Energetický partner

číslo 5, rok 2014, ročník II

Lukáš FRÝBA[1], Jiří KROPÁČ[2]

termické zpracování kalu z čistíren odpadních vod a jeho nutná předúprava

Abstrakt

Problematika nakládání s odpadem je celosvětovým problémem. Je prakticky nemožné najít optimální řešení – žádný odpad neprodukovat – v souvislosti s hierarchií nakládání s odpady (viz dřívější články v časopise Energetický partner). Kaly z čistíren odpadních vod, které jsou předmětem této práce, patří mezi odpady s vysokým podílem biologicky rozložitelné složky. Článek představuje možnosti využití tohoto problematického materiálu a podmínky pro jeho nakládání v České Republice.

Klíčová slova

Odpadní vody, kaly, využití odpadů, čištění odpadních vod

1 Předúprava kalu

Předúprava kalu je nezbytný proces kalové koncovky, který lze rozdělit na dvě části:

· Stabilizace

· Snížení obsahu vody

Předchozí uvedené úpravy kalu jsou podrobněji popsány dále v textu.

2 Stabilizace

Stabilizace je nezbytným procesem kalové koncovky a úpravy kalů. Významem stabilizace (hygienizace) je zamezení šíření bakterií a různých patogenů obsažených v kalu. Stručný význam běžně používaných procesů stabilizace je uveden dále. Metody hygienizace SSK lze rozdělit do několika skupin dle způsobu stabilizace.

· Chemické: Přidání chemického činidla (např. přidání vápna)

· Fyzikální: Změna fyzikálních podmínek kalu (např. výrazné zvýšení teploty)

· Biologické: Aerobní a anaerobní stabilizace

1.1 Vápnění

Proces vápnění je alternativou k biologickým procesům stabilizace kalu. Jedná se o dávkování páleného vápna do SSK. Účelem tohoto procesu je zvýšení kyselosti kalu na hodnoty pH vyšší než 12 na minimálně 2 hodiny [1], které zamezuje vzniku bakterií a vede ke zneškodnění patogenů. Tento proces je výhodný především z hlediska nízkých investičních nákladů a pro další zpracování pomocí spalování. Během vápnění neprobíhá rozklad organických částí v kalu a nedochází tak ke snížení kalorického obsahu sušiny jako při biologické stabilizaci. Menší nevýhodou je, že stabilizovaný kal pomocí vápnění nelze skladovat příliš dlouhou dobu, protože se časem snižuje hodnota pH a v SSK začne opět probíhat biologický rozklad.

1.2 Pasterizace

Proces pasterizace se vyznačuje tím, že ke zneškodnění bakterií a patogenních látek v kalu je využito zvýšení teploty. Proces pasterizace je možné aplikovat při použití kalu na zemědělské půdě a při úpravě kalu před biologickým zpracováním. Nevýhodou pasterizace je nutnost dodávky externí energie k ohřátí SSK. Další nevýhodou je, že proces pasterizace je využitelný pouze pro SSK splňující normy pro použití kalu na zemědělské půdě jako hnojivo.

1.3 Aerobní stabilizace

Proces aerobní stabilizace využívá biologického rozkladu organických složek v kalu pomocí vhodných baterií a přístupu kyslíku. Při procesu aerobní stabilizace dochází převážně k exotermním reakcím (během reakcí se teplota v otevřené nádrži pohybuje mezi 50 až 60 °C) a přeměně organických látek na oxid uhličitý (CO2) a vodu (H2O). Aerobní stabilizace obvykle probíhá v otevřených betonových nádržích za stálého míchání kalu a v případě potřeby za občasného provzdušnění. Doba zdržení v nádržích je v rozmezí 20 až 30 dnů. Nevýhodou tohoto procesu stabilizace je nemožnost využití produkovaného tepla z tohoto procesu. Oproti anaerobní fermentaci kalu (zmíněné v kap. 1.4) má aerobní stabilizace nižší investiční náklady a zároveň menší provozní nároky na obsluhu (není nutné stavět hermeticky uzavřené zařízení a udržovat v něm optimální teplotu procesu). Z těchto důvodů je vhodná spíše pro malé ČOV.

1.4 Anaerobní stabilizace

Proces anaerobní stabilizace je biologický proces, který vyžaduje externí dodávku energie ve formě tepelné energie pro vytvoření optimálních tepelných podmínek v reaktoru. V reaktoru probíhá chemická reakce v několika stupních, které napomáhají rozkladu organických látek.

