GOSPODARKA OSADOWA W OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

OCHRONA ŚRODOWISKA

III ROK

INSTRUKCJA DO ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH

Z PRZERÓBKI OSADÓW ŚCIEKOWYCH

FERMENTACJA OSADÓW

OPRACOWAŁ:

MGR INŻ. MARCIN JANIK

INSTYTUT INŻYNIERII WODY I ŚCIEKÓW

1

FERMENTACJA OSADÓW ŚCIEKOWYCH

CHARAKTERYSTYKA PROCESU FERMENTACJI METANOWEJ OSADÓW ŚCIEKOWYCH

Fermentacja metanowa będąca metodą stabilizacji beztlenowej osadów ściekowych to

zespół beztlenowych procesów biochemicznych, w których wielkocząsteczkowe substancje
organiczne (węglowodany, białka, tłuszcze) są rozkładane do alkoholi lub niższych kwasów
organicznych, metanu, dwutlenku węgla i wody.
Schemat przemian w procesie fermentacji obejmuje etap hydrolizy, kwasogenezy,
octanogenezy oraz metanogenezy. W fermentacji przeprowadzanej przez bakterie
metanogenne, przy spełnionych określonych warunkach powstaje biogaz, który jest paliwem
energetycznym umożliwiającym produkcję energii cieplnej i elektrycznej [1,2].

Fermentacja metanowa jest wielofazowym procesem wykorzystującym beztlenowe

warunki rozwoju mikroorganizmów i jest jednym z podstawowych procesów przeróbki
osadów w dużych oczyszczalniach ścieków.
Proces stabilizacji beztlenowej można dzieli się na 4 podstawowe fazy [1,2]:



Faza hydrolityczna - bakterie hydrolityczne za pomocą enzymów rozpuszczają

nierozpuszczalne substancje organiczne (polimery) zawarte w osadach do związków
rozpuszczalnych w wodzie.



Faza kwaśna - bakterie kwasowe rozkładają powstałe związki do prostych kwasów
organicznych, alkoholi, aldehydów oraz wodoru i dwutlenku węgla. Pierwsza i druga
faza fermentacji nosi miano fermentacji kwaśnej.



Faza octanogenna - następuje przemiana prostych związków organicznych do kwasu

octowego.



Faza metanowa - z kwasu octowego, wodoru i dwutlenku węgla przez bakterie metanowe

wytwarzany jest metan.

Ostatnia faza jest najbardziej czułym etapem fermentacji. Bakterie metanowe decydują

o szybkości procesu fermentacji. Są one wrażliwe na warunki środowiska, przede wszystkim
temperaturę, odczyn w komorze osadu, proporcje oraz szybkość rozkładu związków
organicznych, a także zawartość substancji toksycznych. Istotnym jest, aby nie doprowadzić
do zdominowania komory fermentacji przez bakterie kwasowe. Można to osiągnąć poprzez
regulację dawkowania świeżego osadu dostarczanego do komory. Głównym produktem jest
stabilizacji beztlenowej jest przefermentowany osad oraz gaz zawierający 60 – 80 % metanu.
Parametrami decydującymi o sprawności prowadzenia procesu stabilizacji beztlenowej są:
czas zatrzymania, temperatura (zwłaszcza jej stała kontrola), efektywne mieszanie, stosunek
zasadowości do kwasowości i odczyn pH, brak substancji toksycznych, jakość dopływu i
wystarczająca ilość substancji [1].

Stabilizacja beztlenowa prowadzona jest najczęściej w warunkach mezofilowych (w

temperaturze 35-40

0

C), termofilowych (50-55

0

C) lub w układach dwustopniowych

termofilowo-mezofilowych. Efektywny czas fermentacji w warunkach technicznych
przyjmowany jest w granicach 15-25 dni, zależnie od temperatury prowadzenia procesu. Im
niższa temperatura fermentacji, tym dłuższy konieczny czas stabilizacji.

Parametry osadu mają wpływ na efektywność fermentacji oraz ilość produkowanego

biogazu. Obciążenie suchą masą organiczną, jej stężenie i skład decydują o przebiegu
procesu. Zachowanie funkcji życiowych mikroorganizmów w komorze fermentacyjnej
wymaga dostarczenia im substancji pokarmowych zawierających związki węgla, azotu,
fosforu, siarki oraz koniecznych mikroelementów. W niektórych osadach znajduje się
nadmierna ilość związków węgla, przy niedoborze pozostałych substancji odżywczych.

2

Efektywna praca komory wymaga utrzymania odpowiednich proporcji wymaganych
substancji. Biologiczna dostępność mikroelementów zależy w dużym stopniu od zawartości
siarki, która reagując z metalami tworzy siarczki niedostępne dla bakterii [2].

