Wykorzystanie fermentacji metanowej w przypadku œcieków mleczarskich jest bardzo uzasadnione ze wzglêdu na to, i s¹ to œcieki charakteryzuj¹ce siê wys

Transkrypt

1 Magda Dudek, Marcin Zieliñski, Anna Grala, Marcin Dêbowski CHARAKTERYSTYKA ZMIAN KONCENTRACJI BEZTLENOWEGO OSADU CZYNNEGO W REAKTORZE O PRZEP YWIE PIONOWYM Streszczenie. W podjêtych badaniach zajêto siê wp³ywem wielkoœci obci¹ enia hydraulicznego na zdolnoœæ zatrzymywania zawiesin beztlenowego osadu czynnego w modelowym reaktorze. Badania dowiod³y, e im wy sze obci¹ enie reaktora ³adunkiem zanieczyszczeñ i wiêkszy dobowy przep³yw tym mniej zawiesiny pozostaje w uk³adzie. Jednak dziêki kombinowanemu przep³ywowi œcieków w badanym reaktorze udaje siê uzyskaæ na odp³ywie wartoœæ ok mg/dm 3. S³owa kluczowe: fermentacja metanowa, reaktory beztlenowe, œcieki mleczarskie, beztlenowy osad czynny. WSTÊP Nowoczesne technologie daj¹ nam du e mo liwoœci, dziêki, którym mo emy eliminowaæ zanieczyszczenia ró nego pochodzenia i usprawniaæ systemy oczyszczania œcieków. Szczególnie prê nie rozwijaj¹ siê w ostatnich latach systemy beztlenowego oczyszczania œcieków z wykorzystaniem procesu fermentacji metanowej. Proces fermentacji daje nam szanse na oczyszczanie œcieków bogatych w substancje organiczne, co w przypadku metod tlenowych poci¹ga za sob¹ du e pok³ady energii. Poszukuje siê technologii bardziej wydajnych, które jednoczeœnie zmniejszy³yby koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Okazuje siê, e stosowanie systemów beztlenowych mo e stanowiæ takie w³aœnie rozwi¹zanie pozwalaj¹ce na, uzyskanie optymalnych efektów koñcowych przy minimalnych nak³adach finansowych, materia³owych, budowlanych i energetycznych. Zastosowanie reaktorów beztlenowych ma swoje uzasadnienie choæby ze wzglêdu na niskie koszty energetyczne, ma³¹ iloœæ biomasy, nawet piêciokrotnie ni sz¹ ni w przypadku rozwi¹zañ tlenowych, ograniczone rozprzestrzenianie siê aerozoli i zapachów a tak e nie wymagaj¹ one tak d³ugiego czasu na rozruch jak reaktory pracuj¹ce w systemach tlenowych. Systemy beztlenowe posiadaj¹ te swoje ograniczenia takie jak chocia by utrzymanie odpowiedniej temperatury procesu zapewniaj¹cej rozwój bakterii czy sposób podawania substratów do reaktora. Istnieje, zatem potrzeba udoskonalania dotychczasowych technologii i tworzenie nowych rozwi¹zañ w dziedzinie in ynierii œrodowiska, aby uzyskaæ jak najlepsze parametry œcieków odprowadzanych do œrodowiska. Magda DUDEK, Marcin ZIELIÑSKI, Anna GRALA, Marcin DÊBOWSKI Katedra In ynierii Ochrony Œrodowiska, Uniwersytet Warmiñsko-Mazurski w Olsztynie. 106

