Archives of Waste Management and Environmental Protection Archiwum Gospodarki Odpadami http://ago.helion.pl ISSN 17-481, Vol. 11 (2009), Issue 2 p. 4-62 Aspekty ekologiczne unieszkodliwiania osadów z oczyszczalni ścieków ich współspalaniu w kotłach energetycznych Pikoń K., Kokot A. Politechnika Śląska w Gliwicach Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów Konarskiego 18, 44-100 Gliwice tel. (+48 2 27 21 14), fax (+48 2) 27 12 1, e-mail krzysztof.pikon@polsl.pl. Streszczenie W pracy dokonano ogólnego przeglądu metod unieszkodliwiania osadów ściekowych. Przedstawiono technologię termicznego unieszkodliwiania osadów z oczyszczalni ścieków ich współspalaniu w kotłach energetycznych, oraz pokazano korzyści i trudności wynikające z ich termicznego unieszkodliwiania. Na kładzie PEC Gliwice obliczono ilości osadów ściekowych możliwe do unieszkodliwiana ich współspalaniu. Pokazano także bilans masowy i energetyczny współspalaniu osadów ściekowych, jak również aspekty ekonomiczne tejże metody ich unieszkodliwiania. Abstract Environmental aspects of sludge from sewage-treatment plant treatment during co-combustion in energetic boilers In the paper general review of methods of sludge utilization is presented. The detailed study on thermal treatment of sludge during co-combustion in energetic boilers is given. The analysis of costs and benefits of application of those technologies are presented. On the basis of data obtained form PEC Gliwice the possible quantity of sludge for utilization was calculated. The mass and energy flows during co-combustion were analyzed as well as economic aspects of the process. 1. Wstęp Zgodnie z dyrektywami UE mówiącymi o wykorzystaniu odpadów do celów energetycznych oraz wprowadzającymi szereg zaleceń i obowiązków redukowania ilości składowanych odpadów biodegradowlanych, konieczne będzie wykorzystanie innych metod unieszkodliwiania odpadów [1]. Dodatkowy konieczny odzysk i unieszkodliwianie (poza składowaniem) obejmie, więc także osady komunalne. Spalanie czy współspalanie osadów ściekowych z oczyszczalni komunalnych jest, więc koniecznością, aby dotrzymać wymogi UE.
44 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) 2. Unieszkodliwianie osadów ściekowych Ogólne możliwości unieszkodliwiania lub zagospodarowania osadów ściekowych przedstawiono na rys. 2.1. OSADY ODWODNIONE KOMPOSTOWANIE SPALANIE ZGAZOWANIE WSPÓŁSPALANIE WAPNOWANIE SUSZENIE WYKORZYSTANIE PRZYRODNICZE WSPÓŁSPALANIE W CEMENTOWNIACH Z WĘGLEM Z ODPADAMI Rysunek 2.1. Możliwości unieszkodliwiania lub zagospodarowania osadów ściekowych [2] 2.1. Przyrodnicze wykorzystanie osadów ściekowych Skład mineralny i organiczny osadów z komunalnych oczyszczalni ścieków jest zbliżony do glebowej substancji organicznej, zwanej próchnicą. Przywracanie glebie składników zgromadzonych w osadach ściekowych jest więc właściwe z punktu widzenia gospodarczego, a także potrzebne do zachowania i odtwarzania ekologicznej równowagi. Pod pojęciem rodniczego wykorzystania osadów ściekowych rozumie się ich wykorzystanie do [2]: nawożenia gleb i roślin, rekultywacji gleb zdegradowanych i bezglebowych gruntów, roślinnego utrwalania bezglebowych gruntów narażonych na erozyjne działanie wody i wiatru, produkcji kompostu na wyżej wymienione cele. 44
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol.11, issue 2 (2009) 45 2.2. Kompostowanie osadów ściekowych Kompostowanie osadów ściekowych jest procesem wielofunkcyjnym mającym na celu: stabilizację osadów, zniszczenie organizmów chorobotwórczych, redukcję masy i uwodnienia. Substancja organiczna po przetworzeniu na kompost może być wykorzystana jako materiał nawozowy, rekultywacyjny i strukturotwórczy. Kompost jest cennym nawozem organicznym, mogącym zastąpić obornik i inne nawozy organiczne, szczególnie w rejonach podmiejskich (gdzie występują ich niedobory). Problemy napotykane kompostowaniu to: uciążliwe odory ( metodzie pryzmowej), zagospodarowanie odcieków, produkt kompostowania musi spełniać określone wymagania jakościowe, określające dopuszczalną zawartość zanieczyszczeń (pierwiastki toksyczne). Zdarza się więc, iż osady z oczyszczalni ścieków komunalnych są poddawane kompostowaniu (w celu zmniejszenie ich zagrożenia sanitarnego dla środowiska), a następnie są deponowane na składowisku, gdyż nie spełniają przepisów ustawy o nawozach i nawożeniu (DzU 2004 Nr 26, poz.269). Mamy wtedy do czynienia z sytuacją, w której ponosimy nakłady finansowe na proces kompostowania, a uzyskujemy bezużyteczny odpad. 