Elżbieta Kryszczuk

Stanisław Żółty

Osady ściekowe jako surowiec do produkcji biogazu w Oczyszczalni Ścieków w Sitkówce.

1. Ogólne informacje o oczyszczalni.

Oczyszczalnia stanowi zespół obiektów i urządzeń służących do mechaniczno-biologicznego oczyszczania ścieków oraz przeróbki i unieszkodliwiania osadów ściekowych. Jest ona największą oczyszczalnią komunalną na terenie województwa świętokrzyskiego. Została oddana do eksploatacji w 1974 r. i przyjmuje ścieki z Kielc, gminy Sitkówka-Nowiny i zachodniej części gminy Masłów. Przepustowość części wstępnej i osadowo-gazowej oczyszczalni wynosi Qd_śr=72.000 m³/d. Przepustowość części biologicznej wynosi Qd_śr=40.700 m³/d. Obecnie do oczyszczalni dopływa Qd_śr=40.000 m³ ścieków /d. W ogólnej ilości ścieków dopływających 85% stanowią ścieki socjalno-bytowe, a 15% ścieki przemysłowe (głównie przemysł spożywczy i metalurgiczny).

2. Przebieg procesu oczyszczania.

Dopływające grawitacyjnie ścieki kierowane są do części wstępnej, gdzie są mechanicznie podczyszczane na trzech kratach schodkowych, trzech piaskownikach napowietrzanych z wydzielonym usuwaniem tłuszczu, po których odpływają do pompowni. Ze studni zbiorczej pompowni są przetłaczane do czterech osadników wstępnych.

Mechaniczne kraty schodkowe

• ilość: 3

• produkcja: Hydropress

• przepustowość: Qh_max= 2 x 2400m³/h + 1200m³/h

• prześwit: 3 mm

Dwukomorowe Piaskowniki Napowietrzane z komorami odtłuszczającymi

• ilość: 3

• pojemność całkowita: 2 x 400m³ + 200m³

• przepustowość: Qh_max= 2 x 2400m³/h + 1200m³/h

Pompownia Główna

• pompy: 40 F64-5/s

• wydajność: 4 x 1720m³/h

Osadniki Wstępne

• ilość: 4

• typ: poziomo-odśrodkowe ORws 30/2,0

• średnica: 30m

• wysokość czynna: 2m

• pojemność czynna: 1400m³

Rys.1 Schemat technologiczny oczyszczalni ścieków w Sitkówce.

Po oczyszczeniu mechanicznym, ścieki przepływają korytem otwartym do oczyszczenia biologicznego. Stopień biologiczny oparty jest na metodzie jednostopniowego osadu czynnego pracującego w dwóch systemach Komór Napowietrzania, współpracujących z Osadnikami Wtórnymi. Pierwszy system stanowią 2 bliźniacze Komory typu KNAP napowietrzane aeratorami powierzchniowymi z wirnikami o osi pionowej ( po 2 w każdej komorze ), natomiast drugi system Komory typu INKA ( 6 komór ) - napowietrzane sprężonym powietrzem. W komorach tych zachodzi proces rozkładu rozpuszczonych w ściekach, złożonych związków organicznych przy udziale mikroorganizmów osadu czynnego. Wymieszane z osadem czynnym ścieki przepływają do czterech osadników wtórnych, gdzie odbywa się proces ich klarowania. Ścieki oczyszczone odpływają z osadników przelewami pilastymi do koryta zbiorczego i dalej do odbiornika - rzeki Bobrzy.

Komory Napowietrzania INKA KNAP

• ilość komór: 6 2

• wymiary komory w rzucie: 45x3m 42x21m

• wysokość czynna: 2,7m 4,2m

• pojemność czynna komór: 2187m³ 3200m³

Osadniki Wtórne

• typ: poziomo-odśrodkowe DORRA

• ilość: 4

• średnica: 30m

• wysokość czynna: 3m

• pojemność czynna: 2100m³

Przeróbka osadów powstających w procesie oczyszczania ścieków polega na ich wstępnym grawitacyjnym i mechanicznym zagęszczeniu, beztlenowej fermentacji metanowej w komorach zamkniętych oraz końcowym mechanicznym odwodnieniu osadu przefermentowanego i jego higienizacji wapnem palonym.

