and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 11 nr 4 (2009), p- 37-56
Symultaniczny odzysk materii i energii z osadów ściekowych w produkcji materiałów spiekanych
Latosińska J.1, Żygadło M.2 Politechnika Świętokrzyska,
1
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Al. 1000 – Lecia Państwa Polskiego 7,25-314 Kielce, tel. 041-34-24-571,
e-mail: jlatosin@tu.kielce.pl
2
Politechnika Świętokrzyska
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Al. 1000 – Lecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce tel. 041-34-24-527,
e-mail: mzygadlo@tu.kielce.pl
Streszczenie
Wykazano, że osady ściekowe mogą być stosowane jako dodatek spęczniający do masy surowcowej keramzytu. Dodatek osadów ściekowych powoduje wzrost porowatości całkowitej i spadek gęstości pozornej spieku ceramicznego. Wzrost ilości osadów ściekowych nie spowodował wyraźnego wpływu na porowatość zamkniętą. Osady ściekowe wprowadzone do zestawu surowcowego keramzytu pozwalają na obniżenie temperatury wypalania przy jednoczesnym zachowaniu parametrów użytkowych kruszywa lekkiego. Optymalny udział osadów ściekowych w zestawie surowcowym keramzytu wykazano na poziomie 5 – 10% suchej masy. Ponadto badania obejmowały pomiary poziomu emisji zanieczyszczeń gazowych emitowanych w trakcie wypalania osadu ściekowego, gliny oraz mieszanki glinowo-osadowej. Analiza obejmowała gazy: CO, CO2, NO, SO2, H2S, CXHY. Badania pokazały, że udział gliny w mieszance surowcowej wpłynął na zmniejszenie poziomu emisji zanieczyszczeń.
Abstract
Simultaneous material and energy recovery from sewage sludge during
production of sintered materials
It was shown, that sewage sludge can be used as expanding agent of the LECA mass. The addition of sewage sludge increases the total porosity and decreases bulk density of a sinter. The increased mass of sewage sludge does not have visible influence upon closed porosity. Addition of sewage sludge to raw material used in LECA production enables decreasing burning temperature for the maintained operational parameters of a lightweight
aggregate. The optimum content of sewage sludge added to raw material used in LECA production is 5 to 10% of dry mass. Laboratory studies of the emission level of gas pollutants from the combustion of sewage sludge, clay, sludge-clay and their composition are presented. Emission levels of CO2, CO, NO, SO2, H2S, CxHy were determined. The study shows that the addition of clay to ceramic mass decreases the emission of gases.
1. Wstęp
W Polsce, podobnie jak w pozostałych krajach Unii Europejskiej, ilość powstających komunalnych osadów ściekowych znacząco wzrasta. W kraju w 2007 roku wytworzono 533 tys. ton suchej masy osadów ściekowych, to jest o 6,4% więcej niż w roku 2006 [1, 2]. Rzeczywista ilość osadów ściekowych jest większa. Dla szacunkowo przyjętego uwodnienia osadów ściekowych na poziomie 70% ilość osadów ściekowych wynosi ponad 1,776 mln ton. Jedną z przyczyn wzrostu ilości powstających osadów ściekowych jest realizacja zapisów Council Directive 91/271/EEC [10].
Wśród sposobów unieszkodliwiania osadów ściekowych dominuje składowanie przed wykorzystaniem przyrodniczym, w tym rolniczym, czy przekształcaniem termicznym. W 2007 roku 30% ogólnej ilości powstałych osadów ściekowych unieszkodliwiono przez deponowanie na składowiskach, a poniżej 1% przekształcono termicznie [2].
Obowiązujące normatywy limitują deponowanie osadów ściekowych na składowiskach [3, 4, 5] oraz ich przyrodnicze wykorzystanie [6, 7, 8, 9]. Podobnie, jak projektowane zmiany w zakresie dopuszczalnych zawartości zanieczyszczeń w osadach ściekowych przeznaczonych do stosowania w rolnictwie [11]. Sytuacja ta wymaga poszukiwania nowych, zwłaszcza bezodpadowych metod unieszkodliwiania osadów ściekowych.
Metodą zaliczaną do bezodpadowych sposobów unieszkodliwiania jest wykorzystanie osadów ściekowych do produkcji klinkieru w przemyśle cementowym. Główne składniki mineralne osadów ściekowych, tj. tlenki glinu, żelaza, wapna i krzemu, występują również w składzie klinkieru, mogą zatem zastąpić część nadawy surowcowej bez obaw pogorszenia jakości klinkieru. Odzyskiwana jest również energia zawarta w osadzie [16, 17]. Porównanie właściwości paliwowych osadów ściekowych z innymi odpadami stosowanym w charakterze dodatków do paliw alternatywnych przedstawia tabela 1. 1. W celu utylizacji osadów ściekowych w przemyśle cementowym niezbędne jest spełnienie wymagań przedstawionych w tabeli 1.2.
