Streszczenie Abstract - Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony

Streszczenie Abstract - Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony

Archives of Waste Management
Archiwum Gospodarki Odpadami
and Environmental Protection
http://ago.helion.pl
ISSN 1733-4381, Vol. 3 (2006), p-83-90
Popioły ze spalania odpadów z przemysłu mięsnego
i osadów ściekowych jako źródło fosforu
Wzorek Z., Lenik E., Gorazda K., Wilkosz A.
Instytut Chemii i Technologii Nieorganicznej Politechniki Krakowskiej
ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków,
tel. (0-12) 6282716, fax. (0-12) 6282036
[email protected]
Streszczenie
Wzrost liczby ludności na świecie, rozwój przemysłu oraz ilości substancji chemicznych
podlegającym procesom migracji w środowisku przyczyniają się do jego zmian, zarówno
lokalnych jak i globalnych. Rosnące zapotrzebowanie na związki fosforu skutkuje do
znaczącą eksploatacją naturalnych złóż apatytów i fosforytów. Prognozy dotyczące
naturalnych światowych rezerw złóż fosforu przewidują, że ponad 50% zasobów
fosforowych obecnie wykorzystywanych na świecie, zostanie zużyta w przeciągu
następnych 60-70 lat. W pracy przedstawiono wyniki badań nad możliwością
współspalania osadów ściekowych z mączkami mięsno-kostnymi. Określono wpływ
temperatury oraz skład odpadów na właściwości fizykochemiczne uzyskanych popiołów.
Przeprowadzono analizę przydatności nawozowej popiołów ze szczególnych
uwzględnieniem zawartości i przyswajalności fosforu. W zależności od temperatury oraz
składu spalanych odpadów przyswajalność fosforu osiąga poziomu 65%.
Abstract
Ashes from Combustion of Meat Industry Waste and Sewage Sludge
The population growth, urban and industry development cause the increased pollution with
different substances which contain phosphorus. It contributes to the increased demand for
its compounds, increasing the use of its natural resources, which is considered to be the
most accessible source. The forecasts regarding the world natural reserves of phosphorus
deposits are saying that more than 50% of resources used currently will be exhausted within
next 60-70 years. That is why the world’s attention is focused on the alternative phosphorus
source, in which sewage sludge and met industry waste. This paper presents results of
research on co-combustion of sewage sludge and meat-and-bone mills. The influence of
temperature and waste constitution on properties of obtained ash was determined. The
analysis of fertilizing usability of ash was also investigated with particular consideration on
phosphorus content and usability. Depending on temperature and composition of
combusting waste phosphorus usability at ash reached 65%
84
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
1. Wstęp
Wzrost liczby ludności na świecie, rozwój przemysłu oraz ilości substancji chemicznych
podlegającym procesom migracji w środowisku przyczyniają się do jego zmian, zarówno
lokalnych jak i globalnych [1]. W najbliższym czasie świat może stanąć przed problemem
przeludnienia, deficytu energii, żywności oraz zasobów naturalnych, co skutkować będzie
obniżeniem poziomu życia. Jego dalszy rozwój zależeć będzie od tego czy zostanie
przywrócona równowaga pomiędzy rozwojem gospodarczym a ochroną zasobów
naturalnych [2,3].
Przez dziesiątki lat procesy produkcyjne prowadzone były bez uwzględnienia ich wpływu
na środowisko naturalne. Postępująca destrukcja środowiska wymusiły zmianę podejścia do
zagadnień ochrony środowiska [4]. Podjęte działania wynikające z kontroli ilości
zanieczyszczeń wprowadzanych z przemysłu, obejmujące oczyszczanie emitowanych
gazów, ścieków oraz odpadów pozwoliły wyłącznie na zahamowanie postępującej
degradacji środowiska. Strategia ta, określana mianem „u końca rury” okazała się jednak
niewystarczająca. Ograniczenie dostępności zasobów surowców nieodnawialnych i źródeł
energii stało się powodem zmiany strategii ochrony środowiska oraz rozwoju tzw.
