Az anaerob fermentáció sebességének felgyorsítása mechanikus sejtroncsolással Dr. Németh Zsolt×, Takács Beáta× Kiss Gábor××, Kovács Péter (xxx) , Varga Tibor (xxx) ×Euro-Open Kft., Zalaegerszeg 8900 Kosztolányi u 2. ××Vasivíz Zrt., 9700 Szombathely, Újvilág u. xxx Zalaviz Zrt, 8900 Zalaegerszeg, Balatoni u 8.
Tartalom: 1. 2. 3. 4. 5.
A sejtroncsolás módszerei és hatásai Ultrahangos roncsolás Shark Technológa Nagyüzemi tapasztalatok Összegzés, kitekintés
Miért kell az anyagot feltárni??
KIADÁSOK: • Beruházás.... (500-700 Euro/m3 növekszik!!) • Gépészet (fűtés, keverés...) • Szállítás (ki-be napi több száz tonna...) • Karbantartás!
Haszon? Megtérülés??
Anaerobic degradation of biosolids biosolids
hydrolysis dissolved org. compounds
acidogenesis H2
CO2
org. acids
acetic acid
alcohols
acetogenesis acetic acid
methanogenesis CH4
CO2
Volatile Solids (VS) reduction during anaerobic digestion of sewage sludge
VS reduction[%] [%] oTR-Abbau
60 50 40 Rohschlamm Raw Sludge
30
WAS Überschußschlamm
20 0
5
10
15
20
Faulzeit digestion time
25
[d]
30
35
40
Disintegration of biosolids sludge water
sludge floc
energy
bacteria
energy
inert particles
extracellular polymers
Light-microscopical analysis
energy
energy
untreated WAS
30s sonicated
90s sonicated
Effect of sonication on sludge water phase
CSB [mg/l] COD
8000
DS: 34.4 g/kg
6000
DS: 15.2 g/kg
4000 2000 0 0
20
40 60 sonication Beschalltime zeit [s]
80
100
Abbausteigerung Increase in VS-degradation [%]
Increase in anaerobic VS degradation 60 y = 1.9x + 10.4 R = 0.94
50 40 30 20 10 0 0
5 10 15 20 [%] [%] A CSB DegreeAufschlußgrad of disintegration DD COD
25
Fighting of bulking / floating sludge
untreated
sonicated
Methods for sewage sludge disintegration (Source: ATV-expert group „AK 1.6 Sewage sludge disintegration“)
Classification Processes / Apparatus Mechanical
Biochemical
Ball mill High pressure homogeniser Lysat-centrifuge Impinging fluid jet technique Pulsed power technique Ultrasonic technology Acid addition Alkaline addition Addition of chemically oxidizing agents Addition of enzymes
Thermal
Heating of the sludge
Chemical
++ : No creation of by-products
-- : Creation of by-products (inert COD, toxic products!) - : Little operational experience -- : Creation of by-products (inert COD, toxic products!)
High-Power Ultrasonic Technology Outflow
Inflow
Ultrasonic Generator
Sonotrode
Ultrasonic Cavitation Sound Pressure
Radius of cavitation bubble in μm
Compression waves
Growth
Generation Time in μs
Cavitational field in a liquid
High-power Ultrasound Reactor (Technology transfer competition, Germany 2002)
SHARK TECHNOLÓGIA Új, magyar fejlesztésű • 100 m/s nyírósebesség • 1 mikron nyírótáv!! • 100 m3/nap (T<15-20%) • Éves karbantartás ~ 2400 Eur. • Minimásli energiaigény! • Automatizált, PLC-vezérelt, •
telep irányításba illeszthető! SZABADALOMMAL VÉDETT!
A nyírás eredményei:
85% of all fibres were smaller than 15 micrometer !!!
Waste activated sludge (~5% DS) before and after Shark:
Nagyüzemi tapasztalatok: Szombathely:
UH alkalmazás anaerob rothasztás
Intenzifikálására (2010 20.-36.hét, 48.- 2011.04.hétig) Utána a denitrifikáció javjtására.
