energia woda środowisko Oczyszczalnia ścieków czy bio-rafineria? Ścieki/odpady jako źródło energii (biogaz), wody, substancji pożywkowych i innych wartościowych surowców W ostatnim czasie szczególnego znaczenia ekonomicznego nabrało zagadnienie OZE (Odnawialnych Źródeł Energii) stając się dodatkowym bodźcem finansowym inwestycji w sektorze oczyszczania ścieków umożliwiającym czerpanie korzyści zarówno z wytworzonej energii jak i z zielonych certyfikatów przy jednoczesnej możliwości znacznego dofinansowania projektów. Praktycznie w przypadku oczyszczania ścieków oznacza to zastosowanie tam, gdzie jest to możliwe ze względu na charakterystykę ścieków technologii przetwarzających zanieczyszczenia organiczne do biogazu, który z kolei przetwarzany jest w instalacji kogeneracyjnej na energię elektryczną i cieplną. Z drugiej strony zaczęto traktować ścieki zarówno komunalne jak i powstające w trakcie procesów produkcyjnych jako zasób, z którego można odzyskiwać wartościowe produkty takie jak woda, substancje pożywkowe w postaci nawozów bogatych w azot i fosfor czy biopolimery. Takie postrzeganie ścieków wynika m.in. ze wzrastającego zapotrzebowania na wodę wraz z rozwojem cywilizacyjnym, jej niedoborem, a tym samym wzrostem cen wody. dr inż. Bogusław Buczak Veolia Water Systems sp. z o.o. Powszechnie znany jest fakt kurczenia się zasobów fosforu na świecie, pierwiastka niezbędnego dla życia na ziemi, którego wkrótce może zabraknąć. Ścieki jak i odpady bogate są we wszystkie te elementy. Realizacja filozofii zmierzającej do redukcji śladów węglowego, wodnego i odzysku energii w świecie ściekowym była czynnikiem stworzenia pojęcia bio-rafinerii, co oczywiście wynika z faktu rozkładu substancji zawartych w ściekach poprzez procesy biochemiczne tj. przy wykorzystaniu mikroorganizmów. Ogólną ideę bio-rafinerii przedstawia poniższy schemat ideowy. Jeszcze niedawno była to idea przyszłości, jednak dzięki gwałtownemu rozwojowi technologii oczyszczania ścieków i przetwarzania produktów, możemy z całą pewnością stwierdzić iż to dzień dzisiejszy. Oczywiście wdrożenie tej idei w skalę przemysłową wymaga zastosowania najnowocześniejszych technologii, które z jednej strony muszą spełnić wymagania procesowe, być wysokoefektywne, a z drugiej stawić czoła wyzwaniom ekonomicznym. Powodem do dumy jest fakt, iż instalacje realizujące powyższą ideę już pracują i są budowane w Polsce będąc unikalnymi rozwiązaniami w skali światowej. Przykłady takich instalacji zrealizowanych i budowanych przez VWS prześledźmy na przykładzie: SM Mlekovita w Wysokim Mazowieckim i Jednego z największych producentów czekolady i karmy dla zwierząt. SM Mlekovita SM Mlekovita jeden z największych producentów mleka i przetworów mlecznych w niemal całym ich spektrum generuje 5000m 3 ścieków/d o ładunku organicznym 30tChZT/d. Wraz ze ściekami komunalnymi wielkość oczyszczalni możemy określić na 330 000 RLM (Równoważna Liczba Mieszkańców). Ścieki produkcyjne i komunalne oczyszczane były dotychczas w istniejącej klasycznej oczyszczalni pracującej w technologii osadu czynnego. Wzrost produkcji spowodował konieczność moderni- 53
