GOSPODARKA OSADAMI procesy stabilizacji osadów (fermentacja)

Transkrypt

1 GOSPODARKA OSADAMI procesy stabilizacji osadów (fermentacja) dr inż. Stanisław Miodoński

2 Produkcja gazu fermentacyjnego

3 Semantyka Powszechnie stosowane określenie to biogaz. Jeżeli BIO-GAZ to gaz powstający na drodze biologicznej to BIO-GAZEM również jest gaz wylotowy z komory osadu czynnego. Znacznie bardzie poprawne określenie to gaz fermentacyjny

4 Produkcja gazu fermentacyjnego Gaz fermentacyjny Ile w tym przypadku powstanie gazu fermentacyjnego? Dokładnie tyle ile powinno

5 Produkcja gazu fermentacyjnego Q OS [m 3 /d] ChZT SUR [kg ChZT/m 3 ] SMO SUR [kg smo/m 3 ] Ł ChZT,SUR = Q OS ChZT SUR [kg ChZT/d] Ł SMO,SUR = Q OS SMO SUR [kg smo/d] Gaz fermentacyjny Q G [m 3 /d] C CH4 [kg CH 4 /m 3 ] Ł CH4 = Q G C CH4 [kg CH 4 /d] Ł ChZT,CH4 = 4 Ł CH4 [kg ChZT/d] Q OS [m 3 /d] ChZT F [kg ChZT/m 3 ] SMO F [kg smo/m 3 ] Ł ChZT,F = Q OS ChZT F [kg ChZT/d] Ł SMO,F = Q OS SMO F [kg smo/d] Ł ChZT,CH4 = Q OS (ChZT SUR ChZT F ) [kg ChZT/d]

6 Produkcja gazu fermentacyjnego - przykład Dane Q OS = 100 m 3 /d ChZT SUR = 55 kg ChZT/m 3 SMO SUR = 35 kg smo/m 3 Gaz fermentacyjny Ł ChZT,CH4 = kg ChZT/d Ł CH4 = 550 kg CH 4 /d Ł ChZT,SUR = [kg ChZT/d] Ł SMO,SUR = [kg smo/d] Q OS = 100 m 3 /d ChZT F = 33 kg ChZT/m 3 SMO F = 21 kg smo/m 3 Ł ChZT,F = [kg ChZT/d] Ł SMO,F = [kg smo/d] ChZT F = (1 0.4) 55 kg ChZT/m 3 = 33 kg ChZT/m 3 SMO F = (1 0.4) 35 kg ChZT/m 3 = 21 kg smo/m 3 Ł ChZT,CH4 = 100 m 3 /d (55 kg ChZT/m 3 33 kg ChZT/m 3 ) = kg ChZT/d Ł CH4 = 0.25 kg CH 4 /kg ChZT kg ChZT/d = 550 kg CH 4 /d

7 Potencjał energetyczny gazu fermentacyjnego ChZT metanu V 1 mol CH 4 = 64 g O 2 = 64 g ChZT 64 g ChZT/16 g CH 4 = 4 g ChZT/g CH g CH 4 /g ChZT Objętość metanu CH 4 nrt p 1mol atm L/mol K V1mol CH 4 1atm ChZT metanu 64 g ChZT/25.29 L CH 4 = 2.53 g ChZT/L CH L/64 g ChZT = L CH 4 /g ChZT K L

8 Potencjał energetyczny gazu fermentacyjnego Ciepło spalania metanu CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O kj/m 3 = Wh/m 3 ~10 kwh/m 3 Ciepło spalania gazu fermentacyjnego (70% CH % CO 2 ) = kj/m 3 = Wh/m 3 ~7 kwh/m 3 Ciepło spalania gazu ziemnego kj/m 3 = Wh/m 3 ~10.4 kwh/m 3

9 Bilans przemian fermentacji metanowej Substrat Ilość gazu l/kg smo % CH 4 % CO 2 Energia gazu kwh/m 3 Węglowodany ~5 Tłuszcze ~7 Białka ~6 Osad ściekowy ~( )