Ważnym wyznacznikiem efektywności procesu fermentacji jest ilość produkowanego

biogazu i osadów ściekowych wynosi 0,8-1,1 m

3

/kg rozłożonej s.m.o. Ilość wytwarzanego

gazu zależy od ładunku substancji organicznej oraz jej specyficznego składu. Ilościowo
najwięcej gazu uzyskuje się z tłuszczów. Z kolei największą zawartość metanu daje
fermentacja masy organicznej zawierającej białko. Ważna jest dostępność masy organicznej
dla bakterii fermentacyjnych.
Osad nadmierny z oczyszczalni ścieków słabo poddaje się rozkładowi w stabilizacji
beztlenowej. Natomiast osady wstępne oraz inna masa lub odpady organiczne łatwo
zagniwające bardzo dobrze fermentują. Osady ściekowe będące mieszaniną osadu wstępnego
i nadmiernego zawierają około 70% masy organicznej [2].


FERMENTACJA METANOWA OSADÓW ŚCIEKOWYCH W WARUNKACH
LABORATORYJNYCH

Proces fermentacji metanowej w warunkach laboratoryjnych badany jest najczęściej z

wykorzystaniem układu nieprzepływowego (statycznego). Wykorzystywany układ oparty jest
na modelu technologicznym fermentacji konwencjonalnej. Charakteryzuje się ona brakiem
wymuszonego mieszania, co powoduje rozwarstwienie masy osadu i daje różną intensywność
fermentacji w komorze. W takim układzie osad wprowadzany jest do komory jednorazowo, a
fermentację prowadzi się do całkowitego zaniku wydzielania biogazu. Badany osad
zaszczepia się zwykle osadem przefermentowanym [4].
W układzie statycznym kinetyka produkcji biogazu wynika z faz rozkładu materii
organicznej. Proces ten przedstawia się za pomocą krzywej produkcji biogazu (Rys.10).

Rys.10. Kinetyka produkcji gazu w czasie fermentacji w warunkach mezofilowych
w układzie nieprzepływowym [4].

W początkowym okresie fermentacji statycznej ilość produkowanego gazu w czasie stale
rośnie w sposób wykładniczy. Po osiągnięciu około połowy całkowitej ilości wytworzonego
gazu następuje faza wyczerpywania i zmniejszenie produkcji gazu, aż do jej całkowitego
zaniku.

3

BADANIA LABORATORYJNE FERMENTACJI OSADÓW ŚCIEKOWYCH

Oznaczenie podatności osadu na stabilizację beztlenową z określeniem intensywności

wydzielania biogazu wykonuje się zgodnie z niemiecką normą DIN 38414, cz.8 -
„Oznaczanie zdolności do fermentacji” [9]. Wykorzystywana aparatura (Rys.11) składa się z
zestawu butelek o pojemności 0,55dm3 zespolonych z kolumnami pomiarowymi do odbioru
gazu. Butelki umieszczane są w termostacie wodnym zapewniającym utrzymanie stałej
temperatury osadu i warstwy gazu nad osadem.

Badane osady ściekowe poddaje się fermentacji w warunkach mezofilowych w

temperaturze 35

0

C. Osady fermentowane są w warunkach statycznych, polegających na

jednorazowym wprowadzeniu 400g osadu do butelki fermentacyjnej i prowadzeniu procesu
bez mieszania, aż do zakończenia fermentacji.

Przed rozpoczęciem oraz po zakończeniu fermentacji dla wszystkich badanych

osadów wykonuje się badania osadów. Oznacza się:



suchą masę osadu,



suchą masę organiczną mineralną.

Dla badanego osadu fermentację prowadzi się równolegle w co najmniej dwóch

próbach. Ilość powstającego biogazu odczytuje się codziennie.

Rys.11. Zestaw do laboratoryjnego oznaczania zdolności osadu do fermentacji: 1. Butelka 0,55l, 2. Kolumna

eudiometryczna do gromadzenia biogazu, 3. Naczynie wyrównawcze z cieczą (woda), 4. Wąż
elastyczny, 5. Zawór do odprowadzania gazu.

Badania fermentacji prowadzi się dla mieszanin osadów surowych i osadu

zaszczepiającego - osadu przefermentowanego z oczyszczalni ścieków komunalnych,
zmieszanych w proporcjach, jak przedstawiono w tabeli 4. Przyjęte do badań proporcje
mieszanin osadów pozwalają ocenić przebieg fermentacji statycznej dla warunków
imitujących pracę działającej komory fermentacyjnej z już wpracowanym osadem w
warunkach beztlenowych..

4

Tab.4. Proporcje ilości osadów przyjętych do badań.

