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


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


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.


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


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.


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


7/91

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


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.


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,


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


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


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


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.


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


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


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


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).


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-


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.


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


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


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.


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


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.


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


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).


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.


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,


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


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


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).


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


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.


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).


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.


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


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)


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.


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.


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


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.


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


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.


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


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.


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.


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


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


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


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.


50/91

50

id, ra

0 10 20 30 40 50

fajlagoskumulatvbiogzhozam,ml/g

0

100

200

300

400

500

600


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


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


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

szentgyorgyi eszter dissertation

Documents