Termiczne przekształcanie osadów ściekowych

Rośnie ilość wytwarzanych osadów ściekowych, a możliwości zapobiegania ich powstawaniu są ograniczone. Z tego względu w gospodarce osadami ściekowymi skupiono się na metodach ich utylizacji. Coraz większe restrykcje dotyczące wykorzystania osadów ściekowych na cele rolnicze i przyrodnicze przyczyniły się do zwiększenia znaczenia metod termicznych. W Krajowym Planie Gospodarki Odpadami 2014 przewiduje się wzrost tych metod do poziomu 30% w roku 2020.

Osady ściekowe powstają jako odpad w procesie oczyszczania ścieków. Ich ilość zależy od zastosowanej technologii, stopnia oczyszczenia oraz rozkładu substancji organicznej w procesach stabilizacji osadów. Z uwagi na źródło wytwarzania ścieków osady możemy podzielić na pochodzące z oczyszczalni komunalnych, przemysłowych i komunalno-przemysłowych. Osady wytwarzane w oczyszczalniach komunalnych charakteryzują się znaczną zdolnością do zagniwania ze względu na zawartość łatwo rozkładalnych substancji organicznych, niską skłonność do wydzielania wody, a także obecność bakterii chorobotwórczych i pasożytów. Osady z oczyszczalni ścieków komunalno-przemysłowych czy przemysłowych na ogół trudniej zagniwają i lepiej się odwadniają, ale zawierają wiele specyficznych zanieczyszczeń (metali ciężkich i innych substancji niebezpiecznych). Z uwagi na swoje właściwości fizykochemiczne mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzi oraz środowiska naturalnego, dlatego muszą być ustabilizowane. W trakcie stabilizacji powinny zostać poddane odpowiedniej obróbce, np. biologicznej, chemicznej, termicznej lub innemu procesowi, który obniży podatność komunalnych osadów ściekowych na zagniwanie i wyeliminuje zagrożenie dla środowiska, życia i zdrowia ludzi [1]. Ustabilizowane osady ściekowe zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 roku w sprawie katalogu odpadów zostały oznaczone kodem 19 08 05 i są opisane jako ustabilizowane komunalne osady ściekowe [3].

1. Gospodarka osadami ściekowymi

W ostatnich latach nastąpiło zwiększenie ilości oczyszczanych ścieków, a co za tym idzie – ilości wytwarzanych osadów ściekowych. Zgodnie z „Krajowym Planem Gospodarki Odpadami 2014” (KPGO 2014) przewidywany jest dalszy wzrost ilości wytwarzanych komunalnych osadów ściekowych, wynikający z uszczelnienia sytemu wodno-kanalizacyjnego. Przewiduje się, że ilość osadów ściekowych w 2020 roku będzie większa o 20% w stosunku do roku 2011 i wynosić będzie 746 tys. Mg s.m. (tabela 1) [4]. Tak ogromna ilość wytworzonych osadów może stanowić duże wyzwanie dla przedsiębiorstw zajmujących się ich zagospodarowaniem.

Tabela 1 Prognoza wytwarzania komunalnych osadów ściekowych [4].

Tabela 1 Prognoza wytwarzania komunalnych osadów ściekowych [4].

Stosowane w Polsce metody utylizacji oraz zagospodarowania osadów ściekowych to: składowanie, wykorzystywanie do rekultywacji terenów, wykorzystanie rolnicze, kompostowanie, produkcja biogazu czy unieszkodliwianie termicznie. Na rysunku 1 zostały przedstawione metody unieszkodliwiania i odzysku osadów ściekowych pochodzących z oczyszczalni komunalnych i osadów z oczyszczalni przemysłowych i komunalnych razem w latach 2000–2012.

↓ Kliknij w grafikę, aby powiększyć ↓

 Rys. 1 Zagospodarowanie i utylizacja osadów ściekowych z przemysłowych i komunalnych oraz komunalnych oczyszczalni ścieków [5].


Rys. 1 Zagospodarowanie i utylizacja osadów ściekowych z przemysłowych i komunalnych oraz komunalnych oczyszczalni ścieków [5].

Głównym celem zawartym w KPGO 2014 jest ograniczenie składowania, maksymalizacja stopnia wykorzystania substancji biogennych oraz zwiększenia ilości osadów przetwarzanych przed wprowadzeniem do środowiska oraz przekształconych termicznie. Na rysunku 2 przedstawione zostały zmiany w strukturze odzysku i unieszkodliwiania komunalnych osadów ściekowych, jakie z założeniami KPGO 2014 mają zostać osiągnięte do roku 2020.

Rys. 2 Zmiany w strukturze odzysku i unieszkodliwiania osadów z komunalnych oczyszczalni ścieków w perspektywie do 2020 roku [3].

Rys. 2 Zmiany w strukturze odzysku i unieszkodliwiania osadów z komunalnych oczyszczalni ścieków w perspektywie do 2020 roku [3].

1.1. Składowanie

Składowanie jest najmniej pożądaną metodą utylizacji osadów ściekowych jednak nadal często stosowaną. Ilość utylizowanych w ten sposób osadów w ostatnich latach znacznie zmalała – z 40% w 2000 roku do ok. 10% w 2012 (rysunek 1). Od 2016 roku będzie obowiązywać zakaz składowania odpadów o cieple spalania powyżej 6MJ/kg suchej masy. Większość osadów ściekowych posiada ciepło spalania powyżej tej wartości (tabela 3), dlatego od 2016 nie będzie można ich składować zgodnie z Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 8 stycznia 2013 roku [6].

1.2. Wykorzystanie rolnicze i przyrodnicze

Jedną z zalecanych przez KPGO 2014 metod odzysku jest wykorzystanie osadów ściekowych na cele rolnicze lub do rekultywacji terenów. Odzysk ten jest zalecany ze względu na dużą zawartość substancji organicznych, mikroelementów i związków biogennych, dzięki którym osady ściekowe posiadają wysokie walory glebotwórcze oraz nawozowe. Wybrane parametry nawozowe przedstawia tabela 1a. W KPGO 2014 przewiduje się, że do 2020 roku ilość przetworzonych tą metodą osadów wzrośnie do poziomu 30% wykorzystania rolniczego oraz 15% do stosowania przy rekultywacji terenów (rysunek 2). Odzysk ten podlega jednak wielu ograniczeniom. Należy pamiętać, że przed wprowadzeniem osadów do gruntu należy spełnić wymogi bezpieczeństwa sanitarnego, chemicznego i środowiskowego. Wymogi te są opisane w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 13 lipca 2010 roku [7]. Zgodnie z tymi przepisami limitowane są metale ciężkie, takie jak: kadm, miedź, nikiel, ołów, cynk, rtęć, chrom, w zależności do jakiego gruntu są wprowadzane i jakie przeznaczenie ma dany grunt. Ze względu na bezpieczeństwo sanitarne należy zbadać osady pod kątem obecności bakterii chorobotwórczych z rodzaju Salmonella oraz żywych jaj pasożytniczych. W ostatnich latach pojawia się coraz więcej badań dotyczących zawartości mikrozanieczyszczeń organicznych, takich jak: wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne WWA, pestycydy, detergenty, polichlorowane dwufenyle PCB, dioksyny PCDD, furany PCDF. Źródłem tych zanieczyszczeń mogą być między innymi ścieki przemysłowe, środki czystości wykorzystywane w gospodarstwach domowych czy środki ochrony roślin [1]. Mikrozanieczyszczenia organiczne nie są limitowane w rozporządzeniu, jednak w przyszłości mogą stać się dodatkowym ograniczeniem w wykorzystaniu osadów na cele rolnicze i przyrodnicze czy w rekultywacji terenów.

Tabela 2 Parametry nawozowe oraz zawartość metali ciężkich a) mikroelementy i związki biogenne.

Tabela 2 Parametry nawozowe oraz zawartość metali ciężkich a) mikroelementy i związki biogenne.

Tabela 2 Parametry nawozowe oraz zawartość metali ciężkich b) metale ciężkie.

Tabela 2 Parametry nawozowe oraz zawartość metali ciężkich b) metale ciężkie.

1.3. Termiczna utylizacja

Jednym z głównych celów Krajowego Planu Gospodarki Odpadami 2014 jest zwiększenie ilości przetwarzanych osadów ściekowych w procesach termicznych. Zgodnie z rysunkiem 2 ilość zutylizowanych tą metodą osadów ściekowych ma przekroczyć 30% w roku 2020. Już teraz metoda ta ma coraz większe znacznie – w roku 2000 wynosiła tylko 1%, natomiast w roku 2012 osiągnęła poziom 11% (rysunek 1).

Istnieją trzy główne sposoby termicznej utylizacji osadów: spalanie, współspalanie oraz metody alternatywne takie jak piroliza czy zgazowanie [8]. Analizując przydatność osadów ściekowych do termicznej utylizacji, należy poznać ich parametry paliwowe. Zostały one przedstawione w tabeli 3 na przykładzie dwóch osadów. Barierą do stosowania metod termicznych jest wysoki stopień uwodnienia osadów, który dla ustabilizowanych komunalnych osadów ściekowych kształtuje się na poziome ok. 80%. Tak duża zawartość wody uniemożliwia autotermiczne spalanie. Warunkiem monospalania jest wysuszenie osadu do poziomu poniżej 40% zwartości wody, natomiast zawartość substancji palnych (węgiel, wodór, siarka) powinna wynosić powyżej 25% [1]. W metodach, w których wykorzystywane jest współspalanie, np. w przemyśle cementowym, wymagane jest, aby osad ściekowy został wysuszony do zawartości suchej masy na poziomie 10–30%.

