Celuloza w osadzie ściekowym

Przeróbka osadów ściekowych to obecnie jedno z największych wyzwań dla eksploatatorów oczyszczalni ścieków, zwłaszcza tych, które wyposażone są w agregaty kogeneracyjne. Eksploatując takie instalacje dążymy do odzyskania energii zawartej w osadzie poprzez produkcję biogazu w komorach fermentacyjnych. Z biogazu produkujemy energię elektryczną i ciepło, co pozwala na ograniczenie zakupu nośników energii (energii elektrycznej i gazu ziemnego). Z drugiej strony dążymy do ograniczenia ilości powstających osadów ściekowych (redukcji suchej masy osadów, poprawy stopnia odwodnienia osadów). Wszystkie te cele można zrealizować zwiększając rozkład suchej masy organicznej osadu wprowadzanego do komór fermentacyjnych.

1. Fermentacja osadów na Oczyszczalni Klimzowiec

Na Oczyszczalni Ścieków Klimzowiec mamy dwie komory fermentacyjne o pojemności czynnej 6 500 m3 każda. Komory fermentacyjne pracują w układzie szeregowym. Osad surowy (mieszanina osadu wstępnego zagęszczonego grawitacyjnie, osadu nadmiernego zagęszczonego mechanicznie oraz odpadów przyjmowanych do procesu kofermentacji) podawany jest do WKF1. Z WKF1 pompa przerzutowa pompuje osad do WKF2. Uzyskujemy długie czasy fermentacji (nawet >50 dni), mimo to w osadzie przefermentowanym nadal mamy ponad 55% s.m.o.

Dążąc do optymalizacji procesu fermentacji metanowej postanowiliśmy sprawdzić, jakie związki organiczne znajdują się w naszym osadzie przefermentowanym. W sierpniu 2017 roku zleciliśmy badanie stężenia celulozy. Wynik był dla nas dużym zaskoczeniem. Celuloza stanowiła 27,3% suchej masy osadu. Postanowiliśmy kontynuować badania pod kątem obecności celulozy w osadzie ściekowym, z czasem rozszerzając je o inne biopolimery, tj. ligniny (badania wykonujemy od stycznia 2018 roku) i hemicelulozę (badania wykonujemy od lutego 2019 roku). Badania osadu wykonuje Instytut Biopolimerów i Włókien Chemicznych w Łodzi.

Suma stężenia celulozy, hemicelulozy i lignin w naszych osadach ściekowych wynosi średnio 52,39% s.m. osadu!

2. Celuloza, hemiceluloza, ligniny

Celuloza to strukturalny polisacharyd (biopolimer) zbudowany liniowo z cząstek d-glukozy (n do 10 000) połączonych wiązaniem β-1,4 (wiązanie glikozydowe) w pofałdowane, nierozgałęzione łańcuchy [1].

Hemiceluloza jest to niejednorodna grupa polisacharydów występujących, obok celulozy i ligniny, w zdrewniałych tkankach roślin. Hemiceluloza to jeden z głównych składników ściany komórkowej roślin. Hemiceluloza to heteropolimer składający się głównie z pentoz (D-ksylozy, D-arabinozy) oraz heksoz (D-mannozy, D-glukozy, D-galaktozy).

Lignina, inaczej drzewnik, to złożona substancja organiczna, która razem z celulozą, hemicelulozą i innymi substancjami tworzy materiał ścian komórkowych roślin. Jest odpowiedzialna za drewnienie tkanki roślinnej, wiąże włókna celulozy i hemicelulozy w silną strukturę. Lignina jest biopolimerem składającym się ze związków organicznych będących pochodnymi alkoholi fenolowych [1].

Powyższe biopolimery w przyrodzie występują najczęściej w postaci lignocelulozy. W kompleksach lignocelulozowych celuloza otoczona jest fragmentami hemicelulozy i ligniny, co utrudnia proces rozkładu celulozy. Lignoceluloza jest głównym składnikiem ściany komórkowej roślin. Proces hydrolizy kompleksu ligninocelulozowego jest najbardziej limitującym etapem rozkładu biomasy [2].

3. Rozkład celulozy

Rozkład celulozy prowadzony jest przez mikroorganizmy celulolityczne. Organizmy te wytwarzają enzymy – celulazy rozkładające w procesie hydrolizy wiązania β-1,4-glikozydowe występujące pomiędzy monomerami glukozy w cząsteczce celulozy. W wyniku rozkładu celulozy powstaje początkowo dwucukier celobioza, a finalnie cukier prosty – glukoza. Organizmami wytwarzającymi celulazy są przede wszystkim bakterie przewodu pokarmowego zwierząt roślinożernych oraz wiele bakterii glebowych. Dzięki temu organizmy mają dostęp do powszechnie występującego w środowisku źródła węgla – celulozy [3].

Hydrolizę celulozy ogranicza wiele czynników, spośród których najważniejsze to krystaliczność celulozy, zawartość ligniny, dostępność powierzchni właściwej i stopień polimeryzacji. Na świecie opracowano wiele metod wstępnej obróbki materiałów lignocelulozowych przed procesem fermentacji. Metody te możemy podzielić na: fizyczne (rozdrabnianie, działanie mikrofal); fizyko-chemiczne (wybuch pary wodnej, działanie parą wodną, działanie CO2) i chemiczne (obróbka kwasowa, obróbka alkaliczna). W metodzie wybuchu pary wodnej (steam explosion) – substrat podgrzewa się do temperatury 160÷260°C, pod ciśnieniem 0,69÷4,83 MPa, a następnie poddaje gwałtownej dekompresji [2].

