Pułapki i zagrożenia w termicznym unieszkodliwianiu osadów ściekowych

  DRUKUJ

Pułapki i zagrożenia w termicznym unieszkodliwianiu osadów ściekowych

Bolączki oczyszczania ścieków komunalnych znane są i rozwiązywane w miastach od ponad 100 lat, ale problem osadów ściekowych, powstających podczas oczyszczania ścieków, został zauważony stosunkowo niedawno. Jednak wraz ze wzrostem ilości oczyszczanych ścieków zaczął on stopniowo narastać.

Konsekwencją przyjęcia do polskiego prawodawstwa dyrektywy 91/271/EEC w sprawie oczyszczania ścieków komunalnych będzie w nadchodzących latach ożywiona działalność inwestycyjna w zakresie budowy nowych oczyszczalni ścieków komunalnych. Dyrektywa ta przewiduje m.in. konieczność budowy oczyszczalni ścieków dla każdej aglomeracji o równoważnej liczbie mieszkańców ponad 15 tys. w terminie do końca 2000 r. (dla Polski do 2010 r. z uwagi na wynegocjowany okres przejściowy) oraz dla każdej aglomeracji o równoważnej liczbie mieszkańców ponad 2 tys. w terminie do końca 2005 r. (dla Polski do 2016 r.).
 
Prognozy
Konsekwencją wdrożenia tej dyrektywy będzie konieczność wybudowania w Polsce ok. 130 nowych oczyszczalni ścieków oraz istotny wzrost ilości powstających osadów ściekowych. Głównym instrumentem realizacji zobowiązań w zakresie oczyszczania ścieków jest Krajowy Programu Oczyszczania Ścieków Komunalnych (KPOŚK)1, 2. Skalę wyzwań ilustrują plany rozbudowy infrastruktury systemu transportu i oczyszczania ścieków. Do 2015 r. (zgodnie z KPOŚK po aktualizacji z 2008 r.) planuje się budowę 73 tys. km kanalizacji i 365 oczyszczalni ścieków, a także modernizację ponad 2,7 tys. km sieci kanalizacji już istniejącej oraz 966 funkcjonujących już oczyszczalni ścieków.
Konsekwencją tak znacznego rozwoju systemów oczyszczania ścieków będzie intensyfikacja wytwarzania komunalnych osadów ściekowych. W zaktualizowanym Krajowym Planie Gospodarki Odpadami (KPGO)3, 4 prognozuje się, że w 2014 r. w Polsce wytworzy się 700 tys. Mg s.m. osadów ściekowych (w 2007 r. wytworzono 533 tys. Mg s.m. osadów).
Należy oczekiwać, że w najbliższych latach wszystkie większe miasta w Polsce będą musiały rozwiązać ten problem. Stosowanie coraz bardziej efektywnych metod oczyszczania ścieków sukcesywnie przyczynia się do wzrostu wartości współczynnika ilustrującego ilość powstających osadów ściekowych w przeliczeniu na 1 m3 oczyszczonych ścieków. Trend ten ilustrują dane w tabeli.
Współczynnik ilości komunalnych osadów ściekowych powstających podczas oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego w Polsce w latach 2000-2007 (opracowanie własne na podstawie danych GUS5)
Rok
Współczynnik
(kg s.m./m3)
2000
0,289
2001
0,324
2002
0,366
2003
0,385
2004
0,413
2005
0,426
2006
0,402
2007
0,454
 
