Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska ISSN 1733-4381, vol. 16, issue 3 (2014), p. 79-86 http://awmep.org Successes and failures of thermal treatment of communal sewage sludge in Poland. Tadeusz PAJĄK 1, Jacek NIESLER 2 1 2 Katedra Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, e-mail: pajak@agh.edu.pl Stypendysta DoktoRIS programu stypendialnego na rzecz innowacyjnego Śląska, Śląskie Środowiskowe Studium Doktoranckie, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, e-mail: jacek@niesler.pl Abstract This article discusses the positive and negative aspects of employing thermal treatment in utilizing communal sewage sludge in Poland as seen from the perspective of the last decade. Keywords: sewage sludge, combustion, co-combustion, drying, technology Streszczenie Sukcesy i porażki zagospodarowania krajowych komunalnych osadów ściekowych metodami termicznymi. W artykule przedstawiono pozytywne i negatywne aspekty zastosowania procesów termicznych do zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych oceniane z perspektywy ostatniej dekady w naszym kraju. Słowa kluczowe: osady ściekowe, spalanie, współspalanie, suszenie, technologia 1. Suszenie, spalanie i współspalanie osadów ściekowych Od 2003 roku wybudowano w Polsce 56 tys. km sieci kanalizacyjnych, 283 nowych oczyszczalni ścieków, a 896 zmodernizowano i rozbudowano. Do roku 2015 planuje się wybudować 40 tys. km sieci kanalizacyjnych i rozbudować lub zmodernizować 980 oczyszczalni ścieków. Osady ściekowe, których nie można zagospodarować przyrodniczo muszą być poddane przekształceniu termicznemu [1]. W tab. 1.1 przedstawiono porównanie gospodarki osadowej w Polsce na przestrzeni lat 2009-2012 w aspekcie wykorzystania metod termicznego zagospodarowania osadów [2]. W Polsce, według danych na koniec 2012 r. 12% suchej masy osadów ściekowych było suszonych i współspalanych, w Niemczech wskaźnik ten ma wartość 15% [3].W tym samym roku udział metod opartych na procesie spalania wyłącznie osadów ściekowych wynosił 25%. Łącznie udział metod termicznych w zagospodarowaniu krajowych osadów ściekowych, rozumiany jako ich suszenie wraz ze współspalaniem (12%) oraz, jako spalanie w instalacjach przeznaczonych do spalania wyłącznie osadów(25%) wynosi 37%, w Wielkiej Brytanii 18%, Francji 21%, Belgii 51%, Niemczech 52%, a w Holandii aż 95%[3]. Dokonany w ostatnich latach w naszym kraju rozwój krajowej gospodarki komunalnymi osadami ściekowymi w oparciu o metody termiczne to znaczące osiągnięcie, które przesuwa nasz kraj do poziomu zaawansowanych w tym zakresie krajów UE.
