Aspekty ekologiczne unieszkodliwiania osadów z oczyszczalni scieków przy ich współspalaniu w kotłach energetycznych

http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 11 (2009), Issue 2 p. 43-62

Aspekty ekologiczne unieszkodliwiania osadów z oczyszczalni ścieków przy ich współspalaniu w kotłach energetycznych

Pikoń K., Kokot A.

Politechnika Śląska w Gliwicach

Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów Konarskiego 18, 44-100 Gliwice

tel. (+48 32 237 21 14), fax (+48 32) 237 12 13, e-mail krzysztof.pikon@polsl.pl.

Streszczenie

W pracy dokonano ogólnego przeglądu metod unieszkodliwiania osadów ściekowych. Przedstawiono technologię termicznego unieszkodliwiania osadów z oczyszczalni ścieków przy ich współspalaniu w kotłach energetycznych, oraz pokazano korzyści i trudności wynikające z ich termicznego unieszkodliwiania. Na przykładzie PEC – Gliwice obliczono ilości osadów ściekowych możliwe do unieszkodliwiana przy ich współspalaniu. Pokazano także bilans masowy i energetyczny przy współspalaniu osadów ściekowych, jak również aspekty ekonomiczne tejże metody ich unieszkodliwiania.

Abstract

Environmental aspects of sludge from sewage-treatment plant treatment during

co-combustion in energetic boilers

In the paper general review of methods of sludge utilization is presented. The detailed study on thermal treatment of sludge during co-combustion in energetic boilers is given. The analysis of costs and benefits of application of those technologies are presented. On the basis of data obtained form PEC – Gliwice the possible quantity of sludge for utilization was calculated. The mass and energy flows during co-combustion were analyzed as well as economic aspects of the process.

1. Wstęp

Zgodnie z dyrektywami UE mówiącymi o wykorzystaniu odpadów do celów

energetycznych oraz wprowadzającymi szereg zaleceń i obowiązków redukowania ilości składowanych odpadów biodegradowlanych, konieczne będzie wykorzystanie innych metod unieszkodliwiania odpadów [1]. Dodatkowy konieczny odzysk i unieszkodliwianie (poza składowaniem) obejmie, więc także osady komunalne. Spalanie czy współspalanie osadów ściekowych z oczyszczalni komunalnych jest, więc koniecznością, aby dotrzymać wymogi UE.

2. Unieszkodliwianie osadów ściekowych

Ogólne możliwości unieszkodliwiania lub zagospodarowania osadów ściekowych przedstawiono na rys. 2.1.

Rysunek 2.1. Możliwości unieszkodliwiania lub zagospodarowania osadów ściekowych [2]

2.1. Przyrodnicze wykorzystanie osadów ściekowych

Skład mineralny i organiczny osadów z komunalnych oczyszczalni ścieków jest zbliżony do glebowej substancji organicznej, zwanej próchnicą. Przywracanie glebie składników zgromadzonych w osadach ściekowych jest więc właściwe z punktu widzenia

gospodarczego, a także potrzebne do zachowania i odtwarzania ekologicznej równowagi. Pod pojęciem przyrodniczego wykorzystania osadów ściekowych rozumie się ich wykorzystanie do [2]:

• nawożenia gleb i roślin,

• rekultywacji gleb zdegradowanych i bezglebowych gruntów,

• roślinnego utrwalania bezglebowych gruntów narażonych na erozyjne działanie wody i wiatru, OSADY ODWODNIONE SPALANIE ZGAZOWANIE WSPÓŁSPALANIE KOMPOSTOWANIE WAPNOWANIE SUSZENIE WYKORZYSTANIE PRZYRODNICZE WSPÓŁSPALANIE W CEMENTOWNIACH Z WĘGLEM Z ODPADAMI

45 2.2. Kompostowanie osadów ściekowych

Kompostowanie osadów ściekowych jest procesem wielofunkcyjnym mającym na celu: • stabilizację osadów,

• zniszczenie organizmów chorobotwórczych, • redukcję masy i uwodnienia.

Substancja organiczna po przetworzeniu na kompost może być wykorzystana jako materiał nawozowy, rekultywacyjny i strukturotwórczy. Kompost jest cennym nawozem organicznym, mogącym zastąpić obornik i inne nawozy organiczne, szczególnie w rejonach podmiejskich (gdzie występują ich niedobory). Problemy napotykane przy kompostowaniu to:

• uciążliwe odory (przy metodzie pryzmowej), • zagospodarowanie odcieków,

• produkt kompostowania musi spełniać określone wymagania jakościowe, określające dopuszczalną zawartość zanieczyszczeń (pierwiastki toksyczne).

Zdarza się więc, iż osady z oczyszczalni ścieków komunalnych są poddawane kompostowaniu (w celu zmniejszenie ich zagrożenia sanitarnego dla środowiska), a następnie są deponowane na składowisku, gdyż nie spełniają przepisów ustawy o nawozach i nawożeniu (DzU 2004 Nr 236, poz.2369). Mamy wtedy do czynienia z sytuacją, w której ponosimy nakłady finansowe na proces kompostowania, a uzyskujemy bezużyteczny odpad.

2.3. Składowanie osadów ściekowych

Składowanie osadów ściekowych jest jednym z najprostszych sposobów ich zagospodarowania. Jednak wraz ze zmianą przepisów prawnych taki sposób ich zagospodarowania powinien być znacznie ograniczony. Ceny deponowania osadów ściekowych na składowiskach systematycznie rosną. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 7 wrześnie 2005 w sprawie kryteriów dopuszczania odpadów do składowania „zakazuje” deponowania nieprzetworzonych osadów ściekowych na składowiska. Dlatego w gospodarce osadowej zaleca się stosowanie innych metod, w których termiczne przekształcenie osadów ściekowych musi być koniecznością, aby dotrzymać zobowiązań dyrektyw UE w sprawie składowania odpadów biodegradowalnych.

