Doświadczenia w kofermentacji odpadów organicznych

Doświadczenia w kofermentacji odpadów organicznych w oczyszczalni ścieków w Swarzewie

Oczyszczalnia ścieków w Swarzewie zlokalizowana jest nad brzegiem Zatoki Puckiej i obsługuje w codziennej eksploatacji poza sezonem letnim około 40 000 RLM z Aglomeracji Puck i około 150 000 RLM latem, głównie od osób czasowo przebywających na terenie miejscowości w celach turystycznych. Oczyszczalnia została gruntownie zmodernizowana w latach 2014–2016. W trakcie modernizacji rozbudowano część ściekową oraz, wzorem wielu innych obiektów w kraju i za granicą, wyposażono ją w urządzenia związane z fermentacją osadu z odzyskiem energii elektrycznej i cieplnej. Niniejszy artykuł powstał na podstawie dwuletnich doświadczeń zebranych w latach 2016–2017, związanych z prowadzoną wspólną fermentacją (kofermentacją) osadu i innych odpadów organicznych. Wypracowane wnioski i spostrzeżenia mogą być przydatne dla innych eksploatatorów podobnych obiektów.

1. Dane wyjściowe. Opis oczyszczalni ścieków

Dane liczbowe dotyczące obciążenia oczyszczalni, przedstawiono w tab. 1. Ilość produkowanego osadu wstępnego i nadmiernego, według wytycznych projektowych, określała wielkość komory fermentacyjnej – maksymalnie do 3 tys. m3, a moc agregatów prądotwórczych – ok. 300 kW. W trakcie przygotowania koncepcji rozbudowy oczyszczalni oraz po inwentaryzacji lokalnych zakładów przemysłowych, zdecydowano się na znaczne zwiększenie pojemności komór, większe niż wynikało to z wyliczeń ilości produkowanego osadu z samej oczyszczalni. Koncepcja zakładała wspólną fermentację osadu produkowanego w oczyszczalni i odpadów organicznych, w tym odpadów rolniczych oraz z przemysłu rybnego. Doprowadziło to do zaprojektowania i wybudowania dwóch komór fermentacyjnych o pojemności 2 × 3600 m3 oraz mocy agregatów prądotwórczych 2 × 400 kW.

Tab. 1. Obciążenie oczyszczalni ścieków w Swarzewie

L.p. Obiekt/parametr wartość jednostka
1 Przepustowość projektowa oczyszczalni 149 900 RLM
2 Część biologiczna – reaktory cykliczne typ SBR. Sumaryczna objętość komór osadu czynnego 31 600 m3
3 Roczny przepływ ścieków 2 400 000 m3/rok
4 Objętość zamkniętych komór  fermentacyjnych 2×3600= 7 200 m3
5 Moc agregatów kogeneracyjnych Typ MWM 2×400 = 800 kW energii elektrycznej
6 Wiek osadu w zamkniętych komorach fermentacyjnych 16 – 35 dni
7 Powierzchnia kompostowni 6000 m2
8 Roczna przepustowość kompostowni obliczona dla osadu o uwodnieniu 80% 8000 Mg/rok
9 Warunki pozwolenia wodnoprawnego Nog. = 10,

Pog. = 1

mg/dm3

Ponaddwukrotnie większe komory fermentacyjne umożliwiają prowadzenie gospodarki osadowej i odpadowej w sposób bardziej elastyczny. Wśród czynników świadczących o przydatności większych pojemności komór, warto wymienić następujące:

  • Zwiększony wiek osadu, wpływający na większy stopień stabilizacji osadu, brak piany i brak uciążliwych zapachów osadu pofermentacyjnego.
  • Możliwość przyjmowania odpadów rolniczych, które wymagają dłuższego zatrzymania w komorach fermentacyjnych i dłuższej fermentacji.
  • Możliwość przyjęcia dużych porcji odpadów w krótkim czasie, innych niż osad produkowany w samej oczyszczalni i poprawy ekonomiki całego zakładu.
  • Wygoda eksploatacji, objawiająca się możliwością odstawienia jednej komory (uśpienia) bez podgrzewania i zasilania nawet na kilka miesięcy bez zauważalnego negatywnego wpływu na żywotność bakterii metanowych. Komora po okresie uśpienia startuje natychmiast, zaraz po osiągnięciu temperatury i doprowadzeniu zasilania substratem.
  • Możliwość przyjmowania odpadów ze źródeł charakteryzujących się dużą zmiennością produkcji.

