Produkcja biogazu jako sposób... Zbigniew Cybulskie

WSZECHNICA MAZURSKA W OLECKU Katedra Wychowania Fizycznego i Ochrony Środowiska kierunek: Ochrona Środowiska

Zbigniew Cybul Nr albumu: 15788

PRODUKCJA BIOGAZU JAKO SPOSÓB WYKORZYSTANIA I UTYLIZACJI OSADÓW ŚCIEKOWYCH NA PRZYKŁADZIE OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W NOWEJ WSI EŁCKIEJ

Praca inżynierska wykonana pod kierunkiem dr inż. Wiesława Czeluścińskiego

Olecko, marzec 2011

Składam serdeczne podziękowanie Panu dr inż. Wiesławowi Czeluścińskiemu za poświęcony czas oraz cenne wskazówki pomocne przy pisaniu niniejszej pracy.

2

Oświadczenie kierującego pracą Oświadczam, że niniejsza praca została przygotowana pod moim kierunkiem.

Stwierdzam, że spełnia ona warunki do przedstawienia jej w postępowaniu nadania tytułu zawodowego.

Data:

------------------------------------------------Podpis kierującego pracą

Oświadczenie autora pracy

Świadom odpowiedzialności prawnej oświadczam, że niniejsza praca dyplomowa została napisana przeze mnie samodzielnie i nie zawiera treści uzyskanych w sposób niezgodny z obowiązującymi przepisami.

Oświadczam również, że przedstawiona praca nie była wcześniej przedmiotem procedur związanych z uzyskaniem tytułu zawodowego w wyższej uczelni.

Oświadczam ponadto, że niniejsza wersja jest identyczna z załączoną wersją elektroniczną.

Data: 23.03.2011

-----------------------------------------Podpis autora pracy

3

Streszczenie Region mazurski Polski stanowi obszar na którym występuje wiele terenów podlegających ochronie państwa, ze względu na swe cenne walory przyrodnicze.

Z tego względu wszelkie działania na rzecz ochrony środowiska są tu niezwykle ważnym elementem do zachowania występującej tam w nienaruszonym stanie przyrody. Jednym ze sposobów ekologicznego zagospodarowania osadów ściekowych, które w normalnych warunkach stanowią niebezpieczny odpad, jest produkcja energii odnawialnej, która nawet częściowo zastępując energię pozyskiwaną ze źródeł nieodnawialnych w dużym stopniu przyczynia się do poprawy stanu środowiska naturalnego, a jednocześnie zmniejsza deficyt zapotrzebowania na ten rodzaj energii. Skuteczne i nie zagrażające środowisku naturalnemu wykorzystanie fermentacji metanowej do produkcji energii z osadów ściekowych wymaga jednak dobrania właściwych parametrów procesu oraz odpowiedniego zaplecza technicznego, aby w sposób bezpieczny i efektywny korzystać z energii w nich zgromadzonej. Mając na uwadze potrzebę doskonalenia metod

zagospodarowania

funkcjonowanie

typowej

osadów

ściekowych,

oczyszczalni

w

ścieków

pracy

przedstawiono

jaką

jest

zakład

w Nowej Wsi Ełckiej w celu sprawdzenia skuteczności jej działania w zakresie pozyskiwania biogazu z osadów oraz wskazania nowych możliwości udoskonalenia tego procesu jakie zastosowano w powyższej oczyszczalni.

Słowa kluczowe: biogaz, fermentacja metanowa, osady ściekowe, instalacja, energia odnawialna.

Wersja elektroniczna

miejsce na płytę CD

4

Spis treści W S T Ę P................................................................................................................ 7 1. WYKORZYSTANIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH Z OCZYSZCZALNI JAKO ŹRÓDŁA ODNAWIALNEJ ENERGII. ................................................ 9 1.1. Sieć oczyszczalni ścieków w Polsce ............................................................ 10 1.2. Efektywność wykorzystywania osadów ściekowych do produkcji energii w Polsce....................................................................................................... 11 2.OCZYSZCZALNIA ŚCIEKÓW W BILANSIE ENERGETYCZNYM GMINY EŁK..................................................................................................... 12 2.1 Ogólne wiadomości o oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. ........... 13 3. PROCES POZYSKIWANIA ENERGII Z OSADÓW ŚCIEKOWYCH W OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W NOWEJ WSI EŁCKIEJ. ......................... 17 3.1. Ciąg mechaniczny oczyszczania ścieków jako główne źródło pozyskania surowca do produkcji biogazu oraz miejsca powstawania i pozyskiwania osadu surowego. ......................................................................................... 17 4. REAKTORY OSADU CZYNNEGO JAKO WTÓRNE ŹRÓDŁO POZYSKIWANIA SUROWCA DO PRODUKCJI BIOGAZU. .................... 18 4.1 Ogólne wiadomości o metodzie osadu czynnego. ....................................... 18 4.2 Kinetyka osadu czynnego............................................................................ 19 4.3 Powstawanie osadu nadmiernego. .............................................................. 20 4.4 Obróbka osadu nadmiernego przed fermentacją. ..................................... 21 4.5 Instalacja do zagęszczania osadu nadmiernego. ........................................ 22 5. FERMENTACJA METANOWA JAKO PROCES WYTWARZANIA BIOGAZU Z OSADÓW ŚCIEKOWYCH....................................................... 26 5.1 Mechanizm i kinetyka procesu fermentacji metanowej. .......................... 26 5.2 Instalacja fermentacyjna w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. . 28 5.3 Parametry fermentacji zapewniające utrzymanie procesu. ...................... 28 5.4 Bilans masowy procesu fermentacji. .......................................................... 33 6. BIOGAZ, WŁAŚCIWOŚCI I WYKORZYSTANIE. ..................................... 34 6.1. Instalacja biogazu....................................................................................... 38 6.2. Uzdatnianie biogazu. .................................................................................. 39 6.3. Magazynowanie i gospodarowanie biogazem. .......................................... 39

5

7. WĘZEŁ ENERGETYCZNY OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W NOWEJ WSI EŁCKIEJ. ................................................................................................. 42 7.1. Ogólny opis węzła energetycznego............................................................. 42 7.2. Kotły centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. ......................... 43 7.3. Zespoły kogeneracyjne. .............................................................................. 44 8. BILANS ENERGETYCZNY OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W NOWEJ WSI EŁCKIEJ. ................................................................................................. 45 8.1. Efektywność oczyszczalni ścieków pod kątem możliwości pozyskiwania energii odnawialnej z osadów ściekowych. .............................................. 49 8.2 Propozycje poprawy efektywności pozyskiwania energii odnawialnej w oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej. ........................................................ 55 9. ZAKOŃCZENIE I WNIOSKI. ........................................................................ 58 Wnioski ................................................................................................................. 58 SPIS LITERATURY ............................................................................................ 59 SPIS RYSUNKÓW I TABEL .............................................................................. 62 Spis tabel ............................................................................................................... 64 Spis wzorów ......................................................................................................... 65

6

WSTĘP Ochrona środowiska to zagadnienie nurtujące wiele pokoleń, które próbują walczyć o czyste powietrze, wodę, glebę, utrzymanie istniejących ekosystemów oraz zachowanie walorów estetycznych naturalnego krajobrazu. Dynamiczny rozwój cywilizacji jaki zachodzi w naszej gospodarce prowadzi również do nieodwracalnych zmian środowiskowych na wielu płaszczyznach. Aby pogodzić ochronę przyrody z postępem społeczno - ekonomicznym Polski należy realizować zasadę zrównoważonego rozwoju. Taka polityka ze strony państwa wymaga wielu zmian prawnych, które umożliwiłby właściwe stosowanie przepisów w polskich warunkach.

Istotnym elementem zasługującym na uwagę w ustawodawstwie polskim jest nowelizacja przepisów regulujących polską energetykę, które w szerszym pojęciu umożliwią stosowanie odnawialnych źródeł energii zarówno przez przedsiębiorstwa jak i osoby fizyczne. Odnawialne źródła energii to takie, których używanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem gdyż ich zasób odnawia się w relatywnie krótkim czasie.

W ustawie prawo energetyczne 1 odnawialne źródła energii

zdefiniowano jako: „…źródła wykorzystujące w procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także z biogazu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątek roślinnych i zwierzęcych”.

W Polsce nałożono obowiązek zasilania sieci energetycznych zakupioną energią produkowaną z odnawialnych źródeł 2 , jak również jasno sprecyzowano poszczególne źródła energii odnawialnej w składzie których znalazł się również biogaz, określany jako gaz pozyskany z biomasy, w szczególności z instalacji

1

Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 roku - Prawo energetyczne. (Dz. U. z 1997r. Nr 54 poz. 348 ze zm.)

Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 19 grudnia 2005r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii. (Dz. U. z 2005r.

Nr 261poz. 2187 ze zm.)

2

7

przeróbki odpadów zwierzęcych lub roślinnych, oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów.

Powyższe regulacje prawne otwierają drogę dla polskich oczyszczalni ścieków w zakresie pozyskiwania biogazu z osadów ściekowych w celach energetycznych, co zarazem rozwiązuje problem ich zagospodarowania i utylizacji.

Jest to również zgodne z polityką energetyczną kraju, gdyż zaplanowano, że w latach 2003 - 2010 wzrostu udziału energii ze źródeł odnawialnych w Polsce wahał się będzie w zakresie od 2,65% do 10,4%. Do roku 2013 w Polsce planuje się produkować 1 mld3 biogazu m.in. do ogrzewania budynków, co zdaniem Ministerstwa Rolnictwa znacznie poprawi nasze bezpieczeństwo energetyczne oraz stan środowiska naturalnego.3 Biorąc pod uwagę, że biogaz wykorzystywany na dużą skalę w Indiach, Chinach, Szwajcarii, Francji, Niemczech i USA ma szerokie zastosowanie jako paliwo dla generatorów prądu elektrycznego (ze 100 m³ biogazu można wyprodukować około 540-600 kWh energii elektrycznej), jako źródło energii do ogrzewania wody, a po oczyszczeniu i sprężeniu jako paliwo do napędu silników (instalacje CNG). Stosowanie go w polskich warunkach jest niezwykle istotne zarówno dla polskiej gospodarki jaki z uwagi na korzyści dla środowiska naturalnego,

jakie

za

sobą

niesie

przetwarzanie

nierzadko

trudnej

do

zagospodarowania i utylizacji masy organicznej różnego pochodzenia.

Biorąc pod uwagę konieczność wprowadzania do gospodarki polskiej systemów pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych i mając na uwadze ochronę środowiska naturalnego, celem pracy jest ocena skuteczności działania procesu pozyskiwania biogazu z osadów ściekowych gromadzonych w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej ze zwróceniem uwagi na ekologiczne skutki działania tego procesu oraz wskazanie metod poprawy jego skuteczności i efektywności.

3

Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 19 grudnia 2005r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii. (Dz. U. z 2005r.

Nr 261poz. 2187 ze zm.)

8

1. WYKORZYSTANIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH Z OCZYSZCZALNI JAKO ŹRÓDŁA ODNAWIALNEJ ENERGII. Osady ściekowe jako odpad po oczyszczaniu ścieków stanowią duży problem dla oczyszczalni, gdyż z uwagi na zagrożenie biologiczne jakie stanowią, nie mogą być bezpośrednio deponowane na wysypisku śmieci. Wiąże się to z koniecznością ich neutralizacji przed późniejszym wykorzystaniem lub bezpośrednim

odprowadzeniem

do

środowiska

naturalnego.

Zgodnie

z obowiązującymi przepisami, aby wykorzystać osady ściekowe, konieczne jest ich ustabilizowanie tlenowe lub beztlenowe oraz przygotowanie do zastosowania jednego ze sposobów obróbki biologicznej, chemicznej lub termicznej w celu obniżenia do bezpiecznego poziomu zagrożeń ze strony komunalnych osadów ściekowych dla zdrowia i życia ludzi oraz środowiska naturalnego.4 Mając na uwadze potrzebę zagospodarowania dużych ilości osadów ściekowych, jakie każdego dnia powstają w procesie oczyszczania ścieków, korzystnym rozwiązaniem jest wykorzystanie ich potencjału energetycznego do produkcji energii odnawialnej. Poza energią, która pozyskiwana jest z materiału biologicznego zawartego w osadach, jako produkt uboczny procesu fermentacji metanowej otrzymuje się również dobrej jakości nawóz organiczny, który może być wykorzystany w produkcji rolniczej oraz do wzbogacania warstwy organicznej gleby, np.: przy rekultywacji gruntów.

W Polsce z miejskich oczyszczalni ścieków blisko 14% osadów ściekowych wykorzystywanych jest rolniczo, bądź znajduje zastosowanie w przemyśle. Jedynie 17% osadów podlega kompostowaniu, a tylko 2% utylizowane jest w procesach spalania. Niestety ponad 40% komunalnych osadów ściekowych w dalszym ciągu odprowadzana jest bezpośrednio do środowiska naturalnego. 5 Dlatego stosując metodę pozyskiwania biogazu z osadów ściekowych można uzyskać aż trzy korzyści, jakie niesie za sobą fermentacja metanowa. Poza 4

Tujka A.: Ocena możliwości przyrodniczych wykorzystania osadów ściekowych z wybranych oczyszczalni ścieków. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, Lublin 2009, z. 535; 445-452.

5 Górska E. B., Stępień W.: Wpływ kompostu z osadu ściekowego na wybrane właściwości gleb. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, Lublin 2008, z. 553; 139-146.

9

bioenergią, która przy wyczerpujących się zasobach paliw konwencjonalnych jest niezwykle

ważnym

kryterium

przemawiającym

za

wyborem

tej

formy

zagospodarowania osadów ściekowych jest to również forma skutecznego recyklingu masy biologicznej do postaci cennego nawozu organicznego oraz wypełniacza polepszającego parametry organiczne gleby. Trzecią korzyścią jest proces inertyzacji odpadów, obniżający poziom niekorzystnego oddziaływania komunalnych odpadów ściekowych na środowisko. 6

1.1.

Sieć oczyszczalni ścieków w Polsce.

Podstawowym elementem skutecznej gospodarki wodno-ściekowej każdego kraju,

jest dobrze zorganizowana, wyposażona i rozmieszczona sieć oczyszczalni

ścieków. Aby efektywnie wykorzystać ich potencjał konieczne jest odpowiednie dostosowanie wyposażenia instalacji oczyszczalni do przewidywanego spływu ścieków

komunalnych,

możliwości

nowoczesnego

ich

oczyszczania

oraz

efektywnego wykorzystywania pozyskiwanych w tym procesie osadów ściekowych.

W Polsce mimo działań na rzecz modernizacji oraz budowy nowych oczyszczalni ścieków w dalszym ciągu ich ilość i stan nie jest wystarczający, aby skutecznie chronić zasoby wód powierzchniowych przed ich ciągłą degradacją. Zgodnie z założeniami Unii Europejskiej polskie oczyszczalnie ścieków do 2005 roku zobowiązane zostały do przyjmowania 69% ładunku zanieczyszczeń, a do roku 2010 aż 86%. W prognozach na 2013 rok poziom odprowadzanych do polskich oczyszczalni ścieków zgodnie z wymogami unijnymi wynosić powinien aż 91% ogólnego zapotrzebowania w tym zakresie. Pod względem istniejących potrzeb, w Polsce 1378 aglomeracji jest źródłem następujących ilości zanieczyszczeń płynnych:  936 miejscowości od 2 do 15 tys. mieszkańców wytwarza około 14% ścieków;

6

Ledakowicz S., Krzystek L.: Wykorzystanie fermentacji metanowej w utylizacji odpadów przemysłu rolnospożywczego. Biotechnologia 2005 3(70) 165-183.

10

 366 miejscowości od 15 do 100 tys. mieszkańców wytwarza blisko 33% ścieków;  76 aglomeracji miejskich powyżej 100 tys. mieszkańców wytwarza 53% ścieków.7 Rys. 1 Rozmieszczenie oczyszczalni ścieków na terenie Polski na tle obszarów chronionych. Źródło: Ministerstwo Środowiska - Informacja z realizacji Krajowego Programu oczyszczania ścieków komunalnych w 2008 roku. Warszawa, grudzień 2009.

1.2.

Efektywność wykorzystywania osadów ściekowych do produkcji energii w Polsce.

Wykorzystanie osadów ściekowych do produkcji biogazu, wraz ze wzrostem zapotrzebowania na odnawialne źródła energii sprawiło, że w Polsce coraz większym zainteresowaniem cieszy się ta forma zagospodarowania osadów.

