PL235915B1

PL235915B1 - Sposób postępowania z osadami po fermentacji metanowej, zwłaszcza w oczyszczalni ścieków, mający na celu zmniejszenie ilości osadów oraz dodatkową produkcję biogazu

Info

Publication number: PL235915B1
Application number: PL409443A
Authority: PL
Inventors: Tadeusz Zimiński; Adam Cenian; Witold Cenian; Jacek DACH; Jacek Dach; Dariusz Kardaś; Andrzej Jan Lewicki
Original assignee: Instytut Masz Przeplywowych Im Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2020-11-16
Also published as: PL409443A1

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki

Przedmiotem wynalazku jest sposób postępowania z osadami po fermentacji metanowej, zwłaszcza w oczyszczalni ścieków, mający na celu zmniejszenie ilości osadów oraz dodatkową produkcję biogazu.

Osady poddaje się hydro-termalnej lizie (HTL) w reaktorze ciśnieniowym. Z otrzymanych hydrolizatów po dodaniu odpowiednich ilości wodorotlenku sodu lub potasu, lub tlenku wapnia (CaO) i/lub tlenku magnezu (MgO), usuwa się nadmiar azotu N-NH4 przez odparowanie amoniaku oraz nadmiar fosforu, w postaci nierozpuszczalnych soli fosforanów wapnia lub magnezu. Tak otrzymane, upłynnione, hydrolizaty osadów poddawane są ponownej fermentacji metanowej. Efektem jest znaczne ograniczenie w osadach zawartości materii organicznej oraz dodatkowa ilość biogazu, o zwiększonej zawartości w nim metanu.

Stan techniki

Podejmowane są wszelkie wysiłki zmniejszenia ilości osadów po fermentacji metanowej OPFM oraz zwiększenia produkcji biogazu już na wstępnym etapie, tj. przygotowania do fermentacji metanowej osadu nadmiernego (ON) i osadu wstępnego (OW). Takie postępowanie to dezintegracja mechaniczna osadów z użyciem ultradźwięków, chemiczna, kwaśna czy alkaliczna lub termiczna hydroliza.

Znane są metody wstępnej obróbki biomasy, m.in. dezintegracja osadów mechaniczna z użyciem ultradźwięków, dezintegracja chemiczna kwaśna czy alkaliczna lub termiczna hydroliza [S.I. Perez-Elvira; M. Fdz-Polanco; F. Fdz-Polanco, Enhancement of the conventional anaerobic digestion of sludge: comparison of four different strategies, Water Sci. Technol. 64, 375 (2011); US 8,673,112 B2; US 2011/0114570 A1; US 2010/0297742 A1; C.A. Wilson, J.T. Novak, S.N. Murthy, Thermal Hydrolysis of the Lipid and Protein fractions of Wastewater Sludge: Implications for Digester Performance and Operational Considerations, pp. 3918-3922(5)].

Znany jest z opisu patentowego wynalazku US 8,673,112 B2, wprowadzony w wielu krajach norweski system CAMBI. W procesie Hydrolizy Termicznej CAMBI (THP) komunalne i przemysłowe osady ściekowe oraz organiczne, mokre odpady przed fermentacją metanową poddawane są oddziaływaniu gorącej pary z wykorzystaniem gwałtownego rozprężania (parowej „eksplozji”) z wykorzystaniem odpadowego ciepła z instalacji CHP. Proces THP Cambi łączy procesy dezintegracji, hydrolizy i pasteryzacji substratów do fermentacji metanowej. Uzyskano zmniejszenie ilości OPFM i zwiększenie ilości BG, tak w skali laboratoryjnej, jak i przemysłowej, w stosunku do procesów, w których nie prowadzono termiczno-hydrolitycznej obróbki wstępnej. Układ przedstawiony w US8673112 B2 rozwiązuje zagadnienie ograniczania ciśnienia proponowane we wcześniejszych zgłoszonych do opatentowania opisach wynalazków WO96/09882 nor W O2008/026932 A1 poprzez zastosowanie dodatkowej dyszy.

Z kolei z opisu zgłoszonego do opatentowania wynalazku WO2013/081674A1 znana jest metoda obróbki wstępnej zwiększenia rozpuszczalnego ChZT (rChZT) polegająca na poddaniu strumienia osadów procesowi dezintegracji materii organicznej podczas oddziaływania z naddźwiękową falą uderzeniową w specjalnie skonstruowanym kanale lub dyszy. Efektem oddziaływania jest nawet 30-40-krotny wzrost rChZT wyjściowego strumienia osadów w stosunku do wejściowego oraz 30-70% wzrost produkcji metanu w procesie fermentacji anaerobowej.

