fermentacja metanowa, dezintegracja, osady ściekowe, biogaz Krzysztof ISKRA * WYBRANE ASPEKTY OCENY STOPNIA DEZINTEGRACJI OSADU NADMIERNEGO Jedną z możliwości ograniczenia ilości osadów jest wstępna obróbka nadwyżek osadu biologicznego z komór osadu czynnego poprzez ich dezintegrację. Proces ten może być stosowany, w zależności od indywidualnych potrzeb m.in. do: produkcji łatwo przyswajalnego węgla dla biologicznych procesów usuwania związków biogennych, walki z bakteriami nitkowatymi czy poprawy efektywności stabilizacji beztlenowej osadów. Szczególnie interesująca wydaje się dezintegracja zagęszczonego osadu nadmiernego podawanego (wraz osadem wstępnym) do komór fermentacyjnych ze względu na wzrost produkcji biogazu oraz zmniejszenie ilości osadów. W ramach pracy dokonano syntetycznego przeglądu narzędzi służących do szybkiej oceny stopnia dezintegracji osadu nadmiernego oraz przeprowadzono eksperyment polegający na fermentacji metanowej strumienia osadu dezintegrowanego metodą ultradźwiękową w reaktorach wsadowych. 1. WSTĘP Jednym z najistotniejszych problemów związanych z funkcjonowaniem komunalnych oczyszczalni ścieków są nadmierne ilości powstających odpadów, w tym głównie osadów ściekowych. W ciągu ostatnich lat obserwuje się systematyczny wzrost masy wytwarzanych osadów związany głównie z rozwojem sieci kanalizacyjnych, a także ze stopniowym wzrostem poziomu życia mieszkańców. Według sporządzonych prognoz masa osadów ściekowych pochodzących z komunalnych oczyszczalni ścieków w roku 2022 będzie się kształtować na poziomie 746 tys. Mg s. m., co stanowi ponad dwukrotny przyrost z porównaniu z rokiem 2000 [1, 2]. Jeśli dodatkowo * Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, pl. Grunwaldzki 9, 50-377 Wrocław.
198 K. ISKRA uwzględnić ilość osadów tymczasowo zdeponowanych w obrębie oczyszczalni to skala problemu unieszkodliwiania osadów ściekowych staje się ogromna. Częściowym rozwiązaniem problemu nadmiernych ilości osadów ściekowych jest ich wstępna obróbka w procesie dezintegracji. W ostatnich latach szczególnie interesującym zagadnieniem jest dezintegracja nadmiernego osadu czynnego kierowanego wraz z osadem wstępnym do komór fermentacyjnych głównie z punktu widzenia zwiększonej produkcji gazu fermentacyjnego [3-5]. 2. MOŻLIWOŚCI OCENY STOPNIA DEZINTEGRACJI OSADU Niestety, pomimo wielu badań z zakresu procesu dezintegracji brakuje wciąż ujednoliconych zasad pozwalających na szybką i skuteczną ocenę stopnia dezintegracji osadu. Wśród wielu narzędzi służących do zobrazowania efektów dezintegracji należy wyróżnić 3 grupy wskaźników: wskaźniki bezpośrednie wskaźniki pośrednie (technologiczne) wskaźniki energetyczne. Pierwsza grupa wskaźników informuje o zmianie struktury i właściwościach fizykochemicznych osadu oraz cieczy osadowej bezpośrednio po procesie. Najczęściej definiowana jest w oparciu o takie wskaźniki jak: chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji rozpuszczonych (ChZT rozp.), lotne kwasy tłuszczowe (LKT), proteiny bądź zmiany suchej masy organicznej. Inne z kolei bazują na wielkości cząstek osadu bądź na szybkości oddychania mikroorganizmów przed i po procesie [6]. Druga grupa indykatorów (wskaźniki technologiczne) przedstawia zmiany długoterminowe, po wprowadzeniu wstępnej obróbki osadu, zachodzące podczas procesu stabilizacji (ew. odwadniania). W odniesieniu do fermentacji metanowej są to: wzrost sumarycznej produkcji biogazu względem konwencjonalnej fermentacji metanowej wzrost jednostkowej produkcji biogazu (m 3 /kg s.m.o., m 3 /m 3 komory) zmiany zawartości składu biogazu (zawartość metanu) wyższy stopień mineralizacji osadu. Ostatnia, trzecia grupa wskaźników, informuje o poniesionych nakładach energetycznych w stosunku do zrealizowanego celu. Wśród nich można wyróżnić: energię właściwą (Es), czyli ilość włożonej energii względem dezintegrowanej masy osadów (kwh/kg s.m., kj/kg s.m.) energię objętościową (Ev), czyli ilość włożonej energii względem dezintegrowanej objętości osadów (kwh/m 3, kj/m 3 ) energię hydrolizy (Eh), czyli ilość włożonej energii względem masy upłynnionego ChZT (kwh/δ kgo 2, kj/δ kgo 2 ).
