GOSPODARKA OSADOWA W OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI
POLITECHNIKA ŚLĄSKA
OCHRONA ŚRODOWISKA
III ROK
INSTRUKCJA DO ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH
Z PRZERÓBKI OSADÓW ŚCIEKOWYCH
FERMENTACJA OSADÓW
OPRACOWAŁ:
MGR INŻ. MARCIN JANIK
INSTYTUT INŻYNIERII WODY I ŚCIEKÓW
1
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 wykorzystującym 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]:
Faza hydrolityczna - bakterie hydrolityczne za pomocą enzymów rozpuszczają
nierozpuszczalne substancje organiczne (polimery) zawarte w osadach do związków
rozpuszczalnych w wodzie.
Faza kwaśna - bakterie kwasowe rozkładają powstałe związki do prostych kwasów
organicznych, alkoholi, aldehydów oraz wodoru i dwutlenku węgla. Pierwsza i druga
faza fermentacji nosi miano fermentacji kwaśnej.
Faza octanogenna - następuje przemiana prostych związków organicznych do kwasu
octowego.
Faza metanowa - z kwasu octowego, wodoru i dwutlenku węgla 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 zawierający 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 35-40
0
C), termofilowych (50-55
0
C) 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.
2
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 m
3
/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 się 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 się zwykle osadem przefermentowanym [4].
W układzie statycznym kinetyka produkcji biogazu wynika z faz rozkładu materii
organicznej. Proces ten przedstawia się za pomocą 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.
3
BADANIA LABORATORYJNE FERMENTACJI OSADÓW ŚCIEKOWYCH
Oznaczenie podatności osadu na stabilizację beztlenową z określeniem intensywności
wydzielania biogazu wykonuje się zgodnie z niemiecką normą 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 35
0
C. Osady fermentowane są w warunkach statycznych, polegających 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:
suchą masę osadu,
suchą masę organiczną mineralną.
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..
4
Tab.4. Proporcje ilości osadów przyjętych do badań.
Rodzaj i udział badanego
osadu w próbie [400ml]
Proporcje osadów [g]
osad badany
osad zaszczepiający
mieszanina
Osad przefermentowany
(zaszczepiający)
Osad wstępny zagęszczony -
udział 20%
Osad nadmierny zagęszczony -
udział 20%
0
80
80
400
320
320
400
400
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
Czas trwania
badania
Suma
wydzielonego
biogazu z próby
Obliczony udział
biogazu z osadu
przefermentowa
nego
Objętość gazu
netto
(różnica kolumn
2 i 3)
Intensywność
wydzielania
biogazu
Współczynnik
wydzielania
biogazu w
odniesieniu do
doprowadzonej
suchej masy
organicznej
1
2
3
4
5
6
[doba, godzina]
[ml]
[ml]
[ml]
[l/d]
[l/kg SMO
dopr
]
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.
5
Tab.6. Zestawienie wyników badań stabilizacji osadów ściekowych
Parametr
Jednostka
Próba osadu
osad
szczepiąc
y -
przeferme
ntowany
osad
wstępny
zagęszczo
ny
20%
osad
nadmiern
y
zagęszczo
ny
20%
1
2
5
6
7
Sucha masa osadu przed fermentacją
% SM
g SM /l
Sucha masa mineralna przed ferment.
% SMM
Sucha masa organ. przed fermentacją
% SMO
g SMO /l
Sucha masa osadu po fermentacji
% SM
g SM /l
Sucha masa mineralna po fermentacji
% SMM
Sucha masa organiczna po ferment.
% SMO
g SMO /l
Ubytek suchej masy org. w fermentacji
g SMO/l
%
Sumaryczna objętość wytworzonego gazu z
próby osadu
l/kg osadu
Sumaryczna objętość netto wytworzonego
osadu
l/kg osadu
Współczynnik wydzielania biogazu
przelicz. na doprowadzoną SM org.
l/g SMO
dopr.
Współczynnik wydzielania biogazu
przelicz. na doprowadzoną SM
l/g SM
dopr.
Współczynnik wydzielania biogazu
przelicz. na usuniętą SM org.
l/g SMO
us.
6
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:
Wodociągi 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 Śląska, Gliwice, 1994.
9. DIN 38414-Teil8; Deutsche Norm: Schlamm und Sedimente (Gruppe S) – Bestimmung des
Faulverhaltens (S 8).