Univerzitet u Novom SaduPrirodno-matematički fakultetPrirodno matematički fakultetDepartman za hemiju, biohemiju i zaštitu životne sredineUdruženje za unapređenje zaštite životne sredine „Novi Sad“Fondacija "Docent dr Milena Dalmacija"

Anaerobni tretman muljeva nastalih uAnaerobni tretman muljeva nastalih u procesu prečišćavanja otpadnih voda

Marko Grgić

Novi Sad 23-25. septembar, 2015.

Biohemija i mikrobiologija anaerobne digestijeBiohemija i mikrobiologija anaerobne digestije

Biodegradabilne materije

11

Proteini, ugljeni hidrati Lipidi

11

Volatilne kiseline Amino kiseline i jednostvni šećeri

Masne kiseline dugih lanaca

1 1

Sirćetna kiselina H2 i CO2

2 23

CH4 i CO2

4 4

Legenda:g

1 – hidroliza

2 – acidogeneza

3 – acetogeneza

4 – metanogeneza

Parametri relevantni za proces anaerobne digestijeParametri Optimalni opseg Granični opsegpH 6,8 - 7,4 6,3 - 7,9Oksido-redukcioni potencijal (mV) - 520 do - 530 - 490 do - 550Volatilne kiseline (mmol/l) 0,8 - 8,0 > 35Alkalitet (mg/l kao CaCO3) 1300 - 3000 1000 - 5000Organsko opterećanje (kao OM)Organsko opterećanje (kao OM) - mezofilna digestija (kg/m3/dan)- termofilna digestija (kg/m3/dan) 0,8 - 2,01,5 - 5,0 0,4 - 6,41,0 - 7,5Temperatura- mezofilna digestija (°C) 32 - 37 20 - 42mezofilna digestija ( C)- termofilna digestija (°C) 50 - 56 45 - 65Hidrauličko vreme zadržavanja (dan) 12 - 18 7 - 30Sasatav biogasa- metan ( % vol) 65 - 70 60 - 75- metan ( % vol)- ugljen-dioksid (% vol) 30 - 35 25 - 40

Konvencionalna mezofilna digestijag j

S f b h k h l d•Sve faze biohemijskih procesa se javljaju u istom sudu •Digestija se izvodi na mezofilnim temperaturama (32 do 37°C)

Šema konvencijalnog mezofilnog digestora

Napredni procesi digestije

•Uključuju modifikacije konvencionalnih konfiguracija u cilju•Uključuju modifikacije konvencionalnih konfiguracija u cilju1. postizanja potpunije digestije, 2. promovisanja smanjenje patogena, i 3 poboljšavanja rada digestije3. poboljšavanja rada digestije

Šemaski prikaz digestora sa dva stepena (kiselo/gasna digestija)

Predtretman

•Tretman ultrazvukom (sonifikacija) koristi se za kondicioniranje aktivnog mulja otpadnih voda pre digestije, sa ciljem poboljšanja same digestije i redukcije volatilne čvrste materije i smanjenja stvaranje pene. •Pasterizacija uključuje grejanje čvrste supstance na temperaturu od 70°C ili višu radi uništavanja patogena. •Homogenizacija. je višestepen proces kojim se razara ćelijski zid bakterije u cilju promocije VSR tokom anaerobne digestije.

•Termalna hidroliza. Procesi termalne hidrolize su dizajnirani za t t d 150 d 220°C i iti i k 1380 kP R k itemperature od 150 do 220°C i pritiscima oko 1380 kPa. Reakciono vreme varira od 20 do 30 minuta. Broj procesa termalne hidrolize koji su na raspolaganju, u zavisnosti od sistema, mogu da se koristite za ugušćavanje ili sušenje muljaili sušenje mulja.

