produkcja biogazu jako sposób... zbigniew cybulskie
DESCRIPTION
Produkacja biogazu jako sposób wykorzystania i utylizacji osadów ściekowych na przykładzie oczyszczalni ścieków w Nowej Wsi EłckiejTRANSCRIPT
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
2
Składam serdeczne podziękowanie Panu dr inż. Wiesławowi Czeluścińskiemu
za poświęcony czas oraz cenne wskazówki pomocne przy pisaniu niniejszej pracy.
3
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
4
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 osadów ściekowych, w pracy przedstawiono
funkcjonowanie typowej oczyszczalni ścieków 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
5
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
6
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
7
W S T Ę P
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 energetyczne1
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 źródeł2, 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.) 2 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
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.)
9
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.
10
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 rolno-
spożywczego. Biotechnologia 2005 3(70) 165-183.
11
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 wodno-
ściekowej oraz gospodarki odpadami komunalnymi . Katowice 2005, s. 29-30. 8 Maćkow J., Paczosa A.: Nasze środowisko w Unii – Realizacja zadań w zakresie gospodarki wodno-
ściekowej oraz gospodarki odpadami komunalnymi . Katowice 2005, s. 29-39. 9 Główny Urząd Statystyczny: Energia ze źródeł odnawialnych. Warszawa 2009.
12
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 Liczba
budynków
Kubatura
[m3]
Pow.
użytkowa
[m3]
Zapotrzebowanie na moc
cieplną [kW]
Qco Qcwu ∑Q
1
Budynki komunalne w tym: 56 86636 18795 1696,1 245 1941,1
- budynki mieszkalne 15 9254 2062 230,0 --- 230,0
- budynki użyteczności
publicznej 24 58994 15375 1424,0 245,0 1669,0
- budynki gospodarcze 17 18388 1376 42,1 --- 42,1
2
Budynki mieszkalne
wielorodzinne (wspólnoty
i spółdzielnie)
30 87324 17762 2119,9 190,0 2309,9
3 Budynki Oczyszczalni Ścieków w
Nowej Wsi Ełckiej 7 10647 2042 450,0 9,3 459,3
4 Budynki Nadleśnictwa Ełk 26 16541 3150 543,0 --- 543,0
5 Budynki Domu Pomocy
Społecznej w Nowej Wsi Ełckiej 8 39587 10832 525,6 --- 525,6
6 Budynki Agencji Rezerw
Materiałowych 13 64124 13402 1243,0 --- 1243,0
10 Ministerstwo Gospodarki: Krajowy plan działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych. Warszawa
2010.
13
7 Budynki PKP S.A. OGM 21 14114 2680 358,0 --- 358,0
8 Budynki pozostałe 11 10656 2262 176,6 --- 176,6
RAZEM 172 329629 70925 7112,2 444,3 7556,5
Dla potrzeb Gminy Ełk opracowano szczegółową charakterystykę
istniejących na jej terenie 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
14
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.
15
fotocatalityczego uzdatniania powietrza. Ścieki do obiektu tłoczone 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
12 PWiK Ełk. Instrukcja Oczyszczalni Ścieków.
1.