4. Źródła celulozy w osadach ściekowych

Celuloza występuje w wielu produktach codziennego użytku, takich jak: papier toaletowy, płatki kosmetyczne, błonnik, jako dodatek do żywności – E460 (zagęstnik i emulgator w sosach, majonezach), E461–E469 (pochodne celulozy – emulgatory), w przemyśle farmaceutycznym (produkcja tabletek, wypełniacz w kapsułkach), w lodach i ubijanych kremach, często w żywności typu light zastępuje tłuszcze, w kosmetykach (balsamy do ciała, kremy, szampony, żele do mycia, odżywki do włosów, pasty do zębów).

Standardowa rolka papieru toaletowego waży około 100 g. Statystyczny Polak zużywa około 50 rolek papieru toaletowego rocznie (5 kg). W aglomeracji obsługiwanej przez oczyszczalnię Klimzowiec mieszka ponad 155 600 mieszkańców. Według powyższych założeń otrzymamy roczny ładunek celulozy w ilości 778,45 Mg (papier toaletowy składa się w 100% z celulozy).

Celuloza, razem z hemicelulozą i ligniną, jest też składnikiem błonnika pokarmowego. Zakładając, że statystyczny Polak spożywa około 11 g błonnika na dobę, otrzymamy 625 Mg błonnika rocznie. Ponieważ błonnik nie jest rozkładany w układzie trawiennym człowieka, powyższa ilość trafia do kanalizacji.

5. Współpraca z Politechniką Śląską

Od roku 2018 współpracujemy z Katedrą Biotechnologii Środowiskowej Politechniki Śląskiej przy realizacji projektu PBL (Project Based Learning) „Pozyskiwanie i wstępna ocena przydatności szczepów celulolitycznych do pozyskiwania substratu z osadów ściekowych do fermentacji metanowej”.

W ramach projektu pięcioro studentów, pod opieką dr hab. Aleksandry Ziembińskiej-Buczyńskiej, dr. inż. Grzegorza Cema i dr. inż. Krzysztofa Jaskota, prowadziło badania, w ramach których:

• wyizolowano z osadu pobranego z komory fermentacyjnej OŚ Klimzowiec bakterie celulolityczne. Trzy organizmy zidentyfikowano jako bakterie z rodzaju Bacillus, dwa szczepy nie zostały zidentyfikowane;

• zaprojektowano i wykonano laboratoryjne reaktory badawcze wraz z systemem sterowania i kontroli;

• przeprowadzono testy potencjału metanogennego wyizolowanych bakterii.

Ostatnim zadaniem zespołu będzie wyprodukowanie szczepionki bakteryjnej zawierającej szczepy bakterii celulolitycznych oraz zbadanie efektów zastosowania szczepionki poprzez przeprowadzenie testu w laboratoryjnych reaktorach badawczych.

Celem projektu jest sprawdzenie, czy zwiększenie ilości mikroorganizmów celulolitycznych w komorach fermentacyjnych, poprzez stosowanie szczepionek bakteryjnych wpłynie na wzrost rozkładu celulozy zawartej w osadach.

6. Wnioski

Celuloza występuję w osadach ściekowych w znacznych ilościach. Optymalizacja rozkładu celulozy powinna wpłynąć na wzrost produkcji biogazu oraz zmniejszenie ilości powstających osadów ściekowych.

Organizmy celulolityczne występują w osadach ściekowych. Rozkład celulozy zachodzi w procesie hydrolizy enzymatycznej. Szybkość rozkładu polisacharydów, takich jak celuloza i hemiceluloza, w procesie fermentacji metanowej limituje wolno przebiegająca hydroliza.

Dysponujemy obecnie niewielką ilością danych. Nie wiemy jaki ładunek celulozy dopływa do oczyszczalni ze ściekami surowymi, jaki ładunek celulozy rozkładany jest w reaktorach biologicznych, ile celulozy rozkładamy w procesie fermentacji, jak wygląda obieg celulozy na innych oczyszczalniach.

Ligniny praktycznie nie są rozkładalne w procesie fermentacji metanowej [4]. Posiadając wiedzę o ilości ładunku ligniny wprowadzanego do komór fermentacyjnych w ciągu roku możemy traktować ligniny jako wskaźnik stopnia stabilizacji osadu ściekowego.

7. Literatura

1. Encyklopedia PWN.
2. Technologie Kondycjonowania biomasy ligninocelulozowej przed procesem fermentacji metanowej; Anna Grala, Marcin Zieliński, Marcin Dębowski, Kamila Ostrowska; Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie.
3. Życie bakterii, Władysław J.H Kunicki-Goldfinger; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008.
4. Wykorzystanie substratów pochodzenia rolniczego w biogazowniach w Polsce; Janusz Gołaszewski; Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie; Postępy Nauk Rolniczych nr 2/2011: 69–94. 

Piotr Banaszek

Chorzowsko-Świętochłowickie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o.

Źródło: Forum Eksploatatora 5/2019