„czystszych produkcji”. Zgodnie z zasadami czystszej produkcji, odpady powinny być
traktowane jako źródło surowców do produkcji nowych, w pełni wartościowych wyrobów.
Rosnące zapotrzebowanie na związki fosforu przyczynia się do znaczącej eksploatacji
naturalnych złóż apatytów i fosforytów. Prognozy dotyczące naturalnych światowych
rezerw złóż fosforu przewidują, że ponad 50% zasobów fosforowych obecnie
wykorzystywanych na świecie, zostanie zużyta w przeciągu następnych 60-70 lat. Z tego
też względu coraz więcej uwagi poświęca się alternatywnym źródłom fosforu, do których
zaliczyć należy osady ściekowe oraz odpady z przemysłu mięsnego - w szczególności
mączki mięsno-kostne [5-7].
Wprowadzone w ostatnich latach zmiany regulacji prawnych w zakresie gospodarowania
odpadami, zarówno osadami ściekowymi jak również odpadami z przemysłu mięsnego
skłaniają do podjęcia prac nad możliwością ich unieszkodliwiania. Jedną z preferowanych
metod jest termiczna utylizacja, zapewniająca znaczne zmniejszenie masy odpadów.
Celem badań było określenie wpływu temperatury spalania mieszaniny osadów ściekowych
oraz mączek mięsno-kostnych na właściwości uzyskanych popiołów, a w szczególności
ocena ich przydatności do celów nawozowych.
2. Część doświadczalna
Do badań wykorzystano mączkę mięsno-kostną (mmk) produkowaną w zakładach „Saria
Małopolska” Sp. z o.o., Odział w Przewrotnem. Obiekt ten jest obecnie jednym z
największych przedsiębiorstw zajmujących się utylizacją odpadów poubojowych i
produkcji mączki mięsno-kostnej oraz tłuszczu utylizacyjnego. Odbiera odpady zaliczane
do materiału niskiego, wysokiego i szczególnego ryzyka [8]. Właściwości fizykochemiczne
mączki zestawiono w tabeli 2.1.
Tabela 2.1. Właściwości fizykochemiczne mączki mięsno-kostnej
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
Białko
45-50%
Wilgotność
2-5%
Tłuszcz
12-16%
Fosfor
3-6%
Wapń
8-10%
Chlorki jako NaCl
0,8-2%
Popiół
20-30%
Strawność białko
powyżej 82%
Włókno surowe
1-2%
85
Odwodnione osady ściekowe pochodziły z Zakładu Oczyszczania Ścieków „Kujawy” w
Krakowie Pleszewie, który oczyszcza około 54 000 m3 ścieku/dobę pochodzącego od ok.
250 000 mieszkańców [9]. Oczyszczalnia stosuje technologię trójstopniowego oczyszczania
osadem czynnym. Końcowe usuwanie fosforu ze ścieku prowadzone jest poprzez dodatek
roztworu siarczanu żelaza(III) (PIX). Osad poddawany jest procesowi fermentacji
metanowej oraz zagęszczaniu grawitacyjnemu, a następnie składowany. Z bilansu fosforu
w ścieku wynika, że osad złożony w ciągu roku na składowisku zawiera fosfor, w ilości
odpowiadającej ok. 370 Mg 100% H3PO4. W tabeli 2.2. przedstawiono skład osadów
ściekowych w stanie powietrzno-suchym.
Tabela 2.2. Zawartości oznaczanych składników w osadach powietrzno-suchych
Wilgoć
5- 10%
Azot (w subst. org.)
3-4%
Węgiel (w subst. org.)
25-31%
PO43-
8-10%
Fe
6-8%
Ca
3-4,5%
2.1. Spalanie mączki mięsno-kostnej
Spalanie mączki mięsno-kostnej prowadzono w laboratoryjnym piecu sylitowym. Mączkę
mięsno-kostną, po wstępnym wysuszeniu, umieszczano w porcelanowej parownicy i
spalano w piecu ogrzewanym do temperatury 600ºC. Uzyskane popioły kalcynowano w
temp. 600°C, 700ºC, 800ºC, 850ºC i 950ºC przez okres 3 h. W uzyskanych popiołach
oznaczano całkowitą zawartość fosforu oraz zawartość fosforu przyswajalnego wg normy
[10]. Wyniki przedstawiono na rysunku 2.1.1.
86
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
Rysunek 2.1.1. Wpływ temperatury kalcynacji mączki mięsno-kostnej na zawartość
całkowitą i przyswajalność fosforu w popiołach
Całkowita zawartość fosforu w otrzymanych popiołach waha się w granicach 15-17% P,
natomiast przyswajalność wynosi 65-75%. Dla porównania zawartość fosforu w mączce
mięsno-kostnej wynosi 5,8% a przyswajalność około 50%.
Na rysunku 2.1.2. przedstawiono wyniki badań metodą dyfrakcji rentgenowskiej popiołu ze
spalania mączki mięsno-kostnej w temperaturze 600°C. Badania prowadzono na
dyfraktometrze Philips X’Pert z katodą Cu. Głównymi składnikami popiołu są fosforany
wapnia o strukturze hydroksyapatytu i witlokitu.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
87
Rysunek 2.1.2. Dyfraktogram popiołu ze spalania mączki mięsno-kostnej w temperaturze
600°C
2.2. Współspalanie mączki mięsno-kostnej i osadów ściekowych
Spalanie mieszanek mączki mięsno-kostnej i osadu ściekowego prowadzono według tej
samej procedury, co spopielanie samej mączki. Do badań przygotowano mieszaniny o
stosunkach masowych o.ś.:mmk odpowiednio: 1:3, 1:1 oraz 3:1. Ciepło spalania mieszanin
przestawiono w tabeli 2.2.1.
2.2.1. Ciepło spalania mieszaniny osadu ściekowego i mączki mięsno-kostnej
Skład mieszanki
Ciepło spalania [kJ/kg]
Osad ściekowy
9340
o.ś : mmk 3 : 1
12100
o.ś : mmk 1 : 1
14000
o.ś : mmk 1 : 3
16300
Mączka mięsno-kostna
18100
Zmiany zawartości całkowitej fosforu oraz przyswajalności w popiołach kalcynowanych w
temperaturze 950°C przedstawiono na rysunku 2.2.1. Dla porównania na wykresie
przestawiono również rezultaty uzyskane dla „surowego” osadu ściekowego oraz popiołu
otrzymanego na drodze jego kalcynacji w tej samej temperaturze.
88
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
Rysunek 2.1.2. Wpływ temperatury kalcynacji mieszaniny mączki mięsno-kostnej (mmk)
osadu ściekowego (o.ś.) na zawartość całkowitą i przyswajalność fosforu w popiołach
Maksymalną zawartość fosforu w popiołach uzyskano spalając mączkę mięsno-kostna bez
dodatku osadu ściekowego (mmk P950), natomiast najwyższą przyswajalność fosforu
(65%) dla popiołu uzyskanego z mieszanki mączki mięsno-kostnej i osadu ściekowego w
stosunku 1:3. Na rysunku 2.1.3. przedstawiono porównanie dyfraktogramów popiołu ze
spalania osadu ściekowego (o.ś P950) oraz mieszanki mączki mięsno-kostnej (o.ś./mmk
1:3).
Główną fazą krystaliczną w popiele ze spalania osadu ściekowego jest mieszany fosforan
wapnia i żelaza Ca9Fe(PO4)7, powstający, obok hematytu, w wyniku
wysokotemperaturowej reakcji fosforanu żelaza ze związkami wapnia, obecnymi w osadzie
ściekowym [11]. Proces ten ma decydujący wpływ na możliwość ługowania związków
fosforu z popiołów.
