Produkcja biogazu w oczyszczalni ścieków

W Polsce funkcjonuje ponad 4 tysiące oczyszczalni ścieków komunalnych i przemysłowych. W wielu
takich instalacjach powstają znaczne ilości osadów, które mogą stanowić doskonały surowiec do
produkcji biogazu, gdyż nie zawierają toksycznych substancji, natomiast zawartość suchej masy na
poziomie 4-5%, w tym ponad 90% masy organicznej, pozwala na ich beztlenową fermentację.
Tymczasem najczęściej są one deponowane na składowiskach odpadów, co staje się coraz większym
problemem, szczególnie w świetle przepisów prawa UE. Uregulowania prawne ograniczają
składowanie osadów, w związku z czym niezbędne jest upowszechnienie właściwych metod utylizacji
osadów ściekowych i ich optymalnego zagospodarowania. Należy mieć na uwadze, że technologie
utylizacji i zagospodarowania osadów, które są zgodne z obowiązującym prawodawstwem, mogą
uzyskać wsparcie finansowe ze środków np. Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i
Gospodarki Wodnej.

Technologia fermentacji osadów ściekowych
Fermentacja metanowa jest jedną z najstarszych metod stabilizacji osadów ściekowych, przy czym
zachodzi ona zarówno w zbiornikach otwartych, w warunkach panujących w danym czasie w
środowisku, jak również w wydzielonych komorach fermentacji (WKF), w beztlenowych,
kontrolowanych warunkach. Fermentacja w WKF-ach wymaga ogrzewania, aby zachować stałą
temperaturę procesu, oraz mieszania zawartości komory, które zapobiega rozwarstwieniu i
tworzeniu miejsc przeciążonych substancją organiczną. Na cząstkach właściwie mieszanej zawiesiny
o postaci kłaczków lub granul, tworzy się specyficzny zespół drobnoustrojów, biorących udział w
poszczególnych etapach procesu fermentacji (rys. 1).
Biogaz powstający podczas procesu fermentacji zawiera 55-70% biometanu, 27-44% dwutlenku
węgla, 0,2-1,0% wodoru, 0,2-3,0% siarkowodoru. Często w oczyszczalniach biogaz spalany jest w
pochodni, jednak bardziej racjonalne jest jego spalanie w kotłach gazowych lub silnikach
przystosowanych do spalania gazu połączonych z prądnicą, produkujących ciepło i energię
elektryczną, zaś pochodnie powinny służyć tylko do spalania nadmiaru gazu, w przypadku jego
nadprodukcji.

Rys. 1. Struktura granuli beztlenowego osadu

Przyjmuje się, że z 1 m3 osadu o zawartości 5% suchej masy, uzyskuje się 10-20 m3 biogazu o
wartości opałowej wahającej się w granicach 16,7-23 MJ/m3 (w zależności od zawartości metanu).
Najlepsze efekty produkcji biogazu otrzymuje się w oczyszczalniach biologicznych, które mają
wysokie zapotrzebowanie własne na energię cieplną oraz elektryczną, dlatego odzysk części energii
z biogazu ma istotny wpływ również na rentowność tych zakładów. W przypadku miejskich
oczyszczalni ścieków produkcja taka staje się opłacalna przy przepustowości około 8-10 tys. m3
ścieków na dobę.
Fermentację metanową można stosować nie tylko przy utylizacji osadów ściekowych, ale również
procesowi temu można poddawać ścieki bogate w substancje organiczne, szczególnie gdy w
procesach technologicznych powstają ścieki podgrzane lub istnieje odpadowe źródło ciepła
technologicznego. Procesowi temu poddawane są ścieki przemysłowe, szczególnie z cukrowni,
drożdżowni, zakładów produkujących mączkę ziemniaczaną.

