Szentgyorgyi Eszter Dissertation
Transcript of Szentgyorgyi Eszter Dissertation
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
1/91
VEGY SZM RN
MEMBRNOK AL
D
BTU
MS
PANNON EGYETEMI TUDOM NYOK S ANYAGTUD
DOKTORI ISKOLA
KALMAZSI LEHETSGE
ELLLTSNL
OKTORI (PhD) RTEKEZ S
KSZTETTE:ZENTGYRGYI ESZTERKL. KRNYEZETMRNK
TMAVEZET:
AFIN Dr. BAK KATALINOM NYOS FMUNKAT RS
PANNON EGYETEMAKI K MIAI KUTAT INT ZET
2010
OM NYOK
A BIOGZ
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
2/91
2
MEMBRNOK ALKALMAZSI LEHETSGEI A BIOGZELLLTSNL
rtekezs doktori (PhD) fokozat elnyerse rdekben
rta:Szentgyrgyi Eszter, okleveles krnyezetmrnk
Kszlt a Pannon Egyetem Vegyszmrnki tudomnyok s Anyagtudomnyok Doktori Iskoljakeretben
Tmavezet: Blafin Dr. Bak Katalin, tudomnyos fmunkatrs
Elfogadsra javaslom (igen / nem)
(alrs)
A jellt a doktori szigorlaton ........%-ot rt el,
Az rtekezst brlknt elfogadsra javaslom:
Brl neve: ........................ ................. igen /nem.
(alrs)
Brl neve: ........................ .................) igen /nem.
(alrs)
***Brl neve: ........................ .................) igen /nem.
(alrs)
A jellt az rtekezs nyilvnos vitjn ..........%-ot rt el.
Veszprm, .a Brl Bizottsg elnke
A doktori (PhD) oklevl minstse.................................
Az elnke
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
3/91
3
Kivonat
Doktori munkm sorn az anaerob fermentci, s ezltal a biogz illetve
metnkihozatal hatkonysg-nvelsnek lehetsgt vizsgltam membrntechnikkintegrlsval. A ksrletsorozatok els lpseknt a biogz hozam s gzkpzdsi sebessg
egyttes meghatrozsra alkalmas berendezst terveztnk s alaktottunk ki, mely alkalmas
az egymstl lnyegesen klnbz biolgiailag bonthat szubsztrtok biogzkihozatali
vizsglatainak reproduklhat elvgzsre.
Az anaerob lebonts intenzifiklsnak egyik lehetsge a mikroorganizmusok
koncentrlsa a rendszerben, mely ltal teljesebb szerves anyag lebonts s nagyobb
biogzkitermels rhetel. A mikrobk koncentrlsra, mikro- s ultraszrmembrnokkal
vgzett mrssorozatok sorn megllaptottuk, hogy ultraszr membrn alkalmazsval a
fajlagos biogzhozam nvelhet. Eredmnyeink alapjn anaerob membrn bioreaktort
ptettnk ki, melynek alkalmazsval a fajlagos biogzhozamot 10 %-kal, a metnhozamot
20 %-kal nveltk a hagyomnyos anaerob fermentorhoz kpest, 7 kg KOI/m3nap terhels s
stabil zemllapot mellett.
A ksrleti munka befejez rszeknt az anaerob fermentci sorn termeld biogzmetn tartalmnak dstst vizsgltuk gzszeparcis membrn alkalmazsval. A
kereskedelmi forgalomban kaphat UBE CO5 poliimid, kapillris membrnt tartalmaz
modul tesztelse sorn tiszta gzok s modell gzelegyek permecis sebessgt s
szelektivitst mrtk ki. Megllaptottuk, hogy a modell biogz mintk eredeti 20-30 % CO2
tartalma az optimlis kitermelsi s nyomsarnyok belltsval 8-10 %-ra cskkenthet.
Eredmnyeink alapjn megllaptottuk, hogy a membrnos eljrsok beiktatsval
valban javtani lehet a biogz termels technolgijt.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
4/91
4
Abstract
The aim of my scientific work was to intensify anaerobic fermentation with
application of membrane techniques to enhance biogas and biomethane production. In the first
set of experiments a thermostated, anaerobic laboratory scale glass unit was designed and
built to study the anaerobic degradation and biogas forming potential of various substrates.
In the second set of experiments concentration of the microorganisms in the anaerobic
bulk liquid was investigated in order to intensify the anaerobic degradation, i.e. to enhance the
biogas production. For this purpose different micro- and ultra-filtration membranes were
tested. The results showed that the biogas production could be enhanced by using ultra-
filtration membranes. Based on the former results an anaerobic membrane bioreactor wasbuilt and operated using ultra-filtration membrane module in the recirculation loop. It was
found that the biogas and biomethane production could be increased with 10 % and 20 %,
respectively, compared to the conventional anaerobic fermenters.
Finally purification of biogas was tested using the membrane gas separation method.
For the separation of CH4 from the other biogas components, such as CO2 and N2 the
commercially available UBE CO5 membrane module was tested, containing polyimide,
capillary membrane. It was found that the initial 20-30% of CO2 content of model biogas
could be reduced to 8-10% by application of this membrane module.
Based on our results we found that the biogas and biomethane production could be
enhanced by integration of membrane processes with anaerobic fermentation
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
5/91
5
Auszug
In der Doktorarbeit wurde die Mglichkeit der Wirkungsgraderhhung der anaeroben
Fermentation und dadurch die Biogas- bzw. die Methanausbeute mit Integrierung von
Membrantechniken untersucht. Als erster Schritt der Versuchsserie wurde eine geeignete
Anlage zur gemeinsamen Bestimmung der Biogasuasbeute und der
Gasbildungsgeschwindigkeit geplant und konstruiert, die zur reproduzierbaren Durchfhrung
der Biogasausbeute von einander sehr unterschiedlichen biologisch abbaubaren Substraten
geeignet ist.
Eine Mglichkeit der Intensifizierung des anaeroben Abbaues ist die Konzentrierung
der Mikroorganismen im Systhem, woduch ein vollstndigerer Abbau der organischenSubstanzen und grssere Biogasausbeute zu erreichen ist. In Messerien mit Konzentrierung
der Mikroben durch Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen wurde festgelegt, dass die
spezifische Biogasausbeute durch Anwendung des Ultrafiltrationsmembrans zu erhhen ist.
Aufgrund der Ergebnisse wurde ein anaerob betriebener Membranbioreaktor konstruiert.
Durch Anwendung dieses Reaktors wurde die spezifische Biogasausbeute um 10 %, die
Methanausbeute um 20 % im Vergleich zu dem herkmmlichen Fermenter bei 7 kg
KOI/m
3
Tag und stabilem Betriebszustand erhht.
Als letzter Schritt der Forschungsarbeit wurde die Konzentrierung des Methangehaltes
von bei der anaeroben Fermentation gebildete Biogas mit Anwendung von
Gasseparationsmembranen untersucht. Durch Testen eines, im Handel erhltlichen UBE CO5
Kapillarmembrans aus Polyimid wurden die Permeationsgeschwindigkeit und Selektivitt von
reinen Gasen und Modellgasgemischen gemessen. Es wurde festgestellt, dass der originelle
20-30 % CO2 Gehalt an CO2 durch Einstellung der optimalen Ausbeute und
Druckverhltnisse auf 8-10 % reduziert werden kann.
Aufgrund der Ergebnisse konnte festgestellt werden, dass die Technologie der
Biogasproduktion durch Anwendung von Membranverfahren wirklich verbessert werden
kann.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
6/91
6
Tartalomjegyzk
1 Bevezets
2 Irodalmi sszefoglals
2.1 Anaerob fermentci
2.1.1 Az anaerob rothaszts folyamata
2.1.2 Anaerob rothasztk zemeltetse
2.2 Membrnszeparci
2.2.1 Nyomsklnbsgen alapul membrn szeparci
2.2.2 Gzszeparci
2.3 Anaerob membrn bioreaktorok (AnMBR)
3 Ksrleti anyagok s mdszerek
3.1 Anyagok
3.2 Ksrleti berendezsek
3.2.1 3DTA nyomsklnbsgen alapul membrn-szeparcis tesztberendezs
3.2.2 GS-MS 100 nagynyoms gz-szeparcis modul
3.2.3 Szakaszos zemmd, gztermels mrsre alkalmas berendezs
3.2.4 Membrnmodullal sszekapcsolt anaerob fermentor
3.3 Analitikai mdszerek
3.3.1 Kmiai oxignigny (KOI) mrs
3.3.2 Szrazanyag tartalom meghatrozsa
3.3.3 Ammnium nitrogn (NH4-N) mrs
3.3.4 sszes foszfor (TP) mrs
3.3.5 Gzkromatogrfis mrs
3.4 Fizikai paramterek
3.4.1 A pH mrse
3.4.2 Elektromos vezets mrse
4. Eredmnyek s rtkels
4.1 Anaerob lebonts vizsglatra alkalmas batch reaktorok kialaktsa
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
7/91
7
4.2 Nyomsklnbsgen alapul membrnszeparci
4.3 Anaerob membrn bioreaktor (AnMBR)
4.4 Gzszeparcis vizsglatok
5. sszefoglals
Jellsjegyzk
Irodalomjegyzk
Publikcis lista
6. Mellkletek
j tudomnyos eredmnyek
Novel scientific results
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
8/91
8
1 Bevezets
A leveg s a vizek szennyezsnek nvekedsvel a vilg minden rszn egyre
fontosabb krdss vlik a krnyezet vdelme. A kormnyok tmogatjk az olyan j
technolgik kifejlesztst, melyek segtsgvel hatkonyan s gazdasgosan lehet
eltvoltani a kros anyagokat a krnyezetbl. A rendelkezsre ll megoldsi lehetsgek
kzl, a szennyezsek szerves frakcijnak kezelsre alkalmas, anaerob krlmnyek kztt
vgzett mikrobiolgiai lebonts az egyik leggretesebb, krnyezetvdelmi s gazdasgossgi
szempontbl egyarnt. Az anaerob folyamat (rothaszts) egyik f termke a biogz, mely
krnyezetvdelmi aspektusbl megjul energiaforrs. Napjainkra egyre tbb biogz zem
pl vilgszerte, rszben az egyre nagyobb mennyisg, klnbz eredet szerves
hulladkok kezelsre, rszben pedig a megjul energiaforrsok irnti igny nvekedse
miatt.
A biogz elllts hatkonysgnak nvelsre kt lehetsg knlkozik. Egyrszrl a
mikroorganizmusok metabolizmusnak tanulmnyozsa sorn fny derlt klnbz
lehetsges metabolikus utakra, melyek ltal elsegtheta megfelelpopulcik hatkonyabb
szaporodsa s mkdse (Cski, 2001; Hanczr, 2002). Msrszrl a membrnszeparcis
technikk, mint krnyezetkml, hulladkszegny eljrsok hatkony eszkzk lehetnek aziszap-tartzkodsi idnvelsben (Wang, 2009), amennyiben a mikroorganizmusokat szinte
teljes mrtkig visszatartjk (Anderson, 1986; Lszl, 2007; Walker, 2009) az anaerob
rendszerben. Amennyiben a membrnok kzvetlenl kapcsoldnak az anaerob rendszerhez, a
rendszer integrlt anaerob membrn bioreaktorknt (AnMBR) zemel.
Munkm sorn clul tztem ki egyrszt az anaerob lebonts s annak hatkonysg
nvelsi lehetsgeinek tanulmnyozst membrntechnikkkal val integrls esetn,
msrszt a termkknt ellltott biogz tiszttsi lehetsgt gzszeparcis membrn
hasznlatval. Vizsglni kvntam, hogy az anaerob fermentorban visszamarad iszap
membrnos koncentrlsval lehet-e biogz tbbletet termelni, illetve a membrn
integrlsval kialakthat membrn bioreaktor mkdtethet-e jobb hatkonysggal,
nagyobb szerves anyag terhelssel, mint a konvencionlis anaerob fermentor.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
9/91
9
2 Irodalmi sszefoglals
A metn keletkezse anaerob krlmnyek kztt termszetes ton tbb milli ve
mkd folyamat az olyan vltozatos lhelyeken, mint a fenklerakdsok, forr forrsok,
mlytengeri rkok, mocsarak, rizsfldek vagy a szarvasmarha, diszn s az ember
bltraktusban. A folyamat ipari krlmnyek kztti reproduklsa nem szmt jdonsgnak.
Az els anaerob biogz fermentor 1859-ben Bombay-ban plt, mg Eurpban 1895-ben,
Vesoulban (Franciaorszg) hztji iszap lebontsra plt. Kezdetben csak a lakossgi iszap
s lelmiszer hulladkok lebontsra hasznltk, mg napjainkban alkalmazsa sokkal
kiterjedtebb.
2.1 Anaerob fermentci
A fermentci szt elsknt Pasteur hasznlta a szabad molekulris oxigntl mentes
krnyezetben val sejtlgzs (respirci) kifejezsre (Gerardi, 2003). A fermentci akkori
defincija szerint respirci, mely sttben (fotoszintzis nlkl) megy vgbe, s nem
hasznl szabad oxignt, nitrt vagy nitrit iont, mint vgs elektron akceptort a szerves
anyagok lebontshoz. Ennek alapjn a respirci szmos fermentcis ton trtnhet,
belertve a szulft redukcit, kevert sav ellltst s a metn ellltst. Ma a fermentci
szt jval szlesebb krben hasznljuk, tulajdonkppen minden biolgiai ton trtn
talaktsra. A fermentcit vgzbaktriumok lehetnek fakultatv anaerobok, aerotolernsok
vagy obligt anaerobok. A fermentci magban foglalja a szerves anyagok talaktst
klnbz szervetlen s szerves termkk. A fermentcis folyamat alatt szmos oxidcis-
redukcis folyamat megy vgbe, melybl a baktriumok fedezik az energia szksgleteiket s
szmos egyszerbb, szerves vegyletet lltanak el.
