GOSPODARKA OSADAMI procesy stabilizacji osadów (fermentacja)

Transkrypt

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

2 Procesy stabilizacji osadu Cel stabilizacji Metody stabilizacji

3 Jaki jest cel stabilizacji? Cele stabilizacji: Eliminacja uciążliwości zapachowej osadu Zmniejszenie lub eliminacja zdolności osadu do zagniwania Zmniejszenie zawartości organizmów patogennych w osadzie

4 Po co stabilizujemy osad Co powoduje że osad śmierdzi? Co takiego w osadzie gnije? Dlaczego w osadzie mnożą się organizmy patogenne? Zadanie nadrzędne: Zmniejszyć masę (udział %) substancji organicznych w osadzie

5 Metody stabilizacji Metody stabilizacji Metody biologiczne Fermentacja metanowa Stabilizacja tlenowa Metody chemiczne Stabilizacja wapnem? Metody termiczne Spalanie Szkliwienie Autotermicza Tlenowa Stabilizacja Osadów (ATSO) Kompostowanie

6 Fermentacja metanowa Jest to biologiczne przekształcenie materii organicznej do CH 4 + CO 2 (gaz fermentacyjny) i H 2 O Realizowane w reaktorze beztlenowym (zwykle zamkniętym i ogrzewanym)

7 Fermentacja metanowa Wady Wysokie koszty inwestycyjne Niezbędna wysoko wykwalifikowana załoga Wysokie stężenia biogenów w odciekach Zalety Produkcja gazu fermentacyjnego dodatni bilans energetyczny Zmniejszenie ilości osadów

8 Tlenowa stabilizacja osadów Biologiczne utlenianie materii organicznej do H 2 O i CO 2. Realizuje się w reaktorze (zwykle otwartym) napowietrzanym.

9 Tlenowa stabilizacja osadów Wady Wysoce energochłonny proces (napowietrzanie) Trudne odwadnianie osadu po stabilizacji tlenowej Zalety Proces łatwy w eksploatacji Wykorzystywany w małych oczyszczalniach ścieków Odcieki z procesu zawierają stosunkowo niewielkie ilości biogenów

10 Autotermiczna termofilowa stabilizacja tlenowa (ATSO) Proces podobny do stabilizacji tlenowej, ale intensywniejszy, bo prowadzony w wysokiej temperaturze (55 65 C), w zamkniętym, izolowanym reaktorze. Wymagana większa intensywność napowietrzania.

11 Autotermiczna termofilowa stabilizacja tlenowa (ATSO) Wady Wymagana wysoce wykwalifikowana obsługa Wysokie koszty napowietrzania Zalety Osad po procesie ATSO jest w wysokim stopniu zhigienizowany oraz ustabilizowany Może zostać z powodzeniem wykorzystany w celach rolniczych

12 Kompostowanie Czym jest kompost? Produkt powstały w wyniku kontrolowanego tlenowego rozkładu materii organicznej Higienizowany w wyniku samozagrzewania (wydzielanie ciepła w procesie kompostowania) Ustabilizowany w stopniu zapewniającym korzystny wpływ na wzrost roślin Dostarcza do gleby humus, sole nawozowe i mikroelementy

13 Autotermiczna termofilowa stabilizacja tlenowa (ATSO) Wady Niezbędny dodatkowy materiał strukturotwórczy (odpady zielone) Jakość oraz potencjalne zastosowanie kompostu bezpośrednio zależą od materiału poddawanego kompostowaniu Zalety Otrzymujemy przyjazny środowisku produkt z możliwością wykorzystania go w produkcji rolnej Potencjalna możliwość sprzedaży gotowego kompostu?

14 Stabilizacja? wapnem Ustabilizowanie osadu polega na dodaniu materii nieorganicznej (wapna), co skutkuje zmniejszeniem udziału masy organicznej. Dodatkowo reakcja gaszenia wapna jest egzotermiczna. Gwałtowny wzrost temperatury powoduje pasteryzację osadu.

