PROCES FERMENTACJI

Proces fermentacji - wykorzystywany jest do oczyszczania ścieków o dużej zawartości substancji organicznych; dodatkowo, dokonuje się unieszkodliwiania osadów ściekowych.

Proces fermentacji jest procesem oczyszczania ścieków z udziałem mikroorganizmów w warunkach beztlenowych.

Istotą tego procesu jest rozkład substancji organicznych do związków mineralnych, najlepiej do metanu i wody.

Proces fermentacji składa się z dwóch faz:

I faza kwaśna

II faza metanowa

I faza

W fazie kwaśnej ścieki przemysłowe czy osad poddany fermentacji stają śluzowatą strukturą o nieprzyjemnym zapachu, z której dochodzi do wydzielania się gazów, którymi głównie są CO₂, H₂S i merkaptany; przemiany w fazie kwaśnej: dochodzi do rozkładu związków organicznych złożonych do kwasów przy czym dominują następujące produkty:

W zależności od składu ścieków czy osadu:

- z białka w wyniku fermentacji kwaśnej powstają aminokwasy, amoniak, siarkowodór i CO₂

- z tłuszczów: gliceryna i kwas stearynowy

- z węglowodanów: cukry, kwas masłowy i kwas propionowy;

Cukry dalej rozkładają się do kwasu octowego, alkoholu etylowego, alkoholu butylowego oraz do CO₂ i H₂.

Ze względu na dalszy przebieg procesu fermentacji, ważną rolę odgrywają: kwas octowy, kwas masłowy i kwas propionowy. Są to produkty kwaśnej fazy fermentacji, niezbędne dla mikroorganizmów fazy metanowej.

Reakcje zachodzące w fazie fermentacji kwaśnej mają charakter hydrolityczny i nadają środowisku odczyn kwaśny. Najkorzystniej proces przebiega przy pH około 5. Porównując prędkość przebiegu fazy I i II, fermentacja kwaśna przebiega wolniej niż fermentacja metanowa.

Ponieważ w fermentacji kwaśnej powstają metabolity niezbędne dla bakterii metanowych, fermentacja kwaśna jest czynnikiem limitującym całej fermentacji.

II faza

Prowadzi ona do rozkładu wszystkich związków organicznych (wymienionych w I fazie) do formy mineralnej, czyli do metanu i CO₂.

Proces fermentacji metanowej, może przebiegać w temperaturze od 0 do 50^oC. Im wyższa temperatura, tym większa prędkość reakcji.

Proces fermentacji jest bardzo czuły na zmianę temperatury i nawet nagły spadek o 1-2^oC może spowodować wyhamowanie procesu fermentacji.

Parametry, które wpływają na przebieg fermentacji:

*temperatura

W zależności od temperatury, jaką zastosujemy można wykorzystywać różne grupy organizmów beztlenowych

a) 2-30^oC - występowanie w procesie bakterii psychofilowych

b) 30-33^oC - dominują bakterie mezofilowe

c) powyżej 33oC (do 50^oC) - dominują bakterie termofilowe

Na terenie Polski wykorzystuje się fermentacją mezofilową.

* obciążenie komory fermentacji ładunkiem zanieczyszczeń

Jest to ładunek zanieczyszczeń organicznych wyrażony w kg/ jednostkę objętości komory w ciągu 1 doby). W zależności od ładunku zanieczyszczeń jaki dostarczamy do komory, rozróżniamy komory nisko- i wysoko obciążone. Niskoobciążone dominują na terenie Polski. Przyjmuje się, że czas fermentacji osadu powinien wynosić 40 dni.

* mieszanie zawartości komory fermentacji

W trakcie przebiegu procesu fermentacji na powierzchni cieczy w komorze dochodzi do wytworzenia kożucha. Powstaje on z flotującego osadu, tworzy jednolitą warstwę, uniemożliwiającą wydostawanie się gazów z cieczy. W wyniku tego zjawiska dochodzi do punktowego podwyższania się temperatury w objętości cieczy poddawanej fermentacji. Jest to zjawisko niekorzystne, dlatego konieczne jest rozbijanie kożucha. Uzyskuje się to przez zastosowanie mieszadeł mechanicznych lub przez przepompowywanie zawartości komory z jednego miejsca na drugie (najbardziej odległego). Oprócz rozbicia kożucha, mieszanie posiada jeszcze jedną zaletę: zapewnia równomierne wymieszanie świeżego osadu z mikroorganizmami zawartymi w komorze fermentacji.

Przyjmuje się, że czas wymieszania komory powinien wynosić 24h (nie może być dłuższy)

* dawkowanie świeżych osadów do komory fermentacji

Proces fermentacji można prowadzić w sposób ciągły lub okresowy.