Rodzaj i udział badanego
osadu w próbie [400ml]

Proporcje osadów [g]

osad badany

osad zaszczepiający

mieszanina

Osad przefermentowany
(zaszczepiający)

Osad wstępny zagęszczony -
udział 20%

Osad nadmierny zagęszczony -
udział 20%

0

80

80

400

320

320

400

400

400

Wykonanie pomiaru polega na codziennym odczycie ilości wydzielonego biogazu z

prób, określeniu sumarycznej objętości wydzielonego biogazu oraz intensywności jego
produkcji (Tab.5).

Objętość biogazu netto, oznaczająca ilość gazu wytworzonego z próby zawartego w

mieszaninie badanego osadu wstępnego lub nadmiernego, określana jest jako różnica ilości
biogazu wytworzonego z badanej mieszany i ilości biogazu z zawartego w mieszaninie
udziału osadu przefermentowanego.

Tab.5. Pomiary oraz obliczenia wykonywane w czasie trwania fermentacji

Czas trwania

badania

Suma

wydzielonego

biogazu z próby

Obliczony udział

biogazu z osadu
przefermentowa

nego

Objętość gazu

netto

(różnica kolumn

2 i 3)

Intensywność

wydzielania

biogazu

Współczynnik

wydzielania

biogazu w

odniesieniu do

doprowadzonej

suchej masy

organicznej

1

2

3

4

5

6

[doba, godzina]

[ml]

[ml]

[ml]

[l/d]

[l/kg SMO

dopr

]

Wyniki badań zestawia się w tabele według wzoru przedstawionego poniżej (Tab.6).

Przebieg procesu fermentacji przedstawia się również w formie graficznej, jako wykres
pokazujący sumaryczną objętość wydzielonego biogazu w czasie trwania badania oraz
wykres zmian intensywności wydzielania biogazu w czasie.

5

Tab.6. Zestawienie wyników badań stabilizacji osadów ściekowych

Parametr

Jednostka

Próba osadu

osad
szczepiąc
y -
przeferme
ntowany

osad
wstępny
zagęszczo
ny
20%

osad
nadmiern
y
zagęszczo
ny
20%

1

2

5

6

7

Sucha masa osadu przed fermentacją

% SM

g SM /l

Sucha masa mineralna przed ferment.

% SMM

Sucha masa organ. przed fermentacją

% SMO

g SMO /l

Sucha masa osadu po fermentacji

% SM

g SM /l

Sucha masa mineralna po fermentacji

% SMM

Sucha masa organiczna po ferment.

% SMO

g SMO /l

Ubytek suchej masy org. w fermentacji

g SMO/l

%

Sumaryczna objętość wytworzonego gazu z
próby osadu

l/kg osadu

Sumaryczna objętość netto wytworzonego
osadu

l/kg osadu

Współczynnik wydzielania biogazu
przelicz. na doprowadzoną SM org.

l/g SMO

dopr.

Współczynnik wydzielania biogazu
przelicz. na doprowadzoną SM

l/g SM

dopr.

Współczynnik wydzielania biogazu
przelicz. na usuniętą SM org.

l/g SMO

us.

6

LITERATURA:

1. Bień J.B.: Osady Ściekowe - Teoria i Praktyka. Wydawnictwo Politechniki

Częstochowskiej, Częstochowa, 2002.

2. Heidrich Z., Nieścier A.: Stabilizacja beztlenowa osadów ściekowych. Monografie, Seria:

Wodociągi i Kanalizacja, Nr 4. PZiTS, Warszawa, 1999.

3. Heidrich Z., Witkowski A.: Urządzenia do oczyszczania ścieków. Wydawnictwo Seidel-

Przywecki, Warszawa, 2005.

4. Magrel L.: Metodyka oceny efektywności procesu fermentacji metanowej wybranych

osadów ściekowych. Rozprawy naukowe Nr 93. Wydawnictwo Politechniki
Białostockiej, Białystok 2002.

5. Piaskowski K.: Oczyszczanie ścieków i przeróbka osadów ściekowych. Wydawnictwo

Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2005.

6. Poradnik Eksploatatora Oczyszczalni Ścieków. Praca zbiorowa. PZiTS-Poznań. LEM s.c.-

Kraków. Wydanie II. Poznań, 1997.

7. Roman M.: Kanalizacja - Oczyszczanie ścieków. Tom 2. Arkady, Warszawa, 1986.
8. Szwabowska E.: Projektowanie procesów odwadniania osadów ściekowych. Skrypt

uczelniany Nr 1845. Wyd. II. Politechnika Śląska, Gliwice, 1994.

9. DIN 38414-Teil8; Deutsche Norm: Schlamm und Sedimente (Gruppe S) – Bestimmung des

Faulverhaltens (S 8).