Odborné články

Efektivní využití a likvidace čistírenských kalů

Anotace: Obsah organických látek v čistírenském kalu je zdrojem energie. Způsob využití této energie s maximálním efektem je termofilní anaerobní stabilizace s předřazenou lyzací přebytečného aktivovaného kalu. Přeměnou rozložitelných organických látek (biomasy) na bioplyn se získá energetický zdroj, jehož transformací na energii elektrickou a tepelnou lze pokrýt celou energetickou spotřebu čistírny odpadních vod. Ověřenou metodou bezodpadové likvidace bez zátěže životního prostředí je spálení zbytkových kalů v cementárnách. Spalování surových kalů je energeticky ztrátové. Anaerobní fermentace surových kalů vykazuje konečný přebytek energie.

Title: The effective utilization and sludge disposal of waste water treatment plant

Abstract: This paper presents the analysis of energy recovery efficiency of sludge management. Using data from literature and from operation of Prague Central Waste Water Treatment Plant, several sludge treatment processes were compared including thermophilic anaerobic digestion with sludge drying, incineration of digested sludge and incineration of raw sludge.

It is evident, that the energy recovery is most effective in case of thermophilic anaerobic digestion with drying of digested sludge. This process is flexible; the dried digested sludge can be used in various ways for e.g. in agriculture as a fertilizer, it can be incinerated in a cement factory or in power plant.

1. Úvod

Čistírenský kal je jedním z konečných produktů procesu čištění odpadních vod. V procesu klasického čistírenského postupu se většina z přivedeného znečištění v odpadních vodách převádí do kalů. Kaly představují přibližně 1-2% objemu čištěných vod, je však v nich transformováno 50-80% původního znečištění. Zpracování a likvidace těchto kalů se tak stává jedním z nejdůležitějších a nejkritičtějších problémů čištění odpadních vod.

Množství kalů závisí především na množství a kvalitě čištěných odpadních vod a na použité technologii jejich čištění. Neexistuje žádná univerzální metoda pro zpracování, využití, eventuelně likvidaci čistírenských kalů a tak rozdílnost přístupů k nakládání s čistírenskými kaly je značná.

Zpracování, resp. nakládání s kaly se dělí na dva zásadní postupy:

  • Zpracování surového kalu (SSK), tj. směsi kalu primárního a přebytečného aktivovaného kalu, který je nebezpečným odpadem
  • Zpracování tzv. vyhnilého kalu (VK), který vzniká po anaerobní stabilizaci kalu surového, jehož nebezpečnost, spočívající v hygienické závadnosti je eliminována při použití termofilní anaerobie

Intenzifikační postupy v oblasti kalového hospodářství jsou zaměřeny především na minimalizaci konečného množství produkovaných kalů, na získání stabilizovaného a hygienicky zabezpečeného materiálu, který již nezpůsobuje problémy při jeho konečném využití. To vše při maximálním využití energetického potenciálu organických látek zachycených v kalech za současné minimalizace "zpětného" ovlivňování biologického stupně produkty kalového hospodářství a možného využití i anorganické složky kalu.

Tento příspěvek se týká popisu termického zpracování, pomocí kterého se získá maximální množství využitelné energie v kalu a rovněž se využije anorganický podíl a zároveň je porovnán tento způsob se spalováním surového kalu.

Při výběru technologie zpracování kalů je potřeba mít na zřeteli, že minimalizace bezpečnostního rizika a akceptovatelnost veřejností jsou důležitější než cena navrhované technologie.

2. Odvodňování kalů

Vzhledem k tomu, že kaly jsou řídkou suspenzí ve vodě, je jednou z nejdůležitějších technologických operací snižování množství vody tj. zahušťování a odvodňování kalu a to pro všechny způsoby konečného výstupu. Odstraňování vody mechanickými způsoby je energeticky řádově výhodnější než odstraňování termické.

Je známou skutečností, že stupeň odvodnění kalů závisí především na obsahu organických látek. I při používání srážedel a pomocných koagulantů, podporujících tvorbu vloček, je obsah organických látek v kalu hlavním kriteriem. Obr. 1 ukazuje tuto závislost na příkladu vyhnilého kalu, kdy průměrná sušina odvodněného VK je 33%.