Wykres efektywności od czasu

A-B → intensywny wzrost mikroorganizmów (wydajność fermentacji coraz większa)

B-C → ustala się równowaga pomiędzy przyrostem a obumieraniem mikroorganizmów (proces fermentacji przebiega na stałym poziomie)

Po osiągnięciu punktu C mikroorganizmy stopniowo obumierają (brak składników pokarmowych) proces fermentacji zanika.

Niekorzystne okresy: A-B oraz C-D.

W przypadku prowadzenia procesu w sposób cykliczny komorę fermentacji opróżniamy tylko częściowo z osadu przefermentowanego, przefermentowanego w jego miejsce wprowadzamy osad świeży. Osad ten w wyniku mieszania zaszczepiany jest mikroorganizmami, co przyspiesza fazę fermentacji właściwej. Powoduje to skrócenie okresu wpacowania komory i wyeliminowanie z układu okresu spadku efektywności procesu fermentacji.

W układzie cyklicznej fermentacji, nie doprowadzamy do 100% rozkładu związków organicznych, jak to ma miejsce w układzie o pracy ciągłej. Dodatkowo, w układzie o pracy okresowej, może dochodzić do obniżenia temperatury procesów w trakcie wprowadzania świeżego osadu. Może to spowodować niewielkie zmniejszenie efektywności procesu.

W fermentacji biorą udział bakterie beztlenowe, dlatego nie można dopuścić, aby w osadach ściekowych występował tlen rozpuszczony (czynnik hamujący).

* skład osadów ściekowych lub ścieków

Muszą one zaigrać związki organiczne, ale nie mogą zawierać substancji toksycznych (bakterie fermentacyjne są wrażliwe na wszystkie substancje toksyczne).

Produkty procesu fermentacji:

1. Osad ściekowy (poddawany procesowi unieszkodliwiania)lub ścieki przemysłowe mineralizowane

2. Gaz (najlepiej 100% z metanu); ilość metanu jest uzależniona od składu ścieków. Gaz ten wykorzystywany jest do ogrzewania: komór fermentacji, pomieszczeń oczyszczalni. Nadmiar: w zbiornikach do przechowywania gazu oraz spalany w pochodniach.

3. Wody nadosadowe wydzielane w komorze fermentacji (jeżeli prowadzimy ją w sposób ciągły). Posiadają one dość duży stopień zanieczyszczenia. Wody te zawracane są do układu oczyszczania. Najczęściej wprowadzane są przed komorę osadu czynnego (dalej ze ściekami są oczyszczane)

OSADY. PROCES UNIESZKODLIWIANIA OSADÓW ŚCIEKOWYCH.

W trakcie oczyszczania ścieków na terenie oczyszczalni dochodzi do wydzielenia ze ścieków zawiesin pochodzenia organicznego lub mineralnego, które stanowią osady ściekowe. Osady te trzeba zagospodarować.

W zależności od miejsca powstania wyróżniamy:

- osady mineralne wydzielane w piaskowniku, najczęściej są to piaski, zanieczyszczone niewielką ilością związków organicznych. Osad taki poddawany jest procesowi płukania w celu wymycia zanieczyszczeń organicznych (wywożony na wysypisko)

- osad wydzielany w osadnikach wstępnych, dominują zanieczyszczenia organiczne wydzielane w procesie sedymentacji, ulegają one dalszemu oczyszczaniu w procesie fermentacji

- osady biologiczne wydzielane w osadnikach wtórnych, gdy złoża biologiczne: obumarła błona biologiczna lub osad czynny nadmierny

- osad mieszany biologiczno-chemiczny uzyskujemy go w przypadku chemicznej defosfatacji

Cechy osadów ściekowych:

- niestabilność biologiczna (osady mogą ulegać procesowi zagniwania)

- dość duża objętość (spowodowana wysokim stopniem uwodnienia osadu);

W osadzie ściekowym wyróżniamy:

a) wody wolne występujące w większości przestrzeni międzycząsteczkowych

b) wody kapilarne występujące w kanalikach włoskowatych (są one niezależne od działania sił grawitacji w odróżnieniu od wód wolnych

c) wody związane chemicznie i wody związane w siatce krystalicznej osady lub wody koloidalne

d) wody związane biologicznie

Osady ściekowe charakteryzowane są podobnie jak ścieki.

