Możliwość intensyfikacji procesu fermentacji beztlenowej osadów ściekowych poprzez dezintegrację osadu czynnego w procesie kawitacji mechanicznej. Jan Suschka, Klaudiusz Grübel i Alicja Machnicka *) Abstrakt Podstawowym celem przeróbki osadów jest mineralizacja związków organicznych, prowadząca do stabilizacji osadów oraz zmniejszenia ich objętości, co osiąga się w procesach odwadniania oraz suszenia. Artykuł przedstawia możliwość zastosowania i skuteczność procesu dezintegracji osadu czynnego dla intensyfikacji produkcji biogazu w procesie fermentacji beztlenowej. Zwiększenie produkcji biogazu posiada bezpośredni skutek ekonomiczny wyrażający się wzrostem produkcji energii cieplnej lub elektrycznej. Proces dezintegracji osadu realizowano z zastosowaniem własnej konstrukcji dysz kawitacyjnych, ponieważ cechuje się prostotą, skutecznością oraz niskimi wskaźnikami zużycia energii. Wstęp Podstawowym celem przeróbki osadów jest mineralizacja związków organicznych prowadząca do stabilizacji osadów, a także do zmniejszenia ich objętości. Fermentacja jest procesem wielofazowym, w którym w fazie I bakterie hydrolityczne za pomocą enzymów zewnątrzkomórkowych rozkładają nierozpuszczalne związki organiczne osadów do związków rozpuszczalnych w wodzie, takich jak kwasy tłuszczowe, alkohole, amoniak itd. W fazie II (tzw. fermentacja kwaśna) bakterie kwasowe rozkładają powstałe związki rozpuszczalne do prostych kwasów organicznych, wodoru i dwutlenku węgla. Produkty fermentacji kwaśnej są substratem fazy III dla bakterii heterotroficznych oraz dla autotroficznych bakterii metanowych. Produktem metabolizmu bakterii metanowych jest metan, dwutlenek węgla i woda. Faza hydrolityczna jest etapem limitującym fermentację beztlenową, przez co dostarczenie na tym etapie łatwo rozkładalnych produktów wpływa na przyspieszenie tej fazy oraz intensyfikuje cały proces fermentacji. Otrzymanie i dostarczenie łatwo przyswajalnych związków osiągnąć można np. poprzez zastosowanie procesu dezintegracji osadu czynnego. Proces ten powoduje zniszczenie struktury kłaczków, rozerwanie i lizę komórek mikroorganizmów, uwalniając tym samym łatwo rozkładalne produkty. Wśród obecnie *) prof. dr hab. inż. Jan Suschka, mgr inż. Klaudiusz Grübel, dr Alicja Machnicka Akademia Techniczno-Humanistyczna, Instytut Ochrony i Inżynierii Środowiska, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała.
stosowanych procesów dezintegracji można wymienić metody mechaniczne (młyny, homogenizatory, ultradźwięki itp.) i metody niemechaniczne (fizyczne np. zamrażanie/rozmrażanie; chemiczne np. zakwaszanie, utlenianie ozonem; biologiczne np. rozkład enzymatyczny). W artykule przedstawiono jeden ze sposobów dezintegracji osadów metodę dezintegracji mechanicznej z użyciem dysz kawitacyjnych. Kawitację definiuje się jako zjawisko wywołane zmiennym polem ciśnień cieczy, polegające na tworzeniu się, powiększaniu i zanikaniu pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych (kawern) zawierających parę danej cieczy, gaz lub mieszaninę parowo-gazową. Pęcherzyki zwiększają swoją objętość (rozwijają się) w obszarach obniżonego ciśnienia, poniżej jego krytycznej wartości i gwałtownie zmniejszają objętość (zanikają, implodują) w obszarach podwyższonego ciśnienia, powyżej wartości krytycznej. Wartość ciśnienia krytycznego jest zbliżona do ciśnienia pary nasyconej; zależy ona od rodzaju i stanu cieczy oraz od obecności ośrodków (zarodków) kawitacji [PN-86/H-04426]. Kawitacja znajduje obecnie zastosowanie w biotechnologii oczyszczania ścieków. Przeprowadzane badania dotyczące przeróbki osadów do tej pory skupiały się jedynie na możliwości zastosowania tego zjawiska do procesów odwadniania osadów [Bień, 2000], jako źródło łatwo przyswajalnego węgla organicznego dla