Obr. 1: Vztah mezi stupněm odvodnění vyhnilého kalu a obsaženými organickými látkami

Dlouhodobá zkušenost získaná při strojním odvodňování kalů potvrzuje, že má-li se dosáhnout cca 30% sušiny v odvodněném kalu, je v něm nutno snížit obsah organických látek na cca 50%, vyjadřovaných jako ztráta žíháním, vztažená k sušině.

Zde je právě hlavní rozdíl mezi zpracováním kalu vyhnilého a kalu surového, který obsahuje cca 70% org. látek. Odvodnění SSK s tímto obsahem OL za normálních podmínek dosahuje cca 25%. Odvodnitelnost kalů je velmi důležitá při použití termických metod zpracování. Z odvodňování stabilizovaného kalu odpadá kapalná fáze - filtrát, centrát.

Často se objevují tvrzení typu "kalové hospodářství negativně ovlivňuje aktivaci" a to recirkulací amoniakálního dusíku, eventuelně suspendovaných látek a mikroorganismů v kalové vodě po zahušťování a odvodňování kalů. Řešení problému vysoké koncentrace amoniaku v kalové vodě po anaerobní stabilizaci je přitom možné například zařazením oddělené nitrifikace nebo využitím teploty kalové vody k udržování vyšších rychlostí nitrifikace v hlavním aerobním stupni.

Kalová voda po odvodnění anaerobně stabilizovaného kalu se vyznačuje vysokou koncentrací amoniakálního dusíku (u splaškových kalů až 1500 mg/l), což se prezentuje jako nevýhoda této metody. Ale tato forma dusíku se s výhodou používá při bioaugmentaci nitrifikantů, což zajišťuje celoroční spolehlivou nitrifikaci a nebo existují již ověřené metody samostatného čištění kalové vody. Například využití teploty kalové vody k udržování vyšších rychlostí nitrifikace v hlavním aerobním stupni nebo zařazení oddělené nitrifikace kalové vody v reaktoru s fluidním ložem) a jiné. Velmi nadějná je metoda biologického odstraňování dusíku založená na anaerobní oxidaci amoniakálního dusíku, která nevyžaduje organický uhlík pro denitrifikaci, vykazuje nižší produkci biomasy, potřebná doba zdržení je asi 1 den a je podstatně levnější než klasická nitrifikace s heterotrofní denitrifikací (Jeníček et al., 2001).

3. Anaerobní stabilizace kalů a její intensifikace

Všeobecně nejrozšířenější metodou zpracování surových kalů je jejich anaerobní stabilizace, při níž dochází k přeměně většiny rozložitelných organických látek do bioplynu za současné stabilizace a hygienizace kalu. Anaerobní stabilizace kalů a následné využívání bioplynu v kogeneračních jednotkách je nejenom ekonomickým přínosem pro čistírnu, ale má také značný ekologický přínos z globálního hlediska - je totiž příspěvkem ke snižování "skleníkového efektu". Získaná elektrická energie je vyrobena z "odpadní" biomasy, tj. z obnovitelných zdrojů. Při dobře řízeném provozu kalového hospodářství a celé ČOV může takto získaná energie z bioplynu za určitých okolností plně pokrýt veškerou spotřebu tepla a elektrické energie celé ČOV.

Konečným produktem anaerobní stabilizace je potom vyhnilý kal, který obsahuje zbylé nerozložené organické látky a anorganický podíl, a kapalná fáze - kalová voda. Pro další využití je nutné tento kal odvodnit na co nejvyšší obsah sušiny. Z uvedené závislosti odvodňování vyplývá, že intensifikace anaerobních procesů má za cíl dosáhnout co nejvyšší transformace organických látek do bioplynu a tak snížit na minimum obsah organických látek (OL) ve vyhnilém kalu.

Jestliže obsah OL v kalu je 70%, pak 100 kg SSK obsahuje 70 kg OL a 30 kg anorganického podílu. Při anaerobní stabilizaci se transformuje do bioplynu cca 50 % z původního obsahu OL tedy 35 kg. Ve vyhnilém palu pak zůstává 35 kg OL a 30 kg anorganických látek (AL). Obsah OL ve vyhnilém kalu je tedy 53 %. Někdy se uvádí, že vyhnívání sníží obsah OL ze 70% na "pouhých" 50%. Je to nepochopení podstaty procesu, zaměňuje se složení sušiny SSK tedy 70% OL a 30% AL se složením sušiny VK, kde zbytek OL činí cca 53% a původní AL činí zbytek, tedy cca . 47%. Jde o dva různé materiály, kde se mění obsah OL, ale zůstává obsah AL.

