Termiczna utylizacja osadów ściekowych

Archives of Waste Management
Archiwum Gospodarki Odpadami
and Environmental Protection
http://ago.helion.pl
ISSN 1733-4381, Vol. 2 (2005), p-17-24
Termiczna utylizacja osadów ściekowych
Rećko K.
Instytut Inżynierii Środowiska
Politechnika Częstochowska
Brzeźnicka 60a, 42 - 200 Częstochowa, tel. (034)325-73-34 wew. 33
e-mail: [email protected]
Streszczenie
W publikacji przedstawiono koncepcję wspólnego zagospodarowania osadów ściekowych i
odpadowych mułów węglowych. Przeprowadzone badania pozwoliły na wytworzenie
granulatu o parametrach pozwalających na wspólne zagospodarowanie obu odpadów w
procesie utylizacji termicznej. Właściwości i skład uzyskanego granulatu pozwala
wykorzystać go jako paliwo podstawowe lub jako dodatek do paliw np.: w kotłach
energetycznych. Wprowadzenie do procesów produkcyjnych granulatu sporządzonego z
osadów ściekowych i odpadowych mułów węglowych rozwiązuje nie tylko problem
zagospodarowania uciążliwego odpadu jakim są osady ściekowe i mniej szkodliwego mułu
węglowego, ale prowadzić może do znacznych oszczędności węgla. W badaniach
doprowadzono do opracowania mieszanki granulowanej, której wyprodukowanie nie
nastręcza trudności technicznych i może być zrealizowane przy minimalnych nakładach
inwestycyjnych.
Abstract
The sewage sludge in thermal utilization
The publication presents the metod of mutual management of sewage sludge and carbon
mud waste. The research enabled the acquisition of the granulate having the parameters
allowing to the mutual management of both wastes in thermal utylization. The features and
content of the received granulate allows to use it as a basic fuel or fuel addition for
example: in power boiler. The introduction of the granulate received from the sewage
sludge and carbon mud waste to producing processes in the solution not only to the problem
of the management of arduous waste such as sewage sludge and lers harmful carbon mud,
but can also cause important carbon saving. The effect of the investigation was the
granulate mixture. Production of thismixture does not make any technical difficulties and
may be realized with minimal outlay.
18
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
1. Wstęp
Trudnym do rozwiązania problemem jest zagospodarowanie odpadów o charakterze
masowym. Do takich odpadów możemy zaliczyć osady ściekowe i odpadowe muły
węglowe. Osady ściekowe powstają na oczyszczalniach ścieków i stanowią odpad, który na
rok 2001 w Polsce szacowano na około 0,5 mln ton s.m. [1]. Stanowią one produkt coraz
bardziej zaawansowanych technologii oczyszczania ścieków. Osady ściekowe należą do
odpadów, które wymagają pilnego zagospodarowania [2,3]. Odpadowe muły węglowe
wydzielane są z obiegów wodno-mułowych kopalń węgla kamiennego i stanowią odpad o
charakterze masowym. Wielkość nagromadzonych odpadowych mułów węglowych w
Polsce szacuje się na około 50 mln ton [4,5]. Dominującym sposobem postępowania z
takimi odpadami jest ich składowanie na składowiskach odpadów. Dlatego konieczne jest
szukanie nowych metod umożliwiających ich zagospodarowanie. Przedstawiona metoda
pozwala na rozwiązanie problemu zagospodarowania odpadów poprzez ich wspólne
wykorzystanie w termicznej utylizacji.
2. Charakterystyka osadów ściekowych
Termiczne procesy unieszkodliwiania osadów ściekowych należą do metod najbardziej
radykalnych z uwagi na możliwość całkowitego unieszkodliwiania tych odpadów. Stałe
produkty reakcji i pozostałości są bezpieczne pod względem sanitarnym. Wartość
kaloryczna osadów ściekowych zależy od składu chemicznego i procentowej zawartości
substancji palnych oraz wilgotności. Osad ściekowy zawiera zwykle 70% substancji
organicznej. Zawartość substancji organicznej w osadzie ściekowym jest wskaźnikiem
określającym możliwość wykorzystania osadów w procesach termicznych. Osad ściekowy
zawierający 50% substancji organicznej i odwodniony do poziomu 50% suchej masy ma
wartość kaloryczną równą 4 MJ/kg, natomiast zawierający 75% substancji organicznej i
odwodniony do poziomu 50% wilgotności ma wartość kaloryczną równą 6,5 MJ/kg [6].
Jeżeli wartość opałowa substancji organicznych w osadach ściekowych nie wystarcza do
odparowania zawartej w nich wody, wówczas osady mogą być stosowane jako paliwo
dodatkowe przy spalaniu materiałów opałowych takich jak węgiel, olej opałowy czy
odpadowy muł węglowy. Dla prowadzenia prawidłowego procesu spalania konieczne jest
jednak odwodnienie osadu do zawartości mx. 70% wilgoci [7].
