Menu

Biogaz ze ścieków

Wiadomości wstępne

 

Biogaz ze ścieków komunalnych, produkowany był w Polsce już przed II Wojną Światową. Potem zaniechano tego procesu, ze względów oszczędnościowych, by do niego ponownie wrócić w latach 90 XX wieku. Produkcja biogazu w oczyszczalni ścieków mechaniczno-biologicznej odbywa się w części osadowej oczyszczalni, gdzie najczęściej osad wstępny i tzw. wtórny, poddawany jest procesom stabilizacji beztlenowej w wydzielonych zamkniętych komorach fermentacyjnych, zwanych też WKF. Produkowany biogaz może być w całości zużyty na potrzeby samej oczyszczalni, lub przy nadprodukcji wykorzystywany w sieci bądź do celów technologicznych. Poniżej omówiono podstawowe informacje dotyczące budowy, zasady działania instalacji biogazowych w oczyszczalni, a także właściwości i dostępne możliwości wykorzystania biogazu.

 

Właściwości biogazu ze ścieków

Przyjmuje się, że z 1000 m3 ścieków wpływających do oczyszczalni można uzyskać 100-200 m3 biogazu. Standardowo z 1 m3 osadu (4-5% suchej masy) można uzyskać 10-20 m3 biogazu o zawartości ok. 60% metanu. Skład biogazu pościekowego przedstawia poniższa tabela.

 

Tabela 1. Przykładowy skład biogazu w Białostockiej oczyszczalni ścieków.

ozebio228.jpg

 

Tabela 2. Właściwości palne ww. biogazu

ozebio229.jpg

 

Według danych z 2012 roku w Polsce było czynnych 76 oczyszczalni ścieków z instalacjami odzysku biogazu ściekowego o łącznej mocy około 41 MW. Zgodnie z danymi Agencji Rynku Energii w Polsce z 2010 roku, potencjał produkcji biogazu z osadów ściekowych jest szacowany na 96,9 mln m3, co stanowi ekwiwalent ok. 2 PJ energii elektrycznej, o wartości opałowej równej 21,4 MJ/m3. W porównaniu do innych źródeł biogazu, potencjał ten nie jest duży (tabela3).

 

Tabela3. Potencjał produkcyjny biogazu w Polsce (mat.POTENCJAŁ PRODUKCJI BIOGAZU W POLSCE Wojciech Gis i inni) 

ozebio230.jpg

 

Jak widać z powyższej tabeli, maksymalne wykorzystanie biogazu  ściekowego to zaledwie około 4% całkowitego potencjału biogazu w kraju. Warto jednak zwrócić uwagę, że podobnie jak w przypadku wysypisk odpadów, beztlenowa stabilizacja osadów ściekowych pozwala na ich utylizację i późniejsze rolnicze wykorzystanie z zastrzeżeniem danych tabeli 4. Osad przefermentowany nie stanowi już zagrożenia odorami, jest łatwiejszy w odwadnianiu.

Tabela 4. Dopuszczalna zawartość metali ciężkich w komunalnych osadach ściekowych wg Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 6 lutego 2015 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych

ozebio231.jpg

 

Produkcja biogazu ściekowego

 

Proces stabilizacji beztlenowej osadu ściekowego ze ścieków komunalnych pozwala na znaczne ograniczenie stopnia jego szkodliwości. Surowe osady ściekowe zawierają szereg niebezpiecznych związków, w tym:

- bakterie i wirusy

- jaja pasożytów z przewodu pokarmowego

- substancje biogenne

Osad surowy ma kolor jasno brązowy i odrażający zapach, trudno sedymentuje, jest sklejony. Po procesie fermentacji udział związków organicznych spada o co najmniej 30%, osad zmienia barwę do czarnej z powodu dużej zawartości substancji ziemistych, humusowych i siarczków, łatwiej też sedymentuje pozwalając na bezproblemowe odwadnianie. Nie wydziela już też nieprzyjemnego zapachu pozwalając niejednokrotnie na bezpieczne składowanie np. na lagunach osadowych. Proces fermentacji zachodzi w wydzielonych zamkniętych komorach fermentacyjnych. Fermentacja metanowa zachodząca w WKF bez udziału tlenu jest biochemicznym procesem gazyfikacji złożonych wielkocząsteczkowych substancji organicznych (białek, węglowodanów i tłuszczów) bez obecności tlenu. Produktem procesu jest gaz, którego podstawowymi składnikami są metan i ditlenek węgla.

    Proces fermentacji osadów ściekowych jest procesem znacznie bardziej zintensyfikowanym od biodegradacji
zachodzącej na składowisku odpadów. Szczególnie dzieje się tak w warunkach rzeczywistej fermentacji beztlenowej,
tj. w obecności bardzo niewielkiej ilości tlenu. W tablicy 5 przedstawiono ilości oraz skład otrzymanego biogazu po
przefermentowaniu różnych rodzajów substancji organicznych będących składnikami osadu ściekowego oraz
samego osadu w warunkach laboratoryjnych.

 

Tabela 5. Ilość i skład biogazu otrzymanego z 1 kg suchej masy substratu wyjściowego (mat. Grzegorz Kołodziejak "Możliwości wykorzystania potencjału energetycznego biogazu...")

ozebio232.jpg

 

Sposób przeróbki osadów ściekowych zależy od ich składu chemicznego, ilości i przyjętego schematu technologicznego. Przykładowy schemat pokazano na rys poniżej

ozebio233.jpg

Rys. Schemat oczyszczalni ścieków Czajka w Warszawie.

 

Ścieki surowe po przejściu przez halę krat i usunięciu największych zanieczyszczeń stałych (tzw. skratek), przechodzą do napowietrzanego piaskownika, gdzie usuwane są zanieczyszczenia łatwo opadające jak piasek, żwir, itp. Po piaskowniku ścieki wpływają do osadnika wstępnego, usuwany jest z nich osad zawierający duże ilości substancji organicznych. Osad ten kierowany jest bezpośrednio do komory fermentacyjnej (WKF-u), pozostałe ścieki płyną do komór osadu czynnego lub złóż biologicznych (głównie małe oczyszczalnie ścieków), gdzie poddawane są obróbce biologicznej przy wykorzystaniu tlenu z powietrza i mikroorganizmów. Powstały po tym procesie osad (tzw. wtórny) jest bardzo mocno uwodniony (nawet 98%), dlatego przed wprowadzeniem do komory WKF-u poddaje się go częściowej obróbce np. na prasach filtracyjnych. Powstały odciek kierowany jest na osadnik wstępny, a częściowo odwodniony osad przechodzi do WKF-u.

ozebio234.jpg

Rys. Wydzielona komora fermentacyjna z mieszadłem pionowym.

 

Czas przetrzymania w komorach WKF wynosi (dane z oczyszczalni ścieków Czajka) od 22-33 dni, w temperaturze mezofilowej od 37-38 °C. Obciążenie komór to około 1,0-1,6 kg sm/m3 komory. Teoretycznie proces można prowadzić też w warunkach termofilnych w temperaturze >50°C, ale wydatek energetyczny z uwagi na olbrzymią objętość komór jest zbyt duży. W niektórych oczyszczalniach możemy spotkać jeszcze inne rozwiązanie komory typu otwartego z fermentacją psychrofilną, w temperaturze <25°C. Objętość takich komór z uwagi na wolniejsze tempo metanizacji jest jednak dużo większa. Ciepło w przypadku WKF-ów nie jest wprowadzane bezpośrednio do komory. Wewnątrz komór nie ma żadnego wymiennika ciepła, tak jak dzieje się to w biogazowniach rolniczych. Podgrzewanie osadu odbywa się na zewnątrz komór w wymiennikach ciepła typu "rura w rurze" lub "spiralnych".

ozebio235.jpgozebio236.jpg

Ryc. Wymienniki ciepła, po lewej typu "rura w rurze", po prawej "spiralny".

 

Obie konstrukcje są idealne dla osadów ściekowych, charakteryzujących się dużą lepkością i agresywnością korozyjną. Przefermentowany osad poddawany jest:

-  odwodnieniu na wirówkach lub prasach a następnie spalany, jeśli posiada zbyt duże stężenie metali ciężkich

- odwodnieniu na lagunach osadowych

- odwodnieniu, następnie poddany kolejnym procesom utylizacji np. dezynfekcja, itp.

 Biogaz z komór fermentacyjnych gromadzony jest w zbiorniku gazu, a następnie wykorzystywany do:

- zasilania jednostek CHP produkujących jednocześnie energię elektryczną i cieplną; energia cieplna wykorzystywana
jest do podgrzewania wydzielonych komór fermentacyjnych (WKF), a energia elektryczna sprzedawana do sieci energetycznej,
- podgrzewania suszarni osadu ściekowego,
- podgrzewania wydzielonych komór fermentacyjnych.

Biogaz ze ścieków ma stosunkowo dużą zozebio237.jpgawartość siarki i wilgoci i przed spalaniem musi być oczyszczony. Usuwanie siarki można prowadzić przepuszczając gaz przez rudę darniową, na związkach chelatowych żelaza, na węglu aktywnym, czy metodą płuczki wodnej. Wilgoć z biogazu usuwa się zwykle prze jego ochłodzenie i kondensację pary wodnej. Oczyszczony gaz magazynowany jest w zbiornikach. Dawniej były to zbiorniki dzwonowe mokre, jednak bardzo szybko ulegały korozji, dlatego obecnie podstawowym typem zbiornika jest zbiornik dwumebranowy kulisty balonowy, lub walcowy w obudowie stalowej

 

Fot. Zbiornik dwumebranowy

 

Zbiorniki dwumebranowe zbudowane s a z dwóch powłok poliestrowych pokrytych PVC: membrany wewnętrznej w której przebywa gaz i membrany zewnętrznej. Ciśnienie w zbiorniku utrzymywane jest za pomocą powietrza stale doprowadzanego wentylatorem do przestrzeni pomiędzy membraną wewnętrzną i zewnętrzną. Stopień wypełnienia zbiornika mierzony jest ultradźwiekowo lub systemem linkowym zamocowanym na szczycie membrany zewnętrznej.

ozebio238.jpg

Rys. Schemat budowy zbiornika dwumebranowego 3/4 sferycznego z wyszczególnieniem podstawowego wyposażenia.

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});