Zjawisko to występuje głównie w nowo budowanych lub modernizowanych oczyszczalniach ścieków, gdzie istnieje możliwość zainstalowania odpowiednich urządzeń do pozyskiwania tak cennego surowca energetycznego z otrzymywanych w procesie oczyszczania komunalnych osadów ściekowych. Biorąc pod uwagę, że z 1 m³ ścieków średnio powstaje 250g osadów ściekowych w przeliczeniu na suchą masę, to w roku 2001 w Polsce działające oczyszczalnie ścieków pozyskały blisko 397,2 tys. ton osadów. Jednak biorąc pod uwagę założenia Krajowego Programu Oczyszczania Ścieków prognozy wskazują, że w roku 2015 ilości pozyskiwanych osadów komunalnych wzrosną aż o 62% do poziomu 642 tys. ton. Jest to olbrzymi potencjał z którego można uzyskać duże ilości taniej i nie szkodzącej środowisku energii przy jednoczesnym kompleksowym zagospodarowania biologicznej części osadów ściekowych.8 Z danych Głównego Urzędu Statystycznego z roku 2009 wynika, że produkcja biogazu z osadów ściekowych w roku 2008 wzrosła do poziomu 3976 TJ w porównaniu do roku ubiegłego gdzie wynosiła jedynie 1802 TJ.9

7

Maćkow J., Paczosa A.: Nasze środowisko w Unii – Realizacja zadań w zakresie gospodarki wodnościekowej oraz gospodarki odpadami komunalnymi . Katowice 2005, s. 29-30.

8 Maćkow J., Paczosa A.: Nasze środowisko w Unii – Realizacja zadań w zakresie gospodarki wodnościekowej oraz gospodarki odpadami komunalnymi . Katowice 2005, s. 29-39.

9 Główny Urząd Statystyczny: Energia ze źródeł odnawialnych. Warszawa 2009.

11

Wzrost

zainteresowania

biogazem

z

osadów

ściekowych

jest

odzwierciedleniem ogólnej tendencji do wykorzystywaniu biogazu jako źródła energii odnawialnej w naszym kraju. Z danych Ministerstwa Gospodarki wynika, że jakkolwiek w roku 2007 ilość energii elektrycznej wyprodukowanej z biogazu wyniosła 161 767 kWh to w roku 2008 było to już 220 882 kWh, a w roku 2009 nastąpił wzrost do 241 341 kWh.10 2. OCZYSZCZALNIA ŚCIEKÓW W BILANSIE ENERGETYCZNYM GMINY EŁK.

Potrzeby cieplne odbiorców energii, zlokalizowanych na terenie Gminy Ełk, zaspokajane są głównie z indywidualnych i lokalnych źródeł ciepła. Jednak występują też budynki wyposażone w ogrzewanie elektryczne oraz węglowe piece fizyczne.

Tabela 1 Zbiorcze zestawienie istniejących odbiorców ciepła. Źródło: Projekt założeń do planu zapotrzebowania w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe dla gminy Ełk.

Lp.

Wyszczególnienie odbiorców

Kubatura

budynków

[m3]

Pow.

Zapotrzebowanie na moc

użytkowa

cieplną [kW]

3

[m ]

Qco

Qcwu

∑Q

Budynki komunalne w tym:

56

86636

18795

1696,1

245

1941,1

- budynki mieszkalne

15

9254

2062

230,0

---

230,0

24

58994

15375

1424,0

245,0

1669,0

17

18388

1376

42,1

---

42,1

30

87324

17762

2119,9

190,0

2309,9

7

10647

2042

450,0

9,3

459,3

26

16541

3150

543,0

---

543,0

8

39587

10832

525,6

---

525,6

13

64124

13402

1243,0

---

1243,0

- budynki użyteczności

1

Liczba

publicznej - budynki gospodarcze Budynki mieszkalne wielorodzinne (wspólnoty

2

i spółdzielnie) Budynki Oczyszczalni Ścieków w

3

Nowej Wsi Ełckiej Budynki Nadleśnictwa Ełk

4

Budynki Domu Pomocy

5

Społecznej w Nowej Wsi Ełckiej Budynki Agencji Rezerw

6

Materiałowych

10

Ministerstwo Gospodarki: Krajowy plan działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych. Warszawa 2010.

12

7

Budynki PKP S.A. OGM

21

14114

2680

358,0

---

358,0

8

Budynki pozostałe

11

10656

2262

176,6

---

176,6

172

329629

70925

7112,2

444,3

7556,5

RAZEM

Dla

potrzeb

Gminy

istniejących na jej terenie

Ełk

opracowano

szczegółową

charakterystykę

odbiorców ciepła wykonaną w oparciu o ankiety

budynków, a następnie sporządzono zbiorcze zestawienie głównych parametrów tych ankiet (tabela 1) w celu określenia potencjału energetyki ciepłowniczej w gminie oraz zdiagnozowania potrzeb w tym zakresie.

Na podstawie analizy potrzeb odbiorców ciepła (tabela 1) w Gminie Ełk wyliczono całkowite roczne zapotrzebowanie na moc cieplną dla tej jednostki samorządowej na poziomie około 32 MW, biorąc pod uwagę, że na terenie gminy znajduje się blisko 35 indywidualnych i lokalnych kotłowni o łącznej mocy znamionowej na poziomie 10,1 MW. Największą jednak kotłownię zlokalizowaną na tym terenie posiada gminna oczyszczalnia ścieków, której moc wynosi 1,18 MW. Oddzielną sprawą jest zaopatrzenie gminy Ełk w energię elektryczną, które realizowane jest przez Zakład Energetyczny Białystok S.A i może być w części wykorzystana do ogrzewania budynków. Jak wynika z danych ZEB S.A. roczne zużycie energii elektrycznej w gminie wynosi: - w budownictwie mieszkaniowym, grupa taryfowa G: 42512 MWh/rok; - pozostali odbiorcy, grupa taryfowa C: 5834 MWh/rok.

Na podstawie powyższych danych określono sumaryczne zużycie energii elektrycznej w Gminie Ełk na poziomie 48346 MWh/rok.

2.1 Ogólne wiadomości o oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

Oczyszczalnia ścieków dla Miasta Ełk została zainstalowana w 1986 roku w oddalonej od miasta o 4,5 km Nowej Wsi Ełckiej.

Obecnie teren obiektu

wchodzi w skład obszaru Gminy Ełk i jest jednym z działów Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. w Ełku. Do roku 2006 oczyszczalnia była dwukrotnie modernizowana w efekcie czego do października tegoż roku, powstał tu w pełni nowoczesny, spełniający wymogi europejskie i krajowe, obiekt. W roku 13

2005 został zmodernizowany ciąg mechaniczny oczyszczania ścieków oraz oczyszczanie biologiczne. Zarząd firmy nie spoczął jednak na laurach i idąc za ciosem w 2006 roku dokonał niemożliwego, a mianowicie został zmodernizowany węzeł odwadniania osadów wraz z unowocześnieniem węzła energetycznego.

Wybudowano również i wyposażono w niezbędne urządzenia kompostownię osadów. Modernizacja węzłów osadowego i energetycznego miała kluczowe znaczenie

dla

dzisiejszych

osiągnięć

oczyszczalni

ścieków

w

kierunku

pozyskiwania zielonej energii.

Oczyszczalnia ścieków w Nowej Wsi Ełckiej zaprojektowana jest na przyjęcie 13500 m3 ścieków na dobę. Obecnie średni ich dopływ na dobę, wyliczony z wieloletnich analiz wynosi około 9500 m3. Stanowi to napływ ścieków dla tzw. „okresów normalnych”, w których nie występują obfite opady atmosferyczne ani gwałtowne wiosenne roztopy pokrywy śnieżnej i lodowej.

Z tytułu dużych infiltracji wód do sieci kanalizacyjnej oraz migracji do niej wód opadowych i roztopowych, Dyrekcja Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. postanowiła pozyskać środki z Unii Europejskiej na modernizację sieci wodociągowo - kanalizacyjnej w obrębie Miasta i Gminy Ełk. Postanowienie to udało się z powodzeniem zrealizować w 2009 roku przy współpracy Urzędu Miasta i Urzędu Gminy Ełk tworzących z PWiK Sp. z o.o. Fundusz Spójności, czego owocem było pozyskanie na realizację zaplanowanych przedsięwzięć, ponad 120 mln PLN. 11 Obecna oczyszczalnia ścieków jest obiektem mechaniczno biologicznym, posiadającym komory predenitryfikacji i defosfatacji do intensywnego usuwania fosforu oraz dwa stopnie reaktora biologicznego do usuwania związków azotu.

Obiekt jest również wyposażony w instalację do utylizacji osadów pościelowych, a właściwie do ich przetwarzania na kompost organiczny metodą pryzmy przerzucanej. Najbardziej uciążliwe dla otoczenia obiekty takie jak: kraty, sitopiaskowniki, osadniki wstępne i fermenter, zostały zamknięte, zhermetyzowane, a odprowadzane z nich zanieczyszczone przykrymi zapachami powietrze, jest poddawane utylizacji w boifiltrach z masą organiczną i w urządzeniu do 11

Dokumentacja Działu Jednostka Realizacji Projektu. PWiK Sp. z o.o. w Ełku.

14

PWiK Ełk. Instrukcja Oczyszczalni Ścieków.

3

3

21

20

22

POWIETRZE

7

7

8

8

I0 BIOLOGII

ŚCIEK OCZYSZCZONY

12

12

obiektu tłoczone

15

OBIEKTY ZWIĄZANE Z BIOGAZEM

PIX

12

do

OBIEKTY OCZYSZCZANIA BIOLOGICZNEGO

6

11

10

14

15

OSAD RECYRKULOWANY

16

16

17

Ścieki

OBIEKTY ZHERMETYZOWANE CIĄGU MECHANICZNEGO

5

11

10

19

BIOGAZ

18

powietrza.

4

9

II0 BIOLOGII

OSAD SUROWY

WODY TECHNOLOGICZNE

13

12. OSADNIKI WTÓRNE 13. POMPOWNIA WIELOFUNKCYJNA 14. ZAGĘSZCZACZ OSADU NADMIERNEGO 15. STACJA ZAGĘSZCZANIA OSADU 16. ZAMKNIĘTE KOMORY FERMENTACYJNE 17. ODSIARCZALNIA 18. ZBIORNIK GAZU 19. KOTŁOWNIA 20. FERMENTER 21. BIOFILTRY 22. HALA DMUCHAW

uzdatniania

ŚCIEK OCZYSZCZONY MECHASNICZNIE

2

12

1

1. BUDYNEK KRAT 2. SITOPIASKOWNIKI 3. OSADNIKI WSTĘPNE 4. PUNKT PODNOSZENIA ŚCIEKÓW SUROWYCH 5. KOMORA DEFOSFATACJI 6. KOMORA PREDENITRYFIKACJI 7. KOMORY DENITRYFIKACJI I0 BIOLOGII 8. KOMORY NITRYFIKACJI I0 BIOLOGII 9. POMPOWNIA NA II0 BIOLOGII 10. KOMORY DENITRYFIKACJI II0 BIOLOGII 11. KOMORY NITRYFIKACJI II0 BIOLOGII

fotocatalityczego są

z przepompowni głównej, zlokalizowanej na osiedlu Szyba, oddalonej od

oczyszczalni o około 4,5 km. Zbiera ona ścieki siecią kanalizacji rozdzielczej

z terenu miasta oraz coraz bardziej rozległej na miejscowości satelitarne, sieci

kanalizacji wiejskich. Przy przepompowni jest również zlokalizowana zlewnia

ścieków dowożonych taborem asenizacyjnym. Gro ścieków dostarczanych do

oczyszczalni pochodzi z gospodarstw domowych oraz przemysłu spożywczego

bazującego na przetwórstwie mięsnym, warzywnym i rybnym. 12

ŚCIEK OCZYSZCZONY DO PŁUKANIA

9

WODY OCIEKOWE

5

3

8

OSAD PO FERMENTACJI Z ZKF

1

4

2

7

6

WODY OCIEKOWE

1

KOMPOSTOWEJ ODCIEKI Z PŁYTY

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

AWARYJNY ZRZUT OSADU NA POLETKA

1. OTWARTE BASENY FERMENTACYJNE Z MIESZADŁAMI 2. ZAGĘSZCZACZ OSADU 3. STACJA ODWADNIANIA OSADU PRZEFERMENTOWANEGO 4. SKŁAD OSADU ZAGĘSZCZONEGO 5. HIGIENIZACJA KONTENEROWA 6. PŁYTA KOMPOSTOWA 7. SKŁAD SŁOMY 8. SKLAD GAŁĘZI I GOTOWYCH ZRĘBEK DRZEWNYCH 9. SKŁAD KOMPOSTU 10. POLETKA OCIEKOWE

Rys. 2 Schemat ogólny oczyszczania ścieków. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

16

Rys. 3 Schemat ogólny węzła osadowego. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

Odbiornikiem oczyszczonych ścieków jest rzeka Ełk, będąca częścią zlewni Biebrzy, do której skierowany jest zrzut oczyszczonej wody, zlokalizowany powyżej jeziora Ełckiego. Rysunki 2 i 3, stanowią schematy technologiczne oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

3. PROCES POZYSKIWANIA ENERGII Z OSADÓW ŚCIEKOWYCH W OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W NOWEJ WSI EŁCKIEJ.

Oczyszczalnia ścieków w Nowej Wsi Ełckiej to nowoczesny zakład wyposażony w instalację do pozyskiwania biogazu z otrzymywanych w procesie oczyszczania osadów ściekowych. Dobrze zorganizowany system jego produkcji pozwala na otrzymywanie zarówno energii cieplnej, elektrycznej oraz mechanicznej powstającej w wyniku napędzania silników spalinowych biogazem i ma znaczenie przy

magazynowaniu energii i przesyłaniu jej na duże odległości. Produktem

ubocznym wytwarzania biogazu z osadów ściekowych, który poprawia bilans rentowności działania oczyszczalni są odpady pofermentacyjne, które mogą być użytkowane rolniczo w formie nawozów organicznych lub do innych celów gospodarczych.

3.1. Ciąg mechaniczny oczyszczania ścieków jako główne źródło pozyskania surowca do produkcji biogazu oraz miejsca powstawania i pozyskiwania osadu surowego.

Pierwszym etapem oczyszczania ścisków jest ich obróbka mechaniczna.

W ciągu mechanicznego oczyszczania ścieków miejskich najważniejszymi urządzeniami, w których powstaje osad surowy są osadniki wstępne. Po usunięciu na kratach i sitopiaskowniakach grubszych zanieczyszczeń oraz tłuszczy, wstępnie oczyszczone ścieki zawierają jeszcze rozpuszczone zanieczyszczenia organiczne 17

koloidalne i zawiesinę. W osadnikach wstępnych dokonuje się proces usunięcia zawiesin łatwo opadających, poprzez zapewnienie wystarczająco powolnego przepływu laminarnego ścieków, pozwalającego opaść zawiesinom, które posiadają masę niewiele większą od wody, rzędu 1,1 g/cm3. Dla zobrazowania procesów oczyszczania mechanicznego, piasek używany w procesie wstępnego oczyszczania posiada masę 2,5 krotnie większą od wody. W oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej zastosowano osadniki podłużne o długości 60 m i pojemności 1440 m3 każdy. Ścieki do urządzeń oczyszczających napływają przez system dyfuzorów, równomiernie rozpraszających je na całej szerokości osadnika. Osadniki wyposażone są w zgarniacze łańcuchowe, których laminy wędrujące po dnie zgarniają zsedymentowany osad do lejów osadowych, natomiast wracając do tylnej części osadnika po powierzchni ścieków, zgarniają do rynien uchylnych wyflotowane zanieczyszczenia. Osad zgromadzony w lejach osadowych, dzięki zastosowaniu odpowiedniej automatyki sterującej, spuszczany jest okresowo w dobranych eksperymentacyjnie odstępach czasu do dalszej obróbki. Zgarnięte zanieczyszczenia pływające trafiają bezpośrednio do zbiornika osadu mieszanego.

Każdy osadnik wyposażony jest w dwa leje osadowe odcięte od instalacji osadowej zasuwami z napędem elektrycznym. 13 4. REAKTORY OSADU CZYNNEGO JAKO WTÓRNE POZYSKIWANIA SUROWCA DO PRODUKCJI BIOGAZU.

ŹRÓDŁO

4.1 Ogólne wiadomości o metodzie osadu czynnego.

Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego zastosowane w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej polega na ich napowietrzaniu z charakterystyczną formą skupisk mikroorganizmów, zawartych w kłaczkach, zwaną osadem czynnym.

Przemiany

zanieczyszczeń

organicznych

zachodzących

podczas

oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego przedstawia rysunek 5. Istotną rolę odgrywa tu etap odprowadzania części osadu czynnego tj. mikroorganizmów osadu nadmiernego z komory reakcyjnej G (rys 4) do dalszej obróbki.

