OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW W PRZEMYŚLE SPOZYWCZYM. jaki proces oczyszczania wybrać. Ireneusz Plichta Przedsiębiorstwo Inżynierskie ProEko

Transkrypt

1 OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW W PRZEMYŚLE SPOZYWCZYM jaki proces oczyszczania wybrać Ireneusz Plichta Przedsiębiorstwo Inżynierskie ProEko

2 TEMATYKA REFERATU Opłacalność stosowania poszczególnych procesów oczyszczania w zależności od uwarunkowań lokalnych oraz ilości i jakości ścieków, Dla oczyszczania beztlenowego optymalny typ reaktora w zależności od stężenia i rodzaju ścieków

3 METODY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW OMÓWIONE W REFERACIE NAKŁADY INWESTYCYJNE OCZYSZCZANIE CHEMICZNE TLENOWE OCZYSZCZANIE MEMBRANOWE KLASYCZNE OCZYSZCZANIE TLENOWE OCZYSZCZANIE BEZTLENOWO TLENOWE KOSZTY EKSPLOATACYJNE

4 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA KOSZTY DLA POSZCZEGÓLNYCH SPOSOBÓW OCZYSZCZANIA Oczyszczanie chemiczne chemikalia zapotrzebowanie nie wprost proporcjonalne do ładunku zanieczyszczeń zawartego w ściekach, im większy ładunek tym mniejsza dawka jednostkowa Oczyszczanie membranowe - energia elektryczna dla potrzeb napowietrzania zapotrzebowanie wprost proporcjonalne do ładunku zanieczyszczeń zawartego w ściekach + energia elektryczna do pokonania oporu membrany i jej napowietrzania wprost proporcjonalna do ilości ścieków Oczyszczanie tlenowe energia elektryczna dla potrzeb napowietrzania - zapotrzebowanie wprost proporcjonalne do ładunku zanieczyszczeń zawartego w ściekach Oczyszczanie beztlenowe energia cieplna w celu utrzymywanie odpowiedniej temperatury procesu zapotrzebowanie wprost proporcjonalne do ilości ścieków, niezależne od ładunku zanieczyszczeń zawartego w ściekach

5 Jednostkowe koszty chemicznego podczyszczania ścieków mleczarskich Wskaźnik Jednostka Zakład 1 Zakład 2 Zakład 3 ChZT-wejście kgo 2 /m 3 2,750 1,600 2,250 ChZT-wyjście kgo 2 /m 3 0,750 0,560 1,250 ChZT-redukcja kgo 2 /m 3 2,000 1,040 1,000 Kwas-koszt zł/m 3 ścieków Zasada-koszt zł/m 3 ścieków Koagulant-koszt zł/m 3 Polielektrolitkoszt Koszty/m 3 ścieków Koszty/kg ChZT ścieków zł/m 3 ścieków zł/m 3 ścieków zł/kg ChZT usuniętego 0, ,22 0,36 1,13-0,24 0,43 0,07 0,05 0,07 1,24 0,65 1,63 0,62 0,63 1,63

6 SROSOWALNOŚĆ OCZYSZCZANIE CHEMICZNE (FLOTACJA WSPOMAGANA DOZOWANIEM CHEMIKALIÓW) Stosunkowo prosta eksploatacja Niskie w porównaniu do innych metod nakłady inwestycyjne W wielu przypadkach możliwość wprowadzenia w zakładzie bez uciążliwych i czasochłonnych procedur administracyjnych Najwyższy w stosunku do innych metod jednostkowy koszt usunięcia zanieczyszczeń Stopień oczyszczenia ścieków w procesie chemicznym (flotacja wspomagana dozowaniem chemikaliów) nie pozwala na ich bezpośrednie wprowadzanie do środowiska. Procesy te mogą być wykorzystywane jako podczyszczenie przed wprowadzaniem do kanalizacji lub oczyszczanie wstępne przed obróbką biologiczną Największe uzasadnienie ma samodzielne stosowanie tego procesu dla stosunkowo małych ilości ścieków