Ograniczenie ilości chloru i siarki wynika między innymi z faktu, że nadmierna ilość chlorków (powyżej 3 – 4% w surowcu) i siarczków (powyżej 2 – 3% w klinkierze) powoduje zmniejszenie ilości aktywnego CaO i redukcję stosunku CaO/SiO2, pogarszając tym samym jakość cementu [18].
Obostrzenia wartości opałowej wprowadzono, ponieważ tylko w takim przypadku zakład cementowy może zmniejszyć zużycie paliwa kopalnego. Spełnienie warunku minimum wartości opałowej w przypadku osadów ściekowych przefermentowanych może być trudne do zrealizowania [21].
Tabela 1.1. Porównanie właściwości paliwowych osadów ściekowych z wybranymi odpadami [39]. Osady ściekowe – osad wysuszony Odpady gumowe Tekstylia – z odpadów komunalnych Odpady tworzywa sztuczne c [%] 40,57 65,0 43,93 55,1 h [%] 5,36 5,0 4,34 7,6 o [%] 23,50 12,6 0,88 17,5 n [%] 4,5 0,2 0,88 0,9 s [%] 1,2 0,6 0,91 0,3 cl [%] 0,040 - 0,02 - w [%] 0,00 5,0 - 8,0 popiół [%] 24,83 11,6 11,07 10,6 części palne [%] - 48,0 - 89,0 wartość opałowa MJ/kg 15,10* 25,79 17,8 24,37
*odniesienie do suchej masy
Tabela 1. 2. Wymagania dla paliw alternatywnych w cementowniach [19, 16]. Dopuszczalna wartość Parametr Jednostka według wymagań krajowych – np.: Lafarge Cement [19] według wymagań zagranicznych [16] Wartość opałowa MJ/kg > 14 ≥ 15 Zawartość chloru % < 0,2 ≤ 1 Zawartość siarki % < 2,5% ≤ 5 Zawartość PCB ppm < 50 ≤ 80
Zawartość metali ciężkich: ppm < 2500 -
rtęć, ppm < 10 - kadm, tal, rtęć ppm < 100 - Ołów ppm - ≤ 5000 Rtęć ppm - ≤ 2 Tal ppm - ≤ 10 Kadm ppm - ≤ 60 Fluor ppm - ≤ 600 Azot % - ≤ 5
W produkcji cementu mogą być stosowane dwa oddzielne paliwa: główne i wtórne. Osad ściekowy może być współspalany z każdym z tych paliw, ale wymagana jest kontrola i regulacja podaży powietrza. Współspalanie osadu na etapie wtórnym powoduje wzrost emisji CO i nie daje możliwości zupełnego spalenia cząstek osadu [20].
Z punktu widzenia technologii produkcji klinkieru cementowego niepożądanymi składnikami w osadach ściekowych są nadmierne ilości alkaliów, siarki, chloru, fosforu, talu i metali ciężkich [22]. Doświadczenia przeprowadzone dla różnych metali dowodzą, że immobilizacja w składnikach mineralnych klinkieru cementowego jest cechą właściwą dla metali, niezależną od charakteru surowca wsadowego, ani od układu pieca [23].
W przeszłości, obok innych metod utylizacji osadów ściekowych, podejmowano próby ich termicznego wykorzystania w spiekach ceramicznych do produkcji materiałów budowlanych. Badania przeprowadzone przez Tay [12], Liew z zespołem [13] wykazały, że dodatek wysuszonych osadów ściekowych do produkcji cegieł wpływa niekorzystnie na parametry wyrobu ze względu na deformacje. Udział osadów ściekowych powyżej 30% d.m. jest niezalecany, z powodu pogorszenia jakości powierzchni cegieł i zwiększonej ich kruchości [13]. Podobnie badania Jordana z zespołem[14] wykazały, że osady ściekowe powodują pogorszenie cech użytkowych dachówki. Negatywny wpływ dodatku na parametry cegieł odnotowała także Balgaranova [15] stwierdzając, że osady ściekowe w ilości powyżej 10% powodują spieczenie wyrobów ceglarskich i skłonność do deformacji. Autorzy niniejszej pracy w przeprowadzonym eksperymencie postawili hipotezę, że substancje organiczne wprowadzone z osadami ściekowymi do spieków ceramicznych mogą być wykorzystane jako dodatek spęczniający w zestawie surowcowym glin do produkcji keramzytu. Zmiana kształtu ziaren kruszywa nie powoduje pogorszenia jakości kruszywa lekkiego.
a) b) c)
Rysunek.1.1. Przykłady zastosowań keramzytu [29, 30]. a) konstrukcja „zielonego” dachu: 1 – roślinność; 2 – warstwa wegetacyjna; 3 – warstwa filtrująca; 4 – warstwa drenażu – keramzyt; 5 – warstwa ochronna; 6 – warstwa uniemożliwiająca penetrację korzeni; 7 – warstwa rozdzielająca; 8 – warstwa szczelna przeciwwodna; 9 – szlichta cementowa; 10 – izolacja cieplna – keramzyt; 11 – izolacja paroszczelna; 12 – strop żelbetowy; b) bloczek z keramzytobetonu z wypełnieniem styropianowym wg systemu Fortis GT; c) konstrukcja lekkiego nasypu drogowego.