2.. Składowanie osadów ściekowych Składowanie osadów ściekowych jest jednym z najprostszych sposobów ich zagospodarowania. Jednak wraz ze zmianą przepisów prawnych taki sposób ich zagospodarowania powinien być znacznie ograniczony. Ceny deponowania osadów ściekowych na składowiskach systematycznie rosną. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 7 wrześnie 2005 w sprawie kryteriów dopuszczania odpadów do składowania zakazuje deponowania nieprzetworzonych osadów ściekowych na składowiska. Dlatego w gospodarce osadowej zaleca się stosowanie innych metod, w których termiczne przekształcenie osadów ściekowych musi być koniecznością, aby dotrzymać zobowiązań dyrektyw UE w sprawie składowania odpadów biodegradowalnych. 2.4. Spalanie i współspalanie osadów ściekowych Osady ściekowe ze wzglądu na swoje właściwości energetyczne mogą być spalane, współspalanie bądź wykorzystywane w przemyśle (np. do produkcji klinkieru cementowego). Taki sposób ich zagospodarowania dotyczyć powinien aglomeracji o RLM 100 000, gdyż w nich produkowane jest prawie 45% ogólnej ilości osadów [2]. W świetle obowiązujących i projektowanych aktów prawnych unieszkodliwianie osadów ściekowych metodami termicznymi powinno być w szłości szeroko wykorzystywane (rys.2.2). 45
46 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) OSADY UWODNIONE ODWADNIANIE SUSZENIE SPALANIE: PIECE PÓŁKOWE WARSTWA FLUIDALNA POŁĄCZENIE PIECÓW PÓŁKOWYCH Z WARSTWĄ FLUIDALNĄ PIECE OBROTOWE WSPÓŁSPALANIE: Z WĘGLEM W ELEKTROWNIACH LUB CIEPŁOWNIACH Z INNYMI PALIWAMI Z ODPADAMI KOMUNALNYMI PRZY PRODUKCJI CEGIEŁ PRZY PRODUKCJI CEMENTU W INNYCH PROCESACH PROCESY ALTERNATYWNE: MOKRE UTLENIANIE PIROLIZA OFS PALIWO Z ODPADÓW PIROLIZA- ZGAZOWANIE PIROLIZA-SPALANIE ZESZKLIWIANIE Rysunek 2.2. Różne rozwiązania termicznych metod unieszkodliwiania osadów ściekowych [2]. Obliczenia ilości unieszkodliwianych osadów ich współspalaniu z węglem Współspalanie osadów ściekowych z węglem może się odbywać w ciepłowniach, elektrociepłowniach, piecach cementowych bądź w elektrowniach. Może być realizowane w kotłach rusztowych, pyłowych bądź fluidalnych. Ilość osadów ściekowych możliwa do unieszkodliwienia na 1Mg spalonego węgla obliczona została dla następujących danych: węgla = 24,4 MJ/kg [],,suchego = 14,66 MJ/kg [4], 46
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol.11, issue 2 (2009) 47 przeanalizowano 4 warianty procentowej zawartości osadów ściekowych w przeliczeniu na masę suchą do masy spalanego węgla ( 1%, 2%, %, 5%). w każdym wariancie rozpatrzono różne poziomy zawartości wilgoci (75%, 80%, 85%). Są to wartości uzyskiwane w oczyszczalniach ściekowych po procesach odwadniania (najczęściej w prasach lub wirówkach) z pominięciem procesów suszenia, Przeanalizowano dwie opcje pracy instalacji współspalającej osady ściekowe: opcja 1 w której wydajność masowa instalacji jest stała i nie pozwala na zwiększenie strumienie paliwa, opcja 2 w której wydajność instalacji pozwala na zmiany strumienia paliwa, a produkcja energii się nie zmienia. Omawiane opcje zostały przedstawione na kładzie Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej Gliwice Sp. z.o.o i Centralnej Oczyszczalni Ścieków w Gliwicach. Celem jest pokazanie możliwego wzajemnego skojarzenia tych zakładów, w ten sposób, aby osady wytwarzane w oczyszczalni ścieków współspalanie były w kotłach zakładu energetycznego. Szczegółowe opisy powyższych opcji, wraz z analizowanymi wariantami zostały przedstawione w podrozdziałach.1. i.2..1. Opcja 1 stała wydajność instalacji W opcji tej niemożliwe jest zwiększenie