15 Stabilizacja? wapnem Wady Duże dawki wapna, dochodzące nawet do kgcao na 1000 kgsm Znaczny wzrost ilości powstałego osadu Wątpliwości natury technologicznej odnoście tego, czy to jest stabilizacja Zalety Niskie koszty inwestycyjne Proces tak prosty jak to możliwe nic się nie da zepsuć Osad chętnie zagospodarowywany rolniczo

16 Fermentacja metanowa Podstawy procesu Przebieg procesu Wiek osadu Temperatura ph Czynniki toksyczne Podsumowanie

17 Definicja raz jeszcze Proces fermentacji jest najstarszym procesem wykorzystywanym w przetwarzaniu materii organicznej Definicja opisowa: Przemiana na drodze biochemicznej złożonych substancji organicznych do szeregu prostszych substancji, w tym także do metanu, w warunkach braku tlenu

18 70-90% Bilans ChZT Gaz fermentacyjny CO % 100% Proces beztlenowy Odpływ 10-30% 100% Proces tlenowy Odpływ 5-10% Przyrost osadu 5-15% Przyrost osadu 50-60% Take-home message: Wszystkie przemiany i reakcje zachodzą w oparciu zasadę zachowania energii. ZAWSZE

19 Przebieg procesu Dezintegracja i Hydroliza Kwasogeneza + octanogeneza Metanogeneza

20 Dezintegracja i Hydroliza Rozpad wielkocząsteczkowych związków, tworzących materie organiczną, na mniejsze łatwiejsze do przyswojenia przez mikroorganizmy. Hydroliza zachodzi pod wpływem działania enzymów, bądź pod wpływem dezintegracji czynnikami fizycznymi (ultradźwięki) lub chemicznymi (ozonowanie, alkalizacja). Procesy hydrolityczne zachodzą na granicy fazy stałej i ciekłej. Katalizatorem procesu są zewnątrzkomórkowe enzymy, wydzielane przez bakterie. Bakterie biorące udział w procesie hydrolizy są zarówno ścisłymi jak i fakultatywnymi beztlenowcami.

21 Przebieg procesu Dezintegracja i Hydroliza Dezintegracja Złożone substancje organiczne (komórki bakterii, układy wielkoczasteczkowe) Dezintegracja Policukry Białka Tłuszcze Inertne rozpuszczone Inertne stałe celulazy celobiazy ksynalazy amylazy proteazy lipazy lipazy Cukry proste Aminokwasy DKT Hydroliza Kwasogeneza Metanogeneza

22 Przebieg procesu Dezintegracja i Hydroliza Dezintegracja Złożone substancje organiczne (komórki bakterii, układy wielkoczasteczkowe) Dezintegracja Policukry Białka Tłuszcze Inertne rozpuszczone Inertne stałe celulazy celobiazy ksynalazy amylazy proteazy lipazy lipazy Cukry proste Aminokwasy DKT Hydroliza Kwasogeneza Metanogeneza

23 Przebieg procesu Dezintegracja i Hydroliza Hydroliza Cukry proste Aminokwasy DKT Hydroliza Kwasogeneza Metanogeneza

24 Przebieg procesu Kwasogeneza Cukry proste Aminokwasy DKT Hydroliza Kwasogeneza + octanogeneza Metanogeneza

25 Kwasogeneza i octanogeneza Substratami dla kwasogenezy są cukry, aminokwasy oraz kwasy tłuszczowe. Na kwasogenezę składają się dwa zasadnicze procesy: Fermentacja kwaśna - beztlenowy rozpad wcześniej zhydrolizowanych substancji do lotnych kwasów tłuszczowych oraz do wodoru. Kwasem, którego powstaje najwięcej, jest kwas octowy. Utlenianie beztlenowe kwasów tłuszczowych do formy kwasu octowego. Utlenianie beztlenowe zwyczajowo zwane jest octanogenezą (acetogenezą).

26 Przebieg procesu Kwasogeneza Cukry proste Aminokwasy DKT Hydroliza Lotne Kwasy Tłuszczowe (LKT) Kwas octowy Fermentacja cukrów Fermentacja aminokwasów Utlenianie beztlenowe DKT Utlenianie beztlenowe DKT Metanogeneza Wodór Kwasogeneza octanogeneza

27 Przebieg procesu Kwasogeneza Cukry proste Aminokwasy DKT Hydroliza Lotne Kwasy Tłuszczowe (LKT) Kwas octowy Fermentacja cukrów Fermentacja aminokwasów Utlenianie beztlenowe DKT Utlenianie beztlenowe DKT Metanogeneza Wodór Kwasogeneza octanogeneza

28 Przebieg procesu Metanogeneza Kwasogeneza octanogeneza Kwas octowy Metanogeneza Wodór Metanogeneza

29 Metanogeneza Finalną fazą fermentacji metanowej jest metanogeneza. Jej zasadniczym produktem jest metan, wytwarzany: Na drodze fermentacji kwasu octowego (przez klasyczne metanogeny). Około 60-70% metanu powstaje z kwasu octowego Utleniania wodoru cząsteczkowego dwutlenkiem węgla (przez metanogeny wodorotroficzne).