Kryteriami wyboru były: Ca łośc iowa a na l i za ekono miczna: koszty inwestycyjne i eksploatacyjne Aspekty procesowe i ekonomiczne; kompensacja nakładów inwestycyjnych poprzez zysk z produkcji biogazu Zachowanie właściwego bilansu C/N Wnikliwa analiza charakterystyka ścieków, w tym poszczególnych frakcji ChZT Ryzyka procesowe związane ze składem oraz skomplikowaniem procesu oczyszczania W wyniku tej analizy dokonano wyboru technologii wg wariantu VWS tj wariantu 1. Wariant 2 nie spełniał kryteriów m.in. z następujących powodów: Wysokie stężenie tłuszczów w ściekac h surow yc h z SM zacji i rozbudowy istniejącej instalacji. Cele i wymagania rozbudowy i modernizacji były bardzo wysokie i zawierały m.in.: Uzyskanie efektu ekologicznego Przejęcie zwiększonych ładunków zanieczyszczeń Wykorzystanie istniejącej infrastruktury Zamknięcie rozbudowy i modernizacja oczyszczalni w obrębie istniejącej działki Proces oczyszczania powinien być energooszczędny, prosty i przebiegać w znacznym stopniu samoczynnie, przy minimalnym nadzorze personelu Uciążliwość oczyszczalni powinna być ograniczona do minimum Zastosowane rozwiązania technologiczne powinny minimalizować ilość powstających osadów Produkcja zielonej energii energetyczne wykorzystanie powstającego biogazu Zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych przekształcenie oczyszczalni z instalacji koszto twórczej w samowystarczalną lub zysko twórczą I nwest yc ja musiała być realizowana przy jednoczesnej nor mal nej prac y ist n iejącej oczyszczalni. Mlekovita 1000 mg/l (reaktory beztlenowe wysoko obciążone mogą pracować przy maks. stężeniu 100 mg/l). Kon ieczność głębok iego usuwa n ia EE ze śc ieków >90% => b. i nte n s y w ne dozowa n ie chemii => zwięks z e n ie ko s z t ów e k s plo at a c y jnych => duże ilości osadu c hem ic znego. Procesowo na g ra n ic y możl iwośc i Wraz z usuwaniem tłuszczów zmniejszenie ładunku ChZT w reaktorze beztlenowym => zmniejszenie produkcji biogazu. Głęboka redu kc ja Ch ZT w procesie flotacji => możliwe zaburzenie bilansu C/N dla procesu tlenowego => konieczność by-passu ścieków lub dozowania C => zapewnienie W pierwszym kroku konieczne było opracowanie optymalnej koncepcji technologiczno-procesowej. 54 4/2013 e-w ydanie do pobrania na: www.agro.apbiznes.pl
normalnej pracy części tlenowej możliwe t ylko przy niskiej w ydajnośc i prac y rea ktora beztlenowego) Spodziewane problemy procesowe z przyczyn omówionych wc ze śn iej ora z negat y w ny wpływ produktów hydrolizy tłuszczów LCFA (długołańcuchowych kwasów tłuszczowych) na metanogenezę, krystalizacja białek, dezi nteg rac ja osadu granulowanego, możliwa niestabilna praca reaktora, niskie obciążenia. Inwestycję: Rozbudowa i Modernizacja Oczyszczalni Ścieków z systemem kogeneracji rozpoczęto z podpisaniem umowy 1.02.2011 i zakończono wraz z rozruchem/ rozruchu/parametryzacja instalacji: 15.09.2013. Prace obejmowały: Opracowanie dokumentacji technicznej i uzyskanie stosownych pozwoleń administracyjnych Projekt bazowy (koncepcja technologii) Decyzja o środowiskowych uwarunkowaniach zgody na realizację przedsięwzięcia, pozwolenie wodnoprawne, pozwolenie na wytwarzanie odpadów, warunki przyłączeniowe dla kogeneracji Projekt Budowlany Decyzja o pozwoleniu na budowę Projekt Wykonawczy Realizacja robót budowlano-montażowych Realizacja robót budowlanych i sieci zewn. (ok. 25% wszystkich robót) Realizacja instalacji elektrycznych i AKPiA (ok. 10% wszystkich robót) Realizacja instalacji technologicznych (ok. 