strumienia paliwa, przez co ilość produkowanej energii współspalaniu osadów będzie mniejsza. Jest to padek skrajnie pesymistyczny, w którym kotły pracują na maksymalnym obciążeniu, a wartość opałowa samego węgla jest stała. W praktyce nie mamy do czynienia z taką sytuacja. Wraz z procentowym wzrostem zawartości (masy suchej) jego współspalaniu z węglem spada wartość opałowa otrzymanego paliwa. Natomiast ze wzrostem wilgotności w danych wariantach ilość unieszkodliwianego suchego nie zmienia się, a jedynie rośnie masa wilgotnego przeznaczonego do współspalenia. Spada przez to udział masowy węgla w paliwie, a przez to końcowa wartość opałowa. Część energii węgla przeznaczona jest na odparowanie wody zawartej w spalanych osadach ściekowych. Zestawienie wyników dla opcji 1 w poszczególnych wariantach pokazuje tabela.1. Ważnym elementem jest, więc wybór odpowiedniego wariantu, aby spełnione były wcześniej założone warunki (przez ciepłownie, elektrociepłownie), w których współspalanie w kotłach energetycznych nie odbiega od ich pracy nominalnej. Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest współspalanie osadów ściekowych ich jak największej procentowej zawartości masy suchej (w stosunku do spalanego węgla) jak najmniejszej zawartości wilgoci. Uzyskuje się w ten sposób największy strumień masowy unieszkodliwianych osadów, ich największym własnym wkładzie energetycznym. Ideałem byłoby współspalanie osadów suchych, jednak wymaga to wcześniejszych, dużych inwestycyjnych kosztów na budowę suszarni oraz wkładu energetycznego na sam proces suszenia. 47
48 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) Tabela.1. Ilości osadów ściekowych możliwe do unieszkodliwienia spaleniu 1Mg węgla dla opcji 1 1 1% 1% 1% 2 2% 2% 2% % % % 4 5% 5% 5% Obliczenia dla 1 Mg spalanego węgla m węgla+m cał. [kg [kg [kg w.] [kg m.w.] [kg/kg m.s.] m.w.] p] [kg/kg p] [MJ/kg] [MJ/kg] masa masa masa udział udział suma cał. masa węgla rz. rz.pal węgla udziałów s. wody wilgotnego wilgotnego 75% 10,00 0,00 40,00 1000,00 0,96 0,04 1,00 1,79 2,5 80% 10,00 40,00 50,00 1000,00 0,95 0,05 1,00 0,9 2,28 85% 10,00 56,67 66,67 1000,00 0,94 0,06 1,00 0,07 22,88 masa s. masa wody masa cał. masa węgla udział węgla udział suma udziałów 75% 20,00 60,00 80,00 1000,00 0,9 0,07 1,00 1,79 22,7 80% 20,00 80,00 100,00 1000,00 0,91 0,09 1,00 0,9 22,27 85% 20,00 11, 1, 1000,00 0,88 0,12 1,00 0,07 21,54 masa s. masa wody masa cał. masa węgla udział węgla udział suma udziałów 75% 0,00 90,00 120,00 1000,00 0,89 0,11 1,00 1,79 21,98 80% 0,00 120,00 150,00 1000,00 0,87 0,1 1,00 0,9 21,4 85% 0,00 170,00 200,00 1000,00 0,8 0,17 1,00 0,07 20,5 masa s. masa wody masa cał. masa węgla udział węgla udział suma udziałów 75% 50,00 150,00 200,00 1000,00 0,8 0,17 1,00 1,79 20,6 80% 50,00 200,00 250,00 1000,00 0,80 0,20 1,00 0,9 19,71 85% 50,00 28,, 1000,00 0,75 0,25 1,00 0,07 18,2 Oznaczenia w tabeli: masa s. - masa sucha ściekowego m węgla +m cał. - suma masy wilgotnego węgla kamiennego i wilgotnego ściekowego rz. wilgotnego - wartość opałowa ściekowego danej wilgotności rz.pal wartość opałowa mieszaniny węgla kamiennego z osadem ściekowym danych wariantach zawartości osadów i ich wilgotnościach. rz. rz. rz. rz.pal rz.pal rz.pal 48
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol.11, issue 2 (2009) 49 W Przedsiębiorstwie Energetyki Cieplnej Gliwice Sp. z.o.o w roku obrotowym 2007/2008 zużycie węgla wyniosło 125861,9 Mg [5]. Wykorzystując dane z tabeli.1. została obliczona ilość osadów ściekowych możliwych do unieszkodliwienia w PEC Gliwice w ciągu roku dla poszczególnych wariantów tabela.2. Tabela.2. Ilość osadów suchych możliwych do spalenia w ciągu roku dla opcji 1 w PEC Gliwice Ilość osadów możliwa do unieszkodliwienia ich współspalaniu dla poszczególnych wariantów [Mg m.s./rok] 1258,6 2 2517,2 775,8 4 629,1 Ilości osadów uwodnionych możliwych do unieszkodliwienia na 1 Mg spalanego węgla dla założonych poziomów wilgotności pokazuje rys..1., a wartości opałowe otrzymanego paliwa rys..2. Natomiast spadek ilości energii w związku ze spadkiem wartości opałowej paliwa dla opcji 1 w PEC - Gliwice pokazano w tabeli.. Ilości unieszkodliwianych termicznie osadów danych wilgotnościach na 1Mg spalonego węgla 50 00, [kg] 250 250,00 200 200,00 200,00 150 150,00 100 120,00 1, 100,00 50 80,00 66,67 40,00 50,00 0 70% 75% 80% 85% 2 4 Rysunek.1. Ilości osadów uwodnionych możliwe do unieszkodliwienia dla opcji 1 49