30 Przebieg procesu Metanogeneza Kwas octowy Wodór Kwasogeneza octanogeneza CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Metanogeneza klasyczna Metan 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O Metanogeneza Metanogeneza wodorotroficzna

31 Przebieg procesu pełny Dezintegracja i Hydroliza Kwasogeneza + octanogeneza Metanogeneza

32 Rosnąca wrażliwość na inhibicję Rosnąca różnorodność mikroorganizmów Rosnąca złożoność substratów organicznych Przebieg procesu pełny 30% Dezintegracja Złożone substancje organiczne (komórki bakterii, układy wielkoczasteczkowe) Policukry 30% Białka 30% Tłuszcze 30% 12% Cukry proste 12% 20% Kwas octowy 64% 13% Fermentacja cukrów Fermentacja aminokwasów Utlenianie beztlenowe DKT Inertne 5% rozpuszczone Inertne stałe 5% 31% Aminokwasy 30% DKT 29% Lotne Kwasy Tłuszczowe (LKT) 29% Metan Utlenianie beztlenowe DKT Metanogeneza klasyczna Metanogeneza wodorotroficzna 100% 30% 30% 30% 5% 5% 1% 20% 16% 30% 64% 26% 90% 6% 29% 9% Wodór 2% 9% 26%

33 Komora o pełnym wymieszaniu pracująca stabilnie Zasilanie Gaz fermentacyjny Brak zasilania Zasilanie ciągłe A teraz? Q Q V A jaka jest teraz? Podgrzewanie osadu Jaka faza procesu jest teraz w tej komorze?

34 Kolejność faz fermentacji Semantyczny sens słowa faza może sugerować rozdzielenie w czasie poszczególnych faz fermentacji, podczas gdy praktyczną istotą fermentacji metanowej jest równoległy, zrównoważony bieg wszystkich faz. Mimo że kolejne etapy fermentacji metanowej każdej cząsteczki wyjściowego substratu następują kolejno jeden po drugim, to jednak w dobrze zbuforowanym środowisku wszystkie fazy występują jednocześnie. Take-home message: Rozpatrywanie faz fermentacji metanowej jako kolejnych przemian, następujących po sobie w miarę upływu czasu, jest uzasadnione jedynie w odniesieniu obserwacji losu pojedynczej cząstki substratu trafiającej do układu.

35

36 Wiek osadu Gaz fermentacyjny Q Q V WO = T V / Q Podgrzewanie osadu Wiek osadu zwykle równy czasowi hydraulicznego przetrzymania

37 Wiek osadu Hydroliza 35 C Kwasogeneza Policukry i białka Lipidy Fermentacja cukrów prostych i aminokwasów Utlenianie beztlenowe Długołańcuchowe kwasy tłuszczowe - DKT (octanogenza) LKT Masłowy Propionowy Metanogeneza Metanogeneza wodorotroficzna - utlenianie wodoru Metanogeneza klasyczna Metanosarcina Metanosaeta Wiek osadu, d Tak jak w procesie osadu czynnego, wiek osadu decyduje, które organizmy mogą pozostawać w komorze fermentacyjnej.

38 Wiek osadu 3d Hydroliza Kwasogeneza Hydroliza policukrów i białek (max ~65% BZT) Fermentacja cukrów prostych i aminokwasów do: LKT (max ~50%) w tym kwas octowy max. ~26% H 2 dalej przekształcony do CH 4 (max ~9%) Przyrost biomasy (max ~6%) Policukry i białka Lipidy Fermentacja cukrów prostych i aminokwasów Utlenianie beztlenowe (octanogenza) Metanogeneza Metanogeneza klasyczna Masłowy Słaba hydroliza lipidów (a w konsekwencji słaba produkcja DKT) Długołańcuchowe kwasy tłuszczowe - DKT Propionowy Metanogeneza wodorotroficzna - utlenianie wodoru Metanosarcina LKT Metanosaeta 35 C Wiek osadu, d Brak octanogenezy kwasu propionowego Brak klasycznej metanogenezy (tylko utlenianie wodoru CH 4 (max ~9%) )