Az iszapok s oldhat hulladkok szerves anyag tartalma irnytott baktriumtevkenysggel cskkenthet. Amennyiben a baktriumok tevkenysge anaerob, a szerves
anyagok lebontst iszaprothasztssal, mg a baktriumok aerob aktivitsa esetn a lebontst
iszapstabilizlssal lehet elrni.
Az anaerob rothaszts jl ismert kezelsi eljrs koncentrlt szerves hulladkok
lebontsra. Elnyei kz tartozik a kis iszaphozam, a szaghats cskkentse, az alacsony
energiaigny s a stabilizlt vgtermk. Tovbb az anaerob rothaszts eredmnyeknt egy
specilis gzkeverk kpzdik, melyet biogznak neveznek (Speece, 1996; Mata-Alvarez,
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
10/91
10
2000). A biogz legnagyobb mennyisgben metnt (60-65 %) s szndioxidot (35-40 %)
tartalmaz, tovbb CO, H2, N2, H2S, N2O, NH3 s H2O alkotjk. Az egyetlen, gazdasgi
szempontbl jelents gzkomponens a biogzbl a metn. Amennyiben a flfolyamatos
zem anaerob rothaszt mkdse megfelel, a naponta beadagolt nyersanyag/szubsztrt
biolgiailag bonthat rsze 24 rn bell elbomlik s biogz keletkezik belle. A metn
zemanyagknt hasznosthat, termszetes, gylkony gz, szagtalan s tisztn g. A tiszta
metn ftrtke 37,3 MJ/m3. Amennyiben a metn szndioxiddal keveredik, ahogy a
biogzban is, a ftrtke jelentsen cskken. Az anaerob rothaszts sorn keletkez biogz
mennyisge ltalban 0,75-1,0 m3/kg szerves anyag. A biogz ftrtke kb. 18,7-22,4
MJ/m3, mely a szndioxid tartalom nvekedsvel cskken. Amennyiben a szndioxid
tartalom tl nagy, a biogz gse nem lesz nfenntart, adalkanyag hozzadsa vlik
szksgess (Gerardi, 2003).
Az anaerob rothaszts tovbbi elnye, hogy relatv nagy zemi hmrskletnek s
hossz tartzkodsi idejnek ksznheten szignifiknsan cskkenti a vrusok szmt, a
patogn baktriumokat, a gombkat s parazitkat. A patognek mennyisgi cskkentse az
iszap tovbbi elhelyezse szempontjbl mind a nyilvnossg, mind a jogszablyok
tekintetben vonz tulajdonsg. A sok pozitv tulajdonsga mellett (2.1.1 tblzat)az anaerob
rothasztsnak a htrnya, hogy instabil s nehezen szablyozhat folyamat.
2.1.1 tblzatAz anaerob rothaszts elnys tulajdonsgai
Kpes lebontani a nehezen bonthat termszetes sszetevket, pl. lignint
Kpes lebontani a xenobiotikus sszetevket, pl. klrozott alifs sznhidrogneket
Javtja az iszap vztelenthetsgt
Metnt termel
Iszap hasznlata talaj adalkanyagknt vagy kondicionl szerknt
Alkalmas koncentrlt ipari szennyvzhez
Cskkenti a szaghatst, a krokozk szmt, az iszap kezelsi s szlltsi kltsgeit,
az iszap illkony sszetevit
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
11/91
2.1.1 Az anaerob rothaszts
Az anaerob rothaszts
bra)(Deublein, 2008), mely
rkez nyersanyag tbbnyire
jellemzen vzben nem oldd
kmiai ktssel kapcsold,
ktsek felbomlanak, gy a
mestersgesen is elsegthet
Jrvs, 2010). A hidrolzist
keletkez oldhat vegylete
anaerob s anaerob mikroorgmint pldul a propionsav v
alkoholok az acetogenezis f
metnkpzs szempontjbl l
is talakthat acettt vagy m
2.1.1 br
A metanogenezis fz
hidrogn gzbl trtnik. A
alkoholok s szerves-nitro
hasznostanak, akkumulld
folyamata
teljes folyamata alapveten hrom szakas
l az elsa komponensek hidrolzise. Az a
sznhidrtokat, zsrokat s fehrjket tartal
anyagok, melyek sok kisebb, egymshoz
zoldhat rszbl plnek fel. A hidrolzis s
rszecskk oldatba kerlnek. A kmiai
klnbzelkezelsi eljrsok beiktatsv
vgz baktriumok fakultatv anaerobok.
et a kvetkez lpsben (acidogenezis) u
nizmusok alaktjk tovbb klnbzsavagy etanol. Az acidogenezis sorn keletkez
lyamata ltal acettt alakulnak, mely a
gfontosabb szubsztrt. A szndioxid s a hi
etnn.
aBiogz kpzds egyszerstett folyamata
isban a metn kpzse fknt acettbl
etn elllthat nhny egyb szerves an
n tartalom, melyet a metn-elllt
ak a rothasztott iszapban. Ezek az an
11
zra oszthat (2.1.1
naerob fermentorba
az. Ezek polimer,
lnbzerssg
orn ezek a kmiai
tsek felbomlsa
al (Beszdes, 2008;
A hidrolzis sorn
yancsak fakultatv
k s alkoholokk, szerves savak s
kvetkez lps, a
drogn kzvetlenl
szndioxidbl s
agbl is. A savak,
baktriumok nem
agok felelsek a
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
12/91
12
flsiszap (az a naponta kpzd iszapmennyisg, melyet a reaktor iszapkoncentrcijnak
illetve a hidraulikai tartzkodsi idejnek szablyozsa rdekben az zemeltets sorn el kell
tvoltani) relatve magas BOI (biolgiai oxign igny) koncentrcijrt.
Az anaerob lebontsnak hatkony mkdshez a hrom szakasz azonos fontossg.
Az els lps (hidrolizls) inhibcija esetn nem ll rendelkezsre elegend szubsztrt a
msodik s harmadik lpshez, gy a metn elllts cskken. Amennyiben a harmadik lps
gtolt, a msodik lpsben keletkezsavak feldsulnak. A harmadik lps inhibcija ll el,
ha a savak feldsulnak, azaz az alkalinits s a pH is cskken. Az anaerob rothaszts
folyamata ltalban a metanogenezis inhibcija miatt ll le. A hrom folyamat szoros
kapcsolatban ll egymssal. Az anaerob talakts s szerves anyag lebonts folyamatban a
sebessg meghatroz lps az acett elllts. A nehezen bonthat szerves anyagokesetben a sebessg meghatroz lps a hidrolzis (Elmitwalli, 2001; Lew, 2003;
Pavlosthathis, 1991; Vavilin 1997).
2.1.2 Anaerob rothasztk zemeltetse
Amennyiben a rendszerben nincsenek nehezen bonthat szerves anyagok, az anaerob
rothaszts sebessg limitl faktora mr nem a hidrolzis lesz, hanem a szerves savak
konverzija metnn. A metanogn baktriumok nagyon kevs energit hasznostanak a
szerves savak lebontsbl. Az energia a metn ellltsra fordtdik. A kis mennyisg
felvett energia miatt a metnkpz mikroorganizmusok lassan szaporodnak. A lass
reprodukci miatt az anaerob rothasztkban optimlis krlmnyeket kell fenntartani. A
legfontosabb kontroll paramterek a pH, alkalinits s a hmrsklet. Ezek mellett fontos
zemeltetsi paramterek a hidraulikus tartzkodsi id (HRT), a gzsszettel, az illkony
szerves savak mennyisge, az iszaptartzkodsi id (SRT), a toxikus anyagok jelenlte s a
terhels vltozs (Krpti, 2007; Bai, 2007).
A metnkpz mikroorganizmusok elpusztulnak szabad oxign jelenltben. A
szarvasmarha hgtrgya nagy mennyisgben tartalmaz metanogn baktriumokat, gy az
anaerob rothasztk beoltsra s a bezemels ideje alatt igen hasznos lehet. A rothaszt pH-
ja 6,8 s 7,2 kztt kell, hogy legyen. Ez a pH optimlis a metanognek szmra, illetve
biztostja a megfelelpuffer kapacitst. A bezemelsi idszak ltalban kb. egy hnapig tart,
ezen id alatt a megfelel mveleti paramterek biztostsa mellett stabil mkdst lehet
elrni. A stabil mkdst jelzi az elgethet biogz termelse s a stabil illkony szerves
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
13/91
13
sav/alkalinits arny. A rothasztban uralkod magas pH ammnia toxicitst okozhat. A 7,2-
es pH alatt a NH4+-ion a jellemz, ennek 1500-3000 mg/dm3 kztti rtke az optimlis a
megfelelmkds rdekben. Az ennl nagyobb ammnium-ion koncentrci vagy magas
alkalinits az anaerob rothaszt habzst is okozhatja. Az anaerob rothasztk terhelse 3,2-7,2
kg szerves anyag/m3nap lehet, azonban a vals terhelsek 0,5-0,6 kg szerves anyag/m3nap
kztt vannak.
Kt jelents tartzkodsi id jelleg paramterrl beszlhetnk az anaerob rothaszt
esetn, az iszaptartzkodsi idrl (SRT solid residence time) s a hidraulikus tartzkodsi
idrl (HRT hydraulic residence time). A HRT a folyadk tartzkodsi ideje a reaktorban.
Alapveten az tlagos hidraulikus tartzkodsi id hatrozza meg a szerves anyagok
lebontsnak mrtkt s ezzel a rothaszt szksges trfogatt. Az SRT az iszap(mikroorganizmusok) tartzkodsi ideje a reaktorban, mely anaerob rothasztk esetn,
amennyiben nincs recirkulcis ram, gyakorlatilag megegyezik a folyadk tartzkodsi
idejvel. Recirkulcis ram alkalmazsa esetn az SRT hosszabb lehet, mint a HRT. Mivel a
genercis id (az idtartam mely alatt a baktrium populci megduplzdik) a metanogn
mikroorganizmusok esetben hosszabb, mint az aerob baktriumok esetn, a jellemzSRT az
anaerob rothasztkban tbb mint 12 nap (2.1.2 tblzat). Tz napnl rvidebb tartzkodsi id
nem javasolt, mivel ilyenkor jelents iszapkimosds figyelhet meg, mely fknt a lassannvekvmetanogn mikroorganizmusok szempontjbl htrnyos. Az SRT-re nincs hatssal
az iszap minsge, feltve, hogy az nem toxikus. A HRT cskkenst okozza az iszap nagy
nedvessg tartalma (94-97 %). A hidraulikus tlterhelst jelzi a hmrsklet cskkens,
nagyobb mennyisgs kisebb szrazanyag tartalm fls iszap keletkezse, metn-kpzds
cskkense s a szerves anyag lebontsnak cskkense. Az anaerob rothasztk mkdsnek
egyik indiktora a metn-kpzds, mely az iszap szerves anyag tartalmnak lebomlst is
jelzi egyben. A biogz metntartalmnak visszaesse a rendszer mkdsnek vltozstmutatja, a pH cskkensvel, ezltal savasodssal jr.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
14/91
14
2.1.2 tblzat A szennyvzbaktriumok fontosabb csoportjainak kzeltgenercis ideje
Baktriumcsoport Funkci/szerep Kzeltgenercis id
Aerob organotrfok
Oldhat szervesanyag pehelykpzse s
lebontsa az aktv iszapban s a csepegtet
szrfeldolgozsban
15-30 perc
Fakultatv anaerob organotrfok
Oldhat szervesanyag pehelykpzse s
lebontsa az aktv iszapban s a csepegtet
szrfeldolgozsban, a szerves anyagok
hidrolzise s lebontsa az anaerob
rothasztsban
15-30 perc
Nitrifikl baktriumNH4
+s NO2-oxidcija az aktv iszapban s
a csepegtetszrfeldolgozsban2-3 nap
Metnkpzbaktrium Metn termelse az anaerob rothasztsban 3-30 nap
A nagy SRT elnys az anaerob rothaszts szempontjbl. Magas SRT fenntartsval
maximalizlhat az eltvoltsi kapacits, cskkenthet a rothaszt trfogata s puffer
kapacitst biztost a vltoz terhelsek s toxikus hatsokkal szemben. Magas SRT
ktflekppen alakthat ki: a rothaszt trfogatnak nvelsvel vagy a baktriumok
koncentrcijnak nvelsvel.
A szuszpendlt iszappal mkd anaerob rothasztkban, amelyek jellemzineksszegzse a 2.1.3 tblzatban lthat, a keversnek igen fontos szerepe van az iszap
egyenletes eloszlatsban. Ezekben a rendszerekben az SRT s a HRT azonos, a rothasztt
hossz HRT-vel tervezik. Az iszapot folyamatosan vagy szakaszosan adagoljk a
rendszerhez.