2 Wykorzystanie fermentacji metanowej w przypadku œcieków mleczarskich jest bardzo uzasadnione ze wzglêdu na to, i s¹ to œcieki charakteryzuj¹ce siê wysok¹ koncentracj¹ zwi¹zków organicznych, które usuwane metodami tlenowymi poci¹gnê³yby za sob¹ ogromne koszta. Natomiast w procesie fermentacji metanowej mog¹ byæ skutecznie usuniête poprze beztlenowy rozk³ad. Pierwsz¹ grup¹ œcieków mleczarskich s¹ œcieki pochodz¹ce z mycia maszyn transportowych takich jak cysterny dowo ¹ce mleko do zak³adów produkcji. Powstaj¹ce œcieki s¹ wiêc praktycznie rozcieñczonym mlekiem zawieraj¹cym œrodki chemiczne stosowane przy p³ukaniu cystern. Przy tego typu dzia³aniach straty mleka wynosz¹ ok. 0,05%. Na terenie samego zak³adu mleko jest transportowane przy u yciu ruroci¹gów. S¹ one kilka razy dziennie p³ukane przy u yciu roztworu kwasu azotowego, który usuwa lub zapobiega tworzeniu siê osadów organicznych oraz ³ugu sodowego wspomagaj¹cego usuwanie t³uszczy i bia³ek. Obecnie d¹ y siê do zast¹pienia dotychczasowych preparatów œrodkami bardziej skutecznymi i przede wszystkim zmniejszaj¹cymi zu ycie ogromnych iloœci wody przeznaczanej do p³ukania ruroci¹gów. Dla wszystkich typów mleczarni podobny charakter maj¹ œcieki pochodz¹ce z p³ukania natomiast stê enie i sk³ad pozosta³ych œcieków poprodukcyjnych zale y od rodzaju produkcji. Najwiêksza iloœæ zanieczyszczeñ powstaje podczas produkcji serów (BZT 5 : 200 g O 2 /kg i zawiesina 30 g/kg) oraz kazeiny (BZT 5 : 150 g O 2 /kg i zawiesina 25 g/kg), najmniej zanieczyszczone s¹ œcieki po produkcji mleka spo ywczego (BZT 5 : 1 g O 2 /kg i zawiesina 0,2 g/kg) i œmietanki (BZT 5 : 10 g O 2 /kg i zawiesina 2 g/kg). METODYKA BADAÑ Badani prowadzone by³y w warunkach laboratoryjnych na modelowym reaktorze beztlenowym o przep³ywie pionowym. Reaktor zosta³ zaprojektowany do oczyszczania œcieków w warunkach beztlenowych, w badaniach jako substrat zosta³y u yte œcieki mleczarskie preparowane z mleka w proszku zawieraj¹ce du e iloœci substancji organicznych. Reaktor zosta³ wykonany ze stali, umieszczony na stojaku stalowym i posiada dwie pokrywy. Jedna jest wykonana w formie kopu³y i przykrywa komorê œrodkow¹, pokrywa ta ma taki kszta³t ze wzglêdu na to, i pod ni¹ gromadzi siê wytwarzany w reaktorze biogaz. Na œrodku tej pokrywy znajduje siê równie otwór w formie stalowej rurki, którym gromadz¹cy siê pod kopu³¹ biogaz mo e uchodziæ np. do specjalnego balonu i tam byæ gromadzony. Druga pokrywa stanowi ju zamkniêcie ca³ej górnej czêœci reaktora i przykrywa szczelnie wszystkie komory. Œcieki by³y doprowadzane do reaktora od spodu za pomoc¹ pompki dozuj¹cej. Reaktor jest podzielony na trzy komory i mo na siê pokusiæ o stwierdzenie, e jest to reaktor hybrydowy gdy ³¹czy w sobie dwie technologie. Komora œrodkowa (komora nr 1) jest komor¹ z pe³nym wymieszaniem, które uzyskujemy dziêki recyrkulacji œcieków. Recyrkulacja œcieków nastêpuje tylko w komorze œrodkowej, dziêki pompce recyrkulacyjnej, mieszaj¹cej zawartoœæ komory. Pompka jest umieszczona pod reaktorem i pod³¹czona do przewodów dozuj¹cego oraz umo liwiaj¹cego odpowiedni stopieñ recyrkulacji œcieków. Pozosta³e dwie zewnêtrzne komory dzia³aj¹ jak reaktor labirynto- 107

3 wy. Œcieki dostarczane do komory œrodkowej przelewaj¹ siê równomiernie otworami w górnej czêœci reaktora do komory drugiej (komora nr 2) a nastêpnie do³em równie przez otwory dostaj¹ siê do komory pierwszej najbardziej zewnêtrznej (komora nr 3). Œcieki przep³ywaj¹ wiêc w sposób labiryntowy z góry do do³u, i z do³u do góry i dopiero s¹ odprowadzane poza reaktor. Tego typu rozwi¹zanie daje nam mo liwoœæ zatrzymania osadu w reaktorze dziêki przep³ywowi œcieków w kierunku z do³u do góry w ostatniej komorze co zapobiega wynoszeniu osadu czynnego poza uk³ad. Dodatkowo na spodzie urz¹dzenia s¹ umieszczone trzy zawory umo liwiaj¹ce opró nienie z zawartoœci ka dej komory. Œcieki s¹ odprowadzane na zewn¹trz przez dwa otwory umieszczone w górnej czêœci urz¹dzenia, gdzie gumowymi wê ami s¹ odprowadzone do odp³ywu. Sam reaktor ma wysokoœæ 75 cm, powierzchnia przekroju wynosi 0,1519 m 2 natomiast objêtoœæ to 0,113 m 3. Wewn¹trz urz¹dzenia umieszczono równie dwie grza³ki umo liwiaj¹ce pracê reaktora w mezofilowym zakresie temperatur. Tabela 1. Parametry hydrologiczne reaktora beztlenowego o przep³ywie pionowym 3DUDPHWU (WDSEDGD -HGQRVWND :DUWR üsdudphwuxgoduhdnwrud,qwhqv\zqr ügrsá\zx FLHNyZ,,,,,, 2EFL HQLHK\GUDXOLF]QH,,,,,, 2EFL HQLHUHDNWRUD ádgxqnlhp]dqlhf]\v]f]h +\GUDXOLF]Q\F]DV ]DWU]\PDQLD FLHNyZ ZUHDNWRU]H,,,,,,,,,,,, GP G P P ÂG J&K=7P ÂG G Rys. 1. Model reaktora beztlenowego o przep³ywie pionowym w warunkach laboratoryjnych 108