39 Wiek osadu 6d Hydroliza Kwasogeneza Policukry i białka Hydroliza policukrów i białek (max ~65% BZT) Fermentacja cukrów prostych i aminokwasów do: LKT (max ~50%) w tym kwas octowy dalej fermentowany do CH 4 (max ~24%) H 2 dalej utleniany do CH 4 (max ~9%) Lipidy Fermentacja cukrów prostych i aminokwasów Utlenianie beztlenowe (octanogenza) Metanogeneza Metanogeneza klasyczna Masłowy Długołańcuchowe kwasy tłuszczowe - DKT Propionowy Metanogeneza wodorotroficzna - utlenianie wodoru Metanosarcina LKT Metanosaeta 35 C Wiek osadu, d Octanogeneza LKT (bez kwasu propionowego max ~13%) do: Kwasu octowego - ferment. do CH 4 (max ~9%) H 2 - dalej utlenianego do CH 4 (max ~3%) Przyrost biomasy (max ~7%) Metanogeneza H 2 i CH 3 COOH do CH 4 (max ~[ ]% = 45%)

40 Wiek osadu 10d Hydroliza Kwasogeneza Policukry i białka Hydroliza policukrów, białek i lipidów (max ~100% BZT) Fermentacja cukrów prostych i aminokwasów do: LKT (max ~50%) w tym kwas octowy dalej fermentowany do CH 4 (max ~24%) H 2 dalej utleniany do CH 4 (max ~9%) Lipidy Fermentacja cukrów prostych i aminokwasów Utlenianie beztlenowe (octanogenza) Metanogeneza Metanogeneza klasyczna Masłowy Długołańcuchowe kwasy tłuszczowe - DKT Propionowy Metanogeneza wodorotroficzna - utlenianie wodoru Metanosarcina LKT Metanosaeta 35 C Wiek osadu, d Octanogeneza DKT i LKT (w tym kwasu propionowego) do: Kwasu octowego ferment do CH 4 (max ~38%) H 2 dalej utleniany do CH 4 (max ~19%) Produkcja biomasy (max ~10%) Metanogeneza H 2 i CH 3 COOH do CH 4 (max ~[ ]% = 90%)

41 Ubytek SMO (%) Niezbędny czas hydraulicznego przetrzymania Bezpieczny zapas Zakres przejściowy Przewymiarowanie reaktorów Wiek osadu temperatura 35 O C Wiek osadu, d

42 Wskaźnik przyrostu metanogenów [%] Temperatura - procesu

43 Wrażliwość procesu na inhibicję (głównie azot amonowy Stabilność procesu fermentacji Niezbędna kubatura (czas hydraulicznego przetrzymania Temperatura warunki procesu Proces psychrofilowy O C Otwarte komory fermentacyjne (OKF) Małe i średnie obiekty Proces mezofilowy O C Zamknięte komory fermentacyjne (WKF) Duże i średnie obiekty Proces temofilowy O C Zamknięte komory fermentacyjne (WKF) Duże obiekty Mała liczba obiektów

44 Wpływ temperatury na proces

45 Ubytek SMO (%) Wpływ temperatury na proces Osad wstępny Wiek osadu, d

46 Wpływ ph na proces Przedział ph bezpiecznego przebiegu fermentacji metanowej Hydroliza Kwasogeneza Octanogeneza Metanogeneza Klasyczna (HAc) Wodorotroficzna (H 2 )

47 Wzrost wrażliwości na ph Różnorodność gatunkowa mikroorganizmów? Wpływ ph na proces Hydroliza Rozsądna aktywność w zakresie ph 4-9 Kwasogeneza Rozsądna aktywność w zakresie ph 4,5-9 Octanogeneza Rozsądna aktywność w zakresie ph 5-8,5 Metanogeneza wodorotroficzna Rozsądna aktywność w zakresie ph 6-9 Metanogeneza klasyczna Rozsądna aktywność w zakresie ph 6-8,5 Optimum w zakresie ph 6,5-7,8

48 Zasadowość i ph Ważnym czynnikiem wpływającym na efektywność procesu anaerobowego jest zasadowość środowiska. Posiada ona buforujące znaczenie i dlatego odpowiednio znaczna jej wartość ma podstawowy wpływ na utrzymanie właściwej wartości ph. Zasadowość pochodzi z rozkładu substancji organicznych i występuje głównie w postaci jonów dwuwęglanowych, znajdujących się w równowadze z dwutlenkiem węgla w gazie. Korelacja pomiędzy zasadowością, a CO 2 w gazie uzależniona jest od ph.

49 Zasadowość i ph HCO ph 3 4 p( CO2 ) ph 10 HCO3 log p( CO 2 ) WKF OKF [ gcaco 3 / m ] 2000[ gcaco 3 / m ] ph log 6,95 ph log 7, ,35[ atm] ,05[ atm] ph w reaktorze zależne jest od udziału zasadowości oraz od ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla.