Kolejno z opisu zgłoszonego do opatentowania wynalazku US 2011/0114570 A1 znana jest metoda i urządzenie do termicznej hydrolizy osadów ściekowych, które przez umiejętny sposób chłodzenia (np. przez dodanie zimnej wody i unikanie wymienników) przeciwdziała tworzeniu się struwitu i/lub wiwianitu w wymiennikach ciepła.

Ponadto z opisu zgłoszonego do opatentowania wynalazku US 2010/0297742 A1 znana jest metoda i urządzenie do termo-enzymatycznej hydrolizy osadów, w którym po termalnej obróbce materiał lignocelulozowy poddawany jest oddziaływaniu enzymów (scukrzanie enzymatyczne).

Brak jest jednak danych, w literaturze naukowo-technicznej i patentowej, na temat ponownego poddawania procesowi hydrotermalnej lizie przefermentowanych osadów ściekowych (i innych) z usunięciem nadmiaru biogenów (azotu N-NH4 i związków fosforu) proponowanych w zgłoszeniu wynalazku.

Istota wynalazku

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że uzyskany zagęszczony osad pofermentacyjny (OPFM) pozyskany z oczyszczalni ścieków albo innej biogazowi poddaje się hydrotermalnej

PL 235 915 B1 lizie (HTL), w wyniku czego powstaje płynny hydrolizat. Po czym po zmniejszeniu azotu amonowego i zmniejszeniu ilości fosforanów rozpuszczonych w tym hydrolizacie, hydrolizat ten poddaje się ponownej, fermentacji metanowej. W wyniku czego uzyskuje się dodatkową produkcję biogazu i zmniejszoną ilość osadu pofermentacyjnego oraz zmniejsza się ilość biogenów azotu i fosforu w odciekach, przy zagęszczaniu pofermentu.

Proces HTL prowadzi się dwu- albo wielokrotnie.

Hydrotermalną lizę zagęszczonego osadu po fermentacji metanowej prowadzi się w nadciśnieniu od 2-20 barów, korzystnie 4-6 barów, w temperaturze od 100-200°C, korzystnie 120-160°C, w czasie 1-8 godzin, korzystnie 2-4 godzin.

Zagęszczony OPFM ogrzany pośrednio lub bezpośrednio żywą parą wodną, podgrzany do temp. 85-100°C ogrzewa się samorzutnie dalej dochodząc do temperatury około 200°C i ciśnienia do 20 barów, przy czym wydziela się CO2.

Do uzyskanego, gorącego lub schłodzonego, hydrolizatu OPFM uzyskanego poprzez HTL, dodaje się wodorotlenek sodu lub potasu, lub tlenek wapnia lub/i magnezu lub ich rozpuszczalnych soli, w zawiesinie wodnej. Następnie oddestylowuje się nadmiar amoniaku pod ciśnieniem normalnym lub pod zmniejszonym ciśnieniem, a rozpuszczone fosforany przechodzą w nierozpuszczalne fosforany wapnia lub/i magnezu i pozostają w osadzie pofermentacyjnym.

Hydrolizat OPFM uzyskany po HTL poddaje się ponownej fermentacji metanowej, uzyskuje się dodatkową produkcję biogazu dochodzącą do 30% i zmniejszoną ilość osadów po zagęszczeniu pofermentu w znany sposób z użyciem polielektrolitów

Zaletą sposobu według wynalazku jest to, że otrzymujemy dodatkową ilość biogazu z tego samego substratu raz już poddanego procesowi fermentacji metanowej oraz zmniejszoną ilość pofermentu, zwłaszcza w przypadku braku jego zastosowania. Ponadto, uzyskany biogaz zawiera zwiększony udział nawet do 75% metanu.

Przykłady wykonania wynalazku

Postępowanie przy prowadzeniu hydrotermalnej lizy (HTL)

Procesowi hydro-termalnej lizy (HTL), w okresie do 8 godzin, poddano OPFM z oczyszczalni komunalnych stosujących mezofilową fermentację metanową:

(a) z instalacji, w której osady - OW i ON nie były poddawane wstępnej obróbce oraz (b) z oczyszczalni, gdzie OW i ON przed fermentacją metanową były poddane wstępnej obróbce termicznej w systemie CAMBI.

Do każdej próby HTL, osadu z oczyszczalni, gdzie nie było obróbki przed fermentacją metanową, użyto 500 g OPFM i 250 g wody. Do prób HTL, osadu z oczyszczalni, w której przed fermentacją metanową przeprowadzono obróbkę wstępną w systemie CAMBI, użyto 400 g OPFM i 400 g wody.

Pierwszy OPFM, uzyskiwany z fermentacji metanowej, o hydraulicznym czasie zatrzymania 28 dni, zawierał 21,43% s.m., w tym 65,17% s.m.o. Drugi OPFM uzyskiwano również z mezofilowej fermentacji metanowej, przy czasie zatrzymania 22 dni, zawierał 27,4% s.m., w tym 59,50% s.m.o.