Keramzyt charakteryzuje się wysoką porowatością całkowitą (do 80%, przy czym 70 – 90% porów stanowią pory zamknięte), regularnym owalnym kształtem, powierzchnią lekko zeszkliwioną, niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła. Dzięki swym właściwościom znalazł szerokie zastosowanie w budownictwie, inżynierii środowiska, górnictwie, geotechnice i ogrodnictwie [24-30].
W składzie tlenkowym glin pęczniejących wykorzystywanych jako surowiec do produkcji keramzytu występują: SiO2 48-70%; Al2O3 8-25%; Fe2O3 3-12%; CaO + MgO 1-12% ; K2O + Na2O 0.5 – 7% [31]. Głównymi składnikami mineralnymi glin pęczniejących są: illit, kaolinit, smektyt, chloryt [32]. Kluczowym parametrem określającym przydatność surowca naturalnego – gliny do produkcji keramzytu jest szeroki interwał pęcznienia, tj. zakres pomiędzy temperaturą mięknienia a temperaturą maksymalnego pęcznienia. Wymagany interwał powinien wynosić minimum 50oC, co pozwala uniknąć zlepiania nadtopionych granul i zalania pieca stopionym iłem.
Keramzyt otrzymywany jest przez wypalenie naturalnego surowca pęczniejącego w temperaturze 1100 – 1200oC [33, 34]. Termiczne pęcznienie surowców ilastych ma miejsce, gdy substancja mineralna surowca pod wpływem temperatury osiąga stan piroplasytczny, a wydzielające się wówczas z surowca gazy mają dostateczną prężność pary, aby spowodować wzrost objętości zamkniętych porów. Z chwilą osiągnięcia stanu piroplastycznego, w materiale spiekanym występują fazy: stała, ciekła, gazowa [35, 36].
2. Metody badań
W celu potwierdzenia przyjętej przez autorów hipotezy badawczej, zgodnie, z którą osady ściekowe można wykorzystać jako środek porotwórczy masy surowcowej keramzytu, wykonano badania mające na celu określenie wpływu udziału osadu ściekowego na właściwości fizyczne i użytkowe spieku, tj.: gęstość pozorną i porowatość.
Określenie wpływu udziału osadów ściekowych na temperatury charakterystyczne spieku wykonano na podstawie badań w mikroskopie wysokotemperaturowym.
W celu stwierdzenia wpływu udziału osadu ściekowego na wielkość emisji zanieczyszczeń gazowych wykonano badania laboratoryjne składu spalin podczas wypalania składników surowcowych. Badania emisji w warunkach laboratoryjnych miały na celu rozpoznanie jakościowe emisji gazowych.
2.1. Materiał i metody
Do badań w charakterze surowca wykorzystano glinę pęczniejącą oraz osad z oczyszczalni ścieków komunalnych.
Glina pochodziła ze złoża Budy Mszczonowskie. Surowiec wykorzystywany jest przez Przedsiębiorstwo Kruszyw Lekkich „Keramzyt” - jednego z producentów keramzytu w Polsce.
Osady ściekowe do badań pobrano z placu magazynowania z oczyszczalni ścieków komunalnych Sitkówka-Nowiny koło Kielc. Osady ściekowe charakteryzowały się uwodnieniem 80,36%, pH 8,20 oraz wartością ciepła spalania 12,48 MJ/kg s.m. Skład chemiczny i mineralogicznego użytych surowców przedstawiono odpowiednio w tabeli 3.1. i tabeli 3.2.
Glinę pobraną po bezpośrednim ukopie z kopalni, wysuszono do stanu powietrzno suchego, zmielono w młynku tarczowo – ślimakowym oraz roztarto w moździerzu do frakcji < 1,0 mm.
Osady ściekowe wysuszono w temperaturze 105oC do stanu powietrzno suchego, roztarto w moździerzu do frakcji < 1.0 mm.