2.4. Spalanie i współspalanie osadów ściekowych

Osady ściekowe ze wzglądu na swoje właściwości energetyczne mogą być spalane, współspalanie bądź wykorzystywane w przemyśle (np. do produkcji klinkieru cementowego). Taki sposób ich zagospodarowania dotyczyć powinien aglomeracji o RLM ≥ 100 000, gdyż w nich produkowane jest prawie 45% ogólnej ilości osadów [2]. W świetle obowiązujących i projektowanych aktów prawnych unieszkodliwianie osadów ściekowych metodami termicznymi powinno być w przyszłości szeroko wykorzystywane (rys.2.2).

Rysunek 2.2. Różne rozwiązania termicznych metod unieszkodliwiania osadów ściekowych [2]

3. Obliczenia ilości unieszkodliwianych osadów przy ich współspalaniu z

węglem

Współspalanie osadów ściekowych z węglem może się odbywać w ciepłowniach, elektrociepłowniach, piecach cementowych bądź w elektrowniach. Może być realizowane w kotłach rusztowych, pyłowych bądź fluidalnych.

Ilość osadów ściekowych możliwa do unieszkodliwienia na 1Mg spalonego węgla obliczona została dla następujących danych:

• Wdwęgla= 24,4 MJ/kg [3], • Wdosadu,suchego= 14,66 MJ/kg [4], OSADY UWODNIONE ODWADNIANIE SUSZENIE • SPALANIE: • PIECE PÓŁKOWE • WARSTWA FLUIDALNA • POŁĄCZENIE PIECÓW PÓŁKOWYCH Z WARSTWĄ FLUIDALNĄ • PIECE OBROTOWE WSPÓŁSPALANIE: • Z WĘGLEM W ELEKTROWNIACH LUB CIEPŁOWNIACH • Z INNYMI PALIWAMI • Z ODPADAMI KOMUNALNYMI • PRZY PRODUKCJI CEGIEŁ • PRZY PRODUKCJI CEMENTU • W INNYCH PROCESACH PROCESY ALTERNATYWNE: • MOKRE UTLENIANIE • PIROLIZA • OFS • PALIWO Z ODPADÓW • PIROLIZA-ZGAZOWANIE • PIROLIZA-SPALANIE • ZESZKLIWIANIE

47 • przeanalizowano 4 warianty procentowej zawartości osadów ściekowych w przeliczeniu

na masę suchą do masy spalanego węgla ( 1%, 2%, 3%, 5%).

• w każdym wariancie rozpatrzono 3 różne poziomy zawartości wilgoci (75%, 80%, 85%). Są to wartości uzyskiwane w oczyszczalniach ściekowych po procesach odwadniania (najczęściej w prasach lub wirówkach) z pominięciem procesów suszenia,

Przeanalizowano dwie opcje pracy instalacji współspalającej osady ściekowe:

• opcja 1 – w której wydajność masowa instalacji jest stała i nie pozwala na zwiększenie strumienie paliwa,

• opcja 2 – w której wydajność instalacji pozwala na zmiany strumienia paliwa, a produkcja energii się nie zmienia.

Omawiane opcje zostały przedstawione na przykładzie Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej –Gliwice Sp. z.o.o i Centralnej Oczyszczalni Ścieków w Gliwicach. Celem jest pokazanie możliwego wzajemnego skojarzenia tych zakładów, w ten sposób, aby osady wytwarzane w oczyszczalni ścieków współspalanie były w kotłach zakładu energetycznego.

Szczegółowe opisy powyższych opcji, wraz z analizowanymi wariantami zostały przedstawione w podrozdziałach 3.1. i 3.2.

3.1. Opcja 1 – stała wydajność instalacji

W opcji tej niemożliwe jest zwiększenie strumienia paliwa, przez co ilość produkowanej energii przy współspalaniu osadów będzie mniejsza. Jest to przypadek skrajnie pesymistyczny, w którym kotły pracują na maksymalnym obciążeniu, a wartość opałowa samego węgla jest stała. W praktyce nie mamy do czynienia z taką sytuacja.

Wraz z procentowym wzrostem zawartości osadu(masy suchej) przy jego współspalaniu z węglem spada wartość opałowa otrzymanego paliwa. Natomiast ze wzrostem wilgotności w danych wariantach ilość unieszkodliwianego osadu suchego nie zmienia się, a jedynie rośnie masa osadu wilgotnego przeznaczonego do współspalenia. Spada przez to udział masowy węgla w paliwie, a przez to końcowa wartość opałowa. Część energii węgla przeznaczona jest na odparowanie wody zawartej w spalanych osadach ściekowych. Zestawienie wyników dla opcji 1 w poszczególnych wariantach pokazuje tabela 3.1. Ważnym elementem jest, więc wybór odpowiedniego wariantu, aby spełnione były wcześniej założone warunki (przez ciepłownie, elektrociepłownie), w których współspalanie w kotłach energetycznych nie odbiega od ich pracy nominalnej. Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest współspalanie osadów ściekowych przy ich jak największej procentowej zawartości masy suchej (w stosunku do spalanego węgla) przy jak najmniejszej zawartości wilgoci. Uzyskuje się w ten sposób największy strumień masowy unieszkodliwianych osadów, przy ich największym własnym wkładzie energetycznym. Ideałem byłoby współspalanie osadów suchych, jednak wymaga to wcześniejszych, dużych inwestycyjnych kosztów na budowę suszarni oraz wkładu energetycznego na sam proces suszenia.