Charakterystyka osadów ściekowych w porównaniu z innymi paliwami została
przedstawiona w tabeli 1 [8,9,10,11].
Termiczna utylizacja osadów ściekowych wykorzystywana jest szeroko w krajach wysoko
rozwiniętych, w których udział spalanych osadów ściekowych w stosunku do całości ich
rocznej produkcji wynosi: w Japonii 55%, Danii i Kanadzie ponad 40% oraz Francji,
Szwajcarii, Niemczech, Stanach Zjednoczonych ponad 30%, Austrii 34%. W Polsce
stosowane są metody spalania osadów ściekowych proponowane przez prof. Janusza W.
Wandrasza z Politechniki Śląskiej [7] lub bardziej skomplikowane przykładem, których
może być proces pirolizy badany przez zespół prof. Januarego B. Bienia [12,13] z
Politechniki Częstochowskiej.
19
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2 (2005)
Tabela 1. Charakterystyka osadów ściekowych w porównaniu z innymi paliwami
Oznaczenie
Osad
ściekowy
Odpadowy muł
węglowy
Węgiel
kamienny
Węgiel
brunatny
Drewno
odpadowe
Wartość
opałowa
[MJ/kg]
Popiół [%]
8÷21,5
8÷16
25÷30
8÷16
13
30
30÷60
5,3
10÷20
0,8
Węgiel [%]
50
31
88
66
50,7
Wodór [%]
6
3,7
6
5
5,9
Siarka [%]
1,0
1-1,5
0,8
0,7-7
0,04
Podstawowe sposoby spalania osadów ściekowych stosowane obecnie w krajach wysoko
uprzemysłowionych obejmują [14]:
♦
♦
♦
♦
spalanie osadów łącznie z odpadami komunalnymi, możliwe w ograniczonych
proporcjach przy wysokiej wartości opałowej odpadów komunalnych w specjalnych
komorach z paleniskiem rusztowym,
spalanie w paleniskach fluidalnych łącznie z wysokokalorycznymi odpadami
przemysłowymi lub innym paliwem uzupełniającym,
spalanie w konwencjonalnych kotłowniach paliwa otrzymanego na bazie osadów przez
ich mechaniczne i termiczne suszenie, a następnie prasowanie, często z dodatkiem
innych substancji w celu otrzymania palnych granulek,
bezpośrednie spalanie odwodnionych mechanicznie osadów w specjalnych instalacjach
fluidalnych bez stosowania paliwa dodatkowego, z wykorzystaniem energii spalin do
ich suszenia oraz podgrzewania powietrza do spalania.
Metody te umożliwiają odzysk energii zawartej w osadach ściekowych i zapewniają
realizację autotermicznego procesu spalania. Głównym problemem przy spalaniu osadów
ściekowych jest zbyt wysoka wilgotność, co wymaga dostarczania dodatkowej energii do
podtrzymania procesu spalania.
3. Charakterystyka odpadowych mułów węglowych
Odpadowe muły węglowe stanowią odpady o bardzo drobnym uziarnieniu, które są
wydzielane z obiegów wodno – mułowych kopalń węgla kamiennego. Najczęściej
kierowane są do stałego składowania w osadnikach lub na zwałowiskach. Są to odpady
drobnoziarniste silnie uwodnione, zawierające od 18 – 35% wilgoci. Zawartość węgla w
odpadowych mułach węglowych waha się od 10 – 30% w zależności od pochodzenia.
Skład mineralogiczny odpadowego mułu węglowego przedstawia tabela 2 [15].
20
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
Tabela 2. Skład mineralogiczny odpadowego mułu węglowego.
Minerał
Kaolinit
Wzór chemiczny
Al2O32SiO22H2O
Zawartość [ %]
32
Węgiel
Substancja organiczna
31
Hydrargilit
Al2O3
8
Gips
CaSO42H2O
6
Epsonit
MgSO47H2O
6
Alofan
xAl2O3ySiO2zH2O
5
Ankeryt + Syderyt
Ca(Mg,Fe)(CO3)2FeCO3
4
Trona
Na3H(CO3)2
3
Tenardyt
Na2SO4
2
Skalenie
K2OAl2O36SiO2
1
Kwarc i inne krzemiany
SiO2, SiO4, Si2O7
Polihalit
K2MgCO2(SO4)42H2O
Zeolity
(Ca,Na)[AlSi2O6] 6H2O
} razem 2
Analiza techniczna odpadowego mułu węglowego wykazała w stanie analitycznym
obecność około 30% węgla, wilgotność na poziomie 5 – 7%, siarki 0,5 – 0,9% oraz
substancji mineralnej tworzącej popiół 50 – 60 % [15]. Odpadowe muły węglowe są
materiałem kłopotliwym w procesie zagospodarowania, a wydzielanie go z obiegów wodno
– mułowych wymaga wielu operacji [16].