W popiele otrzymanym w procesie kalcynacji mieszaniny osadu ściekowego i mączki
mięsno-kostnej nie stwierdzono obecności hydroksyapatytu i witlokitu, które
przypuszczalnie ulegają rozkładowi w wyniku reakcji z fosforanem żelaza obecnym w
osadzie ściekowym.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
89
Rysunek 2.1.3. Porównanie dyfraktogramów popiołu ze spalania osadu ściekowego (o.ś.
P950) oraz mieszaniny osadu ściekowego i mączki mięsno-kostnej o stosunku masowym
1 : 3 otrzymanych w temperaturze 950°C
3.Podsumowanie
Współspalanie osadów ściekowych i mączek mięsno-kostnych wydaje się jednym z
korzystnych rozwiązań, pozwalających na znaczące zmniejszenie ilości odpadów
powstających w oczyszczalniach ścieków oraz w przemyśle mięsnym (ponad 80%).
Wysoka temperatura procesu spalania zapewnia całkowite usunięcie fazy organicznej, a
tym samym eliminuje zagrożenia związane z możliwością rozprzestrzeniania się
patogennych mikroorganizmów występujących osadach ściekowych oraz prionów
90
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006)
odpowiedzialnych za chorobę „wściekłych krów” BSE (bovine spongiform encelophathy) i
choroby Creutzfelda-Jakoba (innej formy gąbczastej encelopatii).
Popioły otrzymane temperaturze 950°C z mieszanek, o co najmniej 50% zawartości mączki
mięsno-kostnej, cechują się stosunkowo wysoką zawartością fosforu - ponad 10% P.
Również wysoka przyswajalność wskazuje na możliwość wykorzystania popiołów do
celów nawozowych.
Literatura
[1] O’Neill P., Chemia środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa-Wrocław,
1997
[2] Report of UN Conference on Environment and Development, Rio de Janeiro, 1992
[3] Global 2000. Report to the President, Government Printing Office, Washington DC,
1980
[4] Kowalski Z., Czystsza Produkcja jako strategia ochrony środowiska naturalnego,
Problemy Sozologiczne Aglomeracji Miejsko-Przemysłowych, Biuletyn nr 3, Komitet
Inżynierii Środowiska PAN, 1998
[5] Conference Summary, Second International Conference on the Recovery of
Phosphorus from Sewage and Animal Manures, Noordwijkerhout, Netherlands, 12 &
13 March, 2001
[6] Richards I.R., Johnston A.E., The effectiveness of different precipitated phosphates as
sources of phosphorus for plants, Report on work undertaken for CEEP, EFMA
(European Fertiliser Manufacturers Association), Anglian Water UK, Thames Water
UK and Berlin Wasser Betriebe, December 2001
[7] Summary of conclusion and discussion, International Conference on Recovery of
Phosphates for Recycling from Sewage and Animal Wastes, Warwick University, UK,
may 1998
[8] Regulation (EC) No 1774/2002 of the European Parliament and of the Council of 3
October 2002 laying down health rules concerning animal by-products not intended for
human consumption
[9] Jodko M., Rzepecki T., Gorazda K., „Odzysk fosforu z osadów z oczyszczania
ścieków komunalnych”. Czasopismo Techniczne Z. 3-Ch/2002, Wydawnictwo
Politechniki Krakowskiej, 2002
[10] PN -88/C-87015 – Nawozy sztuczne. Metody badań zawartości fosforanów
[11] Zbigniew Wzorek, Zygmunt Kowalski, Marek Jodko, Katarzyna Gorazda, Anita
Śląska, Badania nad odzyskiem fosforu z osadów z oczyszczania ścieków, Przem.
Chem., 8-9, 82, s. 1066-1067, 2003