65% wszystkich robót) e-w ydanie do pobrania na: Rozruch instalacji i przekazanie instalacji do użytkowania Projekt rozruchu, rozruch mechaniczny i technologiczny instalacji Dok u me nt ac j a p ow yko nawcza (w tym instrukcja eksploatacji) Sprawdzenie gwarancji technologicznych Pozwolenie na użytkowanie, zgłoszenie emisji/ew. uzyskanie pozwolenia Zastosowane technologie: DAF (flotacja ciśnieniowa) ma Modyfi kacja procesowa osadu czynnego Wyniki pracy oczyszczalni ścieków Oczyszczalnia osiąga wszelkie parametry ścieków oczyszczonych zgodnie z przepisami w zakresie znacznie przewyższającym wymagania, co przedstawia poniższa tabela. Praca reaktora beztlenowego Biobulk jąca na celu odciążenia komór napowietrzania ładunkiem organicznym w zakresie 30-50% Beztlenowa fermentacja osadu poflotacyjnego i nadmiernego w reaktorze beztlenowym Biobulk o pojemności 7000m3. Linia biogazowa i kogeneracja 2 x 800kW Reaktor beztlenowy Biobulk jest zasilany substratem osadem z trzech źródeł: Osad z DAF (flotacja ciśnieniowa) Serwatka Osad tlenowy (osad nadmierny z KOCZ) Produkcję biogazu przedstawia poniższy wykres. Ścieki oczyszczone Parametr Jednostka Wartość dopuszczalna Średnia Odchylenie BZT5 25 6-76,00% 125 51-59,20% 35 11,7-66,57% ChZT mg/dm Zawiesina Fosfor 2 1,47-26,50% Azot ogólny 30 4,4-85,33% Azot amonowy 10 1,47-85,30% Azot azotanowy 30 0,97-96,77% www.agro.apbiznes.pl 3 55
xxxxxxxxxxxxx Reaktor pracuje zgodnie z założeniami. Uwagę zwraca bardzo stabilna praca reaktora mimo zmienności składu substratu Produkcja metanu CH 4 osiąga wyższy poziom +10% od zakładanego Brak uciążliwości zapachowej proces w pełni zhermetyzowany. Oczyszczalnia po modernizacji: widok reaktora beztlenowego Aspekty ekonomiczne/ podsumowanie: Modernizacja istniejącej oczyszczalni SM Mlekovita, nie tylko pozwoliła na przejęcie dodatkowych ładunków wynikających ze wzrostu produkcji, osiągnięcie efektu ekologicznego, ale zmieniła charakter oczyszczalni w sensie ekonomicznym z producenta kosztów na producenta zysków poprzez odzysk zawartej w ściekach energii. Wyliczony zysk po odjęciu kosztów eksploatacyjnych będzie wynosił przy pełnym obciążeniu ok. 3,25 M PLN/ rok. Istniejąca oczyszczalnia generowała koszty na poziomie 2-2,5M PLN/rok (energia, chemia, osady etc). Finalna różnica finansowa wynosi ok. +5,5M PLN/rok Jest to pierwsza instalacja tego typu w przemyśle mleczarskim w Polsce o dodatnim bilansie energetycznym uzyskiwanym z tzw. zielonej energii w takiej skali. Fabryka czekolady i karmy dla zwierząt (instalacja w trakcie budowy) Zwiększenie mocy produkcyjnych jak i strategia globalna firmy stawiająca ambitne zadania redukcji śladów węglowego, wodnego i zwiększenia efektywności energetycznej zaowocowała podjęciem decyzji o budowie nowej instalacji oczyszczania ścieków i utylizacji powstających w trakcie produkcji odpadów w oparciu o najnowsze dostępne technologie z produkcją biogazu i odzyskiem wody. Cele i wymagania projektu: Jednoczesna utylizacja ścieków i odpadów Produkcja biogazu. Największa możliwa Zrzut ścieków oczyszczonych do rzeki Zamknięcie obiegu wodnego dla 50% oczyszczonych ścieków tj. odzysk wody ze ścieków. Wymagane badania pilotowe. Ograniczenia terenu dostępnego pod budowę. Spełnienie wszelkich wymagań prawnych i ekologicznych oraz wymogów korporacyjnych W oparciu o przeprowadzone