Obserwacje wpływu dodatku osadów ściekowych na spęcznienie i topliwość spieku prowadzono w mikroskopie wysokotemperaturowym od temperatury pokojowej do uzyskania temperatury maksymalnej urządzenia – 1500oC. Analizowane próby stanowiły zestawy surowcowe o udziale masowym odpowiednio: 0, 5, 10% osadów ściekowych. Do badań mikroskopowych formowano na prasie ręcznej kształtki o średnicy 3 mm i wysokości 3 mm.
Dynamika wzrostu temperatury w mikroskopie wysokotemperaturowym wynosiła 30 deg/min do 1100oC a powyżej 1100oC - 10 deg/min.
W celu uzyskania granul kruszywa ceramicznego przy użyciu praski ręcznej zaformowano kształtki w kształcie walca o wymiarach: średnica 10 mm, wysokość 10 mm (Rys. 2.1.).
a) b)
Rysunek. 2.1. Keramzyt: a – surowe kształtki walcowe – uformowane z mieszanki surowcowej glina – osad (widok przed wypaleniem); b – granule uzyskane po wypaleniu.
Kształtki wysuszono do stanu powietrzno suchego, następnie suszono 2 godziny w suszarce laboratoryjnej w temperaturze 105oC.
Kształtki wypalono w piecu laboratoryjnym „Nabertherm” w dwóch różnych temperaturach 1140, 1200oC. Czas przebywania kształtek w piecu wynosił 45 minut, w tym 10 minut w temperaturze maksymalnej. Kształtki po wypaleniu pozostawały w piecu do jego wychłodzenia do temperatury 100oC. Warunki wypalania w piecu laboratoryjnym starano się przybliżyć do warunków pieca w zakładzie producenta keramzytu w Mszczonowie. Parametry otrzymanych spieków badano metodami instrumentalnymi. Przy użyciu analizatora gęstości GeoPycTM 1360, produkcji firmy Micromeritics USA, oznaczono porowatość całkowitą, gęstość pozorną. Gęstość helową próbek oznaczono przy użyciu piknometru helowego Acc-Pyc1330, produkcji firmy Micromeritics USA. Próbki po oznaczeniu gęstości helowej rozdrobniono w laboratoryjnym ucieraku moździerzowym do
frakcji poniżej 63 µm i ponownie oznaczono gęstość helową, co pozwoliło obliczyć porowatość zamkniętą Pz ze wzoru:
Pz = (1- d1/d2)·100 [%] (2.1.) gdzie:
d1 – gęstość pozorna helowa próbki o zachowanej teksturze,
d2 – gęstość helowa tej samej próbki po jej rozdrobnieniu do ziarna < 63 µm (po zniszczeniu tekstury).
Dla materiałów sproszkowanych i pozbawionych porów gęstość oznaczona metodą helową równa się gęstości właściwej.
Różnica porowatości całkowitej i porowatości zamkniętej odpowiada porowatości otwartej. Teksturę spieków określono przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego JSM 5400, JEOL TECHNICS LTD, (Japonia).
2.2. Badania poziomu emisji gazowych
Badania laboratoryjne składu spalin podczas wypalania składników surowcowych wykonano dla: samej gliny, osadu oraz mieszanek gliny z 20% udziałem masowym osadu. Mieszanki surowcowe wypalono w elektrycznym piecu rurowym (PR-45/1350-M, prod. 1994 rok) z kwarcową komorą roboczą o średnicy 25/20 mm i długości 90 mm. Analizę składu gazów spalinowych wykonano przy użyciu przenośnego analizatora spalin Lancom Series II. Przepływ spalin w analizatorze wynosił ok. 20 dm3/h. Pomiary wykonano przy nastawach: tryb zapisu automatyczny, czas zapisu – 45 minut, częstotliwości zapisu – 20 sekund. Analizę prowadzono w warunkach spalin suchych.
Glinę i osad po wysuszeniu do stanu powietrzno suchego rozdrobniono do frakcji < 1m i dokładnie wymieszano w celu zapewnienia jednorodności wypalanych mieszanek.
Próbkę o masie 1,5 grama umieszczono w kwarcowej łódeczce, wstawiano do zimnego pieca, następnie nagrzewano piec do temperatury 1170oC i wsad poddawano obróbce termicznej w czasie 10 minut. Cały proces trwał 45 minut. Temperatura maksymalna uwarunkowana była temperaturą stosowaną w PKL „Keramzyt”.
3. Wyniki i dyskusja
3.1. Charakterystyka surowców
Osady ściekowe charakteryzuje znaczna zawartość alkaliów Na2O, K2O i tlenków: CaO, MgO, FeO (tabela 3.1). Wymienione tlenki obecne w surowcach spieków ceramicznych przyczyniają się do powstawania fazy ciekłej, wpływają na jej lepkość oraz obniżają temperaturę pęcznienia [31].
Tabela 3.1. Skład chemiczny gliny i osadów ściekowych.