•Oksidacija vlažnim vazduhom je vrsta termalne hidrolize u kojoj je kiseonik (u obliku vazduha ili čistog kiseonika) dodat u materiju za digestiju pre zagrevanja i tretmana. g j

Digestija pri visokoj koncentraciji suve materije

•Anaerobna digestija se obično koristi za mulj sa koncentracijom suveAnaerobna digestija se obično koristi za mulj sa koncentracijom suve materije od 3 do 5%. •Međutim, ovaj proces se takođe može koristiti za muljeve sa koncentracijom j p j jsuve materije od 7 do 8%. •Sve komponente sistema za digestiju treba da budu dizajnirane da podrže proces za muljeve visokih koncentracija suve materije.

Postrojenja i oprema za digestiju

Cilindrični digestor Digestor za rezrvoarom za gas na vrhu

Jajoliki digestor Digestor u obliku više ugaone zarubljene kupe

Imhoff tankovi Lagunski sistemi za digestiju

Sekundarni digestori

•Sekundaran digestor koji se ne greje moze posluziti u sledece svrhe:Sekundaran digestor koji se ne greje moze posluziti u sledece svrhe: •kao mesto za skladištenje digestiranih muljeva, •kao pasivni primarni rezervoar i •kao izvor mulja. j

•Pored toga, na instalacijama gde se digestor dekantuje radi povecanja koncentracija čvrste faze, sekundarni digestor može da se koristi kao miran bazen za supernatant.•Iz razloga sto je jedna od namena sekundarnih digestora i kao mesto skladistenja, oni obicno imaju plutajuce ili membranske pokrivače da omoguće ispuštanje

Pokrivači digestora

Mešanje digestora

b šDigestija bez mešanja

•sadržaj ovih digestora je slojevit, i di t i liči ti ič d ž j d 30 d 60 d•ovi digestori su veličine za tipično vremena zadržavanja od 30 do 60 dana,•varenje je obično ograničeno na mala postrojenja koja tretiraju manje od 3,8 m3 mulja /hDigestija sa mešnjem

•Stabilna i uniformna sredina stvorena mesanjem promovise visok nivo digestije i omogucava koriscenje vecih stopa ispuštanja u odnosu na niže ili standardne nivoe digestije.nivoe digestije.

Efektivno mesanje pruza sledece pogodnosti: •distribuciju čvrstih čestica širom digestora, •razbijanje čvrstih materija u cilju maksimalnog kontakta sa mikroorganizmimamikroorganizmima, •prevenciju termičke stratifikacije, •smanjenje gomilanje skrame, •smanjenje gomilanje istaloženog materijala na podu digestora,j j g j g j p g ,•razređivanje inhibitora digestije, kao što su toksičan material, nepovoljna pH ili temperatura, •poboljšana odvajanje gasa za preradu iz digestirane tečnosti.p j j j g p g

Sistem mešanja pomoću pumpi Sistem za mešanje radnim kolom

Si t š j id k lj Si t š j ć b bblSistem za mešanje u vidu koplja Sistem mešanja pomoću bubble gun sistema

Grejanje digestora

Prikaz sistema unutrašnjeg prenosa toplote Prikaz sistema spoljašnjeg prenosa toplote

Produkti anaerobne digestije

BIOGASSastav gasa zavisi odSastav gasa zavisi od •sastava polaznog supstrata, •efektivno prisutne mikroflore i •uslova radauslova rada

•pH, •temperature, •razblaženja, Biogasj ,•mešanja, •načina vođenja procesa Parametar CH4 CO2 H2 H2S 60% CH4+40%

CO2

Vol % u biogasu 55-70 27-44 1 3 100

Donja toplotna vrednost / 3 35,8 - 10,8 22,8 21,5

(MJ/m3)35,8 10,8 22,8 21,5

Granice zapaljivosti, vol % u vazduhu

5-15 - 4-80 4-45 6-12

Temperatura palenja(°C)

650-750 - 585 - 650-750

Kritični pritisak (bar) 47 75 13 89 75-89

Kritična temperatura (°C)

-82,5 31 - 100 -82,5

Gustina u normalnim uslovima 0 72 1 98 0 09 1 54 1 20

(g/l)0,72 1,98 0,09 1,54 1,20

Gustina pod kritičnim uslovima (g/l)

162 468 31 349 320

Gustina u odnosu na vazduh (g/l)