procesu denitryfikacji, w sytuacji jego niedoboru w dopływających ściekach do reaktora osadu czynnego oraz dla ograniczenia zjawiska puchnięcia osadu w procesach oczyszczania ścieków [Żeglin i in, 2003]. Badania własne dotyczące dezintegracji osadu czynnego w procesie kawitacji wskazały na możliwość wykorzystania tego zjawiska do intensyfikacji produkcji biogazu. Metoda badawcza Materiałem do badań był osad czynny recyrkulowany (OCR) pobierany z oczyszczalni ścieków, stosującej zaawansowane procesy biologicznego oczyszczania ścieków, polegające na równoczesnym usuwaniem związków organicznych oraz związków azotu i fosforu. Próby osadu czynnego podawano przy pomocy pompy ślimakowej (rys. 1) pod ciśnieniem 12 barów do zaprojektowanej i wykonanej dyszy kawitacyjnej u wylotu, której tworzyła się tzw. mgła kawitacyjna (fot. 1). 2
3 1-pompa ślimakowa 2-manometr 3-przewód giętki 4-dysza kawitacyjna 5-zbiornik 5 4 2 1 Rys. 1. Schemat instalacji do dezintegracji osadu czynnego i/lub piany przy pomocy kawitacji. Fot. 1. Zjawisko kawitacji mgła kawitacyjna na wylocie z dyszy. Badania wpływu procesu dezintegracji mechanicznej na efekt fermentacji beztlenowej nadmiaru osadu czynnego prowadzone były z wykorzystaniem termostatowanych (33 o C) komór doświadczalnych. Komory wypełniono osadem czynnym recyrkulowanym oraz osadem czynnym recyrkulowanym z dodatkiem osadu (20% i 40%) po 60 minutach dezintegracji. W ciągu okresu fermentacji (18 dni) mierzono jeden raz w ciągu doby objętość powstającego gazu. 3
Próby osadu czynnego recyrkulowanego nie poddawanego procesowi dezintegracji jak i po procesie analizowano chemicznie i mikroskopowo. Wszystkie oznaczenia chemiczne wykonano w oparciu o metodykę zawartą w Standard Methods for Examination of Water and Wastewater 19 th, wykorzystując Spektrofotometr firmy HACH DR 4000. Analizy mikrobiologiczne wykonano z zastosowaniem mikroskopu jasnego pola - Nikon Alphaphot 2 YS wyposażonego w kamerę Panasonic GP KR 222 oraz program do komputerowej obróbki obrazu Lucia ScMeas Version 4.51. Próby do obserwacji mikroskopowych przygotowano w oparciu o barwienie metodą Neisser a. Wyniki badań Zmiany biologiczne Przeprowadzone analizy mikroskopowe wykazały, że proces mechanicznej dezintegracji z użyciem dysz kawitacyjnych powodował destrukcję kłaczków osadu czynnego oraz niszczenie uporządkowanych układów morfologicznych mikroorganizmów filamentacyjnych. Osad czynny niepoddany dezintegracji oraz osad czynny po 60 minutowej dezintegracji mechanicznej z wykorzystaniem dyszy kawitacyjnej przedstawiają fot. 2 i 3. Fot. 2. Osad czynny recyrkulowany (bez procesu dezintegracji). Obraz widziany w jasnym polu widzenia mikroskopu. Fot. 3. Osad czynny po procesie 60 minutowej dezintegracji. Obraz barwiony metodą Neissera, widziany w jasnym polu widzenia mikroskopu. 4
Zmiany fizykochemiczne Zniszczenie (w tym przypadku mechaniczne zniszczenie) komórek bakteryjnych prowadzi do uwolnienia wprowadzenia do roztworu (otaczającej cieczy) nagromadzonych związków organicznych, których uwalnianie wykazano na podstawie zmian ChZT, azotu amonowego i fosforanów w cieczy zdezintegrowanego osadu czynnego. Podczas dezintegracji osadu czynnego wykazano zwiększające się wartości ChZT w zależności od czasu dezintegracji. Dezintegracja 60 minutowa doprowadziła do gwałtownego wzrostu wartości ChZT z ok. 77 do wartości ponad 386 mg O 2 /dm 3 (rys. 2). Wydłużając czas dezintegracji o kolejne 30 minut wartość ChZT osiągnęła 407 mg O 2 /dm 3 (uzyskany wzrost stężenia w przedłużonym czasie dezintegracji nie był już tak znaczący jak w czasie pierwszych 60 minut). ChZTCr [mg O2/dm 3 ] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 30 60 90 Czas dezintegracji [min] Rys. 2. Zmiany wartości ChZT w cieczy osadu czynnego w zależności od czasu dezintegracji. Na skutek niszczenia struktur komórek następuje uwalnianie enzymów znajdujących się w protoplaście. Powodują one hydrolityczny rozkład organicznych związków fosforowych i azotowych, przez co dochodzi do wzrostu stężeń azotu amonowego i fosforanów w cieczy. Analogicznie do wzrostu wartości ChZT nastąpiło znaczące uwolnienie N-NH 4 i PO4 podczas pierwszych 60 minut dezintegracji (rys. 3). 5