3
3
Keletkezett biogáz (m ) / feladott szerves szárazanyag (kg) az ultrahangos próbaüzem során 2010 (20.-36. hét)
Keletkezett biogáz (m ) / feladott szerves szárazanyag (kg) 2010 (1.-19. hét) 0,85
0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25
0,80 0,75 0,70 sz áraz anyag (kg)
keletkez ett biogáz (m3 ) / feladott sz erves
0,80
sz áraz anyag (kg)
keletkez ett biogáz (m3 ) / feladott sz erves
0,85
0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25
0,20
0,20 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
13 14 15 16
17 18 19
20
21
22
23
24
25
26
27
hét
3
0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 39
40
41
42 hét
30
31
32
33
34
35
36
43
44
45
46
47
0,70 0,65 0,60 sz áraz anyag (kg)
keletkez ett biogáz (m3 ) / feladott sz erves
0,65
sz áraz anyag (kg)
keletkez ett biogáz (m3 ) / feladott sz erves
0,70
38
29
Keletkezett biogáz (m3) / feladott szerves szárazanyag (kg) 2010 (48-52), 2011 (1.-4. hét) UH mkűködött
Keletkezett biogáz (m ) / feladott szerves szárazanyag (kg) 2010 (37.-46. hét)
37
28 hét
0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 47
48
49
50
51
52
53 hét
54
55
56
57
58
Ultrahanggal kezelt iszap m ennyisége (m 3) 2010
Keletkezett biogáz (m3) / feladott szerv es szárazanyag (kg) 2011 (5.-36. hét)
3000
sz erves sz áraz anyag (kg)
0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35
2500 2000 1500 1000 500
0,30
r ce m
be
be
r
r be
r mb e
s
i us
hét
de
51
ve m
46
no
41
ok tó
36
te
31
sz ep
26
sz tu
21
gu
16
au
11
j úl
6
m
1
j ún
áju
iu
s
0,20
s
0
0,25
hónap
Ultrahanggal kezelt iszap m ennyisége (m 3) 2011
Toronyra feladott fölös iszap (m 3) / nyers iszap (m 3) 3000
0,8
0,6 0,5
3
0,4 0,3 0,2
2500 mennyisége ( m )
0,7
3
ultrahanggal kezelt iszap
3
2000 1500 1000 500 0
2011
r be
ce m de
ve m
be
r
r be no
ok tó
r te
mb e
s sz tu gu
j úl
j ún
i us
s
s áju m
ri li s áp
s
r
ár c iu
iu
hónap
sz ep
2010
au
2009
m
0
br uá
j an
uá
r
0,1 fe
fölös iszap (m ) / primer iszap (m )
keletkez ett biogáz (m3 ) / feladott
0,65
mennyisége (m3)
ultrahanggal kezelt iszap
0,70
Összes nitrogén (m g/l), online m érő 2011
Összes nitrogén (m g/l) 2010 25
Összes nitrogén (mg/l)
Összes nitrogén (mg/l)
25
20
15
10
5
20
15
10
5
0
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
12
2
3
4
5
hónap
Nitrát-nitrogén (mg/l), online mérő 2011
7
8
9
10
11
Összes foszfor (mg/l), online mérő 2011
25
2,5
Összes foszfor (mg/l)
Összes nitrogén (mg/l)
6
hónap
20 15 10 5 0
2 1,5 1 0,5 0
1
2
3
4
5
6 7 hónap
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6 7 hónap
8
9
10 11 12
12
Zalaviz: Shark + UH Napi biogáz képződés rothasztótornyokban 700 650 600 550 500 Nm3450 400 biogáz mennyiség 1-es rothasztó (m3) biogáz mennyiség 2-es rothasztó (m3)
350 300 250 200 01.szept 08.szept 15.szept 22.szept 29.szept 06.okt
13.okt
20.okt
27.okt 03.nov 10.nov 17.nov 24.nov 01.dec 08.dec 15.dec 22.dec 29.dec
Kikapcsolás után: Fajlagos biogáztermelés (m3/t), I.+II. rothasztó 2011. okt. - 2012. márc. 400 350 300
I + II. roth. Lineare Regression für I + II. roth.
250 Lineare Regression für 200 150 100 50 0 2011.okt
2011.nov.
2011.dec.
2012.jan.
2012.febr.
2012.márc.
Nyári próbaüzem: 2012 06.06 – 08.31 Fajlagos biogáztermelés (m3/t), I.+II. torony, 2011-2012 (20 napos számolás) 350 I + II. roth. 2011 300
I + II. roth. 2012
250
Lineáris (I + II. roth. 2011)
200
Lineáris (I + II. roth. 2012)
150 100 0
1
2
3
4
5 Hónap
6
7
8
9
OTS degradation: Rothasztás hatásfoka %, I.+II. rothasztó, 2011-2012 (20 napos számolás) 45 40 35
I + II. roth. 2011
30
I + II. roth. 2012
25
Lineáris (I + II. roth. 2011) Lineáris (I + II. roth. 2012)
20 15 0
1
2
3
4
5
Hónap
6
7
8
9
Eredmények: • Téli próbaüzem ~ 34 % gáztöbblet • Nyári próbaüzem ~ 10 % gáztöbblet Éves átlag: ~ 20-22% (Csak fölösiszap!!) • Habosodás a toronyban nem jelentkezik! (csak lekapcsolás után..) • Szálasanyag-probléma megszűnt! • Jelenlegi kapacitáson 3 év alatti megtérülés!
Összefoglalás: Mechanikai roncsolást érdemes betervezni és végezni, mert: • Már a beruházásnál többszörösen megtérül!! (építés, fűtés, keverés, víztelenítés, szállítás, elhelyezés...)
• Meglévő üzemek hatásfokát jelentősen javítja! • Üzemi problémáktól kímél meg! (szálasanyag, fonalasodás, habzás, magas össz-nitrogén, magas iszaphozam..stb.)
• Olcsó és egyszerű üzemeltetni! • Környezetbarát!! (Zéró károsanyag kibocsátás, vegyszermentes!)
• Gyors megtérülés után hasznot hoz!!!
