Centrum Informacji Ekologicznej
item
 
 
Unieszkodliwianie osadów ściekowych
w procesach suszenia i współspalania

W Polsce ilość osadów powstających w procesach oczyszczania ścieków gwałtownie wzrasta. Rygorystyczne kryteria ich przyrodniczego użytkowania oraz brak odpowiedniego areału gruntów zmusza eksploatatorów oczyszczalni do rozważenia innych technologii utylizacji osadów ściekowych. Obecnie opracowywane koncepcje końcowej utylizacji osadów ściekowych coraz częściej obejmują procesy suszenia i spalania.

W Polsce rozwiązania praktyczne związane z unieszkodliwianiem i zagospodarowaniem osadów ściekowych nadal nie nadążają za rozwojem technologii oczyszczania ścieków. Chociaż w większości przypadków wyeliminowano z oczyszczalni ścieków poletka osadowe, wprowadzając wysokosprawne metody zagęszczania, stabilizacji i odwadniania osadów, to nadal pozostaje problem dalszego ich zagospodarowania. Obecnie wyłaniają się trzy zasadnicze kierunki zagospodarowania osadów ściekowych:
• bezpieczne składowanie,
• gospodarcze wykorzystanie łącznie z przyrodniczym i rolniczym zagospodarowaniem,
• spalanie [1].

W dotychczasowej praktyce osady najczęściej wywożone są poza teren oczyszczalni i składowane na specjalnych składowiskach, co zaczyna być traktowane jako rozwiązanie niezadowalające, gdyż osady ściekowe postrzegane są coraz częściej jako potencjalny surowiec wtórny. Wśród rozważanych rozwiązań zagospodarowania osadów ściekowych pojawiają się coraz częściej koncepcje oparte na ich termicznej utylizacji. Polskie prawo [2] pozwala na zastosowanie termicznej utylizacji osadów, a implementowana do naszego prawa dyrektywa 2000/76/EC w sposób jednoznaczny określa warunki realizacji procesu i standardy emisyjne dla bezpośredniego spalania lub współspalania osadów ściekowych. Termicznemu wykorzystaniu osadów ściekowych sprzyjają ponadto coraz bardziej rygorystycznie ujmowane kryteria w zakresie ich rolniczego wykorzystania. Formułowane są one głównie z powodu rosnącego ładunku metali ciężkich w ściekach oraz gwałtownie rosnącej ilości osadów ściekowych (350 tys. ton s.m./rok w 2003 roku [3]), których skład i charakter może być różny w zależności od rodzaju ścieków oraz sposobu ich oczyszczania [4, 5]. Z drugiej strony przefermentowane i wysuszone osady mogą stanowić paliwo o dosyć wysokiej kaloryczności, co implikuje ich potencjalne wykorzystanie energetyczne. Możliwości zagospodarowania osadów ściekowych z uwzględnieniem metod współspalania przedstawia rysunek 1.
Termiczne wykorzystanie osadów ściekowych wymaga najczęściej bardzo znacznego zmniejszenia ich uwodnienia, co można uzyskać jedynie w procesach zaawansowanego suszenia. Warto przyjrzeć się aspektom unieszkodliwiania osadów ściekowych w procesach suszenia i współspalania.

Suszenie osadów ściekowych
Termiczne metody utylizacji osadów ściekowych najczęściej poprzedzone są procesem suszenia częściowego (do uzyskania 85% suchej masy; s.m.) lub całkowitego (>85% s.m.). Suszenie polega na doprowadzeniu ciepła do osadów w celu odparowania zawartej w nich wody. Suszenie usuwa wodę w znacznie większym stopniu niż najlepsze odwadnianie, przez co powoduje, że osady:
• mają mniejszą masę i niższe koszty transportu,
• są całkowicie pozbawione organizmów chorobotwórczych,
• są łatwe do przechowywania,
• mogą być łatwo spalane bez dodatkowego paliwa,
• nabierają wartości rynkowej jako nawóz lub środek kondycjonujący glebę [6].

