Problemy energetycznego wykorzystania odpadów, >>ENERGETYKA materiały<<

[ Pobierz całość w formacie 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
C
H
O
N
S
Cl
popió³
1.
Channiwala i Parikh 2002
14,20
2,10
10,50
1,10
0,70

71,40
2.
Channiwala i Parikh 2002
37,13
4,28
16,76
6,25
1,50
2,22
34,08
3.
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
,(
9
)
(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
1
)
24 42
, (
9
)
(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
zawartoϾ 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]
ZawartoϾ wilgoci
[%]
HHV
[kJ/kg]
LHV
[kJ/kg]
1.
Osad surowy po odwodnieniu
mechanicznym
21,2
93,5
16 242
1 023,4
2.
Osad surowy po odwodnieniu
mechanicznym i dezintegracji
22,1
95,8
15 748
628,6
3.
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
6.
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
7.
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
[ Pobierz całość w formacie PDF ]