KALOVÉ HOSPODÁŘSTVÍ. bioplyn 40 % org. 70 % org. 30 % anorg. 30 % anorg. 30 %

Transkript

1 KALOVÉ HOSPODÁŘSTVÍ Ing. Iveta Růžičková, Ph.D. Tyto studijní materiály umístěné na interních webových stránkách VŠCHT Praha jsou určeny k osobní potřebě studentů předmětu N Základy čištění odpadních vod. Jejich kopírování, šíření, distribuce a zveřejňování na veřejně dostupných serverech bez souhlasu autora/ů je porušením autorského zákona č. 121/2000 Sb. Cíl: zpracování kalů tak, aby byly při minimálních nákladech respektovány požadavky na ochranu životního prostředí a zdravotního zabezpečení. STABILIZACE KALŮ Stabilizace kalu biologické nebo fyzikálně-chemické zpracování, které zajišťuje jeho hygienickou nezávadnost a relativní stabilitu vzhledem k jeho dalšímu použití. Metody stabilizace biologická rozklad org. látek anaerobní CH 4 + CO 2 (od cca EO) aerobní CO 2 + H 2 O -přímo v aktivaci (delší stáří, > dní, větší nádrže» menší ČOV) - separátně v oddělené stabilizační nádrži (provzdušňováním přebytečného kalu) chemická inaktivace mikroorganismů nehašené vápno CaO + H 2 O» Ca(OH) 2 (dávka % sušiny) zvýšení ph na (NH 3 ), exotermní reakce Látková bilance při anaerobní stabilizaci org. 70 % anorg. 30 % bioplyn 40 % org. 30 % anorg. 30 % -možná přítomnost patogenních mikroorganismů => dle zákona klasifikován jako nebezpečný odpad. Kritéria stability Stupeň stabilizace míra určitých vlastností kalu vyjadřující jeho vhodnost pro daný způsob využití => neexistuje univerzální kritérium pro posouzení stability kalu. Kritérium stability za anaerobně stabilizovaný lze považovat kal, ve kterém již neprobíhají intenzivní biologické pochody působící senzorické a hygienické problémy (tj. nepodléhá samovolnému rozkladu). Kritéria stability: - přímá (toxicita, infekčnost, zápach, ) - nepřímá (obsah org. látek, produkce bioplynu, ) - doplňující (odvodnitelnost, viskozita, ) Technologická praxe: - podíl organické sušiny (VLorg/VL) < 50 % - nízká koncentrace snadno rozložitelného substrátu (NMK) - nízká zbytková produkce bioplynu 1

2 Velká ČOV - kalové hospodářství UN LT AN DN TČ Přebytečný kal Primární kal Tuk ZN Směsný surový kal Bioplyn MN Methanizace Metanizace může probíhat v podmínkách: - mezofilních (35 40 C) - termofilních (50 60 C) -jednostupňově nebo dvoustupňově první stupeň vyhřívaný a míchaný druhá nádrž slouží především jako uskladňovací dobíhání anaerobních procesů, oddělení kalu a kalové vody Kalová voda OD Odvodněný stabilizovaný kal Základní technologické parametry (provozní a návrhová kritéria) anaerobní stabilizace kalů Nádrž pro anaerobní stabilizaci kalů Parametr methanizace (mezofilní) vysokozatížená methanizace (termofilní) Teplota ( C) Doba zdržení (d) B V (kg.m -3.d -1 ) 0,5-1,5 1 2,5 - beton, ocel -kónické dno -plynový prostor Míchání přetržité kontinuální Počet stupňů 1 nebo 2 vždy 2 Methanizační nádrže (MN) ÚČOV Praha ČOV Děčín 2 stupňová anaerobní stabilizace, membránový plynojem -12 dvojic MN, celkový objem m 3-2. stupňový proces, 2. stupeň spojen s plynojemem 2

3 ČOV Kadaň 1 stupňová stabilizace s nasazeným plynojemem ČOV Plzeň anaerobní stabilizace ČOV Halle methanizační nádrž vejcovitého tvaru Výhoda: dobré hydraulické vlastnosti, míchání Nevýhoda: stavební náročnost Míchání a vyhřívání methanizačních nádrží mechanicky recirkulací bioplynem vnitřní výměník vnější výměník přímou parou Porúří kombinace několika nádrží Hygienizace kalů Hlavním požadavkem pro další zpracování a využívání kalů je ve většině případů jejich hygienické zabezpečení (odstranění resp. snížení výskytu patogenů pod stanovený limit). Přitom hygienizace kalu nemusí znamenat jeho stabilizaci z hlediska technologického a naopak stabilizovaný kal ještě nemusí být hygienizovaný!!! Kritérium hygienizovaného kalu za hygienizovaný se pokládá kal, který prošel takovou úpravou, že počty indikátorových organismů byly sníženy na požadovanou hodnotu. Stabilizace a hygienizace může, ale nemusí, probíhat současně jednou technologií!!! Za indikátory zdravotní nezávadnosti většina států považuje: - termotolerantní koliformní baktérie - enterokoky - baktérie rodu Salmonella spp. -dále vajíčka helmintů (červů), enteroviry Klasifikace kalů podle obsahu patogenních mikrobů Počet bakterií Třída A Třída B termotolerantní koliformní 1000/g 2x10 6 /g enterokoky 1000/g 2x10 6 /g Salmonella spp. 3/4g - Kal třídy B je aplikovatelný do půdy pouze za přísně vymezených podmínek. 3