Z intensifikačních metod se nejčastěji používají:

  • Předúprava kalu - desintegrace
  • Termofilní anaerobní stabilizace

Předúprava kalu - desintegrace

Výtěžnost bioplynu z přebytečného aktivovaného kalu (PAK) je relativně nízká, protože extracelulární polymery a látky buněčné stěny jsou obtížně rozložitelné. Dobře rozložitelné látky buněčného obsahu někdy zůstávají uzavřeny v buňce i po methanové fermentaci.

Je všeobecně známo, že rozemletí suspendovaných látek a rozbití buněk mikroorganismů způsobuje zlepšení anaerobního rozkladu těchto materiálů. Dezintegrací - rozemletím materiálu určeného k fermentaci se dosáhne podstatného zvětšení povrchu částic, což zlepšuje jeho přístupnost enzymovému rozkladu.

Rozbití alespoň části buněk aktivovaného kalu zvyšuje nejenom rozložitelnost vlastního aktivovaného kalu, ale stimuluje rozklad dalších organických látek z primárního kalu. Zatím jedinou známou provozně využívanou technologií mechanického rozbíjení buněk aktivovaného kalu je použití lyzátovací zahušťovací centrifugy

Z řady provozních zkoušek a dlouhodobého laboratorního sledování a vyhodnocování metanogenních testů vyplývá, že zvýšení rozložitelnosti přebytečného aktivovaného kalu vlivem lyzace se pohybuje v rozpětí od 15% do 40%, což závisí na kvalitě PAK.

Termofilní anaerobní stabilizace

Tento intenzifikační faktor významně prohlubuje pozitivní vliv lyzace PAK. Termofilní anaerobní stabilizace (fermentace při teplotě 55°C) přináší následující efekty:

  • zvýšení rychlosti rozkladu organických látek v kalu,
  • zvýší se účinnost procesu tím, že se prohloubí rozklad organických látek,
  • zvýšená teplota má zvýšený hygienizační účinek,
  • odstraní problémy s pěněním methanizačních nádrží.

Technologický význam termofilního procesu je v tom, že umožňuje snížení potřebného objemu reaktorů a umožňuje pracovat při vyšším zatížení reaktorů. Převedení procesu anaerobní stabilizace z mezofilních na termofilní podmínky je významným intenzifikačním krokem, který umožňuje lepší využití stávajících zařízení a odstranění přetížení reaktorů. Hlubší rozklad organických látek má za následek vyšší produkci bioplynu a snížení množství stabilizovaného kalu.

Kombinovaným působením lyzace přebytečného aktivovaného kalu a termofilní anaerobní stabilizace surového směsného kalu za současné optimalizace míchání, dávkování a zahušťování se dosáhne prohloubení anaerobního rozkladu a podstatného zrychlení procesu stabilizace. To má za následek:

  • zvýšení produkce bioplynu o 30 - 40%;
  • snížení množství stabilizovaného kalu a snížení obsahu organických látek v stabilizovaném kalu pod 50%;
  • celkové zkapacitnění celého kalového hospodářství;
  • zvýšení stability provozu, protože vyhnívací nádrže provozované termofilně nepění;
  • zvýšení hygienického zabezpečení výstupního stabilizovaného kalu;
  • vysoce efektivním využitím bioplynu v kogeneračních jednotkách se získá ekologická obnovitelná energie, čímž se ČOV může přiblížit k soběstačnosti ve spotřebě elektrické a tepelné energie.

4. Energie v kalech a způsoby jejího efektivního uvolňování

Energetický obsah čistírenských kalů spočívá v chemické energii přítomných organických látek, schopných oxidace. A protože vznikají v kalovém hospodářství, je tento provoz čistíren odpadních vod jediným, který je schopen energii produkovat, kdežto všechny ostatní jsou spotřebiteli energie. Aby se ovšem staly tyto kaly palivem - energetickou surovinou, jejímž spalováním energie vzniká, musí být schopny hořet. Tady vzniká problém, protože kaly jsou velmi řídké suspense OL a AL, a proto výhřevnost, kterou přináší OL je dána stupněm zahuštění, či odvodnění kalů. Jak bylo ukázáno, působí proti sobě obsah OL a dosažená sušina při mechanickém odvodňování.

V případě termického zpracování lze v zásadě zpracovávat buď surový odvodněný kal nebo odvodněný kal po anaerobní stabilizaci. Zbývající voda je ovšem balastem, zásadně ovlivňujícím výhřevnost odvodněného kalu. Je pochopitelný rozdíl mezi výhřevností sušiny SSK a VK. Sušina SSK s cca 70% OL má výhřevnost cca 16 MJ/kg a sušina VK s cca 50% OL má výhřevnost cca 11MJ/kg. Množství sušiny VK je však cca o 40 % nižší než množství SSK.

5. Anaerobní termofilní stabilizace s předúpravou PAK lyzací.

Tento postup vychází z toho, že cca 50% OL v SSK se převede do formy cenného plynného paliva - bioplynu (BP), energie v něm obsažená se ztransformuje v kogeneračních jednotkách na energii elektrickou a energii tepelnou. Zbylý vyhnilý odvodněný kal se vysuší pomocí podílu vyprodukovaného BP a může se využít různými způsoby.

6. Využití BP na ČOV

Příkladem pro energetickou bilanci je současný provoz pražské ÚČOV a její kalové hospodářství. Současná potřeba elektrické energie na ÚČOV Praha se pohybuje okolo 38000 MWh/rok, tj. 104,1 MWh/d. Spotřeba tepla se předpokládá 146000 GJ/rok, tj. 400 GJ/d, to odpovídá hodnotě 111,1 MWh/d tepelné energie. Následující bilance energií prokáže, do jaké míry může ČOV tato množství energií získat z vlastních zdrojů.

Energetická bilance

Zavedením výše uvedených intenzifikačních faktorů lze dosáhnout specifické produkce bioplynu 0,61 Nm3/kg, vztaženo a přivedenou organickou sušinu (VL org.). Za předpokladu, že veškerý produkovaný bioplyn bude využit v motorgenerárorech k výrobě elektrické a tepelné energie, lze z 1 Nm3 bioplynu (obsah methanu 66 %) takto vyrobit 2,216 kWh elektrické energie a 3,423 kWh tepelné energie. Přepočteno na přivedenou organickou sušinu z 1 kg VLorg získáme 1,33 kWh elektrické energie a 2,05 kWh tepelné energie.

Pro pražskou ÚČOV bylo prokázáno, že při zpracování 80 tun organických látek v sušině kalu za den, termofilní anaerobní stabilizací v kombinaci s lyzací a za předpokladu spalování veškerého bioplynu v kogeneračních jednotkách, se lze přiblížit k energetické soběstačnosti celé čistírny a to v elektrické i tepelné energii. (Dohányos et al., 2001)

Z tabulky 1 vyplývá, že z produkovaného bioplynu lze vyrobit 108,1 MWh/d elektrické energie. Jelikož současná potřeba elektrické energie se pohybuje okolo 104,1 MWh/d, lze konstatovat, že ÚČOV může být v elektrické energii soběstačná.

Bilance tepelné energie je poměrně složitější, spotřeba tepla má značné sezónní výkyvy. Pro efektivní využití veškeré tepelné energie je žádoucí rekuperace tepla stabilizovaného kalu. Největší část tepla se spotřebovává na udržení teploty procesu, tj. na ohřev vstupujícího surového kalu a na krytí tepelných ztrát methanizačních nádrží. Z bilance vyplynulo, že při rekuperaci tepla stabilizovaného kalu, lze v zimním období plně krýt potřebu tepla pro celou čistírnu. V letním období dokonce polovina produkovaného tepla by byla nevyužita. To by stačilo na vysušení cca 80% stabilizovaného kalu

Tabulka 1. Výchozí parametry

Parametr Hodnota
Množství surového směsného kalu, [m3/d] 2000
Celková sušina kalu [t/d] 119
Koncentrace sušiny kalu, [%] 5,93
Organické látky v kalu VL org. (ZŽ), [%] 66,43
Celk. množství přivedených organických látek, VL org. [kg/d] 80000
Specifická produkce bioplynu na VL org. přivedené, [Nm3/kg] 0,61
Obsah methanu v bioplynu, [%] 66,0
Celková produkce bioplynu na VLorg. přivedené, [Nm3/kg] 48 800
Teoretická produkce elektrické energie v MG, [ kWh/d] 108 145
Teoretická produkce tepelné energie v MG, [kWh/d] 167 042
Celkový užitečný objem methanizačních nádrží, [m3] 50250

Na obrázku 2 je uvedeno porovnání produkce a spotřeby tepla v zimním a letním období. Z bilance je patrné, že rekuperací lze získat v zimním období celkem 37,2 MWh/h tepla, v létě v důsledku vyšší teploty surového kalu pouze 27,9 MWh/d. V obou případech produkce tepla spolehlivě převyšuje spotřebu. V letním období dokonce polovina produkovaného tepla by byla nevyužita. Zde se nabízí možnost využití na vysušení cca 80% stabilizovaného kalu.