BU
DY
NE
K K
RA
T
2. S
ITO
PIA
SK
OW
NIK
I
3. O
SA
DN
IKI
WST
ĘP
NE
4. P
UN
KT
PO
DN
OS
ZE
NIA
ŚC
IEK
ÓW
SU
RO
WY
CH
5. K
OM
OR
A D
EFO
SFA
TAC
JI
6. K
OM
OR
A P
RE
DE
NIT
RY
FIK
AC
JI
7. K
OM
OR
Y
DE
NIT
RY
FIK
AC
JI I
0 BIO
LO
GII
8. K
OM
OR
Y N
ITR
YFI
KA
CJI
I0 B
IOL
OG
II
9. P
OM
POW
NIA
NA
II0 B
IOL
OG
II
10. K
OM
OR
Y
DE
NIT
RY
FIK
AC
JI I
I0 BIO
LO
GII
11. K
OM
OR
Y
NIT
RY
FIK
AC
JI I
I0 BIO
LO
GII
12. O
SA
DN
IKI
WT
ÓR
NE
13. P
OM
POW
NIA
WIE
LO
FUN
KC
YJN
A
14. Z
AG
ĘS
ZC
ZA
CZ
OS
AD
U N
AD
MIE
RN
EG
O
15. S
TAC
JA Z
AG
ĘSZ
CZ
AN
IA O
SAD
U
16. Z
AM
KN
IĘT
E K
OM
OR
Y
FER
ME
NTA
CY
JNE
17. O
DS
IAR
CZ
AL
NIA
18. Z
BIO
RN
IK G
AZ
U
19. K
OT
ŁO
WN
IA
20. F
ER
ME
NT
ER
21. B
IOF
ILT
RY
22. H
AL
A D
MU
CH
AW
1
2
3
4
5 6
7
8
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
9
10
I0 BIO
LO
GII
II0 B
IOL
OG
II
3
10
12
12
7
8
11
16
BIO
GA
Z
WO
DY
TE
CH
NO
LO
GIC
ZN
E
OSA
D
SUR
OW
Y
ŚCIE
K O
CZ
YSZ
CZ
ON
Y M
EC
HA
SNIC
ZN
IE
OSA
D
RE
CY
RK
UL
OW
AN
Y
ŚCIE
K O
CZ
YSZ
CZ
ON
Y
PIX
22
PO
WIE
TR
ZE
O
BIE
KT
Y Z
HE
RM
ET
YZ
OW
AN
E
C
IĄG
U M
EC
HA
NIC
ZN
EG
O
OB
IEK
TY
OC
ZY
SZ
CZ
AN
IA
BIO
LO
GIC
ZN
EG
O
OB
IEK
TY
ZW
IĄZ
AN
E Z
BIO
GA
ZE
M
16
Rys. 2 Schemat ogólny oczyszczania ścieków. Źródło: PWIK Ełk: Instrukcja obsługi oczyszczalni w Nowej
Wsi Ełckiej.
1.
OT
WA
RT
E B
AS
EN
Y
FE
RM
EN
TA
CY
JNE
Z
M
IES
ZA
DŁ
AM
I
2.
ZA
GĘ
SZ
CZ
AC
Z O
SA
DU
3.
ST
AC
JA
OD
WA
DN
IAN
IA
OS
AD
U
PR
ZE
FE
RM
EN
TO
WA
NE
GO
4.
SK
ŁA
D
OS
AD
U
ZA
GĘ
SZ
CZ
ON
EG
O
5.
HIG
IEN
IZA
CJA
KO
NT
EN
ER
OW
A
6.
PŁ
YT
A K
OM
PO
ST
OW
A
7.
SK
ŁA
D
SŁ
OM
Y
8.
SK
LA
D
GA
ŁĘ
ZI
I G
OT
OW
YC
H
ZR
ĘB
EK
D
RZ
EW
NY
CH
9.
SK
ŁA
D
KO
MP
OS
TU
10
. PO
LE
TK
A
OC
IEK
OW
E
1
1
4
6
7
5
9
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
3
2
WO
DY
OC
IEK
OW
E
WO
DY
O
CIE
KO
WE
ODCIEKIZPŁYTYKOMPOSTOWEJ
AW
AR
YJ
NY
Z
RZ
UT
O
SA
DU
N
A
PO
LE
TK
A
OS
AD
P
O F
ER
ME
NT
AC
JI Z
ZK
F
ŚC
IEK
OC
ZY
SZ
CZ
ON
Y
DO
PŁ
UK
AN
IA
8
17
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
18
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 ŹRÓDŁO
POZYSKIWANIA SUROWCA DO PRODUKCJI BIOGAZU.
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.
19
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.
Rys. 5 Fazy rozwojowe mikroorganizmów według Buchanana. Źródło: Garczarczyk J.: Oczyszczanie
D
F
G
A
E
B
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.
C
5 10 15 20 25 30 35
35
8
6
4
2
log l
iczb
y
mik
roorg
aniz
mów
Jednostka czasu
A B
C
D E
F
G
H
20
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 m
3 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.
21
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.
22
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.
23
)100(
)100(
nionegoosaduodwod
osaduosadunionegoosaduodwod
W
VWV
Vodwodnionego - objętość osadu odwodnionego Vosadu – objętość osadu podanego do odwadniania
Wosadu – uwodnienie osadu podanego do odwodnienia
Wodwodnionego – uwodnienie osadu odwodnionego
Osad po zagęszczaczu grawitacyjnym: 3450)51,98100(
1219)45,99100(mV nionegoosaduodwod
Osad po stołach zagęszczających: 3130)85,94100(
450)51,98100(mV nionegoosaduodwod
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 m
3 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:
24
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 fermentacyjnych. Instalacja tłoczna osadu
mieszanego zabezpieczona jest presostatem przed 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
25
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 [m3 ]. Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON.
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
miesiąc pomiaru
ZKF nr 1 ZKF nr 2 osad mieszany ogółem
osad nadmierny
osad surowy osad
mieszany osad
mieszany
styczeń 2008 2641 2703 5344 1211 4133
luty 2008 3039 2705 5744 1560 4184
marzec 2008 2869 2787 5656 1129 4527
kwiecień 2008 2781 2628 5409 1029 4380
maj 2008 3066 2458 5524 1139 4385
czerwiec 2008 3022 2548 5570 1224 4346
lipiec 2008 2510 2676 5186 910 4276
sierpień 2008 2999 2747 5746 1013 4733
wrzesień 2008 2875 2834 5709 826 4883
październik 2008 3064 3228 6292 989 5303
listopad 2008 3625 3516 7141 1129 6012
grudzień 2008 3450 3133 6583 1239 5344
styczeń 2009 3041 3060 6101 860 5241
luty 2009 2674 2768 5442 773 4669
marzec 2009 2834 2882 5716 891 4825
kwiecień 2009 3138 2605 5743 1193 4550
maj 2009 2885 2395 5280 861 4419
czerwiec 2009 3059 3227 6286 992 5294
lipiec 2009 2950 3013 5963 857 5106
sierpień 2009 3001 3251 6252 905 5347
wrzesień 2009 2863 3130 5993 837 5156
październik 2009 3546 3559 7105 942 6163
listopad 2009 3262 4224 7486 1022 6464
grudzień 2009 4196 3471 7667 1080 6587
styczeń 2010 3065 3074 6139 1027 5112
luty 2010 2853 2803 5656 1177 4479
marzec 2010 2816 2763 5579 1142 4437
kwiecień 2010 2751 2737 5488 1093 4395
maj 2010 2593 2469 5062 1205 3857
czerwiec 2010 2400 2692 5092 1188 3904
lipiec 2010 2723 2177 4900 965 3935
sierpień 2010 2456 2305 4761 950 3811
ŚREDNIA 2970,22 2892,75 5862,97 1042,44 4820,53
26
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 spolimeryzowanych, częstokroć
nierozpuszczalnych związków organicznych (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.
27
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 4CH3COOH + CO 2 + 3CH4
Stopień II 4CH3CH2COOH 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.
28
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.
29
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.
30
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.
Rok
Miesiąc
2008 2009 2010
Średnia
dobowa
dawka
osadu
Średni czas
przetrzymania
Średnia
dobowa
dawka
osadu
Średni czas
przetrzymania
Średnia
dobowa
dawka
osadu
Średni czas
przetrzymania
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.
31
około 350C, przy obciążeniu substancjami organicznymi od 0,8 do 1,33 kg/m
3d.
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.
Rok
Miesiąc
2008 2009 2010
Średnia
dobowa
dawka
osadu
Średni
obciążenie
komór
Średnia
dobowa
dawka
osadu
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.
32
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
33
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.
34
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
masa udział udział s.m. H2O
s.m. org. s.m.miner.
sucha masa
udział s.m. H2O
s.m. org.
s.m. miner.
Surowiec [tona] [%] [%] [%] [%] [%] [tona] [%] [tona] [tona] [tona]
Osad wstępny 2273 80 4,36 95,6 81,93 18,07 99,1 77 2173,9 81,2 17,9
Osad nadmierny 580 20 5,08 94,9 59,86 40,14 29,5 23 550,5 17,6 11,8
Razem 2853 100 - - - - 128,6 - 2724,4 98,8 29,7
Osad przefermentowany 2841 - 2,27 97,7 66,63 33,37 89,1 - 2752,1 59,4 29,7
Zredukowano 12 - - - - - - - - 39,5 -
powstała ilość wody
27,6
zredukowana s.m. 11,8
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 udział s.m. H2O
s.m. org. s.m.miner.
sucha masa
udział s.m. H2O
s.m. org.
s.m. miner.