Köszönöm a figyelmet! Bővebb információ:
[email protected]
Bamberg WWTP (230,000 PE) Improvement of anaerobic sewage sludge degradation due to partial sonication of the waste activated sludge 12000
60 54 %
10110 m³/d 10000
50 biogas production [m³/d]
VS destruction [%]
42 % 40
30
20
8000
6000
4000
10
2000
0
0
conventional
us-treated
7860 m³/d
conventional
us-treated
Cost-benefit-calculation •
Bamberg WWTP: 230,000 PE, 150 m³/d PS, 250 m³/d WAS, 20 d digestion time, spec. bio-gas prod. = 0.6 m³ CH4/kg VSdestroyed
•
30% of WAS (~ 75 m³/d) was sonicated ⇒ 3 us-units
•
Cost: a) invest ~ 330,000.00 EUR, 10 a ⇒ 50,000.00 EUR/a b) operation ~ 25,000.00 EUR/a
•
Benefit: 30% increase in digester performance (VS-destruction increased from 42% to 54%) a) reduction in sludge mass for disposal ~ 2,500 kg DS/d, 0.10 EUR/kg DS ⇒ -90,000.00 EUR/a b) increase of bio-gas production ~ +4,800 kWhel/d, 0.079 EUR/kWhel („EEG“) ⇒ -135,000.00 EUR/a
Heiligenstadt WWTP (50,000 PE)
5
Entwässerte Schlammmenge [t TS/Monat]
Fracht des Überschussschlammes [t TS/d]
Improvement of aerobic sewage sludge degradation due to partial sonication of the return sludge
4
3
2
1 Stillstand US-Anlage
0 10.11.2002
20.11.2002
30.11.2002
10.12.2002
20.12.2002
Datum
30.12.2002
09.01.2003
19.01.2003
29.01.2003
78,8
80 72,5
71,5 68,4
62,2
60 51,0
40
20
0 2000
2001
Oktober 02
November 02 Dezember 02
Zeitraum
Januar 03
Ultrasound Sludge Disintegration for I ntensification of Aerobic Sludge Stabilization M inim ization) Leinetal WWTP, Germany
• I. Brief Snapshot of
the PlantDesign Capacity: 50.000 PE Sludge stabilisation: Extended aeration (simultaneous-aerobic sludge digestion) Facilities:Two activated sludge tanks, aerobic sludge age 18 daysHigh amount of waste activated sludge production Floating sludge due to excessive growth of filamentous micro-organisms
(Sludge
• II. Initial Plan for the Aerobic Digestion • • •
Facilities Upgrade Construction of a new activated sludge tank in order to increase the aerobic sludge age. III. The Trial of the Ultrasound Disintegration System The plant decided to use the Ultrawaves innovative Ultrasound reactor for sewage sludge cell disintegration in order to intensify aerobic sewage sludge digestion and to eliminate the need for the construction of a new activated sludge tank as follows:Three Months Test (December 2002 – February 2003) with Treatment of 30% of total TWAS flow, which was recycled back into the aeration tank.
• IV. The Results and Benefits of Using •
Ultrasound Waste activated sludge quality:
– minimization of sludge mass of about 30% – better stabilized end product (reduced organic content) – 2% increase in cake dryness after WAS dewatering – no foam and no floating sludge in the aeration tank – reduction in sludge volume index SVI from 140 to 85 mL/g
• Payback time:
– less than 3 years
• Current Leinetal WWTP sludge flow
sheetAvoided the Construction of a New Aeration Tank
Results Waste Activitated Sludge Mass for Disposal [t DS/month]
100
80
78,8 71,5
introduction of ustechnology
72,5 68,4 62,2
60 51
40
20
0 2000
2001
Oct 02
Nov 02
Dec 02
Jan 03
V. Contact Mr. Kaufhold, Technical manager of the Leinetal WWTP. Phone: (+49) 3606 - 655-0
Ultrasound Sludge Disintegration for Com bating Foam ing Sludge Meldorf WWTP, Germany
Brief Snapshot of the Plant: Design Capacity: 65.000 PE Actual Capacity: 65.000 PESludge Feed: Primary and TWAS, Cofermentation of biosolids Facilities:Two mesophilic anaerobic digester tanks (2 x 2.000 m³) Detention time:30 day HRT Operational problems: Digester foaming due to excessive growth of filamentous microorganisms in the WAS
The Trial of the Ultrasound Disintegration System The plant decided to use the Ultrawaves Ultrasound reactor for the decomposition of the filamentous sludge structures (Microthrix parvicella) in the TWAS flow in order to allow an undisturbed anaerobic digestion without foaming problems. Three Months Test (Sept. – Nov. 2004) with Treatment of 100% of the total TWAS flow
after installation of US-Technology Digested sludge VS: Reduced from 61% (as % of TS) to 45% Biogas production: 30% increase Payback time: 2 years
digester) Feeding of co-substrates to anaerobic digester becomes possible Reduction of sludge mass for disposal Full-scale Installation since February 2005+
VS in the digested sludge [%]
70
introduction of- us-technology 60
50
40 27. Sep.
4. Okt.
11. Okt. 18. Okt. 25. Okt.
1. Nov.
8. Nov. 15. Nov.
