Ekologiczny klinkier z osadu oczyszczalni: Właściwości i zastosowanie
- Szczegóły
Osady ściekowe to materiał odpadowy pozostały po procesie oczyszczania ścieków, zarówno tych miejskich jak i przemysłowych. Właściwości fizykochemiczne tych materiałów zależą od etapu ich powstania.
Zagospodarowanie tych odpadów zależy w dużej mierze od występujących w nich zanieczyszczeń stałych pochodzenia organicznego lub nieorganicznego, które to mogą być toksyczne dla środowiska i ludzkiego zdrowia.
W tym projekcie waloryzacji poddawane są osady ściekowe pochodzące z pierwszego (obróbka fizyczno-chemiczna) i wtórnego (obróbka biologiczna) etapu obróbki ścieków komunalnych, oczyszczanych w Grupowej Oczyszczalni Ścieków Sp. z o.o. w Łodzi.
Zalecaną przez dyrektywy unijne (EU Sludge Directive 86/278/EC) i prawo polskie ("Krajowy plan gospodarki odpadami 2014", Uchwała Nr 217 Rady Ministrów z dnia 24 grudnia 2010 r., M. P. Nr 101 poz. 1183) metodą unieszkodliwiania osadów ściekowych jest poddanie ich spalaniu.
Oszacowano, że rocznie na świecie produkowane jest ponad 1,7 milionów ton popiołów i żużli pochodzących z procesu unieszkodliwiania osadów ściekowych poprzez proces ich termicznego przekształcania. Samych osadów produkuje się w ilości ok. 17 milionów ton rocznie (dane łączne z USA i UE).
Przeczytaj także: Wpływ oczyszczaczy na zdrowie i planetę
Mając na uwadze wspomniane uwarunkowania prawne, osady ściekowe z "GOŚ-ŁÓDŹ" są zatem stabilizowane w Instalacji Termicznego Przekształcania Osadu, działającej od 2009 r. i zbudowanej na terenie zakładu w celu rozwiązania problemu gospodarki osadowej i skratek.
Proces spalania przeprowadzany jest przy 850ºC w dwóch równoległych piecach fluidalnych o łącznej przepustowości 159 Mg/d. Poprzedzający etap suszenia odwodnionego już osadu realizowany jest w suszarkach talerzowych, uzyskując 30 - 32% s.m. W piecach fluidalnych osady ściekowe są następnie spalane w złożu piaskowym, a powstające w procesie powstawania spalin zawracane do procesu.
Powstające przy spalaniu popioły lotne (19 01 14) (9,0 Mg/d) i pyły z oczyszczania gazów odlotowych (19 01 07) (0,5 Mg/d) są odpowiednio składowane na składowisku "Laguna".
Korzyści z zastosowania dodatków mineralnych w produkcji cementu
Dodatki mineralne przy produkcji cementu w celu ich włączenia do betonu są bardzo korzystne z punktu widzenia ekonomicznego, jakoże produkuje się mniej klinkieru portlandzkiego, oszczędzając w ten sposób energię. Korzyści technologiczne z tego tytułu są związane z powstawaniem produktów spoiwowych lub betonowych o wyższych wartościach początkowych odporności mechanicznej, urabialności i wytrzymałości chemicznej struktur budowlanych. Dodatki mineralne do cementu portlandzkiego stosowane są już od czterech dekad.
Studium przypadku realizowane w ramach projektu na jednej z linii produkcyjnych zakładu "GOŚ-ŁÓDŹ" ma pozwolić na opracowanie nowej technologii End-of-Waste zagospodarowania powstających osadów ściekowych, aktualnie poddawanych procesowi spalania i składowanych jako odpady nietoksyczne i ustabilizowane. Opracowanie kryteriów dla przekształcenia wytwarzanych w ten sposób odpadów w surowiec wtórny, możliwy do włączenia jako dodatek mineralny do klinkieru lub cementu, umożliwi wprowadzenie ich na rynek.
