Zagadnienia do nauczenia:
Fermentacja ścieków
Definicja i przykłady zastosowań fermentacji (wykład)
Etapy fermentacji złożonych związków organicznych (wykład)
Zasada działania komór fermentacji metanowej (materiały)
Beztlenowy proces kontaktowy - schemat, zasada działania (wykład + materiały)
Zasada działania beztlenowych reaktorów UASB ze schematem (wykład + materiały)
Wymień i zdefiniuj podstawowe parametry technologiczne fermentacji (materiały).
Fermentacja odpadów:
Kryteria podziału metod fermentacji odpadów (wykład + materiały)
Fermentacja mokra - opis procesu (wykład)
Fermentacja sucha - opis procesu (wykład)
Systemy wielostopniowe - cel i zasada procesu (wykład + materiały)
Systemy przetwarzania odpadów z perkolacją (wykład)
Skład i charakterystyka biogazu (wykład)
Oczyszczanie ścieków metodą fermentacji metanowej
Tradycyjnie procesy beztlenowe znajdują zastosowanie do oczyszczania ścieków zawierających wysokie stężenia łatwo rozkładalnych związków organicznych. Ścieki zawierające biologicznie rozkładalne substancje organiczne w wysokim stężeniu powstają w następujących sektorach przemysłowych:
przetwórstwo mleka, przetwórstwo owoców i warzyw, przetwórstwo ziemniaków, przemysł mięsny, browary, produkcja tłuszczów roślinnych i zwierzęcych, cukrownie i inne.
Fermentację metanowa ścieków prowadzi się w różnego typu reaktorach. Reaktory beztlenowe, w którym doprowadzenie i odprowadzenie ścieków ma charakter ciągły są określane jako reaktory przepływowe. Reaktory przepływowe z całkowitym wymieszaniem nazywane są komorami fermentacji. Komory fermentacji charakteryzują się zróżnicowaną budową. Najogólniej dzielimy je na komory z całkowitym wymieszaniem oraz z przepływem tłokowym.
W komorach z całkowitym wymieszaniem, zawartość reaktora jest mieszana, w stopniu umożliwiającym uzyskanie homogenicznej masy w całej objętości reaktora. Dzięki natychmiastowemu i ciągłemu mieszaniu dopływu z zawartością reaktora, stężenie poszczególnych składników (związków organicznych, biomasy) w reaktorze i w strumieniu ścieków opuszczających reaktor są identyczne.
W komorach fermentacji hydrauliczny czas retencji ścieków jest definiowany jako stosunek natężenia przepływu (Q m3/d) do objętości reaktora (V). Średni czas przebywania mikroorganizmów w reaktorze odpowiadający stosunkowi masy mikroorganizmów w reaktorze do masy mikroorganizmów odprowadzanej z reaktora w jednostce czasu jest równy hydraulicznemu czasowi zatrzymania. W przypadku oczyszczania ścieków, mała szybkość wzrostu bakterii w warunkach beztlenowych ogranicza efektywność procesu. Z tego powodu obecnie rzadko znajdują zastosowanie do tego celu i tylko w przypadku ścieków o wysokim stężeniu związków organicznych. Powszechnie tego typu reaktory są wykorzystywane do stabilizacji osadów ściekowych oraz przetwarzania odpadów komunalnych na biogaz.
W komorach fermentacji z przepływem tłokowym, po ich zasileniu strumień ścieków zasilający reaktor przepływa wzdłuż długości (reaktory poziome) lub wysokości (reaktory pionowe) w kierunku wylotu. Teoretycznie, w reaktorach z tłokowym przepływem składniki nie powinny ulegać wymieszaniu. W czasie przepływu przez reaktor stężenia poszczególnych składników ulegają zmianie stosownie do zachodzących przemian biochemicznych. W rzeczywistości z powodu dyspersji, dochodzi do ich częściowego wymieszania.
Konwencjonalne systemy oczyszczania ścieków metodą fermentacji metanowej prowadzone w komorach fermentacji nie są konkurencyjne z procesami tlenowymi. W umiarkowanych i chłodnych strefach klimatycznych, dla utrzymania odpowiedniej temperatury zachodzi potrzeba ogrzewania reaktorów, a efektywność usuwania zanieczyszczeń jest niższa w porównaniu z osadem czynnym.