2.1.3 tblzat A hagyomnyos anaerob rothasztk elnyei s htrnyai
Elnyk Htrnyok
szemcss, kolloid s oldhat hulladkok kezelsre
alkalmas
nagy rothaszttrfogat szksges a kell
iszaptartzkodsi id(SRT) megvalstshoz
a toxikus szennyvizek hgthatk
a kezels hatkonysgt cskkenheti a darabos s
kolloid szennyvizek s a baktriumok vesztesge a
rothaszt elfolyvzbe
tpanyagok, pH, szubsztrtok s a hmrsklet
eloszlst homognn teszi
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
15/91
15
A baktriumok koncentrcijnak nvelse rdekben, vagyis az SRT nvelsre az
anaerob rothasztk fix-gyas biofilmes rendszerr alakthatak (Gerardi, 2003). A
mikroorganizmusok a hordoz anyagra tapadnak, gy megakadlyozhat a biomassza
kimosdsa a rothasztbl s magas SRT tarthat fent. A fix-gyas rendszerek nyugodt
krnyezetet biztostanak a nvekvmikroorganizmusoknak. Mivel a baktriumok nvekedse
hossz idt vesz ignybe, a megtapadsi fellet (biofilm hordoz) clja a mikroorganizmusok
reaktorban tartsa, melynek eredmnyeknt az SRT nvekszik, mg a HRT cskkenthet.
Biofilm hordozknt kavicsot, kvet vagy manyagot hasznlnak, mely kb. 50%-os arnyban
kerl a reaktorba. A fix-gyas rothasztk tfoly rendszerek, melyekben az iszap tramlik a
biofilmmel fedett felletek kztt. Az oldhat szerves vegyleteket a mikroorganizmusok
abszorbeljk, mg a nem oldhat komponenseket adszorbeljk. Mivel a fix-gyon a
baktriumok megtapadnak, a hossz SRT biztostott, gy a metanognek akklimatizldhatnak
a klnbz tpus szubsztrtokhoz. A fix-gyas anaerob rendszereknek ksznheten a
lebontsi folyamatot sokkal szlesebb krben lehet alkalmazni (lakossgi s ipari hulladkok
esetben is). A biofilmben a baktriumok koncentrcija nagy, gy stabilabb rothasztst lehet
elrni a terhels vltakozsa esetn is. Ennek ksznheten az anaerob biotechnolgia irnti
rdeklds megnvekedett, a tmny hulladkokat gyakran kezelik fix-gyas rothasztkban.
A szerves anyagok gzz trtn talakulsa a HRT fggvnye (Krpti, 2007;Gerardi, 2003). A HRT fggvnye a rothasztott iszap ksbbi sorsa is. Amennyiben a HRT
magas, a kirothasztott iszapot talajon val elhelyezsre lehet hasznlni, mg a HRT
alacsonyan tartsa esetn az iszapot elgetik. A 12 napnl hosszabb tartzkodsi id nem
jelenti felttlenl a szerves anyagok teljesebb lebontst. A HRT tovbb hatssal van a
metntermels sebessgre s mrtkre.
A hmrskleti krlmnyeknek jelents hatsa van az anaerob lebontsra. Nhny
fokos hmrsklet vltozs is hatssal lehet a metanogn mikroorganizmusok mkdsre. Az
anaerob rendszerek megfelel keverse is fontos zemeltetsi szempont. A jl kevert
reaktorokban nem alakulnak ki gcok, ahol a fizikai-kmiai paramterek eltrek lehetnek. A
metn-kpz baktriumok kt hmrskleti tartomnyban aktvak, a mezofil (30-35C) s
termofil (50-60C) tartomnyokban. 40C s 50C kztt a metanognek mkdse gtolt. A
legtbb metn-kpz baktrium mezofil, azonban lteznek pszichrofil (5-25C), termofil,
hipertermofil (>60C) s sztearotermofil baktriumok is. A rothasztsi hmrsklet s a
rothaszts idtartama kztt is sszefggs figyelhet meg (2.1.2 bra). A magasabb
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
16/91
16
hmrskleti tartomnyokban a szerves anyag lebontsa kevesebb idt vesz ignybe, ugyanis
a legtbb kmiai reakci sebessge 10C emelsre megduplzdik, ennek megfelelen a
szerves anyag lebontsa is leggyorsabban a termofil hmrsklet-tartomnyban jtszdik le
(2.1.2 bra) (Bai, 2007), azonban a folyamat endoterm, gy ipari mretben gazdasgi
megfontolsbl a mezofil tartomny biogz-gyrts a jellemz.
2.1.2 braAz anaerob rothaszts hmrsklet fggse
A pszichrofil rendszerekben a krnyezeti hmrsklettel azonos a hmrsklet, teht
az vszakkal vltozik. Ezekben a rothasztkban az SRT hossz, gyakran tbb, mint 12 ht. Atermofil rothaszts az ipari szennyvizeknl alkalmazott folyamat, ahol a rendszer ftse az
ipari tevkenysgnek ksznheten rendelkezsre ll, nem ignyel kln befektetst. A
termofil rendszerek azonban nagyon rzkenyek a hmrskletvltozsra, kevesebb, mint 1C
hmrskletingadozst brnak ki a termofil metanognek egy nap alatt, mg a mezofilek 2-3C
hmrskletingadozst. A legtbb lakossgi szennyvztisztt illetve llattartsi telep anaerob
rothasztja, zemeltetsi s fknt gazdasgi megfontolsbl, mezofil tartomnyban mkdik
(2.1.5 tblzat).
2.1.5 tblzat A mezofil s a termofil rothasztk sszehasonltsa
Tulajdonsg Mezofil rothaszts Termofil rothaszts
Terhelsi arny kisebb nagyobb
Patognek elpuszttsa kisebb nagyobb
Mrgezanyagokra val
rzkenysgkisebb nagyobb
zemeltetsi kltsgek kisebb nagyobb
Hmrsklet fenntartsa kevsb bonyolult nehzkesebb
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
17/91
17
2.2 Membrnszeparci
A membrn az 1985-ben nemzetkzileg elfogadott definci s nomenklatra szerint
permszelektv gt kt fzis kztt (Blafi-Bak, 2007). Ez egyrszt azt jelenti, hogy a
membrn egyszerre permebilis, vagyis tjrhat (bizonyos komponensek kpesek tjutni
rajta), s szelektv, gy szeparcira alkalmas. Msrszt mindenkppen akadlyt, ellenllst
jelent a transzport lejtszdsnl (Blafi-Bak, 2002; Mulder, 1996; Staude, 1992; Noble,
1995). Membrntechnolgit az ipar szmos terletn hasznlnak. Alkalmazhatak a
membrnok, ha az adott elegybl az rtkes komponens koncentrlsa a cl, vagyis el kell
tvoltani az oldszert, hogy a kvnt cltermk maradjon vissza, vagy a kis mennyisgben
jelenlv szennyezanyag/termk kinyerse a cl. Ezen tl frakcionlsra is kivlan
megfelelnek a membrnok, tovbb az adott kmiai folyamat elsegtsre is alkalmasak, ha a
keletkeztermket levlasztjuk a rendszerrl.
A membrn szeparcis technikknak szmos elnye van. Az egyik legfontosabb,
hogy energiaignyk ltalban kicsi, s nem termelnek veszlyes hulladkot. Mkdsk
sorn semmilyen veszlyt nem jelentenek a krnyezetkre, rendkvl krnyezetbart
eljrsok. Ezek mellett knnyen varilhat s kombinlhat ms eljrsokkal, gy gynevezett
hibrid-eljrsok jnnek ltre, amelyek esetlegesen mg krnyezetbartabbak, shatkonyabbak eldjeiknl. A membrntechnolgik legjelentsebb htrnyai kz tartozik a
gyakran jelentkez, gynevezett fouling problma, vagyis eltmds, illetve a koncentrci-
polarizci is (Ognier, 2002; Bouhahila, 2001, Ma, 2001).
A membrnos mveletek a szeparci mechanizmusa szerint is csoportosthatak. Az
egyik legfontosabb s legelterjedtebb csoport az gynevezett nyomsklnbsgen alapul
membrnos technikk (ide tartozik a mikroszrs (MF), ultraszrs (UF), nanoszrs (NF) s
fordtott ozmzis (RO), amelyeket sszefoglal nven membrnszrsknt emlegetnek), ahol
a szrs elvn valsul meg a szeparci. A szeparci hajtereje lehet mg a
koncentrciklnbsg (pl. dialzis, gzszeparci vagy pervaporci esetn), az elektromos
potencilklnbsg (elektrodialzis) s a hmrskletklnbsg (membrn desztillci) is
(2.2.1 tblzat).
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
18/91
2.2.1 tblzat A membrnos mvel
nyomsklnbsgkoncentr
klnbs
mikroszrs dialzi
ultraszrs pervapor
nanoszrs gzszepar
fordtott ozmzisozmotik
desztill
A klnbz tpus
ultraszrs, a nanoszrs, ele
vlik a gzszeparci is, fleg
A membrnszeparci
sztvlasztand elegyet a m
hozunk ltre a membrn kt
hatsra az elegy kompone
permetum oldalra kerlnek.
a permetum sszettele eltltalnos hajter a kompo
fggen, hogy melyik vltoz
ltrehozsban.
2.2.1 bra
Eredetket tekintve a
membrnok. Utbbiak kztt
veg, zeolit) kmiai- s hsta
mint a polimer alapak. A s
klnbztetnk meg. Pruso
tek csoportostsa
ci-
g
elektromos
potencilklnbsg
hmrsklet-
klnbsg
s elektrodialzis membrn-
ci (tzelanyagcellk) desztillci
ci
us
i
membrneljrsok kzl a leggyakrabban
trodialzis s a fordtott ozmzis. De egyre j
nagyobb ipari mretekben.
s mveletek ltalnos elvt az 2.2.1
embrn betpllsi oldalra vezetjk s
oldala kztt. A kmiai potencilklnbs
sei keresztlhaladnak a membrnon s a
Ha az elegy komponenseinek permebilits
r a betpllt anyag sszetteltl. A memensek kmiai potencilklnbsge, de a
jtssza a meghatroz szerepet a kmiai
A membrnszeparcis eljrsok elvi vzlat
membrnok lehetnek biolgiai (termszete
a szervetlen anyagokbl kszlt membrno
ilitsukat tekintve sokkal elnysebb tulaj
ilrd membrnfajtk kztt prusos s pr
s membrn esetben az elvlaszts alapja
18
alkalmazottak az
obban elterjedtebb
ra mutatja be. A
yomsklnbsget
g - mint hajter
nnak tellenes n.
a klnbz, akkor
rnon keresztl azmdosulhat attl
potencilklnbsg
s) vagy szintetikus
(pl. kermia, fm,
onsgokkal brnak,
usmentes tpusokat
a rszecskemret-
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
19/91
19
klnbsg (pl. MF, UF). A prusmentes membrnokat elssorban gz- s gzszeparcihoz,
pervaporcihoz, dialzishez, illetve fordtott ozmzishoz hasznljk (Fony, 1998; Blafi-
Bak, 2002). Megjelensi formjuk szerint csoportosthatk lapmembrnokra, spirl
modulokra (lapmembrnbl alaktva), cs- s regszl-membrnokra, mikro kapillris
membrnokra, specilis membrn s modellkonstrukcikra (pl. mhsejtszer kermia
membrn stb.) A modulokat, mretre szabhatan, kazettv ptik ssze, melyeket bemertik
(szennyvz esetben pl. bioreaktorba), s a ltrehozott vkuum hatsra a modul szlakon
tszrd folyadkot (szrlet) jrahasznosts vagy befogadba val bevezets cljbl
elvezetik. A membrn aljban levegztet elem van beptve, hogy a reaktor belsejben a
membrn-szlak folyamatos tisztntartsa rdekben a felszll buborkok turbulens teret
alaktsanak ki.
Szerkezetk szerinti besorolsnl megklnbztethetnk izotrp s anizotrp
membrnokat. Ezek a jelzk a membrn porozitsra vonatkoznak: az izotrp membrnok
porozitsa minden irnyban egyforma, mg az anizotrpoknl a membrn kett vagy tbb
rtegbl ll. Az elvlaszts a legfels, legkisebb prusmretrtegben trtnik, az alatta lv,
nagyobb prusokat tartalmaz anyag szerepe az elz mechanikai megtmasztsa, a szrlet
elvezetse. A gyakorlatban a legtbb membrn anizotrp, az elvlaszts egy vkony, gyakran
csak mikromteres vastagsg falon trtnik. Mivel a membrnszrs abszolt, mret szerintielvlaszts (ellenttben a tlteten vagy szrrtegen vgbemen mlysgi, vagy statisztikus
szrsssel), a szrelem (azaz a membrn) vastagsga nem befolysolja az elvlaszts
minsgt, teht elegend egy minimlis vastagsg, filmszer bevonat valamely hordoz
felletn. Ha a membrn rtegei eltr anyagbl kszlnek, akkor beszlnk sszetett, vagy
kompozit membrnrl. A lehetsges kombincik kre igen szles.
