Problemy energetycznego wykorzystania odpadów.pdf

POLITYKA ENERGETYCZNA

Tom 11 Zeszyt 2 2008

PL ISSN 1429-6675

Joanna W ILK *, Franciszek W OLAÑCZYK **

Problemy energetycznego wykorzystania odpadów

z oczyszczalni œcieków

S TRESZCZENIE . Oczyszczalnia œcieków jest swego rodzaju zak³adem produkcyjnym, w którym

oprócz produktów powstaj¹ nieuniknione odpady. G³ównym odpadem oczyszczalni s¹ osady

œciekowe. Podstawowy algorytm zagospodarowania osadów przewiduje ich deponowanie na

sk³adowisku, b¹dŸ ich kompostowanie po odwodnieniu mechanicznym, a nastêpnie przyrod-

nicze wykorzystanie. Jako odpad z oczyszczalni œcieków mo¿na równie¿ potraktowaæ biogaz

powstaj¹cy w wyniku fermentacji osadów œciekowych, najproœciej utylizowany przez spa-

lanie na pochodni. Bardziej z³o¿ony algorytm zak³ada energetyczne wykorzystanie odpadów,

które niesie ze sob¹ szereg problemów natury technicznej, ekonomicznej oraz ekologicznej.

Problemy te w oparciu o doœwiadczenia rzeszowskiej oczyszczalni œcieków zosta³y zaprezen-

towane w niniejszej pracy. Jako jeden z problemów energetycznego wykorzystania osadów

œciekowych zasygnalizowano zagadnienie dotycz¹ce okreœlenia ciep³a spalania HHV iwar-

toœci opa³owej LHV osadów. Ze wzglêdu na bardzo wysok¹ zawartoœæ wody w osadach

œciekowych istnieje koniecznoœæ zmodyfikowania klasycznej metody okreœlania tych para-

metrów za pomoc¹ bomby kalorymetrycznej. Przedstawiono wybrane wyniki pomiarów HHV

i LHV osadów œciekowych na ró¿nych etapach ich przetwarzania. Kolejny problem zaprezen-

towany w pracy to zagadnienie energetycznego wykorzystania biogazu, które jest zwi¹zane

z w³¹czeniem w system energetyczny oczyszczalni uk³adów kogeneracyjnych wytwarzania

ciep³a i energii elektrycznej zasilanych biogazem. Przytoczono wartoœci parametrów opisu-

j¹cych zastosowane uk³ady kogeneracyjne w oczyszczalni œcieków w Rzeszowie. W kon-

kluzji stwierdzono, ¿e energetyczne wykorzystanie odpadów z oczyszczalni œcieków powinno

byæ ukierunkowane przede wszystkim na zagospodarowanie biogazu ze wzglêdu na du¿e

korzyœci energetyczne, ekonomiczne i ekologiczne. Wi¹¿e siê to z zagospodarowaniem

* Dr in¿. – Katedra Termodynamiki, Wydzia³ Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska,

Rzeszów; e-mail: joanwilk@prz.edu.pl , fwolan@prz.edu.pl

139

osadów pofermentacyjnych po uprzednim ich wysuszeniu w suszarni s³onecznej wspoma-

ganej energi¹ ciepln¹ uzyskan¹ z uk³adu kogeneracyjnego zasilanego biogazem.

S £OWA KLUCZOWE : osady œciekowe, biogaz, energetyczne wykorzystanie

Wprowadzenie

Dzia³aj¹ce wspó³czeœnie oczyszczalnie œcieków to swego rodzaju zak³ady przemys³owe

stanowi¹ce zespo³y obiektów i urz¹dzeñ s³u¿¹cych do mechaniczno-biologicznego oczysz-

czenia œcieków. Oczyszczalnie œcieków realizuj¹ swoje podstawowe zadanie oczyszczania