Obr. 2: Porovnání produkce a spotřeby tepla v letním a zimním období

7. Spalování SSK

Je udáváno, že samospalitelnost surového kalu při obsahu 70% OL v sušině nastává při odvodnění na více jak 30%, ovšem rozhodující je výhřevnost. Obrázek 3 ukazuje závislost výtěžnosti energie při různé sušině odvodněného surového kalu.

Obr. 3: Závislost výtěžnosti energie na sušině odvodněného SSK kalu

Zkušenosti se spalováním mokré biomasy ukazují, že minimální výhřevnost nutná pro samostatnou spalitelnost paliva se pohybuje nad úrovní 7 MJ/kg. Právě nízká výhřevnost při vysoké vlhkosti je hlavní příčinou, proč se kal většinou nespaluje samostatně, ale přidává se k jinému kvalitnějšímu palivu nebo tímto palivem je spalování kalu stabilizováno.

Protože dosažení odvodnění SSK na sušinu 30% je velmi problematické a nebylo u kalu z pražské ÚČOV spolehlivě prokazatelné, bylo by nutné při spalovaní SSK používat trvale přídavné palivo (zřejmě zemní plyn) a pak se pochopitelně nedá ve smyslu §23 odst.1 zákona o odpadech č. 185/2001 Sb. hovořit o energetickém využití SSK.

8. Sušení vyhnilého odvodněného kalu

Při preferenci energeticky výhodnějšího způsobu - anaerobní stabilizace - je pro další univerzální využití vyhnilého kalu tento po odvodnění suší. Výhodné energeticky i ekologicky je sušení ve fluidní podtlakové nízkoteplotní sušárně. Sušárna pracuje s teplotou 85°C (voda se odpařuje v podtlaku, což brání úniku škodlivin z cirkulačního plynu) a tato teplota je rovněž vzdálená od teploty, která je u sušení nebezpečná pro samovznícení, tj. 130 až 150°C. Tato teplota pak nevyžaduje mnoho chladící energie pro zchlazení kalu a kondenzaci brýd. Cirkulační plyn je inertní a v procesu je sledován O2, jeho obsah menší než 8 obj.%. Při sušení se dosahuje 95% až 98% sušiny. Regulace teploty se dociluje řízeným dávkováním vlhkého kalu a výška vrstvy se reguluje přepadem kalu do oddělené části tělesa sušárny, která je chlazena výměníkem. Kal vystupující ze sušárny je tedy již vychlazen a nemůže dojít k samovznícení.

Protože je výhodné zajistit více cest pro konečné využití kalu je možné sušit kaly na obsah 65 až 92% sušiny, přiměřeně k použité technologii konečného užití. Sušením se sníží celkový objem produkovaných kalů na třetinu.

Zásadně se tím zlepší podmínky pro manipulaci, transport a vlastní konečnou likvidaci kalu. Sušený kal je možné dobře spalovat v každé spalovně nebo elektrárně, vybavené čistěním spalin, skládkovat, použít v zemědělství (v případě odpovídajícího obsahu škodlivin), podrobit pyrolýze nebo spalovat v cementárně.

Při nízkoteplotním sušení je měřením a laboratorními rozbory prokázáno, že veškeré škodliviny (včetně Hg) zůstávají převážně v usušeném kalu (Tab.2 ).

Sušením se dosáhne maximálního zmenšení objemu VK, získá se stabilizovaný produkt o vysoké sypné hmotnosti (cca 620 kg/m3), který obsahuje koncentrované škodliviny včetně těkavých látek (sušení probíhá při 85°C) a jeho použití je universální na rozdíl od VK pouze odvodněného.

Tabulka 2. Přechod znečišťujících látek do kalů, vody a vzduchu

Přechod znečišťujících látek v % do
kalů vody (na ÚČOV) vzduchu
Těžké kovy 92,1 5,9 2,0
Pesticidy celkem 93,6 6,0 0,4
PCB celkem 93,5 6,0 0,5
PAH celkem 93,7 6,0 0,3
PCDD/PCDF (ITE) 88,6 5,7 5,7

Jako hlavní cesta je pro energetické využití zvoleno využití v cementárně, protože umožňuje maximální energetické využití a využívá i tuhý zbytek po spálení. Ostatní termické způsoby vyžadují likvidaci tuhého zbytku po spálení, který je toxický.

9. Spalování vysušeného vyhnilého kalu v cementářské peci

Technologie energetického využití sušených čistírenských kalů v cementárně je poměrně jednoduchá. Kaly nepotřebují žádnou další úpravu a v podstatě je několik možností, jak je možné kaly použít v rotační cementářské peci. Dlouhodobým pobytem v pásmu nejvyšších teplot dochází k bezpečnému rozpadu PCB, PCDD a PCDF. Mísením v rotační peci se anorganická část kalu včetně těžkých kovů zapracuje dobře do slínku. Vysoká teplota pevné fáze (až 1450°C), vysoká teplota plynné fáze (až 2000°C), dlouhá doba zdržení při teplotě nad 1200°C (až 7 s), oxidační atmosféra, alkalické prostředí, protiproudý pohyb suroviny a plynů, intenzívní kontakt mezi pevnou a plynnou fází, kapalná fáze slínkových minerálů váže toxické a stopové prvky, produkt je výrobek a ne odpad a jednotka je vybavena elekrofiltrem. Z podrobného sledování obsahu rtuti chemickými analýzami v jednotlivých fázích procesu vyplynulo, že Hg ve formě chloridů se vzhledem k teplotě v plné míře nezachycuje ve slínku, ale ve formě par uniká z pece v proudu spalin, prochází výměníkovým systémem a kondenzuje až na jemných prachových částicích, které vstupují do elektrostatického odlučovače. Zde je již teplota dostatečně nízká a ultrajemné částice fungují jako kondensační jádra. Měření ukazují, že se zde zachytí minimálně 90% Hg.

Stejným způsobem se ovšem, jak bylo zjištěno, chovají ostatní těkavé sloučeniny toxických kovů, jako je Tl, Cd a Be. Obsah Be je velmi nízký, takže nebyl sledován, ale nárůst koncentrace Tl a Cd v odprašcích byl zjištěn.

Odprašky (nebo jejich část), je možno jednoduchým opatřením odvádět ze systému. Pokud se budou odvádět od počátku spalování kalů, nebude problémem je přidávat do cementu. Byly provedeny výluhy z cementu, ke kterému byly přidány odprašky v podílu 5% (Tab.3).

Tabulka 3. Obsah těžkých kovů Hg, Be, Cd ve výluhu z cementu

Prvek obsah TK ve výluhu v mg.l-1 ČSN 75 7111 -pitná voda v mg.l-1
Hg 0,00121 0,00100
Be max.0,00020 0,00020
Cd max.0,00500 0,00500

Pokud tedy bude cement v případném finálním technologickém řešení obsahovat maximálně 3 % hmotnostní odprašků, nedojde ke zhoršení vlastností cementu, jak prokázaly dodatečně provedené i fyzikálně mechanické zkoušky. Výluhy i z tohoto cementu (a eventuálních betonových výrobků) budou vyhovovat vybraným ukazatelům jakosti pitné vody, protože toxické kovy jsou v betonu dostatečně pevně fixovány.

Spalování vysušených kalů představuje úsporu na palivu asi 11%, anorganický podíl se stává součástí cementářské suroviny. Jedná se o zcela bezodpadovou technologii likvidace čistírenských kalů bez jakékoli zátěže životního prostředí.

10. Srovnání efektivnosti procesů spalování surových kalů a anaerobie

Cílem tohoto příspěvku je rovněž porovnání výtěžnosti a využitelnosti energie z kalů při jejich zpracování termofilní anaerobní stabilizací spojenou se sušením ve srovnání se samostatným spalováním surového kalu.

Výchozí podklady pro porovnání energetické výtěžnosti různých metod stabilizace a zpracování kalů jsou založeny na výsledcích dlouhodobého sledování kalového hospodářství na ÚČOV Praha.

