GOSPODARKA OSADOWA W OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW
WYDZIAA
INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI
POLITECHNIKA ÅšL
SKA
OCHRONA ÅšRODOWISKA
III ROK
INSTRUKCJA DO ZAJ
Ć LABORATORYJNYCH
Z PRZERÓBKI OSADÓW ŚCIEKOWYCH
FERMENTACJA OSADÓW
OPRACOWAA
:
MGR INÅ». MARCIN JANIK
INSTYTUT INŻYNIERII WODY I ŚCIEKÓW
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 wykorzystujÄ…cym 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]:
-ð Faza hydrolityczna - bakterie hydrolityczne za pomocÄ… enzymów rozpuszczajÄ…
nierozpuszczalne substancje organiczne (polimery) zawarte w osadach do związków
rozpuszczalnych w wodzie.
-ð Faza kwaÅ›na - bakterie kwasowe rozkÅ‚adajÄ… powstaÅ‚e zwiÄ…zki do prostych kwasów
organicznych, alkoholi, aldehydów oraz wodoru i dwutlenku węgla. Pierwsza i druga
faza fermentacji nosi miano fermentacji kwaśnej.
-ð Faza octanogenna - nastÄ™puje przemiana prostych zwiÄ…zków organicznych do kwasu
octowego.
-ð Faza metanowa - z kwasu octowego, wodoru i dwutlenku wÄ™gla 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 zawierajÄ…cy 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 35-400C), termofilowych (50-550C) 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.
1
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 m3/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 siÄ™ 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 siÄ™ zwykle osadem przefermentowanym [4].
W układzie statycznym kinetyka produkcji biogazu wynika z faz rozkładu materii
organicznej. Proces ten przedstawia siÄ™ za pomocÄ… 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.
2
BADANIA LABORATORYJNE FERMENTACJI OSADÓW ŚCIEKOWYCH
Oznaczenie podatności osadu na stabilizację beztlenową z określeniem intensywności
wydzielania biogazu wykonuje siÄ™ zgodnie z niemieckÄ… normÄ… 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 350C. Osady fermentowane sÄ… w warunkach statycznych, polegajÄ…cych 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:
-ð suchÄ… masÄ™ osadu,
-ð suchÄ… masÄ™ organicznÄ… mineralnÄ….
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..
3
Tab.4. Proporcje ilości osadów przyjętych do badań.
Rodzaj i udział badanego Proporcje osadów [g]
osadu w próbie [400ml] osad badany osad zaszczepiający mieszanina
Osad przefermentowany
(zaszczepiajÄ…cy) 0 400 400
Osad wstępny zagęszczony -
udział 20% 80 320 400
Osad nadmierny zagęszczony -
udział 20% 80 320 400
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
Współczynnik
wydzielania
Obliczony udział Objętość gazu
Suma Intensywność biogazu w
Czas trwania biogazu z osadu netto
wydzielonego wydzielania odniesieniu do
badania przefermentowa (różnica kolumn
biogazu z próby biogazu doprowadzonej
nego 2 i 3)
suchej masy
organicznej
1 2 3 4 5 6
[doba, godzina] [ml] [ml] [ml] [l/d] [l/kg SMOdopr]
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.
4
Tab.6. Zestawienie wyników badań stabilizacji osadów ściekowych
Próba osadu
osad
osad osad
nadmiern
szczepiąc wstępny
Parametr Jednostka
y
y - zagęszczo
zagęszczo
przeferme ny
ny
ntowany 20%
20%
1 2 5 6 7
% SM
Sucha masa osadu przed fermentacjÄ…
g SM /l
Sucha masa mineralna przed ferment. % SMM
% SMO
Sucha masa organ. przed fermentacjÄ…
g SMO /l
% SM
Sucha masa osadu po fermentacji
g SM /l
Sucha masa mineralna po fermentacji % SMM
% SMO
Sucha masa organiczna po ferment.
g SMO /l
g SMO/l
Ubytek suchej masy org. w fermentacji
%
Sumaryczna objętość wytworzonego gazu z
l/kg osadu
próby osadu
Sumaryczna objętość netto wytworzonego
l/kg osadu
osadu
Współczynnik wydzielania biogazu l/g SMO
przelicz. na doprowadzonÄ… SM org. dopr.
Współczynnik wydzielania biogazu l/g SM
przelicz. na doprowadzonÄ… SM dopr.
Współczynnik wydzielania biogazu l/g SMO
przelicz. na usuniętą SM org. us.
5
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:
WodociÄ…gi 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 ÅšlÄ…ska, Gliwice, 1994.
9. DIN 38414-Teil8; Deutsche Norm: Schlamm und Sedimente (Gruppe S)  Bestimmung des
Faulverhaltens (S 8).
6