4 Badania rozpoczê³y siê przygotowaniem reaktora do pracy, które polega³o na dozowaniu substratu czyli modyfikowanego mleka w proszku w iloœci 2 g/l i uzyskaniu stê enia ChZT w œciekach surowych wynosz¹cym 4000 g ChZT/m 3 d. Parametry dla œcieków surowych stosowanych w doœwiadczeniu (œcieki mleczarskie preparowane z mleka w proszku): l BZT mg/l (oko³o 70 % ChZT), l Azot ogólny 200 mg N/l, l Fosfor ogólny 50 mg P/l. Nastêpnie prowadzone by³y badania nad wp³ywem intensywnoœci przep³ywu œcieków na zawartoœæ zawiesiny. W tym czasie przeprowadzone 3 etapy badañ. W ka dym z nich pobrano 3 serie próbek zawiesiny ogólnej ze wszystkich komór reaktora na 5 ró nych wysokoœciach. Na ka dym etapie zastosowano inny przep³yw œcieków, z zastosowaniem tendencji wzrostowej. W etapie pierwszym przep³yw wynosi³ 43,2 dm 3 /d, w etapie drugim 85,8 dm 3 /d, natomiast w trzecim etapie by³o to 128,4 dm 3 /d. Próby osadu czynnego pobierano kolejno z komory 3 i 2 na wysokoœciach 10, 25, 40, 55 i 70 cm, natomiast w komorze 1 ze wzglêdu na jej charakter tylko z wysokoœci 10 cm nad dnem i na wysokoœci 70 cm. WYNIKI BADAÑ Iloœæ zawiesiny nie zmniejsza³a siê tylko na poszczególnych etapach badañ ale równie w ka dej z komór by³o mo na zaobserwowaæ zmiany zawartoœci zawiesin w zale noœci od wysokoœci poboru próbki w reaktorze. Poni sze wykresy obrazuj¹ jakie zale noœci zaobserwowano pomiêdzy iloœci¹ badanej zawartoœci zawiesiny a wysokoœci¹, miejscem poboru próbek oraz zmieniaj¹cym siê przep³ywem œcieków. Komora pierwsza jest komor¹, w której nastêpowa³o mieszanie œcieków poprzez recyrkulacjê wewn¹trz komory. W tym przypadku obserwujemy ju tylko spadek zawiesiny w stosunku do zwiêkszaj¹cego siê obci¹ enia ³adunkiem zanieczyszczeñ. Ka - dy z etapów w tej komorze charakteryzowa³ siê zbli on¹ zawartoœci¹ zawiesin zarówno w warstwie nad dennej jak i powierzchniowej. Znaczny spadek praktycznie o 50% zaobserwowano na etapie III co mog³o byæ zwi¹zane z zastosowanie zbyt du ego obci¹ enia i za³amaniem procesu metanogenezy. Komora druga, œrodkowa wykazuje zbli one tendencje do spadku zawartoœci zawiesin jak komora trzecia. Iloœæ zawiesiny zmniejsza siê wraz ze wzrostem wysokoœci poboru próbek oraz wraz ze wzrostem przep³ywu œcieków. Najwiêksze koncentracje osadu odnotowano na wysokoœciach 10 i 25 cm, na pozosta³ych wysokoœciach wartoœci spada³y ale ju nieznacznie i nie wykazywa³y tak znacz¹cych ró nic W trzeciej najbardziej zewnêtrznej obserwujemy spadek zawartoœci zawiesin wraz ze wzrostem wysokoœci na jakiej zosta³y one pobrane, co by³o zwi¹zane z sedymentacj¹ osadu na dnie. Szczególnie wysokie koncentracje odnotowano na wysokoœci 10 i 25 cm nad dnem komory, by³y one stosunkowo wy sze ni wartoœci zaobserwowane 109

5 Rys. 2. Iloœæ zawiesiny ogólnej w komorze 1 na poszczególnych etapach badañ Rys. 3. Iloœæ zawiesiny ogólnej w komorze 2 na poszczególnych etapach badañ Rys. 4. Iloœæ zawiesiny ogólnej w komorze 3 na poszczególnych etapach badañ 110

6 na pozosta³ych wysokoœciach. Widaæ równie na poni szym wykresie jednoznaczny spadek iloœci zawiesin w komorze w stosunku do zmieniaj¹cego siê obci¹ enia reaktora ³adunkiem zanieczyszczeñ. DYSKUSJA Dane literaturowe opisuj¹ tak e wp³yw czasu zatrzymania œcieków w reaktorze oraz jego obci¹ enia na pracê uk³adu oraz jego efektywnoœæ. Patel i inni opisuj¹ eksperyment jaki przeprowadzili w modelowych komorach z ró nego rodzaju wype³nieniami do oczyszczania w procesie fermentacji metanowej sera z serwatki. Sta³ym wype³nieniem jakie zastosowali by³ wêgiel drzewny, kawa³ki cegie³, kawa³ki pumeksu oraz wir i element z PVC. Proces prowadzony by³ w temperaturze 37 C przy ró nych czasach zatrzymania. Stê enie ChZT œcieków dop³ywaj¹cych wynosi³o 70 g/l. Okaza³o siê, e proces najlepiej przebiega³ z zastosowaniem wêgla drzewnego jako z³o a. Przy czasie zatrzymania 2d uda³o siê uzyskaæ autorom maksymalne usuniêcie ChZT na poziomie 81% oraz poprawê produkcji biogazu (6,01 l/d) z wysok¹ zawartoœci¹ metanu (70%). Stwierdzono tak e e efektywnoœæ pracy reaktora by³a lepsza przy czasie zatrzymania 2d ni przy czasie 1d, natomiast przy dalszym wzroœcie retencji wzrost usuwania ChZT by³ ju znikomy. W przypadku przeprowadzonych przez nas badan najlepsze efekty uzyskano przy czasie zatrzymania 2,6 h i jednoczeœnie najni szym obci¹ eniu reaktora [1]. W innym doœwiadczeniu zastosowano reaktor HUASB ³¹cz¹cy w sobie zastosowanie sta³ego wype³nienia oraz procesu flotacji. Zastosowano tu kostki z pianki poliuretanowej wykorzystane na pierwszym etapie oraz pierœcienie z PVC w etapie drugim. Badania prowadzono przez okres 215 dni podczas, których wskaÿnik obci¹ enia waha³ siê od 10,7 do 21,4 kg ChZT/m 3 d. Okaza³o siê e idealnym obci¹ eniem jest 19,2 kg ChZT/m 3 d wzrost tego wskaÿnika do 21,4 kg ChZT/m 3 d spowodowa³ zakwaszenie funkcji reaktora w pierwszym etapie co zmniejszy³o jego wydajnoœæ. W okresie stabilnej pracy czyli przy obci¹ eniu 10,7 19,2 kg ChZT/m 3 d wyst¹pi³o usuwanie ChZT na poziomie 97 i 99% [4]. Bello-Mendoza i inni zajêli siê fermentowaniem w reaktorze UASB œcieków z zak³adu przetwórstwa kawy. Autorzy stosowali ró ne obci¹ enia, w pierwszym tygodniu zastosowano obci¹ enie 2,36 kg ChZT/m 3 d co spowodowa³o destabilizacje procesu i spadek usuwania ChZT do 25%, nastêpnie po kilku dniach przerwy zastosowano 1,78 kg ChZT/m 3 d przy czasie zatrzymania 24h dziêki czemu nast¹pi³ wzrost usuwania ChZT do 63%. Najlepsze rezultaty uzyskano przy obci¹ eniu 1,89 kg ChZT/m 3 d i czasie zatrzymania 22h. W opisanych przez nas badaniach najkorzystniejsze okaza³o siê obci¹ enie 0,06 kg ChZT/m 3 /h, które zapobiega³o wymywaniu zawiesiny poza uk³ad [3]. W przeprowadzonym przez nas eksperymencie najkorzystniejszym dla efektywnej pracy reaktora obci¹ eniem okaza³o siê 0,06 kg ChZT/m 3 h oraz hydrauliczny czas zatrzymania œcieków w reaktorze 2,6 h. Inni badacze przeprowadzili proces fermentacji w reaktorze UASB mieszanych œcieków z produktów mlecznych oraz pochodz¹cych z gospodarstw domowych. 111

7 Okaza³o siê e œcieki takie najlepiej degraduj¹ podczas procesu fermentacji przy obci¹- eniu reaktora od 1,9 do 4,4 kg ChZT/m 3 d oraz czasie zatrzymania 24h [2]. Publikacja autorstwa Gavala i innych przedstawia wyniki badañ przeprowadzonych na œciekach pochodz¹cych z produkcji serów charakteryzuj¹cych siê du ¹ zawartoœci¹ materii organicznej. W eksperymencie zastosowano reaktor UASB z systemem flotacji o pojemnoœci 10 litrów. Przeprowadzone badania wykaza³y, e œcieki tego typu najkorzystniej oczyszcza³y siê przy obci¹ eniu 62 g ChZT/l d, by³o to najbezpieczniejsze obci¹ enie z mo liwoœci¹ zwiêkszenia do maksymalnie 75 g ChZT/l d [7]. W wykonanych badaniach mo liwe by³oby jeszcze zastosowanie obci¹ enia z drugiego etapu badañ czyli 0,12 kg ChZT/m 3 h, które zapewni³oby jeszcze niezak³ócon¹ pracê ca³ego systemu. Jak wynika z danych literaturowych efektywne oczyszczanie œcieków nie zale y tylko od ich charakterystyki, ale tak e od zastosowanego przez nas uk³adu technologicznego o odpowiednich parametrach, takich jak obci¹ enie komory ³adunkiem zanieczyszczeñ oraz czasu zatrzymania œcieków w uk³adzie. WNIOSKI Przeprowadzone badania wykaza³y mo liwoœæ wykorzystania reaktora w mieszanym kierunku przep³ywu do oczyszczania syntetycznych œcieków mleczarskich. Uzyskiwane zawartoœci zawiesiny ogólnej w odp³ywie na poziomie poni ej 1000 mg/dm 3 wskazuj¹, e rozwi¹zanie tego typu mo e byæ stosowane jako samodzielny uk³ad podczyszczania œcieków przed wprowadzeniem do kanalizacji. Ze wzglêdów technologicznych optymalnym rozwi¹zaniem by³o obci¹ enie hydrauliczne na poziomie 0,77 m 3 / m 3 d przy czasie zatrzymania 1,32 d. PIŒMIENNICTWO 1. Patel P., Desai M., Madamwar D Biomethanation of Cheese Whey Using Anaerobic Upflow Fixed Film Reactor. Journal of Fermentation and Bioengieneering, 79(4): Banu J.R., Kaliappan S., Yeam I.-T Two Stage Anaerobic Treatment of Dairy Wastewater Using HUASB with PUF and PVC Carrier, Biotechnology and Bioprocess Engineering, 12: Bello-Mendoza R., Castillo-Rivera M.F Start-up of an Anaerobic Hybrid (UASB/ Filter) Reactor Treating Wastewater from a Coffee Processing Plant. Anaerobe, 4: Tawfik A., Sobhey M., Badawy M Treatment of a combined dairy and domestic wastewater in an up-flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor followed by activated sludge (AS system). Desalination, 227: Bartkiewicz B Œcieki przemys³owe, Warszawa. 6. Bartkiewicz B Oczyszczanie œcieków przemys³owych, Warszawa. 7. Gavala H.N., Kopsinis H., Skiadas I.V., Stamatelatou K., Lyberatos G Treatment of Dairy Wastewater Using an Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor. J. Agric. Engin. Res., 73:

8 THE CHANGE OF CONCENTRATION PERFORMANCE OF SUSPENDED ANAEROBIC SLUDGE IN THE REACTOR WITH VERTICAL FLOW Summary The research undertaken addresses the influence of size on the hydraulic load holding capacity of suspended anaerobic sludge in the reactor model. Studies have shown that the higher burden of pollution load of the reactor and increased daily flow of less suspension remains in the system. But thanks to combined flow of sewage in the test reactor, manage to get the value of the outflow of about 1000 mg/dm 3. Keywords: methane fermentation, anaerobic reactors, waste milk, a suspension, flow. 113