Hydrolýza je proces rozkladu makromolekulárních látek činností hydrolytických bakterií na nízkomolekulární látky rozpustné ve vodě

Acidogeneze je process rozkladu produktů hydrolýzy fermentačními bakteriemi na alkoholy a mastné kyseliny za současné produkce CO2 a H2O dle rovnice (1) [2]:

(1)

Acetogeneze a metanogeneze probíhají většinou současně. Při acetogenezi jsou alkoholy a mastné kyseliny rozkládány na kyselinu octovou dle rovnice (3). Při metanogenezi je kyselina octová rozkládána na metan a oxiduhličitý za vzniku metanu z vodíku a oxidu uhličitého dle rovnic (4) a (5) :

(2)

(3)

(4)

Primárním účelem procesu anaerobní stabilizace je hygienizace kalu a také produkce bioplynu, který se dá dále energeticky využívat. Odpadním produktem z tohoto procesu je anaerobně stabilizovaný kal (ASK).

Z hlediska energetické bilance lze s dobrou přesností použít typické hodnoty měrné tvorby bioplynu vytvořeného na hmotnostní jednotku organického podílu vstupujícího do procesu anaerobní fermentace. Důležitá je také jeho kvalita a množství externí energie, které je nutné do procesu dodat. Tato energetická bilance je jedním z důležitých vstupů do celkového bilančního výpočtu, který má za úkol posoudit, zda je energeticky výhodnější spalovat přímo SSK, nebo využít procesu anaerobní stabilizace k produkci bioplynu a jeho následného využití v kogeneračních jednotkách a spalovat pak dále ASK, který má oproti SSK nižší kalorický obsah (větší množství organických látek je použito pro výrobu bioplynu).

V práci Houdkové [2] je uvedena bilance anaerobní stabilizace a výpočet, který uvádí měrnou produkci bioplynu 0,62 mN3/kg organických látek. Dále je uváděno, že předpokládaným rozšířením dle projektu „Celková přestavba a rozšíření ÚČOV Praha na Císařském ostrově“ byla vypočtena předpokládaná měrná produkce bioplynu 0,64 mN3/kg organických látek. Jak uvádí autorka [2], tak předpoklad je založen na tom, že v rámci rekonstrukce kalového hospodářství ÚČOV budou stávající nemíchané nádrže druhého stupně osazeny míchadly, což by mohlo přinést další rozklad organických látek. Dále také bude pravděpodobně navýšen počet vyhnívacích nádrží tak, aby mohla být doba zdržení kalu v nádržích delší.

2 Snížení obsahu vody v kalu

Další nezbytnou částí procesu úpravy kalu je co nejvyšší snížení obsahu vody a tím i snížení množství kalu, který je nutné dále zpracovávat. Obsah vody v kalu ovlivňuje převážně množství kalu, nikoli množství produkované sušiny. Kal s vyšším obsahem vody má větší objem a v případě, že je transportován, a to i v areálu ČOV, tak každé nadbytečné procento vody zvyšuje náklady na dopravu, skladování nebo poplatky za ukládání na skládky.

Proces snížení obsahu vody je obvykle primárně prováděn pomocí fyzikálního odvodnění. K tomuto účelu se využívají odstředivky, pásové lisy nebo kalolisy. Zvýšení účinnosti odvodnění lze dosáhnout pomocí několika fyzikálních nebo chemických postupů uvedených v disertační práci Elsäßera [3]. Stupeň odvodnění se obvykle pohybuje v rozmezí 16 až 30 % sušiny. V disertační práci Houdkové [2] je udáváno odvodnění až na 33 % sušiny kalu za pomoci vhodných flokulantů. Na ČOV v Brně-Modřicích udávají stupeň odvodnění pomocí mechanických odstředivek zhruba 24 % sušiny v odvodněném kalu [4].

Dalšího zvýšení obsahu sušiny v SSK nebo ASK lze docílit procesem sušení. Proces sušení vyžaduje dodávku externí tepelné energie. V tomto případě je nutné posoudit, zda je možné tuto energii výhodně získat nebo lze alespoň částečně využít odpadního tepla z jiných procesů. V případě, že se zdroj externí tepelné energie v blízkosti technologie nenachází, je nutné k sušení použít tepelnou energii vyrobenou z primárních zdrojů. Využití primárních zdrojů je nezbytné posoudit z ekonomického hlediska a z hlediska vlivu na životní prostředí.

Na obr. 1 je ukázán příklad využití kalorického obsahu vstupního paliva v rámci technologie. Cílem je určit, zda je možné spalováním kalu vytvořit tolik energie, aby kalorický obsah v sušině vystačil k pokrytí energetické spotřeby nutné k předúpravě kalu (odvodnění, sušení) a pokrytí energie spojené se spalováním kalu (energetická spotřeba FGT, doprava paliva a odvod tuhých reziduí a další energetické nároky technologie) a současně došlo k produkci energie.

Obr. 1: Rozložení využití kalorického obsahu sušiny v procesu termického zpracování odpadů

Pokud se do předchozího schématu dosadí hodnoty pro ASK (68 t/d sušiny) a SSK (100 t/d sušiny) je patrný výrazný rozdíl ve zbylém energetickém obsahu (tab. 1).

Tab. 1: Využití kalorického obsahu při termickém zpracování ASK a SSK

Vstup | Kal. Obsah sušiny | Po odvodnění i) | Po sušení a ohřevu kalu ii) | Po snížení spotřeby energií v rámci technologie iii) | Zbylý kal. Obsah v ideálním případě
Druh kalu | [GJ/tsuš] | [GJ/tsuš] | [GJ/tsuš] | [GJ/tsuš] | [GJ/tsuš]
ASK | 11,22 | 11,13 | 7,19 | 4,04 | 2,56
SSK | 15,34 | 15,24 | 11,43 | 8,39 | 7,07

Pozn.:

i) Přepočet spotřeby el. energie pro pohon odstředivky. Z dat uvedených v [5] lze přepočítat spotřebu 1,33 kW/m3 vstupního kalu. Protože do odstředivky vstupuje kal o množství sušiny v řádech jednotek procent, lze uvažovat hustotu shodnou, jakoby se jednalo o vodu (1 kg/m3). Pro 5 % obsah sušiny SSK (2000 t/d) vychází příkon motoru 111 kW a pro ASK (1360 t/d) je příkon 76 kW. Tyto příkony jsou převedeny na GJ/d.

ii) Energie pro sušení a ohřev kalu zahrnuje tepelnou energii nutnou dodat do procesu na vypaření vody v kalu na hodnotu sušiny 65 %. Dále je zahrnuta tepelná energie pro ohřev kalu z teploty 40 °C na 120 °C a ohřev zbylé neodpařené vody ze 40 °C na 100 °C.

iii) Zahrnuje pouze energii pro dohřev spalin o 50 °C a rozdíl mezi kalorickým obsahem paliva a tepelným tokem ve vyrobené páře z kotle.

V tab. 1 nejsou započítány tepelné ztráty procesu a ztráty energie ve výstupním proudu páry (kondenzátu) z aparátu. Dále není uvažováno se spotřebou elektrické energie v technologii (pohon dopravníků, motor spalinového ventilátoru, funkce řídících a měřících prvků, spotřeba ESP, čerpadel mokrého chemického čištění, atd.). Po zahrnutí všech energetických nároků lze u termického zpracování ASK očekávat, že kalorický obsah sušiny je nedostatečný a bude nutné do procesu získat externí energii. V tomto případě pak už nelze tvrdit, že se jedná o energetické využití kalů, ale je nutné zmínit, že je kal pouze termicky zneškodňován.

3 Termické zpracování kalů

Spalování kalů je jednou z možností energetického využití zbývajícího kalorického obsahu v ASK nebo SSK a snížení objemového a hmotnostního množství kalů ukládaného na skládky. Z pohledu spalování kalů je nejvýraznějším parametrem obsah sušiny, který ovlivňuje celkový kalorický obsah kalu, čímž je ovlivněna výhřevnost. Obsah organických látek v sušině ovlivní výpočet výhřevnosti, ale jeho vliv je výrazně nižší. Přestože byla problematika závislosti obsahu sušiny na výhřevnosti řešena již v několika pracích [2],[3] a [6] nebyly určeny podmínky, za kterých může být spalování kalu procesem energeticky soběstačným, případně procesem energii produkujícím.

Technologické zařízení pro termické zpracování kalů lze rozdělit na několik částí:

· Skladování paliva

· Předúprava paliva

· Termická část zpracování kalu

· Výroba energií

· Systém čištění spalin

V případě spalování pouze kalu se uvažuje s technologií spalování odpadů na roštu, která je uvedena v diplomové práci [4]. U ní bylo v pojednání použito spalování ve fluidním loži místo roštového, bylo upraveno vstupní složení paliv a zároveň byly upraveny parametry produkované páry. Schéma technologie je znázorněno na obr. 2, kde jsou uvedeny důležité parametry budoucího výpočtu pro spalování a spoluspalování kalů. Odváděné teplo Qh2 je uvažováno jako užitné teplo vhodné pro využití v technologii nebo jako exportní teplo pro vytápění budov.

