A Levegő Munkacsoport blogja

A metánkibocsátásról indított blog sorozatunk egy korábbi cikke is beszámolt arról, hogy a metánkibocsátás csökkentése kulcsfontosságú az éghajlatvédelemben, és a Levegő Munkacsoport egy nemzetközi koalíció tagjaként tanulmányokat készít azokról a legfontosabb területekről, amelyeken megfelelő szakpolitikai intézkedésekkel jelentős eredményeket lehet elérni. Ezúttal a szennyvíz-keletkezés, -szállítás és -kezelés során kibocsátott metán csökkentési lehetőségeit ismertetjük Dr. Nagy Gábor (Miskolci Egyetem, Energia-, Kerámia- és Polimertechnológiai Intézet) „A szennyvízből és szilárd szerves hulladékokból származó magyarországi metánkibocsátás csökkentése legalább 30%-kal 2030-ig” című tanulmánya alapján.

Mi történik a használt vizünkkel?

A települési szennyvízhálózatba kerülő vizek elsősorban lakossági eredetűek, mert az ipari szennyvizek általában olyan összetevőt tartalmaznak, ami miatt közvetlenül nem vezethetők be a csatornahálózatba. A települési szennyvíz nagyjából kétharmada a fürdésből, mosásból és a WC öblítéséből származik. Ez utóbbi teszi ki a biológiai úton bontható szennyezések jelentős részét.

Magyarországon a települési folyékony hulladékok szinte teljes mértékben a csatornahálózatban gyűlnek össze, ahonnan egy szennyvíztisztító telepre kerülnek. Itt a szennyezőanyag tartalmát olyan mértékűre csökkentik, hogy a természet el tudja végezni a további folyamatokat. Ennek érdekében az előírt határértékeket természetesen be kell tartani a tisztított szennyvíz befogadóba történő bocsátása előtti ponton. Ezt a vonatkozó környezetvédelmi előírásoknak megfelelő módon általában csak három fokozatú szennyvíztisztítók alkalmazásával lehet teljesíteni. Az 1. tisztítási fokozat a mechanikai tisztítás, amelynek során először rácsok szűrik ki a nagyobb méretű szilárd anyagokat, majd ezután eltávolítják a homokszerű szennyeződéseket és a zsiradékokat. A 2. fokozat a biológiai tisztítás. Ekkor a természetben is előforduló aerob mikroorganizmusok segítségével eltávolíthatók a szennyvízből a szerves anyagok. A 3. fokozatban kerül sor a foszfor- és nitrogénvegyületek eltávolítására. A vízben ekkor még jelenlévő növényi tápanyagok eltávolítását az anaerob környezetben élő baktériumok közössége végzi. Ha a szennyezés mértéke nagyobb, mint amit a mikroorganizmusok el tudnak távolítani, akkor ebben a fokozatban vegyszerekkel lehet segíteni a folyamatot. A tisztított szennyvíz kibocsátása előtt általában szükség van egy fertőtlenítési fázisra is, amelynek célja a fennmaradó fertőzésveszély megszüntetése. Ahogyan azt az alábbi ábra is mutatja, hazánkban évről évre növekszik a három fokozatú tisztítókban kezelt szennyvizek mennyisége. 2022-re a csak mechanikai tisztításon átesett és a befogadóba bocsátott vizek a teljes mennyiség mindössze 0,1%-át adták, a háromfokozatú tisztítás aránya pedig nagyobb, mint 91%.

A metán megjelenése a szennyvízkezelés folyamatában

Az egyre nagyobb mértékű csatornázottság csökkenti a szennyvízkezelésből származó metánkibocsátást is, ahogy az az alábbi grafikonon is látszik. A tisztítótelepeken történő kezelés számottevően kisebb metánemisszióval jár, mintha a szennyvizek keletkezési helyén, vagy összegyűjtve valahol természetes körülmények között spontán zajlanának le a bomlási folyamatok.