Składnik Glina [%] Osady ściekowe [%]
SiO2 68,10 11,10 Al2O3 15,20 2,28 Fe2O 3 4,30 6,10 Na2O 0,36 0,255 K2O 1,85 0,42 MgO 1,05 1,08 TiO2 0,77 0,304 CaO 0,74 8,10 MnO 0,015 0,048 BaO 0,019 - ZnO - 0,162 P2O5 - 8,47 Cr2O3 - 0,011 SO3 - 2,14 Strata prażenia 7,1 59,5
Tabela 3.2. Główne składniki mineralogiczne gliny i osadów ściekowych.
Glina Osady ściekowe
montmorillonit, illit, kwarc wiwianit, rostyt, gismondyt, kalcyt, skolecyt,
Zidentyfikowane składniki mineralne gliny (tab.3.1.) są typowymi dla pęczniejącego surowca mineralnego [32].
W osadach ściekowych zidentyfikowano solecyt i gismondyt, minerały z grupy zeolitów (tab.3.2.). Występowanie w osadach ściekowych wiwianitu potwierdzają badania Frossarda [37], a kalcytu Saikia [38].
3.2. Właściwości spieków z udziałem osadów ściekowych
Rys. 3.1 przedstawia obrazy z mikroskopu skaningowego gliny i osadów ściekowych w stanie powietrzno suchym.
Badania wykonane w mikroskopie wysokotemperaturowym (Rys.3.2) pozwalają stwierdzić, że ze wzrostem udziału osadów ściekowych należy obniżyć temperaturę obróbki termicznej. Z punktu widzenia ekonomii produkcji jest to zjawisko korzystne. Wprowadzenie osadu ściekowego do masy surowcowej spowodowało wzrost porowatości oraz obniżenie gęstości pozornej (Rys.3.3.). Odnotowane zmiany zależały od udziału osadów ściekowych w zestawie surowcowym. Wzrostowi temperatury wypalania próbek towarzyszył wzrost porowatości i spadek gęstości pozornej.
Daje się zaobserwować, że krzywe porowatości całkowitej i gęstości pozornej na Rys.3.3. układają się symetrycznie, co jest uzasadnione fizycznym sensem badanych wielkości.
Wyniki badań porowatości dowodzą, że występuje optymalny udział osadów ściekowych w mieszance surowcowej w przedziale 5 do 10% s.m., przy którym spiek cechuje się najniższą gęstością pozorną, przy jednocześnie największej porowatości całkowitej. Wzrost porowatości stabilizował się na poziomie około 20% s.m. osadu ściekowego. Największe różnice gęstości pozornej zaobserwowano w przedziale 5 – 15 % s.m. udziału osadów ściekowych w odniesieniu do samej gliny.
a) b)
Rys. 3.1. SEM surowców, a – glina, b – osady ściekowe, powiększenie x 15.
Porowatość zamknięta (Rys.3.4.) przyjmuje wartości maksymalne przy 5% udziału osadów ściekowych. Wzrost ilości osadów ściekowych w zestawie surowcowym nie przyczynił się do wyraźnego wzrostu porowatości zamkniętej. Stosunkowo niskie wartości porowatości zamkniętej mogły wynikać z właściwości fazy ciekłej w maksymalnej temperaturze (np. niska lepkość), przez co zatrzymanie w spieku wydzielanych gazów było utrudnione. Wyraźne pęcznienie mas surowcowych zmodyfikowanych osadami ściekowymi, tłumaczy zawartość substancji organicznych. W trakcie wypalania surowca zachodzi odgazowanie substancji organicznych. Wpływ wprowadzonych z osadami ściekowymi tlenków o charakterze topników, głównie Na2O, K2O, oraz CaO, MgO, Fe2O3, Fe3O4 polega na obniżeniu temperatury spiekania, a także koryguje lepkość utworzonej fazy ciekłej w temperaturze wypalania, a co za tym idzie, łatwość odgazowania produktów rozkładu materii organicznej.
Sposób wykształcenia porowatej tekstury spieku keramzytowego determinuje zastosowanie tego kruszywa. Kruszywo o wysokiej porowatości całkowitej znajduje zastosowanie np.: w budownictwie. Keramzyt do zastosowań budowlanych powinien cechować się dużą zawartością porów zamkniętych, lekko spieczoną powłoką, utrudniającą wnikanie wody zarobowej z mieszanki betonowej. Zasklepienie się porów i jakość powłoki w dużym stopniu zależy od udziału topników w masie spiekanego tworzywa ceramicznego.
Kruszywo o znacznej porowatości otwartej może znaleźć zastosowanie w inżynierii środowiska, jako materiał filtracyjny lub w ogrodnictwie.