13

PWiK Ełk. Instrukcja obsługi Oczyszczalni Ścieków.

18

A A – zanieczyszczenia doprowadzane do komory osadu czynnego; B – zanieczyszczenia zatrzymane przez organizmy osadu czynnego; C – zanieczyszczenia pozostałe w oczyszczonych ściekach; D – zanieczyszczenia bezpośrednio utlenione do CO2 i H2O; E – zanieczyszczenia asymilowane w formie przyrostu mikroorganizmów; F – autooksydacja mikroorganizmów do CO2 i H2O w ramach ich endogennej respiracji; G – organizmy nadmiernego osadu czynnego.

B

C

E D F

G

Rys. 4 Przemiany zanieczyszczeń organicznych zachodzących podczas oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego. Źródło: Garczarczyk J.: Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego.

4.2 . Kinetyka osadu czynnego.

E

D log liczby mikroorganizmów

8

F

C

6 4

G

B

2

H

A 5 35

10

15

20

25

30

35

Jednostka czasu

Rys. 5 Fazy rozwojowe mikroorganizmów według Buchanana. Źródło: Garczarczyk J.: Oczyszczanie

19

ścieków metodą osadu czynnego.

Przemiany

biodegradacji

zanieczyszczeń

w

oczyszczalni

zachodzą

w znacznej mierze przy udziale odpowiednich enzymów wytwarzanych przez skupiska mikroorganizmów biorących udział w oczyszczaniu ścieków. Dlatego rozwój mikroorganizmów, określających w znacznym stopniu przebieg reakcji, w

optymalnych

warunkach

środowiskowych

przebiega

bardzo

szybko.

Poszczególne fazy rozwoju mikroorganizmów (rys 5) przedstawił Buchanan14.

Analizując krzywą Buchanana (rys. 5) najbardziej istotny jest fragment od punktu B do punktu C, który w różnych oczyszczalniach zachowuje się inaczej i w dużej mierze zależy od odpowiedniego czasu zatrzymania w reaktorze.

Pokazuje on maksimum szybkości wzrostu mikroorganizmów w utrzymywanym procesie w fazie B – C (jest to logarytmiczna faza wzrostu odpowiadająca reakcji monomolekularnej). W kolejnym etapie C – D w dalszym ciągu następuje dość szybki wzrost kultur bakteryjnych, który jednak w końcowym czasie trwania tej fazy znacznie obniża się. W oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej zainstalowane są dwa równoległe ciągi reaktorów napowietrzanych o łącznej objętości 12 000 m3, co przy średniodobowym napływie ścieków 9500 m3 wymaga około 28 godzinnego zatrzymania ścieków w procesie nitryfikacji. Przyjmując, że przy pH bliskim 7 oraz utrzymanym stopniu napowietrzania na poziomie 3,5 – 4 mg/l, krzywa kinetyki wzrostu mikroorganizmów na tym obiekcie, jest zbliżona do krzywej Buchanana.

4.3 . Powstawanie osadu nadmiernego.

Szybkość obniżki wskaźnika biochemicznego zapotrzebowania tlenu - BZT5 jest funkcją okresu napowietrzania ścieków, ilości osadu czynnego oraz szybkości przyrostu osadu. BZT5 ścieków oczyszczonych, zależy też od budowy chemicznej związków organicznych, temperatury i odczynu ścieków. Obniżka BZT5 ścieków podczas ich oczyszczania metodą osadu czynnego zachodzi w dwóch fazach.

14

Garczarczyk J. : Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego. Arkady, Warszawa 1969 r.

20

Pierwsza odznacza się dużą szybkością i związana jest ze zjawiskami o charakterze sorbcyjnym. Druga przebiega wolniej i zależy w głównej mierze od zjawisk biochemicznych.

Z przebiegiem biodegradacji substancji organicznych wiąże się przemiana części zanieczyszczeń zawartych w ściekach w formę żywych organizmów osadu czynnego co określane jest mianem tzw. biosyntezy osadu czynnego. Wykazano, że w wyniku usunięcia ze ścieków 1 g całkowitego chemicznego zapotrzebowania tlenu - ChZT tworzy się 0,47 g osadu. Biosynteza osadu czynnego jest proporcjonalna do zmian swobodnej energii utleniania substancji organicznych zawartych w ściekach, co daje w przeliczeniu na ChZT 0,39 g/g, zaś na BZT5 0,57 g/g. Cały osad powstały dzięki biosyntezie zwiększa wiec jego koncentrację w reaktorze biologicznym, co nie jest dobrym zjawiskiem dla utrzymania parametrów procesu, w którym koncentracja osadu jest utrzymywana na stałym poziomie około 4,5 mg osadu/l ścieków. Aby proces dobrze funkcjonował nadmiar osadu należy odprowadzić z komór reaktora. 15

4.4 . Obróbka osadu nadmiernego przed fermentacją.

Powstający w procesach biologicznych osad nadmierny usuwany jest z układu do zagęszczacza grawitacyjnego, o analogicznej konstrukcji jak omawiany wcześniej fermenter, a następnie zagęszczany na mechanicznych stołach zagęszczających. Zagęszczanie osadu nadmiernego wynika bardziej z idei oszczędzania energii w procesie fermentacji niż z potrzeby technologicznej. Po prostu bezcelowe jest marnowanie energii cieplnej na ogrzewanie wody w komorach fermentacyjnych. Ponadto zagęszczony osad wymaga mniejszych objętości komór beztlenowych.

15

Bałdyga J., Henczka M., Podgórska W.: Obliczenia w inżynierii bioreaktorów. Oficyna Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005 r.

21

Podawany do zagęszczacza grawitacyjnego osad nadmierny o uwodnieniu 99,45% traci w nim szacunkowo, około 1% suchej masy, co pozwala na zmniejszenie wydajności kolejnych urządzeń. 16 4.5 . Instalacja do zagęszczania osadu nadmiernego.

W oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej instalacja do zagęszczania osadu nadmiernego składa się z dwóch stołów zagęszczających. Są to mechaniczne urządzenia, wyposażone w taśmę filtracyjną: Emo - jednopoziomowy o wydajności 30 m3/h zasilany pompą śrubową.

Huber - dwupoziomowy o wydajności 110 m3/h zasilany serwopompą śrubową.

Generalnie do codziennej eksploatacji używany jest stół Huber, ze względu na elastyczniejszą wydajność i możliwość szybkiej reakcji na nieprawidłowości w pracy reaktorów biologicznych. Do prawidłowego funkcjonowania tych urządzeń niezbędny jest polielektrolit, który pełni rolę „spoiwa” dzięki odpowiedniej zmianie ładunków elektrycznych powodujących przyciąganie niewielkich kłaczków osadu czynnego w duże konglomeraty. W trakcie przyciągania się kłaczków, wypychana jest woda pomiędzykomórkowa, która odbierana jest przez pory w taśmie filtracyjnej, gdzie odwadniany jest osad nadmierny. Drożność porów w taśmie utrzymywana jest dzięki zastosowanemu systemowi ciśnieniowego płukania.

W wyniku pracy stołów zagęszczających, osad podawany do zbiornika osadu mieszanego ma uwodnienie w granicach 94,85 %. Łatwo zatem zauważyć, że praca zagęszczacza grawitacyjnego i instalacji do zagęszczania osadu powoduje obniżenie uwodnienia osadu z poziomu przed zagęszczeniem wynoszącego 99,5% średnio o 4,6%. Korzystając z poniższego wzoru na objętość osadu po zagęszczeniu (wzór 1) przy średniej dobowej ilość osadu nadmiernego odprowadzanego

z układu

wynoszącego 1219 m3/dobę można wyliczyć: Wzór 1. Objętość osadu odwodnionego Źródło: Poradnik Eksploatatora Oczyszczalni Ścieków.

16

PWiK Ełk. Instrukcja Oczyszczalni Ścieków.

22

Vosaduodwodnionego 

(100  Wosadu)  Vosadu (100  Wosaduodwodnionego)

Vodwodnionego - objętość osadu odwodnionego Vosadu – objętość osadu podanego do odwadniania Wosadu – uwodnienie osadu podanego do odwodnienia Wodwodnionego – uwodnienie osadu odwodnionego

Osad po zagęszczaczu grawitacyjnym: Vosaduodwodnionego  Osad po stołach zagęszczających: Vosaduodwodnionego 

(100  99,45)  1219  450m 3 (100  98,51)

(100  98,51)  450  130m 3 (100  94,85)

Podsumowując wyliczenia stwierdzić można, że z 1219 m3 osadu nadmiernego usuwanego z reaktora biologicznego, do dalszych procesów, dostarczanych jest jedynie 130 m3/dobę, a pozostałe 1089 m3 odseparowanego ścieku oczyszczonego, zawracane jest z powrotem do układu.

Rysunek 6 przedstawia urządzenie mechaniczne zwane homogenizatorem, wyposażone w dwa szybkoobrotowe zestawy mieszadeł z których każdy posiada po dwa skrzydła tnące na różnych poziomach. Osad nadmierny w postaci dużych konglomeratów, podawany jest do homogenizatora, by tam z odwodnionej biomasy wytworzyć produkt w formie „serka homogenizowanego”, inaczej mówiąc rozdrobnionego do pojedynczych komórek osadu. Takie przygotowanie osadu spowoduje w dalszym etapie pozyskiwania biogazu lepszy dostęp bakterii beztlenowych

w

procesie

fermentacji

metanowej

co

znacznie

poprawi

intensywność wytwarzanie biogazu.

Rys. 6 Schemat instalacji do zagęszczania osadu nadmiernego. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

W oczyszczalni ścieków dla miasta Ełk jednym z najważniejszych węzłów technologicznych

jest

pompownia

wielofunkcyjna,

która

jest

„motorem

napędowym” procesu oczyszczania ścieków i gospodarki osadowej.

Dzieli się na trzy następujące części:

23

 Pompownię osadu powrotnego, która przetłacza osad czynny z osadników wtórnych do wstępnej denitryfikacji osadu powrotnego.  Pompownię wód technologicznych, wyposażoną w dwie pompy z wirnikiem otwartym

do

przetłaczania

wszystkich

odcieków

z

obiektów

technologicznych przed osadniki wstępne.  Pompownię osadu mieszanego

wyposażoną w dwie pompy śrubowe,

ciśnieniowe, tłoczące osad surowy zmieszany z tłuszczami odseparowanymi w osadnikach wstępnych oraz osadem nadmiernym, wstępnie zagęszczonym, do

zamkniętych

komór

mieszanego zabezpieczona

fermentacyjnych.

Instalacja

jest presostatem przed

tłoczna

osadu

rozszczelnieniem,

ponieważ pompy śrubowe są pompami ciśnieniowymi i jeżeli na przewodzie tłocznym powstanie zator, pompy będą dotąd tłoczyły medium, aż znajdzie ono gdzieś ujście, w wyniku pęknięcia instalacji lub uszkodzenia samej pompy.

Przed pompami osadu mieszanego, celem wykluczenia przedostawania się do zamkniętych komór fermentacyjnych różnego rodzaju włóknin mogących tworzyć kożuch na powierzchni lub opadać na dno komory tworząc złogi, zainstalowano macerator, do rozdrabniania tego rodzaju zanieczyszczeń.

Kontrolę nad podawaniem osadu mieszanego sprawuje system sterowania i wizualizacji, który w zależności od napełnienia zbiornika załącza w pompowni głównej pompy osadu mieszanego, które wtłaczają go do komór fermentacyjnych ze średnią wydajnością 22,8 m3/h. Wtłaczanie osadu odbywa się naprzemiennie, raz do komory nr 1, a kolejną porcję do komory nr 2. Osad ze zbiornika, przed podaniem do odpowiedniej komory, mieszany jest ze strugą osadu fermentowanego, wracającą z podgrzania w wymiennikach ciepła, co powoduje, że nie podaje się go zimnego do komory.

W ciągu doby w oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej średnio realizowane jest 12 tłoczeń osadu, po 6 do każdej z komór. Jeżeli dziennie podaje się do fermentacji 176 m3 osadu (dane z 8 miesięcy roku 2010 zamieszczone w tabeli 2), to łatwo wyliczyć, że jedno tłoczenie osiągnie wartość 14,67 m3 osadu, podawanego w ciągu 24

około 40 min. Jest to

niewielka strużka zimnego osadu, trafiająca do masy

recyrkulowanej przez wymienniki ciepła o wydajności 140 m3/h.

Tabela 2 Ilości podawanego osadu do komór fermentacyjnych [m 3 ]. Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON.

ZKF nr 1 miesiąc pomiaru styczeń 2008 luty 2008 marzec 2008 kwiecień 2008 maj 2008 czerwiec 2008 lipiec 2008 sierpień 2008 wrzesień 2008 październik 2008 listopad 2008 grudzień 2008 styczeń 2009 luty 2009 marzec 2009 kwiecień 2009 maj 2009 czerwiec 2009 lipiec 2009 sierpień 2009 wrzesień 2009 październik 2009 listopad 2009 grudzień 2009 styczeń 2010 luty 2010 marzec 2010 kwiecień 2010 maj 2010 czerwiec 2010 lipiec 2010 sierpień 2010

ŚREDNIA

osad mieszany

ZKF nr 2

osad osad osad mieszany osad nadmierny surowy mieszany ogółem

2641 3039 2869 2781 3066 3022 2510 2999 2875 3064 3625 3450 3041 2674 2834 3138 2885 3059 2950 3001 2863 3546 3262 4196 3065 2853 2816 2751 2593 2400 2723 2456

2703 2705 2787 2628 2458 2548 2676 2747 2834 3228 3516 3133 3060 2768 2882 2605 2395 3227 3013 3251 3130 3559 4224 3471 3074 2803 2763 2737 2469 2692 2177 2305

5344 5744 5656 5409 5524 5570 5186 5746 5709 6292 7141 6583 6101 5442 5716 5743 5280 6286 5963 6252 5993 7105 7486 7667 6139 5656 5579 5488 5062 5092 4900 4761

1211 1560 1129 1029 1139 1224 910 1013 826 989 1129 1239 860 773 891 1193 861 992 857 905 837 942 1022 1080 1027 1177 1142 1093 1205 1188 965 950

4133 4184 4527 4380 4385 4346 4276 4733 4883 5303 6012 5344 5241 4669 4825 4550 4419 5294 5106 5347 5156 6163 6464 6587 5112 4479 4437 4395 3857 3904 3935 3811

2970,22

2892,75

5862,97

1042,44

4820,53

Jak na wszystkich tego typu obiektach, czasem występują również sytuacje awaryjne. Wówczas jeżeli zbiornik osadu jest napełniony dużą porcją medium, pracownicy zmian eksploatacyjnych mają możliwość, za pomocą komputera rozdzielić tłoczony osad na dwie porcje, aby zrównoważyć warunki fermentacji w obu komorach. Całkowity obraz ilości podawanego osadu w ciągu 25

poszczególnych miesięcy oraz występujących nierównomierności, przedstawiony jest w tabeli 2.17 5. FERMENTACJA METANOWA JAKO PROCES WYTWARZANIA BIOGAZU Z OSADÓW ŚCIEKOWYCH. Fermentacja

metanowa

jest

złożonym

procesem,

polegającym

na

biochemicznym rozkładzie substancji organicznych w warunkach beztlenowych.

Wielocząsteczkowe substancje organiczne, występujące w osadach ściekowych rozkładane są przez odpowiednie gatunki bakterii do związków prostych.

Mechanizm procesu fermentacji przedstawia rysunek 7.

Rys. 7 Fazy anaerobowego rozkładu substancji organicznej. Źródło: Ledakowicz S., Krzystek L.: Wykorzystanie fermentacji metanowej w utylizacji odpadów przemysłu rolno-spożywczego. Biotechnologia 2005 3(70) 168.

5.1 Mechanizm i kinetyka procesu fermentacji metanowej.

Aby proces przebiegał prawidłowo, muszą wystąpić cztery fazy rozkładu substancji organicznych wymagające ścisłej współpracy różnych grup Są to: Faza

I

hydrolityczna

–

hydroliza

nierozpuszczalnych związków organicznych

spolimeryzowanych,

częstokroć

(białka, węglowodany, tłuszcze),

katalizowana przez enzymy odpowiednich szczepów bakteryjnych, do związków rozpuszczonych (monocukry, kwasy tłuszczowe i aminowe); faza II acidogenna (zakwaszająca) – substraty fazy hydrolitycznej przetwarzane są przez bakterie acidogenne do krótkołańcuchowych kwasów organicznych (mrówkowego,

octowego,

propionowego,

masłowego,

walerianowego,

kapronowego), do alkoholi (np.: etanolu, metanolu), aldehydów i produktów gazowych: dwutlenku węgla i wodoru (CO2 i H2). Niektóre ze związków powstałych w fazie zakwaszającej mają charakter metanogenny np.: kwas mrówkowy, octowy, metanol, dwutlenek węgla i wodór, w związku z tym mogą być bezpośrednio wykorzystywane przez bakterie metanogenne i przetwarzane do metanu (CH4). Metan tworzy się dzięki redukcji dwutlenku węgla wodorem 17

PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

26

powodując obniżenie ciśnienia parcjalnego tego gazu, co korzystnie wpływa na prawidłowy rozwój bakterii uczestniczących w trzeciej fazie procesu fermentacji.