Konkurencyjność metody można zwiększyć skracając czas zatrzymania ścieków z wymiaru dni do godzin. W tym celu intensywnie rozwijane są nowe bioreaktory umożliwiające zwiększenie koncentracji biomasy w formie zawieszonej, rosnącej na wypełnieniach stałych i ruchomych w postaci błony biologicznej oraz reaktory hybrydowe. Dzięki skróceniu czasu zatrzymania ścieków, zmniejszeniu ulegają nakłady inwestycyjne ponoszone na budowę komór, a niższe w porównaniu z tlenowymi koszty eksploatacji obiektów i produkcja biogazu stanowią dodatkowe przesłanki zachęcające do stosowania fermentacji. Obecnie wszystkie nowoczesne rozwiązania techniczne i technologiczne są oparte na koncepcji zwiększania czasu zatrzymania mikroorganizmów w reaktorze.
Beztlenowy proces kontaktowy (ACP - Anaerobie Contact Process) W beztlenowym procesie kontaktowym zasada działania jest analogiczna jak osadu czynnego. W najprostszym przypadku system składa się z komory beztlenowej z całkowitym wymieszaniem oraz osadnika wtórnego.
Ścieki są mieszane z recyrkulowanym osadem i kierowane do komory fermentacji. Z komory fermentacji, mieszanina ścieków i osadu przepływa do osadnika, gdzie następuje klarowanie i oddzielenie oczyszczonych ścieków od biomasy. Po sedymentacji część biomasy jest zawracana do komory (recyrkulowana) a pozostała część odprowadzana z układu. W procesie kontaktowym ilość wytwarzanej biomasy nie jest duża, co wynika z niskiej szybkości wzrostu bakterii beztlenowych.
Beztlenowy proces kontaktowy pozwala na wydłużenie średniego czasu przebywania mikroorganizmów w systemie dzięki recyrkulacji. Regulując ilość recyrkulowanego osadu możemy zwiększać średni czas przebywania mikroorganizmów w reaktorze. Dzięki recyrkulacji uzyskuje się również odpowiednio wyższą koncentrację biomasy rzędu 4-6 kg/m3, w zależności od zdolności sedymentacyjnej osadu i stężenia dopływających ścieków.
Niektóre systemy ACP są wyposażone w urządzenia do odgazowania, umieszczone przed osadnikiem. Usunięcie pęcherzyków biogazu, pozwala na lepszą sedymentację i zapobiega flotacji osadu na powierzchni osadnika.
W innych systemach funkcję osadnika może pełnić umieszczony wewnątrz zbiornik do sedymentacji biomasy lub separator lamelowy.
Reaktor z recyrkulacją został skonstruowany do oczyszczania ścieków zawierających wysokie stężenie zawiesin, co sprzyja powstawaniu łatwoopadających kłaczków. Proces kontaktowy daje dobre efekty przy ChZT dopływu od 1500 do 5000 mg/dm3, czasie zatrzymania ścieków od 2 do 10 h, obciążeniu komory od 0,48 do 2,4 kg ChZT/m3.d. Sprawność oczyszczania mierzona wskaźnikiem ChZT wynosi od 75 do 90%.
Reaktory z warstwą zawieszonego osadu (UASB). Warunkiem koniecznym dla jego prawidłowego funkcjonowania jest odpowiednia granulacja biomasy o średnicy granul 1-3 mm. Granulacja umożliwia utrzymanie wysokiego stężenia biomasy w reaktorze, dzięki czemu można zwiększyć obciążenie komory i skrócić hydrauliczny czas zatrzymania ścieków. Czynnikiem sprzyjającym granulacji jest odpowiedni skład ścieków i konstrukcja reaktora. Najbardziej skutecznie proces zachodzi w przypadku oczyszczania ścieków zawierających węglowodany w wysokim stężeniu, których fermentacja prowadzi do wytwarzania jako produktów pośrednich dużych ilości niskocząsteczkowych kwasów organicznych oraz alkoholi. Reaktory z warstwą zawieszonego osadu stosuje się do oczyszczania ścieków pochodzących z cukrowni buraczanych, przetwórstwa ziemniaków, kukurydzy, pszenicy, produkcji skrobi ziemniaczanej oraz drożdżowni i browarów. W ciągu kilku ostatnich lat zaczęto je stosować także w przemyśle celulozowo-papierniczym, tekstylnym, chemicznym i farmaceutycznym.