3. Rodzaje i charakterystyka powstających osadów ściekowych.

Osady ściekowe stanowią uboczny produkt oczyszczania ścieków. W ich skład wchodzą cząstki stałe mineralne i organiczne, ciecz osadowa z rozpuszczonymi w niej substancjami oraz pęcherzyki gazów.

Wyróżniamy następujące rodzaje osadów ściekowych:

• Osady wstępne - wydzielane są w osadnikach wstępnych, w procesie

mechanicznego oczyszczania ścieków

• Osady wtórne (nadmierne) - powstają w osadnikach wtórnych, w wyniku

oddzielania ze ścieków osadu czynnego.

Wymienione osady noszą nazwę Osadów Surowych, charakteryzują się dużą zagniwalnością, nieprzyjemnym zapachem oraz ze względu na zawartość mikroorganizmów chorobotwórczych, znacznym zagrożeniem sanitarnym. Stanowią 1-2% ogólnej objętości dopływających ścieków. Zawierają wodę na poziomie 99% i materię organiczną na poziomie 81,5%.

Aby osady surowe mogły być wykorzystane muszą ulec przetworzeniu na ciągu osadowym. Procesy przetwarzania polegają na zmniejszeniu ich objętości - przez ich zagęszczanie i odwadnianie oraz na zmniejszeniu ich uciążliwości zapachowej, zdolności do zagniwania oraz zagrożeń sanitarnych - na drodze fermentacji i higienizacji. Na kolejnych etapach przeróbki powstają:

• Osady zagęszczone

• Osady przefermentowane

• Osady odwirowane

• Osady higienizowane.

Tab.1 Podstawowe parametry technologiczne części osadowej

(wielkości średnie dobowe z okresu 1998 - 2005 r.)

Lp.	Rodzaje osadów	Ilość osadów m^3/d	pH	Części organiczne %	Części mineralne %
1.	Osad nadmierny przed zagęszczeniem o uwodnieniu 99%	500	7,0-7,2	81,5	18,5
2.	Osad wstępny zagęszczony grawitacyjnie o uwodnieniu 96%	250	5,6-6,1	76,1	23,9
3.	Osad nadmierny zagęszczony mechanicznie o uwodnieniu 95%	100	6,5-7,0	81,5	18,5
4.	Osad przefermentowany o uwodnieniu 97,6%	350	7,2-7,4	66,1	33,9
5.	Osad po odwirowaniu o uwodnieniu 79%	30	7,6-7,8	66,0	34,0

4. Przeróbka osadowo-gazowa.

1. Ciąg przeróbki osadowej pracuje w oparciu o proces jednostopniowej, mezofilowej fermentacji metanowej.

W skład ciągu osadowego wchodzą:

• pompownia osadu wstępnego wraz z jego zagęszczaniem w lejach osadników wstępnych

• 3 obrotowe zagęszczacze sitowo-bębnowe osadu nadmiernego KRUGER - sumaryczna wydajność 120 m³/h

• 2 zamknięte komory fermentacyjne o pojemności łącznej 8.400m³

• zbiornik buforowy osadu - poj. 641 m³

• rozdrabniarka osadu przefermentowanego o wyd. 40 m³/h

• 2 wirówki odwadniające osad przefermentowany GUINARD - sumaryczna wydajność 40 m³/h

• stacja higienizacji osadu wapnem palonym o wyd. 5,4 m³/d

Proces fermentacji odbywa się w 2 cylindrycznych, zamkniętych komorach pełnego wymieszania, pracujących równolegle. Doprowadzany jest do nich osad wstępny, zagęszczony grawitacyjnie i osad nadmierny zagęszczony mechanicznie.

Rys.2 Widok ogólny komór WKFZ

Fermentacja mezofilowa jest skomplikowanym procesem biochemicznych przemian, przeprowadzanych przez wyspecjalizowane grupy bakterii beztlenowych. W wyniku ich działania złożone związki organiczne, takie jak białka, tłuszcze i węglowodany zostają rozłożone do głównych produktów CO₂ i H₂O oraz metanu. Fermentacja przebiega w temperaturze 35-37^OC, przez okres 24 dni. Aby procesy przebiegały prawidłowo warunki panujące w komorach muszą być stałe. Stała temperatura jest utrzymywana przez podgrzewanie osadu w rurowych wymiennikach ciepła, natomiast jednorodność osadu przez mieszanie całej zawartości komór za pomocą mieszadeł wolnoobrotowych ( po 1 w komorze).