Faza kwaśna charakteryzuje się spadkiem odczynu do około 5-6 pH. W tej fazie fermentacji

nie

obserwuje

się

znaczącej

redukcji

ChZT

i

BZT

jak

i nie następuje też stabilizacja związków organicznych; faza III acetogenna – następuje tu przetworzenie wyższych kwasów organicznych do kwasu octowego, który może być wykorzystany do produkcji metanu. Proces ten obrazuje reakcja: CH3COOH → CH4 + CO2. Rozkład kwasów organicznych wymaga współpracy wielu gatunków bakterii metanowych np.: aby rozłożyć kwas propionowy potrzebne są następujące szczepy bakterii:  M. bact. Propinicum- rozkładające propioniany do octanów,  Metahanococcus mazei-rozkładające octany do CO2 i CH4 Procesy rozkładu kwasu propionowego przebiegają zatem dwustopniowo według poniższych reakcji: Stopień I

4CH3CH2COOH + 2H2O  4CH3CH2COOH 

Stopień II

4CH3COOH + CO 2 + 3CH4 4CO2 + 4CH4

______________________________________________________________________________________________ ______

Razem

4CH3CH2COOH + 2H2O



5CO 2 + 7CH4

Powyższe reakcje potwierdzają, że faza acetogenna jest ściśle związana z fazą IV procesu fermentacji. faza IV metanogenna - jak sama nazwa wskazuje, dominują tu bakterie metanogenne będące bezwzględnymi beztlenowcami, charakteryzującymi się bardzo dużą rażliwością na zmiany temperatury i odczynu środowiska. Dwie główne drogi rozkładu biologicznego CH3COOH i redukcji CO2 są realizowane przez:  bakterie heterotroficzne CH3COOH → CO2 + CH4,  bakterie autotroficzne

CO2 + 8H- → CH4 + 2H2O.

27

Stabilizacja substratów organicznych przy udziale bakterii metanowych ma bezpośredni związek z ilością wyprodukowanego metanu. 18

5.2 Instalacja fermentacyjna w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

W oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej zainstalowane są dwie zamknięte komory fermentacyjne, pracujące niezależnie, o pojemności 3100 m3 każda. Zasadę działania komór fermentacyjnych w oczyszczalni przedstawia rysunek 8.

Rys. 8 Schemat zamkniętych komór fermentacyjnych zainstalowanych w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej

5.3 . Parametry fermentacji zapewniające utrzymanie procesu.

Proces beztlenowej stabilizacji jest procesem bardzo czułym, na którego prawidłowy przebieg ma wpływ wiele czynników. Najistotniejszymi parametrami tego procesu są: temperatura, czas fermentacji, obciążenie komór fermentacyjnych, mieszanie i zaszczepianie zawartości komór, obecność czynników toksycznych.

Temperatura i czas trwania procesu decyduje w głównej mierze o równowadze dynamicznej w komorze fermentacyjnej. Jej gwałtowne wahania w ciągu doby przekraczające 100C powodują „szok termiczny”, prowadzący do obumierania bakterii metanowych. Prowadzi to do gwałtownego spadku zasadowości i odczynu spowodowanego wzrostem ilości kwasów lotnych w komorze. Dlatego w czasie eksploatacji komór fermentacyjnych, wymagane jest utrzymanie stabilności temperatury, której amplituda może się zmieniać o 2 0C /dobę. Zrealizowanie tego wymogu można zapewnić przez prawidłową eksploatację wymienników ciepła, jak również przez odpowiednie działanie urządzeń do mieszania zawartości komory.

18

Ledakowicz S., Krzystek L.: Wykorzystanie fermentacji metanowej w utylizacji odpadów przemysłu rolno-spożywczego. Biotechnologia 2005 3(70) 165-183.

28

W obu komorach pracujących w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej, utrzymywana jest temperatura około 390C powodująca najwyższy wskaźnik pozyskania biogazu, co wynika z wieloletnich doświadczeń eksploatatorów obiektu.

Temperatura procesu jest łatwa do utrzymania w okresie wiosenno letnim i wczesno jesiennym, niestety zimą jest to bardzo trudne i z powodu złego ocieplenia obiektów, a co za tym idzie dużej przenikalności ciepła przez ściany komór, następuje spadek do nawet 320C, co od razu uwidacznia się w produkcji biogazu.19 Zależność procesu mineralizacji

od

temperatury

w

zamkniętych

komorach

fermentacyjnych

przedstawia rysunek 9.

Normalnym czasem fermentacji określa się przedział czasowy w którym wytworzy się 90 % całkowitej ilości gazu możliwego do uzyskania. Praktyka jednak, najczęściej zmusza do prowadzenia fermentacji w momencie gdy przefermentowany osad jest łatwo odwadniający się i nie cuchnący, mimo iż nie osiągnęło się jeszcze maksymalnej ilości mogącego wytworzyć się gazu.

W oczyszczalni ścieków dla miasta Ełk średnie przetrzymanie osadu w komorach fermentacyjnych o objętości wynoszącej 6200 m3, przedstawia tabela 3.

Rys. 9 Wpływ temperatury fermentacji na mineralizację osadu w ZKF nr 1. Źródło: PWiK Ełk. Opracowania kontroli pracy oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

Z tabeli 3 wynika, że średni czas przetrzymania osadu w komorach fermentacyjnych skracany był średnio każdego roku. Jest to wynik zwiększającej się masy zagęszczonego osadu nadmiernego. Porównując dane z tabeli z wykresem obrazującym ilość powstającego gazu w zależności od czasu przetrzymania, śmiało można stwierdzić, że czas jaki spędza osad mieszany w zamkniętych komorach fermentacyjnych na oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej, jest zbyt długi.

Należałoby się zatem zastanowić nad skróceniem tego czasu przez korzystanie na przemian z każdej z komór, co spowodowałoby zmniejszenie kosztów na ogrzewanie fermentującej biomasy. Zabieg takie miałby sens jedynie wówczas, jeżeli nie zmalałaby produkcja biogazu. Jednak dokładniej analizując powyższy wykres, można zauważyć, że przy 20 dobach zatrzymania osadu w temperaturze 19

PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON.

29

300C uzyskuje się 94% gazu możliwego do wyprodukowania w tym procesie.

Należy jednak pamiętać, że w komorach utrzymywana jest temperatura w granicach 390C.20

Tabela 3 Średnie miesięczne czasy przetrzymania osadu mieszanego w procesie fermentacji. Źródło: PWiK Ełk. Opracowania kontroli pracy Oczyszczalni Ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

2008 Rok Miesiąc

2009

Średnia

2010

Średnia

Średnia

dobowa

Średni czas

dobowa

Średni czas

dobowa

Średni czas

dawka

przetrzymania

dawka

przetrzymania

dawka

przetrzymania

osadu

osadu

osadu

Styczeń

85

73

98

63

198

31

Luty

108

57

96

65

202

31

Marzec

93

67

91

68

180

34

Kwiecień

93

67

105

59

183

34

Maj

99

63

93

67

163

38

Czerwiec

101

61

102

61

168

37

Lipiec

84

74

95

65

158

39

Sierpień

97

64

97

64

153

41

Wrzesień

96

65

95

65

-

-

Październik

99

63

114

54

-

-

Listopad

121

51

109

57

-

-

Grudzień

111

56

135

46

-

-

Średnie

99

63

103

60

176

35

Ilość odprowadzanego osadu w ciągu doby decyduje o czasie przetrzymania w komorze fermentacyjnej, a tym samym o czasie fermentacji osadu. Obciążenie komór ładunkiem zanieczyszczeń organicznych wyrażone jest w kg/m3d i oznacza ilość substancji organicznych doprowadzonych i przypadających na jednostkę objętości komory na dobę. W zależności od wielkości obciążenia rozróżnia się komory

niskoobciążone

i

wysokoobciążone.

Ogólnie

w

warunkach

konwencjonalnych (komory niskoobciążone) osad w wydzielonych zamkniętych komorach fermentacyjnych przetrzymuje się przez blisko 40 dni w temperaturze 20

PWiK Ełk. Dokumentacja analizy pracy oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

30

około 350C, przy obciążeniu substancjami organicznymi od 0,8 do 1,33 kg/m3d.

Najefektowniejszy

przebieg

fermentacji

uzyskuje

się

dla

obciążeń

nie

przekraczających 4,5 – 5,0 kg subst.org./m3d. Takie efekty można uzyskać dzięki dokładnemu mieszaniu fermentującego osadu oraz dzięki dozowaniu osadu w możliwie najrównomierniejszy sposób. Jednak w miarę wzrostu obciążenia wydatnie maleje stopień rozkładu substancji organicznych.21 Tabela 4 przedstawia średnie miesięczne obciążenia dobowe komór, ładunkiem substancji organicznych.

Tabela 4 Średnie miesięczne obciążenie komór fermentacyjnych ładunkiem substancji organicznych . Źródło: PWiK Ełk. Opracowania kontroli pracy oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

2008 Rok

Średnia dobowa

Miesiąc

dawka osadu

2009 Średni

obciążenie komór

Średnia dobowa dawka osadu

2010 Średni

obciążenie komór

Średnia dobowa dawka osadu

Średni obciążenie komór

Styczeń

85

0,83

98

1,02

198

1,99

Luty

108

1,06

96

0,95

202

2,17

Marzec

93

0,90

91

0,94

180

1,91

Kwiecień

93

0,91

105

1,12

183

1,89

Maj

99

1,05

93

0,93

163

1,59

Czerwiec

101

0,96

102

1,01

168

1,58

Lipiec

84

0,80

95

0,96

158

1,52

Sierpień

97

0,94

97

0,96

153

1,42

Wrzesień

96

0,91

95

0,86

-

-

Październik

99

1,09

114

1,06

-

-

Listopad

121

1,20

109

1,07

-

-

Grudzień

111

1,07

135

1,31

-

-

Średnie

99

0,98

103

1,02

176

1,76

Z analizy tabeli wynika, że mamy do czynienia z fermentacją w komorach niskoobciążonych, a zatem pamiętając o długim czasie zatrzymania osadu co oznacza, że następuje tam maksymalna produkcja biogazu.

21

PWiK Ełk. Dokumentacja analizy pracy czyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

31

Ilość odprowadzanego osadu w ciągu doby decyduje o czasie przetrzymania w komorze fermentacyjnej, a tym samym o czasie fermentacji osadu. W zależności od wielkości obciążenia rozróżnia się komory niskoobciążone i wysokoobciążone.

Ogólnie rzecz biorąc w warunkach konwencjonalnych (komory niskoobciążone) osad w wydzielonych zamkniętych komorach fermentacyjnych przetrzymuje się przez około 40 dni w temperaturze około 350C, przy obciążeniu substancjami organicznymi od 0,8 do 1,33 kg/m3d.

Najefektowniejszy przebieg fermentacji uzyskuje się dla obciążeń nie przekraczających 4,5 – 5,0 kg subst.org./m3d. Takie efekty można uzyskać dzięki dokładnemu mieszaniu fermentującego osadu oraz dzięki dozowaniu osadu w możliwie najrównomierniejszy sposób. Jednak w miarę wzrostu obciążenia wydatnie maleje stopień rozkładu substancji organicznych.

Mieszanie osadu w komorach fermentacyjnych zapewnia jednorodność fermentującej masy w całej objętości. Intensywność mieszania zależy od temperatury fermentacji. Im temperatura wyższa tym intensywność mieszania jest większa.

W dobrze mieszanej komorze fermentacyjnej różnica pomiędzy zawartością suchej masy osadu na różnych głębokościach komory nie powinna przekraczać wartości 5 kg s.m./m3.

Częstotliwość zasilania komór fermentacyjnych osadem nie może być zmieniana. Zależy ona od temperatury fermentacji i wielkości oczyszczalni. Przy fermentacji mezofilowej osad doprowadzać należy nie rzadziej niż sześć razy w ciągu doby. Przyjmuje się wzrost częstotliwości zasilania komór osadem surowym wraz ze wzrostem temperatury fermentacji. W oczyszczalni ścieków dla miasta Ełk, dozowanie osadu odbywa się za pomocą zespołu pompowego wspomaganego systemem sterowania i wizualizacji.

W czasie fermentacji w komorze fermentacyjnej istnieje stan równowagi dynamicznej pomiędzy bakteriami poszczególnych faz oraz ich produktami metabolizmu. Zakłócenie tego stanu równowagi prowadzi do zakłócenia procesu, którego objawami są wstrzymanie produkcji gazu oraz obniżenie odczynu cieczy nadosadowej. W prawidłowo przebiegającym procesie fermentacji odczyn cieczy 32

nadosadowej jest lekko alkaliczny i wynosi od pH=7 do pH=7,2 przy równoczesnej zawartości kwasów lotnych od 100 do 500 g/m3 i zasadowości nie mniejszej od 500 g CACO3/m3. Graniczne wartości odczynu w procesie fermentacji wynoszą od pH=6,5 do pH=8,5 a graniczna maksymalna zawartość kwasów lotnych nie powinna przekraczać wartości 2000 g CH3COOH/m3.

Z analizy danych laboratoryjnych wynika, że osad w komorach fermentacyjnych w opisywanej oczyszczalni, posiada wartość pH w granicach 6,8 – 7,1.

5.4 . Bilans masowy procesu fermentacji.

Sporządzanie bilansu masowego osadów w każdej oczyszczalni ścieków, jest bardzo ważnym elementem do kontroli procesów ich przeróbki, co pośrednio wpływa na ekonomikę procesu fermentacji oraz jego planowanie. Tabela 5 i 6 przedstawia istotne dane niezbędne do sporządzenia bilansu masowego dla komory fermentacyjnej.

Jak można dostrzec w bilansie masowym, w procesie fermentacji metanowej nie ma spektakularnych redukcji objętości osadów poddawanych temu procesowi.

Z 5656 ton osadu mieszanego podanego do fermentacji, zredukowano zaledwie 23 tony, co w ostateczności dało ilość osadu przefermentowanego, opuszczającego komorę, na poziomie 5633 ton. Jest to niewielka liczba, biorąc pod uwagę, że okres sporządzonego bilansu obejmuje cały miesiąc liczący 28 dni, czyli jak łatwo można wyliczyć dobowa redukcja masy całkowitej osadu wynosi średnio 0,83 tony. Nas jednak interesuje redukcja suchej masy organicznej, która jest wskaźnikiem ilości powstawania biogazu. Nie można oczywiście mylić redukcji suchej masy organicznej z redukcją masy całkowitej, ponieważ z jednej tony zredukowanej masy organicznej, powstaje po rozkładzie 0,7 tony wody, która nadal pozostaje w osadzie przefermentowanym powodując zwiększenie jego uwodnienia. Co tłumaczy różnicę uwodnień osadu przed i po fermentacji. Patrząc na rubryki zawierające informacje o zawartości substancji mineralnych przed i po procesie, widać znaczny ich spadek wynoszący około 40 ton w każdej z komór.

33

Tabela 5 Bilans masowy za miesiąc luty 2010 roku dla komory fermentacyjnej nr 1. Źródło: PWiK Ełk.

Opracowania kontroli pracy oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

Bilans masowy - osady luty 2010 komora fermentacyjna nr 1

Surowiec Osad wstępny Osad nadmierny Razem Osad przefermentowany Zredukowano

masa udział [tona] [%] 2273 80 580 20 2853 100 2841 12

powstała ilość wody

27,6

zredukowana s.m.

11,8

-

udział s.m. H2O [%] [%] 4,36 95,6 5,08 94,9 2,27 97,7 -

s.m. sucha udział org. s.m.miner. masa s.m. [%] [%] [tona] [%] 81,93 18,07 99,1 77 59,86 40,14 29,5 23 128,6 -

s.m. s.m.

H2O org. miner. [tona] [tona] [tona] 2173,9 81,2 17,9 550,5 17,6 11,8 2724,4 98,8 29,7

66,63 -

2752,1 -

33,37 -

89,1 -

-

59,4 39,5

29,7 -

Tabela 6 Bilans masowy za miesiąc luty 2010 roku dla komory fermentacyjnej nr 2. Źródło: PWiK Ełk.

Opracowania kontroli pracy oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

Bilans masowy - osady luty 2010 komora fermentacyjna nr 2 masa udział Surowiec

[tona]

[%]

Osad wstępny Osad nadmierny

2206 597

79 21

Razem

2803

100

Osad przefermentowany

2792

-

11

-

Zredukowano powstała ilość wody

26,1

zredukowana s.m.

11,2

udział s.m. H2O [%]

[%]

s.m. org. [%]

4,36 95,6 81,93 5,08 94,9 59,86 -

-

-

2,19 97,8 66,88 -

-

-

sucha udział s.m.miner. masa s.m. [%] 18,07 40,14 33,12 -

[tona]

[%]

96,2 30,3

H2O

s.m. org.

s.m. miner.

[tona] [tona] [tona]

76 2109,8 24 566,7

78,8 18,2

17,4 12,2

126,5

-

2676,5

97,0

29,6

89,2

-

2702,6

59,7

29,6

-

-

37,3

-

-

6. BIOGAZ, WŁAŚCIWOŚCI I WYKORZYSTANIE. 34

Ilość oraz skład chemiczny biogazu, uzyskiwanego z osadu podczas procesu fermentacji, zależy od jego struktury fizykochemicznej oraz od parametrów technologicznych

procesu

fermentacji.

Substancjami

z

których

powstaje

stosunkowo dużo gazu, są węglowodany, tłuszcze i białka. Z rozkładu węglowodanów powstaje biogaz, w którym iloraz CH4/CO2 wynosi 1:1, natomiast gaz powstający z rozkładu tłuszczy i białek posiada wyższą zawartość metanu.

Zależności te przedstawia tabela 7.

Tabela 7 Ilość i skład gazu powstającego w wyniku rozkładu związków organicznych, zawartych w odpadach i osadach ściekowych. Źródło: Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów.

Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008 r.

Rodzaj substancji

Zapis reakcji rozkładu

Ilość gazu 3

Sklad gazu %

dm /kg.s.m.

CH4

CO2

Węglowodany

(C6H10O5)m+mH2O→3mCH4+3mCO2

830

50

50

Tłuszcze

4C50H90O6+98H2O→139CH4+61CO2

1425

70

30

Białka

4C16H24O5N4+42H2O→33CH4+31CO2+16NH3

1018

52

48

1114

63

37

Osady ściekowe 4C10H19O3N+18H2O→25CH4+15CO2+4NH3

W oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej, dzięki zastosowaniu (od stycznia 2010 roku) analizatora zawartości metanu w gazie, można stwierdzić za pomocą pomiaru i przedstawić na wykresie (rys. 10) zawartość metanu w biogazie, która kształtuje się na poziomie 66,5%. Jest to bardzo dobry wynik, mający duże znaczenie dla pracy zespołów kogeneracyjnych i jednostek kotłowych, zainstalowanych na tym obiekcie. Metan jako główny składnik biogazu, jest gazem wysokoenergetycznym, nietoksycznym, bez zapachu, lżejszym od powietrza. Produktami spalania metanu są równoważne molowo ilości CO2 i H2O. Należy zwrócić uwagę, że metan jest gazem cieplarnianym, którego potencjał cieplarniany jest 72 krotnie wyższy niż dwutlenku węgla, zatem wykorzystywany jest jako paliwo opałowe i nie może być odprowadzany w stanie wolnym do atmosfery. Oczyszczalnie ścieków posiadające instalację fermentacyjną, wykorzystujące biogaz jako paliwo opalowe, w przypadku awarii urządzeń energetycznych zasilanych tym produktem, zobowiązane są spalać ten gaz w specjalnych urządzeniach. Metan wpływa również w niewielkim stopniu 35

na degradację atmosfery. Jego zawartość w atmosferze wciągu ostatnich 200 lat wzrosła dwukrotnie, co spowodowane jest wzrostem demograficznym na świecie.

Dlatego tak ważne jest kanalizowanie osiedli mieszkalnych, celem odprowadzenia nieczystości z których powstaje biogaz, do przystosowanych instalacji jego produkcji i wykorzystania, jakimi są oczyszczalnie ścieków.

Rys. 10 Średnia miesięczna zawartość metanu w biogazie produkowanym w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON.

Należy zwrócić również szczególną uwagę na środki bezpieczeństwa w miejscach potencjalnego występowania metanu. Jego właściwości energetyczne, a właściwie wybuchowe mogą sprawić wiele problemów. Wśród pracowników tej branży znane są przypadki na oczyszczalniach ścieków, wybuchu biogazu podczas eksploatacji urządzeń znajdujących się w strefach zagrożenia wybuchem, czy zapalenia się komór fermentacyjnych. Biogaz jest również gazem toksycznym ze względu na zawartość w nim bezbarwnego silnie toksycznego i cięższego od powietrza siarkowodoru, który ma zdolność do zalegania w pomieszczeniach zamkniętych. Siarkowodór jest również gazem mającym duży wpływ na degradację środowiska, ponieważ produktem jego spalania jest SO2 z którego powstają żrące gazy spalinowe, znane jako kwaśne deszcze. Znaczącą część biogazu stanowi również dwutlenek węgla, jest gazem bezbarwnym i bezzapachowym, cięższym od powietrza. Na szczęście nie jest gazem toksycznym, jednak zwiększenie jego zawartości w powietrzu do poziomu 10% może być już groźne dla życie. Biogaz zawiera również parę wodną, która jest usuwana w procesach jego oczyszczania. 22 Zestawienie właściwości biogazu ze względu na jego skład chemiczny przedstawia tabela 8.

Tabela 8 Charakterystyka biogazu. Źródło: Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów.

Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008 r.

Właściwość

22

Składniki biogazu CH4

CO2

H2S

Biogaz

Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008 r.

36

Udział w biogazie [%]

55-75

24-44

0,10-0,70

100

Wartość opałowa [kWh/m ]

10-11,10

-

6,30

6,50

Granica wybuchowości %

4,40-15,50

-

4,30-45,50

6-12

Temperatura samozapłonu C

595

-

270

650-750

Krytyczne ciśnienie Mpa (bar)

4,70 (47)

7,40 (75)

9 (90)

7,50-8,90 (75-89)

-82

31

100

-82,50

0,67

1,98

1,54

1,20

Gęstość względna (pow=1)

0,56

1,50

1,20

0,83

Liczba metanowa

100

73

-

135

Prędkość płomienia m/s

0,43

-

-

0,36-0,38

3

0

Temperatura krytyczna 0C 0

Gęstość (w 20 C) kg/m

Biogaz

jako

3

paliwo

alternatywne,

jest

cenionym

medium

na

świecie.

W dzisiejszych czasach, jego efekt techniczno ekonomiczny, nie pomijając aspektów ekologicznych, wynika z tego, że 1m3 biogazu wykazuje parametry energetyczne porównywalne do:  0,67 litra oleju napędowego,  0,7 litra benzyny,  1,28 m3 gazu miejskiego,  0,78 kg koksu.

Mówiąc o właściwościach opałowych biogazu, należy wspomnieć również, że aby uzyskać około 1 kWh energii elektrycznej i 1,25 kWh energii cieplnej, potrzeba następującej ilości surowców będących podstawą produkcji energii ze źródeł odnawialnych:  5-7 kg odpadów biomasy,  5-12 kg odpadów komunalnych,  8-12 kg obornika i odpadów organicznych,  4-7 m3 ścieków komunalnych.23

23

Szpakowska I.: Wykorzystanie biogazu jako niekonwencjonalnego źródła energii na obszarze

Polski. Ekotechnika, Wiosna nr 1 2004 r.

37

Schemat możliwości pozyskiwania i wykorzystywania biogazu przedstawia rysunek nr. 11

Rys. 11 Możliwości pozyskiwania i wykorzystania biogazu .Źródło: Szpakowska I.: Wykorzystanie

biogazu jako niekonwencjonalnego źródła energii na obszarze Polski. Ekotechnika, Wiosna nr 1 2004 r.

6.1. Instalacja biogazu.

Wytwarzany

i

gromadzący

się

w

dzwonach

zamkniętych

komór

fermentacyjnych biogaz, musi być z nich sukcesywnie odprowadzany. Każda z komór wyposażona jest w instalację do odbioru produkowanego biogazu. Przy obsłudze tej instalacji należy zachować szczególne środki ostrożności wg zasad opisujących strefy zagrożenia wybuchem. Istotę poboru biogazu z komory przedstawia rysunek 12.

Jak widać na rysunku, punkt poboru gazu zabezpieczony jest przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, bezpiecznikiem hydraulicznym. Zawiera on w sobie taki słup płynu, który przy wzroście ciśnienia powyżej 30 milibarów, zostaje wyrzucony na zewnątrz (wyrzut płynu na rysunku), a gaz wydalany jest do atmosfery, co od razu jest sygnalizowane stanem alarmowym w systemie wizualizacji oraz sygnałem dźwiękowym słyszanym na obiekcie. Ma to na celu zabezpieczyć konstrukcję komory fermentacyjnej, przed uszkodzeniem. Drugi takim zabezpieczeniem jest syfon zastosowane na przewodzie odprowadzającym osad przefermentowany z komór. Tworzy on swoisty zamek wodny, a raczej zamek osadowy, nie pozwalający na migrację biogazu do atmosfery w czasie gdy nie odprowadza się osadu komór generalnie rzecz biorąc, w czasie gdy osad nie jest doprowadzany do komór. Syfon ten, jest oczywiście tak wyliczony, aby powstający tam zamek osadowy, stwarzał mocniejszą barierę do migracji biogazu niż bezpiecznik z płynem. 24

24

PWiK Ełk. Dokumentacja techniczna i projektowa oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

38

Rys. 12 Schemat punktu poboru gazu z komory fermentacyjnej. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

6.2. Uzdatnianie biogazu.

Wydobyty z komór fermentacyjnych biogaz, przed jego spożytkowaniem należy odpowiednio przygotować. Do tego celu służy urządzenie zwane odsiarczalnią. Urządzenie to składa się z dwóch kontenerów, w których poukładane są ruszty jeden nad drugim. Na rusztach rozesłana jest ruda węgla brunatnego wymieszana z wiórami drzewnymi i wapnem gaszonym. Materiał ten ma właściwości wiązania związków siarki. Odsiarczalnia jest przesypywana dwa razy w ciągu roku, celem regeneracji i spulchnieniu złoża. Biogaz z komór fermentacyjnych podawany jest od dołu (pod ruszty) i przechodzi ku górze omywając ruszty na których leży ruda darniowa. W górnej części komory odsiarczalni gaz jest odbierany i podawany do zbiornika buforowego (rys. 13).

Rys. 13 Schemat automatycznego odwadniacza zainstalowanego na instalacji biogazu. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

Urządzenie to wyposażone jest w pomiar różnicy ciśnienia gazu na wejściu i wyjściu, co pozwala na stwierdzenie prawidłowości jego pracy, oraz czy należy wymienić złoże czy nie. Każdy z kontenerów odsiarczalni posiada spadek do swobodnego spływu wydzielającej się tam wody, ponieważ gaz jest dość wilgotnym produktem. W dolnej części urządzenia znajdują się przewody odprowadzające powstający odciek przez automatyczny odwadniacz do studzienki chłonnej.

6.3. Magazynowanie i gospodarowanie biogazem.

Do magazynowana uzdatnionego i odwodnionego biogazu w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej, służy dwupowłokowy zbiornik buforowy.

39

Gaz do tego urządzenia trafia rurą doprowadzającą do przestrzeni gazowej, tworzonej przez dolną i wewnętrzną powłokę. Powłoki te zrobione są z

elastycznego

wysokowytrzymałego

poliestru,

powleczone

zostały

PVC

i polakierowane. Powyższe zabiegi mają służyć zabezpieczeniu powłok przed działaniem składników chemicznych zawartych w gazie, oraz wpływu warunków atmosferycznych przez cały rok. Pojemność czynna przestrzeni gazowej wynosi 780 m3 i służy jako bufor (zapewnia dostawę gazu przez około 6 godzin w razie awarii instalacji między zbiornikiem a komorami fermentacyjnymi) dla pracy kotłowni. Do przewodu zasilającego podłączony jest bezpiecznik wypełniony płynem odpornym na niskie temperatury, którego zasada działania jest identyczna jak bezpiecznika przy punkcie poboru gazu. Nad powłoką wewnętrzna umieszczona jest poliestrowa elastyczna powłoka zewnętrzna z oknem kontrolnym. Pomiędzy powłokami wewnętrzną i zewnętrzna znajduje się strefa powietrzna której zadaniem jest utrzymanie ciśnienia 20 - 25 mb w całej instalacji.

Aby ciśnienie było zachowane, zbiornik wyposażony jest w dmuchawę pracującą 24 godziny na dobę. Ma ona podwójne zadanie: pierwsze to utrzymanie ciśnienia, zaś drugie to utrzymanie powłoki zewnętrznej w stanie napięcia (powłoka zewnętrzna musi być napięta ponieważ jest ona wrażliwa na obciążeniem śniegiem, oraz w razie słabego napięcia może zostać uszkodzona przy silnych wiatrach).

W utrzymaniu stałego ciśnienia pomaga rura spustowa powietrza z zaworem ciśnieniowym, w razie nadmiaru ciśnienia powietrze jest nią upuszczane. Na wierzchołku zbiornika zainstalowana jest kopuła z miernikiem napełnienia strefy gazowej. Zainstalowany zbiornik dwupowłokowy typu B9 120 ma średnicę 12,1 m oraz wysokość 9,07 m. Wszystkie powłoki przymocowane są specjalnymi pierścieniami do fundamentu na którym posadowione jest urządzenie.

Rys. 14 Schemat ideologiczny instalacji biogazu w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

Gaz ze zbiornika odprowadzany jest przewodem spustowym, po przejściu przez kolejny układ dwóch odwadniaczy automatycznych i podawany jest na rozdzielnię gazu, gdzie część jego idzie na kotły, a pozostała część na agregaty 40

prądotwórcze. W rozdzielni gazu zamontowany jest filtr, służący do oddzielenia zanieczyszczeń pylastych aby nie zostały zapchane dysze nadmuchujące czynnik do urządzeń wykorzystujących gaz. Duża ilość odwadniaczy na ścieżce biogazu, służy do jego osuszenia, aby nie powodował korozji odbiorników. 25 Rys. 15 Widok zbiornika gazu w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

Biogaz rozdysponowywany jest początkowo w komorze rozdziału, a następnie w węźle rozdzielczym, który mieści się w jednym z pomieszczeń kotłowni. Do węzła poprzez komorę rozdziału biogazu doprowadzone są ze zbiornika dwa przewody zasilające: główny i awaryjny, wyposażone w ręczne zawory odcinające. Natomiast z węzła funkcjonują cztery odejścia biogazu: zasilające piece, agregaty, wewnętrzną instalację gazową i odprowadzający nadmiar biogazu do spalenia w pochodni.

Ponadto, przewód główny wyposażony jest w elektrozawór (w komorze rozdziału biogazu), sprzężony z czujnikiem obecności gazu zamontowanym w pomieszczeniu węzła. Analogiczny układ jest zainstalowany na przewodzie zasilającym agregaty, gdzie elektrozawór ZA (w pomieszczeniu węzła) sprzężony jest z czujnikiem obecności gazu w hali agregatów, oraz na przewodzie zasilającym kotły, gdzie elektrozawór ZP (w pomieszczeniu węzła) sprzęgnięty jest z czujnikiem obecności gazu w hali kotłów.

Zabezpieczenia te mają na celu zapobieżeniu powstaniu mieszaniny wybuchowej (w chwili pojawienia się biogazu w którymkolwiek z pomieszczeń z czujnikami obecności gazu, zostaje zamknięty odpowiedni elektrozawór), co mogłoby doprowadzić do pożaru. Węzeł wyposażony jest również w filtr gazu, celem jego odpylenia, przepływomierz oraz sondy ciśnienia na przewodach zasilających piece i agregaty, do kontroli pracy instalacji.26 25

PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

26

PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

41

Rys. 16 Widok poglądowy węzła rozdziału i pochodni. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

7. WĘZEŁ ENERGETYCZNY OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W NOWEJ WSI EŁCKIEJ. Oczyszczalnia ścieków w Nowej Wsi Ełckiej jest obiektem w którym w wyniku procesu fermentacji otrzymywany jest biogaz. Aby w pełni wykorzystać to alternatywne paliwo energetyczne, w roku 2000 powstała tu hala kotłów, a w roku 2002 również hala agregatów. Pierwsze dwa agregaty zainstalowane w tym obiekcie, były wyposażone w silniki DEUTZ-a, z których do chwili obecnej pozostał tylko jeden. W roku 2006 został dostawiony trzeci agregat, natomiast w roku 2008, wymieniono jeden z pierwszych agregatów na nowy.