7 KOSZTY OCZYSZCZANIA MEMBRANOWEGO Energia potrzebna do filtracji/napowietrzania/płukania wstecznego (źródło GE Water&Proces Technologies): dla starszych typów membran : 0,7 0,9 kwh/m 3 dla najnowszych generacji membran: 0,15 kwh/m 3 Aby dla technologii membranowej uzyskać niższy nakład inwestycyjny w stosunku do klasycznego oczyszczania tlenowego należy prowadzić proces przy wyższym stężeniu osadu w komorach napowietrzania odpowiednie wartości przedstawiają się następująco: klasyczne oczyszczanie tlenowe: 3,5 4,5 kg s.m. osadu/m 3 oczyszczanie membranowe: kg s.m. osadu/m 3 Wpływ stężenia osadu w komorze napowietrzania na stopień wykorzystania tlenu (współczynnik α): obciążenie: 3,5 4,5 kg s.m. osadu/m 3 α ok. 0,7 0,75 co odpowiada ok. 2 kg tlenu/kwh oczyszczanie membranowe: kg s.m. osadu/m 3 α ok. 0,3-04 co odpowiada 1 kg tlenu/kwh

8 Źródło: Kamil Janiak, Stopień wykorzystania tlenu i czynniki na niego wpływające, Forum Eksploatatora 4/12

9 ZAKRES STOSOWALNOŚCI TECHNOLOGII MEMBRANOWYCH Stosowanie technologii membranowych głównie ma uzasadnienie w następujących sytuacjach: skrajnie mała powierzchnia dostępnego dla potrzeb oczyszczalni terenu konieczność szybkiego zwiększenia zdolności przerobowej oczyszczalni ostrzejsze od standardowych wymogi jakościowe wprowadzania ścieków do środowiska zawracanie ścieków oczyszczonych do procesu technologicznego (najbardziej opłacalne w sytuacji gdy Zakład kupuje wodę z sieci miejskiej i odprowadza ścieki do miejskiej kanalizacji)

10 Porównanie procesu oczyszczania tlenowego i beztlenowego Oczyszczanie tlenowe Oczyszczanie beztlenowe Temperatura procesu o C o C Redukcja materii organicznej W stopniu umożliwiającym wprowadzanie ścieków do środowiska W stopniu wymagającym dodatkowego doczyszczania przed wprowadzeniem do środowiska Zapotrzebowanie energii Energia elektryczna w ilości wprost proporcjonalnej do ładunku zanieczyszczeń Energia cieplna w ilości wprost proporcjonalnej do ilości ścieków Odzysk energii Brak Energia w biogazie ilość wprost proporcjonalna do ilości ścieków Powstające odpady Osad nadmierny w ilości około 0,7 kg s.m.o./kg BZT 5 usuniętego Osad nadmierny w ilości około 0,07 kg s.m.o./kg BZT 5 usuniętego

11 Od ścieku do metanu Uśrednienie Wstępna obróbka Produkcja Biogazu Ściek Biogaz Oczyszczony ściek Osad

12 Dane wyjściowe Porównania kosztów eksploatacyjnych dokonano przy założeniu następujących cen: średni koszt energii elektrycznej k ee.jedn = 0,37 zł/kwh, średni koszt energii cieplnej (kotłownia węglowa) k ec.jedn = 0,12 zł/kwh, koagulant (PIX) 610 zł/mg, zasada (NaOH) 905 zł/mg, polielektrolit 13 zł/kg. koszt zagospodarowania osadu nadmiernego kj n =50 zł/mg koszt zagospodarowania osadu poflotacyjnego k jf = 300 zł/m3. Dla przypadku spalania biogazu w agregacie kogeneracyjnym wartość świadectw pochodzenia energii przyjęto: świadectwo pochodzenia energii zielonej (energia elektryczna ze źródeł odnawialnych) 0,12 zł/kwh świadectwo pochodzenia energii żółtej (wysokosprawna kogeneracja) - 0,12 zł/kwh

13 Koszty usuwania zanieczyszczeń w procesie tlenowym średni stosunek ilości wprowadzanego tlenu do ładunku zanieczyszczeń zawartego w ściekach OC/L = 2 kg O 2 /kg BZT 5 usuniętego średnia ekonomia natleniania stosowanych obecnie urządzeń (w warunkach rzeczywistych) e oc =2 kg O 2 /kwh przeciętne zapotrzebowanie energii 1 kwh/kg BZT 5 usuniętego koszt energii elektrycznej k ee.jedn = 0,37 zł/kwh koszt jednostkowy usunięcia BZT 5 K oc1 = 0,37 zł/kg BZT 5 usuniętego stosunek BZT 5 /ChZT 0,7 koszt jednostkowy usunięcia ChZT K oc2 = 0,26 zł/kg ChZT usuniętego