0,55 2,5 0,07 1,2 0,83

Rukovanje gasom

•Teorija proizvodnje gasa. Gas iz digestora, biogas, se formira u poslednjoj fazi digestije, kada mikroorganizmi konvertuju organske kiseline u •ugljen-dioksid (CO2), •metan (CH4) i •vodu

•Karakteristike digestiranog gasa. generisani biogas u anaerobnom procesu varenja se prvenstveno sastoji od •metana (60 do 65%) i ( )•ugljen dioksida ( 35 do 40%)•necistoce,

•pena, •talog, •vodonik-sulfid (H2S),•siloksani i•vlaga

Upotreba gasa

• Gas iz digestora je vredno gorivo koje se tradicionalno koristi za• zagrevanje kotlova za proizvodnju pare ili za produkciju tople vode zaprocese i grejanje, • rad turbina za sagorevanje ili generatore motora za proizvodnjuelektrične energije, • operativnost sušilice u objektima za uklanjanje vlage iz čvrstihp j j j gmaterija

Tretman gasa.Pre nego sto se gas iz digestije koristi kao izvor energije, on ce morati da budu tretiran u cilju uklanjanja •siloksana•vlage•taloga•vodonik-sulfida•pene i nanosa

Anaerobno stabilisani mulj - digestat

Anaerobno stabilisani mulj predstavlja kompleksan matriks različitih hemijskih jedinjenja iz kog se može dobiti energija koji sadrži različite organske materijejedinjenja, iz kog se može dobiti energija, koji sadrži različite organske materije, teške metale, nutrijente, izvore ugljenika itd., što svakako zavisi od sastava tretiranog otpada. •Energetska vrednost. •Mikrobiološki kvalitet. Klase A, B i EQ•Hemijski kvalitetj•Agronomska vrednost•Estetski kvalitet

Poststabilizacija anaerobno stabilisanog mulja

b l b b l l k čoPoststabilizacija anaerobno stabilisanog mulja sa krečom•dodatak kreča u tečan mulj bez uklanjanja vlage (″slurry-liming″), d d t k k č kl j j l (″ li i ″)•dodatak kreča pre procesa uklanjanja vlage (″pre-liming″), •dodatak kreča u formiran kolač (″post-liming″)

oDezinfekcioni aspekti hemijske stabilizacije

Primena anaerobno stabilisanog mulja u poljoprivrediDa bi se ostvarila primena potrebno je voditi računa o nekoliko parametara:•prirodi zemljišta,•klimatskim uslovima,•potrebama biljaka i•vremenu upotrebe đubriva.

Anaerobno stabilisani mulj i stabilisani anaerobni mulj sa krečom generalno karakteriše visok sadržaj kih•organskih, •azotnih i •fosfornih materija

Rad digestora

Lokacija uzorka

Parametar Jedinica Test metoda Ciljana vrednost

Lokacija uzorka

Ulazni mulj Recirkulacioni mulj ili digestirani mulja

Tempreatura oC Mertička 32-38 oC - X

Isparljive kiseline mg/l 5560C 50-330 - X

Alkalitet mg/l 2320 1500-5000 X X

Odnos VA/ALK - Kalkula-torna 0,1 do 0,2 N/A N/A

pH Metrička 6 8 7 2 X XpH - Metrička 6,8-7,2 X X

Ukupna čvrsta materija % 2540B Evidentirati X X

Isparljiva čvrstaIsparljiva čvrsta materija % 2540E Evidentirati X X

Protok l Metrička Evidentirati X X

Produkcija gasa Cfd Metrička8,06 do 10,75 m3/kg digestovane čvrste

supstanceGasni sistem

Sastav gasa (CO2) % Analiza gasa Manje od 35% CO2 Gasni sistem

Raspored dodavanja i povlačenja mulja

Opterećenje digestora.Dva kriterijuma mogu odrediti kapacitet digestora da procesira materiju pravilno: (1) retencija za čvrstu materiju; (2) nivo ispuštanja isparljivih čvrstih supstanci(2) nivo ispuštanja isparljivih čvrstih supstanci. Ispumpavanje muljaTreba uklanjati mulj najmanje dnevno da se izbegne

•nagli pad aktivne populacije mikroorganizama, •narusavanje odnosa VA/ALK digestora koji ce uticati na puferskinarusavanje odnosa VA/ALK digestora, koji ce uticati na puferski kapacitet.