Zasada działania. Zasadniczy element stanowi zbiornik o odpowiedniej konstrukcji. Ścieki są doprowadzane od dołu reaktora i przepływają przez reaktor z niewielką szybkością od 1 do 3 m⋅h-1. Wytworzone granule charakteryzują się dużą gęstością i wykazują tendencję do zagęszczania się na dnie reaktora tworząc gęstą warstwę. Cząsteczki o mniejszej średnicy i gęstości znajdują się w stanie zawieszonym w środkowej i górnej części reaktora. Z uwagi na stężenie biomasy w reaktorze wyróżniamy silnie upakowaną warstwę granul w formie złoża, która zajmuje ok. 30% objętości reaktora. W tej strefie, stężenie suchej masy wynosi od 100 do 150 g/m3. Dzięki dużemu stężeniu biomasy w tej części proces zachodzi z największą efektywnością. W pozostałej części biomasa znajduje się w stanie fluidyzacji. W górnej części reaktora stężenie biomasy jest najmniejsze.
W procesie oczyszczania ścieków w reaktorach UASB istotnym problemem technicznym i technologicznym jest oddzielenie gazu od osadu. Wytworzony biogaz przemieszcza się do góry reaktora powodując wewnętrzną cyrkulację biomasy i kej mieszanie. Przepływ biogazu nie może zakłócać sedymentacji biomasy w górnej części reaktora, tj. tzw. strefie ścieków sklarowanych. W tym celu do oddzielania biomasy od ścieków zaprojektowano odpowiednio usytuowane przegrody w górnej części reaktora. Zawracanie osadu jest możliwe, gdy kąt nachylenia ścianek wynosić nawet 500, w wyniku czego następuje zatrzymanie a następnie zawracanie biomasy do reaktora. Biogaz jest odprowadzany do zbiornika gazu.
Parametry technologiczne:
Hydrauliczny czas zatrzymania jest to stosunek objętości czynnej komory fermentacji (V) do objętości ścieków doprowadzanych do komory w jednostce czasu (Q).
Obciążenie objętości komory fermentacji ładunkiem substancji organicznych jest to iloczyn początkowego stężenia substancji organicznych i natężenia przepływu ścieków dopływających do komory fermentacji na jednostkę objętości czynnej komory fermentacji OLRV = (C0×Q)/V.
Obciążenie suchej masy osadu ładunkiem substancji organicznych jest to iloczyn początkowego stężenia substancji organicznych i natężenia przepływu ścieków dopływających do komory fermentacji na jednostkę suchej masy osadu OLRX=(C0×Q)/V×X.
Jednostkowa szybkość produkcji biogazu jest to objętość biogazu (VB, m3) wytwarzana w jednostce czasu i objętości czynnej komory fermentacji (rVB = VB/V×t).
Współczynnik wydajności biogazu jest to szybkość wytwarzania biogazu (rB, m3/d) na jednostkowy ładunek usuniętych substancji organicznych YB=rVB/Q×Cus.
Fermentacja odpadów
Fermentacja sucha i mokra
Jako kryterium podziału fermentacji przyjmuje się stężenie wilgoci/suchej masy. Fermentacje, z uwagi na zawartość wilgoci we wsadzie surowcowym dzieli się na mokre (zawartość wody > 85%) oraz suche - 55% do 75%.
Niektórzy autorzy jako podstawę klasyfikacji przyjmują zawartość suchej masy nie we wsadzie surowcowym ale w reaktorze. Proces prowadzony przy zawartości suchej masy wynoszącej 10-15% jest odpowiednikiem fermentacji mokrej, podczas gdy przy stężeniu od 20 do 40% - suchej.
W technologiach mokrych podczas wstępnego przygotowania odpadów organiczne cząstki są mieszane z dużą ilością wody (1 m3 wody na tonę odpadów) i następnie poddawane rozpulpiania uzyskując płynną mieszaninę. Zaletą fermentacji mokrej jest prostota eksploatacji i technologii, które zostały opanowane daleko wcześniej niż technologie typu suchego. Łatwo dostępne są urządzenia do instalacji obiektów jak pompy, rurociągi itp.
Technologie suche nie wymagają rozpulpiania a jedynie usunięcie frakcji o wymiarach 40-60mm.