Tabela 3.1. Ilości osadów ściekowych możliwe do unieszkodliwienia przy spaleniu 1Mg węgla dla opcji 1

Obliczenia dla 1 Mg spalanego węgla m węgla+m cał.osadu [kg m.s.] [kg w.] [kg m.w.] [kg m.w.] [kg/kgp] [kg/kgp] [MJ/kg] [MJ/kg] Wariant 1 Wilgotność osadu masa s.osadu masa wody masa cał.osadu wilgotnego masa węgla udział węgla udział osadu suma udziałów Wd rz.osadu wilgotnego Wd rz.pal przy 1% osadu 75% 10,00 30,00 40,00 1000,00 0,96 0,04 1,00 1,79 23,53 przy 1% osadu 80% 10,00 40,00 50,00 1000,00 0,95 0,05 1,00 0,93 23,28 przy 1% osadu 85% 10,00 56,67 66,67 1000,00 0,94 0,06 1,00 0,07 22,88 Wariant 2 Wilgotność osadu masa s.osadu masa wody masa cał.osadu masa węgla udział węgla udział osadu suma udziałów Wd rz.osadu Wd rz.pal przy 2% osadu 75% 20,00 60,00 80,00 1000,00 0,93 0,07 1,00 1,79 22,73 przy 2% osadu 80% 20,00 80,00 100,00 1000,00 0,91 0,09 1,00 0,93 22,27 przy 2% osadu 85% 20,00 113,33 133,33 1000,00 0,88 0,12 1,00 0,07 21,54 Wariant 3 Wilgotność osadu masa s.osadu masa wody masa cał.osadu masa węgla udział węgla udział osadu suma udziałów Wd rz.osadu Wd rz.pal przy 3% osadu 75% 30,00 90,00 120,00 1000,00 0,89 0,11 1,00 1,79 21,98 przy 3% osadu 80% 30,00 120,00 150,00 1000,00 0,87 0,13 1,00 0,93 21,34 przy 3% osadu 85% 30,00 170,00 200,00 1000,00 0,83 0,17 1,00 0,07 20,35 Wariant 4 Wilgotność osadu masa s.osadu masa wody masa cał.osadu masa węgla udział węgla udział osadu suma udziałów Wd rz.osadu Wd rz.pal przy 5% osadu 75% 50,00 150,00 200,00 1000,00 0,83 0,17 1,00 1,79 20,63 przy 5% osadu 80% 50,00 200,00 250,00 1000,00 0,80 0,20 1,00 0,93 19,71 przy 5% osadu 85% 50,00 283,33 333,33 1000,00 0,75 0,25 1,00 0,07 18,32 Oznaczenia w tabeli:

• masa s.osadu- masa sucha osadu ściekowego

• m węgla+m cał.osadu- suma masy wilgotnego węgla kamiennego i wilgotnego osadu

ściekowego

• Wd rz.osadu wilgotnego- wartość opałowa osadu ściekowego przy danej wilgotności

• Wd rz.pal – wartość opałowa mieszaniny węgla kamiennego z osadem ściekowym przy

49 W Przedsiębiorstwie Energetyki Cieplnej –Gliwice Sp. z.o.o w roku obrotowym 2007/2008 zużycie węgla wyniosło 125861,9 Mg [5]. Wykorzystując dane z tabeli 3.1. została obliczona ilość osadów ściekowych możliwych do unieszkodliwienia w PEC – Gliwice w ciągu roku dla poszczególnych wariantów – tabela 3.2.

Tabela 3.2. Ilość osadów suchych możliwych do spalenia w ciągu roku dla opcji 1 w PEC Gliwice

Ilość osadów możliwa do unieszkodliwienia przy ich współspalaniu dla poszczególnych wariantów [Mg m.s./rok]

Wariant 1 1258,6 Wariant 2 2517,2 Wariant 3 3775,8 Wariant 4 6293,1

Ilości osadów uwodnionych możliwych do unieszkodliwienia na 1 Mg spalanego węgla dla założonych poziomów wilgotności pokazuje rys. 3.1., a wartości opałowe otrzymanego paliwa rys. 3.2. Natomiast spadek ilości wytwarzanej energii w związku ze spadkiem wartości opałowej paliwa dla opcji 1 w PEC - Gliwice pokazano w tabeli 3.3.

Ilości unieszkodliwianych termicznie osadów przy danych wilgotnościach na 1Mg spalonego węgla

40,00 50,00 66,67 80,00 100,00 133,33 120,00 150,00 200,00 200,00 250,00 333,33 0 50 100 150 200 250 300 350 70% 75% 80% 85% Wilgotność M a s a [ k g ] Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 Wariant 4

Wartości opałowe paliwa dla poszczegónych wariantów 23,53 23,28 22,88 22,73 22,27 21,54 21,98 21,34 20,35 20,63 19,71 18,32 17 18 19 20 21 22 23 24 70% 75% 80% 85% Wilgotność W d [ M J /k g ] Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 Wariant 4

Rysunek 3.2. Wartości opałowe paliwa przy współspalaniu osadów z węglem kamiennym dla opcji 1

W celu obliczenia przybliżonej ilości osadów ściekowych powstających rocznie w Centralnej Oczyszczalni Ścieków w Gliwicach posłużono się następującymi danymi: • przepustowość oczyszczalni wynosi 51 tys. m3 na dobę [6],

• każdy m3 oczyszczonych ścieków komunalnych generuje średnio 0,247 kg m.s. ustabilizowanych osadów [7].

stąd ilość osadów wynosi:

rok

Mg

dobę

kg

m

kg

dobę

m

9

,

4597

12597

247

,

0

51000

_⋅

₌

₌

Porównując tę ilość z tabelą 3.2. obliczono, iż w analizowanej opcji 1 dla wariantu 1 można unieszkodliwić termicznie ok. 27% osadów komunalnych powstających rocznie w COŚ – Gliwice, a dla wariantu 2 już ok. 54%. W gospodarce osadami ściekowymi są to wartości duże, gdyż w Polsce zaledwie niecały 1% osadów jest przekształcany termicznie. Obecnie osad powstający w COŚ – Gliwice jest wykorzystywany przyrodniczo, m.in. do rekultywacji terenów zielonych, pod uprawy roślin przeznaczonych do produkcji biopaliw itp. [6].