Charakterystyka porów zależy od udziału osadów ściekowych oraz temperatury wypalania prób (Rys.3.5.). Temperatura jest jednym z istotnych czynników wpływających na pęcznienie keramzytu [35].
Obrazy SEM potwierdziły, że wzrostowi temperatury wypalania towarzyszy wyraźny wzrost wielkości porów. Udział 5 – 10% s.m. osadów ściekowych ze względu na wielkość i rozproszenie porów kruszywa potwierdził się jako optymalny na rys.3.5.
a) glina+0% s.m. osadów
b) glina+5% s.m. osadów
c) glina+10% s.m. osadów
Rys.3.2. Wyniki pęcznienia i topliwości próbek spieków uzyskane z badań w mikroskopie wysokotemperaturowym. Temperatury: P.P. – początku pomiaru, P.S.- początku spiekania, M – mienienia, P. Pecz. – początku pęcznienia, M. Pecz. – maksimum pęcznienia, Top. – topnienia, Pl – płynięcia.
Temperatura 1140 o C 1,7892 0,9169 1,0151 1,2389 1,1871 1,285 24,0 59,0 56,3 48,6 50,0 46,9 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0% 5% 10% 15% 20% 30%
udział osadów ściekowych [% masy]
g ę st o ść p o z o rn a [g /c m 3 ] 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 p o ro w a to ść [ % ]
gęstość pozorna [g/cm3] porowatość [%]
Temperatura 1200 o C 1,7171 1,0275 1,0736 0,8754 0,7113 0,6134 25 55,7 53,4 62,3 68,8 71,4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0% 5% 10% 15% 20% 30%
udział osadów ściekowych [% masy]
g ę st o ść p o z o rn a [g /c m 3 ] 0 10 20 30 40 50 60 70 p o ro w a to ść [% ]
gęstość pozorna [g/cm3] porowatość [%]
Rys.3.3. Zmiany gęstości pozornej i porowatości próbek pod wpływem udziału osadów ściekowych w zestawie surowcowym, temperatura wypalania 1140 oC, 1200 oC.
Temperatura 1140 oC 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0% 5% 10% 15% 20% 30%
udział osadów ściekowych [% masy]
P o ro w a to ść [% ]
porowatość zamknięta [%] porowatość otwarta [%]
Temperatura 1200 oC 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0% 5% 10% 15% 20% 30%
udział osadów ściekowych [% masy]
p o ro w a to ść [ % ]
porowatość zamknięta [%] porowatość otwarta [%] Rysunek. 3.4. Wpływ udziału osadów ściekowych na charakter porów.
1140 oC 1200 oC 1140 oC 1200 oC 1140 oC 1200 oC 1140 oC 1200 oC 1140 oC 1200 oC 1140 oC 1200 oC
Rys.3.5. SEM próbek wypalonych w temperaturze 1140, 1200 oC, powiększenie x 100.
3.3. Badania poziomu emisji gazowych
W trakcie obróbki termicznej zestawów surowcowych z udziałem osadu zarejestrowano emisję CO, SO2, NOx oraz H2S, CxHy. Emisji H2S i CxHy nie odnotowano podczas
5%
osadów ściekowych 10% osadów ściekowych 15% osadów ściekowych 20% osadów ściekowych 30% osadów ściekowych 0% osadów ściekowychobróbki termicznej gliny (Rys.3.6.). Najwyższe poziomy emisji, zgodnie z przewidywaniami, wystąpiły w przypadku obróbki termicznej osadów ściekowych (Rys. 3.7.). GLINA 0 5 10 15 20 25 20 167 369 529 683 803 917 1010 1088 1154 1170 1170 1170 1170 1170 Temperatura [oC] O 2 , C O 2 [ % ] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 C O [ p p m ] O2 (%) CO2 (%) CO G L IN A 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 2 0 1 6 7 36 9 5 2 9 6 83 8 0 3 9 17 1 0 10 1 08 8 1 1 54 1 17 0 11 7 0 1 17 0 11 7 0 1 1 70 T em p eratura [oC ] S O 2 [ p p m ] 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 N O x [ p p m ] S O 2 N O Rys.3.6. Emisje gazów podczas obróbki termicznej gliny w temperaturze 1170oC.
Osady ściekowe
0 5 10 15 20 25 20 167 369 529 683 803 917 1010 1088 11541170 11701170 1170 1170 Temperatura [oC] O 2 , C O 2 [ % ] 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 C O [ p p m ] O2 (%) CO2 (%) COOsady ściekowe
0 50 100 150 200 250 300 350 400 2 0 1 6 7 3 6 9 5 2 9 6 8 3 8 0 3 91 7 1 01 0 1 0 88 1 1 5 4 1 1 7 0 1 1 7 0 11 7 0 11 7 0 1 17 0 Temperatura [oC ] S 0 2 ,N O x ,H 2 S [p p m ] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 C x H y [ % ] S O2 NO H2S C xHy(% )Rys.3.7. Emisje gazów podczas obróbki termicznej osadów ściekowych w temperaturze 1170oC.
