Prowadzenie procesu kofermentacji w oczyszczalni ścieków

Prowadzenie procesu kofermentacji w oczyszczalni ścieków Bieławin w Chełmie

Do oczyszczalni ścieków „Bieławin” trafiają ścieki komunalne z miasta Chełma (woj. lubelskie) i okolic. Ścieki w głównej mierze pochodzą z działalności bytowo-gospodarczej, produkowane są przez mieszkańców oraz przemysł i usługi zlokalizowane w mieście. W Chełmie mieszka ok. 67 tys. osób. W latach 2011-2015 obiekt został zmodernizowany. Zakres modernizacji objął praktycznie cały system technologiczny. Do najważniejszych zadań należy zaliczyć zmianę układu biologicznego oczyszczania ścieków z technologii SBR na układ przepływowy z osadnikami wtórnymi oraz budowę nowej linii zamkniętych komór fermentacyjnych (fot. 1) wraz z obiektami pomocniczymi. Ważnym aspektem stała się również budowa zbiornika ścieków deszczowych o pojemności 4 800 m3 (fot. 2) oraz wprowadzenie dodatkowego sposobu przetwarzania osadów po odwodnieniu – suszenie na słonecznych suszarniach osadów (fot. 3) o łącznej powierzchni hal 5760 m2. Całkowita ilość ścieków po uwzględnieniu ścieków z przemysłu i usług jest reprezentowana przez RLM = 105 tys. Ścieki przemysłowe wytwarzane są głównie przez spółdzielnię mleczarską oraz producenta koncentratów owocowych.

Zamknięte komory fermentacyjne Vcz=2 x 2200 m3

fot. 1. Zamknięte komory fermentacyjne Vcz=2 x 2200 m3

Zbiornik ścieków deszczowych Vcz=4800m3

fot. 2. Zbiornik ścieków deszczowych Vcz=4800 m3

Słoneczna suszarnia osadów

fot. 3. Słoneczna suszarnia osadów L = 120 m, H = 12 m x 4

Na terenie miasta funkcjonuje zarówno kanalizacja rozdzielcza, jak i w bardzo małej ilości ogólnospławna. W związku z powyższym w czasie opadów bądź topnienia śniegu napływ ścieków do oczyszczalni wyraźnie wzrasta. Średni przepływ ścieków dopływających do oczyszczalni w latach 2015-2018 wyniósł ok. 10 000 m3/d w porze suchej oraz 13 000-16 000 m3/d w porze deszczowej. Oprócz ścieków z kanalizacji do oczyszczalni trafiają również ścieki dowożone wozami asenizacyjnymi. Średnie wartości ścieków surowych w latach 2015-2018 trafiających do oczyszczalni obrazuje tab. 1.

Tab. 1. Średnie wartości ścieków surowych

Oznaczenie Jednostka Średnie wartości
Temperatura oC 15 – 16
Fosfor ogólny mg P/dm3 9 – 18,1
ChZTCr mg O2/dm3 700 – 3500
BZT5 mg O2/dm3 508 – 1190
pH pH 6,8 – 7,1
Azot amonowy mg NH4/dm3 35 – 58,8
Azot ogólny mg N/dm3 88 – 124
Zawiesina ogólna mg/dm3 600 – 2000
Chlorki mg Cl/dm3 100 – 144
Węglowodory ropopochodne mg/dm3 5 – 37

Wymagania względem ścieków oczyszczonych zostały ustalone w oparciu o obciążenie oczyszczalni wyrażone w RLM. Wartości dopuszczalne ścieków oczyszczonych po modernizacji w 2015 r. przedstawia tab. 2.

Tab. 2. Wartości dopuszczalne dla ścieków oczyszczonych

Wartości dopuszczalne dla ścieków oczyszczonych

Jakość ścieków oczyszczonych odpływających do odbiornika (rzeki Uherki) w latach 2015 – 2018 –przedstawia tab. 3.

Tab. 3. Wartości wskaźników dla ścieków oczyszczonych

Wskaźnik Jednostka Średnie wartości
Temperatura oC 16,03
Fosfor ogólny mgP/dm3 0,35
ChZTCr mgO2/dm3 31,60
BZT5 mgO2/dm3 3,10
pH pH 7,26
Azot amonowy mgNH4/dm3 0,32
Azot azotynowy mgNNO2/dm3 0,06
Azot ogólny mgN/dm3 4,05
Zawiesina ogólna mg/dm3 4,82
Chlorki mgCl/dm3 150,58

Pomysł na fermentację

Przed rokiem 2015 oczyszczalnia ścieków nie była wyposażona w instalację do produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Wszystkie media (woda grzewcza, energia elektryczna) były pobierane od zewnętrznych dostawców. Układ zmodernizowanej oczyszczalni wprowadził całkowicie nowy element fermentacji metanowej osadów ściekowych, w zamkniętych komorach fermentacyjnych. Fermentacja pozwoliła na produkcję paliwa w postaci biogazu.

Początki produkcji nie były łatwe. Przede wszystkim należało zapoznać się z urządzeniami oraz całkiem nową technologią. W styczniu 2015 roku dokonano rozruchu wraz z uruchomieniem komór fermentacyjnych. Wartości wielu zmiennych założone w projekcie oraz koncepcji modernizacji nie miały odzwierciedlenia w testach w skali technicznej. Problem, jak w wielu obiektach, był taki sam – ścieków miało być więcej (Q proj. śr. = 13 000m3/d), co wyraziłoby się w późniejszym ładunku i obciążeniu komór. Rozruch oraz próby techniczne wykazywały, że albo mamy za mało osadów albo ich jakość nie jest stabilna.

Podjęto szereg działań zmierzających do zwiększenia produkcji, np. poprzez zwiększenie ilości usuwanego osadu z układu biologicznego, czy też jego lepsze zagęszczenie – do poziomu od 5-6% s.m. (osad nadmierny) oraz 3-5% s.m. (osad surowy). Należy podkreślić, iż obiekt został wyposażony w układ dezintegracji ultradźwiękowej (dwa reaktory), który przyjmował ok. 65% osadów nadmiernych. Projektowe obciążenie suchą masą organiczną miało wynieść ok. 1,8 kg s.m.o./m3 wsadu, zaś realne wartości wynosiły 0,9 kg s.m.o./m3. Średni przepływ przez oczyszczalnię dla tego roku oscylował w granicach 9 700 m3/d. Produkcję biogazu w tym czasie pokazuje rys. 1. Warto zauważyć, iż w roku 2015 oczyszczalnia nie produkowała energii elektrycznej w układzie kogeneracji, ale jedynie energię cieplną w kotle (wynikało to z procesu uzyskiwania koncesji).
Rok 2016, to rozpoczęcie produkcji energii elektrycznej w układzie kogeneracji. Przedsiębiorstwo posiadało już wszystkie niezbędne decyzje oraz pozwolenia, więc uruchomiono proces. Obiekt został wyposażony w dwie jednostki agregatów prądotwórczych 2 x 190 kW.

Produkcja biogazu w 2015 roku

rys. 1. Produkcja biogazu w 2015 roku

Potencjał produkcji na takim poziomie zapewniłby oczyszczalni prawie 100-procentową samowystarczalność pod względem energii elektrycznej i cieplnej. Produkcję biogazu w roku 2016 obrazuje rys. 2. Analizując dany wykres łatwo zauważyć wzrost produkcji od kwietnia, ponieważ właśnie w tym okresie rozpoczęto pierwsze próby z kofermentacją.

Produkcja biogazu w 2016 roku

rys. 2. Produkcja biogazu w 2016 roku

Pomysł na kofermentację

Pierwsze pomysły na prowadzenie kofermentacji zrodziły się na bazie analizy okolicznego rynku produkcyjnego. Do pierwszych prób na układ kofermentacji użyto odpadowej serwatki, potocznie nazywanej permeatem (kod 02 05 80). Po zbadaniu próbek w laboratorium wyznaczono dawki oraz potencjał biogazowy. Od 1 kwietnia 2016 roku podjęto testy w skali technicznej. Dostawy odpadu wynosiły średnio wyniosła 8 t/d. Odpadowa serwatka była magazynowana w zagęszczaczu grawitacyjnym o pojemności czynnej 100 m3. Zmagazynowany produkt poddawano mieszaniu, a następnie dozowano w ilości od 5-15 m3/d do pompowni osadu wstępnego. Z pompowni osadu wstępnego permeat kierowano do zbiornika osadów zmieszanych. W tym zbiorniku następowało zmieszanie odpadu z osadami. Ilość osadów oscylowała w granicach 50-75 m3 osadu surowego/d oraz 35-45 m3 osadu nadmiernego zagęszczonego/d. Część osadu nadmiernego zagęszczonego była poddana dezintegracji ultradźwiękowej (ok. 70%, czyli 24,5 m3/d). Taka mieszanina permeatu z osadami była kierowana do procesu fermentacji metanowej prowadzonej w zamkniętych komorach fermentacyjnych. Dostawy tego odpadu są utrzymywane na stabilnym poziomie. Produkcję energii elektrycznej w danym okresie obrazuje rys. 3.

Produkcja energii elektrycznej w 2016 roku

rys. 3. Produkcja energii elektrycznej w 2016 roku

Analizując wykres z rys. 3, dostrzega się wyraźny wzrost produkcji energii elektrycznej od października do grudnia 2016 roku. Wzrost był spowodowany kolejnym etapem w pozyskiwaniu surowców do prowadzenia procesu fermentacji. W połowie września podjęto testy w skali laboratoryjnej na analizowanie potencjału wytwarzania biogazu z wywaru gorzelnianego powstającego z produkcji spirytusu. Od połowy października rozpoczęto dozowanie surowca w wyznaczonych dawkach (20 m3/d) do układu fermentacji.

Wywar bardzo pozytywnie wpłynął na ilość produkowanego biogazu, ale jego jakość pozostawiała wiele do życzenia. Wraz ze wzrostem produkcji wzrastało gwałtownie zasiarczenie biogazu. W celu utrzymania odpowiedniej jakości oraz ze względów na brak stabilności w dostawkach, podjęto decyzję o przerwie w jego dozowaniu do układu. Testy zakończono w grudniu 2016 roku.

W roku 2017 utrzymano dozowanie serwatki odpadowej do komór fermentacyjnych oraz podjęto działania mające na celu pozyskiwanie kolejnych dostawców surowców wspomagających produkcję biogazu. Na rys. 4 przestawiono produkcję energii elektrycznej w roku 2017.

Produkcja energii elektrycznej w 2017 roku

rys. 4. Produkcja energii elektrycznej w 2017 roku

Pierwszy kwartał roku 2017 był związany z ustabilizowaniem jakości biogazu. Podjęto działania mające na celu przywrócenie jego dobrej jakości pod względem zasiarczenia. Prace zakończono z końcem lutego. W drugim kwartale podjęto rozmowy oraz wykonano testy laboratoryjne nowego surowca tj. retentatu z produkcji soków owocowych powstającego w procesach filtracji. Po dobraniu dawek (7-15 m3/d) oraz przygotowaniu procedur, podjęto testy w skali technicznej. Dozowanie rozpoczęto na przełomie czerwca i lipca, zaś zakończono we wrześniu 2017 roku. Retentat bardzo pozytywnie wpłynął na produkcję biogazu, nie powodując negatywnych skutków w jego jakości. Surowiec jest uzależniony od produkcji w danym przedsiębiorstwie, tj. przetwarzania truskawek, malin, aronii, czarnego bzu czy jabłek. Kaloryczność tego produktu jest zmienna. Najbardziej efektywną fermentację uzyskiwano przy dozowaniu retentu z przetwarzania truskawek.

W ostatnim kwartale 2017 roku rozpoczęto kolejne testy laboratoryjne związane z odbiorem osadów zagęszczonych z pobliskich mniejszych oczyszczalni ścieków. Na przełomie października i listopada rozpoczęto testy w skali technicznej dozowania specjalnie przygotowanych zagęszczonych osadów ściekowych (kod 01 05 99 – inne niewymienione odpady). Testy przyniosły wzrost produkcji biogazu przy zachowaniu bardzo dobrych parametrów jakościowych. Optymalna dawka wprowadzanego osadu wynosiła 25 m3/d.
Na początku grudnia 2017 roku podjęto ponownie testy dozowania wywaru gorzelnianego do układu fermentacji. Znając jego właściwości zmieniające jakość biogazu (wzrost zasiarczenia) zmieniono dawki i podjęto temat na nowo. Od połowy grudnia 2017 roku wywar jest dozowany ze wszystkimi innymi surowcami wraz z osadami własnymi do procesu fermentacji. Aktualnie dawka wywaru waha się od 8 do 25 m3/d (wielkość dawki jest ściśle uzależniona od zasiarczenia biogazu surowego, utrzymywanego na poziomie ok. 400 ppm H2S ).

Na początku artykułu wspomniano również o dezintegracji ultradźwiękowej, wiedząc, iż jest to temat wielu rozważań oraz podzielonych opinii, chciałbym dodać, że od 1 kwietnia 2018 postanowiliśmy ją wyłączyć. Wyłączenie wiąże się wyłącznie z chęcią testu w skali technicznej jej efektywności. Test będzie trwał ok. 6 miesięcy. Produkcja od końca grudnia stała się stabilna, jakość biogazu jest bardzo dobra, zaś produkcja energii na początku 2018 roku kształtuje jak pokazano na rys. 5.

Produkcja energii elektrycznej w 2018 roku

rys. 5. Produkcja energii elektrycznej w 2018 roku

Efekt ekonomiczny

Oczyszczalnia ścieków „Bieławin” w Chełmie, przechodząc modernizację w latach 2011-2015 korzystała ze współfinansowania przez Unię Europejską ze środków Funduszu Spójności w ramach Programu Operacyjnego Infrastruktura i Środowisko, przez co nie może wyprodukować i sprzedawać więcej energii niż zakup z sieci. Z tego powodu, bardzo ważna dla pracy oczyszczalni stała się kontrola energetyczna całego układu pod względem tzw. wtłoczenia energii do sieci. Praca oczyszczalni od momentu wprowadzenia zwiększonej ilości surowców do procesów fermentacji w latach 2017-2018 uzależniona jest od możliwości pochłonięcia przez nią wyprodukowanej energii elektrycznej (fot. 4).

Układ kogeneracji

fot. 4. Układ kogeneracji 2 x 190 kW

Ostatnie pół roku pracy pokazuje, iż stosunek pokrycia zapotrzebowania energetycznego przez oczyszczalnię do energii wyprodukowanej wynosi 81% (rys. 6). Jest oczywiste, że wynik ten jest uzależniony od aktualnej energochłonności obiektu oraz, co najważniejsze, od dostawców zewnętrznych. W przyszłości, po wygaśnięciu trwałości projektu, możliwe będzie zwiększenie produkcji energii, ale tylko po przez pozyskiwanie nowych dostawców odpadów do zwiększania produkcji biogazu.

Bilans zużycia do produkcji energii elektrycznej

rys. 6. Bilans zużycia do produkcji energii elektrycznej

W dłuższej perspektywie czasu konieczna stanie się budowa stacji przyjęcia surowca wraz z układem jego przygotowania tj. separacją, maceracją czy rozcieńczaniem.

Wnioski

Zapotrzebowanie na energię niezbędną do funkcjonowania światowej gospodarki połączone z dbałością o środowisko naturalne skutkuje wprowadzaniem przepisów promujących stały wzrost udziału energii ze źródeł odnawialnych. Wśród alternatywnych źródeł energii udział wykorzystania biogazu stale rośnie.

Zastosowanie nowoczesnych rozwiązań w oczyszczalni Bieławin pokazuje skuteczną i zarazem korzystną pod względem ekonomicznym metodę gospodarki odpadami. Opłacalności produkcji biogazu jest wysoka, ale stale uzależniona od kosztów amortyzacji i serwisowania urządzeń.

Prowadzenie samego procesu kofermentacji ściśle uwarunkowane jest składem surowca oraz możliwościami technologicznymi samych komór fermentacyjnych. Wprowadzanie surowców bez pełnej analizy laboratoryjnej może się przyczynić nie tylko do pogorszenia produkcji biogazu, ale i do pogorszenia jego jakości. Ważnym aspektem podczas prowadzenia procesu kofermentacji jest określenie odpowiednich dawek wsadu wraz z ich ciągłym kontrolowaniem pod względem własności fizyko-chemicznych. Przedstawione bilanse energetyczne dla okresów od momentu badań, rozruchu i przejęcia do eksploatacji w 2015 roku świadczą o dużym rozwoju i potencjale oczyszczalni ścieków Bieławin w Chełmie.

Na koniec chciałbym podziękować współpracownikom za sumienną i rzetelną pracę, zaangażowanie i zdyscyplinowanie oraz wzorowe wypełnianie obowiązków służbowych.

Jakub Oleszczuk, Miejskie Przedsiębiorstwo Gospodarki Komunalnej Sp. z o.o. w Chełmie

fot. Jakub Oleszczuk/MPGK w Chełmie

Forum-Eksploatatora Artykuł pochodzi z dwumiesięcznika „Forum Eksploatatora”; (maj/czerwiec 2018). Tekst opublikowany w ramach współpracy z Wydawnictwem Seidel-Przywecki Sp. z o.o.

reklama

reklama

partner merytoryczny

partner portalu

reklama

reklama

reklama

reklama

 

partner medialny

reklama

reklama

reklama