Azot amonowy [mg N-NH 4/dm 3 ] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 N-NH4 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 30 60 90 PO4 Czas dezintegracji [min] Fosforany [mg PO4/dm 3 ] Rys. 3. Zmiany stężenia azotu amonowego i fosforanów w cieczy osadu czynnego recyrkulowanego w zależności od czasu dezintegracji. Wpływ dezintegracji na wydajność produkcji biogazu Miarą efektywności procesu fermentacji jest intensywność produkcji biogazu, a także wydatek wyrażający się ilością wyprodukowanego gazu z jednostki masy usuniętych substancji organicznych. Znacznie większe wartości ChZT w osadzie zdezintegrowanym doprowadziły do uzyskania zdecydowanie większej produkcji biogazu. Na rys. 4 pokazano różnicę w produkcji biogazu, po 18 dniach fermentacji, pomiędzy próbą niepoddaną dezintegracji i próbą po mechanicznym rozdrabnianiu. Z próby osadu czynnego niepoddawanego dezintegracji powstało o 41% mniej biogazu w porównaniu do objętości powstałego biogazu z próby osadu zdezintegrowanego. 6
Ilość gazu [dm 3 /kg s.m.org. *d] 0,25 0,20 0,15 0,10 0,23 0,16 0,05 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Czas fermentacji [d] OCR (Osad Czynny Recyrkulowany) OCR po dezintegracji Rys. 4. Wpływ dezintegracji osadu czynnego na produkcję biogazu. Badania dezintegracji mechanicznej z wykorzystaniem dyszy kawitacyjnej zmierzały do oceny możliwości intensyfikacji procesu fermentacji beztlenowej osadu czynnego przez dodatek pewnej ilości osadu dezintegrowanego. Założono dodatek bardzo ograniczonej ilości dezintegrowanego osadu (po 60 minutach dezintegracji), celem ewentualnego ograniczenia negatywnego wpływu rozdrobnienia osadu na dalsze procesy odwadniania osadów przefermentowanych. Ponadto, do badanych prób doprowadzono stałą objętość osadu przefermentowanego (20% objętościowych WKF w każdej próbie) celem wprowadzenia zaadoptowanej flory mikrobiologicznej. Rysunek 5 przedstawia zmiany produkcji biogazu po 18 dobach fermentacji w próbach ze stałym udziałem osadu z WKF (przefermentowanym) oraz zmienną objętością osadu poddanego dezintegracji. Porównując otrzymane wyniki z próbami bez udziału osadu przefermentowanego (rys. 4) można zauważyć, że wprowadzenie zaadoptowanych bakterii metanowych przyczyniło się do wzrostu produkcji biogazu o 0,018 dm 3 /kg s.m.org. (z 0,163 dm 3 /kg s.m.org. do 0,181 dm 3 /kg s.m.org.) w próbie osadu czynnego niedezintegrowanego i o 0,039 dm 3 /kg s.m.org. (z 0,235 dm 3 /kg s.m.org. do 0,274 dm 3 /kg s.m.org. ) w próbie osadu poddanego dezintegracji. 7
Ilość gazu [dm 3 /kg s.m.org. *d] 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,292 0,286 0,274 0,181 0,10 0,05 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 80%OCR + 20%WKF Czas fermentacji [d] 80%OCR po dezintegracji + 20%WKF 60%OCR + 20%OCR po dezintegracji + 20%WKF 40%OCR + 40%OCR po dezintegracji + 20%WKF Rys. 5. Wpływ udziału objętościowego OCR (Osadu Czynnego Recyrkulowanego) po dezintegracji na produkcję biogazu. Doprowadzając do próby 20% objętościowych dezintegrowanego osadu (60%OCR + 20%OCR po dezintegracji + 20%WKF) produkcja gazu wzrosła do 0,253 dm 3 /kg s.m.org. po 18 dobach fermentacji. Jest to, więc prawie o 0,09 dm 3 /kg s.m.org. większa produkcja biogazu od uzyskiwanej przy fermentacji wyłącznie osadu czynnego niezdezintegrowanego. Dezintegracja osadu czynnego