Tabela 3 Parametry paliwowe osadów ściekowych.

Tabela 3 Parametry paliwowe osadów ściekowych.

Suszenie pozwala zwiększyć atrakcyjność osadów jako paliw, poprawiając ich właściwości paliwowe oraz redukując znacznie ich masę i objętość. Zmieniając osady w produkt o określonych właściwościach, ułatwia się ich wykorzystanie w procesach termicznych, a także przechowywanie czy transport. Suszenie posiada jednak pewne wady. Jedną z nich jest wydzielanie się odorów wynikających z rozkładu związków organicznych, co może być uciążliwe dla otoczenia. Wysokotemperaturowe suszarnie osadów ściekowych wymagają znacznych nakładów finansowych i związane są ze skomplikowanym technologicznie procesem, co ukierunkowuje ich zastosowanie dla dużych oczyszczalni ścieków. Prostszym technologicznie rozwiązaniem mogą być suszarnie solarne [8].

Inną możliwością jest współspalanie osadów w kotłach energetycznych. Jednak osad ściekowy traktowany jest jako odpad, więc w trakcie współspalania elektrownie musiałyby spełnić wymogi emisyjne, takie jak dla spalarni odpadów, chyba że udział osadów w strumieniu paliwa wynosiłby nie więcej niż 1%. Z tego względu elektrownie nie są zainteresowane współspalaniem, chociaż ze względu na zawartą w nich biomasę traktowane są jako materiał zero emisyjny, obniżający emisję CO2.

Inną metodą współspalania jest współspalanie mokrych osadów ściekowych z biomasą. Ideą tego procesu jest przyczynienie się do wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych, jak również wyeliminowanie kosztownego procesu suszenia osadów ściekowych [9].

2. Podsumowanie

W ostatnich latach, w następstwie powstawania nowych systemów wodno-kanalizacyjnych oraz oczyszczalni ścieków, systematycznie rośnie ilość wytwarzanych osadów ściekowych. Istnieją ograniczone możliwości zapobiegania powstawaniu osadów ściekowych. Z tego względu w gospodarce osadami ściekowymi skupiono się na metodach ich utylizacji. Coraz większe restrykcje dotyczące wykorzystania osadów ściekowych na cele rolnicze i przyrodnicze przyczyniły się do zwiększenia znaczenia metod termicznych. W KPGO 2014 przewiduje się wzrost tych metod do poziomu 30% w roku 2020. W ten sposób można odzyskać część energii zawartej w osadach ściekowych, natomiast dzięki zawartej w nich biomasie energia wytworzona z osadów ściekowych jest neutralna pod względem emisji CO2, co pozwoli obniżyć jego emisję.

Autor: Bogna Burzała, „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Centralne Laboratorium

Bibliografia:

  1. Bień J. B.: Osady ściekowe, teoria i praktyka, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2007.
  2. Ustawa z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach, Dz.U. 2013, poz. 21, ze zm.
  3. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 r. w sprawie katalogu odpadów, Dz.U. Nr 112, poz. 1206.
  4. Uchwała Nr 217 Rady Ministrów z dnia 24 grudnia 2010 r. w sprawie „Krajowego planu gospodarki odpadami 2014”, Monitor Polski Nr 101, poz. 1183.
  5. Ochrona Środowiska 2013, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa październik 2013, http://www.stat.gov.pl/cps/rde/xbcr/gus/SE_ochrona_srodowiska_2013.pdf [dostęp: 27.01.2014].
  6. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 8 stycznia 2013 r. w sprawie kryteriów oraz procedur dopuszczania odpadów do składowania na składowisku odpadów danego typu, Dz.U. Nr 0, poz. 38.
  7. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 13 lipca 2010 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych, Dz.U. Nr 137, poz. 924.
  8. Bień J. D.: Zagospodarowanie komunalnych osadów ściekowych metodami termicznymi, „Inżynieria i Ochrona Środowiska” 2012, t. 15, nr 4, s. 439-449.
  9. Gaweł I.,  Kubicka S.,  Szlęk A.: Modelowe rozwiązanie spalania osadów ściekowych, „Piece Przemysłowe & Kotły” 2013, nr 3-4, s. 20-23.

Fot., rys.: zasoby autora

Artykuł ukazał się w czasopiśmie „Nowa Energia” nr 1/2014.