A szennyvízhálózatban azonban órákat, extrém esetekben napokat is eltölthet a szennyvíz, amíg eléri a tisztítótelepet, így ennek során elkezdődhetnek a lebomlási folyamatok a csövekben lerakódó üledékben, illetve a falakon kialakuló biofilmrétegben. Ennek eredményeként a képződő metán részben gázként távozik, részben pedig vízben oldott állapotban lesz jelen. Ez utóbbinak akkor van nagy jelentősége, amikor a szennyvíz szellőztetett térbe lép át (például szivattyútelep, átlépés gravitációs csatornába, tisztítótelep belépési pontja), majd a turbulens áramlások hatására a metán kilép a folyadékból és gázként távozik3.

A szennyvízhálózatban keletkező metán mennyisége elsősorban az alábbi tényezőkön múlik:

• Tartózkodási idő: minél több időt tölt a csatornahálózatban a szennyvíz, annál nagyobb mennyiségű metánképződés várható. Terepi mérések során megfigyelték, hogy a metánkoncentráció a csatorna hossza mentén növekedett.4, 5

• Felület/térfogat (A/V) arány: a nagyobb A/V arány nagyobb biofilm-növekedést tesz lehetővé, így több metán képződik.6, 7

• Hőmérséklet: a nyári időszakban nagyobb emisszió várható a téli időszakhoz képest.8

Kémiai oxigénigény (KOI): a csatorna üledékből származó metánkibocsátás a biológiailag bontható KOI koncentrációval is összefügg, nagyobb KOI értékkel rendelkező üledékből több metán képződhet9. Tehát megnövekedett metánkoncentráció várható olyan helyeken, ahol a kénhidrogén jelenléte érzékelhető (szaglás vagy erőteljesebb korróziós jelek útján). Ez segíthet a csatornahálózat nagyobb metánemissziós helyeinek felderítésében.

Három nagyváros (Budapest, Miskolc, Szeged) csatornahálózatát üzemeltető vállalat munkatársaival folytatott egyeztetések alapján a hazai rendszer tekintetében a következők a tapasztalatok:

• A csatornahálózatban soha nem képződött koncentráltan akkora mennyiségű metán, hogy az jelentős üzemeltetési problémát okozott volna.

• A metánkibocsátásokat nem mérik, erre legfeljebb a munkavédelmi szabályok miatt eseti jelleggel szokott sor kerülni (beszállásos munkák végzése előtt), de ezen alkalmak során sem jellemző a metán jelenléte.

• Hazánkra sok esetben jellemző az egyesített rendszerű csatornahálózat üzemeltetése, melynek sajátossága, hogy a csapadékvíz és a szennyvíz egy térben áramlik egy megfelelően nagyra méretezett vezetékben. Ebben a térben sokkal nagyobb az áramló víz és a levegő érintkezése, ez pedig nem segíti elő a metán képződését, illetve annak érzékelése is nehezebb.

Kibocsátáscsökkentési lehetőségek

Több kutatás is foglalkozott a csatornahálózatból származó metán keletkezésének megakadályozásával. Ezek jelentős része laboratóriumi kísérlet volt, de több kutató valós körülmények között elvégzett kísérletről, illetve tesztüzemről is beszámolt. Az eredményesebb kezelő szerek a következők voltak.

• Oxigén: az oxigén szennyvízbe injektálása elősegítheti a metánemisszió csökkentését azáltal, hogy nehezíti az anaerob mikroorganizmusok működését. Jelentős hátránya a jelentős költségek mellett a fokozott dinitrogén-oxid képződés (ami szintén üvegházhatású gáz), valamint az, hogy a szerves anyag oxidálódik, ami kedvezőtlenül hat a szennyvíztisztító-telep működésére.10 A gravitációs elven működő rendszerek esetén a szellőztetés is hasonló eredményre képes.11

• Nitrát: a nitrátadagolás csökkenti a metanogén aktivitást, de az oxigénnel ellentétben nem növeli az N2O-kibocsátást. Alkalmazása szintén kedvezőtlenül hat a szennyvíztisztító telep működésére. 12, 13

