Efektivní využití a likvidace čistírenských kalů

Úvod do problematiky

Kal je nevyhnutelným odpadem při čištění odpadních vod. Zpracování těchto vod je navrženo tak, aby odstraňovalo nežádoucí složky z vody a koncentrovalo je do objemově nevýznamného vedlejšího proudu - kalu. Kal může také obsahovat přebytečnou biomasu z biologického čištění. Cílem úpravy kalů je zabránit nepříznivým dopadům na životní prostředí a lidské zdraví. Koncentrace prospěšných i znečišťujících složek v kalu (a zdravotní rizika s nimi spojená) závisí na počáteční kvalitě odpadní vody a na úrovni požadované technologie, která zaručí dosažení kvalitativních požadavků na vyčištěnou odpadní vodu.

Požadavkem je takové využití nebo zpracování kalů, které je přijatelné pro životní prostředí, udržitelné a ekonomicky únosné. Zpracování kalů obvykle stojí přibližně více než polovinu celkových nákladů na čištění odpadních vod. Řízení zpracování kalů bude stále komplexnější, jak budou přísnější standardy pro životní prostředí a pokud budou výstupy pro kal omezovány legislativou a stanoviskem veřejnosti.

Odpadová politika EU potlačuje ukládání odpadů a podporuje zabránění vzniku odpadů, jejich minimalizaci a recyklaci. Ukládání kalů do moře bylo legislativně zastaveno od konce roku 1998. Ukládání kalů na skládky, které je pro některé kaly v Evropě hlavním výstupem, je obecně považováno za neudržitelné. Produkci kalů nelze zabránit (pouze lze výběrem technologie zmenšit jeho množství), navíc požadavky na vyšší kvalitu vypouštěné vody budou dále obecně zvyšovat množství produkovaných kalů. Jediné zbývající možnosti jsou recyklace a destrukční metody. Možnosti recyklace zahrnují použití na půdu jako organické hnojivo nebo pro vylepšení kvality půdy v zemědělství a pro rekultivace. Destrukční metody zahrnují spalování bez nebo s využitím energie, zplynování a použití kalu jako procesního paliva, kdy je využíván nebo skládkován popel.

Je k dispozici řada možností zpracování kalů zlepšujících kvalitu kalů, obecně jsou zaměřeny na snižování obsahu vody, patogenů a zápachu. Objevují se technologie schopné odstranit i takové znečišťující látky jako těžké kovy, ale jsou drahé, a tím v současnosti nejsou proveditelnou možností. Pro budoucí zabezpečení výstupů pro kaly budou stále více potřeba vyspělé technologie schopné na příklad zajistit odstranění patogenů nebo produkovat kal s vysokou sušinou, což rozšíří možnosti využití kalu jako paliva nebo aditiva do půdy. Volba technologie bude z velké části řízena legislativou a tlaky veřejnosti i zákazníků a závislá z části na podnikavosti vedení. Vysoce kvalitní produkty z kalů mají obchodní hodnotu, přinášející možnost zvýšení tržby v budoucnu, což je další stimul k dosahování kvalitativně zajištěných produktů z kalu, za předpokladu, že legislativa a kontrola takový vývoj dovolí.

Charakteristika kalů

Kaly představují přibližně 1-2% objemu čištěných vod, je v nich však zkoncentrováno až 50 - 80% původního znečištění a také náklady na provoz kalového hospodářství představují až 50% celkových provozních nákladů čistírny odpadních vod.

Kaly představují suspenzi pevných látek a agregovaných koloidních látek původně přítomných v odpadních vodách a vzniklých při různých způsobech jejich čištění. Koncentrace kalů se vyjadřuje jako obsah sušiny kalu (vyjádřený buď v g/l nebo v %). Složení a obsah sušiny kalu závisí především na charakteru znečištění odpadních vod a na čistírenských procesech, kterým byla daná odpadní voda podrobena ( mechanické čištění, biologické čištění nebo jejich kombinace, fyzikálně-chemické čištění nebo dočištění a pod.).

Celkové množství produkovaných kalů závisí na množství zpracovávaného znečištění (počet EO) a na způsobu čištění odpadních vod a typu kanalizace. Například zařazení fyzikálně chemického odstraňování fosforu zvyšuje celkové množství kalu produkovaného aktivační čistírnou odpadních vod cca. o 30 %. Množství produkovaného kalu také závisí na technologickém postupu zpracování kalu (zahušťování, desintegrace, stabilizace, odvodňování, desinfekce, sušení apod.). Větší pozornost musí být věnována také různým činidlům (soli železa a hliníku, vápno, polymery apod.) přidávaných do procesu čištění vod nebo zpracování kalů. Základní schéma ČOV z hlediska procesů ovlivňujících kalové hospodářství je uvedeno na obrázku 1.