A membrnok teljestmnyt jellemezhetjk az teresztkpessggel vagy fluxussal. A
membrnszrs megvalstsa trtnhet szakaszos (dead-end) vagy keresztram (cross-flow)
mdon. A szakaszos vagy nyomszrst (2.2.2 bra) akkor alkalmazzk, ha a kiszrend
komponensek koncentrcija 0,1 %, vagy annl kisebb. A szrs sorn a szrend
folyadkramot merlegesen, megfelel nyomssal vezetik a membrnra, gy a prusoknl
kisebb rszecskk s az oldszer thalad a membrnon, az ennl nagyobb molekulkat,
ionokat visszatartja. A kiszrt rszecskk a membrn felletn szrlepnyt kpeznek. Ez a
szrsi md nagymrtkben hasonlt a hagyomnyos szrsi eljrsokhoz, modellezse is
hasonlkppen trtnik.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
20/91
20
2.2.2 bra A szakaszos vagy nyomszrs mkdtetse
A keresztram szrs a membrntechnikban elterjedtebb megolds (2.2.3 bra). Itt afolyadkelegy a membrn felletvel prhuzamosan, nagy sebessggel ramlik. A
nyomsklnbsg hatsra a folyadk egy rsze thatol a membrnon (szrlet vagy
permetum), az elegy frama tovbb cirkull, magval hordozva a visszatartott rszecskket,
gy a keringetett elegy (koncentrtum vagy retenttum) koncentrcija a szrsi id
elrehaladtval n. Folytonoss tehet a folyamat, amennyiben folyamatosan trtnik a
rtplls, illetve a permetum egy rszt folyamatosan elvezetjk. Az eljrs sorn nem
kpzdik szrlepny, csak egy vkony glrteg, ami elvileg nem okoz lnyegesszrteljestmny-cskkenst a szrsi idnvelsvel.
2.2.3 bra A keresztram szrs mkdtetse
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
21/91
21
2.2.1 Nyomsklnbsgen alapul membrn szeparci
Az egyre gyarapod szakirodalom (lls, 1998; Blafi-Bak, 2002; Hideg-Zsirai,
1990) nyomsklnbsgen alapul membrnos mveletek krbe sorolja a mikroszrst, az
ultraszrst, a nanoszrst s a fordtott ozmzist (2.2.2 tblzat). A hagyomnyos szrsek
esetben (nyomszrs) a szrfelletn lerakdott szennyezanyag is fejt ki szrhatst. A
membrnszrs esetben a lerakds viszont annak mrtktl fggen gtolja az elvlasztsi
folyamatot.
2.2.2 tblzat Membrnszrsi eljrsok csoportostsa (Blafi-Bak, 2002)
Membrnos eljrs MrettartomnyTranszmembrn nyoms (TMP)
(bar)
Mikroszrs 0,1-10 m 0,1-1,0
Ultraszrs 1-500 kDa 1,0-10
Nanoszrs>300 Da
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
22/91
22
A mikroszrs alkalmazsa sorn a f problma, amivel szmolni kell, a fluxus
cskkense. Ennek oka egyrszt a koncentrci-polarizci, msrszt az eltmds (fouling).
A mikroszrs alkalmazhat szakaszos mveletknt (dead-end) s keresztram mdban
egyarnt. Brmelyiket is vlasztjuk, egy id utn a visszatartott rszecskk akkumulldni
fognak, s szrlepny alakul ki a membrn felletn, amely tovbbi ellenllst jelent a szrs
folyamn. A mikroszrsnek eltisztt szerepe van ultraszrst, nanoszrst s fordtott
ozmzist alkalmaz eljrsok eltt.
Az ultraszr membrn a szubmikron mret kolloid rszecskket,
mikroorganizmusokat, iszapot s a nagy molekulatmegvegyleteket, pl. fehrjket is kpes
visszatartani (Gerardi, 2003; Galambos, 2006). A keresztram szrsi md elterjedt, az
ehhez szksges nyomsklnbsg 3-8 bar. Alkalmazhat mind szakaszos, mind folyamatosmdban egyarnt. Az ultraszr membrnok prusmrete 500 nm s 1 nm kztti, de a
membrnok jobban jellemezhetk a vgsi rtkkel. Az ultraszrmembrnok vgsi rtke
(MWCO, molecular weight cut off) 1-1000 kDa. A mikroszrmembrnokhoz hasonlan az
ultraszr membrnok is prusosak, amelyeknl a visszatartst elssorban az oldott
rszecskk, anyagok mrete s alakja hatrozza meg, s az anyagtranszport egyenesen
arnyos az alkalmazott nyoms-klnbsggel. Az ultraszrst igen gyakran alkalmazzk
makromolekulk oldatnak koncentrlsra, ahol ezen nagy molekulkat a membrnnakvissza kell tartania, mg a kicsiket (s az oldszert) t kell eresztenie. Az ilyen cl, megfelel
membrn kivlasztsnak megknnytshez vezettk be a vgsi rtk (cut off) fogalmt.
A nanoszr membrn kpes a kisebb molekulkat, mint pl. a cukrokat s a
ktvegyrtkionokat is kiszrni a vzbl. Az ultraszrshez kpest teht kisebb vegyletek
szeparcijrl van sz, amihez kisebb prusmret, kvetkezskpp nagyobb ellenlls
membrnt kell hasznlni (Hilal, 2004). Prusmrete 1-10 nm lehet, vgsi rtke 100-1000
Da. Prusmrett jellemzi ezen kvl a NaCl-visszatartsa is, amelynek jellemzrtke 30-70
%. A megnvekedett membrnellenlls miatt jval nagyobb nyoms-klnbsget kell
alkalmazni a megszokott mennyisgpermetum elrshez. Radsul a kis molekulatmeg
anyagoknl az ozmzisnyoms is szmottev, amit szintn le kell gyzni (Bkssy-Molnr,
2000). A szrsnl szksges nyomsklnbsg 10-20 bar kztt vltozhat. A
membrnszrsi technolgik kzl ez a legjobban elterjedt, s a legszlesebb krben
alkalmazott mdszer.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
23/91
23
A nyomsklnbsgen alapul membrnszrsi technolgik kzl a fordtott
ozmzissal lehet a legfinomabb szrst elrni (Porter, 1990). A klnbzmolekulk eltr
diffzis viselkedsn alapul ez az elvlaszts. Az ozmotikus hatsok jelentsek, a
hajterknt alkalmazott nyoms is itt a legnagyobb, 20 - 100 bar. A vz fluxusa mg ilyen
nagy nyomsklnbsg mellett is viszonylag kicsi. Az RO membrnok gyakorlatilag csak az
oldszer molekulkat engedik t. NaCl-visszatartsuk elrheti a 99-99,9 % ot.
Az ultraszrshez kpest teht kisebb vegyletek szeparcijrl van sz, amihez nagy
ellenlls membrnt kell hasznlnunk. Valjban a nanoszr s fordtott ozmzis
membrnok tmenetet kpeznek az ultraszrsnl alkalmazott prusos membrnok s a nem-
prusos, sr membrnok kztt (ez utbbiakat pl. pervaporcinl, gzszeparcinl
hasznljk) (Blafi-Bak, 2002; Rautenbach 1997). A megnvekedett membrnellenlls, amembrn anyagnak az MF-UF membrnanyagokkal szembeni eltrse s a megnvekedett
ozmzisnyoms legyzse miatt nagyobb nyoms-klnbsg alkalmazsra van szksg a
kvnt mennyisg permetum elrshez. A kis molekulatmeg anyagoknl, mint mr
emltettem, fellp az ozmzisnyoms jelensge, akrcsak a mr emltett nanoszrsnl. A
membrn az oldott anyagot (pl. s) nem engedi t, mg az oldszert (vz) tereszti. Ha az
alkalmazott nyoms kisebb, mint az ozmzisnyoms, a vz a hgabb oldat (pl. tiszta vz) fell
fog ramlani a tmnyebb fel. Ha viszont a nyoms nagyobb, mint az ozmzisnyoms azadott esetben, a vz a tmnyebb oldat fell ramlik a hgabb fel. Mindezeket figyelembe
vve a valdi fluxus (vzram-srsg J) a 2.2 egyenlettelrhat le (felttelezve, hogy oldott
anyag egyltaln nem jut t a membrnon, vagyis a retenci R = 100%).
= ( ) 2.2 egyenlet
p alkalmazott nyomsklnbsg,
ozmzisnyoms,
k hidrodinamikai permeabilitsi koefficiens.
Ha az oldott anyag retencija nem tkletes, a gyakorlatban ez szokott elfordulni,
akkor az elmleti ozmzisnyomsnl kisebb rtket kell figyelembe venni. A hidrodinamikai
permebilitsi (vz permeabilitsa) koefficiens egy adott membrnra nzve lland, s rtkt
az oldhatsg s a diffuzivits hatrozza meg. A membrnok szelektivitst leginkbb a
retencis, vagy visszatartsi koefficienssel lehet jellemezni. A fordtott ozmzist legnagyobblptkben tengervz stalantsra hasznljk a Kzel-Keleten, de alkalmazzk kazntpvz
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
24/91
24
elksztsre, a gygyszeriparban klnlegesen tiszta vz ellltsra, pl.
szvettenysztshez, oltanyagksztshez.
2.2.2 Gzszeparci
A gzszeparci (gzpermeci) sorn gzok keverknek elvlasztsa a cl. A
gzszeparci hajtereje alapveten a koncentrcigradiens, de a nyomsklnbsgnek is
fontos szerepe van a mvelet kivitelezsnl. A gzszeparci prusmentes s prusos
membrnokon keresztl egyarnt elkpzelhet (Blafi-Bak, 2002). A prusos s a nem-
prusos membrnokon t zajl gzszeparci mechanizmusa azonban igen eltr [Mulder,
1996; Noble, 1995).
Gznemanyagok elvlasztsa cljbl trtnmembrnos mvelet sorn, ha a gzok
transzportja viszkzus ramlsknt rhat le (pl. mikroszr membrnokon keresztl),
szeparci nem jtszdhat le, mivel a gzmolekulk szabad thossza igen rvid a membrn
prustmrjhez kpest (Blafi-Bak, 2002). A prus mrett cskkentve elrhetjk, hogy a
gzmolekulk szabad thossza nagyobb vlik, mint a prustmr. Ezt a fajta gzramlst
Knudsen-ramlsnak nevezzk s a 2.3 egyenlettelrhatjuk le.
J
nr D p
RT l
k
=
2
2.3 egyenlet
J fluxus,
l membrn vastagsga,
n prusok szma,
p nyomsklnbsg,
tortuozits,
Dk Knudsen diffzis koefficiens,
r prus sugara.
A Knudsen koefficienst meghatrozst a 2.4 egyenletrja le.
D rRT
Mk
w
=
0 668
, 2.4 egyenlet
T hmrsklet,
Mw molekula tmege.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
25/91
Az elbbi kt egye
molekulatmeg ngyzetgyk
ramlst egy adott membr
Knudsen-ramls mechaniz
hatrozza meg. Ez azt jelen
Nagyobb szeparcis faktor c
igazn gazdasgos. Az egyetl
trtn gz szeparcinak a
Franciaorszgban mkdtetne
A Knudsen-ramlsnak azo
membrnokkal trtn gzsz
aktv rteget prusos tmas
hozzjrulhat az sszramlsh
A nem-prusos memb
membrnon keresztl mrhet
2.2.4 bra Kt g
A nem-prusos szer
lerst a Fick-trvny adja (2.
letbl jl ltszik, hogy az ramls for
vel, s ez az egyetlen paramter, amel
s nyomsklnbsg esetn. gy kt g
usa szerint a kt molekulatmeg ngyz
ti, hogy meglehetsen alacsony szeparci
sak kaszkd rendszerzemmdban rhet
en alkalmazsi terlete mostanig ezrt a p
urnium hexafluorid tmnytse, amely
k egy ilyen zemet, ahol prusos kermiame
nban van egy msik fontos vetlete i
parci sorn, ha kompozit membrnt hasz
trteg tartja, a prusos rtegben fellp
oz.
rnon t trtn gzszeparci a klnbz
permebilitstl fgg (2.2.4 brn).
z elvlasztsa nem-prusos membrnon ker
ezeten t trtn egydimenzis gzdiff
.5 egyenlet).
J Ddc
dx=
diffzis koefficiens,
c/dx hajter: a koncentrcigradi
keresztmetszetn.
25
tottan arnyos a
meghatrozza az
z szeparcijt a
tgyknek arnya
s faktor nyerhet.
el, ez azonban nem
rusos membrnnal
igen drga anyag.
mbrnt hasznlnak.
. A nem-prusos
nlnak, ahol a sr
Knudsen-ramls
gzoknak az adott
esztl
zi legegyszerbb
2.5 egyenlet
ens a membrn
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
26/91
26
llandsult krlmnyek kztt a 2.5 egyenletkiintegrlhat (2.6 egyenlet).
JD c c
li
i i l i=
( ), ,0
2.6 egyenlet
co,i, cl,i a kt oldalon mrhetkoncentrci,
l membrn vastagsga.
A koncentrcikat a Henry-trvnyben szerepl parcilis nyomsok hatrozzk meg (2.7
egyenlet).
= 2.7 egyenlet
Si az i-edik komponens oldhatsgi koefficiense a
membrnban.
A Henry-trvny fknt az amorf, elasztomer polimerek esetn alkalmazhat, mivel az
oldhatsg gyakran sokkal komplexebb folyamat az vegesedsi hmrsklet alatt. Az elbbi
kt egyenletet kombinlva kapjuk meg a gzszeparci lersra ltalban hasznlt kpletet
(2.8 egyenlet).
=(,,)
2.8 egyenlet
A D diffzis koefficiens s az S oldhatsgi koefficiens szorzataknt kapjuk meg az
gynevezett permebilitsi koefficienst (Pm) (2.9 egyenlet)
= 2.9 egyenlet
gy a 2.9 egyenletegyszersthet(2.10 egyenlet).