intensywne 4 miesięczne badania pilotowe rozważane były 2 alternatywne linie technologiczne: Alternatywa 1 VWS: Najnowsza technologia beztlenowa oparta o reaktor membranowy Memthane Wraz z sekcją doczyszczającą złożoną z: Procesu deamonifikacji na złożu zawieszonym Anita- MOX (redukcja NNH 4 ) Tlenowym reaktorze membranowym (UF) Biosep (MBR) zakończona modułem RO (odwróconej osmozy). Alternatywa 2 Rozwiązanie oparte na klasycznej komorze fermentacyjnej współpracującym z sekcją separacji faz oraz sekcją doczyszczającą opartą na klasycznym procesie osadu czynnego Wyniki badań oraz ostateczne porównanie alternatyw technologicznych doprowadziło do wyboru alternatywy 1, Porównanie przedstawiono w tabeli poniżej: Memthane ANITA Mox Biosep RO 56
energia woda środowisko Parametry procesowe WKF + Memthane separacja + Anitamox/ + osad Biosep czynny Obciążenie objętościowe reaktora >2 x większe beztlenowego (kgchzt/m 3 ) Objętość czynna reaktora (m 3 ) Redukcja ChZT (%) Redukcja ChZT mg/l Produkcja metanu/biogazu (Nm 3 /d) Produkcja energii w CHP (MW/d) Produkcja osadu (kg/d) > 2 x mniejsza ~ 99 ~90-95 20 000mg/l =>200 +23%/+13% +23% 1,5 x mniejsza Wielkość sekcji doczyszczającej ~4 x mniejsza (m 3 ) Wielkość by- -passu ścieków surowych (%) brak konieczny Zapotrzebowanie na powietrze (Nm 3 /h) Zapotrzebowanie na przestrzeń (m 2 ) > 4 x mniejsze 2 x mniejsze Zastosowane technologie: Membranowa technologia beztlenowa MEMTHANE Propozycja w tym zakresie Veolia Water Systems (VWS) oparta jest na wiedzy i szerokim doświadczeniu, jakie firma zdobyła w dziedzinie technologii beztlenowych w realizacji ponad 600 instalacji beztlenowych. Od ponad 40 lat rozwijamy technologie fermentacji metanowej dla różnorodnych zastosowań. W naszych laboratoriach nieustannie prowadzone są badania nad optymalizacją procesu, możliwościami poddania fermentacji różnych substratów jak i konstrukcją nowych reaktorów. W Polsce technologie beztlenowe reaktora, a tym samym krótki promujemy i wdrażamy od lat 90- czas zatrzymania i relatywnie tych ub. wieku. Naszymi klientami niewielkie kubatury. Znajdują one byli i są m.in. Kompania Piwowarska (Tyskie Browary Książęce), przemysłowych jak ścieki browar- zastosowanie w wielu sektorach Carlsberg, Maspex - 4 instalacje nicze, z produkcji soków, napojów, (Tymbark Olsztynek I, II, Tymbark, chemiczne, papiernicze etc. Ekoland), Cargill, Hellena, Frito Lay, Jednak w wielu przypadkach McCain, Anwil SA, Nestle, Mlekovita, Agrana Fruit, Mondi,PKN Orlen ścieki/odpady znacznie wykra- generowane przez przemysł (Anwil). czają poza wymienione powyżej zakresy parametrów. Często W latach 80./90. ub. wieku wprowadziliśmy na rynek reaktory UASB i tzw. reaktory wysoko o stężeniach ChZT>20g/l i jednocze- mamy do czynienia że ściekami obciążone Biobed EGSB oparte snym wysokim stężeniu zawiesin i na technologii osadu granulowanego, co stanowiło przełom do tej pory możliwe schematy tłuszczów. W takich przypadkach, w zastosowaniu technologii beztlenowej w przemyśle na szeroką się do 2 alternatyw: fermentacji metanowej ograniczały skalę. Reaktory te nadal stanowią najbardziej zaawansowaną reaktorów typu CSTR (komór Zastosowania klasycznych i szeroko stosowaną technologię fermentacyjnych) opartych o aplikacji beztlenowych w zakresie osad kłaczkowaty. Te jednak ich stosowalności