Jakub Oleszczuk Miejskie Przedsiębiorstwo Gospodarki Komunalnej Sp. z o.o. w Chełmie Prowadzenie procesu kofermentacji w oczyszczalni ścieków Bieławin w Chełmie Do oczyszczalni ścieków Bieławin trafiają ścieki komunalne z miasta Chełma (woj. lubelskie) i okolic. Ścieki w głównej mierze pochodzą z działalności bytowo-gospodarczej, produkowane są przez mieszkańców oraz przemysł i usługi zlokalizowane w mieście. W Chełmie mieszka ok. 67 tys. osób. W latach 2011-2015 obiekt został zmodernizowany. Zakres modernizacji objął praktycznie cały system technologiczny. Do najważniejszych zadań należy wymienić zmianę układu biologicznego oczyszczania ścieków z technologii SBR na układ przepływowy z osadnikami wtórnymi oraz budowę nowej linii zamkniętych komór fermentacyjnych (fot. 1) wraz z obiektami pomocniczymi. Ważnym aspektem stała się również budowa zbiornika ścieków deszczowych o pojemności 4 800 m 3 (fot. 2) oraz wprowadzenie dodatkowego sposobu przetwarzania osadów po odwodnieniu suszenie w słonecznych suszarniach osadów (fot. 3) o łącznej powierzchni hal 5760 m 2. Całkowita ilość ścieków po uwzględnieniu ścieków z przemysłu i usług jest reprezentowana przez RLM = 105 tys. Ścieki przemysłowe wytwarzane są głównie przez spółdzielnię mleczarską oraz producenta koncentratów owocowych. Na terenie miasta funkcjonuje zarówno kanalizacja rozdzielcza, jak i, w bardzo małej ilości, ogólnospławna. W związku z powyższym, w czasie opadów bądź topnienia śniegu napływ ścieków do oczyszczalni wyraźnie wzrasta. Średni przepływ ścieków dopływających do oczyszczalni w latach 2015-2018 wyniósł ok. 10 000 m 3 /d w porze suchej oraz 13 000 16 000 m 3 /d w porze deszczowej. Oprócz ścieków z kanalizacji, do oczyszczalni trafiają również ścieki dowożone wozami asenizacyjnymi. Średnie wartości ścieków surowych w latach 2015-2018 trafiających do oczyszczalni obrazuje tab. 1. Wymagania względem ścieków oczyszczonych zostały ustalone Tab. 1. Średnie wartości ścieków surowych Wskaźnik Jednostka Średnie wartości Temperatura o C 15 16 Fosfor ogólny mg P/dm 3 9 18,1 ChZT Cr mg O 2 /dm 3 700 3500 BZT 5 mg O 2 /dm 3 508 1190 ph ph 6,8 7,1 Azot amonowy mg NH 4 /dm 3 35 58,8 Azot ogólny mg N/dm 3 88 124 Zawiesina ogólna mg/dm 3 600 2000 Chlorki mg Cl/dm 3 100 144 Węglowodory ropopochodne mg/dm 3 5 37 w oparciu o obciążenie oczyszczalni wyrażone w RLM. Wartości dopuszczalne ścieków oczyszczonych po modernizacji w 2015 r. przedstawia tab. 2. Jakość ścieków oczyszczonych odpływających do odbiornika (rzeki Uherki) w latach 2015-2018 przedstawia tab. 3. 36 maj/czerwiec 2018 www.forum-eksploatatora.pl
Fot. 1. Zamknięte komory fermentacyjne V cz = 2 2200 m 3 Tab. 2. Wartości dopuszczalne dla ścieków oczyszczonych Wskaźnik Jednostka Wartość dopuszczalna BZT 5 mg O 2 /dm 3 15,0 ChZT mg O 2 /dm 3 125,0 Zawiesina ogólna mg/dm 3 35,0 Azot ogólny mg N/dm 3 10 Fosfor ogólny mg P/dm 3 1,0 Odczyn ph ph 6,5 9,5 Temperatura o C 35 Chlorki mg Cl/dm 3 1000,0 Azot amonowy mg NH 4 /dm 3 10 Azot azotynowy mg N NO 2 /m3 1,0 Tab. 3. Wartości wskaźników dla ścieków oczyszczonych Wskaźnik Jednostka Średnie wartości Temperatura o C 16,03 Fosfor ogólny mg P/dm 3 0,35 ChZT Cr mg O 2 /dm 3 31,60 BZT 5 mg O 2 /dm 3 3,10 ph ph 7,26 Azot amonowy mg NH 4 /dm 3 0,32 Azot azotynowy mg N NO 2 /dm3 0,06 Azot ogólny mg N/dm 3 4,05 Zawiesina ogólna mg/dm 3 4,82 Chlorki mg Cl/dm 3 150,58 1. Pomysł na fermentację Przed rokiem 2015 oczyszczalnia nie była wyposażona w instalację do produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Wszystkie media (woda grzewcza, energia elektryczna) były pobierane od zewnętrznych dostawców. Układ zmodernizowanej oczyszczalni wprowadził całkowicie nowy element fermentacji metanowej osadów ściekowych w zamkniętych komorach fermentacyjnych. Fermentacja pozwoliła na produkcję paliwa w postaci biogazu. Początki produkcji nie były łatwe. Przede wszystkim należało zapoznać się z urządzeniami oraz całkiem nową technologią. W styczniu 2015 roku dokonano rozruchu wraz z uruchomieniem komór fermentacyjnych. Wartości wielu zmiennych założone w projekcie oraz koncepcja modernizacji nie miały odzwierciedlenia w testach w skali technicznej. Problem, jak w wielu obiektach, był taki sam ścieków miało być więcej (Q proj. śr. = 13 000 m 3 /d), co wyraziłoby się w późniejszym ładunku i obciążeniu komór. Rozruch oraz próby techniczne wykazywały, że albo mamy za mało osadów albo ich jakość nie jest stabilna. Podjęto szereg działań zmierzających do zwiększenia produkcji, np. poprzez zwiększenie ilości usuwanego osadu z układu biologicznego, czy też jego lepsze zagęszczenie do poziomu od 5 6% s.m. (osad nadmierny) oraz 3 5% s.m. (osad surowy). Należy podkreślić, iż obiekt został wyposażony w układ dezintegracji ultradźwiękowej (2 reaktory), który przyjmował ok. 65% www.forum-eksploatatora.pl maj/czerwiec 2018 37
Fot. 2. Zbiornik ścieków deszczowych V cz = 4800 m 3 Fot. 3. Słoneczna suszarnia osadów L = 120 m, H = 12 m 4 osadów nadmiernych. Projektowe obciążenie suchą masą organiczną miało wynieść ok. 1,8 kg s.m.o./m 3 wsadu, zaś realne wartości wynosiły ok. 0,9 kg s.m.o./m 3. Średni przepływ przez oczyszczalnię dla tego roku oscylował w granicach 9 700 m 3 /d. Produkcję biogazu w tym czasie pokazuje rys. 1. Warto zauważyć, iż w roku 2015 oczyszczalnia nie produkowała energii elektrycznej w układzie kogeneracji, ale jedynie energię cieplną w kotle (wynikało to z procesu uzyskiwania koncesji). Rok 2016, to rozpoczęcie produkcji energii elektrycznej w układzie kogeneracji. Przedsiębiorstwo posiadało już wszystkie niezbędne decyzje oraz pozwolenia, więc uruchomiono proces. Obiekt został wyposażony w dwie jednostki agregatów prądotwórczych 2 190 kw. Potencjał produkcji na takim poziomie zapewniłby oczyszczalni prawie 100-procentową samowystarczalność pod względem energii elektrycznej i cieplnej. Produkcję biogazu w roku 2016 obrazuje rys. 2. Analizując dany wykres łatwo zauważyć wzrost produkcji od miesiąca kwietnia, ponieważ właśnie w tym okresie rozpoczęto pierwsze próby z kofermentacją. 2. Pomysł na kofermentację Pierwsze pomysły na prowadzenie kofermentacji zrodziły się na bazie analizy okolicznego rynku produkcyjnego. Do pierwszych prób na układ kofermentacji użyto odpadowej serwatki, potocznie nazywanej permeatem (kod 02 05 80). Po zbadaniu próbek w laboratorium wyznaczono dawki oraz potencjał biogazowy. Od 1 kwietnia 2016 roku podjęto testy w skali technicznej. Dostawy odpadu wynosiły Rys. 1. Produkcja biogazu w 2015 roku średnio 8 t/d. Opadowa serwatka była magazynowana w zagęszczaczu grawitacyjnym o pojemności czynnej 100 m 3. Zmagazynowany produkt poddawano mieszaniu, a następnie dozowano w ilości 5 15 m 3 /d do pompowni osadu wstępnego. Z pompowni osadu wstępnego permeat kierowano do zbiornika osadów zmieszanych. W tym zbiorniku następowało zmieszanie odpadu z osadami. Ilość osadów oscylowała w granicach 50 75 m 3 osadu surowego/d oraz 35 45 m 3 osadu nadmiernego zagęszczonego/d. Część osadu nadmiernego zagęszczonego