Charakterizace kalového hospodářství ČOV

Jak nakládat s kaly?

Způsoby zpracování kalů závisí na místních podmínkách dané lokality, na fyzikálních, chemických a biologických vlastnostech kalů a na možnosti konečného řešení kam s nimi. V současné době přicházejí v úvahu tři způsoby konečného zpracování kalů:

• využití v zemědělství a na rekultivace ( po předchozí stabilizaci),
• termické zpracování (různé způsoby spalování – samostatně, v cementárně, pyrolýza),
• uložení na skládku.

Technologická linka na zpracování kalu pak má být uspořádaná s ohledem na metodu konečného řešení. Způsoby zpracování kalů musí splňovat následující podmínky:

• vyhovovat platné domácí (i mezinárodní) legislativě v oblasti ochrany životního prostředí,
• být akceptovány veřejností,
• maximálně využívat energii a cenné látky z kalů za současné minimalizace nákladů a celkové potřeby energie,
• musí být po technické stránce spolehlivé a ekonomicky dostupné,
• musí být přijatelné z hlediska ochrany životního prostředí (emise, využití energie, potenciální riziko kalových reziduí pro lidské zdraví a pod.),
• musí být přijatelná infrastruktura a logistické aspekty jakož i cesta (způsob) zavedení dané technologie.

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

Na čem závisí množství produkovaných kalů

Problematiku ovlivňování množství čistírenských kalů můžeme rozdělit do čtyř oblastí (obr. 2.):

• Mechanické (primární) čištění – odstraňování suspendovaných látek.
• Snižování produkce biomasy v aerobním biologickém stupni.
• Způsoby předúpravy a stabilizace kalů.
• Metody využití a likvidace kalů.

A). Primární (mechanické) čištění. Většina znečištění přicházející na čistírnu je ve formě suspendovaných látek. Množství primárního kalu je tedy dáno množstvím suspendovaných látek v surové odpadní vodě, do určité míry závisí na účinnosti separace suspendovaných látek. Separace suspendovaných látek se často upravuje přídavkem koagulačních činidel, tím se dosáhne odstranění většiny suspendovaných i koloidních látek, zvýší se množství primárního kalu a sníží zatížení aktivačního procesu.

Množství primárního kalu lze snížit také zamezením používání kuchyňských drtičů bioodpadů.

Druhým procesem, jehož aplikace v této oblasti způsobí snížení celkové produkce kalu je anaerobní stupeň předčištění odpadních vod, podstatně se sníží zatížení aerobního biologického stupně.

B). Snižování produkce biomasy v aerobním biologickém stupni. Omezování produkce přebytečného aktivovaného kalu je možno dosáhnout úpravou technologických parametrů procesu jako jsou stáří kalu, limitace substrátem, typ kultivace biomasy - v biofilmu nebo v suspenzi, vyžití predace, simultánní ozonizace nebo jiného způsobu dezintegrace.

C). Technologická linka zpracování kalu – způsoby předúpravy, způsoby stabilizace a pod. Podstatou intenzifikace procesů v oblasti zpracování kalů je aplikace metod předúpravy a stabilizace kalů umožňující zlepšení a prohloubení biologické rozložitelnosti jejich organického podílu. Mezi metodami předúpravy kalů jsou nejdůležitější metody desintegrace, které lze výhodně aplikovat i v oblasti „B“ v aerobním biologickém stupni čištění. Z metod stabilizace kalů jsou nejrozšířenější anaerobní mezofilní nebo termofilní stabilizace a termofilní aerobní stabilizace.

D). Metody využití a likvidace kalů. Hlavním cílem by mělo být maximální využití všech cenných látek z kalu. Toho lze dosáhnout využitím kalů v zemědělství, pokud tomu nebrání jiné faktory (patogeny, těžké kovy, toxické látky). V případě, že kaly nelze aplikovat do zemědělství nebo na rekultivace, přicházejí v úvahu metody využívající energii z kalů eventuelně dalších cenných látek. Technologie přicházející v úvahu jsou: spalování, spoluspalování, spalování v cementárenské peci, pyrolýza, zplyňování, kyselá a tepelná hydrolýza systému KREPRO, různé způsoby mokré oxidace (systém ZIMPRO, ATHOS, Aqua-Reci – mokrá oxidace v superkritické oblasti).

Vzhledem k tomu, že kal je 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. Bereme-li v úvahu tři základní způsoby konečného nakládání pak:

• pro zemědělské využití a rekultivace je prioritním požadavkem hygienická nezávadnost a stabilizace kalu,
• v případě termického zpracování lze v zásadě zpracovávat surový odvodněný kal nebo kal po anaerobní stabilizaci, prioritou je získání cenných látek z kalu a maximální využití energie z kalu,
• pro ukládání na skládky se vyžaduje kromě snížení obsahu vody také maximální snížení obsahu organické sušiny kalu.