Próby osadów podgrzewano w reaktorze ciśnieniowym o pojemności 1000 ml pozwalającym na ogrzewanie osadów płaszczem grzejnym lub bezpośrednio parą wodną w temperaturze od 100-200°C przy ciśnieniu od 3 do 20 barów. W doświadczeniu osady ogrzewano do 100°C, po czym wyłączono grzanie.

W trakcie badań okazało się, że temperatura w reaktorze rośnie nadal (pomimo wyłączonego grzania), osiąga pewne maksimum, po czym spada. Dla prób z OPFM z oczyszczalni bez obróbki wstępnej osadu OW i ON, to maksimum wynosiło 180-200°C. Dla prób z OPFM pobranym z oczyszczalni w systemie CAMBI - stosującą wstępną obróbkę termiczną, temperatura po wyłączeniu grzania wzrastała jedynie do poziomu 120-140°C.

Dla utrzymania w procesie HTL założonej temperatury i czasu hydrolizy (korzystnie 2-4 godz.) reaktor ogrzewano. Próby osadu z dodatkiem wody, przed HTL „ciastowate”, po HTL upłynniały się z wydzielaniem się klarownej ciemnobrązowej warstwy nadosadowej w trakcie przechowywania. Roztwory hydrolizatów, po odwirowaniu zawiesiny klarowne, wykazywały ChZT od 42000-86000 mg O2/dm³. Roztwory uzyskanych hydrolizatów mogą być użyte do ponownej fermentacji metanowej z zawiesiną lub po jej odwirowaniu. Odwirowana zawiesina stanowi 30-40% objętości osadu użytego do HTL.

Otrzymywane próby hydrolizatów po HTL, w ilości 730-780 g zawierające od 12-18% s.m., po częściowym usunięciu amoniaku lub bez jego usuwania poddawano próbom na biogazowalność. Użyty do wytworzenia biogazu hydrolizat OPFM po HTL (po usunięciu nadmiaru amoniaku i fosforu)

PL235 915B1 daje biogaz o zawartości metanu od 64 do 75%. Brak usuwania N-NhL z hydrolizatów ogranicza produkcję biogazu.

Postępowanie przy usuwaniu nadmiaru azotu amonowego (N-NH4) i fosforu

Do wy studzonej próby zhydrolizowanego osadu, otrzymanego jak podano wyżej, dodawano NaOH lub KOH lub CaO i/lub MgO lub ich sole rozpuszczalne, w takich ilościach, aby uzyskać pH mieszaniny > 9.0, po czym odpędzono gazowy amoniak, przez ogrzewanie do wrzenia lub w niższej temperaturze pod zmniejszonym ciśnieniem. Amoniak gazowy absorbowano w wodzie lub roztworze kwasu siarkowego. Fosfor w postaci fosforanów wapnia lub magnezu wypadał z roztworu do osadu. Otrzymane, w różnych wariantach, roztwory hydrolizatów OPFM poddawano ocenie na przydatność do wytwarzania biogazu.

Otrzymane rezultaty badań z osadami po fermentacji metanowej uzyskane z oczyszczalni, gdzie nie prowadzono wstępnej obróbki OW i ON podano w tabeli 1.

Tabela 1

Próba nr.	Temp.fCJ/ czas igodz]	ChZT [mg Oj/dm'!	Ilość Nnh₄[mg/dm?/	PO₄[mg/dm³]	Ilość biogazu [Nm³/t s.m.o.1	Udział metanu [%1
18 mieszanina	180/2	60904	2052	31,7 w cieczy	216,08	58
19 mieszanina	170/4	62462	1764	33,5 w cieczy	193,94	63
23 ciecz	160/4	49269	1610	820	165,3 Nm³/t ChZT	63
23 mieszanina	79712	2350	169,2	64
24 ciecz	170/4	55247	1124	155	156,2	61
24 mieszanina	83400	2140	163,9	63

Dla hydrolizatów z osadów po fermentacji metanowej w systemie CAMBI wyniki badań na biogazowalność, przy użyciu 1000 cm³ inokulum, przy dodawaniu hydrolizatów i odbiorze pofermentu w trakcie fermentacji, podano w tabeli 2.