była poddana dezintegracji ultradźwiękowej (ok. 70%, czyli 24,5 m 3 /d). Taka mieszanina permeatu z osadami była kierowana do procesu fermentacji metanowej prowadzonej w zamkniętych komorach fermentacyjnych. Dostawy tego odpadu są utrzymywane na stabilnym poziomie. Produkcja energii elektrycznej w 2016 roku obrazuje rys. 3. Analizując wykres z rys. 3, dostrzega się wyraźny wzrost produkcji energii elektrycznej od października do grudnia 2016 roku. Wzrost był spowodowany kolejnym etapem w pozyskiwaniu surowców do prowadzenia procesu fermentacji. W połowie września podjęto testy w skali laboratoryjnej na analizowanie potencjału wytwarzania biogazu z wywaru gorzelnianego powstającego z produkcji spirytusu. Od połowy października rozpoczęto dozowanie surowca w wyznaczonych dawkach (20 m 3 /d) do układu fermentacji. Wywar bardzo pozytywnie wpłynął na ilość produkowanego biogazu, ale jego jakość pozostawiała wiele do życzenia. Wraz ze wzrostem produkcji wzrastało gwałtownie zasiarczenie biogazu. W celu utrzymania odpowiedniej jakości oraz ze względu na brak 38 maj/czerwiec 2018 www.forum-eksploatatora.pl
Rys. 2. Produkcja biogazu w 2016 roku Rys. 3. Produkcja energii elektrycznej w 2016 roku stabilności w dostawach, podjęto decyzję o przerwie w jego dozowaniu do układu. Testy zakończono w grudniu 2016 roku. W roku 2017 utrzymano dozowanie serwatki odpadowej do komór fermentacyjnych oraz podjęto działania mające na celu pozyskiwanie kolejnych dostawców surowców wspomagających produkcję biogazu. Na rys. 4 przedstawiono produkcję energii elektrycznej w roku 2017. Pierwszy kwartał roku 2017 był związany z ustabilizowaniem jakości biogazu. Podjęto działania mające na celu przywrócenie jego dobrej jakości pod względem zasiarczenia. Prace zakończono z końcem lutego. W drugim kwartale podjęto rozmowy oraz wykonano testy laboratoryjne nowego surowca, tj. retentatu z produkcji soków owocowych powstającewo w procesach filtracji. Po dobraniu dawek (7 15 m 3 /d) oraz przygotowaniu procedur podjęto testy w skali technicznej. Dozowanie rozpoczęto na przełomie czerwca i lipca, zaś zakończono we wrześniu 2017 roku. Retentat bardzo pozytywnie wpłynął na produkcję biogazu, nie powodując negatywnych skutków w jego jakości. Surowiec jest uzależniony od produkcji w danym przedsiębiorstwie, Rys. 4. Produkcja energii elektrycznej w 2017 roku tj. przetwarzania truskawek, malin, aronii, czarnego bzu i jabłek. Kaloryczność tego produktu jest zmienna. Najbardziej efektywną fermentację uzyskiwano przy dozowaniu retentu z przetwarzania truskawek. W ostatnim kwartale 2017 roku rozpoczęto kolejne testy laboratoryjne, związane z odbiorem osadów zagęszczonych z pobliskich mniejszych oczyszczalni ścieków. Na przełomie października i listopada rozpoczęto testy w skali technicznej dozowania specjalnie przygotowanych zagęszczonych osadów ściekowych (kod 01 05 99 inne niewymienione odpady). Testy przyniosły wzrost produkcji biogazu przy zachowaniu bardzo dobrych parametrów jakościowych. Optymalna dawka wprowadzanego osadu wynosiła 25 m 3 /d. Na początku grudnia 2017 roku podjęto ponownie testy dozowania wywaru gorzelnianego do układu fermentacji. Znając jego właściwości zmieniające jakość biogazu (wzrost zasiarczenia), zmieniono dawki i podjęto temat na nowo. Od połowy grudnia 2017 roku wywar jest dozowany ze wszystkimi innymi surowcami wraz osadami własnymi do procesu fermentacji. Aktualnie dawka wywaru waha się od 8 do 25 m 3 /d (wielkość dawki jest ściśle uzależniona od zasiarczenia biogazu surowego, utrzymywanego na poziomie ok. 400 ppm H 2 S). Na początku artykułu wspomniano również o dezintegracji ultradźwiękowej, wiedząc, iż jest to temat wielu rozważań oraz podzielonych opinii, chciałbym dodać, że od 1 kwietnia 2018 roku postanowiliśmy ją wyłączyć. Wyłączenie wiąże się wyłącznie z chęcią testu w skali technicznej jej efektywności. Test będzie trwał ok. 6 miesięcy. Produkcja od www.forum-eksploatatora.pl maj/czerwiec 2018 39