4 Hygienizace může probíhat: Metody hygienizace kalů (usmrcování/inaktivace mikroorganismů) chemické - silná oxidační činidla - (Cl 2, O 3, H 2 O 2, formaldehyd, aj.) - ph fyzikální - teplota - tlak - radiace - ultrazvuk - mechanická destrukce buněk 1. přímo v technologické lince úpravy a zpracování kalů, kdy současně probíhá stabilizace a hygienizace (např. aerobní nebo anaerobní stabilizace mezofilní nebo termofilní) stupeň hygienizace závisí na podmínkách stabilizace (teplota, doba zdržení, hydraulické uspořádání reaktoru) 2. před stabilizací kalu, tzv. předúprava např. dezintegrace kalu fyzikálními (utrazvuk), termickými (pasterizace, termický rozklad) nebo chemickými (ozón) metodami. Hygienizační efekt + zvýšení biologické rozložitelnosti složek kalu (snížení množství kalu, zvýšení produkce bioplynu) 3. po stabilizaci, tzv. následná/dodatečná úprava např. kal po stabilizaci se podrobí pasterizaci nebo odvodněný kal se podrobí sušení apod. Metody hygienizace kalů (zabezpečující třídu B) Aerobní stabilizace (60 dní při 15 C nebo 40 dní při 20 C) Sušení na vzduchu - kalová pole (minimálně 3 měsíce) Anaerobní stabilizace (60 dní při 20 C, do 15 dní při C) Kompostování (40 C po dobu nejméně 5 dní + 55 C po 4 hodiny) Alkalizace vápnem (ph 12, min. 24 hodin) Metody hygienizace kalů (zabezpečující třídu A) Kompostování ( 55 C, 3 dny) Sušení (80 C, sušina nad 90 %) Tepelná úprava (180 C, 80 minut, před stabilizací) Aerobní stabilizace - termofilní (10 dní, C a min. 38 % redukce organických látek) Ozařování beta zářením (dávka 1,0 megarad, při teplotě cca 20 C) Ozařování gama zářením (60Co, 139Cs, 1,0 megarad, 20 C) Pasterizace ( 30 minut, 70 C, po stabilizaci) Alkalizace vápnem (ph 12, 55 C, po 2 hodiny) Na městských ČOV v ČR pro třídu A: - anaerobní termofilní stabilizace - aerobní termofilní stabilizace jako technologie spojené se stabilizací kalu -hygienizace vápnem - vápenné mléko nebo práškové pálené vápno před odvodněním - práškové vápno ihned po odvodnění, před nebo v průběhu transportu na skládku - mleté vápno do odvodněného kalu na skládce - pasterizace jako samostatné hygienizační technologie Ve většině případů převažuje v ČR mezofilní stabilizace při C. Zahušťování a odvodňování kalu zahušťování před stabilizací odvodňování po stabilizaci (25 35 %) - kalová pole - sítopásové lisy - kalolisy - odstředivky Aplikace polymerních organických flokulantů pro zlepšení odvodňovacích vlastností kalu při mechanických způsobech. 4

5 Kalová pole - nejstarší a nejjednodušší způsob odvodňování kalů -ohraničená plocha, jejíž dno tvoří drenážní systém (drenážní trubky, štěrk cca 20 cm, písek cca 10 cm) - kal cca 30 cm - kombinace filtrace a odpařování -účinnost závisí na klimatických a povětrnostních podmínkách (až 65 % sušiny, 3 4 cykly/rok) - vyklízení ruční, u větších mechanické Sítopásový lis - po kondicionaci POF je kal filtrován - nejprve volně, později pod tlakem mezi dvěma nekonečnými filtračními plachetkami, které meandrovitě procházejí systémem válců, kde dochází ke stlačování a deformaci - výkonnost kg/(m 2.h) - koncentrace sušiny odvodněného kalu %, běžně 25 % 5

6 flokulační zóna odvodňovací zóna Kalolisy - filtrace za vysokého tlaku 1,5 2,5 MPa - kondicionace kalu není nutná, ale doporučuje se -sušina odvodněného kalu po anaerobní stabilizaci % - nevýhody: periodičnost provozu, vysoké náklady, pracnost Odvodňovací centrifugy/odstředivky -celoplášťové šnekové odstředivky - kal se přivádí potrubím v ose bubnu - nutná kondicionace kalu -sušina odvodněného kalu % - vysoká výkonnost, malé požadavky na prostor odvodňovací centrifuga mobilní odstředivka 6