Konsekwencje tego wzrostu są poważne. Przyjmując aktualną wartość współczynnika
(na poziomie 0,4 kg s.m. osadu), istotnie zmienia się prognoza ilości komunalnych osadów ściekowych wytworzonych w Polsce w 2015 r. Stosując ten współczynnik do przeliczenia prognozowanej ilości ścieków wymagających oczyszczenia w 2015 r., dowiadujemy się, że wytworzonych zostanie wówczas ponad milion Mg s.m. komunalnych osadów ściekowych (zamiast 700 tys. Mg s.m. osadów, wg prognozy KPGO). Różnice są tak duże, że konieczne będzie znaczne rozbudowanie infrastruktury gospodarki osadami ściekowymi. Krajowy Plan Gospodarki Odpadami4 jednoznacznie określa docelową strukturę zagospodarowania wytworzonych osadów komunalnych. W strukturze tej uwzględnia się tylko cztery metody gospodarowania, z wyraźnie narastającą dominacją unieszkodliwiania termicznego (60% całej puli wytwarzanych osadów ściekowych). Pozostałe z dozwolonych metod gospodarowania osadami ściekowymi to wykorzystanie przyrodnicze oraz zastosowania do rekultywacji, a także kompostowanie.
Składowanie osadów ściekowych jest nie do pogodzenia z zapisami unijnej dyrektywy
składowiskowej (1999/31/EC), a więc ten sposób postępowania z osadami w najbliższych latach straci rację bytu. Wykorzystanie przyrodnicze czy rolnicze również podlega bardzo daleko idącym ograniczeniom formalnym. Ze względu na relatywnie duże ilości metali ciężkich w osadach ściekowych należy oczekiwać, że wprowadzone zostaną nowe restrykcje dotyczące stosowania tych osadów w rolnictwie. Należy spodziewać się przede wszystkim znaczącego obniżenia dopuszczalnej zawartości metali ciężkich w osadach, a także limitowania zawartości niektórych mikrozanieczyszczeń organicznych (chlorowane związki organiczne, fenole i chlorofenole, sulfonowane liniowe alkilobenzeny, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, ftalany, PCB, dioksyny itp.) i patogenów6. Efektem wprowadzenia nowych przepisów prawa będzie kolejne ograniczenie ilości metod stosowanych w gospodarce komunalnymi osadami ściekowymi. Znaczenia nabiorą termiczne metody unieszkodliwiania bądź utylizacji osadów.
 
Technologie
W wielu krajach Unii Europejskiej unieszkodliwianie osadów ściekowych przez ich spalanie
lub współspalanie stosuje się na dużą skalę. Współczesny rynek technologii suszenia oraz spalania oferuje szereg instalacji zapewniających efektywne i ekologicznie bezpieczne przeprowadzenie procesu suszenia i spalania osadów ściekowych. Do grupy technologii realizujących ten proces w sposób bezpośredni, czyli tzw. spalanie osadów mono, zaliczyć należy7: spalanie w złożu fluidalnym, w piecach z mechanicznym rusztem ruchomym, w piecu obrotowym, w różnych odmianach pieców półkowych oraz technologie wykorzystujące proces pirolizy lub zgazowania bądź ich kombinacje.
Zdecydowanie najczęściej stosowane są piece fluidalne. Natomiast do grupy technologii, w których proces spalania osadów ściekowych realizowany jest na drodze współspalania z innymi rodzajami paliw, można zaliczyć8 współspalanie z odpadami komunalnymi, traktowanie osadów ściekowych jako paliwa zastępczego i współspalanie ich w piecach obrotowych w przemyśle cementowym, współspalanie osadów ściekowych w energetycznych kotłach pyłowych.
Doświadczenia techniczne, szczególnie niemieckie, wskazują, że możliwe jest bezpieczne współspalanie osadów ściekowych (w postaci wysuszonej), stosowanych jako paliwa zastępcze, uzupełniające strumień paliwa kopalnego – węgla – w piecach cementowych (do wypalania klinkieru) oraz w elektrowniach, elektrociepłowniach czy też innych kotłowniach. Trzeba jednak pamiętać, że systemy oczyszczania gazów spalinowych nie są przystosowane do usuwania wielu zanieczyszczeń emitowanych z procesu spalania bądź współspalania osadów ściekowych w stopniu wymaganym dla zapewnienia bezpiecznego poziomu emisji. Wynika to z obowiązujących dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń w gazach spalinowych dla energetycznego spalania paliw, znacznie łagodniejszych niż w przypadku spalania czy współspalania odpadów.
 