Przeczytaj także: Zastosowanie Filtra Powietrza HEPA
Aby zwiększyć ich konkurencyjność wobec dostępnych w sektorze materiałów budowlanych pierwotnych zasobów naturalnych i sztucznych, opracowane zostaną wytyczne techniczne wspierające zastosowanie nowo powstałego produktu.
Biogaz jako produkt uboczny oczyszczalni ścieków
Jako odpad z oczyszczalni ścieków można również potraktować biogaz powstający w wyniku fermentacji osadów ściekowych, najprościej utylizowany przez spalanie na pochodni. Bardziej złożony algorytm zakłada energetyczne wykorzystanie odpadów, które niesie ze sobą szereg problemów natury technicznej, ekonomicznej oraz ekologicznej. Problemy te w oparciu o doświadczenia rzeszowskiej oczyszczalni ścieków zostały zaprezentowane w niniejszej pracy.
Energetyczne wykorzystanie odpadów z oczyszczalni ścieków powinno być ukierunkowane przede wszystkim na zagospodarowanie biogazu ze względu na duże korzyści energetyczne, ekonomiczne i ekologiczne.
Działające współcześnie oczyszczalnie ścieków to swego rodzaju zakłady przemysłowe stanowiące zespoły obiektów i urządzeń służących do mechaniczno-biologicznego oczyszczenia ścieków. Oczyszczalnie ścieków realizują swoje podstawowe zadanie oczyszczania ścieków, a także przeróbki i unieszkodliwienia osadów ściekowych, wykorzystując dostarczoną z zewnątrz energię. Jest to przede wszystkim energia cieplna niezbędna do utrzymania określonej temperatury procesu fermentacji osadów ściekowych w wydzielonych komorach fermentacyjnych, ogrzewania pomieszczeń, kanałów komunikacyjnych i wentylacji oraz energia elektryczna. Zapotrzebowanie na nią wykazują m.in. sprężarki powietrza napędzane silnikami elektrycznymi, pompy służące do zawracania i transportu osadu nadmiernego oraz inne silniki elektryczne napędzające urządzenia mechaniczne.
Jak w każdym zakładzie produkcyjnym, tak i w oczyszczalni ścieków, oprócz produktu, który stanowią oczyszczone ścieki, powstają również odpady. Głównym odpadem oczyszczalni ścieków są osady ściekowe. Skład osadów zmienia się w szerokich granicach, w zależności od rodzaju przemysłu na danym terenie, od rodzaju stosowanych technologii w oczyszczalni, od charakteru geograficznego miejscowości z której pochodzą ścieki oraz od szeregu innych czynników.
Przeczytaj także: Gliwice: Osady i Oczyszczalnia
Podstawowy algorytm zagospodarowania osadów ściekowych przewiduje ich deponowanie na składowisku bądź ich kompostowanie po odwodnieniu mechanicznym, a następnie przyrodnicze wykorzystanie. Bardziej złożony algorytm zagospodarowania odpadów z oczyszczalni ścieków zakłada ich energetyczne wykorzystanie, co jest związane z procesem suszenia, spalania lub współspalania, a także, wykorzystania biogazu jako paliwa. Energetyczne wykorzystanie odpadów z oczyszczalni ścieków niesie ze sobą szereg problemów natury technicznej, ekonomicznej oraz ekologicznej. Wynikają one przede wszystkim ze specyfiki samych odpadów, ich właściwości fizykochemicznych oraz energetycznych, ich ilości, a także z innych czynników, takich jak np.: technologii suszenia oraz termicznej utylizacji osadów ściekowych czy też technologii zagospodarowania biogazu.
Rodzaje osadów ściekowych
Zasadniczym produktem ubocznym oczyszczalni ścieków są osady ściekowe, które powstają w wyniku mechaniczno-biologicznego oczyszczania ścieków. Wyodrębnione ze ścieków osady to złożona organiczno-mineralna substancja, w której skład, wynikający z analizy elementarnej suchej próbki, wchodzą przede wszystkim: węgiel, wodór, tlen, azot, siarka oraz chlor, resztę stanowi popiół.