PL235 915B1

Tabela 2

Dzień ferme ntacji	Masa odebr ana Igi	Masa dodana [g]	Dobowa objętość BG [dm³]	Skład biogazu	pH
ch₄[v/v] f%]	CO₂[v/v] [%]	nh₃[ppm]	H₂S [ppm]
0	101,86	100,54	0,00			--	—
1	100,39	100,17	0,10	63,5	22,4	0	200
2	100,44	100,49	0,11	63,5	22,4	0	200
3	101,34	99,69	0,14	63,5	22,4	0	200
4	101,00	100,04	0,17	63,5	22,4	0	200
5	100,55	99,32	0,20	63,5	22,4	0	200
6	102,55	100,02	0,28	65,5	25,3	22	489
7	100,42	100,89	0,19	65,5	25,3	22	489
8	100,64	100,40	0,21	65,5	26,7	68	1167
9	100,19	99,93	0,24	65,5	26,7	68	1167
10	100,82	100,06	0,36	66,3	27,9	141	1861	7,45
11	100,80	100,36	0,24	66,3	27,9	141	1861
12	99,40	100,15	0,38	68,1	27,6	187	2196
13	101,03	100,42	0,52	68,1	27,6	187	2196
14	100,80	100,16	0,47	70,3	26,6	213	2354
15	101,36	99,84	0,55	70,6	25,3	76	943
16	100,25	101,89	0,59	72,2	25,2	117	1137
17	100,81	100,54	0,56	72,6	24,9	102	1015
18	100,32	100,11	0,62	73,1	24,6	102	950
19	100,61	100,22	0,60	73,6	24,6	82	855
20	100,28	100,00	0,53	74,0	24,8	76	730
21	100,66	99,87	0,65	73,3	24,9	68	691
22	—	—	0,42	72,1	26,0	58	705
23	—	—	0,45	72,1	25,5	53	601
24		—	0,30	73,6	24,8	33	264	7,64
25	—	—	0,30	73,6	24,8	33	264
26	—	—	0,15
27	—	—	0,09

Zastosowanie wynalazku

Wynalazek może być szczególnie korzystnie zastosowany w oczyszczalniach komunalnych stosujących fermentację metanową, gdyż zmniejsza ilość osadów, szczególnie suchej masy organicznej, i zwiększa ilość wytworzonego biogazu o większym udziale metanu (do 75%) oraz zmniejsza ilość biogenów (N-NhL i PO4) w odciekach po ponownej fermentacji metanowej. Odcieki te będą kierowane na początek procesu biologicznego oczyszczania ścieków. Jest to szczególnie korzystne w przypadku:

(a) instalacji, w której osady - OW i ON nie były poddawane wstępnej obróbce,

PL 235 915 B1 (b) oczyszczalni, gdzie OW i ON przed fermentacją metanową były poddane wstępnej obróbce termicznej w systemie CAMBI, oraz innych biogazowniach.

Korzystnie jest użyć oddestylowany amoniak do produkcji soli amonowych jak siarczan amonu, azotan amonu czy innych.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób postępowania z osadami po fermentacji metanowej, zwłaszcza z oczyszczalni ścieków, mający na celu zmniejszenie ilości osadów oraz dodatkową produkcję biogazu, znamienny tym, że

- uzyskany zagęszczony osad pofermentacyjny (OPFM) pozyskany z oczyszczalni ścieków albo innej biogazowi ogrzany pośrednio lub bezpośrednio żywą parą wodną, podgrzany do temp. 85-100°C ogrzewa się samorzutnie dalej dochodząc do temperatury około 200°C i ciśnienia do 20 barów, przy czym wydziela się CO2, poddaje się hydrotermalnej lizie (HTL), w nadciśnieniu od 2-20 barów, w temperaturze od 100-200°C, w czasie 1-8 godzin, w wyniku czego powstaje płynny hydrolizat,

- po czym po zmniejszeniu ilości azotu amonowego i zmniejszeniu ilości fosforanów rozpuszczonych w tym hydrolizacie, hydrolizat ten poddaje się ponownej fermentacji metanowej,

- w wyniku czego uzyskuje się dodatkową produkcję biogazu i zmniejszoną ilość osadu pofermentacyjnego oraz zmniejsza się ilość biogenów azotu i fosforu w odciekach, przy zagęszczaniu pofermentu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces prowadzi się dwu- albo wielokrotnie.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że hydrotermalną lizę prowadzi się korzystnie w nadciśnieniu 4-6 barów, w temperaturze od 120-160°C, w czasie 2-4 godzin.
4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że do uzyskanego, gorącego lub schłodzonego, hydrolizatu OPFM uzyskanego poprzez HTL, dodaje się wodorotlenek sodu lub potasu, lub tlenek wapnia lub/i magnezu lub ich rozpuszczalnych soli, w zawiesinie wodnej, po czym oddestylowuje się nadmiar amoniaku pod ciśnieniem normalnym lub pod zmniejszonym ciśnieniem, a rozpuszczone fosforany przechodzą w nierozpuszczalne fosforany wapnia lub/i magnezu i pozostają w osadzie pofermentacyjnym.
5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4 , znamienny tym, że hydrolizat OPFM uzyskany po HTL poddaje się ponownej fermentacji metanowej, uzyskuje się dodatkową produkcję biogazu dochodzącą do 30% i zmniejszoną ilość osadów po zagęszczeniu pofermentu w znany sposób z użyciem polielektrolitów.