tj. dla ścieków charakteryzują się bardzo niskimi obciążeniami, a co za średnio stężonych od 1,2-15g ChZT/l (ChZT Chemiczne Zapotrzebowanie Tlenu), o stosunkowo co znacznie ogranicza ich sto- tym idzie dużymi kubaturami, niskich zawiesinach <500mg/l sowalność w praktyce. Możliwe i braku ekstraktu eterowego redukcje ChZT w tym przypadku sięgają ok. 90%. (tłuszczów) <50mg/l. Technologia osadu granulowanego została Zastosowania reaktorów wysoko obciążonych z osadem granu- stworzona przede wszystkim dla rozkładu ChZT rozpuszczonego. lowanym takich jak IC czy EGSB. Jej atutami są wysokie obciążenia Wadą takiego rozwiązania jest Beztlenowy reaktor membranowy schemat 57
energia woda środowisko xxxxxxxxxxxxx jednak konieczność intensywnego wstępnego usuwania zawiesin i tłuszczów najczęściej w procesie flotacji (dozowanie chemii, produkcja dużych ilości osadu), a tym samym związanego z nimi ChZT. Oczywiście wiąże się to z odpowiednio niższą produkcją biogazu i koniecznością rozcieńczania ścieków do akceptowalnych stężeń. W tym przypadku produkcja biogazu odnosi się zwykle do 50-70% ładunku ChZT zawartego w ścieku surowym. Wychodząc naprzeciw zapotrzebowaniu na wysokoefektywny reaktor dla w/w rodzajów strumieni o stężeniach >20g ChZT/l Veolia Water Systems opracowała, przetestowała i wprowadziła na rynek innowacyjną technologię MEMTHANE - beztlenowy reaktor membranowy pozwalający na osiągnięcie z jednej strony najlepszej możliwej jakości strumienia podczyszczanego, a z drugiej najwyższej możliwej ilości produkowanego biogazu. Redukcja ChZT w tym przypadku to 95-99,5% w zależności od zastosowanego substratu. Ilość produkowanego metanu jest ściśle związana z usuniętym ładunkiem ChZT i wynosi ok. 0,35Nm 3 CH 4 (metanu)/kg ChZT usuniętego. Tak więc im wyższa redukcja ChZT tym większa ilość produkowanego metanu MEMTHANE został specjalnie opracowany przez VWS do oczyszczania wysoce stężonych ścieków oraz szlamów, które są trudne do oczyszczania ze względu na obecność substancji toksycznych (np. wysokie stężenia NH3), wysokiego zasolenia, oraz dużej zawartości zawiesin i/lub ekstraktu eterowego. MEMTHANE jest kompaktowym systemem oczyszczania łączącym biologiczną degradację z procesem separacji membranowej. Strumień ścieków dopływających kierowany jest do reaktora beztlenowego, gdzie fermentacji ulegają związki organiczne. Procesowi temu towarzyszy produkcja biogazu. Następnie ścieki przefermentowane przepływają przez pakiet membran filtracyjnych, gdzie następuje oddzielenie»czystego«filtratu (permeat) od biomasy. Biomasa jest zawracana do reaktora, podczas gdy permeat pozbawiony części stałych i z niską zawartością BZT/ ChZT jest odprowadzany. Zawiesiny (w tym bakterie) oraz roztwory koloidalne są zatrzymywane na membranach, a tym samym pozostają one w reaktorze biologicznym. Korzyści są dwojakie: Znaczna poprawa jakości ścieków na odpływie z uwagi na brak zawiesin oraz zredukowane stężenia koloidów i związanego z nimi ChZT i BZT Znaczny wzrost stężenia aktywnej biomasy w reaktorze, co pozwala na wzrost efektywności biologicznego oczyszczania. Unikalna konfiguracja membran, zlokalizowanych na zewnątrz poza reaktorem daje prosty i łatwy w utrzymaniu niezależny i zamknięty system. Likwiduje to problem potencjalnej emisji nieprzyjemnych zapachów. Technologia ANITA Mox Skrócona