Zagospodarowanie pozostałości po procesie fermentacji
Przefermentowane osady, które nie zawierają związków toksycznych, są po zagęszczeniu i
odwodnieniu wykorzystane przyrodniczo, najczęściej do nawożenia i użyźniania gleby, zakładania
trawników, zagospodarowania nieużytków, rekultywacji itp. Oczyszczalnie często oferują rolnikom
taki organiczny nawóz bez jakiejkolwiek odpłatności, a skład i jakość tego osadu badany jest
regularnie (zgodnie z obowiązującymi przepisami), nie ma więc ryzyka zanieczyszczenia gruntu
metalami ciężkimi czy biogenami. Takie wykorzystanie osadów uzależnione jest od spełnienia
wszystkich wymogów higieniczno-sanitarnych, a przeznaczenie ich do rolniczego wykorzystania
poprzedzane jest oceną przydatności i oddziaływania na środowisko, ponieważ mogą one zawierać
substancje szkodliwe (metale ciężkie) i toksyczne. Gdy stężenie substancji niekorzystnych w
przefermentowanym substracie jest wysokie, osady poddawane są procesom termicznym, z
możliwością odzysku energii z ich spalania. Uzyskane popioły, których ilość jest zdecydowanie
mniejsza w porównaniu do wyjściowej ilości osadów, są ostatecznie deponowane na składowiskach
odpadów.

Przykłady
Przykładem funkcjonujących rozwiązań fermentacji osadów jest oczyszczalnia ścieków w
Tychach-Urbanowicach (rys. 2). Rocznie na oczyszczalnię dopływa 12 mln m3 ścieków. Gospodarka
osadowa w tej jednostce jest racjonalna i pozwala na zmniejszenie ilości osadu i przystosowanie jego
jakości do wykorzystania rolniczego. Osad wstępny kierowany jest poprzez wymiennik ciepła do
wydzielonych komór fermentacyjnych. Osad nadmierny, po zagęszczeniu mechanicznym, również
trafia do komór fermentacyjnych, gdzie poddawany jest procesowi beztlenowej fermentacji. Biogaz
produkowany w zamkniętych komorach fermentacyjnych zbierany jest do wspólnego kolektora, a
następnie po odwodnieniu w odwadniaczu kierowany jest do reaktorów odsiarczania przy użyciu
rudy darniowej. Po odwodnieniu i odsiarczeniu biogaz jest wprowadzany do elastycznego
dwupowłokowego zbiornika magazynowego, zabezpieczającego zmagazynowanie 6-godzinnej
produkcji biogazu. Do kwietnia 2006 roku na oczyszczalni ścieków w Tychach Urbanowicach biogaz
spalany był w kotłach koksowych, przystosowanych do spalania biogazu i stanowił paliwo do
produkcji ciepła zużywanego do wspomagania procesów technologicznych oraz celów grzewczych.
Sprawność tych kotłów była jednak bardzo niska (~50%), co uniemożliwiało efektywne
wykorzystanie produkowanego biogazu. Konieczne było więc zastąpienie ich urządzeniami o lepszej
sprawności energetycznej, które pozwoliły na znacznie lepsze wykorzystanie energii zawartej w
biogazie. W kwietniu 2006 r. zamontowano nowoczesny kocioł niskotemperaturowy o mocy cieplnej
895 kW z palnikiem dwufunkcyjnym olejowo-gazowym. Kocioł jest urządzeniem rezerwowym –
energia cieplna potrzebna do procesów technologicznych i ogrzewania budynków jest produkowana
w zespole kogeneracyjnym. System kogeneracyjny docelowo na terenie oczyszczalni będzie składał

się z dwóch agregatów prądotwórczych wyposażonych w silniki spalinowe zasilane biogazem,
obecnie pracuje jeden agregat prądotwórczy o mocy elektrycznej 345 kW i mocy cieplnej 531 kW.
Trwają prace przy montażu drugiego agregatu kogeneracyjnego, oraz prace uruchomieniowe
nowych komór WKF, które umożliwią wzrost ilości produkowanego biogazu do poziomu 7000-8000
m3/dobę. Zapewni to możliwość ciągłej pracy obu agregatów i umożliwi pokrycie zapotrzebowania
na energię elektryczną w wysokości 90-95%. Osad przefermentowany kierowany jest do
zagęszczacza grawitacyjnego, skąd następnie podawany jest do stacji odwadniania osadów: wirówki i
prasy taśmowej. Ustabilizowany i odwodniony osad gromadzony jest na tymczasowym składowisku
osadów odwodnionych, a następnie wykorzystywany do rekultywacji terenów.

Rys. 2. Schemat instalacji biogazu w oczyszczalni ścieków w Tychach-Urbanowicach
Źródło: Bacza, internet.