10 Skład gazu fermentacyjnego W skład gazu fermentacyjnego wchodzi: CH 4 : 50-70% CO 2 : 30-50% H 2 S: 0,08-5,5% wodór H 2 : 0 5% tlenek węgla CO: 0-2,1% azot N 2 : 0,6-7,5% tlen O 2 : 0 1%

11 Techniczne aspekty procesu fermentacji Konstrukcje reaktorów Mieszanie Ogrzewanie Parametry projektowe

12 Konstrukcje reaktorów Konstrukcje reaktorów do fermentacji osadów Komory otwarte Komory zamknięte Otwarte Komory Fermentacyjne (OKF) Komory walcowe Osadniki gnilne Komory jajowe Osadniki Imhoffa

13 Komory otwarte Zwykle stosunkowo płytkie i rozległe zbiorniki. Mieszanie okresowe poprzez mieszadła śmigłowe (jak w KOCz). Zwykle warunki psychrofilowe. Często wykorzystywane również jako zimowy magazyn osadów

14 Osadnik gnilny Rewizja Właz Rewizja Kożuch Dopływ Ścieki Odpływ Osad

15 Osadnik Imhoffa Element ciągu oczyszczania ścieków (osadnik wstępny). Długi czas przetrzymania osadów. Urządzenie rzadko wykorzystywane w nowoczesnym projektowaniu. Zwykle warunki psychrofilowe.

16 Osadnik Imhoffa Poziom ścieków Czyszczak Studnia gazowa Komora przepływowa Rura spustowa osadu Zasuwa Komora fermentacyjna Lej osadowy

17 Zamknięte komory fermentacyjne Kształt komory dostosowany do różnych typów mieszadeł. Komory jajowe mieszadła pompowe. Komory walcowe mieszadła śmigłowe. Stare obiekty mogą nie posiadać mieszadeł (Gniezno). Zdarzają się wyjątki i to sporo. Zwykle ogrzewane (warunki mezo/termofilowe).

18 Porównanie kształtów komór nie na serio fragment filmu 30 dni mroku (30 Days of Night) dystrybutor Kinoświat

19 Mieszanie komór fermentacyjnych Dlaczego musimy mieszać?

20 Mieszanie komór fermentacyjnych Cel mieszania komór fermentacyjnych: Zapewnienie jednorodności mieszaniny w całej WKF Minimalizacja stref martwych i krótkich spięć Rozbijanie kożucha Zapobieganie wytrącaniu piasku trwały ubytek objętości czynnej Zapotrzebowanie mocy na mieszanie: P=5-8 W/m 3 - bez cyrkulacji P=3-5 W/m 3 z dodatkową cyrkulacją grzewczą P mniejsze niż 2 W/m 3 smutna rzeczywistość

21 Typy mieszadeł Mieszadła w WKF Mieszadło śmigłowe Mieszadło pompowe Mieszanie gazem

22 Mieszadło śmigłowe

23 Mieszadło pompowe (Hallberg)

24 Mieszanie gazem

25 Ogrzewanie komór fermentacyjnych Zwykle zawartość komór fermentacyjnych ogrzewana jest w zewnętrznych wymiennikach ciepła. Osad jest pobierany z komory, ogrzewany, a następnie poprzez pompę cyrkulacyjną zawracany z powrotem do komory. Wyróżniamy dwa rodzaje wymienników ciepła: Wymienniki rurowe Wymienniki dyskowe

26 Wymiennik spiralny + Niewielkie rozmiary + Stosunkowo łatwe czyszczenie - Wyższy koszt

27 Wymiennik rurowy

28 Parametry projektowe Niezbędny wiek osadu WO 35 C = d WO 55 C = 8 10 d Objętość czynna V cz = WO Q os [m 3 ] Obciążenie komory O V [kg smo/m 3 d]

29 Urządzenia ciągu gazowego

30 Ciąg gazowy na oczyszczlani ścieków Instalacja do gaszenia piany Usuwanie substancji wleczonych Odwadniane gazu Odsiarczanie Magazynowanie Energetyczne wykorzystanie System spalania nadmiaru gazu w pochodni

31 Usuwanie substancji wleczonych Usuwanie substancji wleczonych realizuje się w filtrach żwirowych. Jest to pierwszy stopień oczyszczania gazu fermentacyjnego. W filtrach żwirowych następuje także wstępna kondensacja pary wodnej.