Wyróżnia się następujące rodzaje osadów ściekowych: osady wstępne, które wydzielają się w osadnikach wstępnych, w procesie mechanicznego oczyszczania ścieków oraz osady wtórne nazywane osadami nadmiernymi, które powstają w osadnikach wtórnych, w wyniku oddzielania ze ścieków osadu czynnego. Osady wstępne wraz z osadami nadmiernymi stanowią tzw. osady surowe. Zawartość wody w osadach surowych to około 99%. W celu umożliwienia zagospodarowania osadów surowych poddaje się je procesom odwadniania, może to być np. zagęszczanie mechaniczne lub grawitacyjne. Zawartość wody w takich osadach jest rzędu 90-95%. Osady mogą podlegać procesowi fermentacji, w jego wyniku zmniejsza się również zawartość wody, maleją jednak również właściwości energetyczne.
Właściwości energetyczne osadów ściekowych
Aby mówić o energetycznym wykorzystaniu osadów ściekowych, konieczna jest znajomość właściwości energetycznych tych odpadów, czyli ciepła spalania i wartości opałowej. Zgodnie z definicją ciepło spalania lub wartość opałowa górna (HHV- higher heating value) to wartość energii jaką otrzymuje się przy spaleniu bez pozostałości części palnych jednostki masy paliwa i ochłodzeniu spalin do temperatury otoczenia. Natomiast wartość opałowa lub wartość opałowa dolna (LHV- lower heating value) to ciepło spalania pomniejszone o ciepło parowania wody zawartej w spalinach (wody, która powstała z reakcji wodoru z tlenem oraz wody zawartej w próbce paliwa przed spaleniem). Oznaczanie ciepła spalania przeprowadza się w bombie kalorymetrycznej, natomiast wartość opałową wylicza się z określonych zależności. Na podstawie przedstawionych wyżej definicji można stwierdzić, że adekwatną wielkością stanowiącą o przydatności energetycznej danej substancji będzie jej wartość opałowa dolna.
Istotną rolę odgrywa sposób obliczania wartości opałowej dolnej. Problem stanowi bardzo duża zawartość wilgoci w próbce paliwa. Przy zawartości wilgoci rzędu 90% nie ma możliwości spalenia takiej próbki w bombie kalorymetrycznej. Dlatego, próbkę przed spaleniem należy wysuszyć. Ponieważ jednak w przypadku osadów ściekowych badana próbka jest przed spalaniem osuszana, do obliczenia LHV powinno się stosować formułę (Regueira i in. 2002) uwzględniającą odparowanie wody podczas osuszania próbki. Stosowanie zależności (1) w bardzo istotny sposób zawyża wartość LHV, a tym samym daje zły obraz co do możliwości energetycznego wykorzystania osadów ściekowych.
Ze względu na niskie wartości LHV, nie jest korzystne bezpośrednie użycie osadów ściekowych jako paliwa. Dopiero ich uprzednie wysuszenie pozwala na energetyczne wykorzystanie. Jednak proces suszenia to dodatkowy nakład energetyczny. Skład chemiczny osadu w zasadzie nie ulega zmianie podczas procesu suszenia. Zmiany występują jedynie w przypadku gdy temperatura w jakiej suszone są osady przekroczy 85oC, wtedy następuje zwęglanie substancji organicznych.
Istnieją różne technologie suszenia osadów ściekowych. Wykorzystywane są w nich tzw. tradycyjne metody suszenia, które wymagają zastosowania odpowiednich urządzeń (np. suszarnia bębnowa, suszarnia fluidalna, suszarnia taśmowa). Inna metoda wykorzystuje energię słoneczną w tzw. suszarniach słonecznych. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod suszenia, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne są w tym przypadku stosunkowo niskie.