80 Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014) Tabela 1.1 Dane dotyczące gospodarki osadami ściekowymi w Polsce z wykorzystaniem metod termicznego przekształcania (2009-20012)[2]. PARAMETR POLSKA wg AKPOŚK * 2009 POLSKA na koniec 2012 stopień przyłączenia 62% ~ 80% strumień masy osadów 605 200 Mg s.m./rok 631 000 Mg s.m./rok udział suszenia i współspalania 1% 12% osadów udział spalania osadów 2% 25% sumaryczny udział metod 3% 37% termicznych pozostałe metody 97% 63% zagospodarowania osadów wiodąca metoda rozwój metod termicznych metoda termiczna także dla zagospodarowania osadów w dużych aglomeracjach, a także rozwój współspalania mniejszych aglomeracji *AKPOŚ Aktualizacja Krajowego Programu Oczyszczania Ścieków Komunalnych Na rysunku 1.1. przedstawiono rozwój metod termicznych wykorzystanych do zagospodarowania osadów ściekowych w Niemczech (1975-2008 r.) i Polsce (2009-2012r.) Rys. 1.1. Zagospodarowanie osadów ściekowych w Niemczech i w Polsce metodami termicznymi [3] W Niemczech pod koniec lat 90-tych ubiegłego wieku rozpoczął się gwałtowny wzrost udziału metod współspalania osadów ściekowych w gospodarce osadowej. Aktualnie u naszego zachodniego sąsiada więcej osadów jest zagospodarowywanych metodą współspalania niż spalania. W Polsce współspalanie osadów ściekowych jest obecnie stosowane jedynie w cementowniach, a w bliskiej perspektywie może być, po spełnieniu określonych wymagań, realizowane w elektrowniach, elektrociepłowniach i spalarniach odpadów komunalnych. W kotłach energetycznych, ze względu na niski standard techniczny instalacji oczyszczania spalin wobec obowiązujących przepisów emisyjnych, może stać się realne po 2016 roku wraz ze spełnieniem wysokich wymagań dla energetyki (Dyrektywa 2010/75/WE). Współspalanie odwodnionych mechanicznie lub wysuszonych osadów ściekowych w spalarniach odpadów komunalnych jest realne i możliwe gdy zostaną wybudowane w kraju spalarnie odpadów komunalnych. Planuje się pierwszą tego typu instalację dedykowaną osadom ściekowym i odpadom komunalnym uruchomić po 2017 roku. Energetyczne wykorzystanie osadów ściekowych na skalę przemysłową stosowane jest jedynie w cementowniach. Cementownie grupy Cemex Rudniki oraz Chełm określiły wymagania dla osadów ściekowych następująco: wartość opałową powyżej 12 MJ/kg, wilgotność poniżej 10%, zawartość chloru poniżej 0,7%, zawartość siarki poniżej 1,0 %, sumę metali ciężkich poniżej 2000 ppm, a ponadto osady powinny być
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014) 81 dostarczone w postaci pyłu lub granulatu o rozdrobnieniu poniżej 30 mm. Wysoka temperatura i czas przebywania spalin w obrotowym piecu cementowym spełniają wymogi prawne termicznego przekształcania odpadów. Warunki panujące w piecu są wystarczające do całkowitego rozkładu wielkocząsteczkowych węglowodorów oraz likwidacji dioksyn. Proces prowadzony jest w środowisku alkalicznym, dzięki czemu zobojętnieniu ulegają kwaśne składniki gazów spalinowych, a pozostałe związki mineralne wchodzą w skład klinkieru. Duża bezwładność cieplna układu wyklucza przypadkową awaryjną emisję zanieczyszczeń, gdyż temperatura spada bardzo powoli. Zaletą jest również to, że niepalne części, w tym zawarte w nich metale ciężkie, wbudowane zostają w strukturę klinkieru, a proces sam w sobie jest procesem bezodpadowym[4]. W porównaniu z innymi metodami termicznego zagospodarowania osadów wysoka temperatura panująca w piecu cementowym jak i znaczny strumień spalin powstałych w procesie wypalania klinkieru pozwala uzyskać duże ilości ciepła odpadowego[5-12]. Metodami suszenia i współspalania osadów ściekowych realizowanymi głównie w cementowniach jest zagospodarowane ponad 70 tys. ton s.m. Ten udział jest widoczny, a cementownie niewątpliwie mają jeszcze duży potencjał, aby go zwiększać. Należy w tym celu wykorzystać ciepło odpadowe, którego w tym procesie jest bardzo dużo, a które może być wykorzystane do suszenia osadów. W Niemczech jest dużo cementowni pełniących rolę regionalnych instalacji zagospodarowania osadów ściekowych, które przyjmują osady ściekowe z okolicznych gmin, podsuszają je ciepłem odpadowym i czerpią zyski z tytułu przyjęcia osadów, wykorzystania darmowego ciepła odpadowego, wolnej emisji od CO 2 i zaoszczędzenia paliwa. W tab. 1.2 i 1.3 przedstawiono charakterystykę pracujących w Polsce instalacji suszenia i spalania osadów ściekowych. Analizując poniższe tabele należy stwierdzić, że poziom dyspozycyjności instalacji suszenia i spalania wyłącznie osadów jest bardzo zróżnicowany i niezadowalający.[13] Tabela 1.2 Charakterystyka instalacji suszenia osadów ściekowych w Polsce[3] wskaźnik jednostka wartość/opis liczba instalacji - 15+5 sumaryczna wydajność Mg s.m./rok ok. 80 000 odparowania wody Mg H2O /h 1-9,15 suszenia % s.m. 18-95 zużycia ciepła kwh th /kg H2O 0,75-1,3 zużycia energii elektrycznej kwh ei /kg H2O 0,06-0,085 uzyskiwana dyspozycyjność % 30-90 nośnik energii - gaz ziemny, biogaz, olej opałowy koszt nośnika energii PLN/Mg s.m. 550-900 Tabela 1.3 Charakterystyka instalacji spalania wyłącznie osadów ściekowych w Polsce [3] wskaźnik jednostka wartość /opis sumaryczna liczba instalacji - 11 sumaryczna wydajność Mg s.m./rok ok. 160 000 wydajność spalarni osadów Mg s.m./h 0,2-7,9 s.m. osadów podawanych do paleniska %s.m. 33-90 spalanie skratek - w dużych spalarniach dyspozycyjność % 30-90 sposób zagospodarowania popiołów/pozostałości z - składowanie, zestalanie ocz. spalin rodzaj paleniska - rusztowe 4, fluidalne 7 rodzaj systemu oczyszczania spalin - suchy z zastosowaniem wodorowęglanu sodu 2. Konieczność optymalizacji procesu suszenia i spalania osadów ściekowych Możliwości popełnienia błędów na etapie koncepcji, opracowania projektu, budowy, uruchomienia i eksploatacji instalacji suszenia, spalania osadów ściekowych ze względu na złożoność zagadnienia są bardzo prawdopodobne. Już na etapie koncepcji należy:
82 Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014) - określić czy instalacja suszenia, spalania powinna mieć charakter lokalny przynależny do konkretnej instalacji oczyszczania ścieków, czy regionalny, - określić parametry osadów ściekowych- strumień s.m. osadów, zawartość substancji organicznej, zawartość metali ciężkich, zawartość s.m. w odwodnionych mechanicznie osadach, - określić rodzaj instalacji - osuszenie i spalanie, czy może suszenie i współspalanie, - dokonać analizy autotermiczności procesu spalania, - określić źródło energii do procesu suszenia, - określić skalę instalacji i ilość linii technologicznych, - dobrać instalację oczyszczania spalin i zagospodarowania stałych odpadów poprocesowych. Niestety występujące częste awarie i duża zawodność suszarni i spalarni osadów są powodem ich niskiej dyspozycyjności rozumianej, jako: - dyspozycyjność pracy instalacji suszenia - stosunek łącznej ilości godzin pracy w przyjętym okresie eksploatacji danej instalacji suszenia, podczas których osiąga ona nominalną wydajność odparowania wody do zaplanowanej w tym okresie ilości godzin eksploatacji suszarni. - dyspozycyjność pracy instalacji spalania osadów - stosunek łącznej ilości godzin pracy w przyjętym okresie eksploatacji danej instalacji spalania osadów podczas, których osiąga ona nominalną wydajność termicznego przekształcania osadów, realizowanego zgodnie z przepisami, do zaplanowanej w tym okresie ilości godzin eksploatacji tej spalarni. Celem obniżenia kosztów procesu suszenia konieczna jest optymalizacja tego procesu, w tym wykorzystanie ciepła odpadowego z procesu spalania osadów. Konieczna jest też optymalizacja procesów technologicznych przeróbki osadów już na etapie odwadniania poprzez ich podsuszanie. Ponadto konieczna jest też optymalizacja oczyszczania spalin z procesu spalania osadów, ponieważ w koszcie eksploatacyjnym zużycie reagentów jest też istotnym składnikiem. Na etapie eksploatacji występują problemy w zakresie: - transportu i gromadzenia osadów do spalenia, w tym problem samozapłonu i kleistości osadów, - efektywności i niezawodności pracy instalacji podsuszania osadów, - niezawodności i efektywności pracy wymienników ciepła, - przewymiarowania dawki reagenta w instalacji oczyszczania spalin, co powoduje wzrost strumienia masy odpadów procesowych po oczyszczaniu spalin, problemy z efektywnym zagospodarowaniem (zestalaniem i stabilizacją) odpadów procesowych po oczyszczaniu spalin, co skutkuje wzrostem kosztów eksploatacyjnych. Rysunek 2.1 przedstawia dyspozycyjność pracy przykładowej linii suszenia osadów ściekowych. Dyspozycyjność instalacji termicznego przekształcania osadów ściekowych oraz koszty ich eksploatacji są niezadawalające. W większości polskich projektów instalacje suszenia, podsuszania i spalania wyłącznie osadów były uzupełnieniem rozbudowywanych oczyszczalni ścieków. Jeśli zdecydowano się jedynie na suszenie to należało rozważyć źródło energii do wykorzystania w tym procesie i gdzie ten susz znajdzie swoje zastosowanie.
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014) 83 Rys. 2.1. Dyspozycyjność suszarni osadów ściekowych [3] Pełna charakterystyka osadów na wejściu do instalacji była najtrudniejszym zadaniem, z którym spotkano się na etapie projektowania obecnych instalacji. Było to trudniejsze szczególnie w tych przypadkach, gdy instalacja powstawała równolegle z rozbudową czy modernizacją oczyszczalni ścieków. Od parametrów osadów ściekowych zależy trafny dobór instalacji począwszy od przepustowości, poprzez uzyskanie autotermiczności procesu spalania, a kończąc na określeniu ilości energii dostarczonej do procesu i energii otrzymanej w wyniku spalania osadów. W tabeli 2.1 przedstawiono parametry osadów ściekowych z 46 komunalnych oczyszczalni ścieków województwa śląskiego obrazujące dużą zmienność parametrów energetycznych komunalnych osadów ściekowych. Tabela 2.1. Charakterystyka parametrów oczyszczalni w województwie śląskim (2011-2012) oraz potencjalny odzysk energii ze spalania osadów w roku kalendarzowym[14]. lp. technologia % s.m. % sub.org. Wd w.m. MJ/kg 1 2 3 4 5 6 [15,16] min. max. śr.* min. max. śr.* min. max. śr. prasie + suszarnia słoneczna 17,8 80,0 33,18 42,2 71,7 59,17-0,22 11,88 2,72 prasie + higienizacja REMONDIS 58,6 67,1 62,85 14,6 65,9 40,25 0,91 8,77 4,6 prasa filtracyjna 19,5 28,0 22,6 59,1 77,3 70,04 0,8 2,94 1,69 tlenowa +odwadnianie na wirówkach 10,4 35,4 16,04 40,5 71,2 60,4-0,73 3,97 0,18 poletka osadowe 18,5 42,9 29,5 40,1 56,4 45,6 0,00 3,92 1,33 tlenowa 13,0 38,5 19,86 30,4 76,2 57,1-0,86 3,34 0,62 Odzysk energii GJ/r 6390 1 4288 1 10453 3 3247 1 1350 1 10678 7 liczba oczyszczalni