Spalarnie w Polsce
Funkcjonuje niewiele spalarni odpadów ściekowych – są to: spalarnia w Gdyni – Dębogórzu (23 500 Mg/rok), spalarnia w Nowym Targu (12 100 Mg/rok), spalarnia w Makowie Podhalańskim (1 700 Mg/rok).
Spalarnia Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji w Dębogórzu (kocioł fluidalny) wybudowana w 1998 r., została w 2008 r. gruntownie zmodernizowana. W szczególności zmodernizowany został system oczyszczania spalin. Na lata 2010/11 przewidziany jest dalszy etap modernizacji instalacji, obejmujący remont węzła spalania.
Spalarnia w Nowym Targu została wybudowana w 2000 r. Instalacja składa się z węzła suszenia osadów oraz kotła rusztowego do ich spalania. W rzeczywistości osiąga ona niższe wydajności od projektowanej ze względu na kłopoty eksploatacyjne węzła spalania. W połowie 2009 r. instalacja została wyłączona z eksploatacji z uwagi na liczne awarie i kłopoty z dotrzymaniem parametrów emisyjnych. We wrześniu 2008 r. uruchomiona została spalarnia odpadów ściekowych oraz niektórych odpadów produkcyjnych o dwóch liniach spalania, wyposażonych w kotły fluidalne, należąca do spółki „ORLEN-EKO” w Płocku, o wydajności ok. 50 tys. Mg/rok, co spowodowało stopniowe wyłączenie starej spalarni, dysponującej podobną wydajnością przy trzech kotłach fluidalnych. Ze względu na bardzo uproszony system oczyszczania spalin oraz znaczny stopień wyeksploatowania stara instalacja nie była w stanie sprostać współczesnym wymaganiom prawnym. Nowa instalacja dysponuje skutecznym systemem oczyszczania spalin i bez problemu spełnia wymogi emisyjne. Została zaprojektowana do spalania odpadów, które nie zawierają dużych ilości chloru, stąd temperatura spalania wynosi ok. 850°C. W 2008 r. została zamknięta spalarnia osadów ściekowych w Świdnicy (ok. 3 tys. Mg/rok) jako niespełniająca wymagań projektowych, mająca kłopoty eksploatacyjne oraz z powodu niedotrzymywania warunków emisji. Instalacja ta, podobnie jak jej odpowiednik w Fabryce Osłon Białkowych „Fabios” w Makowie Podhalańskim, składa się z komór zgazowania osadów oraz reaktora katalitycznego do dopalania gazu syntezowego powstałego w węźle zgazowania. Spalarnia w Zakładzie „Fabios” w Makowie Podhalańskim najprawdopodobniej zostanie w 2010 r. zamknięta, bo nie spełnia wymagań prawa polskiego, pomimo przeprowadzonej w 2009 r. częściowej modernizacji. Konstrukcja tej instalacji, podobnie jak spalarni w Świdnicy, nie pozwoli na wypełnienie obowiązujących wymagań prawnych w zakresie emisji, kontroli procesu oraz przede wszystkim zawartości substancji organicznych w produkcie poprocesowym.
W 2009 r. zakończono budowę spalarni osadów ściekowych w Olsztynie o wydajności
ok. 15 tys. Mg/rok. Z kolei budowana jest duża, nowoczesna spalarnia osadów ściekowych w Łodzi (50 tys. Mg/rok) oraz podobne instalacje w Warszawie i Krakowie. Są one bardzo podobne pod względem wielkości i wyposażenia do instalacji znajdującej się w firmie „ORLEN-EKO”.
 
Uwaga na buble
Na rynku pojawiają się coraz częściej oferty nieznanych firm, bez referencji, charakteryzujące się (według dostawców) niskimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi oraz bardzo dobrymi parametrami technicznymi. Rzeczywistość, niestety, nie jest taka różowa. Najczęściej rozwiązania tanie (pod względem inwestycyjnym) okazują się bardzo drogie w eksploatacji bądź generują dodatkowe problemy i koszty, często nieznane inwestorowi w chwili podejmowania decyzji o wyborze technologii.
Jedna z tzw. nowych technologii polega na połączeniu procesu termicznego rozkładu osadów ściekowych w warunkach tlenowych z katalitycznym dopalaniem powstałych gazów wytlewnych. W tej technologii osady ściekowe umieszczane są w specjalnych komorach, gdzie poddawane są działaniu gorącego (ok. 500-600°C) powietrza. W temperaturze tej powstają gazy wytlewne, zawierające proste węglowodory i tlenek węgla, które kierowane są do rewersyjnego dopalacza katalitycznego, gdzie ulegają katalitycznemu utlenieniu do dwutlenku węgla i wody. Gorące gazy z dopalacza wykorzystywane są jako źródło ciepła w procesie. Według autorów technologii stała, pozostałość poprocesowa (produkt termicznego rozkładu osadów ściekowych) stanowi mineralizat o zawartości substancji organicznych poniżej 1%. Instalacja jest stosunkowo tania i tym samym bardzo atrakcyjna dla potencjalnych inwestorów.
Szczegółowe badania procesu9 wykazały, że istotnie strumień powstających gazów wytlewnych zawierających węglowodory i tlenek węgla jest stabilny i znaczący (rys. 1), lecz zawartość substancji organicznych w stałej pozostałości („mineralizat”), oznaczona wg normy PN-EN-13137, jest znaczna i sięga nawet 10-40% w zależności od warunków prowadzenia procesu (rys. 2).

Technologia ta nie spełnia wymogów określonych w rozporządzeniu Ministra Gospodarki (§5 mówiący o dopuszczalnej zawartości substancji palnych lub węgla organicznego w żużlach i popiołach paleniskowych – w tym przypadku w stałej pozostałości poprocesowej)10.