51 Tabela 3.3. Możliwy spadek ilości wytwarzanej rocznie energii dla opcji 1 w PEC-Gliwice

Wilgotność osadu Wariant 1 Wd rz.pal [MJ/kg] Energia chemiczna samego węgla [GJ/rok] Energia mieszaniny węgla z osadami [GJ/rok] Spadek energii wytwarzanej Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok] 75% przy 1% osadu 23,530 2961575,285 3,564% 109455,075 80% przy 1% _osadu 23,282 2930371,895 4,580% 140658,465 85% przy 1% osadu 22,880 3071030,4 2879666,387 6,231% 191363,973 Wilgotność osadu Wariant 2 Wd rz.pal [MJ/kg] Energia samego węgla [GJ/rok] Energia węgla z osadami [GJ/rok] Spadek energii wytwarzanej Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok] 75% przy 2% osadu 22,725 2860227,993 6,864% 210802,367 80% przy 2% osadu 22,266 2802500,564 8,744% 268529,796 85% przy 2% osadu 21,538 3071030,4 2710815,823 11,729% 360214,537 Wilgotność osadu Wariant 3 Wd rz.pal [MJ/kg] Energia samego węgla [GJ/rok] Energia węgla z osadami [GJ/rok] Spadek energii wytwarzanej Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok] 75% przy 3% osadu 21,977 2766119,793 9,929% 304910,567 80% przy 3% osadu 21,339 2685748,478 12,546% 385281,882 85% przy 3% osadu 20,346 3071030,4 2560726,433 16,617% 510303,927 Wilgotność osadu Wariant 4 Wd rz.pal [MJ/kg] Energia samego węgla [GJ/rok] Energia węgla z osadami [GJ/rok] Spadek energii wytwarzanej Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok] 75% przy 5% osadu 20,631 2596725,034 15,445% 474305,326 80% przy 5% osadu 19,706 2480264,808 19,237% 590765,552 85% przy 5% osadu 18,318 3071030,4 2305574,469 24,925% 765455,891 Oznaczenia w tabeli:

• Wd rz.pal – wartość opałowa mieszaniny węgla kamiennego z osadem ściekowym przy

danych wariantach zawartości osadów i ich wilgotnościach.

• Energia samego węgla- masa węgla spalanego w ciągu roku pomnożona przez stałą wartość opałową (24,4 MJ/kg).

• Energia węgla z osadami- masa węgla spalanego w ciągu roku pomnożona przez Wd rz.pal.

• Różnica wytwarzanej energii- energia ze spalenia samego węgla minus energia spalanego węgla z osadami.

W celu zrównoważenia strat energetycznych powstałych przy współspalaniu osadów ściekowych musiałaby być pobierana opłata za ich unieszkodliwianie. Koszty te musi ponieść oczyszczalnia ścieków- tabela 3.4, a wyliczone zostały dla następujących założeń: • różnica wytarzanej rocznie energii (patrz tabela 3.3) została podzielona przez wartość

opałową węgla (24.4GJ/Mg), co dało ilość węgla, jaką rocznie należałoby spalić, aby wyjść z bilansem energetycznym na zero,

= ⋅ [GJ/Mg] Wd [GJ/rok] energii j wytwarzane nica z Ró wegla

ilość węgla [Mg/rok] (3.1)

• obliczoną ilość węgla pomnożono przez jego średnią cenę rynkową równą 375zł/Mg [8], co dało koszty jego zakupu,

• stała wydajność instalacji w opcji 1 nie pozwala na zwiększenie strumienia spalanego węgla, dlatego koszty zakupu węgla potraktowano jako koszty za unieszkodliwianie osadów ściekowych,

• koszty zakupu węgla zostały podzielone przez masę osadów możliwych do unieszkodliwienia w PEC - Gliwice (tabela 3.5) w zależności od analizowanych wariantów, co dało jednostkowy koszt za 1Mg spalanych osadów.

Tabela 3.4. Koszty unieszkodliwiania wilgotnych osadów ściekowych przy ich współspalanie w PEC-Gliwice dla opcji 1

Wilgotność osadu Wariant 1 Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok] Ilość węgla [Mg/rok] Koszty zakupu węgla[zł/rok] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg osadu [zł] 75% przy 1% osadu 109455,1 4485,9 1682198,9 334,1 80% przy 1% osadu 140658,5 5764,7 2161759,2 343,5 85% przy 1% osadu 191364,0 7842,8 2941044,7 350,5 Wilgotność osadu Wariant 2 Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok] Ilość węgla [Mg/rok] Koszty zakupu węgla[zł/rok] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg osadu [zł] 75% przy 2% osadu 210802,4 8639,4 3239790,5 321,8 80% przy 2% osadu 268529,8 11005,3 4126994,8 327,9 85% przy 2% osadu 360214,5 14762,9 5536084,1 329,9 Wilgotność osadu Wariant 3 Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok] Ilość węgla [Mg/rok] Koszty zakupu węgla[zł/rok] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg osadu [zł] 75% przy 3% osadu 304910,6 12496,3 4686125,5 310,3 80% przy 3% osadu 385281,9 15790,2 5921340,4 313,6 85% przy 3% osadu 510303,9 20914,1 7842785,8 311,6 Wilgotność osadu Wariant 4 Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok] Ilość węgla [Mg/rok] Koszty zakupu węgla[zł/rok] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg osadu [zł] 75% przy 5% osadu 474305,3 19438,7 7289528,6 289,6 80% przy 5% osadu 590765,6 24211,7 9079388,6 288,6 85% przy 5% osadu 765455,9 31371,1 11764178,6 280,4

53 Cena ta dotyczy osadów bezpośrednio trafiających do kotła (o zadanych wilgotnościach). W praktyce osady ściekowe będą dozowane razem z węglem na młyny, gdzie ich wilgotność w wyniku panujących temperatur spadnie, bądź przechowywane pod zadaszeniem. Pociąga to za sobą wzrost wartości opałowej paliwa trafiającego do kotła, gdyż część balastu (wody) zostanie odparowana na młynach, co zmniejsza straty wytarzanej energii, a wiec również koszty– tabela 3.6.

Tabela 3.5. Ilość osadów wilgotnych możliwa do unieszkodliwienia rocznie w PEC - Gliwice

Wariant 1 Wilgotność osadu Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych [Mg m.w./rok]

przy 1% osadu 75% 5034,5 przy 1% osadu 80% 6293,1 przy 1% osadu 85% 8390,8 Wariant 2 przy 2% osadu 75% 10069,0 przy 2% osadu 80% 12586,2 przy 2% osadu 85% 16781,6 Wariant 3 przy 3% osadu 75% 15103,4 przy 3% osadu 80% 18879,3 przy 3% osadu 85% 25172,4 Wariant 4 przy 5% osadu 75% 25172,4 przy 5% osadu 80% 31465,5 przy 5% osadu 85% 41954,0

Tabela 3.6. Koszty unieszkodliwiania wilgotnych osadów ściekowych przy ich współspalaniu w PEC-Gliwice dla opcji 1.

Wilgotność

osadu Wariant 1

Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok]

Ilość węgla [Mg/rok] Koszty zakupu węgla[zł/rok] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg osadu [zł] 40% przy 1% osadu 34260,0 1404,1 526537,2 104,6 50% przy 1% osadu 45212,8 1853,0 694868,9 110,4 60% przy 1% osadu 61508,4 2520,8 945313,6 112,7 Wilgotność osadu Wariant 1 Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok]

Ilość węgla [Mg/rok] Koszty zakupu węgla[zł/rok] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg osadu [zł] 40% przy 2% osadu 67414,9 2762,9 1036089,4 102,9 50% przy 2% osadu 88686,7 3634,7 1363012,1 108,3 60% przy 2% osadu 120087,8 4921,6 1845612,2 110,0 Wilgotność osadu Wariant 1 Różnica wytwarzanej energii [GJ/rok]

Ilość węgla [Mg/rok] Koszty zakupu węgla[zł/rok] Koszt za unieszkodliwienie 1 Mg osadu [zł] 40% przy 3% osadu 99517,2 4078,6 1529465,3 101,3 50% przy 3% osadu 130520,0 5349,2 2005942,3 106,3 60% przy 3% osadu 175942,6 7210,8 2704036,5 107,4

Tabela 3.7. Zestawienie kosztów za współspalanie osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 1 Wariant 1 Wilgotność osadu Masa suchego osadu [Mg/rok] Masa wilgotnego osadu [Mg/rok] 1 [zł/Mg]] 2 [zł/Mg] 3 [zł/Mg] 4 [zł/rok] 5 [zł/Mg] przy 1% osadu 40% 1258,6 2097,7 104,6 175,5 70,9 148684,9 118,1 przy 1% osadu 50% 1258,6 2517,2 110,4 175,5 65,1 163821,8 130,2 przy 1% osadu 60% 1258,6 3146,5 112,7 175,5 62,8 197540,3 157,0 przy 1% osadu 75% 1258,6 5034,5 334,1 175,5 -158,6 -798568,6 -634,5 przy 1% osadu 80% 1258,6 6293,1 343,5 175,5 -168,0 -1057365,8 -840,1 przy 1% osadu 85% 1258,6 8390,8 350,5 175,5 -175,0 -1468556,6 -1166,8 Wariant 2 Wilgotność osadu Masa suchego osadu [Mg/rok] Masa wilgotnego osadu [Mg/rok] 1 [zł/Mg]] 2 [zł/Mg] 3 [zł/Mg] 4 [zł/rok] 5 [zł/Mg] przy 2% osadu 40% 2517,2 4195,4 102,9 175,5 72,6 304501,9 121,0 przy 2% osadu 50% 2517,2 5034,5 108,3 175,5 67,2 338216,1 134,4 przy 2% osadu 60% 2517,2 6293,1 110,0 175,5 65,5 412071,9 163,7 przy 2% osadu 75% 2517,2 10069,0 321,8 175,5 -146,3 -1473289,1 -585,3 przy 2% osadu 80% 2517,2 12586,2 327,9 175,5 -152,4 -1918387,1 -762,1 przy 2% osadu 85% 2517,2 16781,6 329,9 175,5 -154,4 -2591412,6 -1029,5 Wariant 3 Wilgotność osadu Masa suchego osadu [Mg/rok] Masa wilgotnego osadu [Mg/rok] 1 [zł/Mg]] 2 [zł/Mg] 3 [zł/Mg] 4 [zł/rok] 5 [zł/Mg] przy 3% osadu 40% 3775,9 6293,1 101,3 175,5 74,2 466821,8 123,6 przy 3% osadu 50% 3775,9 7551,7 106,3 175,5 69,2 522427,6 138,4 przy 3% osadu 60% 3775,9 9439,6 107,4 175,5 68,1 642650,9 170,2 przy 3% osadu 75% 3775,9 15103,4 310,3 175,5 -134,8 -2036244,2 -539,3 przy 3% osadu 80% 3775,9 18879,3 313,6 175,5 -138,1 -2607606,8 -690,6 przy 3% osadu 85% 3775,9 25172,4 311,6 175,5 -136,1 -3426464,4 -907,5 Oznaczenia w tabeli:

• 1- Koszty za unieszkodliwienie 1 Mg osadów wilgotnych przez współspalanie – tabela 3.4. i 3.6.

55 • 3 - Różnica kosztu deponowania i kosztu za unieszkodliwienie [zł/Mg m.w.]. Wynik

dodatni oznacza zysk, ujemny są to koszty jakie muszą zostać poniesione w celu unieszkodliwienia osadów.

• 4 - Koszt unieszkodliwiania uwodnionych osadów ściekowych [zł/rok]. Wynik dodatni oznacza zysk, ujemny koszty.

• 5 - Koszt unieszkodliwiania 1 Mg suchej masy osadów ściekowych [zł/Mg m.s]. Wynik dodatni oznacza zysk, ujemny koszty jakie muszą być poniesione na ich unieszkodliwienie.