Procesowi suszenia mogą być poddawane osady komunalne zarówno surowe, jak i ustabilizowane. Osady powinny być w jak najwyższym stopniu odwodnione mechanicznie, gdyż zawartość wody w osadach poddawanych suszeniu ma ogromny wpływ na ilość energii, jaką należy dostarczyć do ich wysuszenia.
Osad po suszeniu całkowitym ma postać pylistą lub granulkowatą. Postać pylista stwarza niebezpieczeństwo pożaru lub wybuchu pyłu. Należy zatem dążyć do tego, aby produkt końcowy procesu suszenia miał postać granulek. Uzyskanie produktu pylistego jest dopuszczalne, jeżeli ma być on potem natychmiast spalony.

Metody suszenia osadów można podzielić według sposobów wymiany ciepła na:
suszenie konwekcyjne – polegające na bezpośrednim kontakcie suszonych osadów z nośnikiem ciepła. Gaz suszący przepływa nad osadem, a ciepło przenoszone jest z gazu do suszonego materiału. Woda parująca z osadów przechodzi do gazu suszącego i wraz z nim jest odprowadzana z urządzenia,
suszenie kontaktowe – polegające na przenoszeniu ciepła z nośnika ciepła na osady przez powierzchnię wymiany (kontaktową). W procesie suszenia kontaktowego suszony materiał znajduje się na ogrzewanej nośnikiem ciepła powierzchni. Odparowana woda usuwana jest z urządzenia wraz z powietrzem obcym, przenikającym przez nieszczelności lub za pomocą doprowadzanego małego strumienia powietrza,
suszenie promiennikowe – polegające na wykorzystaniu promieniowania elektromagnetycznego lub promieniowania podczerwonego jako źródła ciepła.

Dotychczas w technologii suszenia osadów ściekowych stosuje się prawie wyłącznie suszenie konwekcyjne lub kontaktowe. W czasie suszenia powstają opary stanowiące mieszaninę pary wodnej, powietrza i gazów wydobywających się z osadów oraz gorącego gazu w przypadku suszenia bezpośredniego. Jako źródło ciepła najczęściej stosowane są: olej opałowy, gaz ziemny i fermentacyjny. Skraplaniu oparów (kondensacji) powinno towarzyszyć odzyskiwanie ciepła, które można wykorzystać np. do ogrzewania obiektów oczyszczalni [7].
Z teoretycznego punktu widzenia proces suszenia konwekcyjnego jest bardziej korzystny w porównaniu z suszeniem kontaktowym.

Proces suszenia konwekcyjnego realizowany jest w:
suszarniach taśmowych – umożliwiają one wysuszenie odwodnionych osadów, połączone z przejściem przez fazę kleistą, aż do stężenia suchej masy powyżej 90%. Osady przeciskane są przez blachę z otworami i zrzucane bezpośrednio na perforowaną taśmę transportową ze stali nierdzewnej, na której ogrzewane są od spodu gorącym gazem, wdmuchiwanym za pomocą dmuchawy;
suszarniach powietrznych – zasada suszenia w suszarniach powietrznych bazuje wyłącznie na naturalnym suszeniu przez otaczające powietrze, dlatego też wymagane są bardzo duże ilości powietrza do uzyskania wymaganego efektu, które dostarczane jest za pomocą wentylatorów lub dmuchaw;
suszarniach bębnowych – proces suszenia następuje w stale obracającym się bębnie. W zależności od typu suszarni, osady transportowane są za pomocą gorącego gazu, przegród kierujących w zależności od stopnia napełnienia bębna lub przez odpowiednie nachylenie bębna;
suszarniach fluidalnych – suszarnie tego typu są kombinacją suszarni kontaktowych i konwekcyjnych. Jako jedyne nie są wyposażone w żadne części ruchome, nie licząc dmuchawy usytuowanej poza samą suszarnią. Zasada działania suszarni polega na wdmuchiwaniu strumienia powietrza lub gazu w celu wytworzenia warstwy fluidalnej. Cząstki osadów utrzymywane są w zawieszeniu i intensywnie mieszane. W warstwie fluidalnej suszone osady nabierają struktury granulkowatej o wielkości ziaren 1-5 mm.