Jest to pułapka, w którą mogą łatwo wpaść samorządy zamierzające tanim kosztem rozwiązać problem osadów z komunalnej oczyszczalni ścieków. Nie jest to jednak pułapka jedyna. Doświadczenia spalarni osadów ściekowych w Nowym Targu generalnie dowodzą, że zastosowanie spalarni komorowych do termicznego przekształcania osadów ściekowych jest też posunięciem chybionym. Ze względu na swoją postać i strukturę, wysuszone osady ściekowe wymagają dobrego napowietrzenia strefy spalania. Spalanie w stałym złożu spalarni komorowej (lub też współspalanie z węglem na ruszcie stałym czy też mechanicznym) jest bardzo złym – z technologicznego punktu widzenia – rozwiązaniem. Najlepsze efekty daje spalanie osadów ściekowych w kotłach fluidalnych. Niezłe rezultaty zapewnia również współspalanie w kotłach pyłowych, ale poważnym ograniczeniem są standardy emisyjne dla współspalania oraz zjawisko szlakowania kotła (ze względu na obniżenie temperatury mięknięcia popiołu na skutek podwyższonej zawartości związków takich metali jak sód i potas). Kolejna pułapka to problem suszenia – w przypadku współspalania osadów w energetyce lub w cementowniach nie do przyjęcia z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia jest transport uwodnionych osadów. Zachodzi więc konieczność ich suszenia na terenie oczyszczalni. Jedynie zastosowanie suszarni ogrzewanej promieniowaniem słonecznym pozwala na uniknięcie wysokich kosztów dostarczenia ciepła do odparowania większości wody. Jednak suszarnia słoneczna osiąga słabe rezultaty w dni pochmurne, w szczególności zimą. Suszenie osadów na terenie oczyszczalni wiąże się z koniecznością budowy kotłowni, co znacząco pogarsza efekt ekonomiczny przedsięwzięcia.
 
W poszukiwaniu ideału
Kryterium, które powinno być brane pod uwagę przy wyborze technologii, to bezpieczeństwo instalacji oraz zachodzących procesów. Analizując każdą ze znanych technologii, należy zwrócić uwagę na wady i zalety poszczególnych rozwiązań. Reasumując, można stwierdzić, że technologie zgazowania i pirolizy nie osiągnęły poziomu zadowalającego11-15. Suszenie i kompostowanie osadów wiąże się w sposób bezpośredni z wykorzystaniem rolniczym osadów ściekowych, co niesie za sobą poważne ryzyko, ze względu na zawartość w osadach metali ciężkich, mikrozanieczyszczeń organicznych i patogenów, a tym samym ma trudny do przewidzenia w dłuższej perspektywie wpływ na łańcuch pokarmowy. Ponadto wykorzystanie rolnicze, jak również suszenie i kompostowanie, wymaga stworzenia rynku odbiorców tego produktu. Wytwarzanie kompostu lub wysuszonych osadów bez zapewnienia zbytu jest bezcelowe i pociąga za sobą nieuzasadnione koszty. Pełne, głębokie zgazowanie wymaga w drugim etapie kompostowania, a tym samym wszystkie omówione powyżej problemy związane z kompostem otrzymanym z osadów pozostają aktualne, suszenie osadów z przeznaczenie na cele przemysłowe (jako paliwo zastępcze) wiąże się z koniecznością dokonania długofalowych uzgodnień z przemysłem cementowym na odbiór wytworzonego paliwa. Bez źródła dodatkowej energii (np. odpadowej ze spalarni) suszenie jest bardzo kosztowne. Produkcja paliwa z odpadów może stworzyć pokusę do taniego wykorzystania go w elektrociepłowniach i kotłowniach, gdzie jednak systemy oczyszczania spalin nie są przystosowane do spalin z procesu spalania odpadów, więc mogą wystąpić problemy z dotrzymaniem standardów emisyjnych dla procesu współspalania odpadów. Ponadto spalanie osadów budzi protesty społeczne, które wynikają z ogólnej obawy przed technologiami spalania odpadów, ich negatywnym oddziaływaniem na zdrowie i środowisko, pomimo że są one nieuzasadnione z technicznego i zdrowotnego punktu widzenia, mogą jednak skutecznie zablokować proces inwestycyjny. Zastosowanie technologii „mokrego utleniania” wiąże się z koniecznością rezygnacji z wstępnej fermentacji osadów i pozyskiwania części biogazu (to technologia odpowiednia dla osadu bez odwadniania i fermentacji).
Każda z wymienionych metod posiada i wady i zalety. Największym walorem np. technologii „mokrego utleniania” jest jej bezodpadowość. W przypadku spalarni osadów powstają wtórne odpady, lecz ich ilość w stosunku do wprowadzanego wsadu (suchego) nie przekracza 10%, a przede wszystkim są to odpady mineralne, praktycznie pozbawione substancji organicznych, ponadto znane są metody ich bezpiecznego składowania. W przypadku metod związanych z zastosowaniem rolniczym zaletą jest wykorzystanie właściwości nawozowych osadów oraz relatywnie niski koszt. Oczywiście najtańsza i najprostsza metoda to składowanie osadów ściekowych na lagunach, tak jak miało to miejsce przez lata. Jest to jednak nie do przyjęcia, gdyż dalsze pozyskiwanie terenów na składowanie osadów staje się coraz trudniejsze, a ponadto dyrektywa składowiskowa UE zdecydowanie tego zabrania. Trzeba więc mieć świadomość tego, że każdy inny wariant ostatecznego zagospodarowania osadów ściekowych będzie tym droższy, im bezpieczniejsza dla środowiska okaże się zastosowana technologia.
 
