Innovative and eco-energy wastewater treatment plant – technological project for municipal wastewater treatment plants
3. Gospodarka energią w procesie technologicznym oczyszczalni ścieków
O
czyszczalnię zasila strumień ścieków, które podlegają przetwarzaniu w cesie ich dezaktywacji oraz zmniejszenia masy szkodliwych produktów pro-cesu przetwarzania ścieków wprowadzanych do środowiska. Produktem oczyszczalni są także odpady, jednak charakteryzujące się odmienną od pierwotne-go strumienia ścieków postacią fizyczną i chemiczną oraz innymi właściwościami oddziaływania na środowisko.3.1. oczyszczalnia ścieków otwartego obiegu
Instalacja technologiczna oczyszczalni przetwarza ścieki na trzy główne rodzaje produktów finalnych stanowiących odpady: wodę, osady oraz gaz pofermentacyj-ny, które wprowadzone bezpośrednio do środowiska charakteryzują się określoną uciążliwością. Proces technologiczny przetwarzania ścieków komunalnych można przedstawić za pomocą uproszczonego schemat (rys. 2).
Rysunek 1. Typowy skład ścieków do przetwarzania w oczyszczalni [%]
Źródło: McCarty i in. 2011
124
W oczyszczalni obiegu otwartego biogaz pofermentacyjny trafia wprost do po-wietrza, co rozpoznać można po specyficznym odorze w otoczeniu oczyszczalni.
Oczywiście takie rozwiązania nie mogą być rekomendowane, a niniejsza publikacja omawia alternatywne postulowane technologie prośrodowiskowe. Osady produ-kowane w dużych ilościach wymagają zagospodarowania, czyli zajęcia określonej przestrzeni, ponadto ze względu na skład chemiczny cechują się szkodliwością dla środowiska, w szczególności w wyniku przenikania do wód gruntowych zawartych w nim pierwiastków (tab. 1). Odpad lotny stanowiący gaz pofermentacyjny cechu-je także szkodliwość dla środowiska, związana zasadniczo ze względnie wysoką zawartością metanu, uznanego za gaz cieplarniany o wysokiej aktywności. Woda niewątpliwie stanowiąca największy ilościowo odpad procesu jest odpadem o naj-niższym stopniu uciążliwości. Spełniająca normy czystości może być kierowana do środowiska (rzeka), może być traktowana jako odpad neutralnego oddziaływania na środowisko. Jeśli woda jest zagospodarowywana, może być traktowana jako produkt.
Niniejszy rozdział poświęcono zagadnieniu energetycznego wykorzystania pro-duktów oczyszczalni ścieków; zarówno biogazu, jak i osuszonych osadów. Do opisu problemu wykorzystano wielkości charakterystyczne dla typowej oczyszczalni ście-ków miasta wielkości rzędu 40 tys. mieszkańców. W pracy wykorzystano rzeczywi-ste dane uzyskane z pomiarów i badań przeprowadzonych pod kierunkiem autora w konkretnej oczyszczalni ścieków zlokalizowanej w południowej Polsce.
3.2. oczyszczalnia jako odbiorca energii elektrycznej i cieplnej
Część oczyszczalni ścieków w Europie jest w całości zasilana w energię i paliwo z sieci zewnętrznych. Mimo dostępności nowoczesnych technologii, takie oczyszczal-nie są oczyszczal-niestety nadal projektowane i budowane. Jak dowodzą przeprowadzone
bi-Rys. 2. Bilans nośników energii i materii w oczyszczalni ścieków otwartego obiegu Źródło: opracowanie własne, obliczenia własne
Innowacyjna i ekoenergetyczna oczyszczalnia ścieków – projekt technologiczny dla miejskich oczyszczalni komunalnych
lanse materii i energii procesu technologicznego, wyżej wspomniane rodzaje oczysz-czalni charakteryzuje silnie ujemny bilans energetyczny, ponieważ konieczne jest zasilanie procesu znaczną ilością energii elektrycznej i cieplnej/zasilanie przez sieć cieplną lub gazem ziemnym. W omawianej oczyszczalni miejskiej w mieście o popu-lacji 40 tys., zlokalizowanej w południowej Polsce, zanotowano zapotrzebowanie na energię elektryczną ok. 2000 MWh w skali roku*.