œcieków, a tak¿e przeróbki i unieszkodliwienia osadów œciekowych, wykorzystuj¹c dostar-

czon¹ z zewn¹trz energiê. Jest to przede wszystkim energia cieplna niezbêdna do utrzymania

okreœlonej temperatury procesu fermentacji osadów œciekowych w wydzielonych komorach

fermentacyjnych, ogrzewania pomieszczeñ, kana³ów komunikacyjnych i wentylacji oraz

energia elektryczna. Zapotrzebowanie na ni¹ wykazuj¹ m.in. sprê¿arki powietrza napêdzane

silnikami elektrycznymi, pompy s³u¿¹ce do zawracania i transportu osadu nadmiernego oraz

inne silniki elektryczne napêdzaj¹ce urz¹dzenia mechaniczne. Jak w ka¿dym zak³adzie

produkcyjnym, tak i w oczyszczalni œcieków, oprócz produktu, który stanowi¹ oczyszczone

œcieki, powstaj¹ równie¿ odpady. G³ównym odpadem oczyszczalni œcieków s¹ osady œcie-

kowe. Sk³ad osadów zmienia siê w szerokich granicach, w zale¿noœci od rodzaju przemys³u

Rys. 1. Schemat zagospodarowania odpadów z oczyszczalni œcieków

Fig. 1. Scheme of the utilization of the waste from the sewage treatment plant

140

na danym terenie, od rodzaju stosowanych technologii w oczyszczalni, od charakteru

geograficznego miejscowoœci z której pochodz¹ œcieki oraz od szeregu innych czynników.

Podstawowy algorytm zagospodarowania osadów œciekowych przewiduje ich deponowanie

na sk³adowisku b¹dŸ ich kompostowanie po odwodnieniu mechanicznym, a nastêpnie

przyrodnicze wykorzystanie. Jako odpad z oczyszczalni œcieków mo¿na równie¿ potrakto-

waæ biogaz powstaj¹cy w wyniku fermentacji osadów œciekowych, najproœciej utylizowany

przez spalanie na pochodni. Bardziej z³o¿ony algorytm zagospodarowania odpadów

z oczyszczalni œcieków zak³ada ich energetyczne wykorzystanie, co jest zwi¹zane z pro-

cesem suszenia, spalania lub wspó³spalania, a tak¿e, wykorzystania biogazu jako paliwa.

Szczegó³owy algorytm zagospodarowania odpadów z oczyszczalni œcieków przedstawiono

na rysunku.1.

Energetyczne wykorzystanie odpadów z oczyszczalni œcieków niesie ze sob¹ szereg

problemów natury technicznej, ekonomicznej oraz ekologicznej. Wynikaj¹ one przede

wszystkim ze specyfiki samych odpadów, ich w³aœciwoœci fizykochemicznych oraz energe-

tycznych, ich iloœci, a tak¿e z innych czynników, takich jak np.: technologii suszenia oraz

termicznej utylizacji osadów œciekowych czy te¿ technologii zagospodarowania biogazu.

Niektóre z tych problemów zasygnalizowano w niniejszej pracy w oparciu o doœwiadczenia

oczyszczalni œcieków w Rzeszowie.

1. Energetyczne wykorzystanie osadów œciekowych

Zasadniczym produktem ubocznym oczyszczalni œcieków s¹ osady œciekowe, które

powstaj¹ w wyniku mechaniczno-biologicznego oczyszczania œcieków. Wyodrêbnione ze

œcieków osady to z³o¿ona organiczno-mineralna substancja, w której sk³ad, wynikaj¹cy

z analizy elementarnej suchej próbki, wchodz¹ przede wszystkim: wêgiel, wodór, tlen, azot,

siarka oraz chlor, resztê stanowi popió³. Przyk³adowe sk³ady wybranych osadów œcie-

kowych zawarto w tabeli 1.