14 Właściwa szybkość rozkładu beztlenowego w zależności od temperatury

15 Koszty usuwania zanieczyszczeń w procesie beztlenowym energia cieplna do podniesienia temperatury ścieków i pokrycia strat przez ściany zbiornika NaOH 0,5 dm 3 /m 3 ścieków Dopływ ścieków Wymiennik ciepła C ść = 3,6 kwh/m 3 Δt = 3 o C Reaktor beztlenowy energia cieplna w biogazie 3,51 kwh/kg ChZT us straty ciepła przez ściany zbiornika C śćii = 0,12 kwh/m 3 Odpływ ścieków - jednostkowy koszt energii cieplnej (kotłownia węglowa) k ec.jedn = 0,12 zł/kwh -koszt energii cieplnej dostarczanej do komory fermentacyjnej K kf = 0,43 zł/m 3 dopływających ścieków -jednostkowy koszt NaOH 0,9 zł/kg -koszt NaOH wprowadzanego do komory fermentacyjnej K kf_naoh = 0,59 zł/m 3 dopływających ścieków - jednostkowy koszt oczyszczania beztlenowego K kf = 1,02 zł/m 3

16 SCHEMAT PRZEMIAN SUBSTANCJI OGRANICZNYCH W PROCESIE FERMENTACJI POLIMERYCZNE ZWIĄZKI ZŁOŻONE (białka, polisacharydy, lipidy) MONOMERY I OLIGOMERY (cukry, aminokwasy, peptydy hydroliza 2% 76% 20% kwasogeneza KWAS PROPIONOWY, MASŁOWY ITP 24% 52% acetogeneza H 2 + CO 2 OCTANY 28% 72% metanogeneza CH 4 + CO 2

17 PRZEMIANY ZWIĄZKÓW WĘGLA W OCZYSZCZANIU ŚCIEKÓW PROCES TLENOWY PROCES BEZTLENOWY CO 2 ok. 50% C całk biomasa ok. 1-5% C całk węgiel resztkowy ok.. 1 5% C całk węgiel całkowity 100 % biomasa ok. 50% C całk węgiel całkowity 100 % biogaz ok % C całk

18 Koszty utylizacji osadów Osady nadmierne - jednostkowy przyrost osadu tlenowego m jtbzt = 0,7 kg s.m.o./kg BZT 5us, - stosunek BZT 5 /ChZT = 0,7, - jednostkowy przyrost osadu tlenowego w odniesieniu do ChZT m jtchzt = 0,5 kg s.m.o./kg ChZT us, - jednostkowy przyrost osadu beztlenowego w odniesieniu do ChZT m jbchzt = 0,06 kg s.m.o./kg ChZT us, - redukcja ChZT w procesie beztlenowym 80 %, - uwodnienie osadu po urządzeniu odwadniającym 84 %, - jednostkowy koszt utylizacji osadu nadmiernego k jn = 50 zł/mg, - koszt utylizacji osadu w przypadku procesu wyłącznie tlenowego 0,156 zł/kg ChZT us, - koszt utylizacji osadu w przypadku procesu beztlenowo tlenowego 0,046 zł/kg ChZT us, Osady z flotatorów - średnie stężenie ekstraktu eterowego S ee = 300 g/m 3, - uwodnienie osadu poflotacyjnego 93%, - jednostkowy koszt utylizacji osadu poflotacyjnego k jf = 300 zł/m 3, - koszt utylizacji osadu poflotacyjnego dla usuwania bezpośredniego 1,29 zł/m 3 dopływających ścieków, - ubytek osadu poflotacyjnego w procesie fermentacji 50 %, - koszt utylizacji osadu poflotacyjnego przefermentowanego (osad odwodniony i zagospodarowany łącznie z osadami nadmiernymi) 0,047 zł/m 3.

19 Bilans energii w agregacie kogeneracyjnym energia pierwotna w paliwie 100 % straty ok. 8% energia cieplna ok. 54 % wysokotemperaturowe źródła ciepła spaliny wylotowe temp o C ok. 27 % niskotemperaturowe źródła ciepła układ chłodzenia silnika i układ chłodzenia oleju smarnego temp. < 90 o C ok. 27 % energia elektryczna ok. 38%