W oczyszczalni ścieków w Zamościu, funkcjonującej od 1995 r., również prowadzona jest
fermentacja osadów w dwu wydzielonych komorach fermentacyjnych. Proces fermentacji jest
prowadzony w temperaturze ok. 34oC (mezofilny), a zawartość komór mieszana jest pompowo
osadem recyrkulowanym, za pomocą dysz rozmieszczonych w komorach na dwu poziomach. Podczas
zasilania komór osadem zagęszczonym, osad przefermentowany wypierany jest z dna komory przez
rurę wyprowadzoną na koronę zbiornika. Z komór fermentacyjnych osad odprowadzany jest do
otwartego basenu, wyposażonego w układ do odprowadzania wód nadosadowych i mieszadła, w
którym realizowany jest drugi stopień fermentacji. Tutaj magazynowany jest osad do czasu jego
odwodnienia na prasie filtracyjnej. Odwodniony osad poddawany jest higienizacji wapnem palonym i
po kilkudniowym dojrzewaniu na placu składowym wykorzystywany jest przez rolników do
nawożenia pól. Uzyskany biogaz magazynowany jest w bezciśnieniowym, tkaninowym zbiorniku,
skąd pobierany jest do zasilania lokalnego kotła gazowego. W pierwszych latach funkcjonowania
urządzeń, biogaz spalany był w silniku kogeneracyjnym, jednak po jego awarii ograniczono się do
produkcji ciepła. Obecnie trwają prace nad instalacją nowego silnika i w niedługim czasie
oczyszczalnia będzie nie tylko samowystarczalna pod względem produkcji ciepła, ale również będzie
producentem energii elektrycznej.
Innym przykładem oczyszczalni, w której zastosowano proces beztlenowej fermentacji jest toruńska
oczyszczalnia ścieków, która w 1999 roku skorzystała z pomocy finansowej NFOŚiGW (44%
kosztów). W oczyszczalni powstaje dziennie około 80-90 ton osadów. Pierwotnie były one składowane
na wysypisku, jednak przy tak ogromnej ich ilości dalsze zapełnianie składowiska było nieracjonalne.
Aby temu zapobiec podjęto decyzję o ich unieszkodliwianiu na terenie oczyszczalni. Osady są

obecnie fermentowane, a następnie przygotowywane do przyrodniczego wykorzystania, co przynosi
miejskiej oczyszczalni wymierne korzyści finansowe. Powstający w komorach fermentacyjnych
biogaz, w ilości 200-250 m3/godz., podlega odsiarczaniu, a następnie wykorzystywany jest do
produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Energia ta zaspakaja potrzeby oczyszczalni na
elektryczność w 60%, a na ciepło w całości. Działające agregaty mają istotny wpływ na obniżenie
kosztów funkcjonowania zakładu.
W procesie fermentacji utylizowane są też osady w oczyszczalni w Słupsku. Z osadu produkuje się
rocznie 8 tys. ton kompostu, a docelowo będzie ich 12 tys. ton. Kompost jest dobrej jakości i został
dopuszczony nie tylko do nawożenia zieleńców, ale i do stosowania w rolnictwie.
Technologia fermentacji beztlenowej osadów ściekowych została zastosowana również w Zgorzelcu,
Koszalinie, Puławach, Kobiernikach koło Płocka, Słupsku, Siedlcach, a także w gminach Górzno w
województwie kujawsko-pomorskim i Brzesko w województwie małopolskim.

Zagospodarowanie osadów ściekowych jest integralnym elementem procesu oczyszczania ścieków.
Fermentacja osadów jest racjonalnym sposobem poprawy ich jakości, w kontekście ich stosowania w
rolnictwie, a dodatkowo przynosi efekt w postaci energii cieplnej lub równocześnie elektrycznej i
cieplnej pozyskiwanej w układach kogeneracyjnych. Jednak wprowadzenie efektywnych metod
utylizacji osadów wymaga dużych nakładów i nowoczesnych technologii.

Źródła:
1.Bacza T.: Energetyczne wykorzystanie biogazu. Regionalne Centrum Gospodarki Wodno-Ściekowej.
www.rcgw.pl
2.Łomotowski J., Szpindor A.: Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków. Wyd. Arkady, Warszawa
2002.
3.Oczyszczalnia ścieków w Zamościu. Folder promocyjny. Regionalne Biuro Inicjatyw Gospodarczych,
Zamość 1998.

Dr Alina Kowalczyk-Juśko
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie

Źródło :

http://www.peosa.pl