Natomiast proces suszenia kontaktowego realizowany jest w następujących urządzeniach:
suszarniach cienkowarstwowych – suszarnie takie składają się z poziomego stojana w kształcie cylindra o podwójnych ściankach i wewnętrznego wirnika. Przez podwójny płaszcz cylindra do suszarni doprowadzane jest ciepło w postaci nasyconej pary wodnej lub za pomocą podgrzanego oleju;
suszarniach obrotowych z rurowym wymiennikiem ciepła – w suszarni tej ogrzewanie następuje za pomocą rurowego wymiennika ciepła, zamontowanego na stałe w obrotowym bębnie. Medium grzewczym jest nasycona para wodna. Obracający się bęben miesza osady i narzuca je na rurowy wymiennik ciepła. Po przesianiu i oddzieleniu pyłów uzyskuje się granulat o suchej pozostałości w granicach 90-95% [7].
Wysuszone osady ściekowe stanowią komponent, który może zostać wykorzystany do dalszego zagospodarowania, np. w procesie współspalania z innymi materiałami.
 
 
Współspalanie osadów ściekowych wysuszonych termicznie
Wartość kaloryczna osadów ściekowych stanowi około 50% kaloryczności dobrego węgla i na ogół przyjmuje się, że 1 tona węgla kamiennego jest równoważna energetycznie 2 tonom suchej biomasy, niezależnie czy biomasa ma postać drewna, słomy czy organicznych osadów ściekowych. W skali dużej oczyszczalni ścieków energia z osadów ściekowych może dostarczyć nawet do 80% całej energii zużywanej przez wszystkie procesy technologiczne, stąd coraz większe zainteresowanie energetycznym wykorzystaniem osadów ściekowych [8].

Wartość kaloryczna osadów ściekowych zależy od udziału procentowego palnych składników w osadach, jak też od składu chemicznego tych składników. W przypadku gdy 1/3 osadów jest niepalna, to wartość kaloryczna suchych osadów wynosi około 14 MJ/kg. Wartość kaloryczna osadów przefermentowanych jest zwykle niższa od osadów przed fermentacją o około 2 MJ/kg s.m. [5]. Ponadto od podanych wartości trzeba zwykle odjąć co najmniej 5 MJ/kg energii potrzebnej na odparowanie wody zawartej w osadach ściekowych. Tak więc wartość opałowa związków organicznych w osadach ściekowych nie zawsze wystarcza do odparowania zawartej w nich wody, np. w trakcie spalania, i wówczas mokre osady mogą być spalane z dodatkiem materiałów opałowych, takich jak: węgiel, olej opałowy, biogaz czy słoma [1].
Do spalania powinny być kierowane suche osady o cieple spalania powyżej 5,5 MJ/kg. Spalanie mokrych osadów w kotle przynosi gorsze efekty niż osadów uprzednio wysuszonych. Po wrzuceniu do paleniska mokrych osadów następuje natychmiastowe pokrycie się zewnętrznej powierzchni cząstek osadów skorupą, która utrudnia wydobywanie się i wyparowywanie pozostałej wody. Oznacza to w konsekwencji konieczność dłuższego przetrzymywania osadów w komorze paleniskowej lub wymaga zwiększenia jej rozmiarów [8].
Współspalanie osadów ściekowych znajduje zastosowanie w następujących rozwiązaniach:

Współspalanie osadów w piecach cementowych
Piece cementowe wykorzystywane są do unieszkodliwiania osadów ściekowych od wielu już lat. Techniczną bazą tej metody jest fakt, że przemysł cementowy prowadzi wysokotemperaturowy proces klinkieryzacji specyficznego zestawu surowcowego oraz dysponuje piecami procesowymi o zespole cech predestynujących go do tego typu rozwiązań. Wysoka temperatura w strefie klinkieryzacji (1700 K) oraz temperatura płomienia (1900-2100 K) przekracza nie tylko poziom temperatur koniecznych do zupełnego spalania wielkocząsteczkowych węglowodorów, ale także temperaturę dechloryzacji dioksyn i furanów oraz temperaturę destrukcji pierścieni benzenu [9].

Duża turbulencja strumienia gazów wpływa na wysoką wydajność mieszania substratów, przez którą osiąga się zupełne spalenie węglowodorów wielkocząsteczkowych przy optymalnie niskim nadmiarze powietrza, co istotnie redukuje emisję tlenków azotu. Znaczna powierzchnia wymiany masy i ciepła, którą w piecach obrotowych do wypalania metodą mokrą szacować można na 1200-3200 m2, a w metodzie suchej nawet do 80 000 m2, stanowi gwarancję, że substancje lotne, takie jak: dwutlenek siarki, chlorowodór, fluorowodór czy amoniak nie opuszczą układu piecowego. Bowiem wcześniej przereagują ze składnikami zestawu surowcowego lub zostaną zaadsorbowane na powierzchni rozproszonej fazy stałej.
Określenie ilości dodawanych osadów powinno odbywać się drogą badań składu chemicznego, a także ich wpływu na jakość klinkieru, emisję zanieczyszczeń i cały zespół parametrów, o których mówi się, że warunkują dobrą pracę pieca obrotowego [10].