=,(,,)
=
,
2.10 egyenlet
Ebbl a kpletbl vilgosan kitnik, hogy a membrnon t trtn ramls-srsge
(fluxus) egyenesen arnyos a (parcilis) nyomsklnbsggel s fordtottan arnyos a
membrn vastagsgval. A szelektivits (elvlasztsi tnyez) idelis esetben megadhat a
permebilitsi koefficiensek (i s j-edik komponens) hnyadosval (2.11 egyenlet).
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
27/91
27
/ = ,
, 2.11 egyenlet
Szmos gzelegy esetn a valdi szeparcis faktor nem egyezik meg az idelis
szelektivitsi faktorral, mert nagy nyoms alkalmazsakor, amikor a gz s a polimer kzttklcsnhats lp fel, a membrn anyaga mdosulhat. Emiatt ltalban a permebilits n, a
szelektivits viszont cskkenni szokott. A valdi szeparcis faktor fgg a membrn kt
oldala kztti nyomsok arnytl is. Nagy rtkek esetn rhet el a szeparcis
hatkonysg maximuma. Ez megvalsthat vagy a (primer) betpllsi oldalon alkalmazott
nagy nyoms alkalmazsval, s/vagy vkuum ltestsvel a permetum (szekunder) oldalon.
A permebilitsi koefficiens (Pm) igen jellemz paramter a gzszeparcinl.
Viszonylag knnyen mrhet, ha ismert az alkalmazott membrn vastagsga. A permebilitsi
koefficienst sokszor gynevezett Barrer egysgben adjk meg (1 Barrer = 10-10cm3(STP) cm
cm-2 s-1 cmHg-1 = 0,76 10-17 m3 (STP) m m-2 s-1 Pa-1, STP: norml llapot (standard
temperature and pressure)). Egy adott gz permebilitsa ltalban sokkal nagyobb
elasztomer polimerekben, mint veges llapotakban, a lncok nagyobb mobilitsa miatt. Az
egyes gzok permebilitsa adott membrn esetn nemcsak a gz atomok/molekulk
mrettl fgg, hanem a kondenzcira val hajlamtl is. A gzk permebilitsa gy
(standard krlmnyek kztt mrve) ugyanazon membrnnl tbb nagysgrenddel
meghaladhatja a gzokt (Blafi-Bak, 2002; Mulder, 1996, Staude, 1992).
Egy adott gz permebilitsnak rtke hat nagysgrenden bell mozoghat az
alkalmazott polimer membrntpustl fggen. Ugyanakkor a klnfle gzok s gzk
permebilitsa hasonlan tg hatrok kztt mozoghat egy adott membrn esetn. Lthat
teht, hogy a gzszeparcis mveletekhez nagyon sokfle polimer anyag felhasznlhat a
szeparcis cltl fggen. Azoknl az elvlasztsi problmknl, ahol a komponensekklcsnhatsa a membrnnal igen klnbz (pl. gzok s gzk szeparcija), gy a
permebilitsok arnya (szelektivits) nagy, leginkbb nagy teresztkpessg anyagot
szoktak vlasztani. Ezek ltalban elasztomerek, mint pl. a szilikon gumi, vagy termszetes
gumi. Az elasztomerek szelektivitsa azonban szmos szeparci sorn kicsiny, ilyenkor az
veges llapot polimereket alkalmazzk, br ezek permebilitsa jval kisebb.
Gzszeparcis clokra fknt aszimmetrikus s kompozit membrnokat hasznlnak.
Ezen membrnok esetn a hidrodinamikai ellenllst teht a vkony szelektv rteg jelenti.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
28/91
28
Ennek a rtegnek hibamentesnek kell lennie, mivel a hibk erteljesen cskkentik a
szelektivitst, anlkl, hogy a fluxust jelentsen nvelnk. veges llapot polimerbl
meglehetsen nehz hibamentes aktv rteget kszteni. Az is elfordulhat, hogy az aktv rteg
molekuli behatolnak a tmasztrtegbe s a membrn teljes ellenllsa megn.
A gzszeparci alkalmazsi terleteit alapveten kt rszre lehet osztani attl
fggen, hogy nagy vagy kicsi permebilits membrnt hasznlunk. Nagy permebilits
anyagokat alkalmazhatunk, ha nem szksges a nagy szelektivits, pl. oxignben dstott
levegellltsa orvosi clokra, vagy getshez; steril levegaerob fermentcikhoz. De ide
tartozik a gzk s a nem-kondenzld gzok elvlasztsa, pl. nitrogn szeparcija
levegbl, vagy metn kinyerse hosszabb sznlnc sznhidrognek melll. Ezeknl
nagyobb szelektivits rhet el viszonylag j teresztkpessg mellett. A hidrofbelasztomer anyagok permebilitsa sokkal kisebb nitrognre vagy metnra nzve, mint
szerves gzkre, gy ezekre az alkalmazsi terletekre igen elnys, ha j teresztkpessg
membrnt vlasztunk (Toshima, 1992; Whyte, 1983; Bakonyi, 2008).
Kzepes szelektivits elrshez kis permebilits membrn anyagokat clszer
vlasztani, amelyek veges llapot polimerek lehetnek. A gyakorlatban a permebilits s a
szelektivits kztti egyensly megteremtsvel lehet hatkony membrnos eljrsokat
kidolgozni. Egy membrnos gzszeparcis eljrs gazdasgilag akkor lesz hatkony, ha a
membrnnak nagy a permeabilitsa s szelektivitsa is az elvlasztani kvnt
gzkomponensekre, illetve nagy a mechanikai s hstabilitsa. Az elmlt vtizedekben a
polimer membrnok gzszeparcis terleten val alkalmazsa egyre bvlt. A rendelkezsre
ll polimerek kzl az aroms poliszulfon, polikarbont, poliaril-keton, poliariln-ter s
poliimid membrnok bizonyultak megfelelnek a gzszeparcira (Mousavi, 2008).
A biogz, mint az az els fejezetben lertakban szerepel, fknt szndioxidbl smetnbl ll. A biogz jelenleg csak az elllts helyn hasznlhat fel (Gbls, 2010). A
tiszttott, metnban dstott biogz felhasznlhat lenne a hztartsokban, gpjrm
zemanyagknt vagy elektromos ram generlsra. Ehhez a biogzbl a szndioxidot s
egyb nyomgzokat el kell tvoltani, s palackozva szllthatv kell tenni. Az elmlt
vtizedben a kutatsok a membrnos gzszeparci fel fordultak.
Az egykomponens metn s szndioxid gzok permecijt klnbz membrnokon
vizsgltk a kutatk. A CO2/CH4 szelektivits rtke fgg a membrn tpustl (Mousavi,
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
29/91
29
2008; Pourafshari, 2008), a hmrsklettl (Li, 2004), a transzmembrn nyomstl (Stern,
1998) s a nyomsesstl (Li, 2004). Kimura (1980) megllaptotta, hogy a kapillris
poliszulfon membrn CO2/CH4 szelektivitsa jval nagyobb, mint a cellulz acett
lapmembrn. A CO2 permecija mindkt membrntpuson azonos, azonban a CH4
permecija az utbbin jval nagyobb volt. Ugyanakkor Stern (1994) ksrleteivel sszevetve
megllaptotta, hogy a poli-fenil-oxiddal bevont membrn CO2/CH4szelektivitsa jval alatta
marad a poliimidek szelektivitsnak. Tovbb a CO2-CH4 szeparcijnak intenzifiklsra
alkalmas lehet a tbblpcss gzszeparci (Pourafshari, 2008; Bhide, 1993) illetve a
membrntechnika kiegsztse adszorpcis eljrssal, a szndioxid megktsre (Li, 2004;
Gassanova, 2006; Mousavi, 2008). Az irodalmi adatok ttekintse alapjn fontosnak tnik,
hogy tiszta gzok mellett gzelegyek permecijt is vizsgljuk, s akkor lesz eldnthet,
hogy szksges-e a tbblpcss, illetve adszorpcival kiegsztett gzszeparcis mvelet
alkalmazsa.
2.3 Anaerob membrn bioreaktorok (AnMBR)
A membrnokat elssorban szeparcis clokra (koncentrls, tisztts, frakcionls)
hasznljk, azonban elfordulhat, hogy a membrnos mveletet kmiai vagy biokmiai
reakcival kombinljk. Utbbi esetben a rendszert egy reaktor s egy membrnegysg
sszekapcsolsval alaktjk ki, mely rendszert membrn-(bio)reaktornak (MBR) neveznek(Blafi-Bak, 2000). A reaktor lehet a (bio)kmiai reakci szntere vagy csupn puffertartly,
mg a membrnegysg szolglhat a reakcielegy szeparlsra s/vagy a reakci sznhelyl.
A membrn-bioreaktor zemeltetsi szempontbl lehet szakaszos, folyamatos vagy
flfolyamatos. A membrn konfigurcija szerint cs, kapillris, lap illetve spirl reaktor
egyarnt kialakthat. Az MBR kialaktsa, a membrn megvlasztsa, termszetes a
vgrehajtani kvnt (bio)kmiai folyamat fggvnye (Blafi-Bak, 2002).
A membrn-bioreaktorokkal kapcsolatos kutatsok tbb mint 30 ve kezddtek, s
azta tbb genercinyi MBR-t fejlesztettek ki (Crawford, 2002). A mai napig az MBR
rendszereket leginkbb ipari szennyvizek s specilis kommunlis szennyvizek kezelsre
hasznljk, ahol a kis kolgiai lbnyom, vz jrahasznosts vagy szigor kibocstsi
elrsok vannak. Azonban az MBR-ek szlesebb krben val elterjedse vrhat,
amennyiben a kibocstsi szablyzs, illetve a vz jrafelhasznls szablya szigorodnak
(Cicek, 2003; Visvanathan, 2000). A vz- s szennyvzkezelsben a membrnmveleteket
nll vagy ms eljrsokkal kombinlva alkalmazzk. A membrnmveletek, mint alternatv
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
30/91
30
szennyvzkezelsi mdszerek, lehetsget adnak az eredeti anyagok visszanyersre, tovbb
ipari s kommunlis szennyvizek innovatv kezelsre. A szennyvztisztts terletn a
nyomsklnbsgen alapul membrnszrsi mdszereket (mikro-, ultra-, nanoszrs s
fordtott ozmzis) alkalmazzk. A tisztts sorn a vzben lv szennyezanyagok
kiszrdnek, s a berendezsbl tmny srtmny (koncentrtum/retenttum) formban
tvoznak, mg a membrnon tjut vz (szrlet/permetum) a szennyez anyagoktl (ionok,
baktriumok, szerves anyagok s szilrd rszecskk) rszben mentess vlik (lls, 1998).
Ghayeni s munkatrsai (Ghayeni, 1999) vizsgltk a szennyvz mikroszrmembrnon val
thaladst. Mrseik alapjn arra a megllaptsra jutottak, hogy a 0,2 m prusmret
membrn esetn a permetumban a tenyszthet baktriumszm nulla. A szennyvz
jrahasznostst clz kutatsokat vgzett Schaffer s munkatrsai (Schaffer, 2001) integrlt
membrn rendszerrel (IMS). A lebeganyag s baktriumok szrsre mikro s ultraszr
membrnokat alkalmaztak, majd a permetumot fordtott ozmzissal kezelve, megllaptottk,
hogy megbzhatan j minsgvz llthat elipari hasznlatra s ntzsre. Ugyancsak a
szennyvz (ipari s kommunlis) jrahasznostst vizsglta Durham munkatrsaival
(Durham, 2001). Az ultraszr membrnos egysget elkezelsknt alkalmaztk a fordtott
ozmzisos szrshez. Karabelas (Karabelas, 2001) klnbz anyagok kinyerst analizlta
membrnszrsi-eljrssal savas szennyvzbl, mely trgybl szrmazott. Clja az rtkes
anyagokat tartalmaz szennyvz besrtsnek s jbli felhasznlsnak technikai s
gazdasgi megvalsthatsgnak vizsglata volt, illetve a j minsg szrlet ellltsa, a
vz visszanyerst s a gz felhasznlst megclozva.
Az 1990-es vek elejn az membrn-bioreaktorokban a membrn egysg kvl, a
mellkramba kerlt elhelyezsre (2.3.1 bra). A mellk ramban elhelyezett membrn a
reaktortl fggetlenl mkdik. A betpllt nyersanyagot a reaktorban a mikroorganizmusok
bontjk, majd az elfoly ram a membrn egysgre kerl, amely rendszerint keresztramzemmdban mkdik, ahol a pumpa biztostja a folyadk sebessgt s a transzmembrn
nyomst a fluxus nvelsre s az eltmds megakadlyozsra. A membrn permetuma a
kezelt elfoly, mg a koncentrtumot visszaforgatjk a reaktorba. Az eltmds
megakadlyozsra a recirkulcis ramot erstik. A vzvisszaforgats energiaignye
jelents, gy ezen mdszer szlesebb krben nem terjedt el. Tovbb az anaerob
rendszerekhez csatolva a nagy sebessg recirulcis ram a metanognek mkdst is
gtolhatja (Brockman, 1996; Choo, 1996; Ghyoot, 1997). Az energiaigny cskkentst clz
megolds a nyomszr tpus membrn egysg, melyben az eltmdst idszakos
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
31/91
31
visszamosssal oldjk meg. A metanognek zavarsnak megakadlyozsra a visszamossi
ram a betpll ram kiegyenlt tartlyba is ramolhat (Gerardi, 2003). A mellkramban
elhelyezett membrn modulokat a kutatk magas hmrsklet, extrm pH-j, nagy toxicits
s nehezen szrhetszennyvizek tiszttsban val alkalmazsra tesztelik.