32 Odwadnianie Kondensacja pary wodnej odbywa się zwykle w całym rurociągu transportowym gazu, następnie kondensat odbierany jest w najniższym punkcie rurociągu za pomocą odwadniacza. Należy pamiętać że kwestia kondensacji pary wodnej i jej odbioru musi być zrealizowana na każdym z odcinków rurociągu

33 Odsiarczanie gazu Odsiarczanie gazu Metody chemiczne Metody absorpcyjne Metody biologiczne Filtracja przez rudę darniową Absorpcja na węglu aktywnym Biofiltry Mokre odsiarczanie gazu Płuczki biologiczne

34 Filtracja przez rudę darniową Gaz przepływa przez wypełnienie złoża od dołu do góry. Przekształcanie siarkowodoru zachodzi według reakcji:

35 Magazynowanie Ponieważ produkcja gazu jest nierównomierna w ciągu doby, gaz należy magazynować. Zwykle zbiorniki gazu na oczyszczalniach posiadają objętość pozwalającą magazynować gaz od 6 do 24 godzin. Najczęściej stosowane zbiornik to zbiorniki: Dwupowłokowe Dzwonowe

36 Zbiornik dwupowłokowy Doprowadzenie powietrza Upust powietrza Pręt ograniczający Membrana powietrzna Membrana gazowa Pobór gazu (dopływ gazu) Membrana gazowa (denna)

37

38 Metody intensyfikacji produkcji gazu fermentacyjnego Kofermentacja Zaawansowane układy reaktorów Wstępna obróbka osadów (dezintegracja)

39 Kofermentacja osadów Jednym ze sposobów zwiększenia wydajności produkcji gazu fermentacyjnego w oczyszczalniach ścieków jest wspólna fermentacja osadów ściekowych z innymi substratami organicznymi Odpady przeznaczone do wspólnej utylizacji z osadami ściekowymi Organiczna frakcja odpadów komunalnych Odchody i odpadki zwierzęce (gnojowica) Odpady z przemysłu rolno spożywczego Odpady owocowo warzywne Inne odpady Przemysłowe Odpady z produkcji papieru Odpady zielone Odpady uboju zwierząt i produkcji mięsa Odpady z produkcji olei roślinnych Odpady z przetwórstwa owoców i warzyw

40 Produkcja gazu fermentacyjnego Substrat Ilość gazu l/kg smo % CH 4 % CO 2 Energia gazu kwh/m 3 Węglowodany ~5 Tłuszcze ~7 Białka ~6 Osad ściekowy ~( )

41 Zawansowane układy reaktorów Modyfikacje w stosunku do konwencjonalnej fermentacji prowadzonej w warunkach mezofilowych mogą obejmować: zmianę warunków temperaturowych, rozbudowę układu do szeregowego połączenia komory termofitowej z mezofilową bądź mezofilowej z termofilową. Układy dwustopniowe w porównaniu do jednostopniowych pozwalają na lepszą kontrolę parametrów procesu i występujących kultur bakterii.