Obr. 2: Popis technologie termického zpracování kalů

3.1 Proces spalování

Proces spalování je exotermním chemicko-fyzikálním procesem, který využívá slučování elementárních prvků hořlaviny (C, H a S v atomárním stavu) s okysličovadlem dle rovnic (6-8) (plyn obsahující kyslík, obvykle se jedná o vzduch), jehož výsledkem je produkce tepelné energie, tuhých reziduí (škváry) a plynných látek (spalin) skládajících se z produktů dokonalého spalování (CO2 a H2O) a emisí (produkty nedokonalého spalování a škodlivé látky).

(6)

(7)

(8)

Spalování probíhá ve spalovací komoře, jejíž součástí je ohniště a pomocná zařízení, která jsou nezbytná ke správné funkci spalovacího zařízení (zařízení dávkování paliva, přívodu okysličovadla, odvodu tuhých zbytků, trysek přídavného paliva, teplosměnných ploch, kouřovodu atd.). Pomocná zařízení závisí na typu ohniště (např. roštová, prášková, fluidní, atd.) a zvolený typ ohniště závisí na druhu paliva a možnostech jeho předúpravy. V případě spalování a spoluspalování kalů je obvykle nejpoužívanější fluidní spalování.

Ke spalování kalů je nejčastěji používáno fluidního spalování. Jeho výhody a nevýhody jsou uvedeny v publikaci [7].

Spalování kalů je také realizováno v rotačních pecích. Tento způsob je využíván převážně v případě, že se jedná o spoluspalování kalu v cementářských pecích. Spalování kalu na roštu je značně problematické, protože roštová ohniště jsou vhodná převážně pro kusová paliva. V případě spalování kalu na roštu by se tedy jednalo o kal s vysokým obsahem sušiny.

3 Závěr

Využití energetického obsahu kalů je v současnosti aktuální téma. Jednou z podstatných otázek je rozložení vstupního kalorického obsahu paliva v rámci technologie. Dále je v českém prostředí intenzivně diskutováno spoluspalování s uhlím, kdy lze docílit lepší energetické účinnosti. Ze získaných informací lze konstatovat, že investice do zařízení na termické zpracování kalů bude méně výhodná než do zařízení na energetické využití odpadů. Tento rozdíl je způsoben především nutností sušení kalů před termickým zpracováním.

Poděkování

Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080.

Literatura

[1] PYTL, V., et al. Příručka provozovatele čistírny odpadních vod. 1. vyd. Praha, 2004. 209 s. ISBN 80-239-2528-8.

[2] Houdková, L. Efektivní využití čistírenských kalů. Brno, 2009. 104 s. Disertační práce na Vysokém učení technickém v Brně na Fakultě strojního inženýrství na Ústavu procesního a ekologického inženýrství. Vedoucí disertační práce doc. Ing. Jaroslav Jícha, CSc.

[3] Elsäßer, T. Zpracování čistírenských kalů. Brno, 2013. Disertační práce na Vysokém učení technickém v Brně na Fakultě strojního inženýrství na Ústavu procesního a ekologického inženýrství. Vedoucí disertační práce Prof. Ing. Petr Stehlík, CSc..

[4] FRÝBA, L. Analýza alternativ odstraňování PCDD/F při spalování odpadů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 69 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Ladislav Bébar, CSc.

[5] Dekantační odstředivky | PBS Velká Bíteš, a.s. [online] [vid. 3. listopad 2013]. Dostupné z: http://www.pbsvb.cz/dekantacni-odstredivky

[6] KREJČÍ, T. Spoluspalování kalů v již stávajícím zařízení. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 47 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Lukáš Frýba.

[7] S. van Loo a J. Koppejan, Ed., The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. Routledge, 2007.

Pretreatment of incineration of sewage sludge

Keywords

Waste water, sewage sludge, waste utilization, waste water treatment

Summary

The problem of waste management is a global issue. It is practically impossible to find an optimal solution - not to produce any waste - in connection with the waste hierarchy (see previous articles in the Energy partner m agazine). Sludge from sewage treatment plants, which are the subject of this paper, is a waste with high share of biodegradable ingredients. The paper presents the possibilities of using of this problematic material and the conditions for its handling in the Czech Republic.

[1] Ing. Lukáš Frýba, Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, 606 69 Brno, tel.: (+420) 541 144 908, e-mail: fryba@upei.fme.vutbr.cz.

[2] Ing. Jiří Kropáč, Ph.D., Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, 606 69 Brno, tel.: (+420) 541 144 908, e-mail: kropac@fme.vutbr.cz.