50 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) Wartości opałowe paliwa dla poszczegónych wariantów 24 [MJ/kg] 2 22 21 20 19 2,5 22,7 21,98 20,6 2,28 22,27 21,4 19,71 22,88 21,54 20,5 2 4 18 18,2 17 70% 75% 80% 85% Rysunek.2. Wartości opałowe paliwa współspalaniu osadów z węglem kamiennym dla opcji 1 W celu obliczenia bliżonej ilości osadów ściekowych powstających rocznie w Centralnej Oczyszczalni Ścieków w Gliwicach posłużono się następującymi danymi: przepustowość oczyszczalni wynosi 51 tys. m na dobę [6], każdy m oczyszczonych ścieków komunalnych generuje średnio 0,247 kg m.s. ustabilizowanych osadów [7]. stąd ilość osadów wynosi: m kg. s. kgm. s. Mgm. 51000 0,247 = 12597 = 4597,9 dobę m dobę rok m s. Porównując tę ilość z tabelą.2. obliczono, iż w analizowanej opcji 1 dla wariantu 1 można unieszkodliwić termicznie ok. 27% osadów komunalnych powstających rocznie w COŚ Gliwice, a dla wariantu 2 już ok. 54%. W gospodarce osadami ściekowymi są to wartości duże, gdyż w Polsce zaledwie niecały 1% osadów jest przekształcany termicznie. Obecnie osad powstający w COŚ Gliwice jest wykorzystywany rodniczo, m.in. do rekultywacji terenów zielonych, pod uprawy roślin przeznaczonych do produkcji biopaliw itp. [6]. 50
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol.11, issue 2 (2009) 51 Tabela.. Możliwy spadek ilości rocznie energii dla opcji 1 w PEC-Gliwice 75% 80% 85% 75% 80% 85% 75% 80% 85% 75% 80% 85% 1 2 4 5% 5% 5% rz.pal [MJ/kg] Energia chemiczna samego węgla Energia mieszaniny węgla z osadami Spadek energii energii 2,50 2961575,285,564% 109455,075 2,282 07100,4 29071,895 4,580% 140658,465 22,880 rz.pal [MJ/kg] Energia samego węgla 2879666,87 6,21% 1916,97 Energia węgla z osadami Spadek energii energii 22,725 2860227,99 6,864% 210802,67 22,266 07100,4 2802500,564 8,744% 268529,796 21,58 rz.pal [MJ/kg] Energia samego węgla 2710815,82 11,729% 60214,57 Energia węgla z osadami Spadek energii energii 21,977 2766119,79 9,929% 04910,567 21,9 07100,4 2685748,478 12,546% 85281,882 20,46 rz.pal [MJ/kg] Energia samego węgla 2560726,4 16,617% 5100,927 Energia węgla z osadami Spadek energii energii 20,61 2596725,04 15,445% 47405,26 19,706 07100,4 2480264,808 19,27% 590765,552 18,18 205574,469 24,925% 765455,891 Oznaczenia w tabeli: rz.pal wartość opałowa mieszaniny węgla kamiennego z osadem ściekowym danych wariantach zawartości osadów i ich wilgotnościach. Energia samego węgla- masa węgla spalanego w ciągu roku pomnożona przez stałą wartość opałową (24,4 MJ/kg). Energia węgla z osadami- masa węgla spalanego w ciągu roku pomnożona przez rz.pal. energii- energia ze spalenia samego węgla minus energia spalanego węgla z osadami. 51
52 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) W celu zrównoważenia strat energetycznych powstałych współspalaniu osadów ściekowych musiałaby być pobierana opłata za ich unieszkodliwianie. Koszty te musi ponieść oczyszczalnia ścieków- tabela.4, a wyliczone zostały dla następujących założeń: różnica wytarzanej rocznie energii (patrz tabela.) została podzielona przez wartość opałową węgla (24.4GJ/Mg), co dało ilość węgla, jaką rocznie należałoby spalić, aby wyjść z bilansem energetycznym na zero, Ró z nica energii = ilość węgla (.1) [GJ/Mg] wegla obliczoną ilość węgla pomnożono przez jego średnią cenę rynkową równą 75zł/Mg [8], co dało koszty jego zakupu, stała wydajność instalacji w opcji 1 nie pozwala na zwiększenie strumienia spalanego węgla, dlatego koszty zakupu węgla potraktowano jako koszty za unieszkodliwianie osadów ściekowych, koszty zakupu węgla zostały podzielone przez masę osadów możliwych do unieszkodliwienia w PEC - Gliwice (tabela.5) w zależności od