Wyró¿nia siê nastêpuj¹ce rodzaje osadów œciekowych: osady wstêpne, które wydzielaj¹

siê w osadnikach wstêpnych, w procesie mechanicznego oczyszczania œcieków oraz osady

T ABELA 1. Sk³ad osadów œciekowych

T ABLE 1. Composition of the sewage sludge

Analiza elementarna – % suchej masy

L.p.

ród³o danych

popió³

Channiwala i Parikh 2002

14,20

2,10

10,50

1,10

0,70

–

71,40

Channiwala i Parikh 2002

37,13

4,28

16,76

6,25

1,50

2,22

34,08

Llorente i Garcia 2008

38,40

5,90

15,75

5,24

0,83

0,08

33,80

141

wtórne nazywane osadami nadmiernymi, które powstaj¹ w osadnikach wtórnych, w wyniku

oddzielania ze œcieków osadu czynnego. Osady wstêpne wraz z osadami nadmiernymi

stanowi¹ tzw. osady surowe. Zawartoœæ wody w osadach surowych to oko³o 99%. W celu

umo¿liwienia zagospodarowania osadów surowych poddaje siê je procesom odwadniania,

mo¿e to byæ np. zagêszczanie mechaniczne lub grawitacyjne. Zawartoœæ wody w takich

osadach jest rzêdu 90–95%. Osady mog¹ podlegaæ procesowi fermentacji, w jego wyniku

zmniejsza siê równie¿ zawartoœæ wody, malej¹ jednak równie¿ w³aœciwoœci energetyczne.

Osady równie¿ siê suszy, czêsto w tym celu wykorzystywane s¹ suszarnie s³oneczne.

W oczyszczalni œcieków w Rzeszowie, „produkowane” s¹ oczyszczone œcieki w iloœci

rzêdu15tys.m 3 roczne (Wolañczyk 2005). Na tej podstawie mo¿na wyliczyæ iloœæ pow-

sta³ych osadów œciekowych (Oniszak-Pop³awska i in. 2003), która wynosi oko³o 4.6 tys. kg

suchej masy rocznie. Rodzi siê zatem problem zagospodarowania tej iloœci osadów œcie-

kowych. Aby mówiæ o energetycznym wykorzystaniu osadów œciekowych, konieczna jest

znajomoœæ w³aœciwoœci energetycznych tych odpadów, czyli ciep³a spalania i wartoœci

opa³owej. Zgodnie z definicj¹ ciep³o spalania lub wartoœæ opa³owa górna ( HHV – higher

heating value ) to wartoœæ energii jak¹ otrzymuje siê przy spaleniu bez pozosta³oœci czêœci

palnych jednostki masy paliwa i och³odzeniu spalin do temperatury otoczenia. Natomiast

wartoœæ opa³owa lub wartoœæ opa³owa dolna ( LHV – lower heating value ) to ciep³o spalania

pomniejszone o ciep³o parowania wody zawartej w spalinach (wody, która powsta³a z re-

akcji wodoru z tlenem oraz wody zawartej w próbce paliwa przed spaleniem). Oznaczanie

ciep³a spalania przeprowadza siê w bombie kalorymetrycznej, natomiast wartoœæ opa³ow¹

wylicza siê z okreœlonych zale¿noœci. Na podstawie przedstawionych wy¿ej definicji mo¿na

stwierdziæ, ¿e adekwatn¹ wielkoœci¹ stanowi¹c¹ o przydatnoœci energetycznej danej sub-

stancji bêdzie jej wartoœæ opa³owa dolna. Istotn¹ rolê odgrywa sposób obliczania wartoœci

opa³owej dolnej. Problem stanowi bardzo du¿a zawartoœæ wilgoci w próbce paliwa. Przy

zawartoœci wilgoci rzêdu 90% nie ma mo¿liwoœci spalenia takiej próbki w bombie kalo-

rymetrycznej. Dlatego, próbkê przed spaleniem nale¿y wysuszyæ. Dotychczas stosowana

formu³a do obliczania LHV ma nastêpuj¹c¹ postaæ:

LHV HHV W H

24 42

)

(1)

gdzie: W i H s¹ odpowiednio procentowymi zawartoœciami wilgoci i wodoru w badanej substancji.