Možné směry nakládání s kaly

1) Zlepšení kvality kalu

• prevence vypouštění některých znečišťujících látek do kanalizace (těžké kovy, pesticidy, prací prostředky a pod.),
• důsledněji oddělovat kanalizační systémy průmyslových podniků od městských kanalizací

2) Využití cenných látek a energie z kalu

• produkce bioplynu, intenzifikace anaerobní stabilizace (část organických látek stále zůstává v kalu),
• produkce paliva z kalu – pyrolýza, zplyňování (olej, plyn),
• kal jako přímý zdroj paliva – sušený kal, spalování, spoluspalování, spalování v cementárenské peci,
• produkce NMK z kalu biotechnologicky nebo termicky (mokré spalování),
• subkritická nebo superkritická mokrá oxidace.

3) Zpětné získávání fosforu

• termickým, chemickým nebo mikrobiologickým způsobem a jejich kombinací,
• přímé získávání fosforu při čištění odpadních vod (srážení v anaerobní zóně),
• získávání fosforu z popela po spálení kalu.

4) Změna strategie čištění odpadních vod

• DESAR (Decentralised Sanitation and Reuse),
• alternativní metody centralizovaného čištění odpadních vod,
• kombinace anaerobního a aerobního biologického čištění s anaerobní stabilizací kalu,
• kombinace fyzikálně chemických a biotechnologických metod.

Zpracování, využití a likvidace čistírenských kalů

Od 1. ledna 2002 platí nový zákon o odpadech č. 185/2001 Sb. ve kterém je uváděna definice kalu a stabilizovaného kalu prakticky. Současně s novým zákonem nabývá účinnosti i vyhláška MŽP č. 382/2001 Sb. o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě.

Surový kal obsahuje okolo 70% organických látek v sušině a vzhledem k možné přítomnosti patogenních mikroorganizmů je podle zákona o odpadech klasifikován jako nebezpečný odpad se všemi důsledky z toho plynoucími. S tohoto důvodu je ve většině případů již přímo na ČOV v lince zpracování kalu aplikovaná taková technologie úpravy a zpracování kalu, která promění „surový kal“ z nebezpečného odpadu v stabilizovaný materiál, který je díky svým vlastnostem přímo předurčen k využití v zemědělství, buď přímo k hnojení a kondicionaci půdy, nebo po předchozím kompostování.

Z uvedeného vyplývá, že „stabilizace“ kalu je způsobem úpravy kalu. Stupeň stabilizace kalu je pojímán jako míra určitých vlastností kalu, vyjadřující vhodnost kalu pro určitý způsob jeho využití. Obecně se pokládá za stabilizovaný kal takový, který nezpůsobuje žádné škody na životním prostředí a nevyvolává obtíže (nepříjemnosti) při zacházení s ním. Pojem „škoda“ může být v tomto případě definován jako nežádoucí účinek na stav ekologie. Tento účinek může být buď toxický nebo pouze akumulace (hromadění) nežádoucího množství inertního materiálu. Pojem „obtíže“ může být posuzován jako negativní působení na smysly člověka zejména na čich (zápach) a zrak (neestetický vzhled).

Z hlediska technologického se za stabilizovaný kal pokládá kal upravený tak, aby nedocházelo k jeho dalšímu biologickému rozkladu. Toho se dociluje především snížením množství lehce rozložitelných organických látek v kalu nejčastěji aerobní nebo anaerobní fermentací na minimální mez a zastavením nebo utlumením dalšího biologického rozkladu.

Avšak hlavním požadavkem pro další zpracování a využívání kalů je ve většině případů jejich hygienické zabezpečení (odstranění patogenních mikroorganismů) toto se často vydává za hlavní cíl stabilizace. Přitom hygienizace kalu nemusí znamenat jeho stabilizaci z hlediska technologického a naopak stabilizovaný kal ještě nemusí být hygienizovaný.

Z tohoto hlediska za stabilizovaný kal lze pokládat kal, který prošel takovou úpravou, že množství rozložitelných organických látek v % celkového množství kalu a biologická aktivita kalu je snížena na takovou hodnotu, že již nepodléhá spontánnímu biologickému rozkladu.

Za hygienizovaný se pokládá kal, který prošel takovou úpravou, že počty indikátorů patogenních mikroorganizmů byly sníženy na požadovanou hodnotu.

Stabilizace a hygienizace může, ale nemusí probíhat současně tou samou technologií.

