett az acetogenezis során létrejönnek az előzőeknél még kisebb molekulák (propinsav, vajsav, ecetsav sói), melyeket illó szerves savaknak nevezünk.

A hidrolizáló baktériumok által fel nem használt és környezetükbe kibocsátott szerves savakat, oligo- és monoszacharidokat, zsírokat, aminosavakat az acetogén mikroorganizmusok hidrogénné és acetáttá alakítják tovább. Ezek a baktériumok rendszerint igen sokfélék és a környezeti hatásoknak hellyel-közzel ellenállók, illetve felelősek a megfelelően alacsony redoxpotenciál kialakításáért.

Az acetogén és a metanogén baktériumok egymással függőségi viszonyban vannak, mert ha az utóbbiak nem fogyasztják el elég gyorsan az acetogének által termelt hidrogént, ez felhalmozódik és gátolja azok működését. Ha ez bekövetkezik, a termodinamikai egyensúly felborul, ami az egész rendszerre nézve negatív hatással lesz.

Metanogenezis

Az utolsó lépés a metanogenezis (az egész biogáz-termelés sebességét meghatározza), melynek során szigorúan anaerob körülmények között a metanogén mikroorganizmusok metán és széndioxid keverékét, tehát biogázt állítanak elő.

A hőmérséklet szerepe a biogáz előállítás során

A biogáz-előállítás mikrobiológiai folyamatainak és technológiáinak legfontosabb rendező tényezője a hőmérséklet. A mikroszervezetek más-más csoportja jellemző a mezofil – 30-35 °C-on legaktívabb – hőmérséklettartományban. Az anaerob fermentáció szélső értékeit 5-66 °C-ban szokták megjelölni. A mezofil baktériumok 32-42 °C között tevékenyek, a termofilok 50-57°C között.

A gáz hozamának néhány meghatározó tényezője

  • Az anaerob biodegradáció hőmérséklete (32-38 °C mezofil tartomány, 52-58 °C termofil tartomány);

  • a fermentálandó anyag szárazanyagtartalma (~6% nedves eljárás, 20-30% félszáraz eljárás),

  • a kiindulási szerves anyag összetétele, stb.;

  • a sebesség az anyag molekulaszerkezetétől, az adott vegyület lebontására képes enzimekkel rendelkező mikroorganizmusok mennyiségétől és a környezeti tényezőktől függ.

A szerves anyagok anaerob lebomlása során széndioxid, metán és víz keletkezik.

Anaerob lebontás folyamata:

C6 H12 O6 · 3CH3COOH
3CH3COOH · 3CH4 + 3CO2
CO2+ 4H2 ·CH4 + 2H2O +400 kJ

A szerves anyagok (fehérjék, zsírok, cukorszármazékok) aerob lebomlása, komposztálódása során széndioxid és víz keletkezik, illetve hő termelődik.

Aerob lebontás folyamata:

C6H12O6+6O2 · 6CO2+6H2O+2870 kJ

Biodegradáció-fermentáció

  • Az anyagoknak olyan bomlási folyamata, amely természetes feltételek között (aerob és/vagy anaerob) mikroorganizmusok hatására történik.

  • Szilárd hulladék esetén a biodegradálódás, folyékony hulladékok esetén biológiai lebontás (fermentáció) elnevezést használjuk.

A biogáz képződése a természetben önmagától is lejátszódik a mocsarakban, mélyvízi tengeröblökben, hulladéklerakókban, stb. A mikrobák által termelt, életműködésük során előállított biogáz 50-70%-a metán, 28-48%-a szén-dioxid és 1-2%-a nitrogén és kénhidrogén. A földgáz szinte teljes egészében metánból áll, ezért a biogáz fűtőértéke a metán tartalomtól függően a földgáz 50-70%-a (18-25 MJ/Nm3), mely sűrítéssel és tisztítással növelhető.

A gáz fűtőértékét a metán koncentrációjának nagysága, a metántartalma határozza meg. Ennek függvényében beszélhetünk felső- és alsó fűtőértékről. A felső fűtőérték, a vízgőz lecsapódása után történő, egy normál köbméter biogáz elégetésekor felszabaduló energiát (HHV- higher heating value), míg az alsó fűtőérték, a vízgőz kondenzációja nélkül kapott energiát (LHV- lower heating value) jelenti.