7 Kalová voda - kvalita závisí na kvalitě a koncentraci surového kalu, typu stabilizace (teplota, míchání, uspořádání procesu, ) - po anaerobní stabilizaci vždy nutno čistit - vysoká koncentrace amoniakálního dusíku Složení kalové vody Mezofilní stabilizace Termofilní stabilizace se zahuštěním kalu NL (mg/l) CHSK celk. (mg/l) CHSK rozp. (mg/l) N-amon (mg/l) těkavé mastné kys. jako CH 3 COOH (mg/l) Technologická specifika kalové vody Podíl na hydraulickém zatížení aktivace 0,1-0,5 % Podíl na zatížení aktivace dusíkem 5-25 % Stabilní (vyšší) teplota Inhibice druhého stupně nitrifikace Nízký obsah rozložitelného organického substrátu Způsob likvidace řízené dávkování před aktivační nádrž komplikace při odstraňování N a P, zápach, možnost bytnění aktivovaného kalu tendence zpracovávat odděleně od hlavní čistírenské linky, poté do aktivačního systému Stabilizovaný odvodněný kal Progresivní možnosti odděleného čištění kalové vody Minimalizace Namon: - fyzikálně-chemické metody stripování vzduchem za zvýšené teploty a zvýšené hodnoty ph srážení Mg 2+ ionty společně se sloučeninami fosforu jako (NH 4 MgPO 4 ) struvit, hnojivé vlatnosti - biologické metody nitrifikace-denitrifikace nitratace-denitratace aerobní deamonifikace Uskladňovací sila na kal Finální zpracování kalu Skládkování hojně využívána v ČR, omezení legislativou a ekonomickými prostředky (ve světě např. spodní hranice sušiny 45 %) Využití v zemědělství - přímá aplikace hnojivo problematika patogenních mikroorganismů, těžké kovy, PCB, dioxiny, farmaceutika - rekultivace - kompostování 7

8 Spalovna odvodněných kalů na ČOV Spalování - surový i anaerobně stabilizovaný kal, zejména s obsahem olejů nebo toxických org. látek - čištění exhalátů Zakomponování do stavebních materiálů - spalování kalu z městských ČOV v cementářské peci org. hmota spálena, anorg. zbytek se v omezeném poměru přidá k cementářské hmotě Skládka solidifikovaných zbytků po spalování kalů Produkce kalů v České republice Vývoj produkce čistírenských kalů v ČR V ČR je 7,17 mil. obyvatel napojeno na kanalizaci v ČR je 6,84 mil. obyvatel napojeno kanalizací na biologickou čistírnu celkem se vyčistí 846,3 mil. m 3 odpadní vody za rok odhad produkce kalů v ČR je cca 800 tis. tun/rok v odvodněném stavu ročně se vyprodukuje cca t kalů, vyjádřeno jako absolutní sušina Tis. tun za rok roční produkce kalu (sušina) skládkování (sušina) Způsoby odstranění kalů v ČR (dle podkladů VÚV v r. 2002) Zastoupení metod využití čistírenských kalů v ČR v 2006 (podle statistiky MZe: 56 % stabilizovaných kalů je uplatněno v zemědělství z toho - 0 % přímá aplikace 8 % rekultivace 48 % kompostováním 19 % produkce kalů je ukládáno na skládky 24 % nespecifikováno 8

9 Zpracování kalů v zemích EU Bioplyn (%) skládkování zemědělství Složení: CH %, CO % (H 2 O, H 2, H 2 S, N 2, vyšší uhlovodíky, ) Výhřevnost: MJ/m 3 (1 m 3 BP = 0,6 litru LTO) spalování vypouštění do moře Plynojemy - dimenzování Účel akumulace bioplynu Rozhoduje vyrovnanost spotřeby bioplynu Objem několikahodinová až jednodenní produkce Využití bioplynu: výroba tepla spalování v kotlích pro: vyhřívání metanizačních nádrží vytápění, výroba teplé vody, sušení + další tepelné hospodářství ČOV mokrý plynojem membránový plynojem kogenerační výroba elektrické energie a tepla využití bioplynu pro pohon spalovacích motorů spojených s agregátem na výrobu el. energie 1 m 3 bioplynu = 1,8 2,0 kwh el. energie 3,0 3,5 kwh teplo spalování bez využití energetického potenciálu hořáky zbytkového bioplynu (1 200 C) bezpečný způsob likvidace v případě, že není jiný způsob využití či je neekonomický povinná výbava plynového hospodářství Kogenerační jednotky Hořáky zbytkového plynu 9

10 Sulfan v anaerobní nádrži Rizika: inhibice anaerobních procesů (především methanogeneze a acetogeneze) koroze (betonu i oceli, resp. nádrží, potrubí, kotlů) emise zápachu emise oxidu siřičitého při spalování bioplynu Výhoda: váže těžké kovy do nerozpustných sulfidů, a tak je odstraňuje z roztoku Základní metody odsiřování Fyzikálně-chemické: vypírání sorpce (na Fe sorbenty) Chemické: reakce s alkalickými substancemi srážení (s kovy) Biologické: biochemická oxidace na sírany biochemická oxidace na elementární síru 10