Porównując tabele 3.4. z 3.6. można zauważyć przeszło trzykrotny spadek kosztów za 1 Mg unieszkodliwianych osadów. Dominującym czynnikiem wpływającym na cenę jest więc wilgotność. Należy jeszcze raz podkreślić, iż otrzymane ceny dotyczą sytuacji skrajnie pesymistycznej, w której spadki wytwarzanej energii przy współspalaniu osadów ściekowych są maksymalne, gdyż instalacja nie pozwala na zwiększenie strumienia spalanego paliwa. Zestawienie zysków oraz strat możliwych przy skojarzeniu oczyszczalni ścieków z zakładem współspalającym osady dla opcji 1 pokazano w tabeli 3.7

3.2. Opcja 2 – stała produkcja energii

W opcji tej wydajność instalacji pozwala na zwiększenie strumienia paliwa i wówczas ilość produkowanej energii przed dodaniem i po dodaniu osadu jest taka sama. Jeżeli wartość opałowa osadów jest większa niż 0, wówczas możemy mówić o oszczędności węgla. W takiej sytuacji możemy mówić o czystym zysku – z uwzględnieniem praktycznie żadnej inwestycji. Osad ściekowy może być przyjmowany np. za darmo. Zysk jest dla oczyszczalni i zakładu współspalającego. Jest to opcja realistyczna, możliwa do realizacji w praktyce.

Oszczędności węgla w zależności od wilgotności współspalanych osadów ściekowych (tabela 3.8.) zostały obliczone w następujący sposób:

• ilość unieszkodliwianych osadów ściekowych pomnożona została przez ich wartość opałową(zależną od wilgotności osadu), co dało roczny wkład energetyczny uzyskany ze współspalania osadów,

• wkład energetyczny osadów ściekowych podzielono przez wartość opałową węgla (24,4 GJ/Mg), co dało ilość jego roczne oszczędności (3.2).

= ] / [ ] / [ wilgotnych osadów Energia Mg GJ Wd rok GJ wegla

ilość węgla [Mg/rok] (3.2)

Analizowane w tabeli 3.8. wartości wilgotności uwzględniają już częściowe wysuszenie osadów ściekowych przed trafieniem do kotła. W przypadku podawania osadów do kotła bez uprzedniego ich podsuszenia (poziomy zawartości wilgoci 75%, 80%, 85%) oszczędności węgla będą dużo mniejsze – tabela 3.9. Ilość osadów wilgotnych możliwa do unieszkodliwienia rocznie w PEC – Gliwice dla opcji 2 będzie się wahać, w zależności od ich uwodnienia i strumienia spalanego rocznie paliwa.

Tabela 3.8. Roczne oszczędności węgla możliwe do uzyskania przy współspalaniu osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 2

Wariant 1 Wilgotność osadu Wd rz.osadu [GJ/Mg] Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych [Mg m.w./rok] Wkład energetyczny osadów wilgotnych [GJ/rok] Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok] przy 1% osadu 40% 7,80 2097,7 16352,8 670,2 przy 1% osadu 50% 6,08 2517,2 15303,5 627,2 przy 1% osadu 60% 4,36 3146,5 13729,6 562,7 Wariant 2 Wilgotność osadu Wd rz.osadu [GJ/Mg] Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych [Mg m.w./rok] Wkład energetyczny osadów wilgotnych [GJ/rok] Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok] przy 2% osadu 40% 7,80 4195,4 32705,6 1340,4 przy 2% osadu 50% 6,08 5034,5 30607,1 1254,4 przy 2% osadu 60% 4,36 6293,1 27459,3 1125,4 Wariant 3 Wilgotność osadu Wd rz.osadu [GJ/Mg] Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych [Mg m.w./rok] Wkład energetyczny osadów wilgotnych [GJ/rok] Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok] przy 3% osadu 40% 7,80 6293,1 49058,5 2010,6 przy 3% osadu 50% 6,08 7551,7 45910,6 1881,6 przy 3% osadu 60% 4,36 9439,6 41188,9 1688,1 Wariant 4 Wilgotność osadu Wd rz.osadu [GJ/Mg] Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych [Mg m.w./rok] Wkład energetyczny osadów wilgotnych [GJ/rok] Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok] przy 5% osadu 40% 7,80 10488,5 81764,1 3351,0 przy 5% osadu 50% 6,08 12586,2 76517,7 3136,0 przy 5% osadu 60% 4,36 15732,7 68648,2 2813,5 Oznaczenia w tabeli:

• Wd rz.osadu - wartość opałowa osadu ściekowego przy danej wilgotności.

• Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych – w przeliczeniu na masę spalanego w zakładzie rocznie węgla.

Zysk dla zakładu współspalającego osady komunalne jest tym wyższy, im niższe są wilgotności osadów trafiających do kotła. Dlatego kwestia odpowiedniego ich podawania wymaga dokładnej analizy technicznej.

Z kolei oczyszczalnia nie musi ponosić kosztów za deponowanie osadów na składowiskach, ani inwestować w ich suszenie. Za darmo, po procesach odwadniania (np.na prasach) może oddawać osady do zakładu je współspalającego. Zysk jest, więc obustronny. Oszczędności roczne z tytułu mniejszego zużycia węgla w PEC – Gliwice zestawiono w tabeli 3.10., a zestawienie kosztów jakie musiałaby ponieść oczyszczalnia ścieków za ich deponowanie na składowisku pokazano w tabeli 3.11. Pełne zestawienie zysków wynikających ze skojarzenia oczyszczalni z zakładem współspalającym osady dla opcji 2 przedstawiono w tabeli 3.12.

57 Tabela 3.9. Roczne oszczędności węgla możliwe do uzyskania przy współspalaniu osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 2