na wskutek kawitacji przyczyniła się, więc do zdecydowanie intensywniejszej produkcji biogazu w porównaniu do produkcji biogazu z prób bez zdezintegrowanego osadu. Z kolei objętości powstałego biogazu z próby z dodatkiem 20% i 40% dezintegrowanego osadu czynnego, były prawie na tym samym poziomie. Sugerować to może, że wystarczający jest udział zaledwie 20% objętościowych osadu zdezintegrowanego. Wydatek gazu wyrażony w dm 3 /kg s.m.org. usuniętej (ze względu na skalę laboratoryjną), a nie w przyjętych m 3 /kg s.m.org. usuniętej, wzrasta wraz z udziałem objętościowym osadu czynnego recyrkulowanego w próbach (rys. 6). W przypadku samego osadu recyrkulowanego wydatek wyniósł 0,598 dm 3 /kg s.m.org. usuniętej, a w przypadku osadu poddanego dezintegracji wzrósł o 95% (z 0,598 do 0,975 dm 3 /kg s.m.org. usuniętej ). Z kolei, przy stałym udziale zaadoptowanej flory mikrobiologicznej z procesów fermentacji (20% WKF) i zmiennym udziale osadu dezintegrowanego odnotowano jeszcze większy wzrost wydatku gazu. Przy udziale 20% osadu dezintegrowanego wydatek wyniósł 1,179 dm 3 /kg s.m.org. usuniętej, a przy udziale 40% - 1,273 dm 3 /kg s.m.org. usuniętej. Zwiększając udział osadu recyrkulowanego 8
dezintegrowanego do 80% objętościowych spowodował wzrost wydatku biogazu do wartości 1,819 dm 3 /kg s.m.org. usuniętej. Wydatek [dm 3 /kg s.m. organicznej usuniętej ] 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,598 OCR 0,975 OCR po dezintegracji 1,5h 1,179 60% OCR + 20% OCR po dezintegracji + 20% WKF 1,273 40% OCR + 40% OCR po dezintegracji + 20% WKF 1,819 80% OCR po dezintegracji + 20% WKF Rys. 6. Produkcja biogazu z 1kg suchej masy organicznej (usuniętej). Poddając dezintegracji pianę (kożuch) pływającą na bioreaktorach i wprowadzając do wydzielonych komór fermentacji (WKF) można uzyskać dalsze zwiększenie produkcji metanu, eliminując jednocześnie pianę także w WKF-ach. Wnioski 1. W wyniku procesu kawitacji mechanicznej na skutek destrukcji mikroorganizmów następuje wprowadzenie do cieczy substancji organicznych. 2. Dostępność materii organicznej w fazie hydrolizy wpływa na intensyfikację procesu fermentacji beztlenowej, czego skutkiem jest wzrost produkcji biogazu. 3. Znaczącym czynnikiem intensyfikującym proces produkcji biogazu jest już dodatek części dezintegrowanego osadu oraz wprowadzenie zaadoptowanej mikroflory. 4. Mechaniczna kawitacja zastosowana do dezintegracji osadu czynnego jest skutecznym narzędziem intensyfikującym produkcję biogazu. Literatura Bagieński J. (1998). Kawitacja w urządzeniach wodociągowych i ciepłowniczych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań. 9
Burka E.S. (2001). Zagadnienia fizyki kawitacji. Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej. Budowa i Eksploatacja Maszyn. z. 8, pp. 43-50. Machnicka A., Suschka J. i Grübel K. (2005). The intensification of sewage sludge anaerobic digestion by partial disintegration of surplus activated sludge and foam. Integration and optimisation of urban sanitation systems, Raport no 13, s. 87-94. Machnicka A., Suschka J. i Grübel K. (2004). Phosphorous uptake by filamentous bacteria. 4 th IWA World Water Congress and Exhibition, Marrakech, September. Mitosek M. (2002). Zjawisko kawitacji zaczątkowej. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Inżynieria Środowiska. z. 42, pp. 31-42. Wójs K. (2004). Kawitacja w cieczach o różnych właściwościach reologicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław. Żeglin-Kurbiel K., Banaś J. i Cimochowicz-Rybicka M. (2003). Nowe biotechnologie i kontrola osadów ściekowych do spełnienia wymagań przepisów Unii Europejskiej. Czasopismo Techniczne. Środowisko. R. 100, z. 4-Ś, pp. 113-126. Polska Norma, PN-86/H-04426 Erozja kawitacyjna. Nazwy, określenia i symbole. 10