Doświadczenia techniczne pokazują (Zarzycki i Wielgosiński 2003), że współspalanie osadów ściekowych odpowiednio wysuszonych wraz z paliwami kopalnymi ma dobre zastosowanie w piecach cementowych -do wypalania klinkieru. Może być też wykorzystywane w elektrowniach, elektrociepłowniach i kotłowniach. Jednak w przypadku współspalania osadów ściekowych z paliwami kopalnymi mogą wystąpić kłopoty z dotrzymaniem norm emisji. W przypadku spalania osadów główny problemem stanowi wysoki koszt budowy spalarni, a także wysokie koszty eksploatacyjne. W Polsce jedynie w Grupowej Oczyszczalni Œcieków w Gdyni-Dębogórzu pracuje spalarnia osadów ściekowych.
Energetyczne wykorzystanie biogazu
Ze względu na niskie wartości LHV surowych osadów ściekowych oraz wspomniane powyżej problemy związane ze współspalaniem osadów, rozważa się możliwość innego energetycznego wykorzystania odpadów z oczyszczalni ścieków. Jest to wykorzystanie biogazu powstałego w wyniku fermentacji osadów ściekowych. Fermentacja jest skomplikowanym procesem, w skład którego wchodząbiochemiczne przemiany powodowane przez pewne wyspecjalizowane grupy bakterii beztlenowych. Na skutek tych przemian złożone związki organiczne, takie jak węglowodany, białka i tłuszcze, zostają rozłożone do zasadniczych produktów: metanu, dwutlenku węgla i pary wodnej. Fermentacja przebiega w okreś-lonej temperaturze, tak więc istnieje konieczność utrzymania stałej, podwyższonej temperatury w komorach fermentacyjnych przez określony czas, co wiąże się z pewnym nakładem energetycznym.
Udziały tych składników mogą być różne, w zależności od składu osadów ściekowych oraz warunków procesu fermentacji. Ze względu na stosunkowo dużą zawartość metanu, biogaz charakteryzuje się dość wysokimi wartościami HHV i LHV. Jeżeli chodzi o sposób wyznaczania HHV i LHV, to stosuje się przybliżone wzory w oparciu o skład biogazu lub metodę eksperymentalną polegającą na pomiarze w kalorymetrze przepływowym. Dobre właściwości energetyczne biogazu stanowią podstawę do jego energetycznego wykorzystania, które może polegać na bezpośrednim spalaniu paliwa biogazowego w kotłach i produkcji w ten sposób energii cieplnej lub na skojarzonej produkcji energii cieplnej i elektrycznej w tzw.
W wyniku ciągłego zwiększania się ilości wytwarzanych osadów ściekowych zachodzi konieczność znalezienia alternatywnych metod ich wykorzystania czy utylizacji. Jedną z nich może być zastosowanie osadów ściekowych w produkcji ceramiki i materiałów budowlanych. Korzystny skład chemiczny i mineralny powoduje, że osady stanowią jeden ze składników ceramiki budowlanej. W produkcji lekkich kruszyw, takich jak keramzyt, wykorzystuje się osady ściekowe jako środki spulchniające.
Z drugiej strony spieki ceramiczne, takie jak syntetyczne zeolity czy spiekane popioły lotne, wykorzystuje się jako sorbenty zanieczyszczeń pochodzących z osadów ściekowych wprowadzanych do środowiska. Do higienizacji osadów używa się zwykle tlenku lub wodorotlenku wapnia, jak również materiałów odpadowych, czyli mączki bitumicznej, dolomitów, odpadów ze spalania węgla brunatnego, pyłów z wapienników lub pieców cementowych. Ustabilizowany i odwodniony w ten sposób osad nie stwarza zagrożenia dla środowiska i może być wykorzystany przyrodniczo.
tags: #klinkier #ekologiczny #z #osadu #oczyszczalni #właściwości