Ennek mérésére a Woobe-számot használjuk. Kiszámítására a relatív sűrűségre is szükségünk van, ami a gáz és a levegő sűrűségének arányából állapíthatunk meg. 1 m3 tisztítatlan biogáz hőenergiája körülbelül 0,5 liter tüzelőolajat, vagy 1 kg feketeszenet helyettesít.

A gyakorlatban a különféle szerves anyagok 1 kilogramm szárazanyagából, anaerob erjesztéssel 230-400 liter biogáz állítható elő, elméleti síkon akár ennek sokszorosa is, 587-1535 l/kg.

Összefoglalás

A biogáz képződése a természetben önmagától is lejátszódik a mocsarakban, mélyvízi tengeröblökben, hulladéklerakókban, stb. A mezőgazdasági technológiák során nagy tömegben keletkező szerves hulladékokat a környezetvédelmi előírások és környezetünk védelme miatt ártalmatlanítani kell. Az ártalmatlanítás egyik módja a biogáz-termeléses eljárás.

A biogáz szerves anyagok anaerob térben, mikroorganizmusok közreműködésével történő erjedésekor keletkezik, a földgázhoz hasonló, légnemű anyag, melynek felhasználhatósága rendkívül sokoldalú.

Az emberi tevékenység során, a hulladéklerakókon, szennyvíztelepeken, állattartó telepeken spontán mennek végbe a természetes metángáz képződési folyamatok. A biogáz üzemben szabályozott körülmények között termelt metán elégetésekor szén-dioxid, víz és jelentős mennyiségű energia keletkezik.

A biogáz csoportosítása a termelődés helye szerint

  • Depóniagáz (szeméttelepi gáz, a kommunális hulladékban lévő szerves anyag lebomlásából képződik);

  • szennyvíztelepi gáz (a szennyvíztelepeken képződő biogáz);

  • biogáz mezőgazdasági mellék/termékekből és egyéb szerves anyagokból (a biogáz szó alatt általában ezt értik).

Biogáz-termelésre felhasználható alapanyagok

Biogáz termelésre valamennyi biológiai úton lebontható szerves anyag alkalmas, de elsősorban szerves hulladékok hasznosítása céljából alkalmazzák ((hígtrágya, kommunális hulladék, élelmiszeripari hulladékok stb.).

A biogáz előállítás fontosabb jellemzői

  • Az eljárás elméletben 3 fázisra bontható: hidrolitikus fázis; acidogén fázis; és a metanogén fázis – de alapvetően a gyakorlatban 2 biokémiai fázis játszódik le: hidrolízis és metanogén fázis (a közbeeső folyamathoz szükséges acetogén mikroszervezetek csak a metánképzőkkel szimbiózisban tudnak élni).

  • Anaerob mikroorganizmusok mezofil (20-45 °C) és termofil (50-65 °C) tartományban működnek optimálisan.

  • A metángáz közvetlen elégetésével hő- és villamos energia termelésre, szétválasztás és tisztítás után gázhálózatra való betáplálásra, szétválasztás, tisztítás és komprimálás után üzemanyagként való felhasználásra alkalmas.

  • A cél a maximális biogáz-kihozatal.

  • A lebontási maradék komposztálást követően mezőgazdasági területen felhasználható, ha teljesíti a jogszabályokban meghatározott követelményeket, határértékeket.

Ellenőrző feladatok

Jelölje, hogy igaz vagy hamis az állítás!

  1. Biogáz termelődés csak emberi beavatkozással jön létre.

  2. A komposztálás egy szakaszában keletkezhet biogáz.

  3. A biogáz keletkezése aerob folyamat eredménye.

  4. A hőmérsékletnek nincs jelentősége a biogáz termelődése során.

  5. Biogáz előállítására csak szerves, biológiailag lebontható anyagok alkalmasak.

  6. 1 m3 tisztítatlan biogáz hőenergiája körülbelül 0,5 liter tüzelőolajat, vagy 1 kg feketeszenet helyettesít.

  7. Szilárd hulladék lebontásának megnevezése: fermentácó.

  8. Biogáz előállításához szükség van állandó levegőztetésre.

  9. Hidrolízis és metanogenezis a biogáz-előállítás folyamatai.

  10. A biogáz felhasználása energiakímélő megoldás.