Rys. 5. Produkcja energii elektrycznej w 2018 roku końca grudnia stała się stabilna, jakość biogazu jest bardzo dobra, zaś produkcja energii na początku 2018 roku kształtuje się jak pokazano na rys. 5. 3. Efekt ekonomiczny Oczyszczalnia ścieków Bieławin w Chełmie, przechodząc modernizację w latach 2011-2015 korzystała z współfinansowania przez Unię Europejską ze środków Funduszu Spójności w ramach Programu Infrastruktura i Środowisko, przez co nie może wyprodukować i sprzedawać więcej energii niż zakup z sieci. Z tego powodu bardzo ważna dla pracy oczyszczalni stała się kontrola energetyczna całego układu pod względem wtłoczenia energii do sieci. Praca oczyszczalni od momentu wprowadzenia zwiększonej ilości surowców do procesów fermentacji w latach 2017-2018 uzależniona jest od możliwości pochłonięcia przez nią wyprodukowanej energii elektrycznej (fot. 4). Ostatnie pół roku pracy pokazuje, iż stosunek pokrycia zapotrzebowania energetycznego przez oczyszczalnię do energii wyprodukowanej wynosi 81% (rys. 6). Jest oczywiste, że wynik ten jest uzależniony od aktualnej energochłonności obiektu oraz, co ważniejsze, od dostawców zewnętrznych. W przyszłości, po wygaśnięciu trwałości projektu, możliwe będzie zwiększenie produkcji energii, ale tylko poprzez pozyskiwanie nowych dostawców odpadów do zwiększania produkcji biogazu. W dłuższej perspektywie konieczna stanie się budowa stacji przyjęcia surowca wraz układem jego przygotowania, tj. separacją, maceracją czy rozcieńczaniem. połączone z dbałością o środowisko naturalne skutkuje wprowadzaniem przepisów promujących stały wzrost udziału energii ze źródeł odnawialnych. Wśród alternatywnych źródeł energii udział wykorzystania biogazu stale rośnie. Zastosowanie nowoczesnych rozwiązań w oczyszczalni Bieławin pokazuje skuteczną i zarazem korzystną pod względem ekonomicznym metodę gospodarki odpadami. Opłacalność Fot. 4. Układ kogeneracji 2 190 kw produkcji biogazu jest wysoka, ale stale uzależniona od kosztów amortyzacji i serwisowania urządzeń. Prowadzenie samego procesu kofermentacji ściśle uwarunkowane jest składem surowca oraz możliwościami technologicznymi samych komór fermentacyjnych. Wprowadzanie surowców bez pełnej analizy laboratoryjnej może się przyczynić nie tylko do pogorszenia produkcji biogazu, ale i do pogorszenia jego jakości. Ważnym aspektem podczas prowadzenia procesu kofermentacji jest określenie odpowiednich dawek wsadu wraz z ich ciągłym kontrolowaniem pod względem własności fizykochemicznych. Przedstawione bilansy energetyczne dla okresów od momentu badań, rozruchu i przejęcia do eksploatacji w 2015 roku świadczą o dużym rozwoju i potencjale oczyszczalni ścieków Bieławin w Chełmie. Na koniec chciałbym podziękować współpracownikom za sumienną i rzetelną pracę, zaangażowanie i zdyscyplinowania oraz wzorowe wypełnianie obowiązków służbowych. 4. Wnioski Zapotrzebowanie na energię niezbędną do funkcjonowania gospodarki Rys. 6. Bilans zużycia energii elektrycznej do produkcji 40 maj/czerwiec 2018 www.forum-eksploatatora.pl