2. Zasady przyjęcia odpadów do przetwarzania

Oczyszczalnia w Swarzewie nastawiona jest na pozyskiwanie wszelkich odpadów posiadających potencjał biogazowy, jednak podstawowym kryterium kwalifikującym przyjęcie odpadów jest ich bezwzględna czystość, w tym czystość chemiczna. Kryterium kontroli czystości odpadów wynika z produkcji nawozu organicznego z osadu pofermentacyjnego metodą kompostowania. Odpady muszą być jednorodne, łatwe do kontroli czystości. Wykluczamy możliwość mieszania różnych odpadów przed przyjęciem do fermentacji.
Dzięki dużej rezerwie w pojemności komór fermentacyjnych, oczyszczalnia w Swarzewie stała się również centralnym zakładem powiatowym do przeróbki osadu z lokalnych oczyszczalni komunalnych.

W celu oceny przydatności odpadów do fermentacji i określenia ceny jednostkowej przyjęcia odpadów, ustalono następującą procedurę wstępną w oparciu o wartości wyjściowe:

  • Badanie próbki odpadu w laboratorium w celu wyznaczenia potencjału biogazowego.
  • Oznaczenie ilości pofermentu powstającego z odpadu. Redukcja ilości odpadów w komorze fermentacyjnej.
  • Kontrola jakości pofermentu, w szczególności badanie w laboratorium zawartości związków azotu i fosforu mierzona jako azot ogólny i fosfor ogólny.
  • Potwierdzenie badań laboratoryjnych poprzez badanie porcji odpadów w skali technicznej w jednej wybranej komorze fermentacyjnej.

Na podstawie badań laboratoryjnych i doświadczeń związanych z fermentacją odpadów ustala się cenę jednostkową za dostarczenie danego rodzaju odpadu do fermentacji. Umowa na przyjęcie odpadów podpisywana jest po przeprowadzeniu całej procedury badawczej w laboratorium i w skali technicznej. Od producenta odpadów wymagamy dodatkowo przygotowania dokładnego opisu powstawania odpadów w cyklu produkcyjnym, ze szczegółowym wykazem stosowania związków chemicznych przy produkcji odpadów.

W 2016 r. komory fermentacyjne przyjęły następujące ilości różnych odpadów:

  1. Osad wstępny z własnej oczyszczalni ścieków (kod 19 08 05) – 375 Mg s.m.
  2. Osad nadmierny z własnej oczyszczalni ścieków (kod 19 08 05) – 375 Mg s.m.
  3. Osad dowożony z innych oczyszczalni ścieków (kod 19 08 05) – 3243 Mg o uwodnieniu 88%, czyli 389 Mg s.m.
  4. Odpady ulegające biodegradacji (kod 20 02 01) – 1181 Mg.
  5. Odpadowa masa roślinna (kod 02 01 03) – 651 Mg.
  6. Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków (kod 02 02 04) – 110 Mg.
  7. Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków, inne niż wymienione w 07 06 11 (kod 07 06 12) – 28 Mg.
  8. Odpady kuchenne ulegające biodegradacji (kod 20 01 08) – 25 Mg.

Na podstawie danych wyjściowych wyliczane są następujące wartości, stanowiące składowe bilansu ekonomicznego przetwarzania danego rodzaju odpadu:

  • Produkcja energii elektrycznej i cieplnej.
  • Przewidywane zużycie polielektrolitu do odwadniania osadu.
  • Przewidywane koszty oczyszczania azotu w wodach ociekowych, czyli ewentualne zużycie związków węgla do wspomagania denitryfikacji.
  • Przewidywane koszty oczyszczania fosforu w wodach ociekowych, czyli zużycie soli żelaza do strącania związków fosforu.
  • Przewidywane koszty kompostowania pofermentu, takie jak zużycie słomy, czas napowietrzania, czas pracy maszyn do obróbki pryzm.