Č l d h l kČvrste materije se mogu povuci iz sledecih lokacija: 1. donji deo digestora; 2. prelivna struktura; i3 bil k j t čk t di t d b i š j3. bilo koja tačka unutar digestora sa dobrim mešanjem.

Praćenje i testiranje

• Kontrola anaerobne digestija se zasniva na uzorcima prikupljenim iz tri tačkeprocesa digestije: (1) ulaznog mulja; (2) recirkulisanog mulja, i(2) recirkulisanog mulja, i(3) digestije čvrste materije. Sl d k l l k d š k č• Sledece smernice za prikupljanje i analizu uzoraka su od suštinskog značaja zadobijanje validnih rezultata:

• uzorak mora biti reprezentativan;• pH analiza mora biti izvršena odmah da bi se izbeglo odstupanje u pH zbog gubitka ugljen-dioksida;• uzorkovanje u svim digestorima mora biti brzom sukcesije;uzorkovanje u svim digestorima mora biti brzom sukcesije;• svi kontejneri za uzorkovanje moraju biti temeljno ocisceni pre i posle upotrebe; i• ako uzorak nije odmah analiziran, onda mora biti konzervisan.

Parametar Optimum vrednosti

Gornjagranica

DonjagranicaTemperatura 30 do 38°C 55 do 60°C 10°CpH 6,8 do 7,2 8,0 6,0Alkalitet 1500 do 5000 mg/lIsparljive kiseline 50 do 300 mg/lVA/ALK 0,1 do 0,2V / 0, do 0,

Problemi digestije i strategija konrole

Četiri osnovna uzroka problema digestora su:Četiri osnovna uzroka problema digestora su:1. hidraulicno preopterecenje, 2 organsko preopterecenje2. organsko preopterecenje, 3. temperaturni stres, i 4. preopterecenja toksičnim supstancama. U slucaju problema u digestoru e ikasna strategija kontrole obuhvata sledece korake:

•zaustaviti ili smanjiti prinosa čvrste hrane,•odrediti uzrok neravnoteže,•ispraviti uzrok neravnoteže, i•obezbediti kontrolu pH dok se tretman ne vrati u normalu.

TemperaturaTemperaturni stres uzrokovan promenom temperature u digestoru vecoj od 1 ili 2°C j d 10 d j j bi l šk k i ik i2°C za manje od 10 dana, smanjuje biološku aktivnost mikroorganizama metano-formera.Kontrola toksičnostiKontrola toksičnostiAnaerobni proces je osetljiv na određena jedinjenja, kao što su

•sulfidi•sulfidi, •isparljive kiseline, •teški metala, •kalcijumkalcijum, •natrijum, •kalijum, •rastvoren kiseonik,rastvoren kiseonik, •amonijak, i •hlorovana organska jedinjenja.

Koncentracija (mg/l)

Polutant

Koncentracija (mg/l)

Stimulaciona Umereno inibirajući Izrazito inhibirajuća

Amonijak 50-200 1500-3000 >3000Kalcijum 100-200 2500-4500 8000

Magnezijum 75-150 1000-1500 3000Kalijum 200-400 2500-4500 12000

Natrijum 100 200 3500 5500 8000Natrijum 100-200 3500-5500 8000Bakar 0,5Cink 1

Hrom 6+ 3Nikal 2

pH kontrolapH kontrolaHemikalije koje se koriste za podešavanje pH uključuju:podešavanje pH uključuju:•kreč, •natrijum-bikarbonat,natrijum bikarbonat, •natrijum-karbonat, •natrijum-hidroksid, •amonijum-hidroksid, i j ,•gasovit amonijak

HVALA NA ŽVREMENU I PAŽNjI!!!