42 Wstępna obróbka osadów (dezintegracja) Dezintegracja osadów polega na zniszczeniu struktury kłaczków osadów ściekowych, a następnie na rozerwaniu błony komórkowej i lizy komórek mikroorganizmów, w wyniku czego organiczne składniki wchodzące w skład komórki stają się łatwiej dostępne jako substrat dla żywej biomasy. Potencjalnymi korzyściami wynikającymi z dezintegracji osadów kierowanych do fermentacji metanowej są: wyższa produkcja biogazu oraz wyższy ubytek materii organicznej z osadu stabilizowanego w porównaniu z układami klasycznymi (bez wstępnej obróbki osadów). Z uwagi na różnice w strukturze osadu wstępnego i osadu nadmiernego wstępnej obróbce poddaje się wyłącznie strumień osadu nadmiernego, gdyż takie działanie generuje wyższy efekt wynikający ze wzrostu produkcji gazu fermentacyjnego.

43 Metody dezintegracji Metody dezintegracji Mechaniczne Chemiczne Biologiczne Termiczne Ultradźwięki Hydrodynamiczna kawitacja Homogenizacja Hydroliza alkaliczna Hydroliza kwaśna Ozonowanie Metody enzymatyczne Autoliza Niskotemperaturowe Wysokotemperaturowe Zamrażanie/rozmrażanie Wirówka dezintegracyjna Reakcja Fentona Mielenie Impulsy elektryczne

44 O czym dzisiaj nie powiem równowaga pomiędzy metanogenezą klasyczną a wodorotroficzną Kluczowo ważna jest wysoka aktywność mikroorganizmów wodorotroficznych, warunkująca utrzymywanie odpowiednio niskiego ciśnienia parcjalnego wodoru. Przy zbyt dużym ciśnieniu parcjalnym wodoru octanogeneza jest niemożliwa ze względów termodynamicznych (ΔG>0). Z drugiej strony przekształcanie wodoru do metanu (metanogeneza wodorotroficzna) jest termodynamicznie niemożliwe przy zbyt małej wartości tego ciśnienia. Obie przemiany mogą zachodzić jednocześnie tylko w wąskim przedziale ciśnienia parcjalnego wodoru.

45 O czym dzisiaj nie powiem czy metanogeny to bakterie Metanogeny klasyczne są heterotrofami, a wodorotroficzne autotrofami. Metanogeny były w przeszłości zaliczane do bakterii, a aktualnie klasyfikowane są w osobnej grupie tzw. Archeanów (Archaea). Ich budowa różni się od klasycznej budowy bakterii. Dyskusyjne pozostaje to, czy ma to znaczenie dla technologii prowadzenia procesu Szukaj: The Microbiology of Anaerobic Digester M/.H. Gerardi

46 O czym dzisiaj nie powiem czy metanogeny to bakterie

47 O czym dzisiaj nie powiem wpływ siarki i bakterii siarkowych na proces fermentacji W warunkach panujących w komorach fermentacyjnych wszystkie utlenione formy siarki są redukowane do siarczków przez grupy bakterii redukujących siarczany - SRB (Sulfate Reducing Bacteria). SRB to dość szeroka grupa mikroorganizmów, które mogą konkurować z mikroorganizmami beztlenowymi kwasogenezy, octanogenezy i metanogenezy. Poza konkurencją ze strony bakterii siarkowych, sam produkt ich aktywności metabolicznej, czyli siarkowodór, jest związkiem toksycznym. Siarkowodór może dyfundować do wnętrza komórek mikroorganizmów i powodować inhibicję poprzez denaturację białek. Szukaj: Oddychanie siarczanowe K. Kosińska Inhibition of anaerobic digestion process: A review - Bioresource Technology 99 (2008)

48 Układ z wydłużonym wiekiem osadu Alternatywnym rozwiązaniem dla układów z wiekiem osadu równym czasowi przetrzymania są układy z wydłużonym wiekiem osadu. Z uwagi na bardziej skomplikowane rozwiązania są rzadko spotykane, jednak w pewnych warunkach są warte uwagi.

49 Jeszcze bardziej zaawansowane układy z wydłużonym wiekiem osadu Kolejnym krokiem w podnoszeniu innowacyjności jest wykorzystanie membran (anaerobic MBR) do procesów beztlenowego oczyszczania ścieków oraz stabilizacji osadów.

