Gospodarka odpadami w oczyszczalni ścieków. Cz. III – piasek i tłuszcze

Wśród odpadów powstających na oczyszczalni ścieków znajdują się m.in. osady ściekowe, skratki, piasek i tłuszcze. W poprzedniej części niniejszego cyklu omówiono sposoby unieszkodliwiania skratek. W tym artykule zgłębiony zostanie temat przetwarzania i zagospodarowania piasku i tłuszczów.

Piasek jest zawiesiną mineralną łatwo opadającą, która jest wydzielana w piaskownikach¹, ujmowaną pod kodem 19 08 02. Składa się na nią żwir, piasek i podobne zanieczyszczenia. Zawiera także nawet do 50-60% zanieczyszczeń organicznych. Ilości piasku wydzielanego ze ścieków wynoszą od 5 ^. 10^-6 do 5 ^. 10-5 m³/m³ ścieków².

Technologia przeróbki i unieszkodliwiania piasku

Duża zawartość związków organicznych oraz wilgotność piasku powodują – podobnie jak w przypadku skratek – powstawanie odorów, a co za tym idzie – uciążliwość podczas dalszego zagospodarowywania tych odpadów². W celu zminimalizowania tego negatywnego wpływu na otoczenie, coraz częściej w oczyszczalniach stosowane są płuczki piasku, bowiem jego przemywanie obniża zawartość w nim związków organicznych do 10-25%³. Jak podają producenci, dostępne są także takie technologie, które pozwalają obniżyć zawartość związków organicznych w piasku, w procesie płukania, do <3%. Tego rodzaju płuczki są stosowane m.in. w oczyszczalni ścieków w Emschermündung⁴.

Podobnie jak skratki, do czasu zmiany przepisów, piasek najczęściej składowano. Obecnie jednak nie jest to już możliwe. Ze względu na dużą zawartość inertnych, nieorganicznych zawiesin, odpad ten nie może być także poddawany stabilizacji biochemicznej. Odpada także termiczne unieszkodliwianie piasku.

Obecnie piasek o zawartości >8% strat przy prażeniu jest najczęściej przekazywany wyspecjalizowanym firmom, wyłanianym w drodze przetargu. Zobowiązują się one do unieszkodliwienia go, zgodnie z obowiązującymi przepisami. Muszą one posiadać ważne decyzje i zezwolenia odpowiedniego organu na prowadzenie działalności w zakresie transportu oraz unieszkodliwiania lub odzysku tego typu odpadów. Odpad o zawartości <8% strat przy prażeniu może być składowany gdyż spełnia wymagania rozporządzenia regulującego dopuszczanie odpadów do składowania na składowiskach⁵.

Metodą unieszkodliwiania piasku wydzielonego w piaskownikach jest np. zagospodarowanie go na potrzeby budownictwa komunikacyjnego. Technologię taką opracowano m.in. we współpracy Wydziału Budownictwa Politechniki Częstochowskiej oraz oczyszczalni ścieków WARTA S.A. w Częstochowie. Piasek z piaskownika jest mechanicznie segregowany, odmineralizowywany i chemicznie modyfikowany. Tak przygotowany odpad może stanowić uzupełnienie kruszywa drobnego w produkcji mieszanki betonowej, wykorzystywanej do podbudowy dwuwarstwowej drogowej nawierzchni betonowej⁶.
Technologie przeróbki i unieszkodliwiania tłuszczów
Tłuszcze są wydzielane ze ścieków w odtłuszczaczach lub napowietrzanych piaskownikach^{1, 7}. Usuwanie tłuszczów ze ścieków w mechanicznej części oczyszczalni jest korzystne – w ten sposób unika się flotowania tłuszczów w osadnikach wstępnych i tworzenia piany na powierzchni zwierciadła ścieków8. Pozostałe tłuszcze trafiają do komór osadu czynnego lub na złoża biologiczne, co jest niekorzystne, ponieważ odpady te m.in. obniżają sprawność napowietrzania⁷.

Tłuszcze mogą być także usuwane ze ścieków w separatorach. Tego typu rozwiązanie stosuje się przede wszystkim w zakładach przemysłowych, restauracjach lub hotelach. Wydzielone w separatorach tłuszcze mogą być dowiezione do oczyszczalni i unieszkodliwione, np. razem z osadami ściekowymi, w procesie fermentacji metanowej⁹.