droga eliminacji NNH 4 W trakcie rozkładu beztlenowego ścieków wskutek rozkładu białek azot organiczny ulega prawie w całości transformacji w azot amonowy. W rozpatrywanym przypadku stężenia azotu amonowego sięgają kilkuset mg/l przy jednoczesnym deficycie węgla rozkładalnego, co wynika z wysokiej efektywności reaktora Memthane i wysokiej produkcji biogazu. W takich warunkach konieczne jest zastosowanie innego procesu niż klasyczna eliminacja azotu poprzez nitryfikację i denitryfikację. W tym przypadku zastosowanie technologii ANITA Mox jest nieocenione. Klasyczna eliminacja azotu Skrócona eliminacja azotu Anita MOX Proces realizowany jest w warunkach beztlenowych w warstwie biofilmu. Wytwarzanego na nośnikach kształtkach. Efektem zastosowania procesu ANITA Mox jest Zużycie energii (-60%) Emisja CO 2 (-80%) Brak konieczności dostarczania łatwo rozkładalnego C (ChZT) Wysokie obciążenia mała kubatura reaktora 58
Proces tlenowy membranowy Biosep oraz RO Odzysk wody wymaga odpowiedniego przygotowania ścieków przed odwróconą osmozą, a w szczególności osiągnięcie stężeń BZT poniżej 5 mg/l, co pozwoli na uniknięcie biofoulingu membran RO. W tym przypadku najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie reaktora tlenowego z ultrafiltracją. Cechami charakterystyczną technologii Biosep jest: Elastyczność w stosowaniu membran możliwe zastosowanie membran zanurzonych jak i w układzie suchym. Całkowita eliminacja zawiesin Najwyższy możliwy stopień usunięcia biodegradowalnego ChZT, BZT, N I P. Doskonała mikrobiologiczna jakość odpływu (przekraczająca jakość wody do kąpieli wg. Dyrektywy 2006/7/EC, Annex II klasyfikacja jakość doskonała ) Jakość odpływu odpowiednia dla aplikacji zawracania wody. Pełna ochrona modułu RO. ekologicznego, przy zmienionym charakterze oczyszczalni z producenta kosztów na producenta zysków poprzez odzysk zawartej w ściekach energii i wody. Niewymierne wynikające z wizerunku tzw. zielonego producenta Zapewne jedne i drugie prowadzą do zwiększenia konkurencyjności przedsiębiorstwa poprzez m.in. obniżenie kosztów produkcji. Omawiana instalacja będzie unikatowa w skali światowej. Rozruch nastąpi jeszcze w tym roku, a oddanie do eksploatacji w pierwszej połowie 2015.. Podsumowanie Idea Biorafinerii stała się faktem. Do produkcji biogazu i zamykania obiegów wodnych dołączają kolejne procesy odzysku wartościowych surowców ze ścieków. Wspomniane nawozy jak MAP (fosforan amonowo magnezowy), czy produkowane z osadu biopolimery. Rynek wykazuje coraz większe zainteresowanie nowymi technologiami i tego rodzaju aplikacjami. Z pewnością jest to kierunek, który będzie się w najbliższym czasie intensywnie rozwijał, by wkrótce stać się obowiązującym standardem. Zapraszamy do współpracy. Veolia Water Systems sp. z o.o. ul. Balicka 48, 30-149 Kraków tel. 12/ 423 38 66 www.veoliawaterst.pl Projekt instalacji oczyszczania ścieków i utylizacji odpadów z produkcją biogazu i odzyskiem wody Zdjęcie inwestycji realizującej podobne cele zbudowanej przez VWS: Tymbark Olsztynek Moduł fi ltracyjny reaktora Biosep Aspekty ekonomiczne/ podsumowanie Ponownie jak w przypadki SM Mlekovita aspekty nowatorskiego podejścia do zagadnienia gospodarki ściekowej i odpadami prowadzą do szeregu korzyści takich jak: Ekonomiczne, wymierne, które pozwolą na osiągnięcie efektu 59