50 Wytrącanie się struwitu w komorach fermentacyjnych - problem Jednym z niepożądanych efektów w procesie fermentacji jest pojawienie się struwitu, minerał wytrąca się zwykle w miejscach, gdzie następuje gwałtowna zmiana gradientu prędkości. Czynnikiem limitującym szybkości wytrącania się struwuitu jest magnez (Mg), z uwagi na fakt, że pozostałych składników jest w osadzie fermentującym pod dostatkiem MgNH 4 PO 4. 6 H 2 O

51 Wytrącanie się struwitu w komorach fermentacyjnych ciekawe rozwiązanie Niezależnie od kłopotów technologicznych związanych z wytrącaniem strutiwu, możliwe jest jego nadmiarowe kontrolowane wytrącanie. Co zyskujemy: usunięcie z osadów nadmiaru fosforanów, usunięcie z osadu nadmiaru azotu amonowego (jedyna możliwość jego strącania), produkcja bardzo dobrego preparatu nawozowego. Więcej informacji: układ WASSTRIP MgNH 4 PO 4. 6 H 2 O

52 Do opracowania w domu 1. Artykuł - Inhibition of anaerobic digestion process: A review 2. Artykuł Techniques for transformation of biogas to biomethane dla chętnych

53 Zagadnienia z wykładu 1. Jakie są wady i zalety procesu fermentacji metanowej? 2. Jak przebiega proces fermentacji? 3. Jaki jest cel procesu hydrolizy i dezintegracji? 4. Jaki jest niezbędny wiek osadu dla procesu fermentacji? 5. Jakie są zakresy temperaturowe procesu fermentacji czym się charakteryzują? 6. Jaki wpływ na proces ma ph oraz zasadowość? 7. Opisz czynniki toksyczne dla procesu fermentacji. 8. Opisz warunki prowadzenia procesu w temp. 35 O C. 9. Co wchodzi w skład gazu fermentacyjnego? 10. Jaki jest cel mieszania komór fermentacyjnych? 11. Jakie typy mieszadeł powiązane są z konstrukcyjnymi rozwiązaniami komór fermentacyjnych? 12. Wymień urządzenia gospodarki gazowej, opisz ich funkcje. 13. Opisz sposoby poprawy efektywności procesu fermentacji metanowej.

54 Case study 1. Osad zagęszczany do 5% SM stabilizowany jest w WKF w warunkach mezofilowych, czas przetrzymania 15d. Co się stanie, gdy zwiększymy zagęszczenie osadu do 10%? Co by się stało, gdyby zagęszczenie osadu spadło do 2,5%? 2. Osad zagęszczany do 5% SM stabilizowany jest w WKF w warunkach mezofilowych. W wyniku awarii zaprzestano ogrzewania komory. Jakie działania technologiczne należy podjąć, aby utrzymać proces fermentacji metanowej? Jaka powinna być procedura powrotu do nominalnej temperatury? Brak jest możliwości dogęszczenia osadu 3. Osad zagęszczany do 5% SM stabilizowany jest w WKF w warunkach mezofilowych. Stwierdzono spadek produkcji gazu fermentacyjnego. Jakie mogą być przyczyny problemu? Jak zweryfikować rzeczywistą przyczynę?

55 Case study 1. Podczas eksploatacji stwierdzono szarpaną produkcję gazu. Wymień i opisz możliwe przyczyny? 2. Na oczyszczalni funkcjonują 2 komory fermentacyjne. Jedna z nich ulega awarii i niezbędne jest wstrzymanie fermentacji osadu wstępnego lub nadmiernego. Który osad nadal należy podawać do komory, a którego stabilizację wstrzymać? Dlaczego? 3. Osad zagęszczany do 5% SM stabilizowany jest w WKF w warunkach mezofilowych. W długim okresie czasu stwierdzono pogorszenie produkcji gazu oraz efektów fermentacji. Po wykluczeniu czynników toksycznych jakie mogą być inne przyczyn takiej sytuacji?