analizowanych wariantów, co dało jednostkowy koszt za 1Mg spalanych osadów. Tabela.4. Koszty unieszkodliwiania wilgotnych osadów ściekowych ich współspalanie w PEC-Gliwice dla opcji 1 energii Ilość węgla Koszty zakupu węgla 75% 109455,1 4485,9 1682198,9 4,1 80% 140658,5 5764,7 2161759,2 4,5 85% 19164,0 7842,8 2941044,7 50,5 2 energii Ilość węgla Koszty zakupu węgla 75% 210802,4 869,4 29790,5 21,8 80% 268529,8 11005, 4126994,8 27,9 85% 60214,5 14762,9 556084,1 29,9 energii Ilość węgla Koszty zakupu węgla 75% 04910,6 12496, 4686125,5 10, 80% 85281,9 15790,2 592140,4 1,6 85% 5100,9 20914,1 7842785,8 11,6 4 energii Ilość węgla Koszty zakupu węgla 75% 5% 47405, 1948,7 7289528,6 289,6 80% 5% 590765,6 24211,7 907988,6 288,6 85% 5% 765455,9 171,1 11764178,6 280,4 Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg [zł] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg [zł] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg [zł] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg [zł] 52
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol.11, issue 2 (2009) 5 Cena ta dotyczy osadów bezpośrednio trafiających do kotła (o zadanych wilgotnościach). W praktyce osady ściekowe będą dozowane razem z węglem na młyny, gdzie ich wilgotność w wyniku panujących temperatur spadnie, bądź przechowywane pod zadaszeniem. Pociąga to za sobą wzrost wartości opałowej paliwa trafiającego do kotła, gdyż część balastu (wody) zostanie odparowana na młynach, co zmniejsza straty wytarzanej energii, a wiec również koszty tabela.6. Tabela.5. Ilość możliwa do unieszkodliwienia rocznie w PEC - Gliwice Ilość unieszkodliwianych 75% 504,5 80% 629,1 85% 890,8 2 75% 10069,0 80% 12586,2 85% 16781,6 75% 1510,4 80% 18879, 85% 25172,4 4 5% 75% 25172,4 5% 80% 1465,5 5% 85% 41954,0 Tabela.6. Koszty unieszkodliwiania wilgotnych osadów ściekowych ich współspalaniu w PEC-Gliwice dla opcji 1. 40% 50% 60% 40% 50% 60% 40% 50% 60% energii Ilość węgla Koszty zakupu węgla 4260,0 1404,1 52657,2 104,6 45212,8 185,0 694868,9 110,4 61508,4 2520,8 9451,6 112,7 energii Ilość węgla Koszty zakupu węgla 67414,9 2762,9 106089,4 102,9 88686,7 64,7 16012,1 108, 120087,8 4921,6 1845612,2 110,0 energii Ilość węgla Koszty zakupu węgla 99517,2 4078,6 1529465, 101, 10520,0 549,2 2005942, 106, 175942,6 7210,8 270406,5 107,4 Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg [zł] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg [zł] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg [zł] 5
54 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) Tabela.7. Zestawienie kosztów za współspalanie osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 1 1 2 suchego wilgotnego 1 ] 2 4 5 40% 1258,6 2097,7 104,6 175,5 70,9 148684,9 118,1 50% 1258,6 2517,2 110,4 175,5 65,1 16821,8 10,2 60% 1258,6 146,5 112,7 175,5 62,8 197540, 157,0 75% 1258,6 504,5 4,1 175,5-158,6-798568,6-64,5 80% 1258,6 629,1 4,5 175,5-168,0-105765,8-840,1 85% 1258,6 890,8 50,5 175,5-175,0-1468556,6 suchego wilgotnego 1 ] 2 4-1166,8 5 40% 2517,2 4195,4 102,9 175,5 72,6 04501,9 121,0 50% 2517,2 504,5 108, 175,5 67,2 8216,1 14,4 60% 2517,2 629,1 110,0 175,5 65,5 412071,9 16,7 75% 2517,2 10069,0 21,8 175,5-146, -147289,1-585, 80% 2517,2 12586,2 27,9 175,5-152,4-191887,1-762,1 85% 2517,2 16781,6 29,9 175,5-154,4-2591412,6 suchego wilgotnego 1 ] 2 4-1029,5 5 40% 775,9 629,1 101, 175,5 74,2 466821,8 12,6 50% 775,9 7551,7 106, 175,5 69,2 522427,6 18,4 60% 775,9 949,6 107,4 175,5 68,1 642650,9 170,2 75% 775,9 1510,4 10, 175,5-14,8-206244,2-59, 80% 775,9 18879, 1,6 175,5-18,1-2607606,8-690,6 85% 775,9 25172,4 11,6 175,5-16,1-426464,4-907,5 Oznaczenia w tabeli: 1- Koszty za unieszkodliwienie 1 Mg przez współspalanie tabela.4. i.6. 2- Koszty deponowania uwodnionych osadów na składowisko [zł brutto/mg m.w.]. 54
