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 zródło 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 użyzniania 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 yródło: 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. yródła: 1.Bacza T.: Energetyczne wykorzystanie biogazu. Regionalne Centrum Gospodarki Wodno-Ściekowej. www.rcgw.pl 2.Aomotowski 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 yródło : http://www.peosa.pl