2.3.1 bra Mellkram membrn-bioreaktor smja
Az 1990-es vek vge fel kifejlesztettk a bemerl tpus MBR rendszert (2.3.2
bra), melyben a membrn az eleven iszapos reaktorban van, gy nincs szksg recirkulcis
ramra (Yang, 2006). Ebben az esetben a transzmembrn nyomst a membrn fltti
folyadkrteg hidrosztatikus nyomsa szolgltatja. Amennyiben ez nem elegend, kisegtpumpt alkalmaznak. Az eltmds megakadlyozsra folyamatos gz (aerob esetben
leveg, mg anaerob esetben biogz) buborkoltatsa ajnlatos, mely srolja a membrn
fellett. Mind a transzmembrn nyomst segt pumpa, mind pedig a gz ramoltatsnak
energiaignye van. A gzkevers energiaignye 3-5 W/m3 (Bode, 1999), mg a mechanikus
vagy recirkulcis kevers 1 W/m3alatt is lehetsges (Balmer, 1999; De Korte, 1998). Ebbl
kifolylag a bemerlMBR konfigurcikat ltalban az aerob rendszerekben alkalmazzk,
mert itt eleve is gz bevezetsre van szksg (Yamamoto, 1989).
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
32/91
32
2.3.2 bra Bemerlmembrn-bioreaktor smja
A membrn bioreaktorok nagy elnye, hogy a mikroorganizmusokat a rendszerben
tartva teljesebb lebontst tesznek lehetv, ezltal tisztbb elfolyt produklnak. A
hagyomnyos tiszttsi mdszerekkel sszehasonltva kevesebb vegyszert hasznlnak, kisebb
az energiaignyk, ezltal kisebb az kolgiai lbnyomuk s a fenntartsi kltsgeik is
alacsonyabbak.
Mint az a 2.1 fejezetbenemltsre kerlt, a metanogn mikroorganizmusok genercis
ideje akr 30 nap is lehet (2.1.2 tblzat), illetve rzkenyen reaglnak a krnyezeti
paramterek vltozsaira. Tovbb a hidraulikus s iszap tartzkodsi id nem megfelelenmegvlasztott rtke iszapkimosdst, azaz a metn-termel baktriumok szmnak
cskkenst okozza. Az anaerob rothasztkhoz integrlt membrnegysg megakadlyozza az
anaerob mikroorganizmusok kimosdst a reaktorbl (Lew, 2009), ezltal biztostva a
stabilabb mkdst s biogz termelst. Tovbbi elnye az anaerob membrn-
bioreaktoroknak (AnMBR), hogy a szrs utni permetum frakci lebeganyagtl s
baktriumoktl mentess vlik, mg az elvett iszap szerves anyag tartalma kisebb,
szrazanyag tartalma nagyobb lesz, gy elhelyezse gazdasgosabb (Mata-Alvarez, 2000;Krpti, 2007). Lew s munkatrasainak (Lew, 2009) ksrletei alapjn a 1,4 %-os anaerob
iszap 8 %-ra tmnythet, mg a szerves anyag/lebeg anyag arny 0,8-rl 0,7-re
cskkenthethat hnap alatt.
Mint az az elzekben emltsre kerlt, a bemerl membrn egysg, az eltmds
megakadlyozsra, gzbevezetst ignyel. Ennl fogva az anaerob rothasztsnl ltalban a
mellkramban helyezik el a membrn egysget, gy az elmlt vtized kutatsainak nagy
rsze is ezzel a konfigurcival foglalkozik. A vizsglatok tlnyom tbbsge a membrn
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
33/91
33
eltmdsnek mechanizmust s megakadlyozst clozza. A tovbbi tanulmnyok a
terhels nvelsnek s a hidraulikus tartzkodsi id cskkentsnek hatsait vizsglja a
szerves anyag eltvoltsban illetve a metn kihozatalra.
Az anaerob fermentorok optimlis hidraulikus tartzkodsi ideje 12-18 nap (Krpti,
2007), a szerves anyag terhels 0,8-2,0 kg/m3nap mezofil mg 1,5-5,0 kg/m3nap termofil
rendszer esetn, a CH4 hozam pedig (100%-os szerves anyag lebontst felttelezve) 0,35
m3/kg KOI. Anaerob membrn-bioreaktor alkalmazsval a stabil mkds s biogztermels
fenntarthat (He, 2005) kisebb HRT s nagyobb szerves anyag terhels mellett is (Beaubien,
1996). Jeong s munkatrsai (Jeong, 2009) megllaptottk, hogy mezofil AnMBR-ban a
HRT cskkensvel a CH4 hozam nvekszik. 20 napos tartzkodsi idnl 0,1 m3/m3nap
metnt, mg 14 napnl 0,28 m3/m3nap metnt lltottak el, 1,8 kg KOI/m3nap terhels s 99%-os KOI eltvoltsi hatsfok mellett. Azonban a 14 napos HRT esetn a rendszerk
instabill vlt. Raynal s munkatrsai (Raynal, 1998) 12 napos HRT-vel stabil rendszert
zemeltetett, tlagban 0,6 m3/kg szerves anyag biogzhozammal (65-70 % CH4 tartalom), a
szerves anyag eltvoltsi hatsfok azonban csak 87 % volt. Az iparban mkd
hagyomnyos anaerob fermentorok, megfelelen alacsony szerves anyag terhels mellett (0,8-
2,0 kg KOI/m3nap), zemeltethetek akr 10-12 napos HRT-vel. Az AnMBR-ban, megfelel
membrn beptsvel s az optimlis zemi krlmnyek biztostsval, valsznleg ahagyomnyos anaerob fermentorokhoz kpest tovbb cskkentheta HRT, gy cskkentve a
reaktorok helyszksglett.
Saddoud s munkatrsai (Saddoud, 2007) 2 kg KOI/m3nap terhelssel 0,54 m3/m3nap
metntermelst rt el, stabil mkds mellett. Liew Abdullah s munkatrsai (Liew Abdullah,
2005) megllaptottk, hogy a szerves anyag terhels nvelsvel cskken a CH4hozam s a
szerves anyag eltvoltsi hatsfok is. A terhelst 1 kg KOI/m3nap rtktl 10 kg
KOI/m3napra nveltk, ezalatt a biogzhozam 0,3 l/kg KOI-rl 0,8 l/kg KOI-re nvekedett,
mg a metntartalom 74 %-rl 66 %-ra cskkent. Emellett a KOI eltvoltsi hatsfok 98 %-
rl 90 %-ra cskkent. Fuchs s mtsi. (Fuchs, 2003) 6-8 kg KOI/m3nap terhels mellett 0,25-
0,35 m3CH4/kg KOI hozamot rt el, 97 %-os szerves anyag eltvoltsi hatsfokkal (4,5-5,5
%-os iszapkoncentrci). A kutatsi eredmnyek alapjn, a magas terhelssel s rvidebb
HRT-vel zemel anaerob membrn bioreaktorokban, megfelel adaptcis idvel,
iszapkoncentrci nvelssel s a membrnmodul megfelelzemeltetsvel, a biogz/metn
kihozatalban akr tovbbi nvekeds is elrhetstabil rendszermkds mellett.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
34/91
34
A meggyz eredmnyek ellenre a membrn bioreaktorok elterjedsnek egyik
legfbb htrltat tnyezje a membrnok eltmdse, melyet klnbz perspektvkbl
vizsgltak a kutatk, mint pldul az okok keresse, membrn karakterisztika, az eltmds
mechanizmusa s annak cskkentse, megakadlyozsa (Ognier, 2002). A membrn
eltmdse cskkenti a fluxust, ezltal a produktivitst, cskkenti a membrn lettartamt s
nveli az zemeltetsi kltsgeket (Bouhabila, 2001). Az eltmds vizsglatra irnyul
kutatsok eredmnyei szerint az megakadlyozhat nagy nyrerej tiszttsi folyamatok
(recirkulcis ramok, gzbevezets (Fane, 2002; Sofia, 2004), visszamoss (Ma, 2001))
alkalmazsval (Jeison, 2008), a kritikus fluxus alatti zemeltetssel (Chua, 2002; Defrance,
1999), aktv szn hozzadsval (Seo, 2004), vagy kmiai tiszttssal (Jiang, 2003; Shim,
2002).
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
35/91
35
3 Ksrleti anyagok s mdszerek
Az eredmnyeim ismertetsnl a szakirodalomnak megfelelen, illetve az MSZ
4900/1-70 s MSZ 4900/3-70 szabvnyok alapjn, az SI ltal engedlyezett nem SI
mrtkegysgeket hasznltam (Moldovnyi, 1980). gy a trfogatmennyisgek jellsre dm3
helyett a l (liter), a cm3 helyett ml mrtkegysget, mg a nyoms mrtkegysgeknt Pa
helyett bar-t (1 bar = 105 Pa) hasznltam.
3.1 Anyagok
A vizsglataim sorn a beolt iszapknt hasznlt anaerob fermentcis kultra a
Plhalmai Agrospecial Kft. biogz zembl szrmazott, mely zemben nagyrsztszarvasmarha hgtrgya, mezgazdasgi zldhulladk s konyhai hulladkok kezelse folyik.
A beolt iszap tulajdonsgai: 26-30 g KOI/l, 22-25 g TSS/l. A membrnos gzszeparci els
lpsnl hasznlt tiszta gzok a MESSER Hungria Kft. termkei voltak: CO2 99,98 %,
CH4 99,90% (V/V %). A munkm sorn felhasznlt vegyszerek gyrtit s minsgi
paramtereit a 3.1 tblzattartalmazza, az R s S mondatokat azI. szm mellklet.
3.1.1 tblzatFelhasznlt vegyszerek R s S mondatai
vegyszer R mondatok S mondatok gyrt/minsg
ammnium-heptamolibdt-
tetrahidrt20/22. 2.; 26.; 28.1.; 36/37. Reanal/a.r.
ammnium-klorid 22.; 36. 2.; 22. Reanal/a.r.
ezst-szulft 41. 2.; 22.; 26.; 39. Reanal/a.r.
hangyasav (85%) 34. 1/2.; 23.2.; 26.; 45. Spektrum/purum
higany-szulft 26/27/28.; 33.; 50/53. 1/2.; 13.; 28.; 45.; 60.; 61. Spektrum/a.r.
klium-antimonil-tartart 20/22.; 50/53. 2.; 22.; 61. Reanal/a.r.
klium-dihidrogn-foszft - 2.; 22.; 24/25. Spektrum/a.r.
klium-peroxi-diszulft 8.; 22.; 36/37/38.; 42/43. 22.; 24.; 26.; 37. Aldrich/a.r.
knsav (96%) 35. 1/2.; 26.; 30.; 36/37/39.; 45. Reanal/a.r.
Komplexon-III (EDTA
dintriums 2-hidrt)36/37/38. 26.; 36. Spektrum/a.r.
ntrium-diklr-izucianurt8.; 22.; 31.; 36/37.;
50/53.8.; 26.; 41.; 60.; 61. Aldrich/a.r.
ntrium-hidroxid 35. 26.; 37/39.; 45. Spektrum/a.r.
ntrium-szalicilt 20/21/22.; 36/37/38. 2.; 24/25.; 26.; 36. Reanal/a.r.
nitroprusszid-ntrium 25. 1/2.; 22.; 37.; 45. Reanal/a.r.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
36/91
36
3.2 Ksrleti berendezsek
3.2.1 3DTA nyomsklnbsgen alapul membrn-szeparcis tesztberendezs
Az UWATECH GMBH 3DTA (Nmetorszg) (3.2.1 bra) szabadalmaztatotthromdimenzis tesztberendezs, mely nyomsklnbsgen alapul (MF, UF, NF, RO)
membrntechnikai folyamatok laboratriumi megvalstsra, tesztelsre alkalmas rendszer.
A szksges transzmembrn (0-50 bar) nyoms inert gzzal biztosthat. A berendezs
alkalmazsval lehetv vlik az elvlaszts technikai paramterek gyors kimrsn tl a
membrn anyagnak s a spacernek (tvtart) tesztelse is. A tesztberendezs kialaktsnl
egyik trekvs az, hogy minl tbbfle anyag tesztelse vljon lehetv: az ipari szeparcis
folyamatok tanulmnyozsn tl szennyvizek tesztelsre is alkalmas. A berendezs kezelseegyszer, a membrn knnyen cserlhet, gy alkalmas gyorstesztek elvgzsre is. Batch
zemben futtathat, a folyamatos zemhez az inert gz helyett nyomsfokoz szivatty
beptse szksges. A berendezsbl kilppermetum s koncentrtum kln analizlhat.
3.2.1 braA 3DTA berendezs
A tesztberendezs kialaktsnl szintn fontos szempont a hordozhatsg. Sok
esetben van szksg terepi mrsekre, vagy a tesztmdium nem szllthat. A berendezs
knnyen szllthat, egyszeren sszellthat.
A membrn hengerpalst-szerelhelyezkedse, az alkalmazhat membrn tvtartk s
a keresztram miatt a tesztberendezs zemi krlmnyei nagyon hasonlak az ipari mret
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
37/91
37
membrnelemek zemi krlmnyeihez, emiatt a mrsi eredmnyek jl felhasznlhatk a
lptknvelsre, az ipari mret berendezs tervezsre. A tesztberendezs eljrs-technikai
rajza aII. szm mellkletbenlthat.