Modelový výpočet energetické bilance je proveden pro následující kombinace procesů:

Vstupní hodnoty:

teplota vstupujícího kalu 10°C
na ohřátí 1m3 vody o 1 stupeň je potřeba 4,187 MJ
1 kg VLorg - výhřevnost 23 MJ/kg VLorg
na odpaření 1kg vody je potřeba 2,6 MJ/kg vody
na ohřátí 1 kg sušiny o 1°C je potřeba 2 MJ/t suš
vstupní teplota spalovacího vzduchu 20 °C
spalovací teplota 850°C
spotř. tepla na ohřátí vodní páry na teplotu spalování            2,4 MJ/t
spotř. tepla na ohřátí vzduchu na teplotu spalování 1,3 MJ/t
spotřeba vzduchu na spálení sušiny 7 t/t (40% přebytek)
teplota fermentace 55°C
specifická produkce bioplynu 0,62 Nm3/kg VLorg přiv.
1 Nm3 bioplynu - výhřevnost 23,5 MJ/Nm3
z 1 Nm3 BP se vyrobí elektrické energie 2,2 kWh el/Nm3
z 1 Nm3 BP se vyrobí tepelné energie 3,54 kWh tep/Nm3

10.1. Spalování SSK

vstup:

hmotnost 100 kg
sušina 6% 6 kg
hmotnost OL 70% v suš                4,2kg
hmotnost vody 94 kg                  

po odvodnění (25%):

hmotnost 24 kg
sušina 25% 6 kg
hmotnost OL 70% v suš                4,2 kg
hmotnost vody 18 kg
výhřevnost odvod. kalu 4,025 MJ/kg

spalování (850°C):

energie v sušině 96,600 MJ
energie na ohřev kalu 16,863 MJ
energie na skupenskou přeměnu     46,800 MJ
energie na ohřev páry 32,400 MJ
spotřeba vzduchu na spálení 45,591 MJ
celková energie na spálení 103,661 MJ
potřeba dodatkové energie 45,054 MJ

10.2. Termofilie + sušení + spalování:

vstup:

hmotnost 100 kg
sušina 6% 6 kg
hmotnost OL 70% v suš.                4,2 kg
hmotnost vody 94 kg

termofilní anaerobie:

produkce BP 2,604 Nm3
výhřevnost BP                           61,194 MJ

vyhnilý kal:

hmotnost 97,4 kg
sušina 3,4 kg
hmotnost. 1,6 kg
hmotnost vody                          94 kg

odvodněný kal:

hmotnost (33%) 10,3 kg
sušina 33% 3,4 kg
hmotnost OL 47% v suš.           1,6 kg
hmotnost vody 6,9kg

Sušení odvodněného kalu (na nízkoteplotní podtlakové sušárně):

spotřeba BP na vysušení odvod.VK 33% suš.           0,090828 Nm3/kg
spotřeba BP vysušení 3,4 kg 0,936 Nm3
hmotnost vysuš. VK (96% suš.) 3,7 kg
výhřevnost vysušeného VK 10,01 MJ/kg
přebytek bioplynu pro kogeneraci 1,668 Nm3

produkce energií kogenerace z BP

elektrická energie 3,671 kWh (13,214 MJ el.)
tepelná energie 5,906 kWh (21,263 MJ tep.)
spotř. tepla na ohřev SSK na 55°C 5,234 kWh (18,842 MJ)
spotřeba energie na spálení vysušeného                     30,384 MJ
přebytečná (zisk) energie 22 MJ

11. Závěr

Pro vyhodnocení termického zpracování kalů z čistíren odpadních vod je nezbytné vycházet z objektivní energetické bilance procesu a z komplexní analýzy všech v úvahu připadajících nákladů. Z porovnání bilance získatelné energie ze spalování anaerobně stabilizovaného a surového směsného kalu vyplývá, že efektivnějším a ekologičtějším z obou způsobů využití energie z kalu je biologická transformace do bioplynu s následným spalováním vysušeného stabilizovaného kalu. Způsob zpracování kalu anaerobní stabilizací s následným sušením a spalováním stabilizovaného kalu je flexibilní a z hlediska rizikovosti bezpečnější než přímé spalování surového směsného kalu. Spalování vysušených vyhnilých kalů v cementárně se ukázalo jako jedinečná metoda jejich spolehlivé likvidace, bez jakékoli zátěže životního prostředí navíc s využitím jejich energetického obsahu i anorganické složky. Anaerobně stabilizovaný vysušený kal lze také úspěšně aplikovat na půdu, což je zvláště výhodné např. v případě jakéhokoliv výpadku spalovací jednotky (cementárna, spalovna, elektrárna).