Předpokladem pro využívání čistírenských kalů v zemědělství je jejich nezávadnost a to z hlediska vnosu cizorodých látek do půdy (těžké perzistentní organické látky apod.) a z hlediska hygienického možnosti mikrobiologické kontaminace půdy – vnosem zárodků patogenních mikroorganismů. Vzhledem k tomu, že přítomnosti toxických látek (těžkých kovů) v kalech lze do značné míry zabránit zásahem již u producenta tohoto znečištění, stává se nejdůležitějším kritériem pro aplikaci kalů v zemědělství jejich hygienické zabezpečení

Obecně lze metody zacházení a zpracování kalů a odpadů rozdělit do dvou skupin, tzv. primární - tj. metody úpravy a finální - tj. metody umožňující konečné řešení, co s daným materiálem. Primární metody slouží jako první stupeň a usnadňují průběh nebo jsou mnohdy podmínkou pro aplikaci finálních metod.

Primární metody úpravy kalů:

• separace - třídění podle kvality materiálu (oddělení organické frakce, oddělení frakcí vhodných k recyklaci - kovy, sklo, plasty a pod.);
• kondicionace - chemická, termická nebo fyzikálně-chemická předúprava. Např. přídavek flokulantů ke zlepšení odvodnitelnosti kalů, termická předúprava aktivovaného kalu a pod.;
• zahušťování a odvodňování - metody pro zvýšení koncentrace sušiny kalu před jeho dalším zpracováním (na koncentraci sušiny do cca 40%);
• desintegrace – mechanická (mlýny, vysokotlaké homogenizátory, lyzátovací zahušťovací centrifugy), fyzikální (ultrazvuk), fyzikálně-chemická (termická hydrolýza, alkalická nebo kyselá hydrolýza);
• hygienizace – inaktivace patogenů. Hygienizace může být zařazena jako samostatná metoda a to před nebo po stupni stabilizace kalu anebo hygienizačně působí již zvolená technologie zpracování kalu (např. termofilní aerobní nebo anaerobní stabilizace, všechny termické metody);
• anaerobní biologická stabilizace - methanizace - metoda zušlechtění odpadu přeměnou převážné části jeho organické sušiny na bioplyn, současně dochází k minimalizaci množství zpracovávaného materiálu a k jeho hygienizaci;
• aerobní biologická stabilizace - mezofilní, probíhá obyčejně v otevřených nádržích, termofilní (autotermní), vyžaduje uzavřené reaktory často jako předstupeň anaerobní stabilizaci (Duální systém);
• sušení - zvýšení obsahu sušiny na 60-95%;

Finální metody zpracování kalů:

• kompostování - aerobní biologická stabilizace materiálů, využití jeho hnojivých vlastností. (Možnost využívání kompostů pro úpravy vodohospodářsky neexponovaných ploch - městská zeleň, pásy podél silnic a pod.);
• aplikace na zemědělskou půdu - využití kalů jako hnojiva v zemědělské výrobě - navrácení do půdy toho, co z půdy vzešlo (pouze upravené kaly);
• chemická stabilizace - vápnění - vhodná pro stabilizaci a hygienizaci surových i stabilizovaných kalů před jejich aplikací na pole;
• mokré spalování - nová metoda velmi výhodná z ekologického hlediska pro likvidaci organických materiálů hlavně kalů;
• spalování v cementárenské peci - nová ekologická a bezodpadová metoda likvidace odpadu (zapracování do cementu);
• spoluspalování - spalování společně s energeticky bohatším palivem. (teplárny a elektrárny, spalovny TKO, obvykle se přidává množství kalu do 5 % spotřeby uhlí);
• termické zpracování - různé způsoby pyrolýzy a zplyňování. Kombinace termické a chemické hydrolýzy (např. proces KREPRO);
• spalování - nejúčinnější metoda hygienizace materiálu, měla by se používat především pro biologicky nerozložitelné organické materiály nebo materiály kontaminované nebo toxické, či jinak nebezpečné;
• skládkování - (deponie) - uložení materiálu na zabezpečenou skládku, když se nenalezne snadnější metoda využití nebo likvidace. Skládkování by se především mělo používat pro inertní materiály. Jedná se o nejméně ekologicky vhodné řešení - přesouvá problém pouze na pozdější dobu;

Nejběžnější metody minimalizace množství kalů při jejich zpracování

Aktivační proces „bez produkce“ přebytečného aktivovaného kalu

V procesu se využívá působení ozónu na část vratného kalu, který se po ozonizaci vede zpět do aerační nádrže. Ozonizace umožňuje biologický rozklad části aktivovaného kalu rozrušením buněčných stěn a následným vylitím buněčného obsahu do roztoku, což vede k zpřístupnění látek dalšímu rozkladu. Tímto způsobem lze produkci přebytečného aktivovaného kalu zcela eliminovat.