Na podstawie badań oraz doświadczeń w skali technicznej uszeregowano odpady według skali kosztów przetwarzania, licząc od najwyższych kosztów, aż do największych zysków (tab. 2).

Tab. 2. Potencjalne koszty lub zysk z przetwarzania odpadów

L.p. Rodzaj odpadu Kod odpadu Wyliczone koszty lub zysk z tytułu przetwarzania odpadu
1 Osad nadmierny dowożony z innej oczyszczalni, zawartość 12-20% s.m. 190805 Koszt od 60 do 100 zł/Mg w zależności od uwodnienia
2 Odpadowa masa roślinna w tym wybrakowane warzywa. 020103 Koszt 0 do 95 zł/Mg
3 Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków z przemysłu rybnego z dużą zawartością tkanki rybnej innej niż tłuszcze. 020204 Koszt 50 zł/Mg
4 Odpady kuchenne ulegające biodegradacji. 200108 Zysk na poziomie 36 zł/Mg
5 Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków z przemysłu rybnego ze znaczną przewagą tłuszczów 020204 Zysk na poziomie 200 zł/Mg s.m.
6 Odpadowa masa roślinna w postaci trawy wiosennej świeżo skoszonej 200201 Zysk 141 zł/Mg
7 Odpady z wytłaczania oleju rzepakowego z dużą pozostałością oleju roślinnego 020103 Zysk 186 zł/Mg
8 Pozostałości po smażeniu frytek (frytura) 200108 zysk 661 zł/Mg

Największą potencjalną korzyść dla zakładów przetwarzających odpady przy oczyszczalniach ścieków posiadają te, które w wyniku fermentacji dostarczają największą jednostkową ilość biogazu z jednoczesną największą redukcją pozostałości po fermentacji z niską zawartością związków azotu i fosforu w odciekach. Odpady tego typu powinny być separowane od ścieków i dostarczane do komór fermentacyjnych z pominięciem kanalizacji. Cechy takie posiadają tłuszcze roślinne i zwierzęce z niską zawartością innych tkanek roślinnych i zwierzęcych.

Dla przykładu, odpady rybne zmieszane posiadają wysoki potencjał biogazowy, natomiast po fermentacji podnoszą stężenie azotu amonowego w odciekach do wartości powyżej 1000 mgN/dm3. Wymaga to kosztownego oczyszczania odcieków w części ściekowej i, w konsekwencji, powoduje konieczność podniesienia opłaty za ich przetworzenie do wysokości ok. 50 zł/Mg. Te same odpady z przewagą tłuszczów rybnych z niewielką zawartością tkanki zwierzęcej posiadają wysoką opłacalność dla zakładu, dochodzącą do 200 zł zysku za 1 Mg s.m.

Według badań laboratoryjnych, największy potencjalny zysk dla zakładu dają tłuszcze zbierane ze smażalni frytek. Ich potencjalny zysk z tytułu uzyskiwanego biogazu i jednoczesnej niskiej zawartości osadu pofermentacyjnego (pofermentu) przekracza 600 zł/Mg. Te same odpady wylewane bezpośrednio do kanalizacji ulegają rozpuszczeniu w ściekach i są prawie w całości neutralizowane w komorach napowietrzania, zwiększając koszty obróbki ścieków.

Tłuszcze w kanalizacji miejskiej ulegają daleko idącej emulgacji w połączeniu ze związkami powierzchniowo czynnymi i są trudne do oddzielenia w separatorach oczyszczalni w dużym strumieniu ścieków. W komorach napowietrzania znacząco podnoszą zapotrzebowanie na tlen. Czas rozkładu tłuszczów w komorach osadu czynnego wynosi ok. 14 dni. Tłuszcze powinny być separowane u źródła wytwarzania i przywożone jako paliwo do komór fermentacyjnych z pominięciem kanalizacji. Dodatkową, negatywną, cechą tych związków, uciążliwą dla operatorów, jest łatwość tworzenia złogów i zatorów wzdłuż ciągów rur kanalizacyjnych. Roczny koszt czyszczenia rur kanalizacyjnych ze złogów tłuszczowych dla miasta powyżej 100 tys. mieszkańców mierzony jest w setkach tysięcy zł.

Należy zaznaczyć, że w odróżnieniu od biogazowni rolniczych, znaczny udział w kosztach przetwarzania odpadów ma późniejsza obróbka osadu pofermentacyjnego, w tym przypadku – kompostowanie. Wysoka cena słomy oraz koszt odwadniania osadu i napowietrzania pryzm kompostowych generują dodatkowe wydatki i ewentualne straty w przypadku odpadów o wysokiej zawartości celulozy znajdujących się w osadzie pofermentacyjnym. Biogazownie rolnicze zwykle zagospodarowują osad pofermentacyjny bez kosztownej obróbki, jako nawóz z bezpośrednim dozowaniem na pola.

Rozwiązanie punktu przyjmowania odpadów roślinnych zapożyczone jest z biogazowni rolniczych. Urządzenie zapewnia możliwość sporządzenia mieszanki odpadowej, rozcieńczenia, maceracji i dozowania do komór fermentacyjnych według dowolnej receptury (fot. 2).

Oczyszczalnia ścieków w Swarzewie posiada wygodne i zhermetyzowane dwa punkty przyjęcia odpadów.

Fot. 2. Oczyszczalnia ścieków w Swarzewie posiada wygodne i zhermetyzowane dwa punkty przyjęcia odpadów.

Wybrakowana żywność przyjmowana do komór fermentacyjnych

Fot. 3. Wybrakowana żywność przyjmowana do komór fermentacyjnych

Wstępne mieszanie miękkich roślin z osadem dowożonym z innych oczyszczalni ścieków

Fot. 4. Wstępne mieszanie miękkich roślin z osadem dowożonym z innych oczyszczalni ścieków

Rozcieńczanie, maceracja i pompowanie do zbiorników pośrednich przed zamkniętymi komorami fermentacyjnymi

Fot. 5. Rozcieńczanie, maceracja i pompowanie do zbiorników pośrednich przed zamkniętymi komorami fermentacyjnymi

Biogaz spalany jest w silnikach generujących energię elektryczną i cieplną

Fot. 6. Biogaz spalany jest w silnikach generujących energię elektryczną i cieplną

Przed podaniem do spalenia biogaz jest osuszany i oczyszczany z siarkowodoru i lotnych związków krzemu (siloksanów).

3. Dawki maksymalne

Informacją przydatną dla eksploatatorów jest określenie maksymalnej bezpiecznej dawki substancji tłuszczowych możliwych do wspólnej fermentacji z osadem wstępnym i nadmiernym. Dobowa dawka mieszanki tłuszczowej podawana jest systematycznie przez cały czas porcjami o czasie podawania od 2 do 3 minut z częstotliwością co 20 minut. Pomimo prób dociążenia komór fermentacyjnych większymi dawkami tłuszczów, nie osiągnięto wartości maksymalnej powodującej problemy eksploatacyjne. Tłuszcze rybie (45% s.m.) mieszano w proporcji 1:3 (objętościowo) z osadem wstępnym i nadmiernym (5% s.m.), dozując wszystko w ilości 5% objętości komory na dobę, nie powodując negatywnych zmian zasadowości osadu. Ocenia się, że w przeliczeniu na suchą masę odpady tłuszczowe stanowią często 75% wsadu komory fermentacyjnej, a resztę stanowi osad wstępny i nadmierny. Jedynym ograniczeniem w komorach fermentacyjnych są zabezpieczenia mechaniczne ciśnienia produkowanego biogazu w komorze fermentacyjnej. Zwiększone wydzielanie biogazu pod wpływem odpadów tłuszczowych obserwowane jest niemal natychmiast po dozowaniu odpadów. Tym samym, zbiornik z mieszanką przygotowaną do fermentacji może być jednocześnie magazynem energii wykorzystywanej w chwili najbardziej potrzebnej dla oczyszczalni. W warunkach laboratoryjnych największą produkcję biogazu dały odpady tłuszczowe zmieszane z osadem wstępnym i z miękkimi odpadami roślinnymi, takimi jak wybrakowane pory i cebula. Żaden z tych odpadów osobno nie osiągał takiej produkcji, jak przygotowana mieszanka. W laboratorium dodatek jednorazowy 1% objętości komory mieszanki tłuszczowo-osadowej nie powoduje negatywnych zmian, natomiast jednorazowa dawka 2% objętości komory spowodowała nieodwracalne zmiany zasadowości osadu.

4. Badania własne przeprowadzane w laboratorium z enzymatycznym rozkładem celulozy

Próby wykorzystania roślinnych odpadów celulozowych do fermentacji metanowej przeprowadzane są na całym świecie z wykorzystaniem różnych metod, w tym chemicznych, fizycznych oraz biologicznych, na przykład z wykorzystaniem enzymów. Celem badań prowadzonych w Swarzewie jest znalezienie prostej receptury umożliwiającej rozkład roślinnych organicznych związków węglowych dostępnych w znacznie większych ilościach niż odpady zwierzęce. Na uwagę zasługuje powszechne generowanie odpadów np. w domach mieszkańców i ich dostępność cały rok. Wybrano metodę bezinwestycyjną, bezpieczną dla operatorów, to znaczy dozowania roztworu enzymów bezpośrednio do zamkniętych komór fermentacyjnych wraz z podawanymi odpadami.

Do badań zastosowano produkt handlowy do rozkładu celulozy na bazie egzoenzymów (celulazę). Enzymy stosowane są powszechnie jako dodatek do pasz i przetwórstwa owocowego, natomiast w inżynierii sanitarnej wykorzystywane są stosunkowo rzadko. Do badań własnych zastosowano również enzymy pozyskane z własnego źródła ze spleśniałego chleba i porównano oba sposoby pod względem wydajności produkcji biogazu. W jednym i drugim przypadku uzyskano istotny wzrost produkcji biogazu, sugerujący opłacalność pozyskania nowego źródła substratów do fermentacji z odpadów roślinnych (tab 3).

Pozytywnym zaskoczeniem była obecność związków celulozowych w osadzie pofermentacyjnym i uzyskanie ponownej fermentacji z osadu uznanego za stabilny, niefermentujący. Enzym dodawany był bezpośrednio do komory fermentacyjnej, czyli do zbiornika o temperaturze 38°C lub z wcześniejszym mieszaniem z substratem.

Teoretycznie, każda zamknięta komora fermentacyjna z fermentacją mezofilową jest reaktorem biologicznym, w którym następują przemiany enzymatyczne rozkładające organiczne związki węglowe do metanu i dwutlenku węgla, jednak z wyłączeniem związków celulozowych.

Celuloza może stanowić uzupełniające bogate źródło węgla dla produkcji biogazu. Dodatkowo, może być atrakcyjna dla biogazowni przy oczyszczalniach ścieków z uwagi na niską zawartość azotu. Enzymy rozkładające celulozę są coraz powszechniej stosowane w różnych dziedzinach przemysłu rolno-spożywczego, a ich cena systematycznie spada, dlatego mogą stanowić cenne uzupełnienie dla pozyskania surowców do fermentacji, praktycznie przez cały rok. Po wstępnych badaniach dotyczących celulozy zawartej w osadzie pofermentacyjnym, uzyskano 4-procentowy dodatkowy wzrost produkcji biogazu. Jednak ten niewielki wzrost wykazał wysoką opłacalność dodatku enzymu, wynoszącą 10-krotność zysku z tytułu pozyskania energii w porównaniu do kosztów zakupu enzymu. Dodatek enzymu do osadu wstępnego pozwala na uzyskanie dodatkowych ilości biogazu z celulozy zawartej w samym osadzie, a także z dodatkowych źródeł, wcześniej uznanych za nieprzydatne. Celuloza zawarta w osadzie pochodzi z treści naszych jelit, jako niestrawiona pozostałość oraz jako balast – z komory fermentacyjnej. Z badań przeprowadzonych w laboratorium wynika, że dawkowanie enzymu do komory fermentacyjnej powinno być prowadzone okresowo, a nie każdego dnia. Materia bogata w celulozę podatna na rozkład enzymatyczny musi ulec ponownemu nagromadzeniu po ostatnim dozowaniu enzymu.

Badania w Swarzewie prowadzane są wspólnie z Akademią Morską w Gdyni. Wykazują wyraźny wzrost zdolności fermentacyjnej odpadów roślinnych. Najbardziej efektywne działanie na odpady zawierające celulozę zaobserwowano w przypadku słomy, czyli odpadu, który nie jest stosowany jako surowiec do komór fermentacyjnych w oczyszczalniach ścieków, ale w biogazowniach rolniczych często występuje jako składnik gnojowicy. Enzymy spowodowały podwojenie produkcji biogazu i podwojenie ChZT rozpuszczonego ze słomy.

Odpady lignocelulozowe zmieszane z chlebem spleśniałym posiadały również wysoki potencjał biogazowy. Pleśnie powstałe w czasie przetrzymywania odpadów powodują znaczne zwiększenie potencjału biogazowego. Enzymy zawarte w pleśniach powodowały rozpad celulozy i zwiększone wydzielanie biogazu z innych odpadów. Po dozowaniu enzymu, wyraźnemu zwiększeniu uległa zawartość substancji mineralnej. Zwiększenie ilości biogazu z jednoczesnym zmniejszeniem ilości osadu pofermentacyjnego (pofermentu) ma korzystne znaczenie w eksploatacji. Zaskoczeniem była również wysoka zdolność fermentacyjna trawy, która w badaniach uzyskała największy potencjał biogazowy, natomiast nie zauważono wpływu celulazy na odpady zawierające trawę. Wnioski z przeprowadzonych badań mają znaczenie praktyczne i mogą być przydatne dla tych oczyszczalni, które szukają nowego źródła surowców do fermentacji. Szczególnie atrakcyjnie wypadają odpady kuchenne ulegające biodegradacji, pozyskane od mieszkańców.

5. Efekt ekonomiczny

Obecnie oczyszczalnia jest samowystarczalna energetycznie. Z uwagi na dotację z Unii Europejskiej, nie może wyprodukować rocznie i sprzedać więcej energii niż zakup z sieci państwowej. Z tego względu zakład musiał odmówić przetwarzania wielu atrakcyjnych odpadów z różnych działów przemysłu spożywczego. Ocenia się, że w przyszłości, po zakończeniu 5-letniego okresu trwałości inwestycji, ilość produkowanej energii elektrycznej może osiągnąć 150% energii zużywanej przez zakład.

6. Wnioski

  • Wykazano wysoką opłacalność fermentacji odpadów, szczególnie odpadów tłuszczowych o niskiej zawartości azotu.
  • W warunkach technicznych, pomimo dociążenia komór fermentacyjnych, nie osiągnięto maksymalnej dawki odpadów tłuszczowych powodujących problemy eksploatacyjne.
  • Ilość siloksanów wydzielanych z odpadów pochodzących z zakładów kosmetycznych nie zwiększa tła powstających siloksanów z odpadów wrzucanych do ścieków przez mieszkańców w zlewni oczyszczalni.
  • W badaniach laboratoryjnych wykazano przydatność stosowania enzymów do rozkładu celulozy z odpadów celulozowych i z osadu wstępnego. Badania przeprowadzano w celu znalezienia alternatywnych źródeł surowców do fermentacji i wzrostu ilości wydzielanego biogazu.
  • Oczyszczalnia z kofermentacją i kompostownią może przyczynić się do wzrostu wymaganego przez Unię Europejską poziomu redukcji odpadów biodegradowalnych. W warunkach zlewni oczyszczalni w Swarzewie odpady kuchenne ulegające biodegradacji produkowane są w ilości 15 600 Mg/rok, dając potencjalny zysk z przetworzenia około 560 tys. zł/rok, jednak bezwzględnym warunkiem przyjęcia tych odpadów jest ich dokładna segregacja u źródła.

Fot. x 6 S. Cytawa, fot. 1. (na otwarcie). Widok oczyszczalni ścieków. Lokalizacja oczyszczalni

Stanisław Cytawa, Spółka Wodno-Ściekowa „Swarzewo”

 

Forum-Eksploatatora Artykuł pochodzi z dwumiesięcznika „Forum Eksploatatora”; (marzec/kwiecień 2018). Tekst opublikowany w formie dostarczonej przez wydawcę – Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o.

reklama

reklama

partner portalu

reklama

reklama

reklama

reklama

 

reklama

partner medialny

reklama

reklama