Wariant 1 Wilgotność osadu Wd rz.osadu [GJ/Mg] Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych [Mg m.w./rok] Wkład energetyczny osadów wilgotnych [GJ/rok] Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok] przy 1% osadu 75% 1,78925 5034,5 9007,9 369,2 przy 1% osadu 80% 0,9312 6293,1 5860,1 240,2 przy 1% osadu 85% 0,07315 8390,8 613,8 25,2 Wariant 2 Wilgotność osadu Wd rz.osadu [GJ/Mg] Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych [Mg m.w./rok] Wkład energetyczny osadów wilgotnych [GJ/rok] Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok] przy 2% osadu 75% 1,78925 10069,0 18015,9 738,4 przy 2% osadu 80% 0,9312 12586,2 11720,3 480,3 przy 2% osadu 85% 0,07315 16781,6 1227,6 50,3 Wariant 3 Wilgotność osadu Wd rz.osadu [GJ/Mg] Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych [Mg m.w./rok] Wkład energetyczny osadów wilgotnych [GJ/rok] Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok] przy 3% osadu 75% 1,78925 15103,4 27023,8 1107,5 przy 3% osadu 80% 0,9312 18879,3 17580,4 720,5 przy 3% osadu 85% 0,07315 25172,4 1841,4 75,5 Wariant 4 Wilgotność osadu Wd rz.osadu [GJ/Mg] Ilość unieszkodliwianych osadów wilgotnych [Mg m.w./rok] Wkład energetyczny osadów wilgotnych [GJ/rok] Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok] przy 5% osadu 75% 1,78925 25172,4 45039,7 1845,9 przy 5% osadu 80% 0,9312 31465,5 29300,7 1200,8 przy 5% osadu 85% 0,07315 41954,0 3068,9 125,8

Tabela 3.10. Roczny zysk możliwy do uzyskania przy współspalaniu osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 2 (dla ceny węgla 375 zł/Mg)

Wariant 1 Wilgotność osadu

Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok]

Możliwy zysk roczny [zł] przy 1% osadu 40% 670,2 251325,0 przy 1% osadu 50% 627,2 235200,0 przy 1% osadu 60% 562,7 211012,5 przy 1% osadu 75% 369,2 138441,6 przy 1% osadu 80% 240,2 90063,5 przy 1% osadu 85% 25,2 9433,2 Wariant 2 Wilgotność osadu

Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok]

Możliwy zysk roczny [zł] przy 2% osadu 40% 1340,4 502650,0 przy 2% osadu 50% 1254,4 470400,0 przy 2% osadu 60% 1125,4 422025,0 przy 2% osadu 75% 738,4 276883,3 przy 2% osadu 80% 480,3 180126,9 przy 2% osadu 85% 50,3 18866,4 Wariant 3 Wilgotność osadu

Oszczędność zużycia węgla [Mg/rok]

Możliwy zysk roczny [zł] przy 3% osadu 40% 2010,6 753975,0 przy 3% osadu 50% 1881,6 705600,0 przy 3% osadu 60% 1688,1 633037,5 przy 3% osadu 75% 1107,5 415324,9 przy 3% osadu 80% 720,5 270190,4 przy 3% osadu 85% 75,5 28299,6

59 Tabela 3.11. Roczne koszty deponowania uwodnionych osadów ściekowych na składowisko (dla ceny 175,48 zł brutto za 1 Mg osadów)

Wariant 1 Wilgotność osadu

Ilość osadów wilgotnych trafiająca na składowisko

[Mg m.w./rok]

Koszty deponowania osadów na składowisko [zł/rok] przy 1% osadu 75% 5034,5 883449,8 przy 1% osadu 80% 6293,1 1104312,3 przy 1% osadu 85% 8390,8 1472416,4 Wariant 2 Wilgotność osadu

Ilość osadów wilgotnych trafiająca na składowisko

[Mg m.w./rok]

Koszty deponowania osadów na składowisko [zł/rok] przy 2% osadu 75% 10069,0 1766899,7 przy 2% osadu 80% 12586,2 2208624,6 przy 2% osadu 85% 16781,6 2944832,8 Wariant 3 Wilgotność osadu

Ilość osadów wilgotnych trafiająca na składowisko

[Mg m.w./rok]

Koszty deponowania osadów na składowisko [zł/rok] przy 3% osadu 75% 15103,4 2650349,5 przy 3% osadu 80% 18879,3 3312936,9 przy 3% osadu 85% 25172,4 4417249,2 Wariant 4 Wilgotność osadu

Ilość osadów wilgotnych trafiająca na składowisko

[Mg m.w./rok]

Koszty deponowania osadów na składowisko

[zł/rok] przy 5% osadu 75% 25172,4 4417249,2 przy 5% osadu 80% 31465,5 5521561,6 przy 5% osadu 85% 41954,0 7362082,1

Tabela 3.12. Zyski wynikające ze współspalania osadów ściekowych w PEC-Gliwice dla opcji 2 Wariant 1 Wilgotność osadu Masa suchego osadu [Mg/rok] Masa wilgotnego osadu [Mg/rok] 1 [zł/rok] 2 [zł/Mg] 3 [zł/Mg] 4 [zł/Mg] 5 [zł/rok] 6 [zł/Mg] przy 1% osadu 40% 1258,6 2097,7 251325,0 119,8 175,5 295,3 619429,1 492,1 przy 1% osadu 50% 1258,6 2517,2 235200,0 93,4 175,5 268,9 676924,9 537,8 przy 1% osadu 60% 1258,6 3146,5 211012,5 67,1 175,5 242,5 763168,7 606,4 przy 1% osadu 75% 1258,6 5034,5 138441,6 27,5 175,5 203,0 1021891,4 811,9 przy 1% osadu 80% 1258,6 6293,1 90063,5 14,3 175,5 189,8 1194375,8 949,0 przy 1% osadu 85% 1258,6 8390,8 9433,2 1,1 175,5 176,6 1481849,6 1177,4 Wariant 2 Wilgotność osadu Masa suchego osadu [Mg/rok] Masa wilgotnego osadu [Mg/rok] 1 [zł/rok] 2 [zł/Mg] 3 [zł/Mg] 4 [zł/Mg] 5 [zł/rok] 6 [zł/Mg] przy 2% osadu 40% 2517,2 4195,4 502650,0 119,8 175,5 295,3 1238858,2 492,1 przy 2% osadu 50% 2517,2 5034,5 470400,0 93,4 175,5 268,9 1353849,8 537,8 przy 2% osadu 60% 2517,2 6293,1 422025,0 67,1 175,5 242,5 1526337,3 606,4 przy 2% osadu 75% 2517,2 10069,0 276883,3 27,5 175,5 203,0 2043783,0 811,9 przy 2% osadu 80% 2517,2 12586,2 180126,9 14,3 175,5 189,8 2388751,5 949,0 przy 2% osadu 85% 2517,2 16781,6 18866,4 1,1 175,5 176,6 2963699,2 1177,4 Wariant 3 Wilgotność osadu Masa suchego osadu [Mg/rok] Masa wilgotnego osadu [Mg/rok] 1 [zł/rok] 2 [zł/Mg] 3 [zł/Mg] 4 [zł/Mg] 5 [zł/rok] 6 [zł/Mg] przy 3% osadu 40% 3775,9 6293,1 753975,0 119,8 175,5 295,3 1858287,3 492,1 przy 3% osadu 50% 3775,9 7551,7 705600,0 93,4 175,5 268,9 2030774,8 537,8 przy 3% osadu 60% 3775,9 9439,6 633037,5 67,1 175,5 242,5 2289506,0 606,4 przy 3% osadu 75% 3775,9 15103,4 415324,9 27,5 175,5 203,0 3065674,4 811,9 przy 3% osadu 80% 3775,9 18879,3 270190,4 14,3 175,5 189,8 3583127,3 949,0 przy 3% osadu 85% 3775,9 25172,4 28299,6 1,1 175,5 176,6 4445548,8 1177,4 Oznaczenia w tabeli:

1. Roczny zysk wynikający z oszczędności węgla [zł/rok].

2. Zysk ze współspalania 1 Mg osadu ściekowego o danym uwodnieniu [zł/Mg m.w.]. 3. Koszty deponowania uwodnionych osadów na składowisko [zł brutto/Mg m.w.]. 4. Suma zysku ze współspalania i kosztu deponowania osadów ściekowych [zł/Mg m.w.]. 5. Zysk otrzymany w wyniku współspalania osadów ściekowych (oszczędności zakładu spalającego osad plus oszczędności oczyszczalni ścieków) [zł/rok].

6. Zysk wynikający z unieszkodliwienia 1 Mg masy suchej osadów ściekowych przy ich współspalaniu w kotłach energetycznych [zł/Mg m.s.].

61

4. Podsumowanie

Współspalanie osadów ściekowych wraz z konwencjonalnymi paliwami w instalacjach przemysłowych, a szczególnie w blokach energetyki zawodowej, jest rozwiązaniem, które w aspekcie kompleksowego zagospodarowania osadów od kilku już lat budzi uzasadnione zainteresowanie i nadzieje na szersze wprowadzenie metod termicznych do krajowych systemów zagospodarowania odpadów. Perspektywa budowy spalarni odpadów bądź osadów komunalnych w dużych polskich miastach systematycznie oddala się, a tymczasem termin wypełnienia zobowiązań akcesyjnych w dziedzinie zagospodarowania odpadów, w tym najistotniejszy dotyczący redukcji odpadów ulegających biodegradacji, do których Dyrektywa 2001/77/WE pozwala zaliczać frakcję organiczną osadów ściekowych, zbliża cię coraz szybciej. Natomiast ilość osadów z oczyszczalni ścieków w Polsce nieustannie rośnie, stąd spalanie czy współspalanie osadów ściekowych z oczyszczalni komunalnych jest, więc koniecznością, aby dotrzymać wymogą UE. W skali ogólnopolskiej unieszkodliwianie komunalnych osadów ściekowych przy ich współspalaniu w kotłach energetycznych z węglem kamiennym może w pełni rozwiązać problem ich zagospodarowania.

Termiczne metody pozwolą na przeróbkę dużych ilości osadów ściekowych szczególnie dla tych wytwarzanych w największych aglomeracjach, gdzie nie spełnia się norm w zakresie ich innego wykorzystania. Dodatkowo redukują znacznie masę i objętość przekształcanych osadów. Budowa samodzielnego zakładu termicznego unieszkodliwiania osadów ściekowych wiąże się z wysokimi nakładami inwestycyjnymi i jest sensowna jedynie w przypadku dużych oczyszczalni. Koszty te można obniżyć poprzez współspalanie osadów komunalnych z różnymi rodzajami paliw w obiektach już istniejących. Nakłady inwestycyjne związane z uzbrojeniem istniejących już bloków energetycznych, a także koszty eksploatacyjne przy współspalaniu osadów w kotłach pyłowych i rusztowych są minimalne. Natomiast korzyści finansowe mogą być znaczące, zarówno dla zakładu współspalającego jak i dla oczyszczalni.

Pamiętać należy, że polskie prawo dopuszcza jedynie spalanie mieszkanki paliwowej, w której osady stanowią tylko 1%. Przytoczone warianty należy traktować jako teoretyczne przykłady, które mogą być podstawą do dyskusji na temat zmian legislacyjnych.

Literatura

[1] Wandrasz J.W.: Termiczne unieszkodliwianie odpadów. Restrukturyzacja procesów termicznych. Wyd. Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Poznań 2007.

[2] Bień J.B.: Osady ściekowe – teoria i praktyka. Wyd. Pol. Częstochowskiej, Częstochowa 2007.

[3] Szargut J.: Termodynamika techniczna. Wyd. PWN, Warszawa 1991.

[4] Nadziakiewicz J., Wacławiak K., Stelmach S.: Procesy termiczne utylizacji odpadów. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice 2007.

[5] Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej –Gliwice Sp. z o.o. stanowiące główne źródło ciepła dla miejskiego systemu ciepłowniczego, dostarczając odbiorcom na terenie miasta Gliwic energii cieplnej w wodzie grzewczej. http://www.pec.gliwice.pl/

[7] Pająk T.: Suszenie i termiczne przekształcanie jako wiodąca metoda unieszkodliwiania komunalnych osadów ściekowych. XVI Międzynarodowe Targi Maszyn i Urządzeń dla Wodociągów i Kanalizacji Wod – Kan 2008

[8] Ceny giełdowe węgli krajowych za 1 Mg paliwa, dostępne w Internecie: www.wegiel.com.pl/index2.php?kod=21&kopalnia=0&wegiel=0&wojewodztwo=0 [9] GUS: Ochrona Środowiska 2007. Zakład Wydawnictw Statystycznych, Warszawa