Do pieców cementowych wprowadza się osady wysuszone, zawierające 70% suchej masy, przy czym im bardziej suche osady, tym lepiej [11]. Wiele krajowych cementowni wymaga, aby wartość opałowa osadów wynosiła co najmniej 12 MJ/kg s.m. [3]. Dozowane do pieca cementowego osady nie mogą powodować zaburzeń w jego pracy oraz pogarszać jakości cementu. Dla prawidłowej pracy pieca istotny jest udział osadów w stosunku do paliwa naturalnego [12].

Współspalanie osadów z węglem
Na terenie kraju istnieje kilka tysięcy kotłów zainstalowanych w ciepłowniach przemysłowych i komunalnych. Duża część z nich jest przestarzała, wiele pracuje znacznie poniżej wydajności nominalnej. Obiekty te nie są najczęściej wyposażone w żadne urządzenia oczyszczania spalin z wyjątkiem cyklonów czy rzadziej elektrofiltrów. Dlatego też istnieje pilna potrzeba ich zmodernizowania, a nierzadko znalezienia nowego sensu funkcjonowania. Okazją taką jest utylizacja osadów ściekowych [13].

Współspalanie osadów z węglem w zakładach energetycznych stanowi korzystny system zagospodarowania osadów ściekowych z punktu widzenia ochrony środowiska. Podkreśla się tu głównie, że warunki spalania w kotłowniach węglowych – zwłaszcza w przypadku kotłowni z ciekłym odprowadzeniem żużla, gdzie składniki szkodliwe zostają unieruchomione w zeszkliwionym i ewentualnie zgranulowanym żużlu – umożliwiają likwidację składników organicznych zawartych w osadach oraz ograniczają emisję szkodliwych substancji do atmosfery. Powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest 5% dodatek osadów, choć część specjalistów wskazuje na możliwość zastąpienia osadami ściekowymi nawet 10-25% paliwa podstawowego [14]. Osady ściekowe można stosować zarówno w elektrowniach opalanych węglem kamiennym, jak i brunatnym. Przy spalaniu w zakładach energetycznych wykorzystujących węgiel kamienny konieczne jest podawanie osadów wysuszonych do około 90% s.m. W przypadku elektrociepłowni opalanych węglem brunatnym osady mogą charakteryzować się mniejszą zawartością suchej masy [9].

Głównym elementem utylizacji osadów ściekowych jest rusztowy kocioł centralnego ogrzewania dostosowany do spalania węgla oraz granulatu osadów. Osady są wprowadzane w celu ujednorodnienia mieszaniny przed młynami węglowymi, które rozdrabniają węgiel i zarazem homogenizują mieszaninę. Przy wszystkich zaletach wspólnego spalania obu paliw trzeba zwrócić uwagę na możliwość występowania w gazach spalinowych takich związków, jak: tlenki azotu, tlenki siarki, chlorowce, rtęć oraz dioksyny i furany. Powszechnie uważa się, że w przypadku osadów ściekowych z oczyszczalni komunalnych, dioksyny i furany przy zastosowaniu temperatur 800-900oC ulegają rozszczepieniu, a ich zawartość w spalinach mieści się w dopuszczalnym zakresie.  Przyjmuje się, że współspalanie osadów ściekowych z węglem będzie zyskiwało coraz bardziej na znaczeniu jako metoda utylizacji osadów z komunalnych oczyszczalni ścieków [15]. Metoda współspalania osadów jest rozpowszechniona w elektrowniach niemieckich i uznawana za metodę ekonomicznie uzasadnioną i ekologicznie bezpieczną.