GLINA + OSADY ŚCIEKOWE 0 5 10 15 20 25 20 167 369 529 683 803 917 1010 1088 1154 1170 1170 1170 1170 1170 Tempearatura [oC] O 2 , C O 2 [ % ] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 C O [ p p m ] O2 (%) CO2 (%) CO ppm
GLINA + OSADY ŚCIEKOWE
0 40 80 120 160 200 240 280 20 167 369 529 683 803 917 1010 1088 1154 1170 1170 1170 1170 1170 Temperatura [oC] S O 2 , N O x H 2 S [ p p m ] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 C x H y , [ % ] SO2 NO H2S CxHy(%)
Rys.3.8. Emisje gazów podczas obróbki termicznej mieszanki surowcowej gliny z 20% osadu ściekowego w temperaturze 1170oC.
4. Podsumowanie i wnioski
Przeprowadzone badania potwierdziły hipotezę, że osady ściekowe mogą być wykorzystane jako surowiec spęczniający do produkcji kruszywa lekkiego.
Przeprowadzone badania pozwoliły ustalić optymalny udział osadów ściekowych w przedziale 5 - 20 % s.m. w masie surowca do produkcji keramzytu.
Stwierdzono, że przy większym udziale osadu należy obniżyć temperaturę obróbki termicznej.
Wykazano, że wprowadzenie gliny przyczynia się do zmniejszenia poziomu emisji gazowych podczas obróbki termicznej zestawów surowcowych.
Sposób utylizacji osadów ściekowych jest bezodpadowy, gdyż popiół z osadów, w tym metale ciężkie, wbudowują się w strukturę spieku ceramicznego. Gazy odlotowe uwalniające się z rozkładu materii organicznej osadów wspomagają pęcznienie surowca glinowego. Po uwolnieniu się poza strukturę spieku podlegają spaleniu w wysokiej temperaturze w atmosferze pieca.
Literatura
[1] Fytili D., Zabaniotou A., 2008. Utilization of sewage sludge in UE application of old and new methods – A review, Renewable and Sustainable Energy Revlews, 12, 116 – 140
[2] Eurostat, www.ec.europa.eu/eurostat
[3] Commission of European Communities. Council Directive 99/31/EC of 26 April 1999 on the landfill of waste
[4] Directive 2008/98/EC of the European Parliament and of the Council of 19 November 2008 on waste and repealing certain Directives
[5] Roz. Min. Gospodarki i Pracy z dnia 7.09.2005 r., w sprawie kryteriów i procedur dopuszczania odpadów na składowisku odpadów danego typu, Dz. U. Nr 186, poz. 1553, 2005, oraz Dz. U. Nr 38, poz. 264, 2006 rok
[6] Rozp. Min.Środ. w sprawie komunalnych osadów ściekowych, Dz. U. Nr 134, poz. 1140, 2002
[7] Ustawa o odpadach, Dz.U. Nr 62, poz. 628, 2001, z póź. zm [8] Ustawa o rolnictwie ekologicznym, Dz. U. Nr 116, poz. 975, 2009 [9] Ustawa o nawozach i nawożeniu, Dz.U. Nr 147 poz. 1033,2007
[10] Council Directive of 21 March 1991 concerning urban wastewater treatment, 91/271/EEC
[12] Tay J. H., Show K. Y., 1997. Resources recovery of sludge as a building and construction material – a future trend in sludge management. Water Science and Technology. 11, 259–266
[13] Liew A. G., Idris A., Samad A. A., Noor M. J. M. M., Baki A. M., 2004. Incorporation of sewage sludge in clay brick and its characterization. Waste Management and Research. 22, 226–233.
[14] Jordán M. M., Almendro-Candel M.B., Romero M., Rincón J. Ma., 2005. Application of sewage sludge in the manufacturing of ceramic tile bodies, Applied Clay Science. 30, 219–224.