Surowiec [tona] [%] [%] [%] [%] [%] [tona] [%] [tona] [tona] [tona]
Osad wstępny 2206 79 4,36 95,6 81,93 18,07 96,2 76 2109,8 78,8 17,4
Osad nadmierny 597 21 5,08 94,9 59,86 40,14 30,3 24 566,7 18,2 12,2
Razem 2803 100 - - - - 126,5 - 2676,5 97,0 29,6
Osad przefermentowany 2792 - 2,19 97,8 66,88 33,12 89,2 - 2702,6 59,7 29,6
Zredukowano 11 - - - - - - - - 37,3 -
powstała ilość wody
26,1
zredukowana s.m. 11,2
6. BIOGAZ, WŁAŚCIWOŚCI I WYKORZYSTANIE.
35
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
dm3/kg.s.m.
Sklad gazu %
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
Osady ściekowe 4C10H19O3N+18H2O→25CH4+15CO2+4NH3 1114 63 37
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
36
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 Składniki biogazu
Biogaz CH4 CO2 H2S
22 Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008 r.
37
Udział w biogazie [%] 55-75 24-44 0,10-0,70 100
Wartość opałowa [kWh/m3] 10-11,10 - 6,30 6,50
Granica wybuchowości % 4,40-15,50 - 4,30-45,50 6-12
Temperatura samozapłonu 0C 595 - 270 650-750
Krytyczne ciśnienie Mpa (bar) 4,70 (47) 7,40 (75) 9 (90) 7,50-8,90 (75-89)
Temperatura krytyczna 0C -82 31 100 -82,50
Gęstość (w 200C) kg/m
3 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
Biogaz jako 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.
38
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.
39
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.
40
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
41
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.
42
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.
43
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.
44
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
45
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 20-
24 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”.
46
Tabela 9 Ilości energii elektrycznej wyprodukowane przez poszczególne zespoły kogeneracyjne w roku
2010. [kWh] Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON.
Miesiąc
Agregat nr 1 Agregat nr 2 Agregat nr 3
godziny pracy
ilość energii wyprod.
na miesiąc
ilość energii
na godzinę
godziny pracy
ilość energii wyprod.
na miesiąc
ilość energii
na godzinę
godziny pracy
ilość energii wyprod.
na miesiąc
ilość energii
na godzinę
Styczeń 119 11226 94,34 609 90035 147,84 289 33295 115,21
Luty 48 4092 85,25 632 107550 170,17 177 20392 115,21
Marzec 92 8333 90,58 738 127345 172,55 538 62468 116,11
Kwiecień 166 14281 86,03 719 124104 172,61 580 67307 116,05
Maj 261 24490 93,83 475 81007 170,54 619 71762 115,93
Czerwiec 60 4738 78,97 694 116803 168,30 544 62216 114,37
Lipiec 388 25657 66,13 225 33262 147,83 668 76899 115,12
Sierpień 148 11451 77,37 518 89225 172,25 447 51004 114,10
Wrzesień 388 32370 83,43 154 26262 170,53 608 69978 115,10
Październik 232 33274 143,42 348 33783 97,08 689 80135 116,31
Listopad 368 38169 103,72 342 57691 168,69 516 59169 114,67
Grudzień 10 809 80,90 557 99918 179,39 298 34428 115,53
SUMA 2280 208890 6011 986985 5973 689053
Tabela 10 Ilości energii cieplnej wyprodukowane przez poszczególne zespoły kogeneracyjne w roku 2010.
[kJ] Źródło: PWiK Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON.
Miesiąc
Agregat nr 1 Agregat nr 2 Agregat nr 3
godz. pracy
ilość energii wyprod.
na miesiąc
ilość energii
na godz.
godz. pracy
ilość energii wyprod.
na miesiąc
ilość energii
na godzinę
godz. pracy
ilość energii wyprod.
na miesiąc
ilość energii
na godz.
Styczeń 119 19040 160,00 609 127890 210,00 289 66470 230,00
Luty 48 7680 160,00 632 132720 210,00 177 40710 230,00
Marzec 92 14720 160,00 738 154980 210,00 538 123740 230,00
Kwiecień 166 26560 160,00 719 150990 210,00 580 133400 230,00
Maj 261 41760 160,00 475 99750 210,00 619 142370 230,00
Czerwiec 60 9600 160,00 694 145740 210,00 544 125120 230,00
Lipiec 388 62080 160,00 225 47250 210,00 668 153640 230,00
Sierpień 148 23680 160,00 518 108780 210,00 447 102810 230,00
Wrzesień 388 62080 160,00 154 32340 210,00 608 139840 230,00
Październik 232 37120 160,00 348 73080 210,00 689 158470 230,00
47
Listopad 368 58880 160,00 342 71820 210,00 516 118680 230,00
Grudzień 10 1600 160,00 557 99918 210,00 298 68540 230,00
SUMA 2280 364800 6011 1245258 5973 1373790
Tabela 11 Ilości energii cieplnej wyprodukowane przez poszczególne kotły w roku 2010. [kJ] Źródło: PWiK
Ełk. Oprogramowanie raportujące WIZCON.
Miesiąc
Kocioł nr 1 Kocioł nr 2 Kocioł nr 3 Kocioł nr 4
ilość energii na godzinę
godz.pracy
ilość energii wyprod.
na miesiąc
godz. pracy
ilość energii wyprod.
na miesiąc
godz. pracy
ilość energii wyprod.
na miesiąc
godz. pracy
ilość energii wyprod. na
miesiąc
Styczeń 69 20355 427 125965 3 885 0 295,00
Luty 36 10620 350 103250 0 0 295,00
Marzec 7 2065 82 24190 1 295 0 295,00
Kwiecień 11 3245 5 1475 0 0 295,00
Maj 12 3540 0 0 0 295,00
Czerwiec 0 0 0 0 295,00
Lipiec 0 0 0 0 295,00
Sierpień 0 0 0 0 295,00
Wrzesień 7 2065 2 590 0 0 295,00
Październik 59 17405 11 3245 0 0 295,00
Listopad 48 14160 6 1770 0 0 295,00
Grudzień 509 150155 127 37465 0 0 295,00
SUMA 758 223610 1010 297950 4 1180 0 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,
48
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
47,77
51,10
69,65
73,33
54,90
67,33
53,36
61,75
52,40
57,96
60,72
49,06
40
45
50
55
60
65
70
75
80
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
[miesiąc]
[%]
założony uzyskany
49
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 do oczyszczalni ścieków
wyprodukowano z 1m3 dopływających ścieków:
30
- ilość ścieków dopływających do oczyszczalni:
Qścieków = 3368550 m3/rok = 9228,91 m
3/d 9229 m
3/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.
50
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.
51
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.
52
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 rolno-
spożywczego. 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,
53
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.
54
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 Osad mieszany
ogółem osad
nadmierny osad surowy produkcja biogazu
styczeń 2008 5344 1211 4133 82158 luty 2008 5744 1560 4184 88139 marzec 2008 5656 1129 4527 72179 kwiecień 2008 5409 1029 4380 72637 maj 2008 5524 1139 4385 82667 czerwiec 2008 5570 1224 4346 67669 lipiec 2008 5186 910 4276 74523 sierpień 2008 5746 1013 4733 75391 wrzesień 2008 5709 826 4883 72925 październik 2008 6292 989 5303 90011 listopad 2008 7141 1129 6012 86688 grudzień 2008 6583 1239 5344 92493 styczeń 2009 6101 860 5241 76609 luty 2009 5442 773 4669 67510 marzec 2009 5716 891 4825 93886 kwiecień 2009 5743 1193 4550 88455 maj 2009 5280 861 4419 86837 czerwiec 2009 6286 992 5294 79116 lipiec 2009 5963 857 5106 85151 sierpień 2009 6252 905 5347 77398 wrzesień 2009 5993 837 5156 77017 październik 2009 7105 942 6163 91178 listopad 2009 7486 1022 6464 84186 grudzień 2009 7667 1080 6587 87230 styczeń 2010 6139 1027 5112 81499 luty 2010 5656 1177 4479 71498 marzec 2010 5579 1142 4437 93882 kwiecień 2010 5488 1093 4395 95347
55
maj 2010 5062 1205 3857 91444 czerwiec 2010 5092 1188 3904 93054 lipiec 2010 4900 965 3935 84537 sierpień 2010 4761 950 3811 82567
ŚREDNIA 5862,97 1042,44 4820,53 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,
56
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.)
Rodzaj substratu/osadu 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
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.
57
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.
58
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:
59
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
60
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.
61
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.
62
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
63
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.
64
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.
65
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.