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.