Poniewa¿ jednak w przypadku osadów œciekowych badana próbka jest przed spalaniem

osuszana, do obliczenia LHV powinno siê stosowaæ formu³ê (Regueira i in. 2002) uw-

zglêdniaj¹c¹ odparowanie wody podczas osuszania próbki. Zale¿noœæ na LHV przybiera

wówczas postaæ

LHV HHV W W H

)

24 42

, (

)

(2)

Stosowanie zale¿noœci (1) w bardzo istotny sposób zawy¿a wartoœæ LHV ,atymsamym

daje z³y obraz co do mo¿liwoœci energetycznego wykorzystania osadów œciekowych. Wy-

daje siê bardziej celowe stosowanie regu³y (2).

142

(

Przeprowadzono szereg badañ HHV i LHV osadów œciekowych powsta³ych w oczysz-

czalni œcieków w Rzeszowie (Wilk i Wolañczyk 2005, 2008). Badano próbki ró¿nych

rodzajów osadów, równie¿ przefermentowanych. Zestawienie niektórych wyników badañ

zawarto w tabeli 2.

Ze wzglêdu na brak danych dotycz¹cych sk³adu elementarnego osadów, do obliczeñ

LHV przyjêto, na podstawie danych literaturowych (Channiwala i Parikh 2002), przybli¿on¹

zawartoœæ wodoru H = 4,3% dla osadów surowych oraz dla osadów przefermentowanych

H = 2%. Wyniki badañ wykaza³y stosunkowo ma³e wartoœci LHV testowanych próbek

osadów œciekowych. Wiêksz¹ wartoœci¹ LHV charakteryzowa³y siê osady przefermen-

towane, co jest zwi¹zane z mniejsz¹ zawartoœci¹ wilgoci w tych osadach.

Ze wzglêdu na niskie wartoœci LHV , nie jest korzystne bezpoœrednie u¿ycie osadów

œciekowych jako paliwa. Dopiero ich uprzednie wysuszenie pozwala na energetyczne

wykorzystanie. Jednak proces suszenia to dodatkowy nak³ad energetyczny. Sk³ad che-

miczny osadu w zasadzie nie ulega zmianie podczas procesu suszenia. Zmiany wystêpuj¹

T ABELA 2. HHV i LHV próbek osadów œciekowych z oczyszczalni œcieków w Rzeszowie

w porównaniu z danymi literaturowymi

T ABLE 2. HHV and LHV of the sewage sludge from the sewage treatment plant in Rzeszów

in comparison with the literature data

L.p.

Rodzaj osadu

Popió³

[% suchej masy]

Zawartoœæ wilgoci

[%]

HHV

[kJ/kg]

LHV

[kJ/kg]

Osad surowy po odwodnieniu

mechanicznym

21,2

93,5

16 242

1 023,4

Osad surowy po odwodnieniu

mechanicznym i dezintegracji

22,1

95,8

15 748

628,6

Osad surowy po zagêszczeniu

grawitacyjnym

25,67

95,43

16 591

725,5

4. Osad nadmierny zagêszczony

23,33

95,57

15 114

636,8

5. Osad fermentuj¹cy

36,54

96,46

12 976

426,4

Osad przefermentowany przed

suszeniem

44,6

77,9

10 864

2 377,5

Osad przefermentowany po osuszeniu

w suszarni s³onecznej

46,1

50,3

12 642

6 266,5

Osad suszony w suszarni s³onecznej,

dosuszanie w 100 o C (B³ogowska 2007)

–

10 100

–

8. (Channiwala i Parikh 2002)

71,4

–

4 745

–

9. (Channiwala i Parikh 2002)

34,08

–

15 601

–

10. (Llorente i Garcia 2008)

33,8

–

16 900

15 700,0

143

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: