Anaerob biofilmes biogáz termelés

Az anaerob fermentációnak számos előnye ismeretes, többek között biztosítja a szerves hulladékok trágyaként való felhasználásának lehetőségét, csökkenti az elhelyezendő anyag mennyiségét, a szaghatásokat és a patogének mennyiségét az iszapban. Az anaerob fermentációnak gazdasági szempontból hasznos terméke a biogáz, melyet megújuló energiaforrásként tartanak számon.

[1-4].
A számos pozitív tulajdonság mellett az anaerob lebontásnak, szemben az aerob lebontással, jelentős hátránya a lassan szaporodó mikroorganizmus (MO) populáció. Az anaerob rendszerekben az iszap tartózkodási ideje (SRT) több mint 12 nap. 10 napos SRT alatt a metanogének (metán előállításáért felelős MO-k) szignifikáns kihordása figyelhető meg [2]. A kihordás megakadályozására a MO-k különböző felületeken rögzíthetőek biofilm kialakításának céljából [5].

A biofilm valamely felületen való megtapadásával a MO-k viszonylag hosszú ideig maradnak a reaktorban, így nagyobb iszapsűrűséget eredményezve. Az SRT növekszik, a HRT (hidraulikus tartózkodási idő) csökkenthető. A megnövekedett SRT növeli a lebontási hatékonyságot, pufferkapacitást szolgáltat és növelheti a biogáz előállítás hatékonyságát is. Az SRT növelésének és a HRT csökkentésének hatására a reaktor térfogat csökkenthető.

A biofilmes rendszerek két nagy csoportja a fix- és a mozgóágyas rendszerek. Jelenleg az ipari és kommunális szennyvíztiszítás területén számos fix-ágyas biofilmes rendszer áll rendelkezésre, melyekben a legkülönbözőbb szennyvizeket tisztítják, széles hőmérsékleti tartományban (4-55°C) [2].

Az anaerob lebontás komplex metabolikus kölcsönhatások sorozata, melyben számos mikroorganizmus populáció vesz részt. A köztes termékek eljutását egyik MO populációtól a másikig segítheti az átviteli távolságok csökkentése, mely elérhető biofilm kialakításával [6-8]. Amennyiben a mikroorganizmusokat mozgó biofilm hordozókon immobilizáljuk az átviteli távolság tovább csökkenhet.

Munkánk során egy fix és egy mozgó ágyas anaerob fermentorban vizsgáltuk a biogáz termelés és a szerves anyag eltávolítás hatékonyságát. A fix ágyas rendszerben poliészter csövek szolgáltak biofilm hordozóként, míg a mozgó ágyas rendszerben PVA-gél gyöngyöket használtuk. A PVA a MO-ra nem toxikus, megfelelő felületet biztosít a megtapadáshoz [9-11] és sűrűsége közel azonos víz sűrűségével, így a folyamatos mozgásban tartása és nagyobb térfogati arányának biztosítása egyszerűen megoldható [5].

biofilmA két vizsgált anaerob fermentort félfolyamatos üzemmódban, 60 napig működtettük. A szintetikus tápanyag adagolása napi rendszerességgel történt. Az első 30 napban a fermentorokban 28-30 napos hidraulikus tartózkodási időt (HRT) biztosítottunk, melyet a kísérlet második szakaszában felére csökkentettünk.

Heti kétszeri mintavételezés történt az elvett fölösiszapból, melyből KOI-t és szárazanyag tartalmat mértünk. Az vizsgálat első 30 napos szakaszában az R1 fermentorban 2,5%-os, míg az R2 fermentorban 2%-os volt az iszapkoncentráció. A kísérlet második szakaszában, mikor a hidraulikus tartózkodási időt 10-12 napra csökkentettük, a szárazanyag tartalom 1-1,5 %-ra csökkent.

A KOI tekintetében az első szakaszban az R1-ben az eltávolítási hatásfok 50-60% közötti, míg az R2 reaktorban 80% körüli (2. ábra). A HRT csökkentését követően az eltávolítási hatásfok mindkét fermentorban csökkent (R1 – 30-40%, R2 – 70%).



biof2Az R1 mozgó ágyas rendszerben, a fajlagos gáztermelésben kb. 15 napos szakaszok voltak megfigyelhetőek. A termelt gázmennyiség iszaptérfogatra vetítve 0,2-0,5 Lgáz/Liszap. Az R2 fix ágyas fermentorban a kísérlet első 20 napjában növekvő tendenciát mutatott az iszaptérfogatra vetített biogáztermelés, majd 1,5-2 Lgáz/Liszap-nál stabilizálódott. A HRT csökkentésének hatása késleltetve (kb. 15 nap) jelentkezett, ekkor a gáztermelés folyamatos csökkenése volt megfigyelhető, mely a kísérlet utolsó 10 napjában 0,5 Lgáz/Liszap értéknél állapodott meg 



