Биогаз от пречиствателни станции

Подобно на сметищния газ биогазът, получен при третиране на отпадъчни води, може да се използва за генериране на топлина и електричество. Открива се опция битовите отпадни води да се разглеждат не като проблем, а като ресурс. Утайките от градските пречиствателните станции са богати на органични вещества и след излизането им от пречиствателния процес могат да изиграят ролята на алтернативен източник на енергия. При използване на подходящите технологии те се превръщат в биогаз, който прави пречиствателната станция по-стабилна от икономическа, енергийна и екологична гледна точка. Това е добра възможност за общините да покрият част от разходите за дейности по третиране на отпадни води и утайки.

Биологичното пречистване с използване на активни утайки е ключов процес в дейността на всяка селищна пречиствателна станция за битови отпадни води. Освен пречистена вода, като резултат от дейността на пречиствателната станция се образуват и отпадъци – излезлите от процеса утайки. Тъй като представляват активна биологична маса, те са потенциален източник на неприятни миризми и патогенни микроорганизми. Това налага задължителното им третиране, стабилизиране, оползотворяване или комбинация от тях.

Утайки - по-добре ресурс, отколкото отпадък
Често допълнителната обработка на утайките изисква по-големи капиталовложения, отколкото процесите на пречистване на водата. Тази обработка може да включва разнообразни дейности като аеробна стабилизация, топлинно третиране, биотермично разлагане, обезводняване и пресоване, унищожаване на гнилостните микроорганизми с пастьоризиране, химично третиране, депониране и други. Изброените дейности изискват влагане на средства за оборудване и експлоатационни разходи. В тях утайките се третират като отпадък.

Съществуват и варианти, в които утайките играят ролята на енергиен ресурс и се оползотворяват като такъв. Един от тях е директното им изгаряне като гориво или стабилизиране и изсушаване в брикети. Това обаче е приложимо само за утайки с високо съдържание на органично вещество. По-широко приложим процес за градските пречиствателни станции е оползотворяването на утайките в анаеробна метанова ферментация, в резултат от която се получава биогаз. Горивото е с предвидимо и постоянно количество, често е с високо качество, а за по-ефективно му използване може да се включи в когенерация на електрическа и топлинна енергия (CHP) на място. Тя може да се използва за нуждите на станцията, на други близки обекти и на населени места. Според научни доклади енергията, съдържаща се в отпадните води е десет пъти повече от необходимата за третирането им.

Така производството на биогаз от ненужните утайки може не само да покрие част от консумацията на енергия от пречиствателната станция, но дори и да донесе печалба. Ето защо учени от БАН предлагат схемата с производство на биогаз да бъде включена в проектите за изграждане на нови и модернизиране на съществуващи селищни пречиствателни станции, които ще са над 350 до края на 2014г. До момента в България само две пречиствателни станции за битови отпадни води са включили в дейността си производство на биогаз от утайки - софийската пречиствателна станция при село Кубратово и тази в Горна Оряховица. Всички останали могат да се разглеждат като неизползван възобновяем източник на енергия.

Производство на биогаз от утайки в пречиствателни станции
Биогаз се образува в резултат на разлагане на органична материя под въздействие на различни микроорганизми при строги анаеробни условия (в отсъствие на кислород). Този процес е известен като гниене, ферментация или разлагане и е доста сложен. Състои се от четири етапа – хидролиза, киселинообразуване, ацетатобразуване и метаногенеза (метанообразуване). Хидролизата подготвя утайката за следващите етапи. Тя разрушава сложните връзки на полизахаридите, липидите и белтъците, превръщайки ги в по-прости съединения, разтворими във вода. Този процес протича достатъчно интензивно при голямо съдържание на вода. Сухият остатък трябва да е до 14%, ако е повече интензивността на хидролизата намалява. Във втория етап на киселинообразуване формираните преди това аминокислеини, мастни киселини и гликоза се преработват до по-прости съединения – киселини, алкохоли, СО2 и Н2. Образуването на тези съединения зависи от състава на първоначалната биомаса и следователно сумата и състава на произведения биогаз варира в зависимост от преработените материали. Основното на този процес е, че се образуват вещества с ниско молекулно тегло. В третия етап – ацетатообразуване, става преобразуване на киселините и алкохола в ацетат, водород и въглероден диоксид. В последната, четвърта фаза протичат два процеса на метанообразуване - ацетатът се разлага до метан (CH4), въглероден диоксид и вода, а въглеродният диоксид се редуцира от водорода до метан и вода.

Описаните по-горе процеси се извършва в метан-танкове, наричани още изгниватели или анаеробни биореактори. Произведеният биогаз се пречиства и съхранява в съдържатели за газ. Остатъкът след метанообразуването, който представлява отпадък от метан-танковете, се отделя и може да се оползотвори като подобрител на почвата в селското стопанство, при спазване на изискванията на Наредбата за оползотворяване на утайки от пречиствателните станции за нуждите на земеделието.

Качество на полученото гориво
Биогазът представлява смес от газове. В зависимост от състава на утайката и условията за протичане на метан ферментацията, съставът на биогаза се изменя по отношение на пропорциите на съставящите го газове. Обикновено биогазът съдържа 50-75% метан, 25-50% въглероден диоксид, 0-10% азот, 0-1% водород, 0-3% сероводород и 0-2% кислород. Полученият биогаз представлява калоричен горивен газ с добра енергийна стойност. За сравнение, тъй като метанът съставлява около 2/3 от биогаза и над 80-95% от природния газ, енергийната стойност (специфична топлина на изгаряне) на биогаза е 60-70% от тази на природния газ или около 7000kcal/m3, което никак не е малко за алтернативно гориво. Освен това 1m3 биогаз е еквивалентен на 0,7kg мазут и 1,5kg дърва за огрев. Казано по друг начин, енергийната стойност на биогаза е 4,5-7,5kWh/m3, на брикетите - 5,5kWh/kg , а на природния газ – 8,3kWh/m3.

