Fermentacja metanowa

Fermentacja metanowa to proces biochemiczny, który zachodzi w warunkach beztlenowych, a wysoko cząsteczkowe substancje organiczne zawarte w osadach rozkładane są przez bakterie metanowe, które fermentują kwasy tłuszczowe (mrówkowy, octowy, propionowy, masłowy, walerianowy, kapronowy) wyższe kwasy tłuszczowe alkohole I rzędowe ( metanol, etanol), alkohole II rzędowe i inne związki jak np. kwas bursztynowy, benzoesowy, aceton, a także wykorzystują tlenek węgla, dwutlenek węgla, wodór gazowy, w wyniku fermentacji tych substratów powstaje zawsze jako jeden z głównych produktów metan, a oprócz tego dwutlenek węgla i inne związki będące wynikiem niepełnego utlenienia niektórych kwasów organicznych, niekiedy dla przeprowadzenia całkowitego rozkładu substratów potrzebne jest współdziałanie kilku gatunków bakterii metanowych i nie metanowych. Bakterie metanowe w warunkach naturalnych bywają zwykle fakultatywnymi beztlenowymi fermentującymi cukry i wielocukry, w bagnach, w żołądkach przeżuwaczy, w ściekach wyzyskują tu alkohole, kwasy tłuszczowe, dwutlenek węgla i wodór tworzące się w wyniku fermentującego rozkładu celulozy lub innych złożonych węglowodorów zamieniając je w metan często jest zbierany i wykorzystywany do ogrzewania pomieszczeń.

Fermentacja metanowa jest także przeprowadzana przez drobnoustroje, które nie mogą wykorzystywać w procesach dysymilacyjnych węglowodanów i aminokwasów najbardziej powszechnych źródeł węgla i energii.

Podczas fermentacji metanowej osadu rozróżniamy proces upłynnienia substancji stałych organicznych- gazyfikacja. Procesy fermentacji stosuje się w oczyszczalniach o dowolnej wielkości dla osadu wstępnego jak również dla osadu zmieszanego z osadem wtórnym. Proces fermentacji przebiega prawidłowo w osadach organicznych pochodzących ze ścieków socjalno-bytowych jak również z przemysłu spożywczego. Procesy fermentacji mogą być stosowane w przypadku innych ścieków lub osadów pod warunkiem ze nie zawierają one substancji toksycznych lub związków hamujących proces biochemicznego rozkładu zanieczyszczeń.

Procesy fermentacji przebiegają w dwóch etapach:
a) FERMENTACJA KWAŚNA – w procesie fermentacji kwaśnej bakterie rozkładają związki węgla do dwutlenku węgla a proces ten zbliżony jest do I fazy rozkładu zanieczyszczeń w warunkach tlenowych. Potrzebny tlen bakterie uzyskują z rozszczepiania innych związków oraz wody, wskutek czego uwalniany zostaje wodór. Produktami rozkładu są także gazy: CO2, wodór, nieznaczne ilości metanu i H2S. Poza tym przy rozszczepieniu tłuszczów zostają uwalniane kwasy organiczne takie jak: CH 3COOH, kwas masłowy, a powstanie ich uzasadnia określenie tego etapu fermentacją kwaśną. W procesie fermentacji kwaśnej rozkładane są głównie węglowodany a nie związki azotowe. Przy rozwijającej się później fermentacji metanowej rozkładane są również zw. azotowe. Przejściowym produktem tego rozkładu jest amoniak.

b) FERMENTACJA METANOWA – po zajściu procesu fermentacji kwaśnej następuje fermentacja metanowa. Jest to proces, w którym rozkładają się wolne kwasy tłuszczowe powstałe w poprzednim okresie, a odczyn zaczyna być bardziej zasadowy. Wskutek rozkładu kwasów tłuszczowych do: CO2 i metanu, ilość metanu wzrasta, bo uwolniony poprzednio wodór tworzy z węglem metan. Gaz z fermentacji zawiera wówczas metan i CO2.