Źródła
 
1. Krajowy Program Oczyszczania Ścieków Komunalnych. Ministerstwo Środowiska Warszawa, grudzień 2003.
2.      Błaszczak P., Szewczuk-Krowicka A.: Aktualizacja 2008 Krajowego Programu Oczyszczania Ścieków Komunalnych. „Instytut Ochrony Środowiska”. Warszawa, marzec 2009.
3.      Krajowy Plan Gospodarki Odpadami. Uchwała nr 219 Rady Ministrów z 29 października 2002 r.
4.      Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2010. Załącznik do uchwały nr 233 Rady Ministrów z 29 grudnia 2006 r.
5.      Rocznik Statystyczy Ochrona Środowiska. GUS. Warszawa 1995-2008.
6.      Working document on sludge. 3rd Draft. European Commission, DG XI, ENV/E.3/LM. Bruxelles, 27 April 2000.
7.      Pająk T., Wielgosiński G.: Współczesne technologie suszenia i spalania osadów ściekowych – kryteria i uwarunkowania wyboru technologii. „Nowe Spojrzenie na Osady Ściekowe – Odnawialne Źródła Energii”.Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej. Częstochowa 2003.
8.      Pająk T., Wielgosiński G.: Współspalanie osadów ściekowych w kotłach energetycznych – uwarunkowania prawne i techniczne. „Nowe Spojrzenie na Osady Ściekowe – Odnawialne Źródła Energii”. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej. Częstochowa 2003.
9.      Wielgosiński G., Nowicki M.: Badania nad termicznym rozkładem osadów ściekowych. „Cieplne Maszyny Przepływowe – Turbomachinery” 126/2004.
10. Wielgosiński G., Pająk T.: Unieszkodliwianie osadów ściekowych metodami termicznymi - pułapki i zagrożenia. „Przegląd Komunalny” 12/2003.
11. Zarzycki R., Wielgosiński G.: Problemy zagospodarowania osadów ściekowych. „Gospodarka Komunalna w Miastach” (red. Roman Zarzycki). Wydawnictwo PAN, Oddział w Łodzi. Łódź 2001.
12. Werther J., Ogada T.: Sewage Sludge combustion.Progress in Energy and Combustion Science”. 1999.
13. Janosz-Rajczyk M.: Komunalne osady ściekowe-podział, kierunki zastosowań oraz technologie przetwarzania, odzysku i unieszkodliwiania. Politechnika Częstochowska. Instytut Inżynierii Środowiska. Częstochowa 2004.
14. Ocena możliwości zagospodarowania osadów ściekowych i innych odpadów ulegających biodegradacji w Polsce w świetle prawa Unii Europejskiej. Politechnika Częstochowska. Instytut Inżynierii Środowiska. Częstochowa 2004.
15. Wielgosiński G., Kozłowska B.: Sewage sludge energy recycling. „Ecological Chemistry
and Engineering” 9, 12/2005.
                                                                                                                                                      
Artykuł w formie referatu został wygłoszony podczas IV Ogólnopolskiej Konferencji Szkoleniowej „Suszenie i termiczne przekształcanie osadów ściekowych”, która odbyła się w Łodzi w dniach 22–24 września 2010 r.
 
dr hab. inż. Grzegorz Wielgosiński, Politechnika Łódzka, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska
comments powered by Disqus