Производство на електро- и топлоенергия чрез биогаз в пречиствателни станции
За схемите с производство на биогаз в селищните пречиствателни станции за битови отпадни води се препоръчва включване на полученото гориво на място в когенерационни системи, които произвеждат едновременно топло- и електроенергия. Основното предимство на когенерационната технология е, че има висок коефициент на ефективност в производството на двете форми на енергия при значителна икономия на гориво (около 40%) в сравнение с отделното производство на електричество и топлина. Това оказва значителен положителен ефект върху икономическия и екологичния профил на производството на енергия, както и на пречиствателната станция като цяло.

Основно гориво за когенерационни системи е природния газ. Напоследък обаче се разработиха и се предлагат достатъчно оборудвания, които работят с биогаз, сметищен газ, газ от пречиствателни станции или друг вид алтернативно гориво, например метан. Когенерационните системи на биогаз се построяват в близост до метантанковете и съдържателите на биогаз в пречиствателните станции. Тъй като биогаза се получава като страничен продукт при преработката на органични отпадъци, експлоатацията на когенерационни централи, работещи на това гориво е много печеливша от икономическа гледна точка.

Има различни видове когенерационни системи и всеки от тях си има своите предимства и предизвикателства. За сега най-широко разпространени са пет вида – с използване на газови турбини, микротурбини, парни турбини, бутални двигатели и горивни клетки. Използването на Стирлинг двигатели също се очертава като алтернатива, но все още сравнително нова и не добре изпитана.

Електрическата енергия, произведена от когенерационното оборудване, се използва за нуждите на пречиствателната станция или се включва в електроразпределителната мрежа. Топлоенергията пък се използва за отопление на сгради, за подготовка на топла вода за битови нужди или за технологични цели. Има и вариант за включване на тригенерационна система. При нея с използване на абсорбционен охладител топлината, произведена от когенерационната инсталация, може да се преобразува в трети вид енергия – охлаждащ флуид за технологични цели и за нуждите на климатизацията.

За условията на нашите пречиствателни станции специалисти споделят, че прилагането на схемата с производство на биогаз и СНР може да се затрудни от сравнително малкото органично съдържание на утайките, поради вливането на уличната канализация в общия отпаден поток. В такъв случай се препоръчва пренасочване към пречиствателната станция за битови отпадни води на допълнителни количества органични отпадъци, което ще увеличи органичното съдържание на утайките и ще доведе до желаната ефективност. Такива допълнителни потоци могат да дойдат например от близко разположени селскостопански обекти или от обекти на хранително-вкусовата промишленост. Така енергийният потенциал може да достигне нива дори за генериране на енергия за продажба към мрежата. Подобно решение води до големи ползи за общините и производствата в близост до пречиствателната станция. Ползите са предимно икономически – използване на алтернативен ресурс като източник на енергия и съкращаване на разходите, но също и екологични – намаляване на обема на отпадъците и улавяне на биогаза.

Правилно подбраното когенерационно оборудване ще позволи съкращаване на разходите за енергия, а в случаите на продажба на електроенергия в мрежата дори ще доведе до приходи за пречиствателната станция. В условията на скъпи горива и електричество общините търсят алтернативни методи за постигане на енергийна ефективност и независимост. Идеите, технологиите и инсталациите за получаване на биогаз, а след това и на електро- и топлоенергия, чрез оползотворяване на утайките от пречиствателните станции са едно възможно решение в тази посока.

Предизвикателства пред анаеробното разлагане и СНР в ПСОВ
Съвместното използване на анаеробно разлагане за производство на биогаз и когенерация за употреба на биогаза в производство на топло- и електроенергия водят до редица предизвикателства пред дейността на пречиствателната станция. Успешното производство, улавяне и оползотворяване на биогаз е технически сложна задача, която се нуждае от постоянно наблюдение и контрол. Затова съвременните пречиствателни станции трябва да разполагат с автоматични мониторингови системи, чрез които операторите да следят основните параметри и да контролират процесите. В анаеробните биореактори се следят много стриктно температурата и алкалната реакция на средата, защото бактериите са много чувствителни към тях. Важни са също така количеството утайка, водното съдържание, възрастта и жизнеността на микробните популации. Ако се излезе извън оптималните граници на параметрите, може да настъпи измиране на бактериите и последващо прекратяване на производството на метан. В такива случаи се образуват много вредните газове въглероден диоксид и миризлив сероводород. Това ще наруши не само производството на гориво, но и ще доведе до отделяне на неприятни миризми – друго основно предизвикателство пред анаеробното разлагане.

Следващ критичен фактор в съвместното протичане на биогазово производство и СНР на място в пречиствателната станция е правилното улавяне на биогаза (за да няма загуби и замърсяване на средата), неговото пречистване и сигурно съхраняване. Пречистването на биогаза е съществен етап, тъй като примеси в него, като вода, сероводород, хлор и силициеви въглеводороди могат да нарушат когенерацията. Някои СНР системи са много чувствителни към нивото на пречистване на биогаза. Микротурбините например могат да се увредят от остатъци на силициеви въглеводороди в горивото. Парните турбини пък изискват по-слабо пречистване на биогаза, тъй като парата е само посредник в процеса. Дизайна на когенерационната система и нивото на пречистване на горивото се решават още на етап проектиране и когато това се прави от експерти, описаните предизвикателства са лесно преодолими. По време на експлоатацията системата за контрол и операторските умения са от критична важност за успешната дейност на биогазовата инсталация, инсталацията за СНР и пречиствателната станция като цяло.