Inne cechy osadów ściekowych:

* fizyczne:

- zapach

- barwa

- gęstość

- zawartość zawiesin

- odczyn

- kwasowość i zasadowość

oraz:

* właściwości hydrauliczne (określają możliwości transportu hydraulicznego osadów oraz odpowiednie obliczenie przewodów)

* zdolność do fermentacji (do wymiarowania urządzeń)

* właściwości filtracyjne (określają zdolność do odwadniania) - pozwalają określić czy osady mogą być dalej unieszkodliwiane w warunkach naturalnych czy w procesach mechanicznych

* ciepło spalania (opłacalność unieszkodliwiania osadu na drodze termicznej)

* właściwość nawozowa (przydatność osadów do wytworzenia kompostu - rolnictwo, leśnictwo lub ogrodnictwo)

Proces unieszkodliwiania osadu

I stabilizacja osadu

Istotą tego procesu jest pozbawienie osadu ściekowego tendencji do zagniwania, czyli jest to rozkład związków organicznych na związki mineralne (najlepiej H2O i CO2) lub na związki prostsze.

a) stabilizacja w warunkach tlenowych

b) stabilizacja w warunkach beztlenowych

Stabilizacja w warunkach tlenowych

Rozkład związków organicznych przez mikroorganizmy w środowisku intensywnego doprowadzania tlenu. Osad ściekowy wprowadzamy do komory, do której doprowadzamy tlen tak długo, aż mikroorganizmy spowodują rozkład.

Stabilizacja w warunkach beztlenowych

Fermentacja beztlenowa najczęściej w komorze zamkniętej.

Należy zmniejszyć objętość osadu:

- proces zagęszczania

Z osadu eliminujemy wodę wolną. Jest to proces sedymentacji w urządzeniach zwanych zagęszczaczami. Zagęszczanie może być czasami przyspieszane przez mieszanie osadu. Wodę wolną zawracamy do procesu oczyszczania ścieków.

Odwadnianie osadu w warunkach naturalnych:

* laguny

* poletka osadowe

Laguny - zbiorniki ziemne o uszczelnionym dnie, o głębokości całkowitej około 3 m, czas eksploatacji laguny 3 lata

W 1. roku: wypełnianie laguny osadami ściekowymi (wielopunktowo lub jednopunktowo)

W 2. roku: proces odwadniania; dominuje proces filtracji

W 3. roku: renowacja laguny i jej opóźnianie

Poletka osadowe - tereny, na których rozłożony jest system drenu, następnie warstwa żwiru i warstwa piasku. Na taką nawierzchnię wylewa się osady ściekowe. Osad rozlewa się jednowarstwowo (grubość warstwy: 30-40 cm). Czas odwadniania osadu uzależniony jest od warunków atmosferycznych, nie powinien być dłuższy niż 3 miesiące. Wykorzystuje się tu proces filtracji i parowania. Po odwodnieniu osada jest zbierany z poletka (na poletku cykl się powtarza)

Odwadnianie mechaniczne:

* prasy o różnej konstrukcji

osad w prasach poddawany jest działaniu zwiększonego ciśnienia (usunięcie z osadu wody związanej)

* metoda odwirowania osadów

wykorzystujemy siłę odśrodkową, usuwana jest woda związana

* suszenie termiczne

proces ten odbywa się w specjalnych piecach półkowych lub bębnowych, osad poddawany jest działaniu powietrza o podwyższonej temperaturze, temperatura do 600^oC (gdy chcemy tylko wysuszyć, a nie spalić), można tu usunąć nawet wody związane biologicznie

Osad po obróbkach może zawierać: węgiel, azot, fosfor oraz patogenny (mikroorganizmy chorobotwórcze oraz ich formy przetrwalnikowe).

Dlatego można osad:

*spalić

*kompostować

I. proces higienizacji osadu, który odbywa się w wyniku procesu wapnowania

II. uzyskanie odpowiedniego składu osadu (mieszanie osadów ściekowych z materiałem zawierającym związki węglowe: słoma lub trociny)

Po wymieszaniu następuje formowanie kopca, w którym zachodzi proces kompostowania:

I faza - samoczynny, gwałtowny wzrost temp. do około 70^oC; dochodzi do masowego rozwoju bakterii termofilnych, które rozkładają związki organiczne (powodują utlenianie białka, węglowodanów i tłuszczy), proces ten trwa 10-14 dni

II faza - faza spadku temperatury (40-60^oC); towarzyszy mu proces mineralizacji i humifikacji (powstawanie próchnicy; w kopcu rozwijają się bakterie glebowe i grzyby), proces ten trwa 4-8 tygodni

III faza - dojrzewanie kompostu; powolny spadek temp., zanikają bakterie termofilne, pojawiają się bakterie mezofilne; miernikiem zakończenia procesu kompostowania jest wystąpienie w pryzmie azotanów i fosforanów oraz odpowiedni stosunek C:N (16:1 lub 20:1) oraz C:P (100:1)

Po zakończeniu procesu kompostowania, kompost jest badany czy spełnia wszystkie warunki. Kompost jest dalej zagospodarowywany.

---