4. Metodyka badań
Do badań wykorzystano osady ściekowe z Oczyszczalni Ścieków Częstochowa oraz
odpadowe muły węglowe z KWK „Janina”. Osady ściekowe pobierane były po procesie
fermentacji i odwodnieniu na prasach mechanicznych. W procesie osady ściekowe zostały
poddane analizie technicznej, która objęła właściwości osadów ściekowych
przedstawionych w tabeli 3.
Odpadowe muły węglowe do badań pobierano bezpośrednio z produkcji po filtracji.
Parametry technologiczne mułu oznaczono wykonując analizę techniczną. Otrzymane
wyniki zostały przedstawione w tabeli 4.
Proces wytworzenia granulatów polegał na wymieszaniu obu odpadów i doprowadzeniu ich
do plastycznej masy o odpowiedniej wilgotności. Skład mieszanki granulatu dobierano w
zmiennych proporcjach osadu ściekowego i odpadowego mułu węglowego. Skład
mieszanek do sporządzania granulatów zestawiono w tabeli 5.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2 (2005)
21
Tabela 3. Właściwości badanych osadów ściekowych.
Oznaczony parametr
Osady ściekowe z Częstochowy
PH
Wilgotność (%)
Sucha masa (%)
Związki organiczne (%wag.)
Związki nieorganiczne (%wag.)
Wartość opałowa s.m. (kJ/kg)
Zawartość C (%wag.)
Zawartość H (%wag.)
Zawartość N (%wag.)
Zawartość S (%wag.)
6,6
75,2
24,8
57,5
42,5
10998
32
3,6
1,8
1,0
Tabela 4. Analiza techniczna odpadowego mułu węglowego.
Oznaczenie
Zawartość [%]
Wilgotność higroskopijna
Popiół w stanie analitycznym
5,25
60,72
Siarka całkowita
1,05
Węgiel pierwiastkowy
23,30
Związki lotne
9,17
Węglany CO2
0,51
Tabela 5. Skład mieszanek do sporządzania granulatów.
Skład mieszanki
100% odpadowego mułu węglowego
75% odpadowego mułu węglowego
25% osadu ściekowego
50% odpadowego mułu węglowego
50% osadu ściekowego
25% odpadowego mułu węglowego
75% osadu ściekowego
100% osadu ściekowego
Sporządzone według podanych proporcji mieszanki pozostawiono na 24 – 48 godzin w
warunkach powietrzno – suchych w celu ujednorodnienia zawartości wilgoci.
Po sezonowaniu mieszanki poddano granulacji na prasie. Uzyskane produkty posiadały
postać cylindrycznych granul o średnicy około 8mm. Wytworzony granulat przedstawia
rysunek 1.
22
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
Rys. 1. Wzorzec granulatu.
Następnie przeprowadzono badania wytrzymałości mechanicznej które wykazały, że rośnie
ona wraz z zawartością odpadowego mułu węglowego. Na podstawie otrzymanych
wyników dobrano optymalny skład mieszanki w proporcji 50% osadu ściekowego i 50%
odpadowego mułu węglowego. W tak wytworzonym granulacie oznaczono: wartość
opałową, zawartość siarki, wilgoci i popiołu co przedstawiono w tabeli 6.
Tabela 6. Parametry wytworzonych granulatów.
Oznaczony parametr
Granulat z odpadowych mułów węglowych i osadów
Częstochowy
Wartość opałowa [MJ/kg ]
9,8
Zawartość siarki [%]
1,0
Zawartość wilgoci [%]
5,1
Zawartość popiołu [%]
39
z
Uzyskany granulat posiada korzystny skład i właściwości, które wykazały możliwość
wykorzystania granulatu osadowo – mułowego jako paliwa . Analiza warunków spalania
granulatu osadowo – mułowo wykazała, że posiada on wartość opałową w granicach
dobrej jakości węgli brunatnych. Jest więc paliwem, które może być użyte do spalania w
warunkach autotermicznych. Ograniczenie stosowania go jako paliwa może stanowić
emisja metali ciężkich.
