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:
krecko@is.pcz.czest.pl
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.
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.
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] 8÷21,5 8÷16 25÷30 8÷16 13 Popiół [%] 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].
Tabela 2. Skład mineralogiczny odpadowego mułu węglowego.
Minerał Wzór chemiczny Zawartość [ %]
Kaolinit Al2O32SiO22H2O 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.
Tabela 3. Właściwości badanych osadów ściekowych.
Oznaczony parametr Osady ściekowe z Częstochowy
PH 6,6
Wilgotność (%) 75,2
Sucha masa (%) 24,8
Związki organiczne (%wag.) 57,5 Związki nieorganiczne (%wag.) 42,5 Wartość opałowa s.m. (kJ/kg) 10998
Zawartość C (%wag.) 32
Zawartość H (%wag.) 3,6
Zawartość N (%wag.) 1,8
Zawartość S (%wag.) 1,0
Tabela 4. Analiza techniczna odpadowego mułu węglowego.
Oznaczenie Zawartość [%]
Wilgotność higroskopijna 5,25 Popiół w stanie analitycznym 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.
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 z Częstochowy
Wartość opałowa [MJ/kg ] 9,8 Zawartość siarki [%] 1,0 Zawartość wilgoci [%] 5,1 Zawartość popiołu [%] 39
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
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 Konsultingowo-Projektowa 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 Konsultingowo-Projektowa 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 unieszkodliwiania odpadów komunalnych. Polski Instalator 2/98.
[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.