• Fe3+ ionok: a vas(III)-klorid adagolást elterjedten alkalmazzák a kénhidrogén csökkentésére. Alkalmazása során megfigyelték a metántartalom csökkenését is, így feltételezhetően segíthet a metanogén aktivitás csökkentésében, de jelenleg kevés ilyen jellegű vizsgálati eredmény áll rendelkezésre.14, 15

• pH növelése: egyes kísérletekben elérték a pH sokkszerű növelésével azt, hogy több napon keresztül csökkenjen a metanogén aktivitás, ami egy ígéretes technológiai megoldásnak tűnik, bár ezen a területen is szükségesek további kutatások.16

• Salétromos sav: A salétromos sav a biocid hatása révén csökkenti a metánemissziót. A technológia hatékonyságát valós szennyvízhálózaton is sikeresen tesztelték17.

A szennyvíziszap lerakása is metánkibocsátással jár. Mivel az anaerob folyamatoknak van egy ipari szempontból optimalizált időtartama, a folyamat sosem teljes. Emiatt metán termelődik mind a rothasztott iszap puffertartályban, mind a víztelenített iszaptároló tartályban. Ennek kapcsán a szerzők több tanulmányt is idéznek, miszerint a fermentorba kerülő anyag metántermelésének 3-5%-a iszaptárolás során a szabadba távozik. Ezen metánmennyiség visszanyerésére tett javaslatuk szerint a telepen történő biogáz hasznosításához (pl. gázmotorban történő elégetéséhez) részben ezen tárolókból kell elszívni az égéshez szükséges levegőt, gondosan ügyelve arra, hogy a levegőben a metán alsó robbanási koncentrációját ne lehessen elérni.

A hazai biogáz-előállítás helyzetéről a Magyar Víziközmű Szövetség adatgyűjtésének eredményeit érdemes szemügyre vennünk. Eszerint hazánkban 23 cég 32 telephelyén állítanak elő biogázt, 2022-ben nagyjából 37 millió, 2023-ban pedig 56 millió köbmétert. Hazai viszonylatban a szennyvíziszap alapú biogáz-előállításból különböző becslések szerint 0,03-4,6 millió köbméter metán származik.. A termelt és hasznosított gáz mellett további 3-5%-nyi mennyiség az iszaptárolás során keletkezik. ami által 1-1,7 millió köbméter metán kerül a légkörbe.

A szennyvíziszap alapú biogáz-előállítás esetén a szakirodalom több metánkeletkezési pontot azonosít. Ilyenek a gáztárolók, a nyomáshatároló szelepek, a nyitott vagy nem gáztömör fermentációs tartályok és a biogáz-hasznosító egységek. A kibocsátás, vagyis leginkább a szivárgások mérséklése érdekében számos intézkedés javasolható, ezek közül néhány példa:

• gáztömör borítás szükséges a tartályokra,
• felújításokat követően szükséges az szivárgásvizsgálatot is elvégezni,
• a gáztároló töltöttségi szintjét érdemes 50% alatt tartani;
• anyagmérleg-számítások szükségesek az anyaghiányok feltárására,
• szükséges a hatásfokok szezonális vizsgálata,
• megfelelő levegőztetés szükséges az iszap utókezelése során. 

A fent említett három területen (csatornahálózat, szennyvíziszap tárolása, biogáz-előállítás) a javasolt intézkedések végrehajtása esetén a hulladékszektoron belül 3-9%-os emissziócsökkenés jelentkezhet. A kibocsátás pontos mennyiségének meghatározása és a beavatkozási lehetőségek beazonosítása érdekében azonban mindenek előtt aktív és hatékony monitoringrendszerekre lenne szükség. A szennyvíztisztító-telepeken rutinszerűen vizsgálják a szennyvíz bizonyos paramétereit, így javasolható, hogy ez a szennyvízhálózat kritikusabb helyeiről származó minták oldott metántartalmának vizsgálatával bővüljön 1-2 havi rendszerességgel. Ehhez először is a vonatkozó jogszabályi környezet megfelelő kiegészítésére lenne szükség, majd természetesen elengedhetetlenek a megfelelő elemző készülékek, amelyek beszerzése némi anyagi terhet jelenthet az üzemeltetőknek, de akár egyetemekkel, kutatóhálózatokkal is együtt lehetne működni. A szennyvíziszap-tárolás és a biogáz-előállítás során szintén a rendszer gáztömörségének felülvizsgálata és a szükséges karbantartások, javítások elvégzése a legfontosabb. Kiemelendő, hogy a tanulmány szerint a szennyvízkezelés metánkibocsátásának csökkentéséhez mindössze néhány év és összességében 1-2 milliárd forint befektetés elegendő lenne, ráadásul ez a befektetés a visszanyert értékes gáz miatt hamar megtérülne.

Dr. Nagy Gábor A szennyvízből és szilárd szerves hulladékokból származó magyarországi metánkibocsátás csökkentése legalább 30%-kal 2030-ig" című tanulmánya alapján összeállította:

dr. Bendik Gábor
Levegő Munkacsoport

Fotő: Susánszky Ferenc, Levegő Munkacsoport 

2 Légszennyezők - Hulladék. HungaroMet.
https://legszennyezettseg.met.hu/kibocsatas/agazati-kibocsatasok/hulladek

3 Y. Liu et al.: Methane emission from sewers. Science of The Total Environment (2015) 524–525. pp. 40-51.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.04.029

4 J. Foley et al.: Dissolved methane in rising main sewer systems: field measurements and simple model development for estimating greenhouse gas emissions. Water Science & Technology (2009) 60/11. pp. 2963–2971.
https://doi.org/10.2166/wst.2009.718

5 A. Guisasola et al.: Development of a model for assessing methane formation in rising main sewers. Water Research (2009) 43/11. pp. 2874-2884.

6 J. Foley et al.: Dissolved methane in rising main sewer systems: field measurements and simple model development for estimating greenhouse gas emissions. Water Science & Technology (2009) 60/11. pp. 2963–2971.
https://doi.org/10.2166/wst.2009.718

7 A. Guisasola et al.: Development of a model for assessing methane formation in rising main sewers. Water Research (2009) 43/11. pp. 2874-2884.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.03.040

8 Y. Liu et al.: Online dissolved methane and total dissolved sulfide measurement in sewers. Water Research (2015) 68. pp. 109-118.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.09.047

9 Y. Liu et a.: Sulfide and methane production in sewer sediments. Water Research (2015) 70. pp. 350-359.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.12.019

10 R. Ganigué & Z. Yuan: Impact of oxygen injection on CH4 and N2O emissions from rising main sewers. Journal of Environmental Management (2014) 144. pp. 279-285.
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2014.04.023

11 R. gao et al.: Upstream Natural Pulsed Ventilation: A simple measure to control the sulfide and methane production in gravity sewer. Science of The Total Environment (2020) 742. 140579.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140579

12 G. Jiang et al.: Effects of nitrate dosing on methanogenic activity in a sulfide-producing sewer biofilm reactor. Water Research (2013) 47/5. pp. 1783-1792.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.12.036

13 A. Shah et al.: Quantifying methane evolution from sewers: results from WERF/Dekalb Phase 2 continuous monitoring at honey creek pumping station and force main. Proceedings of the Water Environment Federation (2011) pp. 475–485
https://doi.org/10.2175/193864711802836841

14 L. Zhang et al.: Inhibition of sulfate-reducing and methanogenic activities of anaerobic sewer biofilms by ferric iron dosing. Water Research (2009) 43/17. pp. 4123-4132.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.06.013

15 R. Ganigue et al.: Chemical dosing for sulfide control in Australia: An industry survey. Water Research (2011) 45/19. pp. 6564-6574.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.09.054

16 O. Gutierrez et al.: Assessment of pH shock as a method for controlling sulfide and methane formation in pressure main sewer systems. Water Research (2014) 48. pp. 569-578.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2013.10.021