Wybrane aspekty oceny stopnia dezintegracji osadu nadmiernego 199 3. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Badania fermentacji metanowej przeprowadzono w 5-ciu, szklanych reaktorach o pojemności całkowitej 6 dm 3. W celu utrzymania stałej temperatury 36. 0 C reaktory umieszczono w zbiorniku wodnym zasilanym czynnikiem grzewczym z ultratermostatu. Aby zapewnić równomierny rozkład temperatury umieszczono w zbiorniku pompę zatapialną do ciągłej cyrkulacji wody. Temperatura była rejestrowana on-line na komputerze. System mieszania zrealizowano poprzez zamontowanie pomp w układzie cyrkulacji osadu osobno dla każdego reaktora. Pomiar ilości wyprodukowanego biogazu wykonywano metodą manometryczną. Raz dziennie, o ustalonej porze, odczytywano przyrost ciśnienia w reaktorach za pomocą klasycznego manometru wskazówkowego. Szczelność układu zachowano dzięki zastosowaniu zamknięcia wodnego przewodu służącego do poboru prób oraz zastosowaniu dopasowanego zamknięcia z elastycznego materiału. Na rysunku 1 przedstawiono schemat stanowiska przeznaczonego do badań procesu fermentacji metanowej. układ cyrkulacji osadu ultratermostat reaktory do fermentacji pobór prób zbiornik z płaszczem wodnym Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego do fermentacji metanowej
200 K. ISKRA 4. MATERIAŁY I METODY Materiał badawczy w postaci prób osadowych pozyskano z komunalnej oczyszczalni ścieków o wielkości ok. 100 tys. RLM, z technologią trójfazowego osadu czynnego. Do badań wykorzystano znajdującą się na obiekcie instalację do ultradźwiękowej dezintegracji osadu nadmiernego. Surowy osad nadmierny oraz osad poddany dezintegracji polem ultradźwiękowym (UD) pobierano z miejsc poboru prób przed i tuż po procesie UD. Do oceny efektów bezpośrednio po procesie dezintegracji zastosowano formułę (1) zalecaną przez niemieckie stowarzyszenie ATV [7], określającą stopień dezintegracji osadu (SD) w obecności ługu sodowego: ChZT SD ChZT m a ChZT ChZT 0 0 100% (1) gdzie: ChZT m chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji rozpuszczonych z próbki poddanej dezintegracji, mgo 2 /dm 3 ChZT 0 chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji rozpuszczonych z próbki osadu surowego, mgo 2 / dm 3 ChZT a chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji rozpuszczonych z próbki referencyjnej poddanej hydrolizie chemicznej w 1 M roztworze NaOH w temp. 20 0 C przez 22 h, mgo 2 /dm 3. Charakterystykę jakościową osadu ustabilizowanego wyrażono poprzez ubytek suchej masy organicznej (s.m.o.) definiowanej jako stopień przefermentowania i określonej wzorem: smo0 smo1 100% (2) smo gdzie: smo 0 zawartość suchej masy organicznej w osadzie surowym podawanym do reaktorów, kg/m 3 smo 1 zawartość suchej masy organicznej w osadzie przefermentowanym, kg/m 3. Pozostałe oznaczenia analityczne były wykonywane zgodnie z obowiązującą Normą Polską. 0
Wybrane aspekty oceny stopnia dezintegracji osadu nadmiernego 201 5. WYNIKI I DYSKUSJA W ramach pracy zrealizowano badania polegające na fermentacji metanowej strumienia zagęszczonego osadu nadmiernego dezintegrowanego metodą ultradźwiękową. W tab. 1 przedstawiono charakterystykę materiału wsadowego podawanego do kolejnych reaktorów. Stopień dezintegracji materiału wsadowego wahał się w zakresie od 1,5 do ponad 10%. Tabela 1. Charakterystyka materiału wsadowego podawanego do fermentacji Lp. Wskaźnik Jednostka Oznaczenie reaktorów R1 R2 R3 R4 R5 1 ChZT całkowite mgo 2 /l 62220 62444 59872 60021 59126 2 ChZT substancji rozp. mgo 2 /l 646,6 887,68 1110,1 1788,4 2382,1 3 N-NH 4 rozp. mgn/l 89,2 102,8 121,5 168,0 189,8 4 Fosfor og. rozp. mgp/l 129,1 161,0 184,0 130,9 214,0 5 Sucha masa ogólna g/kg 51,23 53,34 51,92 51,60 48,63 6 Sucha masa lotna % 77,4 77,5 75,9 77,3 77,2 7 Sucha masa min. % 22,6 22,5 24,1 22,7 22,8 8 Stopień dezintegracji (SD) % - 1,5 2,9 7,2 10,9 9 Energia właściwa (Es) kwh/kg s.m. - 0,098 0,114 0,139 0,188 Po fazie rozruchu reaktorów do fermentacji metanowej rozpoczęto właściwy eksperyment, który zaplanowano na 25 dób. Porcje osadu nadmiernego, w całości poddawanego wstępnej obróbce polem UD, podawano do reaktorów z częstotliwością co 5 dni (5 serii pomiarowych) w ilości odpowiadającej obciążeniu komory osadem na poziomie 1/15 obj. reaktorów. Reaktor R1 pełnił rolę reaktora odniesienia (z osadem niedezintegrowanym). Zgodnie z doniesieniami literaturowymi eksperyment pokazał, że produkcja gazu fermentacyjnego z reaktorów, do których dodawano osad nadmierny po dezintegracji była wyższa względem reaktora referencyjnego. Podczas całego testu uzyskano przyrost sumarycznej produkcji biogazu względem reaktora R1 odpowiednio o: 14,5% dla reaktora R2 13,4% dla reaktora R3 13,6% dla reaktora R4 21,6% dla reaktora R5.