3.2.2 GS-MS 100 nagynyoms gz-szeparcis modul
A gz-szeparcis vizsglatok lebonyoltshoz GSMS-100 nagynyoms mobil
membrntesztel kszlket terveztnk meg s alaktottunk ki, amely alkalmas klnfle
membrnok jellemzsre. A berendezs elvi smja a 3.2.2 brn, fnykpe az 3.2.3 brn
lthat.
3.2.2 braA membrntesztelkszlk mkdsnek sematikus brja, MM1
membrn modul, GT1 gztartly, S1 szepartor, TE1 termosztt, V1 gznyoms szablyoz,
V2, V3, V4, V5, V6 szelepek)
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
38/91
38
3.2.3. braA nagynyoms mobil membrntesztelkszlk kpe
A nagynyoms tesztkszlk mrsi adatgyjt rendszert egy Borland C/C++
Builder programfejleszt rendszerrel ksztett program, a Microsoft Windows opercis
rendszerek alatt fut, adatgyjtsi feladatokat ellt szoftver vezrli, amely alkalmas a
mrsek sorn keletkez informcik megadsra, sszegyjtsre s mrsi
adatllomnyokban trtneltrolsra.
A membrntesztelkszlk termosztlhat, felftheta membrnmodul a belsejben,
gy klnbz hfokokon tesztelhetek a membrnok szeparcis tulajdonsgai. Emellett a
primer oldali nyomsvltoztatssal vltoztathatak a nyomsviszonyok a rendszerben.
Mrseink sorn ksrleteket vgeztnk a membrnok permebilitsnak (teresztkpessg)
s szelektivitsnak meghatrozsra klnbz nyomsokon, s klnbz hfokokon. A
permeabilits vizsglatnl a membrnmodul egyik vgt lezrva zsk szrkntalkalmaztuk, gy a bevezetett gz csak a membrnon t tvozhat a modulbl. Ezt a belltst
(1. bellts) a V4, V6 szelepek zrsval, a V1 s V5 szelep szablyzsval s a V2, V3
szelep nyitott llapotval lehet elrni. Ezzel az zemeltetsi elrendezssel a membrn
ellenllsa s a permecis sebessg is igen pontosan meghatrozhat. A gzelegyek
szeparcijhoz a nem permel gzt folyamatosan el kell vezetni, gy egy keresztirny
ramlst kialaktva mkdtettk a berendezst (2. bellts.). Ezen belltshoz a V4
szelepeket zrni, a V2, V3 szelepet nyitni, mg a V1, V5 s V6 szelepeket szablyozni kell.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
39/91
39
3.2.3 Szakaszos zemmd, gztermels mrsre alkalmas berendezs
A mrberendezs 1 liter trfogat veg edny, hrom csonkkal elltva (3.2.4 bra). A
rendszer lgmentesen zrhat. Az egyik csonkot szeptummal zrtuk, a gzmintavtel lehetv
ttele rdekben. A gztermels mrsre az egyik csonkon egy nyomsvltozst
regisztrlsra alkalmas mrfejet (WTW Oxitop 100) helyeztnk el. A biogztermelst a
nyomsvltozsbl, a kpzdtt gzt tkletes gznak felttelezve, a tkletes gztrvnyt
( = ) alkalmazva szmtottuk. A kezdeti anaerob krlmnyeket N2-gz
bevezetsvel biztostottuk.
3.2.4 braA biogz-ellltsi vizsglatokhoz hasznlt szakaszos-zemmdban mkdberendezs
3.2.4 Membrnmodullal sszekapcsolt anaerob fermentor
A fermentor smja, melyhez membrn modult csatoltunk s anaerob krlmnyek
kztt zemeltettk a 3.2.5 brnlthat. A reaktor savll aclbl kszlt (folyadktr 1,5
l), termosztl kpennyel krlvett, a gztr vegbl kszlt (gztr 0,5 l). A fermentor
kialaktsa, a gztrnl s folyadktrnl elhelyezett csonkoknak ksznheten, lehetv teszi
a rendszerek varilhatsgt. A recirkulcis ramba elhelyezett membrnmodulba (hold up,
vagyis a kszlkben visszatartott folyadk mennyisge 200 ml) ultraszrmembrn (160
kDa, politer-szulfon, kompozit membrn, 175x260 mm) volt beptve.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
40/91
40
3.2.5 braA fermentorok felptse, I gztr, II folyadktr, III kpeny, IV
termosztt, V gzmintavteli csonk, VI leeresztcsonk, VII retenttum g, VIII
permetum g, IX membrn egysg, X gztrfogat mrse, XI adatrgzts (PC)
3.3 Analitikai mdszerek
3.3.1 Kmiai oxignigny (KOI) mrs
A KOI (kmiai oxignigny) a szerves anyagok mennyisgnek (koncentrcijnak)
jellemzsre szolgl mrszm. Az az oxignmennyisg, ami a vzben jelen lev szerves
anyagok teljes oxidlshoz (azaz CO2-d alaktshoz) szksges. Az oxidcihoz
klnbz erlyes oxidl hats vegyszereket hasznlunk; a KOI megadsa sorn az
oxidcira elfogyott vegyszermennyisg oxignegyenrtkt adjuk tulajdonkppen meg. Az
oxidci sorn felhasznlt vegyszerek szerint tbbfle KOI-mrsi mdszert klnbztetnk
meg (MSZ 260/16:1982).
A munkm sorn a KOI meghatrozst klium-dikromtos mdszerrel vgeztem
(MSZ 260/16:1982). A mintt klium-dikromt s kataliztor (Ag2SO4, HgSO4) jelenltben
knsavas kzegben 145C-on roncsoltuk, mikzben a klium-dikromt a jelenlev, s az adott
krlmnyek kztt oxidld szervesanyagokat oxidlja. A klium-dikromt felesleg
(dikromt-ionok), vagy az oxidci sorn a klium-dikromt redukcijbl keletkez
krm(III)-ionok abszorbancijt spektrofotomterrel (T80 UV/VIS Spectrometer), 600 nm-enmrtk. Az elzetesen, ismert KOI koncentrcij oldatokra 600 nm-en felvett kalibrcis
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
41/91
41
grbe (200-4500 mg KOI/l tartomnyban) alapjn az ismeretlen koncentrcij mintk KOI
koncentrcija meghatrozhat.
3.3.2 Szrazanyag tartalom meghatrozsa
Az sszes szrazanyag tartalom meghatrozsa a minta beprlsbl, a maradk
105C hmrskleten tmegllandsgig trtn szrtsbl ll (MSZ 260/3:1973).
Analitikai mrlegen elzetesen lemrt kvarc vagy porceln beprl csszbe ismert
mennyisg, felrzssal homogenizlt, mintt mrtnk, s infralmpa alatt szrazra proltuk.
A maradkot 105C-on tmegllandsgig szrtottuk, exsziktorban lehtttk s mrtk.
Az eredmnyek szmtsa (3.1 egyenlet):
V
mmm
1000*)( 12 = 3.1 egyenlet
m sszes szrazanyag tartalom, mg/l
m1 az res cssze tmege, mg
m2 cssze tmege a 105C-on szrtott maradkkal egytt, mg
V a bemrt minta mennyisge, ml.
3.3.3 Ammnium nitrogn (NH4-N) mrs
Az ammnium-nitrogn tartalom meghatrozsra a kzvetlen spektrofotometris
mdszert alkalmaztam (MSZ 260/9:1988). A mdszer elve, hogy a szabad ammnibl s az
ammniumionbl felszabadtott ammnit oldszerrel s fenolszrmazkkal reagltatva
kataliztor jelenltben kkszn indofenol keletkezik, melynek sznintenzitst fotometris
mdszerrel mrhetjk. A keletkez indofenol sznintenzitsa adott hmrskleten az
ammniumion-koncentrci fggvnye. A mintkhoz a szabvnyban elrt szalicilt soxidl reagenst hozzadva, 60 perces reakciidt kveten spektrofotomterrel (T80
UV/VIS Spectrometer), 670 nm-en mrjk. A mintk NH4-N koncentrcija kzvetlenl
addik, az elzetesen, ismert NH4-N koncentrcij mintkbl elksztett kalibrl egyenes
segtsgvel.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
42/91
42
3.3.4 sszes foszfor (TP) mrs
Az sszes foszfor koncentrci meghatrozsra kzvetlen fotometris mdszert
alkalmaztam ( MSZ 260/20:1980). A mdszer elve, hogy a klnbzfoszforformkat (orto-,
polifoszftok, oldhat s nem oldhat, valamint szerves foszftok) savas kzegben klium-
peroxi-diszulfttal oxidlva oldott ortofoszftt, majd ammnium-molibdenttal s klim-
antimonil-tartarttal heteropolisavv alaktjuk. Ez utbbi aszkorbinsavas redukci sorn kk
sznvegylett alakul. Az MSZ 260/20:1980 szabvny szerint eljrva, az elzetesen, ismert
foszfortartalm mintkbl elksztett kalibrcis egyenes segtsgvel (700 nm-en
fotometrlva (T80 UV/VIS Spectrometer)) az ismeretlen mintk foszfortartalma kzvetlenl
meghatrozhat.
3.3.5 Gzkromatogrfis mrs
A nitrogn s metn gzmintk elemzsre egy GOW-MAC 600 gzkromatogrfot
hasznltunk X13 zeolit oszloppal, hlium vivgzzal. A szndioxidot egy HP6890 seriesII
GC-n CarboPLOT oszloppal, nitrogn vivgzzal az elzben lert GC-n meghatrozott
metn koncentrcit, mint belsstandardot hasznlva hatroztuk meg.
3.4 Fizikai paramterek
3.4.1 A pH mrse
A pH mrsre hasznlt elektrd: Sentix 20 WTW, gltltet vegelektrd. A
mrmszer a Hanna HI 9318 W digitlis pH mr volt, beptett hmrsklet
kompenzcival. A mrsek eltt ktpontos kalibrcit vgeztnk technikai pufferek (WTW)
hasznlatval, pH 4,01 (25 C) s pH 7,00 (25 C) rtkeknl.
3.4.2 Elektromos vezets mrse
Az elektromos vezets mrsre hasznlt mszer a Radelkis OK 102/1, az elektrd
harangelektrd (Radelkis OK-9023) volt, K = 0,70 cm-1 cellallandval. A mszer
mrstartomnya 0,1 S 0,5 S.
A mszert a fkapcsoljval bekapcsoltuk, s kb. 15 percig melegedni hagytuk.
Ezutn kezdtk a kalibrlst a kvetkezmdon: a Range mrshatrvlt kapcsoln 500
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
43/91
43
mS mrshatrt lltottunk be. Ezt kveten az OK-102/1 tpus mszernl az ellap jobb
oldaln tallhat fekete gombot vgig lenyomva tartva, a Calibration jelforgatgombbal a
mszer mutatjt a piros hromszggel megjellt osztsra lltottuk. A mrshatrvltn 150
mS rtket belltva is ellenriztk, hogy a mutat ismt a piros hromszgre llt be.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
44/91
44
4. Eredmnyek s rtkels
4.1 Anaerob lebonts vizsglatra alkalmas batch reaktorok kialaktsa
A biogz kpzds tesztelshez laboratriumi berendezsnket az optimlisfermentcis krlmnyeknek, s a kpzdtt termk legegyszerbb mennyisgi, minsgi
jellemzsnek megfelelen terveztk meg, gyrtattuk le s lltottuk ssze. Az alapberendezs
savll aclbl kszlt, termosztlhat, 12 munkahelyes fermentl egysg (4.1.1 bra). Az
egyes fermentl vegednyek hasznos trfogata 800 ml, s felette 200 ml a gztrfogat. Az
edny csavaros kupakkal zrhat le. A fedkupakon hrom csonk helyezkedik el. Kt furat az
anaerob krlmnyeket biztost inert gz be s kivezetsre szolglt, mg a harmadik
kivezetcsonk a gzmennyisget mrjelfogadval volt sszektve.
4.1.1 braA mrs sorn hasznlt fermentl ednyek a hrom csonkkal
A gzmr vegedny egy mdostott U-cs (4.1.2 bra). A cs kt szrt egy
vkonyabb tvezet csvel sszektttk. A kt csszron a vkonyabb tkt cs
csatlakozsnl szintklnbsg volt, a fell zrt, baloldali csszrbl az tkt cs
alacsonyabb szintrl indult, s ennek fels harmadban kialaktott cscsonk kapcsoldott a
fermentl ednyhez. Az U-cs kt szrban helyezkedtek el a klnbz hosszsg
elektrdk. A rendszert csapvzzel tltttk fel. A fermentci sorn a kpzdtt gz a bal
oldali szrbl nyomta ki a folyadkot, s a jobb oldali csszakaszban ntt a vzszint (4.1.2
bra A). Amikor a rvidebb elektrda is mr belemerlt a folyadkba, az ramkr zrdott
(4.1.2 bra B). A vz ellenllsnak fggvnyben vltozott a kialakul ramerssg. A
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
45/91
45
vkony tvezet csben is ntt a vzszint, s a keletkez gz vgl kinyomta az sszes
folyadkot a vkony csbl is, s a nyoms, valamint a folyadkszintek kiegyenltdtek (4.1.2
bra C). A vzszint leessvel a rvidebb elektrda ismt nem rt bele a vzbe, s az ramkr
nyitott vlt. Ezen vltozs, ramerssg cskkens, egy jelet generlt, amit rzkelt a
szmll. Ezt neveztk egy kotyogsnak.