5. Podsumowanie
Wykorzystanie granulatów sporządzonych z osadów ściekowych i odpadowych mułów
węglowych do procesów termicznej utylizacji rozwiązuje problem zagospodarowania
uciążliwego odpadu jakim są osady ściekowe oraz prowadzi do oszczędności paliw
naturalnych. Otrzymany granulat może być spalany w warunkach autotermicznych, ze
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2 (2005)
23
względu na odpowiednią wartość opałową. Wytworzony produkt posiada odpowiednią
wytrzymałość mechaniczną, dzięki której nie będzie ulegał degradacji ziarnowej podczas
operacji załadunku, transportu i dozowania. Utylizacja termiczna granulatu osadowo –
mułowego nie wymaga nowych rozwiązań technicznych ani technologicznych. Może być
prowadzona z wykorzystaniem istniejących technologii i urządzeń. Krajowa energetyka i
ciepłownictwo opierają się głównie na spalaniu węgli kamiennych i brunatnych co sprzyja
zagospodarowaniu granulatu.
Literatura
[1] Ostojski A., Kowalik P., Ciepło spalania i wartość opałowa osadów ściekowych z
oczyszczalni ścieków w Gdyni Dębogórzu oraz Swarzenie. II Międzynarodowa I XIII
Krajowa Konferencja Naukowo - Techniczna Nowe nt. spojrzenie na osady ściekowe –
odnawialne źródła energii, Częstochowa, 3 – 5 luty 2003.
[2] Pająk T., Spalanie i współspalanie osadów ściekowych - podstawowe uwarunkowania.
Mat. V Międzynarod. Konf. nt. Osady ściekowe i odpady komunalne zagospodarowanie, spalanie i współspalanie. Organizator: Grupa KonsultingowoProjektowa ABRYS, Szklarska Poręba, wrzesień 2002, 123-131.
[3] Wielgosiński G., Współczesne tendencje w zagospodarowaniu osadów ściekowych.
Mat. V Międzynarod. Konf. nt. Osady ściekowe i odpady komunalne zagospodarowanie, spalanie i współspalanie, Organizator: Grupa KonsultingowoProjektowa ABRYS, Szklarska Poręba, wrzesień 2002,41-59.
[4] Huller C., Włoszek J., Nowe możliwości wykorzystania odpadów powęglowych.
Wiadomości Górnicze nr 7 – 8 1998.
[5] Chaber M., Gospodarka odpadami w górnictwie węgla kamiennego. Materiały
Konferencyjne Problemy Zagospodarowania Odpadów, PAN Kraków, Wisła 1995.
[6] Schubering A., Kompleksowe rozwiązanie problemu odwadniania szlamu aż do
uzyskania suchego granulatu. Syp. Nauk – Tech. Nt. Nowoczesne technologie ochrony
środowiska z Austrii. Warszawa 31, 1992.
[7] Wandrasz J., Procesy spalania osadów oczyszczalni ścieków komunalnych.
Międzynarodowa Konferencja Naukowo- Techniczna, Poznań 1995.
[8] Girczys J., Trela Z., Aktualizacja bilansu jakościowo – ilościowego drobnoziarnistych
odpadów z układów wodnomułowych KWK wraz z prognozą na przyszłe lata.
Dokumentacja GIG, 2514111RD 1991.
[9] Werther J., Saenger M., Hartge E., Ogada T., Siaigi Z., Combustion of agricultural
residues. Progress in Energy and Combustion Science No.26, pp. 1 – 27, 2000.
[10] Kowalik P., Technologia termicznej utylizacji osadów ściekowych. Nowe technologie
w uzdatnianiu wody, oczyszczaniu ścieków i gospodarce osadowej. Politechnika
Częstochowska, Częstochowa, 1997.
[11] Skalmowski K., Furtak L., Termiczne metody
komunalnych. Polski Instalator 2/98.
unieszkodliwiania odpadów
24
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
[12] Bień J., Kwiecień P., Badania możliwości termicznej utylizacji osadów ściekowych w
technologii OFS. GWiTS, 6, 167 – 168, 1994.
[13] Bień J.B., Bień J.D., Charakterystyka koksiku otrzymanego w procesie
unieszkodliwiania osadu ściekowego w technologii OFS. Materiały Konferencji
Naukowo – Technicznej nt. Wykorzystanie osadów ściekowych - techniczne i prawne
uwarunkowania, s. 137 – 147, Częstochowa 1996.
[14] Bień J.B., Bień J.D., Wystalska K. Problemy gospodarki osadowej w ochronie
środowiska, Skrypty Politechniki Częstochowskiej 31, Częstochowa 1998.
[15] Girczys J., Odpadowe muły węglowe. Monografia. Prace Naukowe GIG. Katowice
1996.
[16] Kozłowski Cz., Nowak Z., Zieleźny A., Układy technologiczne stosowane w
gospodarce wodno – mułowej zakładu przeróbczego i zagadnienia eksploatacyjne.
Zbiór referatów, Pszów, s. 119, 1988.