Współspalanie osadów ściekowych w spalarniach odpadów komunalnych
Ten sposób zagospodarowania osadów nie jest rozpowszechniony w kraju. W pierwszej spalarni, która uruchomiona została w Warszawie na Targówku w połowie roku 2000, w chwili obecnej nie przewiduje się uruchomienia współspalania. W Niemczech zaledwie 10% osadów unieszkodliwianych termicznie jest spalanych z odpadami komunalnymi – co także wskazuje na niskie korzyści z takiego współspalania.
Podstawowym warunkiem efektywnego prowadzenia procesu jest wymóg, by osady ściekowe miały wartość opałową co najmniej zbliżoną do wartości opałowej odpadów, czyli były podsuszone do około 50% s.m. Przy współspalaniu zazwyczaj nie występuje pogorszenie warunków emisyjnych, jak również warunków unieszkodliwiania odpadów [15].

Obecnie, osady ściekowe postrzegane są coraz częściej jako potencjalny surowiec wtórny, dlatego coraz częściej podejmuje się próby wdrożenia metod termicznych do ich końcowej utylizacji.
Budowa obiektów do termicznej utylizacji osadów ściekowych wiąże się z koniecznością budowy bardzo kosztownych instalacji. W celu ograniczenia kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych spalarni dąży się do współspalania osadów wysuszonych termicznie z innymi komponentami w istniejących obiektach. Termiczna utylizacja osadów ściekowych zaliczana jest do technologii mało odpadowych, w wyniku której powstają niewielkie ilości popiołów. Popioły te jednak mogą stanowić cenny surowiec stosowany np. w drogownictwie.
W wyniku coraz bardziej zaostrzających się kryteriów składowania osadów oraz rolniczego ich wykorzystania zastosowanie procesów termicznych może stać się w przyszłości koniecznością.


Paweł Waluga, Krzysztof Barbusiński
Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji
Sp. z o.o. w Dąbrowie Górniczej,
Politechnika Śląska


Literatura:
1. Bień J., Bień J., Matysiak B.: Gospodarka odpadami w oczyszczalniach ścieków. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1999.
2. Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach. Dz. U. nr 62, poz. 628.
3. Krawczyk M.: Suszenie osadów ściekowych jako wstęp do ich utylizacji. Instal, nr 12, 12-16 (2003).
4. Bień J., Bień J., Matysiak B.: Metody zagospodarowania i unieszkodliwiania osadów ściekowych. Przegląd Komunalny, nr 5, 49- 55 (1998).
5. Pająk T.: Spalanie i współspalanie osadów ściekowych – podstawowe uwarunkowania. Przegląd Komunalny, nr 1, 35-38 (2003).
6. Oleszkiewicz J., Reimers R.: Suszenie osadów ściekowych. Mat. Międzynarodowego Seminarium Szkoleniowego nt. Podstawy oraz praktyka przeróbki i zagospodarowania osadów, Kraków 1998.
7. Niemiecki zbiór reguł ATV-DVWK „Suszenie osadu ściekowego”. Wydawnictwo Seidel Przywecki Sp. z o.o., Warszawa 1997.
8. Kowalik P.: Możliwości energetycznego wykorzystania osadów ściekowych przez ich granulację ze słomą i współspalanie z węglem. Mat. Krajowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt. Wykorzystanie osadów ściekowych – techniczne i prawne uwarunkowania, Częstochowa 1996.
9. Bień J.B.: Osady ściekowe – teoria i praktyka. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002.
10. Nowak E.: Przemysł cementowy – rzeczywistość czy potencjalny utylizator odpadów.
11. Biuletyn Statystyczny Stowarzyszenia Producentów Cementu i Wapna – „Zużycie paliw alternatywnych i utylizacja odpadów”, Warszawa 2000.
12. Środa B.: Możliwości współspalania osadów ściekowych w krajowym przemyśle cementowym. Przegląd Komunalny nr 1, 48-49 (2003).
13. Wandrasz J.W., Kozioł M., Landrat M., Ścierski W., Wandrasz A.: Możliwości współspalania osadów z oczyszczalni ścieków z węglem w kotłach rusztowych. Gospodarka Paliwami i Energią, nr 8, 10-15 (2000).
14. Prospekt reklamowy firmy Lurgi.
15. Korytkowski J., Załęska M.: Poradnik gospodarowania osadami dla przedsiębiorstw i gmin. Materiały Ośrodka Doradztwa i Doskonalenia Kadr Sp. z o.o., Gdańsk 2001.