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol.11, issue 2 (2009) 55 - kosztu deponowania i kosztu za unieszkodliwienie [zł/mg m.w.]. Wynik dodatni oznacza zysk, ujemny są to koszty jakie muszą zostać poniesione w celu unieszkodliwienia osadów. 4 - Koszt unieszkodliwiania uwodnionych osadów ściekowych. Wynik dodatni oznacza zysk, ujemny koszty. 5 - Koszt unieszkodliwiania 1 Mg suchej masy osadów ściekowych [zł/mg m.s]. Wynik dodatni oznacza zysk, ujemny koszty jakie muszą być poniesione na ich unieszkodliwienie. Porównując tabele.4. z.6. można zauważyć przeszło trzykrotny spadek kosztów za 1 Mg unieszkodliwianych osadów. Dominującym czynnikiem wpływającym na cenę jest więc wilgotność. Należy jeszcze raz podkreślić, iż otrzymane ceny dotyczą sytuacji skrajnie pesymistycznej, w której spadki energii współspalaniu osadów ściekowych są maksymalne, gdyż instalacja nie pozwala na zwiększenie strumienia spalanego paliwa. Zestawienie zysków oraz strat możliwych skojarzeniu oczyszczalni ścieków z zakładem współspalającym osady dla opcji 1 pokazano w tabeli.7.2. Opcja 2 stała produkcja energii W opcji tej wydajność instalacji pozwala na zwiększenie strumienia paliwa i wówczas ilość produkowanej energii przed dodaniem i po dodaniu jest taka sama. Jeżeli wartość opałowa osadów jest większa niż 0, wówczas możemy mówić o oszczędności węgla. W takiej sytuacji możemy mówić o czystym zysku z uwzględnieniem praktycznie żadnej inwestycji. Osad ściekowy może być jmowany np. za darmo. Zysk jest dla oczyszczalni i zakładu współspalającego. Jest to opcja realistyczna, możliwa do realizacji w praktyce. Oszczędności węgla w zależności od wilgotności współspalanych osadów ściekowych (tabela.8.) zostały obliczone w następujący sposób: ilość unieszkodliwianych osadów ściekowych pomnożona została przez ich wartość opałową(zależną od wilgotności ), co dało roczny wkład energetyczny uzyskany ze współspalania osadów, wkład energetyczny osadów ściekowych podzielono przez wartość opałową węgla (24,4 GJ/Mg), co dało ilość jego roczne oszczędności (.2). Energia osadów wegla wilgotnych [ GJ [ GJ / Mg ] / rok ] = ilość węgla (.2) Analizowane w tabeli.8. wartości wilgotności uwzględniają już częściowe wysuszenie osadów ściekowych przed trafieniem do kotła. W padku podawania osadów do kotła bez uprzedniego ich podsuszenia (poziomy zawartości wilgoci 75%, 80%, 85%) oszczędności węgla będą dużo mniejsze tabela.9. Ilość możliwa do unieszkodliwienia rocznie w PEC Gliwice dla opcji 2 będzie się wahać, w zależności od ich uwodnienia i strumienia spalanego rocznie paliwa. 55
56 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) Tabela.8. Roczne oszczędności węgla możliwe do uzyskania współspalaniu osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 2 [GJ/Mg] rz. Ilość unieszkodliwianych Wkład energetyczny osadów wilgotnych 40% 7,80 2097,7 1652,8 670,2 50% 6,08 2517,2 150,5 627,2 60% 4,6 146,5 1729,6 562,7 2 [GJ/Mg] rz. Ilość unieszkodliwianych Wkład energetyczny osadów wilgotnych Oszczędność zużycia węgla Oszczędność zużycia węgla 40% 7,80 4195,4 2705,6 140,4 50% 6,08 504,5 0607,1 1254,4 60% 4,6 629,1 27459, 1125,4 [GJ/Mg] rz. Ilość unieszkodliwianych Wkład energetyczny osadów wilgotnych Oszczędność zużycia węgla 40% 7,80 629,1 49058,5 2010,6 50% 6,08 7551,7 45910,6 1881,6 60% 4,6 949,6 41188,9 1688,1 4 [GJ/Mg] rz. Ilość unieszkodliwianych Wkład energetyczny osadów wilgotnych Oszczędność zużycia węgla 5% 40% 7,80 10488,5 81764,1 51,0 5% 50% 6,08 12586,2 76517,7 16,0 5% 60% 4,6 1572,7 68648,2 281,5 Oznaczenia w tabeli: rz. - wartość opałowa ściekowego danej wilgotności. Ilość unieszkodliwianych w przeliczeniu na masę spalanego w zakładzie rocznie węgla. Zysk dla zakładu współspalającego osady komunalne jest tym wyższy, im niższe są wilgotności osadów trafiających do kotła. Dlatego kwestia odpowiedniego ich podawania wymaga dokładnej analizy technicznej. Z kolei oczyszczalnia nie musi ponosić kosztów za deponowanie osadów na składowiskach, ani inwestować w ich suszenie. Za darmo, po procesach odwadniania (np.na prasach) może oddawać osady do zakładu je współspalającego. Zysk jest, więc obustronny. Oszczędności roczne z tytułu mniejszego zużycia węgla w PEC Gliwice zestawiono w tabeli.10., a zestawienie kosztów jakie musiałaby ponieść oczyszczalnia ścieków za ich deponowanie na składowisku pokazano w tabeli.11. Pełne zestawienie zysków wynikających ze skojarzenia oczyszczalni z zakładem współspalającym osady dla opcji 2 przedstawiono w tabeli.12. 56