produkcja biogazu, ml 202 K. ISKRA 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 seria 1 seria 2 seria 3 seria 4 seria 5 R1 R2 R3 R4 R5 Rys. 2. Zestawienie produkcji biogazu (ml) w kolejnych seriach w reaktorach R1-5 Jak pokazują wyniki (rys. 2), przyrost wyprodukowanego biogazu nie wykazywał tendencji wzrostu liniowego, zatem można stwierdzić, że istnieje pewna optymalna wartość stopnia dezintegracji osadu, przy którym poprawa przyrostu produkcji biogazu jest zadowalająca w odniesieniu do nakładów energii, a rozpoczęta hydroliza cząstek trudno biodegradowalnych przebiega samoczynnie. Dodatkowo można sądzić, że w pierwszej fazie dezintegracji nastąpiła destrukcja struktury kłaczków osadu nadmiernego, natomiast dalsze traktowanie osadu było nakierowane na rozbicie komórek mikroorganizmów. Wyższa produkcja gazu fermentacyjnego w reaktorach R2-5 miała swoje odzwierciedlenie w poprawie stopnia mineralizacji osadu fermentowanego, co obrazuje rys. 3. Poprawa efektu stabilizacji osadu oscylowała w granicach 5-6%. Wyjątkiem jest tu reaktor R3, gdzie uzyskano wyższe wartości ubytku suchej masy organicznej. Wysokie wartości ubytku materii organicznej osadu we wszystkich reaktorach należy tłumaczyć dość długim czasem przetrzymania osadu w komorze.
stopień przefermentowania osadu, % Wybrane aspekty oceny stopnia dezintegracji osadu nadmiernego 203 80 75 70 65 60 55 50 seria 1 seria 2 seria 3 seria 4 seria 5 R1 R2 R3 R4 R5 Rys. 3. Efekty stabilizacji osadu w kolejnych seriach w reaktorach R1-5 6. WNIOSKI Przeprowadzone doświadczenie pokazuje korzystny wpływ dezintegracji strumienia osadu nadmiernego kierowanego do komór fermentacyjnych. Jest to bardzo ważny aspekt w kontekście poszukiwania źródeł energii odnawialnej oraz metod ograniczania ilości powstających osadów. Otrzymane wyniki pokazują, że stopień wymuszonej hydrolizy osadu nie przekłada się na równie wysoki wzrost produkcji biogazu, dlatego istotne wydaje się wyznaczenie optymalnej wartości stopnia dezintegracji osadu. LITERATURA [1] GUS, Ochrona Środowiska, Warszawa 2009. [2] KRAJOWY PLAN GOSPODARKI ODPADAMI 2014, Warszawa 2010. [3] FDZ-POLANCO F., NIETO DIEZ P., PÉREZ-ELVIRA S. I., Sludge minimization technologies, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2006, Vol. 5, 375 398. [4] ØDEGAARD H., Sludge minimization technologies an overview, Water Science and Technology, 2004, Vol. 49, No. 10, 31 40.
204 K. ISKRA [5] CIMOCHOWICZ-RYBICKA M., ZYMON W., ŻEGLIN-KURBIEL K., Trends in intensification of the anaerobic digestion process at modern wastewater treatment plants, Proceedings of a Polish- Swedish Seminar, Gdańsk, Report No. 10, Stockholm 2003, 57 67. [6] ZIELEWICZ E., Możliwości oceny efektów procesu dezintegracji, Materiały konferencyjne, Kierunki przeróbki i zagospodarowania osadów ściekowych, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, 2010. [7] ARBEITSBERICHT DER ATV-ARBEITSGRUPPE 3.1.6 KLÄRSCHLAMMDESINTEGRA- TION, Verfahren und Anwendungsgebiete der mechanischer Klärschlammdesintegration, KA- Wasserwirtschaft, Abfall 2000, Vol. 47, No. 4, 570 576. SELECTED ISSUES OF EVALUATION OF THE DISINTEGRATION DEGREE OF EXCESS SLUDGE One of the sludge minimization methods is application of pre-treatment as disintegration process of surplus sludge taken from bioreactors. This process can be applied, depending on the needs, to: produce biodegradable carbon source for improving nutrients removal, inactivation of filamentous bacteria or improvement of sludge digestion. Especially interesting field is became disintegration process of thickened excess sludge given (with primary sludge) into digesters in order to increase biogas production and reduce sludge quantity. This paper shows a several instruments used to fast evaluation of the disintegration effect of excess sludge and in experimental part was carried out methane fermentation experiment of disintegrated excess sludge stream by ultrasonic device in batch reactors.