Wspólna fermentacja tłuszczów z osadami ściekowymi jest korzystna, gdyż zwiększa ilość powstającego biogazu¹⁰. Podczas fermentacji tłuszczów uzyskuje się 900-1400 dm³ biogazu z 1 kg s.m. odpadu (o zawartości metanu 65-70%). Fermentacja samych osadów ściekowych pozwala na wytworzenie 878-1020 dm³ biogazu z 1 kg s.m. odpadu o zawartości CH4 64-67%¹¹. Tłuszcze mogą także być degradowane w warunkach tlenowych. Alternatywą dla metod stabilizacji biochemicznej jest ich gromadzenie i spalanie (także razem z osadami ściekowymi oraz skratkami).

Beztlenowa fermentacja tłuszczów

W przypadku beztlenowej stabilizacji tłuszczów łącznie z osadami ściekowymi (kofermentacja) istotne jest określenie udziału tłuszczów w substracie oraz dopuszczalnego obciążenia substratowego komór fermentacyjnych. Zestawienie wyników badań technologicznych, uzyskanych przez różnych autorów, przedstawiono w tabeli.

Parametry fermentacji metanowej substratu zawierającego tłuszcze oraz osady ściekowe

Fermentacja metanowa tłuszczów oraz osadów ściekowych prowadzona jest przy obciążeniu substratowym komór fermentacyjnych, typowym dla fermentacji metanowej samych osadów. Udział tłuszczów w kofermentowanym substracie, który nie powoduje zakłócenia procesu, wynosi do 50%, ale możliwe jest również fermentowanie samych tłuszczów. Przy wskazanym udziale tłuszczów w kofermentowanym substracie uzyskuje się o ok. 200-400% większą produkcję biogazu, w porównaniu do fermentacji samych osadów ściekowych. W dużych oczyszczalniach ścieków zalecane jest zatem nie tylko wydzielanie tłuszczów w odtłuszczaczach, ale także przyjmowanie tych odpadów zbieranych selektywnie w separatorach, w hotelach i restauracjach, lub w odtłuszczaczach w zakładach przemysłowych. Badania z wykorzystaniem tłuszczów wydzielonych w separatorach zamontowanych na odpływie ścieków z restauracji wykazały, że dodatek tych odpadów pozwalał na zwiększenie produkcji biogazu nawet o ok. 70% w porównaniu z ilością biogazu uzyskiwaną podczas fermentacji wyłącznie osadów ściekowych¹⁷. Zróżnicowanie wyników produkcji biogazu, uzyskiwane w badaniach różnych autorów, wynika z wykorzystania różnych organizmów jako zaszczepu, różnej charakterystyki tłuszczów oraz czasu prowadzenia procesu.

W przypadku beztlenowej fermentacji tłuszczów problemem jest to, że wolno ulegają one hydrolizie, co może wpływać na szybkość stabilizacji. Można go jednak rozwiązać, dobierając odpowiednią proporcję wymieszania tłuszczów, osadów oraz materiału zaszczepiającego, a także stosując właściwe, doświadczalnie dobrane, obciążenie substratowe komory fermentacyjnej^{18, 19}. Korzystne, ale wymagające analizy ekonomicznej, jest wspomaganie hydrolizy tłuszczów poprzez wykorzystanie enzymów²⁰ lub zaawansowanych procesów utleniania²¹.

Tlenowe metody przeróbki tłuszczów

W literaturze niewiele jest danych dotyczących tlenowych metod przeróbki tłuszczów. Gdy jest to możliwe, zaleca się zastosowanie metod beztlenowych, ze względu na generowanie w tych procesach biogazu.

W mniejszych oczyszczalniach ścieków, w których ujmowanie i zagospodarowanie biogazu jest nieopłacalne, lub w obiektach, gdzie stosowanie metod beztlenowych powodowałoby dużą uciążliwość zapachową, możliwe jest jednak wykorzystanie stabilizacji tlenowej. Metody tlenowe obejmują stabilizację wspólnie z osadami ściekowymi lub kompostowanie.

Znane są przykłady stosowanych we Francji technologii, które pozwalają prowadzić tlenową stabilizację tłuszczów łącznie z osadami ściekowymi²². Zapewniają one nawet 85-procentowe usunięcie tłuszczów. Mogą być stosowane nawet w dużych oczyszczalniach, przyjmujących ścieki od 150 tys. RLM. Prowadzone są przy obciążeniu substratowym 2,5 kg ChZT/m^{3 .} d. Czas zatrzymania mieszaniny osadów i tłuszczów w komorze napowietrzania wynosi do 20 dni. Procesy są prowadzone przy dużym stężeniu zawiesin, w zależności od technologii na poziomie 7,8-11 kg/m³, 8-12 kg/m³ lub 10 kg/m³. Proces stabilizacji prowadzony jest w reaktorach z napowietrzaniem, bez recyrkulacji osadów lub tłuszczów. Obciążenie substratowe mieści się w zakresie 0,35-3,48 kg ChZT/m^3 . d, a temperatura 19-42°C. Efektywność usuwania tłuszczów mieści się w zakresie 79-89%.

Kompostowanie wydzielonych tłuszczów wymaga natomiast wymieszania tych odpadów z materiałem strukturalnym, takim jak np. zrębki drewniane, trociny, słoma itp.^{23, 24}. Tak przygotowany substrat kompostowany jest przez co najmniej 14 dni. Kompostowanie może być prowadzone w systemie pryzmowym z przerzucaniem lub w zamkniętych bioreaktorach. Pomimo wyższych kosztów zalecane jest raczej to drugie rozwiązanie, ponieważ powoduje mniejszą uciążliwość dla otoczenia25. Parametry kompostowania powinny być zachowane na poziomie takim, jak w przypadku kompostowania innych materiałów, tj. C/N ok. 25, wilgotność 40-60%, warunki tlenowe²⁶.

Alternatywne metody przeróbki i unieszkodliwiania tłuszczów

Możliwe jest także zastosowanie alternatywnych do opisanych powyżej metod zagospodarowania tłuszczów, takich jak konwersja w biopaliwo, głównie w postaci estrów metylowych. Przykładową technologię opracowali Pastore i wsp.²⁷. Konwersja do biopaliwa polegała na odwodnieniu tłuszczów do ok. 22,5% s.m., a następnie podgrzaniu do temperatury 70°C i odwirowaniu. W wyniku opisanych procesów pozyskiwano trzy frakcje: „górną” (zawierającą tłuszcze), „pośrednią” (zawierającą lżejsze zawiesiny i włókna), oraz „dolną” (zawierającą znaczne ilości wody). Do dalszej przeróbki wykorzystywana była frakcja „górna”, która składała się przede wszystkim z tłuszczów. Po schłodzeniu była ona mieszana z kwasami (H₂SO₄, H₃PO₄ lub HCOOH), a następnie wprowadzano do nich toluen. Fazę organiczną poddawano aktywacji chemicznej, a w dalszej kolejności – estryfikacji (47°C, pod ciśnieniem atmosferycznym). W efekcie ok. 90% tłuszczów przekształcano w estry metylowe. Koszt konwersji tłuszczów w biopaliwo wyniósł 0,4 euro/dm³ (ok. 176 zł/dm³).

Inna technologia, opracowana przez Jolisa i Martis, zakłada przekształcenie obecnych w tłuszczach kwasów tłuszczowych do estrów metylowych przy użyciu metanolu w obecności katalizatora (transestryfikacja). Następnie pozostałości metanolu są odparowywane, a katalizator i gliceryna – usuwane przez dekantację. Usuwane są także te kwasy tłuszczowe, które nie przereagowały. Pozostałość jest destylowana, w celu pozyskania biopaliwa (biodiesla)²⁸.

Wymuszone zmiany metod i zwiększone koszty

Zakaz deponowania na składowiskach odpadów zawierających powyżej 8% związków organicznych, oznaczonych jako strata przy prażeniu, wymusza istotne zmiany w sposobie przeróbki i unieszkodliwiania odpadów powstających w oczyszczalniach ścieków. Zwiększa też koszty, gdyż składowanie w porównaniu z innymi metodami było najtańszym sposobem unieszkodliwiania odpadów.

Tłuszcze – jako odpad wysokoenergetyczny – powinny być poddawane fermentacji metanowej, w celu odzysku energii z biogazu. Uzyskiwane w procesie kofermentacji ilości biogazu są kilkukrotnie większe niż w przypadku fermentacji samych osadów ściekowych. Zaleca się nie tylko wykorzystywanie tłuszczów wydzielanych w odtłuszczaczach w oczyszczalni, ale przyjmowanie tego rodzaj odpadów z punktów selektywnej zbiórki, jak np. hotele czy restauracje. Problemem w przypadku beztlenowej stabilizacji tłuszczów może być długi czas hydrolizy, istnieją jednak już rozwiązania technologiczne, które także w skali technicznej pozwalają na przyspieszenie rozkładu tych odpadów.

Źródła:

1. Heidrich Z., Witkowski A.: Urządzenia do oczyszczania ścieków. Warszawa 2005.
2. https://www.epa.ie/pubs/advice/water/wastewater/EPA_water_treatment_manual_preliminary.pdf.
3. Nitrogen removal by ammonium stripping. Waszyngton 1973.
4. https://www.epa.ie/pubs/advice/water/wastewater/EPA_water_treatment_manual_preliminary.pdf.
5. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z 16 lipca 2015 r. w sprawie dopuszczania odpadów do składowania na składowiskach (DzU z 2015, poz. 1277).
6. http://www.wartasa.eu/n31,Zagospodarowanie-odpadow-w-postaci-piasku-i-skratek-na-potrzeby-budownictwa-komunikacyjnego.
7. Cywiński B. i in.: Oczyszczanie ścieków. Oczyszczanie mechaniczne i chemiczne. Warszawa 1983.
8. Outwater A.B.: Reuse of sludge and minor wastewater residuals. Boca Raton 1994.
9. Yalcinkaya S., Malina J. F.: Anaerobic co-digestion of undewatered grease trap residuals: opportunities and limitations, University of Texas, Austin 2014, http://www.weat.org/Presentations/2014Eckenfelder_Sedat.pdf.
10. Imhoff K.: Kanalizacja miast. Oczyszczanie ścieków. Poradnik. Warszawa 1970.
11. Sadecka Z.: Stabilizacja beztlenowa osadów ściekowych. Nauka dla Praktyków. Kierunki przeróbki i zagospodarowania osadów ściekowych. Warszawa 2010.
12. Luostarinen S., Luste S., Sillanpaa M.: Increased biogas production at wastewater treatment plants through co-digestion of sewage sludge with grease trap sludge from a meat processing plant. „Bioresource Technology” 1/2009.
13. Lauwers J. i in.: Anaerobic Co-Digestion of Fats, Oils and Grease (FOG) with Waste Activated-Sludge. International Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction. 2012
14. Kabouris J.C. i in.: Methane recovery from the anaerobic codigestion of municipal sludge and FOG. „Bioresource Technology” 15/2009.
15. Kabouris J.C. i in.: The anaerobic biodegradability of municipal sludge and fat, oil, and grease at mesophilic conditions, „Water Environment Research” 3/2008.
16. Yalcinkaya S., Malina J.F.: Model development and evaluation of methane potential from anaerobic co-digestion of municipal wastewater sludge and un-dewatered grease trap waste. „Waste Management” 40/2015.
17. Razaviarani V. i in.: Pilot-scale anaerobic co-digestion of municipal wastewater sludge with restaurant grease trap waste, „Journal of Environmental Management” 15/2013.
18. Janosz-Rajczyk M.: Badania wybranych procesów oczyszczania ścieków. Częstochowa 2008.
19. Sadecka Z.: Podstawy biologicznego oczyszczania ścieków. Warszawa 2010.
20. Abd El-Gawad S.: Oil and grease removal from industrial wastewater using new utility approach, Advances in Environmental Chemistry: Article ID 916878; 2014.
21. Wiśniowska E, Janosz-Rajczyk M.: Effect of chemically conditioned FOG fraction on methane co-fermentation with excess sewage sludge with regard to heavy metals concentration, „Desalination and Water Treatment” 3/2016.
22. Canler J.P., Royer C., Duchene P.: Aerobic biological treatment of grease from urban wastewater treatment plants, „Water Science and Technology” 2-3/2001.
23. Alpert J.E.: Composting of fats, oil and grease, http://www.neiwpcc.org/neiwpcc_docs/joel_alpert.pdf.
24. Recycling grease trap sludges. http://infohouse.p2ric.org/ref/39/38101.pdf.
25. EPA Information Bulletin, Response to comments draft calssification for grease. interceptor trap waste, Publication 956, August 2004.
26. http://orgprints.org/6694/7/Annex_Effects_of_different_composting_processes.pdf.
27. Pastore C., Lopez A., Mascolo G.: Efficient conversion of brown grease produced by municipal wastewater treatment plant into biofuel using aluminium chloride hexahydrate under very mild conditions, „Bioresource Technology” 155/2014.
28. Jolis D., Martis M.: Brown Grease recovery and biofuel demonstration project, http://sfwater.org/modules/showdocument.aspx?documentid=4187, 2012.

fot. na otwarcie sozosfera.pl