20 Zyski z produkcji biogazu Energia cieplna w biogazie 3,51 kwh/kg ChZT us Zysk w przypadku gdy biogaz zastępuje gaz ziemny Z biog_gz = 0,56 zł/kg ChZT us W przypadku gdy energię elektryczną wykorzystujemy na potrzeby własne oraz mamy możliwość zagospodarowania energii cieplnej możemy uzyskać następujące jednostkowe korzyści ze spalania biogazu w agregacie kogeneracyjnym: zysk z tytułu braku konieczności zakupu energii elektrycznej: Z biog_el = 0,49 zł/kg ChZT us zysk z tytułu braku konieczności produkcji energii cieplnej z gazu ziemnego: Z biog_ec = 0,27 zł/kg ChZT us zysk ze sprzedaży świadectw pochodzenia zielonych (energia elektryczna ze źródeł odnawialnych): Z biog_ziel = 0,17 zł/kg ChZT us zysk ze sprzedaży świadectw pochodzenia żółtych (energia elektryczna produkowana w wysokosprawnej kogeneracji): Z biog_żółt = 0,17 zł/kg ChZT us Łączny jednostkowy zysk ze spalania biogazu w agregacie kogeneracyjnym wynosi: Z biog_agr.kog = 1,1 zł/kg ChZT us.

21 Porównanie kosztów poszczególnych metod oczyszczania - koszt usunięcia 1 kg ChZT w procesie chemicznym min K chem = 0,62 zł/kg ChZT us - koszt usunięcia 1 kg ChZT w procesie tlenowym K oc1 = 0,26 zł/kg ChZT us - koszt usunięcia 1 kg ChZT w procesie tlenowym z uwzględnieniem kosztu zagospodarowania osadów K oc2 = 0,41 zł/kg ChZT us - jednostkowy koszt oczyszczenia 1 m 3 w procesie beztlenowym K kf1 = 0,95 zł/m 3 dopływających ścieków - jednostkowy koszt oczyszczenia 1 m 3 w procesie beztlenowym z uwzględnieniem kosztu zagospodarowania osadów K kf2 = 0,99 zł/m 3 dopływających ścieków - jednostkowy koszt oczyszczenia 1 m 3 w procesie beztlenowym z uwzględnieniem kosztu zagospodarowania osadów i wykorzystaniem biogazu jako alternatywy do spalania gazu ziemnego K kf3 = 0,5 zł/m 3 dopływających ścieków

22 Porównanie kosztów poszczególnych metod oczyszczania c.d. minimalna ilość ChZT jaka musi być usunięta w procesie beztlenowym w celu uzyskania porównywalnych kosztów z procesem tlenowym: S ChZT_us = K kf : K oc_1 = go 2 /m 3 Założona redukcja ChZT w procesie beztlenowym 80% Minimalne stężenie ChZT w ściekach oczyszczonych mechanicznie w celu uzyskania porównywalnych kosztów z procesem tlenowym: S ChZT_1 = S ChZT_us : 0,8 = go 2 /m 3 minimalne stężenie ChZT w ściekach oczyszczonych mechanicznie w celu uzyskania porównywalnych kosztów z procesem tlenowym przy uwzględnieniu kosztów utylizacji osadów: S ChZT_2 = go 2 /m 3 minimalne stężenie ChZT w ściekach oczyszczonych mechanicznie w celu uzyskania porównywalnych kosztów z procesem tlenowym przy uwzględnieniu kosztów utylizacji osadów oraz zysków z produkcji biogazu: S ChZT_3 = go 2 /m 3

23 OKREŚLENIE OKRESU ZWROTU INWESTYCJI W REAKTOR BEZTLENOWY Koszty inwestycyjne zostały określone dla oczyszczalni ścieków mleczarskich na którą kierowane są ścieki w ilości: średniodobowo Q dśr = 1500 m 3 /d o stężeniu zanieczyszczeń: ChZT = m 3 /d przy założeniu, że mleczarnia nie ma żadnych istniejących urządzeń

24 Nakłady inwestycyjne oczyszczalni beztlenowo tlenowej przyjęto na podstawie kosztorysów inwestorskich projektowanego obiektu wynoszą one: K inw.bezt-tlen = zł Nakłady inwestycyjne oczyszczalni wyłącznie tlenowej określone w sposób analogiczny: K inw.tlen = zł

25 Porównanie nakładów i kosztów Różnica nakładów inwestycyjnych pomiędzy oczyszczalnią z procesem beztlenowo tlenowym a oczyszczalnią z procesem tlenowym: R k.inw = K inw.bezt-tlen K inw.tlen = = zł Różnica kosztów eksploatacyjnych pomiędzy oczyszczaniem w procesie tlenowym a oczyszczaniem w procesie beztlenowo tlenowym: R k.eksp = (k ekspl.tlen + k utyl.tlen ) (k utyl.bezt-tlen + k utyl.bezt-tlen ) = ( ,55) (0,39 + 0,16) = 0,63 zł/m 3 dla m 3 /d = 945 zł/d = = zł/rok

26 Okres zwrotu inwestycji Okres zwrotu inwestycji bez energetycznego wykorzystania biogazu: T 1 = R k.inw : R k.eksp = : = 7,5 roku Okres zwrotu inwestycji w przypadku wykorzystania biogazu jako alternatywy do węgla kamiennego: T 2 = R k.inw : (R k.eksp + Z biog-węg ) = : = 3.66 roku Okres zwrotu inwestycji w przypadku wykorzystania biogazu jako alternatywy do gazu ziemnego: T 2 = R k.inw : (R k.eksp + Z biog-gaz ) = : = 2,7 roku

27 Okres zwrotu inwestycji w przypadku korzystania ze środków zewnętrznych W przypadku dofinansowania inwestycji ze środków zewnętrznych na poziomie 50% odpowiednie okresy zwrotu wyniosą: okres zwrotu bez energetycznego wykorzystania biogazu T 1_50% = 3,75 roku okres zwrotu inwestycji w przypadku wykorzystania biogazu jako alternatywy do węgla kamiennego: T 2_50% = 1,83roku okres zwrotu inwestycji w przypadku wykorzystania biogazu jako alternatywy do gazu ziemnego: T 2 = 1,35 roku

28 PORÓWNANIE ZAPOTRZEBOWANIA TERENU OCZYSZCZALNI BEZTLENOWO TLENOWEJ I OCZYSZCZALNI TLENOWEJ

29 ZAKRESY STOSOWALNOŚCI REAKTORÓW BEZTLENOWYCH ChZT do g O 2 /m 3 stosowanie procesu beztlenowego jako alternatywy do procesu tlenowego praktycznie rzecz biorąc nie ma uzasadnienia ekonomicznego, ChZT od g O 2 /m 3 do g O 2 /m 3 stosowanie procesu beztlenowego może mieć uzasadnienie ekonomiczne wraz ze wzrostem ilości ścieków kierowanych na oczyszczalnię zmniejsza się graniczne stężenie przy którym celowe jest zastosowania reaktora beztlenowego, ChZT powyżej g O 2 /m 3 korzystniejsze jest stosowanie procesu beztlenowego niż procesu wyłącznie tlenowego,

30 Zasadnicze typy reaktorów beztlenowych stosowanych w oczyszczaniu ścieków Reaktor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) Reaktor EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) Reaktor kontaktowy Reaktory ze złożem stałym Reaktory membranowe

31 REAKTOR UASB Obciążenie literaturowe do kg ChZT/m 3, w praktyce do 8 kg ChZT/m 3, bezpieczne 3 6 kg ChZT/m 3, Prędkość wznoszenia 1 1,5 m/h Odporny na zawiesinę w ściekach, Średnio odporny na zawartość wapnia Zazwyczaj stosowany w przypadku ścieków o stosunkowo niskim stężeniu ChZT (do gchzt/m 3 )

32 Reaktor UASB w mleczarni Reaktor UASB w zakładzie produkcji lodów

33 REAKTOR EGSB (TYP IC) Obciążenie literaturowe do 25 kg CHZT/m 3, w praktyce dla mleczarni i drożdżowni do 15 kg CHZT/m 3, dla produkcji soków do 20 kg CHZT/m 3, Prędkość wznoszenia 4 8 m/h przy uwzględnieniu recyrkulacji wewnętrznej do 20 m/h Wrażliwy na zawartość wapnia do 500 g Ca/m 3, Stosowany przy wysokich stężeniach ChZT w ściekach (powyżej 5000 gchzt/m 3 )

34 Reaktor IC w mleczarni Reaktor R2S w zakładzie przetwórstwa ziemniaków Reaktor R2S w zakładzie przetwórstwa jabłek

35 REAKTOR KONTAKTOWY Obciążenie literaturowe około 10 kg CHZT/m 3, Stosowany w przypadku występowania w ściekach wysokich (powyżej 800 g Ca/m 3 ) zawartości wapnia w ściekach np. w cukrowniach, Możliwość wykorzystania do pozyskiwania biogazu z substratów o dużej zawartości wapnia np. z serwatki

36 Reaktor kontaktowy w cukrowni Osadnik wtórny współpracujący z reaktorem kontaktowym

37 Dziękuję za uwagę Ireneusz Plichta Przedsiębiorstwo Inżynierskie ProEko Al. Jana Pawła II Bydgoszcz tel fax