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol.11, issue 2 (2009) 57 Tabela.9. Roczne oszczędności węgla możliwe do uzyskania współspalaniu osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 2 2 4 5% 5% 5% [GJ/Mg] rz. Ilość unieszkodliwianych Wkład energetyczny Oszczędność zużycia węgla 75% 1,78925 504,5 9007,9 69,2 80% 0,912 629,1 5860,1 240,2 85% 0,0715 890,8 61,8 25,2 [GJ/Mg] rz. Ilość unieszkodliwianych Wkład energetyczny Oszczędność zużycia węgla 75% 1,78925 10069,0 18015,9 78,4 80% 0,912 12586,2 11720, 480, 85% 0,0715 16781,6 1227,6 50, [GJ/Mg] rz. Ilość unieszkodliwianych Wkład energetyczny Oszczędność zużycia węgla 75% 1,78925 1510,4 2702,8 1107,5 80% 0,912 18879, 17580,4 720,5 85% 0,0715 25172,4 1841,4 75,5 [GJ/Mg] rz. Ilość unieszkodliwianych Wkład energetyczny Oszczędność zużycia węgla 75% 1,78925 25172,4 4509,7 1845,9 80% 0,912 1465,5 2900,7 1200,8 85% 0,0715 41954,0 068,9 125,8 57
58 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) Tabela.10. Roczny zysk możliwy do uzyskania współspalaniu osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 2 (dla ceny węgla 75 zł/mg) Oszczędność zużycia węgla 40% 670,2 25125,0 50% 627,2 25200,0 60% 562,7 211012,5 75% 69,2 18441,6 80% 240,2 9006,5 85% 25,2 94,2 2 Oszczędność zużycia węgla 40% 140,4 502650,0 50% 1254,4 470400,0 60% 1125,4 422025,0 75% 78,4 27688, 80% 480, 180126,9 85% 50, 18866,4 Oszczędność zużycia węgla 40% 2010,6 75975,0 50% 1881,6 705600,0 60% 1688,1 607,5 75% 1107,5 41524,9 80% 720,5 270190,4 85% 75,5 28299,6 Możliwy zysk roczny [zł] Możliwy zysk roczny [zł] Możliwy zysk roczny [zł] 58
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol.11, issue 2 (2009) 59 Tabela.11. Roczne koszty deponowania uwodnionych osadów ściekowych na składowisko (dla ceny 175,48 zł brutto za 1 Mg osadów) Ilość trafiająca na składowisko Koszty deponowania osadów na składowisko 75% 504,5 88449,8 80% 629,1 110412, 85% 890,8 1472416,4 2 Ilość trafiająca na składowisko Koszty deponowania osadów na składowisko 75% 10069,0 1766899,7 80% 12586,2 2208624,6 85% 16781,6 294482,8 Ilość trafiająca na składowisko Koszty deponowania osadów na składowisko 75% 1510,4 265049,5 80% 18879, 1296,9 85% 25172,4 4417249,2 4 Ilość trafiająca na składowisko Koszty deponowania osadów na składowisko 5% 75% 25172,4 4417249,2 5% 80% 1465,5 5521561,6 5% 85% 41954,0 762082,1 59
60 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) Tabela.12. Zyski wynikające ze współspalania osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 2 2 suchego wilgotnego 1 2 4 5 6 40% 1258,6 2097,7 25125,0 119,8 175,5 295, 619429,1 492,1 50% 1258,6 2517,2 25200,0 9,4 175,5 268,9 676924,9 57,8 60% 1258,6 146,5 211012,5 67,1 175,5 242,5 76168,7 606,4 75% 1258,6 504,5 18441,6 27,5 175,5 20,0 1021891,4 811,9 80% 1258,6 629,1 9006,5 14, 175,5 189,8 119475,8 949,0 85% 1258,6 890,8 94,2 1,1 175,5 176,6 1481849,6 1177,4 suchego wilgotnego 1 2 4 5 6 40% 2517,2 4195,4 502650,0 119,8 175,5 295, 128858,2 492,1 50% 2517,2 504,5 470400,0 9,4 175,5 268,9 15849,8 57,8 60% 2517,2 629,1 422025,0 67,1 175,5 242,5 15267, 606,4 75% 2517,2 10069,0 27688, 27,5 175,5 20,0 20478,0 811,9 80% 2517,2 12586,2 180126,9 14, 175,5 189,8 288751,5 949,0 85% 2517,2 16781,6 18866,4 1,1 175,5 176,6 296699,2 1177,4 suchego wilgotnego 1 2 4 5 6 40% 775,9 629,1 75975,0 119,8 175,5 295, 1858287, 492,1 50% 775,9 7551,7 705600,0 9,4 175,5 268,9 200774,8 57,8 60% 775,9 949,6 607,5 67,1 175,5 242,5 2289506,0 606,4 75% 775,9 1510,4 41524,9 27,5 175,5 20,0 065674,4 811,9 80% 775,9 18879, 270190,4 14, 175,5 189,8 58127, 949,0 85% 775,9 25172,4 28299,6 1,1 175,5 176,6 4445548,8 1177,4 Oznaczenia w tabeli: 1. Roczny zysk wynikający z oszczędności węgla. 2. Zysk ze współspalania 1 Mg ściekowego o danym uwodnieniu [zł/mg m.w.].. Koszty deponowania uwodnionych osadów na składowisko [zł brutto/mg m.w.]. 4. Suma zysku ze współspalania i kosztu deponowania osadów ściekowych [zł/mg m.w.]. 5. Zysk otrzymany w wyniku współspalania osadów ściekowych (oszczędności zakładu spalającego osad plus oszczędności oczyszczalni ścieków). 6. Zysk wynikający z unieszkodliwienia 1 Mg masy suchej osadów ściekowych ich współspalaniu w kotłach energetycznych [zł/mg m.s.]. 60