7.1. Ogólny opis węzła energetycznego.

Węzeł energetyczny w oczyszczalni ścieków dla miasta Ełk rozmieszczony jest w pomieszczeniach kotłowni. Obecnie pracujące urządzenia energetyczne na tym obiekcie to: 1. Trzy zespoły kogeneracyjne produkujące energię cieplną na zasadzie chłodzenia spalin i bloku silnika, oraz energię elektryczną.  jedna jednostka z silnikiem DEUTZ o mocy elektrycznej 120 kW i mocy cieplnej 160 KW opalane biogazem;  jedna jednostka firmy HORUS o mocy elektrycznej 120 kW i mocy cieplnej do 210 kW opalany również biogazem;  jedna jednostka firmy HORUS o mocy elektrycznej 190 kW i mocy cieplnej do 230 kW opalany również biogazem.

2. Cztery kotły produkujące energię cieplną opalane biogazem o mocy 295 kW każdy.

42

Pełna moc energetyczna wytwarzana przez kotły i agregaty, przy założeniu pracy wszystkich jednostek, może wynieść:  430 kW energii elektrycznej na godzinę,  600 kW energii cieplnej na godzinę.

Ogólny

schemat

zainstalowanych

urządzeń

energetycznych

w poszczególnych pomieszczeniach kotłowni, przedstawia rysunek 17.

Rys. 17 Ogólny schemat kotłowni w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

W części z kotłami znajduje się również węzeł rozdziału produkowanego ciepła. W nim następuje rozdział pomiędzy ciepłem kierowanym na potrzeby administracyjne i niezbędnym do ogrzewania budynków oczyszczalni, a ciepłem kierowanym do utrzymania temperatury w zamkniętych komorach fermentacyjnych.

Węzeł cieplny wyposażony jest w rozdzielacze od których poprzez pompy obiegowe dostarczane jest ciepło do poszczególnych obiektów. 27 7.2. Kotły centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej.

Kotłownia w oczyszczalni wyposażona jest w cztery jednostki grzewcze typu BUDERUS G515 o mocy 295 kW każdy. Kotły 1 i 4 (skrajne piece na rys 14) opalane są wyłącznie biogazem, natomiast kotły 2 i 3 (dwa piece w środku szeregu kotłów na schemacie) wyposażone są w palniki uniwersalne i mogą być opalane zarówno biogazem, jak i olejem opałowym, magazynowanym w specjalnych do tego celu zbiornikach, znajdujących się w części magazynowej. Kotły 1 i 2 zasilają w czynnik grzewczy wymienniki ciepła utrzymujące temperaturę w komorach fermentacyjnych, a kotły 3 i 4 pracują dostarczając czynnik grzewczy do instalacji CO i ciepłej wody użytkowej. Instalacje w kotłowni pozwalają na połączenie ich w razie jakiejkolwiek awarii.

27

PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

43

7.3. Zespoły kogeneracyjne. Środkową część kotłowni zajmuje, zwana przez obsługę oczyszczalni, hala agregatów razem ze sterownią. Zainstalowane tam zespoły kogeneracyjne są jednostkami składającymi się z silnika spalinowego, sprzężonego z prądnicą do produkcji prądu trójfazowego. Pod każdym z agregatów prądotwórczych, zamontowany jest wymiennik ciepła: spaliny – woda, do schładzania spalin mających na wylocie z bloku silnika ponad 600 0C, oraz zespół wymienników ciepła: olej – glikol – woda, chłodzący silnik. Woda z obu instalacji wymiennikowych dostarczana jest do sprzęgła hydraulicznego, zasilającego wymienniki ciepła: osad – woda, służący do utrzymania temperatury w komorach fermentacyjnych. Jak widać są to jednostki dwufunkcyjne produkujące energię elektryczną i cieplną.

Każdy agregat wyposażony jest w zespół pompowy na przewodach powrotnych czynnika instalacji chłodzenia spalin, wymuszający obieg w tym układzie, pomiędzy wymiennikiem: spaliny – woda a sprzęgłem hydraulicznym.

Agregaty 1 i 2 (rys. 17) do chłodzenia spalin posiadają w układzie wspólną chłodnicę czterowentylatorową. Chłodnica włącza się automatycznie kiedy jest mały odbiór ciepła

i do układu chłodzenia spalin wraca czynnik o zbyt wysokiej

temperaturze. Agregat 3 (rys. 17) ma oddzielną chłodnicę działającą na tej samej zasadzie.

Układ chłodzenia silnika składa się z: chłodzenia bloków na zasadzie wymiennika ciepła: olej – glikol, zainstalowanego w blokach silnika (obieg pompowy w obudowie agregatu), a następnie na zasadzie wymiennika ciepła: glikol – woda. Układy chłodzenia silnika w tych agregatach są wpięte przed powrotem czynnika do wymienników ciepła: woda – spaliny.

Wszystkie zespoły kogeneracyjne są jednostkami samosynchronizującymi się z siecią elektryczną zakładu energetycznego. Zespół agregatów wpięty jest w Stacji Transformatorowej po stronie zasilania, w części niskiego napięcia. Układ jest na tyle elastyczny, że zużywana jest w pierwszej kolejności energia

44

wyprodukowana przez agregaty, a braki dobierane są z sieci zewnętrznej. Schemat poglądowy zespołu kogeneracyjnego przedstawia rysunek 18.

Rys. 18 Schemat poglądowy zespołu kogeneracyjnego agregatu nr 2 zainstalowanego w kotłowni w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: Materiały reklamowe firmy HORUS ENERGY Sp. z o.o..

Przedstawiony

schemat,

to

największa

jednostka

kogeneracyjna

zainstalowana w oczyszczalni ścieków. Jest to biogazowy zespół kogeneracyjny HE-MG 190-B, dostarczony przez firmę HORUS-ENERGIA. Silnik zużywa przy 100% swojej mocy około 1,377 Nm3/min biogazu, co daje zużycie biogazu w granicach 83 Nm3/godz. Pracy.28 8. BILANS ENERGETYCZNY OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W NOWEJ WSI EŁCKIEJ. Określenie zapotrzebowania na energię w procesie stabilizacji beztlenowej wymaga sporządzenia bilansu zysków i strat energii. Określenie zapotrzebowania na energię jest możliwe tylko przy przyjęciu pewnych uproszczeń. Biogaz powstający w wyniku procesu fermentacji charakteryzuje się wartością opałową 2024 MJ/Nm3, zależną od zawartości metanu. Nie zawsze jednak da się tak prowadzić proces, aby zbilansować ilość powstającego biogazu i jego zużycie. Zdarzające się awarie zespołów kogeneracyjnych powiązane z brakiem odbioru ciepła powodują, że niewielkie ilości biogazu trzeba spalić w pochodni. Eksploatację części osadowej oczyszczalni ścieków, należy zatem prowadzić tak, aby dążyć do maksymalizacji produkcji biogazu przy jednoczesnym minimalizowaniu strat energii.

Tabele 9, 10 i 11 przedstawiają ilości energii elektrycznej i cieplnej jaką wyprodukowała oczyszczalnia ścieków w Nowej Wsi Ełckiej w roku 2010.

28

HORUS ENERGY Sp. z o.o. „Dokumentacja Techniczna”.

45

Tabela 9 Ilości energii elektrycznej wyprodukowane przez poszczególne zespoły kogeneracyjne w roku 2010. [kWh] Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON. Agregat nr 1 Miesiąc

Styczeń Luty Marzec Kwiecień Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień Październik Listopad Grudzień SUMA

Agregat nr 2

Agregat nr 3

ilość ilość ilość ilość ilość ilość energii energii energii godziny energii godziny energii godziny energii wyprod. wyprod. wyprod. pracy na pracy na pracy na na na na godzinę godzinę godzinę miesiąc miesiąc miesiąc 119 48 92 166 261 60 388 148 388 232 368 10

11226 4092 8333 14281 24490 4738 25657 11451 32370 33274 38169 809

2280

208890

94,34 85,25 90,58 86,03 93,83 78,97 66,13 77,37 83,43 143,42 103,72 80,90

609 632 738 719 475 694 225 518 154 348 342 557

90035 107550 127345 124104 81007 116803 33262 89225 26262 33783 57691 99918

6011

986985

147,84 170,17 172,55 172,61 170,54 168,30 147,83 172,25 170,53 97,08 168,69 179,39

289 177 538 580 619 544 668 447 608 689 516 298

33295 20392 62468 67307 71762 62216 76899 51004 69978 80135 59169 34428

5973

689053

115,21 115,21 116,11 116,05 115,93 114,37 115,12 114,10 115,10 116,31 114,67 115,53

Tabela 10 Ilości energii cieplnej wyprodukowane przez poszczególne zespoły kogeneracyjne w roku 2010. [kJ] Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON. Agregat nr 1 Miesiąc

Styczeń Luty Marzec Kwiecień Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień Październik

godz. pracy

ilość energii wyprod. na miesiąc

119 48 92 166 261 60 388 148 388 232

19040 7680 14720 26560 41760 9600 62080 23680 62080 37120

Agregat nr 2

ilość ilość energii energii godz. wyprod. na pracy na godz. miesiąc 160,00 160,00 160,00 160,00 160,00 160,00 160,00 160,00 160,00 160,00

609 632 738 719 475 694 225 518 154 348

127890 132720 154980 150990 99750 145740 47250 108780 32340 73080

Agregat nr 3

ilość energii na godzinę 210,00 210,00 210,00 210,00 210,00 210,00 210,00 210,00 210,00 210,00

godz. pracy 289 177 538 580 619 544 668 447 608 689

ilość energii ilość wyprod. energii na na godz. miesiąc 66470 40710 123740 133400 142370 125120 153640 102810 139840 158470

230,00 230,00 230,00 230,00 230,00 230,00 230,00 230,00 230,00 230,00

46

Listopad Grudzień SUMA

368 10

58880 1600

2280

364800

160,00 160,00

342 557

71820 99918

6011

1245258

210,00 210,00

516 298

118680 68540

5973

1373790

230,00 230,00

Tabela 11 Ilości energii cieplnej wyprodukowane przez poszczególne kotły w roku 2010. [kJ] Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON. Kocioł nr 1 Miesiąc

Styczeń Luty Marzec Kwiecień Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień Październik Listopad Grudzień SUMA

godz. pracy

69 36 7 11 12

ilość energii wyprod. na miesiąc

Kocioł nr 2

godz. pracy

427 350 82 5

7 59 48 509

20355 10620 2065 3245 3540 0 0 0 2065 17405 14160 150155

758

223610

Kocioł nr 3

ilość ilość energii energii godz. wyprod. wyprod. pracy na na miesiąc miesiąc 3

2 11 6 127

125965 103250 24190 1475 0 0 0 0 590 3245 1770 37465

1010

297950

4

1

885 0 295 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1180

Kocioł nr 4 ilość energii godz. wypro pracy d. na miesią c 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

ilość energii na godzinę

295,00 295,00 295,00 295,00 295,00 295,00 295,00 295,00 295,00 295,00 295,00 295,00

0

Analizując otrzymane wyniki z tabeli 9 można zauważyć różnice pomiędzy rzeczywistymi wartościami produkcji elektrycznej poszczególnych agregatów w rozliczeniach godzinnych. Należy pamiętać, że Agregat 1 nie pracuje z pełną wydajnością ponieważ jest urządzeniem mocno wyeksploatowanym i nie jest w stanie pracować na pełnej mocy.

Tabele 10 i 11 pokazują nam natomiast zależność pracy kotłów od pracy agregatów. Jak widać agregaty nieprzerwanie produkują energię cieplną, zatem kotły są jedynie urządzeniami które załącza się, bądź w przypadku awarii zespołów kogeneracyjnych, bądź z powodu niewystarczającej produkcji ciepła przez te zespoły do ogrzania osadu w ZKF. Kotły 1 i 2, pracują przede wszystkim do utrzymania stałej temperatury w procesie fermentacji, zatem w tabeli 11 widać wyraźnie, że to one najczęściej pracują i to przeważnie w okresach zimowych, 47

kiedy są duże ubytki ciepła przez ściany komór fermentacyjnych. Kotły, co można łatwo zauważyć w powyższych tabelach, mają większą moc cieplną od urządzeń kogeneracyjnych, dlatego są dołączane czasami zamiast agregatów, pomimo strat w postaci braku produkcji energii elektrycznej.

Jest to uwarunkowane

technologicznie, ponieważ jeżeli spadnie temperatura w ZKF-ach poniżej 280C, występuje potencjalne zagrożenie, „wejścia” procesu fermentacji w fazę kwaśną, która powoduje pienienie się fermentującej biomasy i zatrzymanie produkcji biogazu.

Blisko 79% produkcji ciepła z biogazu w kotłowni zapewnia pełne pokrycie zapotrzebowania ciepła do procesu fermentacji. Reszta produkowanej energii cieplnej pożytkowana jest na potrzeby własne zakładu. Jednym słowem obiekt oczyszczalni ścieków, w świetle bilansowania energii cieplej, jest samowystarczalny,

co

potwierdza

brak

przyłącza

do

zewnętrznej

sieci

ciepłowniczej. Wydajność kotłów w oczyszczalni ścieków jest wyższa, jednak zastosowana automatyk zapewnia produkcję ciepła na poziomie jego zużycia, co zapobiega szczególnie w okresie letnim gdy biogazu jest najwięcej brak

[%]

konieczności jego spalania w pochodniach.

Procent produkcji energii własnej w 2010 roku

80

75

73,33 70

69,65 67,33

65

61,75

60,72

60

57,96 55

54,90 53,36

52,40

51,10

50

49,06

47,77 45

40

I

II założony

III uzyskany

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII [miesiąc]

48

Rys. 19 Procentowy udział produkcji energii własnej w 2010 roku w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWiK Ełk. Dokumentacja Zintegrowanego Systemu Zarządzania. Mierniki systemu zarządzania.

Stopień pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną urządzeń związanych z produkcją biogazu wynosi w oczyszczalni 29% produkowanej energii elektrycznej i zapewnia pracę urządzeń niezbędnych do procesu fermentacji, a co za tym idzie produkcji biogazu. Pozostałe 71% może być wykorzystane do pokrycia zużycia energii elektrycznej przez inne urządzenia pracujące na terenie oczyszczalni ścieków i tak też się dzieje. 29 Rys. 19 przedstawia pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną przez produkcję własną w oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

W roku 2010 z 1m3 dopływających wyprodukowano z 1m3 dopływających ścieków:30

do

oczyszczalni

ścieków

- ilość ścieków dopływających do oczyszczalni: Qścieków = 3368550 m3/rok = 9228,91 m3/d  9229 m3/d - ilość energii cieplnej produkowanej z 1m3 ścieków: Qciepło = 9607/9229 = 1,04 kW/m3 - ilość energii elektrycznej produkowanej z 1m3 ścieków: Eelektryczna = 3704/9229 = 0,41 kW/m3

8.1. Efektywność oczyszczalni ścieków pod kątem możliwości pozyskiwania energii odnawialnej z osadów ściekowych.

Największa liczba instalacji biogazowych występuje obecnie w Azji – szczególnie w Chinach, gdzie działa kilka milionów prymitywnych, nieizolowanych biogazowi przy gospodarstwach rolnych, gdzie przefermentowany osad stosowany jest na polach jako nawóz. Instalacje biogazowe rozwijają się także w Japonii i Korei, przy czym są to już instalacje nowoczesne (głównie na licencjach firm europejskich), często o zasięgu lokalnym, tzn. wykorzystujące surowiec 29

PWiK Ełk. Dokumentacja Zintegrowanego Systemu Zarządzania. Raport z monitoringu procesu Kompostowanie osadów ściekowych za rok 2010 r.

30 PWiK Ełk. Bilans rocznych pracy oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej za rok 2010.

49

z okolicznych gospodarstw. W USA po awarii (w latach 70.) w trakcie budowy dużej biogazowni na Florydzie powstał negatywny klimat wokół budowy tego typu obiektów. Jednak dzięki wsparciu programów federalnych i stanowych ponownie odżywa sektor biogazowy – obecnie działa co najmniej 420 instalacji wychwytujących gaz wysypiskowy, który jest wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej. W profesjonalnym wykorzystaniu biogazu przoduje Europa – szczególnie Niemcy, Szwecja, Dania, Austria i Szwajcaria. Zainteresowanie rozwojem biogazownictwa obserwuje się ostatnio również w Hiszpanii, Anglii, Irlandii, na Węgrzech czy we Włoszech. Europejskim potentatem w wykorzystaniu technologii biogazowych są Niemcy. Według danych German Biogas Association w Niemczech w 2007 r. działało ok. 3750 biogazowni, podczas gdy jeszcze w 1990 r. było ich tylko 100. Łączna moc zainstalowana w niemieckich biogazowniach sięga 650 MW energii elektrycznej. W Skandynawii natomiast popularne są duże scentralizowane biogazownie.