84 Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014) 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 beztlenowa 3,42 33,2 20,51 33,9 76,4 55,9-1,71 3,01 0,65 prasie 11,8 43,8 28,84 26,3 71,1 43,94-1,27 2,94 0,94 tlenowa+ higienizacja 17,6 27 21,05 58,7 69,8 62,4 0,41 2,42 1,05 wirówkach 19,4 26,9 22,07 51 67,9 56,36 0,32 2,29 0,93 poletka osadowe 18 30,5 22,93 46,3 56,2 52,87 0,13 2,12 0,88 poletka osadowe i laguny 14,7 26,4 19,4 41,9 72,0 63,7-0,58 2,09 0,83 tlenowa+ wirówkach 18,6 29,7 21,68 42,9 56,2 47,56-0,11 2,01 0,47 prasach i wirówkach 15,7 23,4 18,8 53,4 62,5 58,77 0,09 1,43 0,55 odwodnienie na prasie + suszenie termiczne 15,4 23,3 21,12 57,9 62,8 61,2 0,02 1,42 1,01 tlenowa + prasie+ poletka osadowe 15,6 22,9 19,38 41,1 62,9 54,78-0,51 1,37 0,47 prasie + higienizacja 11,1 23 17,03 44,7 73,6 57,68-0,40 1,22 0,25 odwodnienie na prasie 17,4 23 20,36 42,8 59 51,38-0,19 1,1 0,46 10509 6 10732 2 5752 2 5255 1 493 2 1252 1 100 1 14706 1 1028 1 1043 1 7892 3 3928 2
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014) 85 19 tlenowa+ odwodnienie na prasie 12,7 19,3 16,17 51,6 61,4 57,42-0,54 0,71 0,12 tlenowa +odwadnianie na prasie+ 20 higienizacja 14,9 17,0 16,12 62,8 68,4 66,5 0,23 0,62 0,42 tlenowa+ odwodnienie w workownicach+ 21 higienizacja 11,6 16,4 16,05 51,0 68,4 50,25-0,53 0,54-0,17 zagęszczanie i odwadnianie w 22 workownicach 0,65 8,52 3,7 25 74,8 55-2,19-0,67-1,7 *- średnia wartość ze wszystkich oznaczeń w ciągu roku 233 1 154 1 0 1 0 1 Dla spalarni spalających wyłącznie osady ściekowe nie bez znaczenia jest też określenie parametrów takich, jak stężenie siarki, chloru oraz metali ciężkich w osadach, które mają decydujący wpływ na wybór metody oczyszczania spalin i na ilość zastosowanych reagentów, co ma swoje odzwierciedlenie w kosztach eksploatacyjnych. Przekroczenie dopuszczalnych stężeń metali ciężkich miało znaczny, a w kilku przypadkach decydujący wpływ na dyspozycyjność instalacji. Instalacje spalające wyłącznie osady ściekowe to głównie instalacje fluidalne. W dużych polskich oczyszczalniach ścieków, takich jak: Warszawa, Łódź, Kraków czy Kielce, jest stosowana sucha metoda oczyszczania spalin. Badania wykazują, że metoda ta wymaga optymalizacji zużycia reagentów [13]. Wzrost zużycia reagenta ma znaczące konsekwencje, powoduje wzrost strumienia masy odpadów procesowych i wpływa na ich stabilizację i zestalenie. Zagospodarowanie produktów poprocesowych jest uzależnione od potrzeb rynku. Tu też musi być wykonana wnikliwa analiza zastosowania metod zestalania. 3. Podsumowanie Polska dokonała w ostatniej dekadzie znaczącego postępu w zakresie zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych, co osiągnięto wdrażając nowoczesne metody suszenia i spalania osadów. W cementowniach należy zmodyfikować proces technologiczny w celu maksymalnego wykorzystania ciepła odpadowego, którego w procesie wypalania klinkieru jest bardzo dużo, tak aby można je było wykorzystać do suszenia osadów ściekowych wytworzonych w gminie i gminach sąsiednich, przed współspaleniem w piecu obrotowym. Na etapie koncepcji i projektowania instalacji termicznego zagospodarowania osadów nie przewidziano pewnych problemów, co widoczne jest obecnie w trakcie eksploatacji instalacji suszenia i spalania. Szereg krajowych instalacji suszenia i spalania osadów ściekowych wymaga szczegółowej analizy przyczyn ich niskiego poziomu niezawodności i dyspozycyjności oraz podjęcia działań w zakresie ich optymalizacji. Niezadowalająca dyspozycyjność spalarni spalających wyłącznie osady ściekowe i wysokie koszty ich eksploatacji wskazują na to, że współspalanie osadów ściekowych w cementowniach, spalarniach odpadów komunalnych, elektrowniach lub elektrociepłowniach, gdzie udział osadów ściekowych w paliwie jest mniejszościowy i gdzie uzyskuje się dodatkowe zyski z tytułu przyjęcia osadów, wykorzystania darmowego ciepła odpadowego, wolnej emisji CO 2 i oszczędności paliwa, okazuje się korzystniejszym sposobem zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych.
86 Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 16 issue 3 (2014) Literatura 1. Fukas-Płonka Ł.: Termiczne przekształcanie osadów ściekowych wymagania, korzyści, zagrożenia, V Konferencja Metody Zagospodarowania Osadów Ściekowych, Zielona Góra 2014. 2. Pająk T.: Krajowa gospodarka osadami rozwój metod termicznych sukcesy i porażki, VII Konferencja Suszenie i Termiczne Przekształcanie Osadów Ściekowych, Toruń 2013. 3. Pająk T.: Metody termiczne w zagospodarowaniu krajowych komunalnych osadów ściekowych sukcesy i porażki, II Krajowe Seminarium Inżynierii Cieplnej i Wodnej Nowe technologie i eksploatacja urządzeń w przemyśle opartym na procesach termicznych i obiegu wody,kraków 2013. 4. Bień J.D.: Współspalanie osadów ściekowych źródło zielonej energii? IV Konferencja Paliwa z Odpadów Abrys, Poznań 2014. 5. Nadziakiewicz J.: Możliwości technologiczne równoczesnego spalania odpadów komunalnych i osadów na ruszcie, Paliwa z odpadów wyzwania XXI wieku, wydawnictwo KTiUZO 2013 6. Kozioł M.: Procesy termicznego wykorzystania osadów w Polsce, Paliwa z odpadów wyzwania XXI wieku, wydawnictwo KTiUZO 2013. 7. Bień J.B., Wystalska K.: Przekształcanie osadów ściekowych w procesach termicznych, wyd. Seidel- Przywecki 2009. 8. Bień J.B., Wystalska K.: Procesy termiczne w unieszkodliwianiu osadów ściekowych, wyd. Politechniki Częstochowskiej 2008. 9. Gaweł I., Kubicka S., Szlęk A.: Modelowe rozwiązanie spalania osadów ściekowych, III/IV 2013 Piece Przemysłowe & Kotły 2013. 10. Chodur M.: Aplikacje pieca fluidalnego do utylizacji wszelkich typów odpadów powstających na komunalnej i przemysłowej oczyszczalni ścieków, VII/VIII 2013 Piece Przemysłowe & Kotły. 11. Werle S.: Bezpośrednie oraz pośrednie (na drodze zgazowania) współspalanie osadów ściekowych w energetyce, VII/VIII 2013 Piece Przemysłowe & Kotły. 12. Bilitewski B., Hardtle, G. Klaus M.: Abfallwirtschaft Handbuch für Praxis Und Lehr, Springer Verlag, Berlin 2000. 13. Pająk T.: Zagospodarowanie osadów ściekowych metodami termicznymi. Monografia, wyd. Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny, Radom 2013. 14. Niesler J., Nadziakiewicz J.: Potencjał energetyczny osadów ściekowych województwa śląskiego, Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska vol 16 issue 1, 2014. 15. Stier E., Fischer M. Klarwarter Taschenbuch,Abwassertechnische Vereinigung Verlag, Munchen 1995. 16. Bień J.B., Wystalska K.: Osady ściekowe teoria i praktyka, wyd. Politechniki Częstochowskiej 2011.