Osad przefermentowany odpływa z obu komór do zbiornika buforowego w celu odgazowania i uśrednienia, stamtąd jest podawany do odwodnienia i higienizacji. Przetworzony, ustabilizowany osad odwożony jest na place składowe, poddawany okresowym badaniom fizyko-chemicznym i biologicznym. Na ich podstawie, ze względu na dużą wartość nawozową jest wykorzystywany przyrodniczo do rekultywacji i nawożenia gruntów.

2. Ciąg przeróbki gazowej.

Powstający w wyniku fermentacji gaz nosi nazwę biogazu, jest ujmowany w górnej części komór fermentacyjnych. Z 1 kg wprowadzonej suchej masy osadu powstaje 0,33 m³ biogazu, a z 1 kg zredukowanej suchej masy 0,76 m³. Daje to dobową produkcję na poziomie ok. 5000 m³. Wartość opałowa zawiera się w granicach 22-23 MJ.

Skład biogazu:

• Metan (CH₄) - 63 - 65%

• Dwutlenek węgla (CO₂) - 33 - 36%

• Azot (N₂) - 0,5 - 2,0%

• Tlen (O₂) - 0 - 1,7%

• Wodór (H₂) - 0 - 1,0%

• Siarkowodór (H₂S) - 0,1 - 0,2%

Powstający biogaz podlega przeróbce i wykorzystaniu na ciągu gazowym, w jego skład wchodzą:

• 4 kolumnowe odsiarczacze z rudą darniową (wodorotlenek żelaza) - następuje tu redukcja siarkowodoru

• Zbiornik biogazu typu mokrego o poj. 500 m³

• 2 zespoły prądotwórcze złożone z silnika i generatora, produkcja energii elektrycznej 404 kW (z 1 generatora ), odzysk energii cieplnej 510 kW ( z 1 silnika)

• kotłownia gazowa - 2 kotły BUDERUS, każdy o mocy cieplnej 455 kW

5. Wykorzystanie biogazu.

Wysoka wartość opałowa otrzymywanego biogazu pozwala na jego różnorodne wykorzystanie. Z jego dobowej produkcji aż 90,26% jest wykorzystywana w zespołach prądotwórczych do produkcji energii elektrycznej i cieplnej, tylko 9,74% jest zużywana przez inne odbiorniki, takie jak kotłownia, kuchenka gazowa lub w przypadku konserwacji silników pochodnia gazu.

W skład zespołu prądotwórczego wchodzi wysokoprężny silnik spalinowy sprzężony z prądnicą synchroniczną. Dokładne dane zespołu przedstawia tabela nr 2.

Tab.2 Dane techniczne zespołu prądotwórczego

	OPIS	DANE TECHNICZNE
1.	Silnik gazowy CATERPILLAR	typ G3412
2.	Układ cylindrów	widlasty (65^o)
3.	Liczba cylindrów	12
4.	Średnica cylindra	137mm
5.	Skok tłoka	152mm
6.	Stopień sprężania	11,3
7.	Pojemność	27000cm^3
8.	Moc znamionowa	419kW
9.	Prędkość obrotowa znamionowa	1500 1/min.
10.	Zasada pracy	czterosuw z zapłonem iskrowym, turbodoładowany z intercoolerem
	OPIS	DANE TECHNICZNE
1.	Prądnica synchroniczna trójfazowa, bezszczotkowa, samowzbudna SR4	typ SET model 3412
2.	Moc czynna	404kW

Produkcja biogazu na naszej oczyszczalni pozwala na ciągłą pracę jednego zespołu, przy zużyciu ok.160 m³biogazu/h, drugi włącza się okresowo 3-4godzin w ciągu doby. Sterowanie ich pracą odbywa się w sposób automatyczny i jest uzależnione od ilości gazu w zbiorniku.

W okresie 8 lat eksploatacji silników, przy średniej ilości 4 450 m³ /d biogazu zużytego przez silniki, wyprodukowano 9 287 kWh/d energii elektrycznej, daje to jednostkowe zużycie biogazu potrzebne do wyprodukowania 1kWh na poziomie 0,48 m³. W tym samym okresie produkcja energii cieplnej wyniosła 13 638 kWh/d

Rys.3 Bilans energetyczny zespołów prądotwórczych średnio dobowo w okresie 1998 - 2005

Produkowana przez silniki energia elektryczna wykorzystywana jest na potrzeby oczyszczalni jako podstawowe i awaryjne źródło zasilania i zaspokaja 70% jej zapotrzebowania. Współpraca generatorów z siecią energetyki zawodowej pozwala na odprowadzanie chwilowych nadwyżek wyprodukowanej energii do sieci.