W Danii budowę scentralizowanych biogazowni rolniczych finansowało państwo – jako projekty pilotażowe. Z kolei w Szwecji wdraża się oczyszczanie biogazu w celu uzyskania czystego metanu i stosowania go jako paliwa (CNG) w pojazdach. W chwili obecnej z powodzeniem funkcjonuje kilka projektów obejmujących zasilanie metanem autobusów komunikacji miejskiej. W planach jest także przeróbka biogazu i wtłaczanie go do rurociągów jako alternatywę dla gazu ziemnego.

Pierwsze biogazownie w Polsce zaczęły powstawać w drugiej połowie lat 90.

XX wieku. Jedną z pierwszych profesjonalnych biogazowni na oczyszczalni ścieków uruchomiono w 1998 r. w Inowrocławiu (moc elektryczna 320 kW, moc cieplna 540 kW). Natomiast jedną z pierwszych biogazowni wykorzystujących gaz wysypiskowy była, uruchomiona w 1996 r., instalacja w Braniewie. Gaz służy tam do produkcji ciepła – instalacja o mocy 1,3 MW zapewnia ogrzewanie i ciepłą wodę dla 65% mieszkańców 18-tysięcznego miasta. Z danych prezentowanych przez Instytut Energii Odnawialnej (IEO), w 2006 r. w Polsce funkcjonowały 152 instalacje biogazowe, w tym 78 (51%) to instalacje na wysypiskach śmieci, 73 (48%) biogazownie w oczyszczalniach ścieków i tylko jedna biogazownia rolnicza.

50

Łączna zainstalowana moc elektrowni biogazowych wynosiła 79,478 MW. Większość polskich biogazowni zajmuje się wytwarzaniem ciepła (57% ogółu produkcji). Wynika to z faktu, że instalacje biogazowe na oczyszczalniach ścieków oraz na wysypiskach zlokalizowane są najczęściej w pobliżu ośrodków zurbanizowanych, w których zwykle już funkcjonuje sieć ciepłownicza. Dużą część energii cieplnej produkują też biogazownie przy oczyszczalniach ścieków, które same potrzebują dużych ilości ciepła do procesów technologicznych. Działająca w Polsce pierwsza biogazownia rolnicza, wybudowana została w 2005 r. przez potentata branży mięsnej, firmę Poldanor. Rocznie wytwarza ona 790 tys. m3 biogazu i produkuje 1,4 MWh energii elektrycznej oraz 2,6 MWh energii cieplnej.

W listopadzie 2010 roku w Centrum Energii Odnawialnej w Kostkowicach w gminie Jasienica uroczyście otwarto najnowocześniejszą tego typu w Europie biogazownię rolniczą. Pozwoli ona pozyskiwać rocznie 2,5 mln metrów sześciennych biogazu przede wszystkim z gnojowicy, gnojówki i obornika.

Dodatkowym produktem tej biogazowni będzie pozbawiony uciążliwego odoru, wartościowy nawóz organiczny.31 Rys. 20 Biogazownie rolnicze w Polsce: a, b - biogazownia rolnicza firmy Poldanor w Płaszczycy; c, d biogazownia rolnicza w Kostkowicach. Źródło: Poradnik Internetu dla twojej firmy. Biogazownia w Kostkowicach. Gospodarka.pl; Poldanor S.A. „Nowa biogazownia rolnicza na Pomorzu oficjalnie otwarta.

Ogólny rozwój instalacji biogazowych w Polsce wpłynie na poprawę bezpieczeństwa energetycznego poprzez wzrost zaopatrzenia w energię pochodzącą z odnawialnych źródeł. Instalacje takie umożliwią dostawy biogazu rolniczego (o jakości gazu ziemnego) do gospodarstw domowych wsi i miasteczek oraz podmiotów gospodarczych.

Ponadto umożliwią tworzenie

tzw.

lokalnych

łańcuchów wartości dodanej, aktywizując gospodarczo wsie oraz zwiększając zatrudnienie na małych rynkach lokalnych. Instalacje są również szansą na wytworzenie istotnych ilości energii elektrycznej i cieplnej

z surowców nie

konkurujących z rynkiem żywnościowym jako produkty uboczne przemysłu rolno-

31

Krzak J.: Biogazownie w Polsce – niedocenione źródło energii. Biuro Analiz Sejmowych INFOS; 19 luty 2009 r.

51

spożywczego. Ważne jest również to, że odnawialne źródła energii w postaci instalacji biogazowych mogą powstawać na obszarach Natura 2000, nie stanowiąc zagrożenia dla środowiska. Jednym z końcowych efektów pozyskiwania energii z biogazowi są wysokiej jakości nawozy organiczne również przyjazne środowisku.

Szacuje się, że w Polsce może zostać wytworzone ok. 1,7 mld m³ biogazu rocznie.

Taka ilość biogazu po oczyszczeniu mogłaby pokryć ok. 10 proc. zapotrzebowania na gaz lub w całości zabezpieczyć potrzeby odbiorców z terenów wiejskich oraz dostarczyć dodatkowo 125 tys. MWh energii elektrycznej i 200 tys. MWh energii cieplnej. Nie bez znaczenia jest fakt, że biogazownie rolnicze wpłyną na wzrost dochodów rolników poprzez wykorzystanie pozostałości przemysłu rolnospożywczego. Nie spowodują ponadto zniszczeń w środowisku naturalnym. Ocenia się, że dzięki biogazowniom możliwe będzie zmniejszenie emisji dwutlenku węgla w wysokości 3,4 mln ton rocznie.

Nakłady inwestycyjne niezbędne do budowy jednej biogazowi (wraz z instalacją oczyszczającą) o mocy 1MW (wytwarzającej rocznie ok. 3,5-3,8 mln m3 biogazu o wysokich parametrach - zawartość metanu ok. 98 proc.) wyniosą ok.

10-15 mln zł. W gestii inwestorów pozostanie kwestia sposobu wykorzystania tego gazu - czy przez wtłoczenie do krajowej sieci dystrybucyjnej lub infrastruktury przesyłowo-dystrybucyjnej gazu administrowanego przez samorządy lokalne, czy przez wytworzenie energii elektrycznej lub cieplnej. Konieczny będzie również zintensyfikowanie rozwoju programów badawczych dotyczących nowych technik i technologii wykorzystywanych do produkcji biogazu rolniczego (w tym m.in. kontynuowanie prac nad udoskonalaniem fermentacji metanowej, rozwojem technologii

konwersji

biogazu

do

energii

elektrycznej

i

cieplnej

czy

udoskonalaniem procesu oczyszczania biogazu do biometanu). W celu pełnego rozwoju procesów dotyczących wykorzystania odnawialnych źródeł energii, w tym biogazowni, niezbędne jest przygotowanie nowych lub zmiana istniejących rozwiązań prawnych.

Ministerstwo gospodarki zaproponowało, by powstawanie biogazowni mogło być wspierane w ramach PO Infrastruktura i Środowisko, z priorytetu IX Infrastruktura energetyczna przyjazna środowisku i efektywność energetyczna, 52

w następujących działaniach: Wysokosprawne wytwarzanie energii, Wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych. Możliwe jest również wykorzystanie priorytetu X PO - Bezpieczeństwo energetyczne, w tym dywersyfikacja źródeł energii.

Powstawanie

biogazowni

może

w

przyszłości

korzystać

z

programów

przewidzianych w Narodowym Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (pożyczki, dofinansowanie części przedsięwzięcia.

W ramach NFOŚiGW, w którym działa System Zielonych Inwestycji, realizowany jest program priorytetowy - biogazownie rolnicze. Ponadto istotne wsparcie dla tego typu przedsięwzięć oferuje Program Rozwoju Obszarów Wiejskich. Według szacunków Instytutu Energetyki Odnawialnej w kraju planowana jest budowa 300 biogazowni o łącznej wartości ponad 9 mld zł. Niedaleko Szczytna ma powstać druga co do wielkości biogazownia w Europie o mocy 13,7 MW. Jej koszt to ok.

200 mln zł. W jej powstaniu pomóc ma nowy program dotacji, jakie uruchomi Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.32 W Polsce funkcjonuje ponad 2 800 biologicznych oczyszczalni ścieków komunalnych i przemysłowych. Według liczby koncesji wydanych przez URE w Polsce działało 107 biogazowni z czego ponad 1/3 stanowiły obiekty wybudowane przy oczyszczalniach ścieków. Szacuje się, że w biogazowniach zasilanych osadami ściekowymi produkowana jest ponad połowa energii elektrycznej i 83% ciepła wytwarzanego we wszystkich biogazowniach w kraju, stanowiąc tym samym odpowiednio produkcje roczną na poziomie 140 GWh i 290 GWh. Podobnie jak w innych krajach, również i w Polsce można zauważyć wzrost wytwarzanych osadów ściekowych co wynika przede wszystkim z budowy nowych obiektów oczyszczalni ścieków opartych na technologii osadu czynnego. Natomiast same osady ściekowe przerabiane są nadal metodami tradycyjnymi opartymi na procesach zagęszczania, stabilizacji i odwadniania. Stwarza to duże możliwości produkcji

biogazu

poprzez

przeprowadzenie

beztlenowej

stabilizacji

produkowanego na oczyszczalniach biologicznych osadu nadmiernego. Zarówno 32

Dokument przygotowany we współpracy z Ministrem Rolnictwa i Rozwoju Wsi. Kierunki rozwoju biogazowi rolniczych w Polsce w latach 2010-2020, Dokument przyjęty przez Radę Ministrów w dniu 13 lipca 2010 r.; Warszawa 2010.

53

jak w przypadku biogazowi rolniczych, również przy inwestycjach prowadzonych na oczyszczalniach ścieków, można uzyskać wsparcie na inwestycje. W ramach programu rządowego. Wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych możliwe jest uzyskanie wsparcia dla projektów dotyczących budowy lub zwiększenia mocy jednostek wytwarzania energii elektrycznej z biomasy i biogazu. Warto nadmienić, że w ramach realizowanych projektów wsparcie będzie obejmować przyłącza jednostek wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych do najbliższej istniejącej sieci elektroenergetycznej. Beneficjentami składanych projektów mogą być przedsiębiorcy, jednostki samorządu terytorialnego oraz ich grupy, podmioty świadczące usługi publiczne oraz kościoły, kościelne osoby prawne i ich stowarzyszenia oraz inne związki wyznaniowe.

Tabela 12 Średnie miesięczne ilości biogazu powstające w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej w latach 1998 -2010. [m3] Źródło: PWiK Ełk. Dokumentacja eksploatacyjna oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

miesiąc pomiaru styczeń 2008 luty 2008 marzec 2008 kwiecień 2008 maj 2008 czerwiec 2008 lipiec 2008 sierpień 2008 wrzesień 2008 październik 2008 listopad 2008 grudzień 2008 styczeń 2009 luty 2009 marzec 2009 kwiecień 2009 maj 2009 czerwiec 2009 lipiec 2009 sierpień 2009 wrzesień 2009 październik 2009 listopad 2009 grudzień 2009 styczeń 2010 luty 2010 marzec 2010 kwiecień 2010

Osad mieszany ogółem

osad nadmierny

osad surowy

produkcja biogazu

5344 5744 5656 5409 5524 5570 5186 5746 5709 6292 7141 6583 6101 5442 5716 5743 5280 6286 5963 6252 5993 7105 7486 7667 6139 5656 5579 5488

1211 1560 1129 1029 1139 1224 910 1013 826 989 1129 1239 860 773 891 1193 861 992 857 905 837 942 1022 1080 1027 1177 1142 1093

4133 4184 4527 4380 4385 4346 4276 4733 4883 5303 6012 5344 5241 4669 4825 4550 4419 5294 5106 5347 5156 6163 6464 6587 5112 4479 4437 4395

82158 88139 72179 72637 82667 67669 74523 75391 72925 90011 86688 92493 76609 67510 93886 88455 86837 79116 85151 77398 77017 91178 84186 87230 81499 71498 93882 95347

54

maj 2010 czerwiec 2010 lipiec 2010 sierpień 2010 ŚREDNIA

5062 5092 4900 4761 5862,97

1205 1188 965 950 1042,44

3857 3904 3935 3811 4820,53

91444 93054 84537 82567 82683,78

Przygotowane wnioski można składać w siedzibie Ministerstwa Gospodarki.

Dla mniejszych projektów, których całkowity koszt nie przekroczy 10 mln zł można ubiegać się o dofinansowanie w ramach regionalnych programów operacyjnych.

Duży potencjał pozyskania biomasy w Polsce zaowocował tym, że wszystkie województwa, przewidziały znaczne wsparcie dla tworzenia lokalnych biogazowni.

Najwięcej środków na ten cel przeznaczyły województwa lubelskie, warmińsko mazurskie, zachodniopomorskie, kujawsko-pomorskie i podkarpackie.

W oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej, w wyniku fermentacji metanowej mieszaniny osadów powstających w procesach technologicznych, powstaje biogaz, którego miesięczne ilości przedstawia tabela 12.

8.2 Propozycje poprawy efektywności pozyskiwania energii odnawialnej w oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

Jednym z elementów podnoszących efektywność produkcji biogazu w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej jest modernizacja hali agregatów.

W pierwszej kolejności wymaga wymiany na nowy o wyższej mocy elektrycznej Agregat 1, który jest wyeksploatowany. Na jego miejsce pod uwagę wzięty został agregat firmy HOEUS ENARGIA typ HE-MG294-B, wyposażony w silnik Man’a.

Urządzenie jest w stanie wyprodukować w ciągu godziny 225 kW energii elektrycznej i 330 kW energii cieplnej, przy zużyciu 1,78 m3/min biogazu (zakładając pracę 100% mocy), co daje w ciągu godziny ilość równą 106,8 m3.

Zakładając najbardziej optymistyczny wariant ciągłej pracy tego agregatu przez 24 godziny na dobę należy zapewnić mu 2563,2 m3 biogazu w ciągu doby, co prawie pokrywa się z wyliczoną za rok 2010 dobową ilością produkowanego gazu, która wyniosła 2803 m3. Przy założeniu, że nowy agregat będzie pracował 12 godzin, 55

wówczas dobowa ilość potrzebnego paliwa wyniosłaby 1281,6 m3. Dla innych urządzeń pozostanie zatem do wykorzystania 1521,4 m3 co pozwoli na pracę przez około 18 godzin agregatu 2 o wydajności 193 kW/h. Łatwo można obliczyć, że przy takiej pracy agregatów oczyszczalnia uzyska 6174 kW/d energii elektrycznej oraz 8100 kW/d energii cieplnej, co oznacza, że produkcja elektryczna wzrosłaby o 1010 kW/d, powodując wzrost pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla oczyszczalni do poziomu 71%, a w okresach letnich, gdzie jest wyższa od średniej produkcja gazu nawet do 90%.33 Pod nazwą kofermentacja, kryje się wspólne fermentowanie osadów pościekowych i tłuszczów. Tłuszcze są odpadami ulegającymi biodegradacji, czyli również stabilizacji beztlenowej jaką jest fermentacja metanowa. Za stosowaniem przy produkcji biogazu kofermentacji tłuszczów przemawiają również ich właściwości wysokoenergetyczne czego dowodem są dane w tabeli 13.

Tabela 13 Produkcja i kaloryczność gazu w zależności od substratu w komorze fermentacyjnej. Źródło: Wójtowicz A.: Odpady tłuszczowe – problemy czy cenny surowiec - materiały szkoleniowe Gdańska Fundacja Wody; Gdańsk 25-27 kwietnia 2005 r.)

Ilość gazu [l/kg.s.m.o.]

Skład gazu – CH4

Osad wstępny

650

58

Osad nadmierny

350

60

Węglowodany

790

50

Tłuszcze

1250

68

Białka

700

71

Rodzaj substratu/osadu

Współfermentujące tłuszcze zmniejszają również zawartość siarkowodoru w biogazie, usprawniając tym samym procesy oczyszczania tego paliwa. Ich właściwości fizykochemiczne są bardzo dobre i kształtują się na poziomie zawartości 10% suchej masy, z czego 85% to sucha masa organiczna. Biorąc pod uwagę, że do kofermentacji nie powinno się dodawać więcej niż 10% tłuszczów w stosunku do wsadu osadowego. Przy dawce 176 ton osadu podamy zatem nie więcej niż 15 ton tłuszczów, zachowując pewien margines bezpieczeństwa.

33

PWiK Ełk. Propozycja modernizacji węzła osadowego. Dokumentacja techniczna i projektowa Oczyszczalni Ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

56

Wyższa dawka tłuszczu w fermentacji spowoduje zachwianie tego procesu, co uwidoczni się silnym pienieniem osadu w komorach.