Przyjmując cenę energii elektrycznej w Polsce ok. 1 zł z VAT za 1 kWh, roczne koszty zakupu prądu w okresie eksploatacji wynoszą ok. 2 mln zł. Zapotrzebowanie na energię cieplną realizowane jest zwykle poprzez przyłącz sieci cieplnej lub ga-zowej. W omawianej oczyszczalni opalanej gazem ziemnym roczne zużycie paliwa w procesie wynosi ok. 180 tys. m3 w skali roku. Przyjmując cenę gazu 2 zł/m3 z VAT, otrzymujemy roczny koszt zakupu gazu ziemnego w wysokości 360 tys. zł. Zakłada-jąc, iż system energetyczny oczyszczalni nie posiada urządzeń odzysku energii pro-cesu, a korzysta jedynie z zasilania zewnętrznego, konieczny jest zakup dużych wiel-kości nośników energii elektrycznej i gazu ziemnego z sieci. Roczne koszty zakupu prądu i gazu szacuje się łącznie na ok. 2 mln 360 tys. zł brutto.
3.3. ocena potencjału energetycznego produktów odpadowych oczyszczalni
Głównym celem dalszych analiz jest gospodarcze zagospodarowanie odpadów, ograniczając zakres badań do wykorzystania energetycznego. W procesie technolo-gicznym oczyszczalni powstają dwa duże strumienie odpadów energetycznych:
• biogaz z fermentacji ścieków,
• osady o postaci stałej.
Jak wynika z bilansu materii i energii, proces prowadzony w oczyszczalni cha-rakteryzuje silnie ujemny bilans energetyczny, ponieważ konieczne jest zasilanie procesu znaczną ilością energii elektrycznej i gazem ziemnym, jak przedstawiono w tabeli 4.
Przedstawione w tabeli 4 dane wymagają weryfikacji oraz korekty ze względu na okresowe wyłączenie części urządzeń związane z pracami konserwacyjnymi i re-montowymi, w szczególności malowania zbiorników. Dalsze analizy prowadzone będą na wielkościach rocznych szacowanych przez autora publikacji.
W wyniku analizy danych oczyszczalni zakłada się, że produkcja biogazu szacuje się na 300 tys. m3 rocznie. Zakłada się w publikacji, że biogaz zostanie docelowo wy-korzystany jako paliwo gazowe do produkcji ciepła w kotłach albo do produkcji cie-pła i prądu w generatorze. Osady po przetworzeniu mogą być używane jako paliwo stałe, spalane energetycznie w kotłach ciepłowni lub elektrociepłowni.
* Badania i obliczenia wykonano w roku 2020, a poziom cen odnosi się do lipca 2020.
126
Omawiane nośniki energii, czyli biogaz z fermentacji osadów oraz przetworzone osady, mogą zostać spalone w instalacjach energetycznych, przez co ulegną degrada-cji, a jednocześnie spełnią rolę substytutów paliw kopalnych. Docelowo odwodnio-ne osady mogą stanowić substytut węgla, natomiast gaz pofermentacyjny stanowić może substytut gazu ziemnego. W ramach badań opracowano alternatywne koncep-cje energetycznego wykorzystania biogazu oraz osadów oczyszczalni ścieków i do tego celu wykonano przez zespół Klubu Wynalazców Kraków laboratoryjne badania ich składu chemicznego oraz kaloryczności.