Míra eliminace kalu závisí na rychlosti dávkování ozónu a na množství kalu, vystaveném působení ozónu. Se zvýšením rychlosti dávkování ozónu míra eliminace roste. Pro úplnou eliminaci produkce přebytečného aktivovaného kalu by množství vratného kalu vystavené působení ozónu mělo být asi třikrát - čtyřikrát větší, než množství kalu, které by se ze systému muselo odebírat, kdyby se ozonizace neprováděla. Odtok vyčištěné odpadní vody se zavedením ozonizace významně nezmění [3].

Využití metazoí (vícebuněčných organismů) k redukci množství kalu

Ekosystém v biologických čistírnách odpadních vod představuje směsnou kulturu organismů - bakterie, houby, plísně jako zástupce destruentů, protozoa, metazoa, larvy hmyzu jako zástupce konzumentů. V aktivačním systému jsou konzumenti zastoupeni převážně prvoky a příležitostně mnohobuněčnými organismy, ve skrápěných biofiltrech je populace mnohobuněčných významně početnější. Je všeobecně známo, že nárůst biomasy ve skrápěných biofiltrech je dramaticky nižší než v aktivačním systému. Mnohobuněční mohou tedy být zodpovědní za nižší produkci biomasy. Tato nižší produkce je způsobena vyšším stupněm mineralizace kalu, při které je organický uhlík přeměněn na CO₂. Tyto závěry vedly k laboratorním pokusům, při kterých byly skrápěné biofiltry inokulovány jednou kulturou mnohobuněčných - Tubificidae. Tyto pokusy ukázaly, že přítomnost těchto mnohobuněčných organismů vede k podstatnému snížení produkce biomasy a rovněž ke zlepšení odvodnitelnosti kalu a jeho sedimentačních vlastností. Nevýhodou mineralizace kalu pomocí mnohobuněčných je nárůst dusičnanů a fosfátů ve vodní fázi. Pro využití těchto principů v praxi je však třeba další výzkum [4].

Anaerobní stabilizace čistírenských kalů

Organické kaly (primární, přebytečný aktivovaný) se ve větších čistírnách zpracovávají methanizací. Je to relativně dokonalý způsob jejich stabilizace, přičemž současně dochází i k hmotnostnímu a objemovému úbytku organické hmoty uvolněním velké části organického uhlíku v plynné formě (CO₂, CH₄) a uvolněním vody, původně vázané chemicky i fyzikálně. Dochází k potlačení ostatní flóry a fauny, která byla v kalu přítomna. Snížen je výskyt pathogenních mikroorganismů.

Vzhledem k příznivému obsahu a charakteru organických a anorganických látek je kal po methanizaci vhodný pro použití jako hnojivo buď přímo nebo po kompostování. Podporuje tvorbu humusu a upravuje strukturu půdy. Obsah těžkých kovů však může negativně ovlivnit zemědělské využití.

Termofilní anaerobní stabilizace. 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 se 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. [5]

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;

Autotermní aerobní předúprava („duální systém“)

Jinou metodou pro dosažení požadované hygienické kvality kalu je autotermní aerobní předúprava následována mezofilním anaerobním stupněm. Autotermní aerobní reaktor pracuje při době zdržení 1 den, teplotách 50-60°C. Okysličování je prováděno čistým kyslíkem nebo vzduchem. V autotermním reaktoru dochází k poklesu organické sušiny kalu cca o 12%. Tento kal je dále fermentován v mezofilním anaerobním reaktoru. Celková účinnost rozkladu organických látek je vyšší u duálního systému o 3 až 7% oproti klasickému mezofilnímu. Hygienizační efekt kombinovaného systému je značný. Obsah termotolerantních koliformních baktérií byl pod detekční limit 10 MPN/g naproti tomu u klasického mezofilního reaktoru byla koncentrace koliformních bakterií vysoká - 10³-10⁶ MPN/g.

Termická kondicionace biomasy

Nadějnou metodou termické předúpravy kalu za současné tvorby lyzátu se ukazuje rychlá termická kondicionace biomasy [6]. Materiál určený k tepelné úpravě (přebytečný aktivovaný kal, anaerobně stabilizovaný kal) se podrobí v rychlém termickém reaktoru krátkému ohřevu po dobu 0,2 až 10 minut, při teplotě 100 až 200°C a tlaku 0,1 až 1,3 MPa, poté dojde k náhlému uvolnění tlaku a teploty, což způsobí destrukci buněk mikroorganismů a uvolnění buněčného obsahu (lyzátu) do roztoku. Při této metodě dochází k výrazné dezintegraci buněk mikroorganismů a díky krátké době působení vysoké teploty nedochází k úplné inaktivaci enzymů a stimulačních faktorů.