50 Zasadowość i ph

51 Równowaga pomiędzy kwasogenezą i metanogenezą (ph) Akumulacja kwasu octowego Zużycie zasadowości Spadek ph Załamanie procesu Akumulacja LKT i DKT Przejście w fermentację kwaśną w WKF Inhibicja metanogenów Nieprzyjemny zapach

52 Równowaga pomiędzy kwasogenezą i metanogenezą (ph) Przekroczenie wydajności metanogenezy Zbyt mała buforowość układu Błędne koło Wzrost stężenia LKT/DKT Wzrost inhibicji metanogenów Zużycie zasadowości Spadek ph

53 Czynniki toksyczne dla procesu fermentacji Do najważniejszych czynników toksycznych należy zaliczyć: Azot amonowy Siarczki Metale lekkie Metale ciężkie Substancje organiczne

54 Azot amonowy Wpływ azotu amonowego na proces fermentacji metanowej jest zależny od jego stężenia w osadzie: do 200 g N/m 3 zaspokaja potrzeby mikroorganizmów, od 200 do 1000 g N/m 3 brak negatywnego wpływu na proces, od 1000 do 3000 g N/m 3 przy zbyt wysokim ph może pojawić się inhibicja procesu, powyżej 3000 g N/m 3 stężenie toksyczne. Za toksyczność azotu amonowego odpowiada jego forma wolna czyli amoniak, który może pasywnie przenikać do komórek mikroorganizmów. Spośród wszystkich grup mikroorganizmów procesu fermentacji metanowej, metanogeny są najbardziej wrażliwe na wysokie stężenie amoniaku

55 Metale ciężkie Metale ciężkie, takie jak kobalt, miedź, żelazo, nikiel, cynk, trafiają do procesu fermentacji wraz ze ściekami lub osadami. Pierwiastki te są nierozkładalne i w formie rozpuszczonej mogą odkładać się w komórkach powodując inhibicję procesów fermentacji metanowej. Toksyczne działanie metali ciężkich polega na zakłóceniu funkcjonowania enzymów poprzez wiązanie cząsteczki metalu z tiolami i białkami oraz poprzez zastąpienie naturalnie występującego metalu w enzymach z grup proteaz jednym z wymienionych pierwiastków.

56 Optymalne warunki procesu fermentacji Parametr Optimum Ekstremum Temperatura, ( C) ph 6,8 7,4 6,2 7,8 Potencjał redoks, mv do do Kwasy lotne, (g/m3 CH 3 COOH) Zasadowość (g/m 3 CaCO 3 )

57 Podsumowanie Bakterie metanogenne są bardzo wrażliwe na zmiany warunków, a zwłaszcza zmiany temperatury oraz ph. Szybka zmiana temperatury może doprowadzić do powstania nadmiaru lotnych kwasów tłuszczowych (LKT) i przejścia układu do fermentacji kwaśnej (błędne koło). Jeżeli jest potrzeba zmiany temperatury, nie należy tego robić gwałtowniej niż 0,5-1 O C/d

58 Produkcja gazu fermentacyjnego

59 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

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

61 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]

62 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

63 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

64 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

65 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 ~( )

66 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%

67 Techniczne aspekty procesu fermentacji Konstrukcje reaktorów Mieszanie Ogrzewanie Parametry projektowe

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

69 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

70 Osadnik gnilny Rewizja Właz Rewizja Kożuch Dopływ Ścieki Odpływ Osad

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

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

73 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).

74 Komory jajowe

75 Komory walcowe

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

77 Mieszanie komór fermentacyjnych Dlaczego musimy mieszać?

78 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

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

80 Mieszadło śmigłowe

81 Mieszadło pompowe (Hallberg)

82 Mieszadło pompowe (Hallberg)

83 Mieszanie gazem

84 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

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

86 Wymiennik spiralny

87 Wymiennik spiralny - czyszczenie

88 Wymiennik rurowy

89 Wymiennik rurowy

90 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]

91 Urządzenia ciągu gazowego

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

93 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.

94 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

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

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

97 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

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

99 Zbiornik dwupowłokowy

100

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

102 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

103 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 ~( )

104 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.

105 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.

106 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

107 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.

108 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

109 O czym dzisiaj nie powiem czy metanogeny to bakterie

110 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)

111 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.

112 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.

113 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

114 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

115 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.

116 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?

117 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?