Fermentacja metanowa nadaje się jedynie do unieszkodliwiania osadów ściekowych oraz oczyszczania wyłącznie bardzo stężonych ścieków przemysłu organicznego. W porównaniu z tlenowymi metodami oczyszczania ścieków, proces ich fermentacji posiada następujące zalety:
1. Nie wymaga kosztownego napowietrzania,
2. Jedynie 2 6% usuwanego ChZT (zamiast 30 do 60%) przekształca się w osad nadmierny,
3. Uzyskuje się od 300 do 400 m3 biogazu z jednej tony usuwanego ChZT.
Coraz lepsza znajomość mikrobiologicznych, biochemicznych i termodynamicznych podstaw fermentacji metanowej owocuje praktycznie zwiększeniem wydajności procesu oraz znacznym rozszerzeniem rodzajów wykorzystywanych substratów organicznych. Obok tradycyjnych substratów (ścieki przemysłu spożywczego, papierniczego), coraz częściej prowadzi się beztlenową biodegradację fenoli, substancji powierzchniowo czynnych, a nawet produktów petrochemicznych. Aktualnie jedynie nienasycone węglowodory, eter, lignina i niektóre tworzywa sztuczne nie ulegają w ogóle lub bardzo powoli biodegradacji w warunkach beztlenowych.

Rozpowszechnienie metod beztlenowego oczyszczania ścieków wiąże się przede wszystkim z rozwiązaniem problemu wolnego czasu namnażania się bakterii prowadzących ten proces. Szczególnie dotyczy to bakterii metanogennych, odpowiedzialnych za ostatni najważniejszy etap fermentacji ścieków. Częściowo rozwiązano ten problem przez technologiczne wyodrębnienie dwu zasadniczych etapów fermentacji. Pierwszy etap obejmuje szybkie fazy hydrolizy, acido- i acetogenne, a drugi fazę metanową. To rozwiązanie pozwoliło także na zmniejszenie zagrożenia stabilności procesu wynikającego z nagromadzenia produktów pierwszych faz, co wpływa hamująco na fazę ostatnią. Lecz największy postęp wynikał ze skutecznego uzyskania populacji drobnoustrojów o dobrych własnościach sedymentacyjnych, bądź dzięki uzyskaniu ich granulkowatej formy lub też zastosowania nośników do immobilizacji drobnoustrojów, (co pozwoliło na znaczne zwiększenie ich stężenia w bioreaktorze i uniezależnienie efektywności procesu od czasu generacji drobnoustrojów). Opanowano także technikę uzyskiwania aktywnej biocenozy drogą prostej selekcji poprzez kolejne procesy porcjowe. Ciągle jednak pewnym ograniczeniem powszechnego stosowania fermentacji ścieków jest jego duża wrażliwość na wahania czynników środowiskowych np. temperatury.

Szczególnym rodzajem reaktora do prowadzenia fermentacji metanowej ścieków jest reaktor UASB. Składa się on z dwóch części – przepływowej i sedymentacyjno-rozdzielczej (rys. 1).

Ścieki w reaktorze UASB przepływają z dołu do góry. W części przepływowej znajduje się w stanie fluidalnym beztlenowy osad czynny. Część górna służy do oddzielania zawiesin beztlenowego osadu czynnego oraz wydzielającego się biogazu.

W wydzielonych komorach fermentacji (WKF-ach) proces fermentacji metanowej odbywa się pod stałą kontrolą. Do podstawowych operacji technologicznych w WKF-ach należy okresowe mieszanie zawartości komory oraz ogrzewanie osadów poddawanych fermentacji.
Celem mieszania w WKF-ach jest niedopuszczanie do rozwarstwiania się fermentacyjnych osadów, przyśpieszenie wydzielania się biogazu oraz zapewnienie stałej temperatury w reaktorze. Rozróżniamy trzy podstawowe sposoby mieszania zawartości komór: mechaniczne, hydrauliczne i sprężanego biogazem.

WKF-y mogą być podgrzewane za pomocą wymienników znajdujących się wewnątrz komór fermentacyjnych, z zastosowaniem dozowania pary technologicznej do komory, lub wymienników znajdujących się poza reaktorem. Ze względów użytkowanych ten trzeci system znalazł największe zastosowanie
w oczyszczalniach ścieków.

Koszty inwestycyjne instalacji do fermentacji mezofilnej osadów w WKF-ach i energetycznego wykorzystania biogazu są wysokie. Budowa instalacji do beztlenowej mezofilnej stabilizacji osadów ściekowych jest ekonomicznie uzasadniona w przypadku oczyszczalni przyjmujących ładunek zanieczyszczeń organicznych pochodzący od więcej niż 20 000 MR. W każdym innym przypadku przed podjęciem decyzji inwestycyjnych należy wykonać rachunek ekonomiczny przedsięwzięcia.

Cała praca w załączniku.