[15] Balgaranova J., Petkov A., Pavlova L. Alexandrova E., 2003. Utilisation of waste from the coke-chemical production and sewage sludge as additives in the brick-clay. Water, Air and Soil Pollution. 150, 103 – 110
[16] Szpadt R., Sebastian M. 2003. Standaryzacja jakości paliw z odpadów, Ochrona Środowiska, 1, s. 31–38
[17] Środa B., Sarna M. Możliwości współspalania odpadów i osadów ściekowych w krajowym przemyśle cementowym, Mat. V Międznarod. Konf., Osady ściekowe i odpady komunalne – zagospodarowanie, spalanie i współspalanie, Organizator: Grupa Konsultingowo–Projektowa ABRYS, Szklarska Poręba, 9–11 września 2002, s.165– 170
[18] Gadayev A., Kodess B. 1999. By - product materials in cement clinker manufacturing, Cement and Concrete Research, 29, s. 187–191
[19] Mokrzycki E., Uliasz-Bocheńczyk A., Sarna M. 2003. Use of alternative fuels in the Polish cement industry, Applied Energy, 74, s. 101–111
[20] Käntee U., Zevenhoven R., Backman R., Hupa M. 2004. Cement manufacturing using alternative fuels and the advantages of process modelling, Fuel Processing Technology, 85, s. 293–301
[21] Pająk T., Wielgosiński G.: Współczesne technologie suszenia i spalania osadów ściekowych – kryteria i uwarunkowania wyboru technologii, Nowe Spojrzenie na Osady Ściekowe – odnawialne źródła energii, Materiały II Międzyn. i XIII Kraj. Konf. Nauk.-Tech., Częstochowa, 3-5 lutego, 2003, s. 491–500.
[22] Poluszyńska J., Pokorska M.: Termiczna utylizacja osadów ściekowych w piecu obrotowym do wypalania klinkieru, Mat. Ogólnopolskiej Konf. Nauk.-Tech., Charakterystyka i zagospodarowanie osadów ściekowych, Gdańsk 2000, t. I, s. 129– 135
[23] Walazek J., Radomski A.: Utylizacja odpadów w piecach obrotowych do wypału klinkieru, Mat. III Międz. Konf., Spalanie odpadów – technologie i problemy, 1997, s. 313–325
[24] Kruszywo keramzytowe – OPTIROC, Aprobata Techniczna IBDiM Nr AT/2001-04-1057, IBDiM, Warszawa, 2001
[25] Eikebrokk B., Saltnes T. 2001.Removal of natural organic matter (NOM) using different coagulants and lightweight expanded clay aggregate filters, Water Science and Technology: Water Supply, 2, s.131–140
[26] Dziendziel F., Marks G., Kozielski G., Herman J., Jaszek D., Nowak E., Prochasek Z., Skorupa E., Granieczny E. 1999. Sposób eksploatacji gazu poprzez szczelinowanie górotworu, zwłaszcza w rejonach eksploatacji węgla kamiennego, Patent, 176464 [27] Galos K. 2004. Gospodarka surowcami ilastymi barwnie wypalającymi się do
produkcji ceramiki budowlanej, kruszyw lekkich, cementu i innych zastosowań, Surowce mineralne Polski,. Surowce skalne. Surowce ilaste, pod red. Ney R., Instytut GSMiE PAN, Kraków, s. 395–400
[28] Werblan-Jakubiec H., Łuczaj Ł.: Rośliny zamiast dachówki, Kwietnik, 1996. 11, s. 6-9 [29] Materiał informacyjne firmy: Fortis, 2006
[30] Materiały informacyjne firmy: Maxit Sp. z o.o. Gniew 2005
[31] Riley, CH., 1950. Relation of chemical properties to the bloating of clay. J. Am. Ceram. Soc., 34 ( 4), 121 – 128.
[32] Konta J., 1995. Clay and man: Clay raw materials in the service of man. Applied Clay Science. 10, 275-335.
[33] Rattanachan, S., Lorprayoon, C., 2005. Korat clays as raw materials for lightweight aggregates. Science Asia, 31, 277 – 281.
[34] Chandra, S., Berntsson, L. , 2003. Lightweight aggregate concrete. Science, technology and applications. Wiliam Andrew Publishing, Norwich, New York, U.S.A.
[35] Weinecke M. H., Faulkner B. P., 2002. Production of lightweight aggregate from waste material, Mining Engineering, 11, 39–43.
[36] Ehlers E. G., 1958. The mechanism of lightweight aggregate formation, Ceramic. Bulletin, 2, 95–99.
[37] Frossard E., Bauer J.P., Lothe F., 1997. Evidence of vivianite in FeSO4- flocculated sludges, Wat. Res. 10, 2449 - 2454.
[38] Saikia N. J., Sengupta P., Gogoi P.K., Borthakur P.C., 2001. Physico-chemical and cementitious properties of sludge from oil field effluent treatment plant. Cement and Concrete Research, 31(8), 1221–1225.
[39] Wandrasz J. W., Wandrasz A.J., 2006. Paliwa formowane. Biopaliwa i paliwa z odpadów w procesach termicznych, Seidel-Przywecki, Warszawa.
Autorzy dziękują pracownikom Katedry Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów, Politechniki Śląskiej w Gliwicach, szczególnie dr inż. Waldemarowi Ścierskiemu za pomoc w badaniach emisji gazowych.