Produkowana energia cieplna pochodząca z chłodzenia bloku silnika i spalin przekazywana jest poprzez wymienniki ciepła do instalacji grzewczej oczyszczalni ścieków. Uzyskana energia cieplna w ilości 510kW (z jednego silnika) jest wykorzystywana na potrzeby technologiczne (podgrzewanie osadu w komorach WKFZ) jak i socjalne (centralne ogrzewanie i ciepła woda) i pokrywa 100% zapotrzebowania przy temperaturze zewnętrznej do -15^oC. W przypadku obniżenia się temperatury zewnętrznej poniżej -15^oC istnieje możliwość włączenia do pracy kotłów gazowych. W zależności od warunków silniki i kotły mogą pracować równolegle. W okresie letnim nadmiar produkowanego ciepła odprowadzany jest do atmosfery za pomocą chłodnicy, aby umożliwić ciągłą produkcję elektryczności.

W omawianym okresie średnie dobowe zapotrzebowanie oczyszczalni na energię elektryczną wyniosło 13 093 kWh/d, zakupiono 5 157 kWh/d, sprzedano do sieci energetyki 1 351 kWh/d.

Rys.3 Produkcja, zakup, sprzedaż i zużycie energii elektrycznej średnio dobowo w okresie

1998 - 2005

6. Podsumowanie.

Prowadzone na oczyszczalni procesy przeróbki osadów ściekowych pozwalają na:

• zmniejszenie uciążliwości produkowanych w trakcie oczyszczania ścieków osadów surowych

• powrót do obiegu ekologicznego wytworzonych osadów w postaci naturalnego nawozu organicznego

• produkcję biogazu o dużych wartościach opałowych

• wykorzystanie biogazu jako surowca energetycznego do produkcji energii elektrycznej i cieplnej

• zagospodarowanie 70% wytwarzanej energii elektrycznej na potrzeby własne, a także sprzedaż nadwyżek do sieci miejskiej

• odzysk energii cieplnej w ilościach zaspokajających 100% zapotrzebowania oczyszczalni

mgr Elżbieta Kryszczuk - „Wodociągi Kieleckie” Sp. z o.o.

Technolog Oczyszczalni Ścieków w Sitkówce tel.[phone]

² mgr inż. Stanisław Żółty - Kierownik Oczyszczalni Ścieków w Sitkówce.

1

9

STRATY

7960,335MWh [17,97%]

ENERGIA ELEKTRYCZNA

15539,12MWh [35,05%]

BIOGAZ

7266870m³x6,1kWh/m³

=44327,9MWh

AGREGAT PRĄDOTWÓRCZY

ENERGIA CIEPLNA

20827,445MWh [46,98%]

STRATY

7960,335MWh [17,97%]

ENERGIA ELEKTRYCZNA

15539,12MWh [35,05%]

BIOGAZ

7266870m³x6,1kWh/m³

=44327,9MWh

AGREGAT PRĄDOTWÓRCZY

ENERGIA CIEPLNA

20827,445MWh [46,98%]

AGREGAT PRĄDOTWÓRCZY

BIOGAZ

7266870m³x6,1kWh/m³

=44327,9MWh

ENERGIA ELEKTRYCZNA

15539,12MWh [35,05%]

STRATY

7960,335MWh [17,97%]

ENERGIA CIEPLNA

20827,445MWh [46,98%]

AGREGAT PRĄDOTWÓRCZY

BIOGAZ

7266870m³x6,1kWh/m³

=44327,9MWh

ENERGIA ELEKTRYCZNA

15539,12MWh [35,05%]

STRATY

7960,335MWh [17,97%]

ENERGIA CIEPLNA

20827,445MWh [46,98%]

AGREGAT PRĄDOTWÓRCZY

BIOGAZ

4 450 m³x 6,1 kWh/m³

= 27 145 kWh [100%]

ENERGIA ELEKTRYCZNA

9 287 kWh [34,2%]

STRATY

4 220 kWh [15,8%]

ENERGIA CIEPLNA

13 638 kWh [50%]

---