Literatura

  • DLOUHÝ T. (2003): Možnosti sušení a spalování čistírenských kalů, Sborník přednášek semináře AČE ČR, SPALOVÁNÍ KALŮ Z ČISTÍREN ODPADNÍCH VOD, pp 75-80, Brno
  • DOHANYOS M. (2003): Porovnání energetické bilance spalování kalů a anaerobní stabilizace. , Sborník přednášek semináře AČE ČR, SPALOVÁNÍ KALŮ Z ČISTÍREN ODPADNÍCH VOD, pp 25-34, Brno
  • DOHÁNYOS, M., ZÁBRANSKÁ, J., KUTIL, J., VRÁNA, J.(2001): Může být ČOV energeticky soběstačná? Sborník přednášek 4. Mezinárodní konference AČE ČR, ODPADNÍ VODY - WASTEWATER 2001", pp 67-72, Mladá Boleslav
  • JENÍČEK, P., ŠVEHLA, P., VODIČKA, O., NOVÁK, M. (2001): Nové postupy zpracování kalové vody. Sborník přednášek 4. Mezinárodní konference AČE ČR "ODPADNÍ VODY - WASTEWATER 2001", pp 203-208, Mladá Boleslav.
  • KUTIL J. (2003): Zkušenosti a poznatky z pokusného spalování suchého čistírenského kalu v cementářské peci. , Sborník přednášek semináře AČE ČR, SPALOVÁNÍ KALŮ Z ČISTÍREN ODPADNÍCH VOD, pp 47-56, Brno
  • KUTIL J., ZÁBRANSKÁ J., DOHÁNYOS M., VRÁNA J. (2000): Vývoj problematiky kalového hospodářství Ústřední čistírny odpadních vod Praha I, II, III, SOVAK, 9, No 10, 6/ -XXX, No 11, 6/322-11/329, No 12, 1/339-12/346.
  • LEE D.J., TAY J.H. (2003): Energy recovery in sludge management processes. IWA International Specialist Conf. BIOSOLIDS 2003 - Wastewater Sludge as a Resource, NTNU Trodheim, Norsko 23-25. June 2003.
  • MININI G., LOTITO V., PASSINO R., SPINOSA L. (1998): Influence of sludge cake concentration on the operating variables in incineration by different types of furnaces, Wat. Sci. Technol., 38(2), 71-78.

Poděkování:

Vypracováno v rámci řešení projektu NAZV MZe ČR QD 1069 "Minimalizace množství produkovaných čistírenských kalů"

Článek byl publikován ve sborníku k akci: Materiálové a energetické využití odpadů.

Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem

Související články:

Jak jsem povolil dovoz kalů z Německa
Použitie koagulantu PIX v technológii spracovania hnojovice
Produkce bioplynu z průmyslových odpadních vod
Efektivní využití a likvidace čistírenských kalů
Bezpečné využití komunálních odpadních vod a čistírenských kalů k závlaze a hnojení plantáží rychle rostoucích dřevin
Konference o kompostování čistírenských kalů v Polsku
Několik poznámek k bioodpadům, zejména kalům z ČOV
Šance pro kaly z komunálních ČOV
Čistírenské kaly - prokleté nebo životodárné?

Předchozí / následující díl(y):

Hnojivé účinky čistírenských kalů pro topoly
Ekonomika sběru bioodpadů za pomoci Compostainerů
Briketování odpadů z dendromasy a zjištění mechanických parametrů briket
Využití technických prostředků pro technologii zpracování bioodpadu kontrolovaným kompostováním na malých hromadách
Sdružení provozovatelů technologií pro ekologické využívání odpadů v České republice - STEO
Úvodní článek ke sborníku z konference Materiálové a energetické využití odpadů

Zobrazit ostatní články v kategorii Pěstování biomasy

Datum uveřejnění: 5.1.2005
Poslední změna: 3.12.2008
Počet shlédnutí: 15577

Citace tohoto článku:
KUTIL, Josef, DOHÁNYOS, Michal: Efektivní využití a likvidace čistírenských kalů. Biom.cz [online]. 2005-01-05 [cit. 2019-02-20]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/cz/odborne-clanky/efektivni-vyuziti-a-likvidace-cistirenskych-kalu-2>. ISSN: 1801-2655.

Komentáře:
13 Mar 2013 11:28 Tomáš Krejčí
- Dotaz ohledně obr.3 :
ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto