Wybrane aspekty oceny stopnia dezintegracji osadu - Eko-DOk

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 (m3/kg s.m.o., m3/m3 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/m3, kJ/m3)
 energię hydrolizy (Eh), czyli ilość włożonej energii względem masy upłynnionego ChZT (kWh/Δ kgO2, kJ/Δ kgO2).
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 dm3. W celu utrzymania stałej temperatury 36.0C 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.
ultratermostat
układ cyrkulacji osadu
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:
SD 
ChZTm  ChZT0
 100%
ChZTa  ChZT0
(1)
gdzie:
ChZTm – chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji rozpuszczonych z próbki
poddanej dezintegracji, mgO2/dm3
ChZT0 – chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji rozpuszczonych z próbki osadu surowego, mgO2/ dm3
ChZTa – chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji rozpuszczonych z próbki referencyjnej poddanej hydrolizie chemicznej w 1 M roztworze NaOH w temp. 20 0C
przez 22 h, mgO2/dm3.
Charakterystykę jakościową osadu ustabilizowanego wyrażono poprzez ubytek suchej masy organicznej (s.m.o.) definiowanej jako stopień przefermentowania i określonej wzorem:

smo0  smo1
 100%
smo0
(2)
gdzie:
smo0 – zawartość suchej masy organicznej w osadzie surowym podawanym do reaktorów, kg/m3
smo1 – zawartość suchej masy organicznej w osadzie przefermentowanym, kg/m3.
Pozostałe oznaczenia analityczne były wykonywane zgodnie z obowiązującą Normą Polską.
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
1
2
3
4
5
6
7
8
ChZT całkowite
ChZT substancji rozp.
N-NH4 rozp.
Fosfor og. rozp.
Sucha masa ogólna
Sucha masa lotna
Sucha masa min.
Stopień dezintegracji (SD)
9
Energia właściwa (Es)
Jednostka
mgO2/l
mgO2/l
mgN/l
mgP/l
g/kg
%
%
%
kWh/kg
s.m.
R1
62220
646,6
89,2
129,1
51,23
77,4
22,6
-
Oznaczenie reaktorów
R2
R3
R4
R5
62444 59872 60021 59126
887,68 1110,1 1788,4 2382,1
102,8 121,5 168,0 189,8
161,0 184,0 130,9 214,0
53,34 51,92 51,60 48,63
77,5
75,9
77,3
77,2
22,5
24,1
22,7
22,8
1,5
2,9
7,2
10,9
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.
202
K. ISKRA
3500
3000
produkcja biogazu, ml
2500
2000
1500
1000
500
0
seria 1
seria 2
seria 3
R1
R2
R3
seria 4
R4
seria 5
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.
Wybrane aspekty oceny stopnia dezintegracji osadu nadmiernego
203
stopień przefermentowania osadu, %
80
75
70
65
60
55
50
seria 1
seria 2
seria 3
R1
R2
R3
seria 4
R4
seria 5
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]
[2]
[3]
[4]
GUS, Ochrona Środowiska, Warszawa 2009.
KRAJOWY PLAN GOSPODARKI ODPADAMI 2014, Warszawa 2010.
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.
ØDEGAARD H., Sludge minimization technologies – an overview, Water Science and Technology,
2004, Vol. 49, No. 10, 31–40.
204
[5]
[6]
[7]
K. ISKRA
CIMOCHOWICZ-RYBICKA M., ZYMON W., ŻEGLIN-KURBIEL K., Trends in intensification
of the anaerobic digestion process at modern wastewater treatment plants, Proceedings of a PolishSwedish Seminar, Gdańsk, Report No. 10, Stockholm 2003, 57–67.
ZIELEWICZ E., Możliwości oceny efektów procesu dezintegracji, Materiały konferencyjne, Kierunki przeróbki i zagospodarowania osadów ściekowych, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, 2010.
ARBEITSBERICHT DER ATV-ARBEITSGRUPPE 3.1.6 KLÄRSCHLAMMDESINTEGRATION, Verfahren und Anwendungsgebiete der mechanischer Klärschlammdesintegration, KAWasserwirtschaft, 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.