Technologicky může být proces stimulace anaerobního rozkladu kalů uspořádán tak, že anaerobní reaktor je ohříván teplem z rychlé termické předúpravy, bez klasického výměníku tepla. Proces je kontrolován množstvím anaerobního kalu, který vstupuje do rychlé termické předúpravy (obyčejně 0.1-0.2 Q₀). Princip procesu je patrný z obrázku 3.

Potenciální výhody této metody jsou následující:

• zvýšení rozložitelnosti organických látek v průběhu methanizace
• zvýšení rychlosti rozkladu
• zvýšení produkce bioplynu
• snížení množství produkovaného stabilizovaného kalu
• zlepšení odvodnitelnosti anaerobně stabilizovaného kalu
• zlepšení energetické bilance procesu v porovnání s klasickým uspořádáním.

Zařízení (rychlý termický reaktor) pro výrobu termického lyzátu vyvinula firma K&H KINETIC a.s., Klatovy ve spolupráci s VŠCHT - Ústav technologie vody a prostředí. V současné době byly ukončeny poloprovozní zkoušky s termickým reaktorem. Reaktor je spojen s prvním stupněm termofilní anaerobní stabilizace kalu a bude provozován tak, aby teplo z RTR pokrylo potřeby pro udržení teploty termofilního procesu.

Spalování kalů

Metody spalování kalů jsou nejrozvinutější a nejpropracovanější v Japonsku. Nejvhodnější se ukazuje fluidní spalování. Největší spalovna zpracovává 300 t sušiny kalu za den [7].

V případě, že ze spalovaného kalu bylo předem odstraněno dostatečné množství vody a odvodněný kal obsahuje dostatečné množství organických látek, je tento materiál energeticky soběstačný při spalování (tj. sám hoří). Ve většině případů se spaluje surový kal, tj. směs primárního a přebytečného aktivovaného kalu po zahuštění a odvodnění. Někdy se spaluje také kal po anaerobní stabilizaci, přičemž bioplyn se může v případě potřeby používat jako podpůrné palivo.

Jedním z problémů spalování je potenciální toxicita plynných emisí. Z tohoto důvodu musí být kladen důraz na jejich účinné čištění. Z těžkých kovů jsou nejproblematičtější olovo a kadmium, avšak jejich potenciální nebezpečí je sníženo tím, že jejich obsah v kalech je nízký a neustále klesá. Další toxické substance jako jsou PCB, dioxiny, pesticidy a podobně, mohou být zneškodněny následným spalováním při teplotě 1200°C. Teplota kouřových plynů je využívána k předehřívání vstupujícího kalu a vzduchu pro spalování, nebo pro jiné účely.

Podstatným přínosem spalování kalů je minimalizace objemu. Při spalování se sníží objem kalu o více než 90%, přitom zbylý materiál je inertní a lze jej bez obav uložit na skládku nebo jinak využít.

V posledním desetiletí se rozvinul proces spalování s následným tavením popela. Dosáhne se tím další redukce objemu popela. Vlastnosti vzniklé škváry jsou dané složením popele výchozího kalu. Důležitý je poměr CaO/SiO₂, může být upraven i uměle. Škvára pevně váže těžké kovy původně přítomné v kalu a lze ji využívat jako stavební materiál (výroba tvárnic, při stavbě silnic a pod.).

Spalování v cementárenské peci

Tato metoda byla vyvinuta také v Japonsku a má následující výhody:

• úplné odstranění všech toxických organických látek v důsledku vysoké teploty vypalování (>1000°C);
• těžké kovy jsou vázány do cementářského slinku a nemohou být vyluhovány;
• úspora uhlí a surovin;
• snížení emisí CO₂;
• bezodpadové zpracování kalu.
• je možno zpracovávat nejenom sušený ale i odvodněný kal

Pro udržení dobrých vlastností cementu je možno sušeným kalem nahradit pouze 5% používaného uhlí a použitý kal musí být vysušen na vysoký obsah sušiny cca 95%.

Využití této metody připravuje město Zurich, kde se počítá s likvidací kalů spálením v cementárenské peci k tvorbě slinku. Podobná metoda likvidace kalu byla zkoušena i s kaly ÚČOV Praha [8].