W Ełku są zakłady przetwórstwa mięsnego oraz rybnego, w których tłuszcze są problemem, skąd można pozyskiwać ten surowiec do produkcji biogazu. Można również prowadzić współpracę z zakładami gastronomicznymi, gdzie również występuje problem z tłuszczami. Ze źródeł pochodzących z materiałów szkoleniowych wynika, że z 1 kg suchej masy organicznej (s.m.o.) tłuszczu, można uzyskać 1,1 m3 biogazu. Zatem z 15 ton tłuszczu o równowartości 1,28 tony s.m.o./d dobowo możemy wyprodukować o 1408 m3 biogazu więcej. Korzystając z bilansu oczyszczalni ścieków za rok 2010, gdzie z 1m3 biogazu można wyprodukować średnio 1,81 kW energii elektrycznej oraz 3,43 kW energii cieplnej wynika, że przy zastosowaniu kofermenytacji tłuszczowej biogazu, otrzymamy zwiększenie produkcji energii elektrycznej o 2548,48 kW/d oraz energii cieplnej o 4829,44 kW/dobę.34 Ultradźwiękowa

dezintegracja

osadu

nadmiernego

to

rozwiązanie,

pozwalające zminimalizować koszty obróbki osadów, skrócić czas procesów technologicznych, zmniejszyć ilość wytwarzanego osadu, oraz co najważniejsze dla naszych rozważań, zwiększyć produkcję biogazu. Substancje wystawione na działanie ultradźwięków ulegają przemiennej kompresji i rozprężaniu. Dzięki temu, poddane tym procesom mikroorganizmy osadu nadmiernego, ulegają rozpadowi, poprzez powstawanie w ich środku mikropęcherzyków powietrza wypełnionych parą wodną. Polega to na pękaniu błony komórkowej bakterii, na skutek wzrostu ciśnienia wewnątrz komórkowego, dzięki czemu osad ten jest łatwiej dostępny w procesie fermentacji. Pozwala to na wzrost produkcji biogazu w procesie fermentacji od 15 do 25%. Jak wynika z bilansu rocznego oczyszczalni ścieków za rok 2010, wyprodukowano 1026061 m3 biogazu. Przy zwiększeniu produkcji biogazu o 20% spowoduje to podwyższenie rocznej produkcji tego surowca o 205212 m3 i pozwoli uzyskać dodatkowe 1017,64 kW/d energii elektrycznej. 35

34

PWiK Ełk. Propozycja modernizacji węzła osadowego. Dokumentacja techniczna i projektowa Oczyszczalni Ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

35 Wojtowicz A.: Bilans energetyczny oczyszczalni ścieków - materiały szkoleniowe Gdańska Fundacja Wody, Gdańsk 12-14 kwietnia 2005 r.

57

9. ZAKOŃCZENIE I WNIOSKI. Oczyszczalnia ścieków w Nowej Wsi Ełckiej, jest typową oczyszczalnią mechaniczno-biologiczną, gdzie powstają różne rodzaje osadów. Posiada ona również typową dla tego rodzaju obiektów, instalację fermentacji osadów pościekowych, prowadzącą do produkcji biogazu jako alternatywnego paliwa.

Proces fermentacji prowadzony jest prawidłowo a wyposażenie jego, zapewnia optymalne warunki, jakie powinny być spełnione. Jedynym mankamentem jaki można zauważyć analizując fermentacje są duże spadki temperatur w okresach zimowych, Nowoczesne technologie są w stanie rozwiązać ten problem, nie ingerując w konstrukcję budowli, ani nie niszcząc pokrycia blacharskiego bocznych ścian, jakie obecnie jest zastosowane. Technologia ta polega na ciśnieniowym wtłoczeniu pomiędzy dwie przegrody miazgi tekturowej, niepalnej, mającej doskonałe właściwości izolacyjne. Zapewne zminimalizowało by to amplitudę wahań temperatury w ciągu roku, a co za tym idzie, zmniejszyło by wskaźnik zapotrzebowania na energię cieplną, którą można byłoby wykorzystać do podsuszania osadów po odwadnianiu. Zwracając uwagę na ilości powstającego biogazu, oraz wskaźnik uzysku tego paliwa w stosunku do napływu ścieków lub ilości fermentowanych osadów, jest porównywalny z podobnymi wskaźnikami na innych oczyszczalniach w Polsce. Poziom produkcji biogazu pozwala na utrzymanie w granicach 60% pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną przez oczyszczalnię i jest priorytetowo traktowany na tym obiekcie, o czym świadczy fakt, że jest on wskaźnikiem monitorowanym w Zintegrowanym Systemie Zarządzania

funkcjonującym

w

Przedsiębiorstwie

Ełckich

Wodociągów

i Kanalizacji, procesie dystrybucji i oczyszczania ścieków. Świadczy to o wysokiej świadomości ekologicznej pracowników tego przedsiębiorstwa, którego częścią jest oczyszczalnia.

Wnioski:

58

1. Oczyszczalnia ścieków w Nowej Wsi Ełckiej z powodzeniem realizuje zadania związane z ochroną środowiska poprzez utylizację osadów ściekowych oraz pozyskiwanie biogazu i produkcję energii ze źródeł odnawialnych.

2. Modernizacja instalacji do produkcji biogazu oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej w realny sposób poprawić może bilans energetyczny oczyszczalni i wpłynąć na ochronę środowiska naturalnego.

3. Korzyści dla środowiska w zakresie emisji zanieczyszczeń, intensyfikacja procesu

pozyskiwania

biogazu

oraz

zagospodarowanie

zużytych

tłuszczów z różnych źródeł przemawiają za potrzebą stosowania kofermentacji tłuszczowej.

4. Stosowanie nowoczesnych technologii jest koniecznością w dążeniu do efektywnego wykorzystania odpadów.

5. Różny w ciągu roku wpływ temperatury fermentacji na mineralizację osadu świadczy o słabym ociepleniu samych budowli w oczyszczalni ścieków, co powoduje dużą migrację ciepła.

SPIS LITERATURY 59

1. Tujka A.: Ocena możliwości przyrodniczych wykorzystania osadów ściekowych z wybranych oczyszczalni ścieków. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, Lublin 2009, z. 535; 445-452.

2. Górska E. B., Stępień W.: Wpływ kompostu z osadu ściekowego na wybrane właściwości gleb. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, Lublin 2008, z.

553; 139-146.

3. Ledakowicz S., Krzystek L.: Wykorzystanie fermentacji metanowej w utylizacji odpadów przemysłu rolno-spożywczego. Biotechnologia 2005 3(70) 165-183.

4. Maćkow J., Paczosa A.: Nasze środowisko w Unii – Realizacja zadań w zakresie gospodarki wodno-ściekowej oraz gospodarki odpadami komunalnymi . Katowice 2005.

5. Klimiuk E., Łebkowska M. : Biotechnologia w ochronie środowiska.

Wydawnictwo Naukowe PWN; Warszawa 2003 r.

6. Bałdyga J., Henczka M., Podgórska W.: Obliczenia w inżynierii bioreaktorów.

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1996 r.

7. Szewczyk K. W.: Bilansowanie i kinetyka procesów biochemicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005 r.

8. Heinrich Z., Witkowski A.: Urządzenia do oczyszczania ścieków, projektowanie przykłady obliczeń. Wydawnictwo Siedel-Przywecki Sp. z o.o. Warszawa 2005 r.

9. Dymaczewski Z., Oleszkiewicz J. A., Sozański M. M.: Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków. Wydawnictwo LEM s.c.; Poznań 1997 r.

10. Nöring J.: Grawitacyjne zagęszczanie osadów ściekowych. Seminarium N-T, Warszawa 1996, 11. Garczyk M., Sadecka Z.: Persystencja i toksyczność wybranych insektycydów w warunkach fermentacji metanowej. Wydawnictwo Wyższej Szkoły Inżynieryjnej w Zielonej Górze, Zielona Góra 1993.

12. Buraczewski G.: Biogaz wytwarzanie i wykorzystanie. PWN, Warszawa 1990.

13. Buraczewski G.: Fermentacja metanowa. PWN, Warszawa 1989, 14. Burakowski M.P.: Fermentacja statyczna a dynamiczna, analiza porównawcza.

XVII Sympozjum AQUA’96 Płock 1996, 15. Bartoszewski K.: Kontrola przebiegu procesu fermentacji osadów w komorach fermentacyjnych. Konferencja N-T, Częstochowa 1995, 16. Imhoff K.: Kanalizacja miast i oczyszczanie ścieków. Poradnik. Arkady, Warszawa 1982, 17. Pieńkowski K., Krawczyk D., Tumel W.: Ogrzewnictwo Tom I i II. Politechnika Białostocka, Rozprawy Naukowe nr 63; Białystok 1999.

18. Garczarczyk J.: Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego. Arkady, Warszawa 1969 r.

19. Dłuska H., Umiejewska K.: Bilans energetyczny procesu fermentacji metanowej w oczyszczalni ścieków w Siedlcach. Gaz Woda i Technika Sanitarna, nr 7-8.2006 r.

20. Wójtowicz A.: Bilans energetyczny oczyszczalni ścieków. - materiały szkoleniowe Gdańska Fundacja Wody; Gdańsk 12-14 kwietnia 2005 r.

21. Wójtowicz A.: Odpady tłuszczowe – problemy czy cenny surowiec. materiały szkoleniowe Gdańska Fundacja Wody; Gdańsk 25-27 kwietnia 2007 r.

22. Steinle E.: Doświadczenia z badań nad współfermentacją na oczyszczalni ścieków w Bawarii. - materiały szkoleniowe Gdańska Fundacja Wody; Gdańsk 25-27 kwietnia 2005 r.

60

23. Krzak J.: Biogazownie w Polsce – niedocenione źródło energii. Biuro Analiz Sejmowych INFOS; 19 luty 2009 r.

24. Opracowanie wewnętrzne – „Instrukcja obsługi oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej; Ełk 2008 r.

25. Dokumentacja techniczna i projektowa oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

26. Materiały reklamowe firmy Horus Energy Sp. z o.o.

27. Dokumentacja techniczne firmy Horus Energy Sp. z o.o.

28. Materiały reklamowe firmy Buderus Polska Sp. z o.o.

29. Dokumentacja techniczne firmy Buderus Polska Sp. z o.o.

30. Ministerstwo Środowiska - Informacja z realizacji Krajowego Programu oczyszczania ścieków komunalnych w 2008 roku. Warszawa, grudzień 2009.

31. Główny Urząd Statystyczny: Energia ze źródeł odnawialnych. Warszawa 2009.

32. Ministerstwo Gospodarki: Krajowy plan działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych. Warszawa 2010.

33. PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

34. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 roku - Prawo energetyczne. (Dz. U. z 1997r. Nr 54 poz. 348 ze zm.)

35. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 19 grudnia 2005r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii. (Dz. U. z 2005r. Nr 261poz. 2187 ze zm.)

36. Narodowa Agencja Poszanowania Energii S.A. Projekt założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe dla gminy Ełk.

37. Dokument przygotowany we współpracy z Ministrem Rolnictwa i Rozwoju Wsi „Kierunki rozwoju biogazowi rolniczych w Polsce w latach 2010-2020”; Dokument przyjęty przez Radę Ministrów w dniu 13 lipca 2010 r.; Warszawa 2010.

61

SPIS RYSUNKÓW I TABEL Spis rysunków: 1. Rozmieszczenie oczyszczalni ścieków na terenie Polski na tle obszarów chronionych. Źródło: Ministerstwo Środowiska - Informacja z realizacji Krajowego Programu oczyszczania ścieków komunalnych w 2008 roku.

Warszawa, grudzień 2009.

2. Schemat ogólny oczyszczania ścieków. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

3. Schemat ogólny węzła osadowego. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

4. Przemiany zanieczyszczeń organicznych zachodzących podczas oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego. Źródło: Garczarczyk J: Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego. Arkady, Warszawa 1969 r.

5. Fazy rozwojowe mikroelementów według Buchanana. Źródło: Garczarczyk J: Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego. Arkady, Warszawa 1969 r.

6. Schemat

instalacji do

zagęszczenia osadu

nadmiernego.

Źródło:

PWIK

Ełk :Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

7. Fazy anaerobowego rozkładu substancji organicznej. Źródło: Ledakowicz S., Krzystek L.: Wykorzystanie fermentacji metanowej w utylizacji odpadów przemysłu rolno-spożywczego. Biotechnologia 2005 3(70) 168.

8. Schemat zamkniętych komór fermentacyjnych zainstalowanych na Oczyszczalni Ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWIK Ełk „ Instrukcja

obsługi

i oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.”

9. Wpływ temperatury fermentacji na mineralizację osadu w ZKF nr 1. Źródło: PWIK Ełk. „Opracowania kontroli pracy oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.”

10. Średnia miesięczna zawartość metanu w biogazie produkowanym w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWIK Ełk „ Oprogramowanie raportujące WIZCON.” 11. Możliwości pozyskiwania i wykorzystania biogazu. Źródło: Szpakowska I.: Wykorzystanie biogazu jako niekonwencjonalnego źródła energii na obszarze Polski. Ekotechnika, Wiosna nr 1 2004

62

12. Schemat punktu poboru gazu z komory fermentacyjnej. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

13. Schemat automatycznego odwadniacza zainstalowanego na instalacji biogazu. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

14. Schemat ideologiczny instalacji biogazu oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

15. Widok zbiornika gazu w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

16. Widok poglądowy węzła rozdziału i pochodni. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

17. Ogólny schemat kotłowni w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej Wsi Ełckiej.

18. Schemat poglądowy zespołu kogeneracyjnego agregatu nr 2 zainstalowanego w kotłowni w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej. Źródło: Materiały reklamowe firmy HORUS ENERGY Sp. z. o.o 19. Procentowy udział produkcji energii własnej w 2010 roku w oczyszczalni ścieków

w

Nowej

Wsi

Ełckiej.

Źródło:

PWIK

Ełk:

Dokumentacja

Zintegrowanego Systemu Zarządzania. Mierniki Systemu Zarządzania.

20. Biogazownie rolnicze w Polsce. Źródło: Poradnik Instytutu dla twojej firmy.

Biogazownia w Kostkowicach. Gospodarka.pl; Poldanor S.A; Nowa biogazownia rolnicza na Pomorzu oficjalnie otwarta.

63

Spis tabel: 1. Zbiorcze zestawienie istniejących odbiorców ciepła. Źródło: Projekt założeń do planu zapotrzebowania w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe dla gminy Ełk.

2. Ilości podawanego osadu do komór fermentacyjnych [m3 ]. Źródło: PWiK Ełk.

Oprogramowanie raportujące WIZCON. 3. Średnie miesięczne czasy przetrzymania osadu mieszanego w procesie fermentacji. Źródło: PWiK Ełk. Opracowania kontroli pracy Oczyszczalni Ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

4. Średnie miesięczne obciążenie komór fermentacyjnych ładunkiem substancji organicznych. Źródło: : PWiK Ełk. Opracowania kontroli pracy oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

5. Bilans masowy za miesiąc luty 2010 roku dla komory fermentacyjnej nr 1. Źródło: PWiK Ełk. Opracowania kontroli pracy Oczyszczalni Ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

6. Bilans masowy za miesiąc luty 2010 roku dla komory fermentacyjnej nr 2. Źródło: PWiK Ełk. Opracowania kontroli pracy oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

7. Ilość i skład gazu powstającego w wyniku rozkładu związków organicznych, zawartych w odpadach i osadach ściekowych. Źródło: Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008 r.

8. Charakterystyka biogazu. Źródło: Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008 r.”

9. Ilości energii elektrycznej wyprodukowane przez poszczególne zespoły kogeneracyjne w roku 2010. [kWh] Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON. 10. Ilości energii cieplnej wyprodukowane przez poszczególne zespoły kogeneracyjne w roku 2010. [kJ] Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON. 11. Ilości energii cieplnej wyprodukowane przez poszczególne kotły w roku 2010. [kJ] Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON. 12. Średnie miesięczne ilości biogazu powstające w oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej w latach 1998 -2010. [m3] Źródło: PWiK Ełk. Dokumentacja eksploatacyjna oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi Ełckiej.

64

13. Produkcja i kaloryczność gazu w zależności od substratu w komorze fermentacyjnej. Źródło: Wójtowicz A.: Odpady tłuszczowe – problemy czy cenny surowiec - materiały szkoleniowe Gdańska Fundacja Wody; Gdańsk 25-27 kwietnia 2005 r.

Spis wzorów 1. Objętość osadu odwodnionego Źródło: Poradnik Eksploatatora Oczyszczalni Ścieków.

65