3.4. Badania osadów oczyszczalni ścieków
Przeprowadzone przez autora badania laboratoryjne osadów przedstawiono w tabelach 5 oraz 6 jako wartości uśrednione (poszczególne wyniki badań nie odbie-gają od wartości średnich o 5%, maksymalnie 10%). Wyniki badań fizyko-chemicz-nych osadów podano w tabeli 5. Zauważyć należy wysoki poziom uwodnienia osadów na poziomie 81,6%, które determinuje technologię potencjalnego ich
energetyczne-Tabela 4. Gospodarka energią w oczyszczalni ścieków Miesiąc
Sierpień 7,9 0,4 (malowanie) 5,7 156,9
Wrzesień 9,5 0,4 (malowanie) 7,2 145,0
Październik 31,2 27,7 169,0
Listopad 33,0 35,6 167,0
Grudzień (*) 32,0(*) 36,0 (*) 0,3 (*) 168,0 (*)
grudzień (*) – brak danych z monitoringu /wartości w tabeli obliczono (M. Drożdż).
źródło: opracowanie własne na podstawie danych uzyskanych z monitoringu i ewidencji księgowej oczyszczalni.
Innowacyjna i ekoenergetyczna oczyszczalnia ścieków – projekt technologiczny dla miejskich oczyszczalni komunalnych
go wykorzystania. Pozbawienie osadów wody wymaga znacznych ilości energii, co uwzględniono przy opracowaniu koncepcji zmodernizowanej oczyszczalni ścieków w innowacyjnej technologii.
Tabela 5. Badania podstawowych parametrów fizyko-chemicznych osadów oczyszczalni ścieków
Charakterystyka osadów Wyniki badań osadów oczyszczalni ścieków
Wilgotność względna 81,6%
Zawartość w suchej masie pH w H2O – 6,6
pH w KCl – 6,5 /PEW – przewodność elektryczna właściwa –
determinuje ilość soli/ PEW – 5,1 mS/cm
NO – 4,46%
CO – 21,48%
SO – 0,877%
Ciężar objętościowy
(waga 1 cm3 odpadów) ϒ0 – 0,88
źródło: badania własne autora.
Tabela 6 wskazuje na istotny potencjał rożnych pierwiastków w osadach, które stanowią zagrożenie dla środowiska, jak np. rtęć, czy ołów. Spalanie osadów umoż-liwia odzyskanie tych pierwiastków, które można traktować jako cenne surowce w przemyśle surowcowym.
Tabela 6. zawartość całkowita pierwiastków (ppm = mg/kg)
Pierwiastek Na Mg K Ca Cr Mn Fe Ni Cu Zn Sr Cd Pb Hg
ppm 1 885 4 336 2 834 13 720 26,4 406 8240 15,8 95,5 427 9,0 3,2 32,4 1,67 źródło: badania własne autora.
3.5. Badania składu chemicznego i energii biogazu oczyszczalni ścieków
Przeprowadzone analizy chemiczne i energetyczne biogazu procesu fermenta-cji osadów dowodzą względnie stabilnych parametrów składu gazu, o wartościach przedstawionoych poniżej:
• około 67% CH4,
• około 30% CO2,
• około 1–2% H2S.
128
Przedstawione wyniki wskazują dobrą jakość energetyczną biogazu, porówny-walną z jakością gazu ziemnego. Dla porównania zawartość metanu (CH4) w gazie ziemnym wynosi od 82–93%.
Badania energetyczne biogazu
Autor przeprowadził badania energetyczne biogazu produkowanego w oczysz-czalni ścieków, celem oceny możliwości jego zagospodarowania jako paliwa gazo-wego. Wartość opałowa gazu wynosi około 5500 kcal/m3. Jakość wytwarzanego gazu jest porównywalna jako paliwa do spalania z jakością gazu ziemnego, która jest przyjmowana standardowo ok. 9000 kcal/m3. Zauważyć należy niższą energetyczną jakość biogazu w stosunku do gazu ziemnego, energia zawarta w jednostce produko-wanego biogazu stanowi 61% energii zawartej w gazie ziemnym.
Badania energetyczne osadów
Badania energetyczne przeprowadzono spalając próbkę w warunkach laborato-ryjnych. Wcześniej próba została poddana procesowi suszenia w temperaturze 90°C.
