NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ZAGOSPODAROWANIA ZŁÓŻ WĘGLA BRUNATNEGO
4. O BIOLOGICZNYM PROCESOWANIU
Pierwotnym źródłem materii tworzącej węgiel brunatny (nazywanego również lignitem) są szczątki roślinne oraz w niewielkim stopniu zwierzęce. W stadium depo-zycji oraz diagenezy osadów dochodzi do zróżnicowanych przemian pierwotnej mate-rii organicznej. Następuje degradacja prostych i złożonych związków organicznych, której może towarzyszyć powstawanie gazów np. H2S, CO2, CH4, H2. Po uformowa-niu się złoża niejednorodna struktura węgla brunatnego w dalszym ciągu zawiera elementy pierwotnej materii roślinnej m.in. cukry proste i złożone, celulozę, ligninę, kwasy huminowe, huminy [1]. Stanowią one łatwo dostępne źródło węgla i innych pierwiastków dla mikroorganizmów.
Od lat 80 XX wieku na świecie prowadzone są prace dotyczące biologicznego procesowania węgli kopalnych. Pierwsze eksperymenty przeprowadzono przy użyciu węgla kamiennego w Niemczech. Wykazały one, że węgiel kamienny może stanowić jedyne źródło węgla dla bakterii. Od tego momentu w Niemczech oraz Stanach Zjed-noczonych prowadzone były intensywne badania nad możliwością biologicznego
zgazowania i upłynniania (solubilizacji) węgla brunatnego [3]. Przedmiotem badań była identyfikacja gatunków bakterii i grzybów zdolnych do degradacji np. ligniny i celulozy. Najczęściej mikroorganizmy te były pozyskiwane bezpośrednio ze złóż, wód złożowych, torfowisk i bagien. Dość dobrze rozpoznana jest ścieżka biologicz-nego rozkładu węgla brunatbiologicz-nego w warunkach tlenowych. W przypadku rozkładu w warunkach beztlenowych badania są utrudnione ze względu na wrażliwość organi-zmów [2]. Niemniej jednak wiadomo, że proces metanogenezy przebiega podobnie jak w przypadku degradacji biomasy roślinnej (rys. 2).
Rys. 2. Schemat ważniejszych etapów degradacji materii organicznej [10]]
Rozwój prac badawczych i liczne doświadczenia zaowocowały uruchomieniem w Stanach Zjednoczonych w roku 1997 pierwszej przemysłowej instalacji bioproceso-wania węgla brunatnego. Właścicielem instalacji jest koncern ArcTech, jedyny na świe-cie komercyjny producent metanu i komponentów organicznych z węgla brunatnego. Opatrzony patentem firmy jest sposób przygotowania węgla do procesu fermentacji w naziemnych reaktorach, odpowiedni dobór pożywek i gatunków mikroorganizmów oraz wykorzystywanie w procesie technologicznym bakterii wyizolowanych z układu pokarmowego termitów [10].
Od roku 2000 na świecie biologiczne metody przetwarzania węgla brunatnego są przedmiotem badań ośrodków naukowych nie tylko w USA, ale także w Australii, Chinach, Indiach, Turcji, Hiszpanii oraz Grecji. W Stanach Zjednoczonych w roku 2000 przeprowadzono doświadczenia nad niskotemperaturową biogazyfikacją węgla brunat-nego bezpośrednio w złożu. Prace te zakończyły się jednak niepowodzeniem. Pomimo znanych przykładów pyrolitycznego zgazowania np. węgla kamiennego i brunatnego, w przypadku zgazowania biologicznego w niskiej temperaturze w dalszym ciągu stan wiedzy jest niedostateczny.
Bioprocesowanie węgla brunatnego w reaktorach lub bezpośrednio w złożu może dostarczać wielu korzyści, eliminując problemy tradycyjnego sposobu eksploatacji.
Przede wszystkim pozwala uniknąć szkodliwej emisji gazów i pyłów do atmosfery, powstałych w trakcie spalania w elektrowniach. Opracowanie technologii podziemnego biologicznego procesowania węgla brunatnego pozwoliłoby uniknąć także eksploatacji odkrywkowej. W szczególności metody biologiczne mogą być wykorzystane do zago-spodarowania złóż pozabilansowych np. o zbyt małej miąższości, zbyt dużym nadkła-dzie, charakteryzujące się zbyt wysoką popielnością lub zawartością siarki. Węgiel brunatny może dostarczyć energii nie tylko w wyniku reakcji spalania, ale także na drodze biologicznej produkcji „czystej energii” z metanu i wodoru. Uzyskane w wyniku fermentacji węgla brunatnego produkty, mogą być z powodzeniem wykorzystane do rekultywacji terenów silnie zdegradowanych. Są również wartościowym nawozem dla uprawy roślin.
5. PODSUMOWANIE
Biologiczne procesowanie węgla brunatnego stanowi obiecującą alternatywę dla tradycyjnych metod zagospodarowania złóż. Obecny stan wiedzy pozwala na efektywne wykorzystanie węgla brunatnego w procesie fermentacji w bioreaktorach. Rozwój tych technologii stanowi cenny wkład dla potrzeb przyszłej biogazyfikacji węgla brunatnego bezpośrednio w złożu. W tym celu niezbędne jest dokładne rozpoznanie procesu i sposobu jego kontrolowania w środowisku geologicznym.
W Polsce jak dotąd nie prowadzono badań nad biologicznym przetwarzaniem węgla brunatnego, pomimo tego, że nasz kraj dysponuje ogromnymi zasobami i obecnie jest siódmym producentem tej kopaliny na świecie. W obliczu trendu propagowania czys-tych technologii węglowych, zasadnym jest rozpoczęcie odpowiednich badań i wyko-rzystanie drzemiącego w Polsce potencjału. Badania te są prowadzone w Pracowni Geologii Izotopowej i Geoekologii, działającej w Zakładzie Geologii Stosowanej i Geochemii Instytutu Nauk Geologicznych Uniwersytetu Wrocławskiego przez autorów publikacji.
LITERATURA
[1] BRZYSKI B., O pochodzeniu węgla brunatnego, Zakład Narodowy im. Ossolińskich – Wydawnictwo, Wrocław 1984.
[2] BUMPUS J.A., Regulation of Coal Polymer Degradation by Fungi – Final Report, Department of Chemistry, University of Northern Iowa 1998.
[3] CATCHESIDE D.E.A., RALPH J.P.: Biological processing of coal. Appl Microbiol Biotechnol., 1999, 52, 16–24.
[4] FABIAŃSKA M., Geochemia organiczna węgli brunatnych wybranych złóż Polski, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2007.
[5] GOKCAY C.F., KOLANKAYA N., DILEK F.B, Microbial solubilization of lignite,. Fuel 80 2001 1421–1433.
[6] HRYNKIEWICZ A., Energia – Wyzwanie XXI wieku, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 2002.
[7] KALINA J., SKOREK J., Paliwa gazowe dla układów ko generacyjnych, Wydawnictwo Naukowo- -Techniczne, Warszawa 2005.
[8] KASIŃSKI R.., Węgiel brunatny – Czy w przyszłości podstawa bezpieczeństwa energetycznego
państwa?, Mat.Konf. Bezpieczeństwo energetyczne kraju – czy poradzimy sobie sami? Wydawictwo
PIG, Warszawa 2006.
[9] MINISTERSTWO ŚRODOWISKA, Bilans gospodarki surowcami mineralnymi Polski i świata
2000–2004. Pracownia Polityki Surowcowej. IGSMiE PAN, Kraków 2006.
[10] WISE D.L., Bioprocessing and Biotreatment of Coal. Marcel Dekker, New York 1990.
MODERN METHODS OF LIGNITE DEPOSITS MANAGEMENT
Lignite is commonly used in the world power industry. However, traditional methods of its exploitation and utilization show a very negative impact to the environment. Lignite is largely composed of elements of the original macrophytes matter such as lignin, cellulose, sugars etc. It may therefore be an easy source of carbon and other elements for microorganisms: bacteria and fungi. Biological processing of lignite can be a modern alternative technology to achieve tangible economic and environmental effects, through the production of methane, hydrogen and natural fertilizers. The current state of knowledge allows a limited production of CH4 and fertilizers in bioreactors on the surface. Developing methods controlled microbial lignite processing in the future will allow to apply this technology to underground lignite processing but it will be limited to low-rank deposits.
zbiornik zaporowy, metan, fermentacja metanowa Beata BIEGA*, Adriana TROJANOWSKA**