ÖsszefoglalásA kísérleti munkánk célja két anaerob biofilmes fermentor, egy fix és egy mozgó ágyas, összehasonlítása volt KOI eltávolítási hatásfok és biogáztermelés tekintetében. A két rendszerben hasonló feltételek biztosítottunk: 37±1°C, félfolyamatos üzemmód (naponta szintetikus tápanyag hozzáadása), folyamatos keverés. A két fermentorban mértük az elvett fölösiszap KOI és szárazanyag koncentrációit és a biogázhozamot. A kísérletet két szakaszra osztottuk, melyek szakaszok a hidraulikus tartózkodási idő tekintetében tértek el.A fix ágyas rendszerben a fajlagos biogáztermelés 28-30 napos HRT esetén nagyjából háromszorosa (1,5-2 Lgáz/Liszap) volt a mozgó ágyas rendszerben mértekhez képest (0,2-0,5 Lgáz/Liszap). A hidraulikus tartózkodási idő csökkentése mindkét biofilmes reaktorban az iszapkoncentráció csökkenését, és ez által a KOI eltávolítási hatásfok (2. ábra) csökkenését eredményezte.

biof3A fix ágyas rendszerben a HRT csökkentésével a gáztermelés csökkent, míg a mozgó ágyas rendszerben stabil maradt. Ez arra enged következtetni, hogy a mozgó hordozók felületén megtapadt mikroorganizmus populációk továbbra is biztosítják a szerves anyag lebontását, ezáltal a biogáz termelésének sebessége stabil maradhat.

Köszönetnyilvánítás
A kutatómunkát a BIODDFPE nyilvántartási számú, „Új bioetanol- és biogáz-előállítási technológiák fejlesztése" című Jedlik Ányos projekt (2008-2010) keretében végeztük.

Hivatkozások
[1]. Holm-Nielsen J.B., Al Seadi T., Oleskowicz-Popiel P., The future of anaerobic digestion and biogas utilization, Bioresource Technology, (2009), 100: 5478-5484.
[2]. Gerardi M.H., The microbiology of anaerobic digesters, New Jersey: John Wiley & Sons, 2003.
[3]. Beszédes S., László Zs., Szabó G., Hodúr C.: Szennyvizek biológiai bonthatóságának növelése mikrohullámú energiaközléssel. Műszaki Kémiai Napok'08. Veszprém, (2008) 359-365
[4]. Beszédes, S., Sz. Kertész, Zs. László, G. Szabó, C. Hodúr (2008): Biogas production of ozone and/or microwave-pretreated canned maize production sludge, Ozone Science & Engineering Journal 25
[5]. Szentgyörgyi E., Pitás V., Kárpáti Á., A biofilmes szennyvíztisztítási technológiák létjogosultsága a modern szennyvíz-tisztításban, MASZESZ Hírcsatorna, (2008) május-június, 3-9 old.
[6]. Stams A.J.M., Metabolic Interactions between anaerobic-bacteria in methanogenic environments, Antonie Van Leeuwenhoek International Journal of General and Molecular Microbiology (1994), 66: 271-294.
[7]. de Bok F.A.M., Plugge C.M., Stams A.J.M., Interspecies electron transfer in methanogenic propionate degrading consortia, Water Research (2004), 38: 1368-1375.
[8]. Smidt J.E., Ahring B.K., Effect of hydrogen and formate on the degradation of propionate and butyrate in thermophilic granulates from an upflow anaerobic sludge blanket reactor, Applied and Environmental Microbiology (1993), 59: 2546-2551.
[9]. Zhang L., Wu W., Wang J., Immobilization of activated sludge using improved polyvinyl alcohol (PVA) gel, Journal of Environmental Sciences (2007), 19: 1293-1297.
[10]. Bai X., Ye Z., Li Y., Zhou L., Yang L., Preparation of crosslinked macroporous PVA foam carrier for immobilization of microorganisms, Process Biochemistry (2009), in press.
[11]. Zhang W., Wang D., Koga Y., Yamamoto T., Zhang L., Furukawa K., PVA-gel beads enhance granule formation in a UASB reactor, Bioresource Technology (2008), 99: 8400-8405.
[12]. Viega M.C., Soto M., Mendez R., Lema J. M., A new device for measurement and control of gas production by bench scale anaerobic

Kutatás Anaerob biofilmes biogáz termelés