Właściwie dobrane tempo procesu suszenia miało na celu zapobieżenie zmianom właściwości energetycznych próby. Otrzymano następujące wyniki badań (tab. 7):
Tabela 7. wyniki badań energetycznych osadów oczyszczalni ścieków Parametry energetyczne osadów Wartość badana próbki
Zawartość wilgoci w próbce Wtr = 80,5%
Zawartość popiołu w suchej masie Ad = 34,1%
Zawartość popiołu w przeliczeniu na stan roboczy próbki Ar = 6,6%
Ciepło spalania Qsd = 13 279 MJ/kg
Wartość opałowa Qid = 12 485 MJ/kg
Wartość opałowa w przeliczeniu na stan roboczy próbki Qir = 2 435 MJ/kg źródło: badania własne autora.
Energia osadów oczyszczalni ścieków
Wielkość odpadów oczyszczalni ścieków szacuje się obecnie na poziomie około 7000 Mg rocznie. Zakładając wilgotność odpadów na poziomie 80%, szacuje się, iż w odpadach zawarte jest około 1400 Mg suchej masy.
Wartość opałowa odpadów (w suchej masie) wynosi (patrz tab. 7):
Qi d = 12,485 MJ/kg, co jest równoważne.
Obliczenie wartości opałowej suchej masy odpadów w ujęciu rocznym:
1 400 000 kg/rok ⋅ 3,47 kWh/kg = 485 800 kWh/rok = 4858 MWh/rok =
= 17 474,8 GJ/rok
Innowacyjna i ekoenergetyczna oczyszczalnia ścieków – projekt technologiczny dla miejskich oczyszczalni komunalnych
3.6. Energetyczne wykorzystanie odpadów w procesie technologicznym oczyszczalni ścieków
W dalszych analizach założono, że celem konwersji jest przetworzenie odpadów na produkty energetyczne. Wysoka wartość opałowa biogazu z fermentacji oraz osa-dów stałych pozwala na energetyczne wykorzystanie odpaosa-dów. Przedstawiono kon-cepcję pełnego wykorzystania w oparciu o następujące technologie:
1. Energetyczne spalanie biogazu
• Kotły na biogaz – produkcja ciepła,
• Silnik na biogaz – produkcja ciepła i prądu;
2. Osuszanie osadów – produkcja paliwa stałego
• Kotły na biogaz – produkcja ciepła.
Oczyszczalnia wymaga zasilania w ciepło technologiczne do ogrzewania zbiorni-ków fermentacyjnych w stałej temperaturze 35°C. Do ogrzewania można stosować kotły gazowe opalane gazem ziemnym przystosowane do spalania biogazu. Produ-kowany w oczyszczalni biogaz stanowi dobry substytut gazu ziemnego i może prak-tycznie w całości go substytuować, co poprawia w sposób zasadniczy bilans energii oczyszczalni. Zapotrzebowanie roczne oczyszczalni na gaz ziemny na potrzeby ciepl-ne procesu wynosi 180 tys. m3, co odpowiada ok. 300 tys. m3 biogazu uwzględnia-jąc jego niższą kaloryczność. Poziom produkcji własnej biogazu w oczyszczalni na poziomie 350 tys. m3 zapewnia możliwość substytucji gazu ziemnego z nadwyżką 50 tys m3 biogazu.
Zastosowanie omawianej technologii umożliwi całkowitą substytucję gazu ziem-nego i redukcję kosztów energii o 360 tys. zł. Redukcja kosztów zakupu gazu siecio-wego wyniesie ponad 15%. Niewątpliwie pozytywny jest efekt ekologiczny procesu, w którym wyeliminowano spalanie 300 tys. m3 gazu ziemnego. Zauważyć należy,
Rysunek 3. Bilans nośników energii materii w oczyszczalni ścieków z kotłami na biogaz Źródło: Koncepcja technologii oraz obliczenia własne autora
130
iż nadmiar około 50 tys m3 biogazu nie został produkcyjnie wykorzystany i jest bez-produktywnie spalany na tzw. świeczce, ten potencjał zostanie uwzględniony w ko-lejnych koncepcjach modernizacji przedstawionych w niniejszej publikacji.