4.1.2 braA gzmrvegednyek kpe
Az ramerssg vltozst NI 9006 USB adatgyjt eszkzzel mrtk Labview
program segtsgvel az sszes fermentorban, egymssal prhuzamosan. A mrs folyamn
zavartak volna az elektrdokon lejtszd reakcik, ezrt grafit elektrdokat s 100 Mellenllst alkalmazva igen kis, 0,2 A ramerssget mrtnk, 30 V feszltsg mellett.
A minta-elksztst kveten, a bemrt mintkkal tlttt vegednyeket behelyeztk
a savll aclkdba, ahol belltottuk a termoszttot a kvnt rtkre (esetnkben 37 C,
mezofil tartomny), s elkezdtk a kt csonkon keresztl a N2 gz bevezetst. Ezzel
tbuborkoltattuk az sszes mintnkat 30 percen keresztl, hogy biztostsuk az anaerob
krlmnyeket. 30 perc utn elzrtuk a N2gz bevezetst s lezrtuk a kivezetcsonkokat is.
A trfogatmr berendezssel sszekttt csonk nyitva maradt, a kpzd gz mrsnek
lehetv ttele vgett. A rendszer szakaszos zem, gy az indtstl kezdve, a ksrlet cljtl
fggen, 30-40 napig csak gzmintavtel trtnt a rendszerbl.
A biogz kpzdsi ksrletek sorn a folyamatok nyomon kvetsre tbbfle
analitikai mdszert alkalmaztunk. A mintk szrazanyag-tartalmt, pH-jt s KOI rtkt a
ksrlet indtsakor s lelltsakor hatroztuk meg. A kpzdbiogz mennyisgt a specilis
trfogatmrk segtsgvel mrtk, mg sszettelket gzkromatogrfival llaptottuk meg.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
46/91
46
A biogz kpzds tesztelsre alkalmas berendezs kialaktsnak clja az volt, hogy
reproduklhat s sszehasonlthat mrseket lehessen vgezni, a klnbz szubsztrtok
minstsnek rdekben. A biogz tesztmrsek sorn els alkalommal hrom prhuzamos
mrst vgeztnk minden egyes mintnl (a ksbbiekben kt prhuzamos mrst vgeztnk),
az ezek kztti eltrs jl homogenizlt mintk esetn 1 % (50 ml) volt. A beolt anaerob
kultra a Plhalmai Agrospecial Kft. biogz zembl szrmazott, mely kultrnak a biogz
hozamt, szubsztrt hozzadsa nlkl, minden esetben megmrtk.
Az sszehasonlthatsg megllaptsra kt klnbz idpontban vgzett 40 napos
lebontsi ksrlet biogztermelsi adatait hasonltottuk ssze. A beolt iszaphoz mindkt
esetben szintetikus tpanyagot (4.1.1 tblzat) adagoltunk, mely sajt kszts volt,
komponensei kereskedelmi forgalombl beszerzett lland minsg anyagok voltak, gytudtuk garantlni az lland minsget. Amennyiben a kt klnbzidpontban (oktber s
december) vizsglt anaerob iszap gztermel kpessgt vizsgltuk, eltr gztermelst
figyelhettnk meg (4.1.3 bra).
id, nap
0 10 20 30 40 50
biogzhozam,ml
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
oktberdecember
4.1.3 braKumullt biogz mennyisg a kt mrs esetben
A gzkpzdsi sebessg grbket megfigyelve (4.1.4 bra) azonban lthat, hogy a
lefutsuk igen hasonl. Feltteleztk, hogy a kt mrs sorn a beolt iszapokban azonos
lebontsi s metntermelsi mechanizmus szerint zajlott le a szintetikus szubsztrt
degradcija, azaz az iszapok mikrobilis kzssge nem, csak azok aktivitsa trt el
egymstl.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
47/91
47
id, ra
0 10 20 30 40 50
gzkpzdsisebessg,ml/h
0
20
40
60
80oktberdecember
4.1.4 braGzkpzdsi sebessgek a kt mrs esetben
Amennyiben a felttelezsnk helytll, akkor egy arnyszm hasznlatval az egyik
anaerob kultrval mrt gzkpzdsi sebessgek s kpzdtt gzmennyisgek
sszehasonlthatak egy msik anaerob kultrval mrt rtkekkel, amennyiben a felhasznlt
beolt kultrk nem adaptlt, specilis konzorciumok. Ennek igazolsra a decemberi beolts
referencia szubsztrtra mrt eredmnyeit az oktberi beolts hasonl adatainak fggvnyben
brzoltuk (4.1.5 bra).
4.1.5 braA kt mrs gzkpzdse kztti sszefggs
A 4.1.5 brn jl lthat, hogy az oktberi mrs gzkpzdsnek fggvnyben
brzolva a decemberi mrs pontjait, az eredmny jl kzelt egy egyeneshez. Az egyenes
meredeksge adja meg a kt beolts kztti arnyt. Amennyiben a kapcsolat valban lineris,akkor a gzkpzdsi mrsek eredmnyeinek derivltja, azaz a gzkpzdsi sebessgek
y = 0,7608xR = 0,9957
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
biog
zkpzdsdecember,ml
biogzkpzds oktber, ml
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
48/91
48
kztti kapcsolat is lineris. A decemberi mrs gzkpzdsi sebessgeit az oktberi mrs
gzkpzdsi sebessgeinek fggvnyben brzolva (4.1.6 bra) lthat, hogy az
eredmnyek ugyancsak jl kzeltenek egy egyeneshez. A kapcsolat a kt mrs kztt teht
lineris, a gzkpzds s a gzkpzdsi sebessg mrsi pontjaira illesztett egyenes
meredeksge megegyezik (1,4 %-ban tr el).
4.1.6 braA kt mrs gzkpzdsi sebessge kztti sszefggs
A berendezs teht alkalmas sszehasonlt mrsek elvgzsre, gy az adottminsgbeolt kultrhoz klnbz szubsztrtokat adagolva meghatrozhat az azokbl
elllthat biogz mennyisge, illetve az egyes szubsztrtok egymssal sszehasonlthatv
vlnak.
4.1.1 tblzatSzintetikus tpanyag sszettele
fehrje,g/l
sznhidrt,g/l
zsrok,g/l
svnyi sk,mg/l
KOI,g/l
25 12,5 12,5 26,16 70-80
A mdszer alkalmazhatsgt klnbz mdszerekkel, gz- illetve gzrobbantssal
elkezelt darlt cukorcirok biogz-termelsn keresztl az albbiakban mutatom be. A
szubsztrtok gz- s gzrobbantsos elkezelst a Pannon Egyetem Fizikai Kmiai
Tanszkn vgeztk. A gzrobbantsos elkezelsnl egy 2 literes fthet, nyomsll
reaktorba helyeztk be a darlt szubsztrt mintt, s ott palackbl nyert, nagynyoms, magas
hmrskletkondicionlt gzzal trtnt a kezels adott ideig. A gzrobbantsnl a gzt egy
kln cellban lltottk el, s az adott nyoms s hmrsklet gzt vezettk r a
y = 0,7505xR = 0,9653
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50
gzkpzdsiseb
essgdecember,ml/h
gzkpzdsi sebessg oktber, ml/h
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
49/91
49
szubsztrtra adott ideig. Ezt kveten a gzt expandltattk, majd ciklonba lekondenzltk.
Az gy elkezelt szubsztrtok, pl. a cukorcirok esetn is, a szubsztrt fizikai szerkezete,
elssorban a hemicellulz vz megbomlik, a sznforrs knnyebben hozzfrhetv vlik.
A kt mrst nem azonos idben vgeztk, gy a beolt kultra (plhalmai anaerob
iszap) tulajdonsgai eltrek lehettek. Az egyes prhuzamos mrsek 40 napig zemeltek,
mialatt mrtk a keletkezett biogz sszettelt s ramt. A mrsi adatokat kirtkeltk, a
prhuzamos mrsek eredmnyeit tlagoltuk. A gzrobbantssal elkezelt szubsztrt
szrazanyagra vettett fajlagos kumulatv biogz hozamt s a gzkpzdsi sebessget 4.1.4
bra mutatja, mg agzrobbantssal elkezelt szubsztrtra mrt eredmnyeket a 4.1.5 bra
mutatja.
id, ra
0 10 20 30 40 50
fajlago
skumulatvbiogzhozam,ml/g
0
100
200
300
400
500
gzkpzdsisebessg,ml/h
0
5
10
15
20
25
30
35
40
biogzhozamsebessg
4.1.4 braGzrobbantssal kezelt cukorcirok szubsztrt biogzhozama
Ezen eredmnyek alapjn a szubsztrtok nem sszehasonlthatak a beolt kultra
eltrsge miatt. A biogz hozambeli eltrsek lehetnek a hozzadott anaerob iszap eltr
mkdsbl kvetkezek. Mindkt mrssel egyidben elvgeztk a beolt iszap, s a beolt
iszap lland sszettelszintetikus tpanyaggal val vizsglatt is. Az elbbivel korrigltuk
a mrsi eredmnyeket, az utbbibl meghatroztuk a kt mrs kzti arnyszmot.
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
50/91
50
id, ra
0 10 20 30 40 50
fajlagoskumulatvbiogzhozam,ml/g
0
100
200
300
400
500
600
gzkpzdsisebessg,ml/h
0
5
10
15
20
25
30
35
40
biogzhozamsebessg
4.1.5 braGzrobbantssal kezelt cukorcirok szubsztrt biogzhozama
Az arnyszm felhasznlsval rtkeltk mindkt vizsglat eredmnyt, gy az
eredmnyek mr sszehasonlthatakk vltak. A 4.1.6 bra mutatja a fajlagos biogz
hozamot a kt klnbzmdon elkezelt szubsztrt esetben. Ilyen mdon, a beolt iszap
eltrsgnek zavar hatsa nlkl, mr megllapthat, hogy a gzrobbantssal elkezelt
szubsztrt fajlagos biogzhozama 20 %-kal nagyobb, mint a gzrobbantssal elkezelt. Az
eltrst mindig a nagyobb hozam rtkre vonatkoztattam.
id, nap
0 10 20 30 40 50
fajlagoskum
ulatvbiogzhozam,ml/g
0
100
200
300
400
500
600
gzrobbantottgzrobbantott
4.1.6 braCukorcirok szubsztrtok fajlagos biogzhozamnak sszehasonltsa
A fajlagos metnhozam sszehasonltst hasonlkppen vgezzk, mint a
biogzhozam esetben. A 4.1.7 brn lthat a kt szubsztrt metnhozam grbje, melyalapjn elmondhat, hogy a gzrobbantssal elkezelt szubsztrttal 45 %-kal tbb metnt
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
51/91
51
lehet ellltani. A 4.1.6 bra s 4.1.7 bra alapjn megllapthat, hogy az elkezels
nemcsak a kpzdbiogz mennyisgre, de minsgre is jelents hatst gyakorol.
id, nap
0 10 20 30 40 50
fajlagosmetnhozam,ml/g
0
100
200
300
400
gzrobbantottgzrobbantott
4.1.7 braSzubsztrtok fajlagos metnhozamnak sszehasonltsa
Ugyancsak az arnyszm hasznlatval a lebontsi folyamatot jellemz gzkpzds
ram grbk is sszehasonlthatv vlnak (4.1.8 bra). Jelen esetben lthat, hogy a kt
vizsglat sorn kapott sebessgi grbk lefutsa igen hasonl, azonban a gzrobbantott
szubsztrt napi kpzdtt biogzmennyisge nagyobb, mint a gzrobbantott.
id, nap
0 10 20 30 40 50
kpzd
ttbiogzmennyisge,ml/nap
0
5
10
15
20
25
30gzrobbantottgzrobbantott
4.1.8 braSzubsztrtok biogzkpzdsi sebessgnek sszehasonltsa
-
7/17/2019 Szentgyorgyi Eszter Dissertation
52/91
52
4.2 Nyomsklnbsgen alapul membrnszeparci
A munkm sorn a clom egy anaerob membrn bioreaktor sszelltsa volt. A
szakirodalmi adatok alapjn az anaerob fermentorhoz csatolt membrn-szeparcis modul
segtsgvel a rendszerben nvelhet az iszaptartzkodsi id (SRT) (azaz a
mikroorganizmus koncentrci), melynek kvetkezmnyei a teljesebb szerves anyag lebonts,
illetve a nagyobb biogzhozam. A ksrleteimben az anaerob membrn bioreaktor egyes
rszegysgeit kln tanulmnyoztam. Elsknt az iszapkor (SRT) nvelsnek s ez ltal a
biogzhozam nvelsnek vizsglatt vgeztem. Az iszapkoncentrls rdekben a 3.2.1
fejezetben ismertetett 3DTA kszlkben vizsgltam klnbz MF, s UF membrnok
szeparcis tulajdonsgait. A hasznlt membrnok jellemzit a 4.2.1 tblzatban foglaltam
ssze. A vizsglatok sorn ugyancsak a Plhalmai Agrospecil Kft. biogzzembl szrmazanaerob iszapot hasznltam (26-30 g KOI/l, 22-25 g TSS/l).
4.2.1 tblzatAlkalmazott membrnok tulajdonsgai
tpus anyagcut off
m
vzrtk
l/m2h
MF-1288
nemescellulz, >95%
cellulz
12-15 1467
MF-1289 8-12 1225
MF-1292 5-8 847MF-1290 3-5 779
UF-CA cellulz-acett 145 kDa 130
UF-PS_100H poliszulfon 100 kDa 117
UF-PES_030H poli-ter-szulfon 30 kDa 7