Pyrolýza

Novým technologickým postupem likvidace čistírenských kalů je pyrolýza za nepřítomnosti kyslíku při teplotě 800 - 1000 °C. Při pyrolýze kalu probíhá chemická destrukce organických látek teplem za nepřítomnosti kyslíku. Produkty pyrolýzy jsou plynné (oxid uhličitý, oxid uhelnatý, vodík, methan a další uhlovodíky), kapalné (kondensát a vyšší uhlovodíky) a tuhý zbytek. Poměr kapalného a pevného produktu závisí na podmínkách a teplotě pyrolýzy. Je známa řada technologických variant, lišící se tlakem, teplotou a eventuálně použitím katalyzátorů. Pyrolýzní plyn a kapalný podíl se spalují, tuhý zbytek je možno skládkovat. Je žádoucí vést proces tak, aby byl minimalizován kapalný podíl a tuhý zbytek byl co nejméně vyluhovatelný.

Až doposud aplikaci této technologie bránily především ekonomické důvody, avšak v současné době při neustálém růstu ceny fosilních paliv, zejména ropy a zemního plynu a tlaku proti jejich využívání může být tato technologie technicky i ekonomicky atraktivní.

Mokré spalování

Systém ATHOS^®

Oxidace kalu tzv. mokrou cestou (Wet air oxidation WAO) firmy US Filter (Proces Zimpro). Obdobu této technologie vyvinula firma OTV až k průmyslové realizaci technologie Athos.

Principem metody je oxidace tekutého kalu za přístupu vzduchu nebo čistého při teplotě 200-300°C, tlaku 40 - 60 barů a době zdržení 60 minut. Za těchto podmínek je 75 – 90% organických látek v kalu převedeno do kapalné fáze ve formě směsi nižších mastných kyselin a metanolu a z větší části zoxidováno. Veškerý kal je tímto mineralizován. Jelikož je proces mokré oxidace za těchto podmínek exotermní, je celkový proces energeticky aktivní.

Vzhledem k tomu, že kapalná fáze obsahuje také vyšší koncentrace amoniakálního dusíku, uvolněného mineralizací kalu, přidává se do systému katalyzátor (na bázi Cu), který umožní přímou oxidaci amoniaku a následnou transformaci oxidovaných forem na plynný dusík (45-70%). Část amoniakálního dusíku je odstraněna stripováním.

Kapalná fáze, bohatá na snadno rozložitelné látky (okolo 10g/l ChSK) a může být použita jako externí substrát pro denitrifikaci. Tuhá fáze, obsahující zejména minerální látky a zbytek organického podílu je snadno odvodnitelná klasickými metodami, i bez přidání flokulačních přísad lze dosáhnout sušiny až 50%. Celková účinnost tohoto způsobu mokré oxidace dosahuje odstranění v průměru 87% ChSK a od 45 do 70% amoniakálního dusíku.

Vysokotlaké mokré spalování - APO

(Aqueaus phase oxidation). V srpnu 1994 byla v holandském městě Apeldoorn uvedena do provozu tzv. mokrá šachtová oxidace kalů o kapacitě 30 000 tun sušiny kalu za rok, postavena firmou VerTech [9].

Základním článkem zařízení je šachtový reaktor o hloubce 1280 m, skládající se ze tří soustředných trub, z nichž vnější slouží jako chladič. Kal je spolu s kyslíkem čerpán do středové roury a je odváděn z prostřední. Exotermní oxidací stoupá postupně teplota reakční směsi a u dna reaktoru dosahuje až cca 275°C. Vodní sloupec (respektive sloupec směsi vody a plynů) způsobuje tlak u dna reaktoru 8,5 až 11 MPa, což chrání reakční směs před varem. Díky protiproudému chlazení má odtok z reaktoru teplotu pouze 50°C. V reaktoru se oxidují rozpuštěné i suspendované organické látky dodávaným plynným kyslíkem. Větší část organických látek se oxiduje na oxid uhličitý a část se mění na biologicky rozložitelné látky (např. nižší mastné kyseliny).

Materiál se před zpracováním upravuje dezintegrátory (na velikost cca 5 mm) a homogenizuje se. Směs po oxidaci obsahuje suspendovaný "popel" (anorganický nezoxidovaný podíl) a odpadní plyny. Odpadní plyny jsou podrobeny katalytické oxidaci při 500°C. Popel je oddělován běžnou separační technikou bez nutnosti přídavku flokulantů. Kapalná fáze obsahuje amoniak, vzniklý z organického dusíku a určité množství biologicky rozložitelných látek (nižších mastných kyselin) a je podrobena biologickému čištění. Touto metodou dochází k zmenšení celkové sušiny kalu o 75 - 80%, přitom organické látky jsou z kalu odstraněny prakticky na 100%.