W układach jednostopniowych, fermentacje mokre prowadzi się zazwyczaj w komorach z całkowitym wymieszaniem (patrz wyżej). Mieszanie komór może się odbywać za pomocą mieszadeł mechanicznych śrubowych oraz wirnikowych. W komorach o stosunkowo małej średnicy i odpowiedniej wysokości polecane są mieszadła śrubowe, które zapobiegają tworzeniu kożucha oraz odkładaniu osadów na dnie komory, podczas gdy mieszadła wirnikowe stosowane są zazwyczaj w komorach o małej pojemności, płaskim dnie i stożkowym stropie. Do mieszania można wykorzystywać pompy zewnętrzne umożliwiające kilkakrotne przetłaczanie zawartości komory w ciągu doby (zazwyczaj przetłacza się 3-4-krotną objętość komory) lub umieszczone wewnątrz komory fermentacyjnej strumienice. W wielu przypadkach stosowane jest mieszanie zawartości komór za pomocą sprężonego gazu. W komorach z płaskim dnem gaz jest doprowadzany za pomocą długich lanc zamontowanych w stropie, natomiast w komorach z dnem stożkowym - za pomocą dysz rozmieszczonych na przewodzie pierścieniowym.
Efektywność mieszania komory zależy od stopień rozwłóknienia i rozdrobnienia odpadów. Nieusunięte flotujące frakcje odpadów mogą stwarzać problemy techniczne, wykazując tendencję przechodzenia do piany i/lub przylepiania się do mieszadeł. Cięższa frakcja gromadząca się na dnie reaktora może uszkadzać mieszadła. W przypadku uzyskania homogenicznej masy, poleca się mieszanie za pomocą sprężonego biogazu.
Dla utrzymania niskiej koncentracji zawiesin w komorze zużycie technologiczne wody jest wysokie. Stanowi to problem zarówno z ekonomicznego jak i środowiskowego punktu widzenia. W tym przypadku zaleca się mieszanie odpadów z uwodnionymi osadami ściekowymi, bądź recyrkulacje wody procesowej. Recyrkulacja wody procesowej wykazuje dodatkową zaletę, zawiera pewną ilość bakterii, których obecność przyspiesza proces fermentacji. Zawracanie wód procesowych może mieć negatywny wpływ na fermentację z uwagi na wzrost stężenia niektórych związków chemicznych na przykład amoniaku, który w wysokich stężeniach działa jako inhibitor. Z uwagi na konieczność rozcieńczania odpadów reaktory charakteryzują się dużą objętością. Wymagana jest również duża przepustowość instalacji do odwadniania odpadów pofermentacyjnych.
Podczas suchego procesu, ilość doprowadzonej wody wynosi 0,3 m3 na tonę odpadów, co umożliwia uzyskanie gęstwy o zawartości 15% do 40% suchej masy. Wstępne oczyszczanie odpadów nie jest zbyt złożone, ponieważ obecność drobnych zanieczyszczeń takich jak żwir, szkło czy drewno nie wpływa znacząco na proces fermentacji. Większy niż 40 mm materiał powinien być usunięty. Wsad surowcowy jest doprowadzony z jednego końca reaktora i następnie jest przemieszczany w kierunku wylotu. Podczas suchej fermentacji, z uwagi na tłokowy przepływ odpadów, nie zachodzi ryzyko przebicia. Objętość reaktora jest mniejsza, skutkiem czego ilość energii koniecznej do ogrzania reaktora ulega obniżeniu. Mniejsze są również straty ciepła. Ponieważ zużycie wody technologicznej jest małe, koszty odwadniania osadów oraz ich ostatecznego unieszkodliwiania są odpowiednio mniejsze aniżeli fermentacji mokrej. W przypadku suchych fermentacji głównym problem stanowi przesyłanie i przeładunek odpadów. Do tego celu wykorzystuje się taśmociągi, podajniki śrubowe oraz pompy o dużej mocy zaprojektowane do transportu lepkich cieczy, charakteryzujące się małą wrażliwością na obecność drobnych zanieczyszczeń. Instalacje i urządzenia stanowiące linii technologicznych do fermentacji suchej charakteryzują się dużą wytrzymałością, co nie pozostaje bez wpływu na ich koszt.
W przypadku fermentacji suchej stosuje się różnego typu technologie w zależności od kształtu reaktorów (poziome i pionowe), sposobu mieszania ich zawartości oraz przygotowania wsadu surowcowego. Podział na reaktory pionowe i poziome zależy od sposobu w jakim surowiec przemiesza się przez reaktor. W reaktorach pionowych z doprowadzeniem substratu u góry reaktora, przepływ surowca jest spowodowany siłami grawitacji. Odbiór odpadów pofermentacyjnych odbywa się zazwyczaj przy dnie reaktora. W innych rozwiązaniach, surowiec jest wprowadzany przy dnie reaktora, a następnie jest mieszany za pomocą sprężonego gazu, w takim przypadku siły grawitacji mają mniejsze znaczenie. W reaktorach poziomych odpady są doprowadzane na początek reaktora, a następnie przepływają poziomo przez reaktor i są odbierane z drugiego końca. W reaktorach poziomych przepływ odpadów ma charakter tłokowy, co uzyskuje się dzięki specjalnym systemom mieszania.
W niektórych rozwiązaniach, rozdrobniony wsad surowcowy jest zaszczepiany dużą ilością odpadów pofermentacyjnych. Wstępnie przygotowane odpady oraz odpady pofermentacyjne są mieszane w specjalnych mieszalnikach oraz ogrzewane do temperatury fermentacji. Zaszczepianie osadów surowych przefermentowanymi są stosowane w technologii Dranco oraz Kompogaz. W technologii Dranco, stosunek wsadu surowcowego do odpadów przefermentowanych kształtuje się na poziomie 1 tona wsadu do 6 - 8 ton zaszczepienia. Z tego powodu recyrkulacja odpadów pofermentacyjnych i ich wymieszanie poza komorą fermentacji pozwala na nie stosowanie innych sposobów mieszania zawartości komór. W poziomych reaktorach stosowanych przez Kompogaz, przepływ tłokowy odpadów w reaktorze zapewniają wysokociśnieniowe pompy umieszczone pomiędzy mieszalnikiem i fermentorem oraz wolnoobrotowe mieszadła.
Fermentacja jedno- i wielostopniowa
Podział fermentacji na jednostopniową i wielostopniową, uwzględnia zazwyczaj fazowy charakter procesu. Fermentacja to proces wieloetapowy, w którym zachodzi hydroliza substancji wielkocząsteczkowych, fermentacja produktów hydrolizy do kwasów organicznych, wytwarzanie octanu oraz jako końcowych produktów - metanu i dwutlenku węgla.
W układzie jednostopniowym, wszystkie opisane wyżej procesy zachodzą równocześnie, podczas gdy w układach wielostopniowych rozdziela się w przestrzeni hydrolizę i fermentację od wytwarzania metanu wprowadzając dwa odrębne stopnie.
Jest to celowe wówczas, gdy jeden z wymienionych procesów jak np. hydroliza lub wytwarzanie metanu zachodzi bardzo wolno. W kolejnych stopniach rozdziela się poszczególne procesy jednostkowe np. hydroliza i fermentacja stanowi pierwszy stopień a wytwarzanie metanu - drugim. Takie podejście technologiczne umożliwiające realizację określonych procesów w odrębnych reaktorach, pozwala na optymalizację w każdym stopniu warunków technologicznych.
Czynnikiem decydującym o wyborze układu jednostopniowego lub wielostopniowego jest jednak koszt procesu. Liczne dane z eksploatacji obiektów wykazują, że duże nakłady inwestycyjne poniesione na budowy układów wielostopniowych, nie są równoważone zyskami uzyskanymi z tytułu podniesienia sprawności procesu produkcji biogazu. Z tego powodu obecnie duży nacisk kładzie się na intensyfikację procesów jednostopniowych w tym głównie prowadzonych w tak zwanych technologiach suchych.
Podział fermentacji z uwagi na temperaturę procesu
W skali technicznej fermentacja metanowa może być prowadzona w następujących zakresach temperatur:
< 20°C - fermentacja psychrofilna,
od 31°C do 37°C z optymalną 35°C, (lub 20 do 42) - fermentacja mezofilna
od 55°C do 65°C z optymalną temperaturą 55°C. (lub 42 do 75) - fermentacja termofilna
W celu utrzymania stabilności procesu należy dążyć do tego ażeby temperatura w reaktorze nie różniła się więcej niż 1-2°C i była stała w czasie. W zakresie temperatur niższych od 30°C, zmniejsza się szybkość wytwarzania metanu i spada jego wydajność.
Ilość ciepła uzyskana z wytworzonego biogazu pozwala na utrzymanie przynajmniej warunków mezofilnych w komorze fermentacji. Wadą fermentacji termofilnej są wysokie koszty związane z ogrzewaniem komór. Przykładowo, w przypadku odpadów komunalnych zużycie biogazu do ogrzania komór wynosi nawet 50%.
2