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol.11, issue 2 (2009) 61 4. Podsumowanie Współspalanie osadów ściekowych wraz z konwencjonalnymi paliwami w instalacjach przemysłowych, a szczególnie w blokach energetyki zawodowej, jest rozwiązaniem, które w aspekcie kompleksowego zagospodarowania osadów od kilku już lat budzi uzasadnione zainteresowanie i nadzieje na szersze wprowadzenie metod termicznych do krajowych systemów zagospodarowania odpadów. Perspektywa budowy spalarni odpadów bądź osadów komunalnych w dużych polskich miastach systematycznie oddala się, a tymczasem termin wypełnienia zobowiązań akcesyjnych w dziedzinie zagospodarowania odpadów, w tym najistotniejszy dotyczący redukcji odpadów ulegających biodegradacji, do których Dyrektywa 2001/77/WE pozwala zaliczać frakcję organiczną osadów ściekowych, zbliża cię coraz szybciej. Natomiast ilość osadów z oczyszczalni ścieków w Polsce nieustannie rośnie, stąd spalanie czy współspalanie osadów ściekowych z oczyszczalni komunalnych jest, więc koniecznością, aby dotrzymać wymogą UE. W skali ogólnopolskiej unieszkodliwianie komunalnych osadów ściekowych ich współspalaniu w kotłach energetycznych z węglem kamiennym może w pełni rozwiązać problem ich zagospodarowania. Termiczne metody pozwolą na przeróbkę dużych ilości osadów ściekowych szczególnie dla tych wytwarzanych w największych aglomeracjach, gdzie nie spełnia się norm w zakresie ich innego wykorzystania. Dodatkowo redukują znacznie masę i objętość przekształcanych osadów. Budowa samodzielnego zakładu termicznego unieszkodliwiania osadów ściekowych wiąże się z wysokimi nakładami inwestycyjnymi i jest sensowna jedynie w padku dużych oczyszczalni. Koszty te można obniżyć poprzez współspalanie osadów komunalnych z różnymi rodzajami paliw w obiektach już istniejących. Nakłady inwestycyjne związane z uzbrojeniem istniejących już bloków energetycznych, a także koszty eksploatacyjne współspalaniu osadów w kotłach pyłowych i rusztowych są minimalne. Natomiast korzyści finansowe mogą być znaczące, zarówno dla zakładu współspalającego jak i dla oczyszczalni. Pamiętać należy, że polskie prawo dopuszcza jedynie spalanie mieszkanki paliwowej, w której osady stanowią tylko 1%. Przytoczone warianty należy traktować jako teoretyczne kłady, które mogą być podstawą do dyskusji na temat zmian legislacyjnych. Literatura [1] Wandrasz J.W.: Termiczne unieszkodliwianie odpadów. Restrukturyzacja procesów termicznych. Wyd. Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Poznań 2007. [2] Bień J.B.: Osady ściekowe teoria i praktyka. Wyd. Pol. Częstochowskiej, Częstochowa 2007. [] Szargut J.: Termodynamika techniczna. Wyd. PWN, Warszawa 1991. [4] Nadziakiewicz J., Wacławiak K., Stelmach S.: Procesy termiczne utylizacji odpadów. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice 2007. [5] Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej Gliwice Sp. z o.o. stanowiące główne źródło ciepła dla miejskiego systemu ciepłowniczego, dostarczając odbiorcom na terenie miasta Gliwic energii cieplnej w wodzie grzewczej. http://www.pec.gliwice.pl/ [6] Centralna Oczyszczalnia Ścieków w Gliwicach. http://www.pwik.gliwice.pl/index.php 61
62 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 11, nr 2 (2009) [7] Pająk T.: Suszenie i termiczne przekształcanie jako wiodąca metoda unieszkodliwiania komunalnych osadów ściekowych. XVI Międzynarodowe Targi Maszyn i Urządzeń dla Wodociągów i Kanalizacji Wod Kan 2008 [8] Ceny giełdowe węgli krajowych za 1 Mg paliwa, dostępne w Internecie: www.wegiel.com.pl/index2.php?kod=21&kopalnia=0&wegiel=0&wojewodztwo=0 [9] GUS: Ochrona Środowiska 2007. Zakład Wydawnictw Statystycznych, Warszawa 2007. 62