Mokré spalování v nadkritické oblasti vody [10]

Největšího využití energie z kalu lze dosáhnout při mokré oxidaci kalu v nadkritické oblasti vody (kritická teplota vody je 374°C, kritický tlak 22 MPa). Nadějné výsledky představilo švýcarsko-americké konsorcium výzkumníků [3], kteří na poloprovozním zařízení mokré oxidace v nadkritické oblasti vody, při teplotě 500-600°C a tlaku 25 MPa spalovali kal o koncentraci sušiny 10 %. Za těchto podmínek dochází k úplné konverzi všech přítomných organických a většiny anorganických látek.

Biologický materiál a ostatní organické látky jsou konvertovány s účinností 99,99% a to při době zdržení do 30 sekund. Uhlík a vodík z organických látek jsou přeměněny na CO₂ a H₂O, dusík (včetně amoniakálního), síra a fosfor na N₂, SO₄^2- a PO₄^3-, organicky vázaný chlor na Cl^-. Těžké kovy jsou oxidovány na příslušné oxidy.

Z hlediska energetického pro dobrý průběh procesu postačuje energie okolo 0,5 MJ/kg mokrého koláče tj. 5 MJ/kg sušiny. To představuje asi 30 % celkového energetického obsahu kalu, zbývajících 70 % energie lze využít. Celkové náklady na zpracování kalu tímto způsobem se odhadují na 243 USD na tunu sušiny.

Z hlediska účinnosti získání využitelné energie z kalu vyplývá následující zjednodušené pořadí technologií pro zpracování kalu: mokrá oxidace v nadkritické oblasti vody > mokré spalování v podkritické oblasti vody > pyrolýza > anaerobní stabilizace > přímé spalování [11].

Závěry

Mezi základní požadavky moderního kalového hospodářství patří především mechanické zahušťování přebytečného aktivovaného kalu, jeho předúprava, anaerobní stabilizace kalu termofilní, odvodňování stabilizovaného kalu a jeho alternativní využívání v zemědělství, nebo termické zpracování s cílem maximálního využití energie.

Velmi důležitým požadavkem s hlediska ekonomického i ekologického je účinné využití produkovaného bioplynu pro výrobu elektrické energie a tepla, což umožňuje dosažení energetické soběstačnosti celé čistírny odpadních vod.

V současné době existuje řada technologií umožňujících snížení množství produkovaného kalu. Jejich provozní zavedení závisí především na lokálních a ekonomických podmínkách.

Použitá literatura

[1] DOHÁNYOS, M., ZÁBRANSKÁ, J. AND JENÍČEK, P. (1997): Enhancement of anaerobic sludge digestion by using of a special thickening centrifuge. Wat.Sci.Tech.36,11, 145-153

[2] MÜLLER, J. A. (2000): Pretreatment processes for the recycling and reuse of sewage sludge. Wat. Sci. Tech. 42(9), pp. 167-174

[3] SAKAI Y., FUKASE T., YASUI H., SHIBATA M. (1997): An activated process Without Excess sludge production. „Wastewater Sludge Waste or Resource? - International Conference on Sludge Management“, Proceedings Part one. pp. 90-97.,Czestochowa, 26-28. June 1997, Poland.:

[4] RENSING, J.H. AND RULKENS W.H. (1997): Using metazoa to reduce sludge production. Wat.Sci.Tech.36, No 11,171-179

[5] ZÁBRANSKÁ J., DOHÁNYOS M., JENÍČEK P., KUTIL J. (2000): Thermophilic process and enhancement of excess activated sludge degradability - two ways of intensification of sludge treatment in the Prague Central Wastewater Treatment Plant. Wat. Sci. Tech., 41(9), 265-272.

[6] DOHÁNYOS M., ZÁBRANSKÁ J., JENÍČEK P. (1997): Innovative technology for the improvement of the anaerobic methane fermentation. Wat. Sci. Tech. 36, No 6-7, 333-340.

[7] FUKUDA H. (1996): Japan paves the way to putting sludge underfoot. Water Quality International, pp 18-20, No 2, 19942.

[8] KUTIL J. (2003): Zkušenosti a poznatky z pokusného spalování suchého čistírenského kalu v cementářské peci. SOVAK 12/2003, 17-20

[9] DE BEKKER P. AND HEEREMA K. (1994): Dutch deep shaft takes the pressure off wet oxidation. Water Quality International, pp 28-29, No 3,

[10] SVANSTRÖM M., MODELL M., TESTER J. (2003): Direct energy recovery from primary and secondary sludges by supercritical water oxidation. IWA International Specialist Conf. BIOSOLIDS 2003 – Wastewater Sludge as a Resource, NTNU Trondheim, Norsko 23-25. June 2003.

[11] 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 Trondheim, Norsko 23-25. June 2003.

Článek byl uveřejněn v rámci přípravy spolupráce na přípravě výstavy ECO CITY.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost