ELIO Technology System Čistírenské kaly
Úvod do problematiky čistírenských kalů. Čistírenský kal je nezbytným produktem při čištění odpadních vod. Produkuje ho nutně každá čistírna odpadních vod. Produkce v ČR je cca 1 000 000 tun / rok. Surový kal obsahuje okolo 70% organických látek v suchém stavu a vzhledem k přítomnosti patogenních mikroorganismů je dle zákona klasifikován jako nebezpečný odpad se všemi důsledky z toho plynoucími. Anaerobní stabilizací na čistírnách se množství organických látek snižuje na cca 50% v sušině a rovněž se snižuje obsah patogenních mikroorganismů. S ohledem na zdravotní rizika je čistírenský kal jediný přísně usměrňovaný odpad v Evropě. V současné době je nejrozšířenější způsob konečného zpracování čistírenských kalů buďto v zemědělství kompostováním, nebo přímou aplikací na půdu, anebo ukládáním na skládku. Současná odpadová politika EU se orientuje proti ukládání odpadů na skládky a podporuje zabránění jejich vzniku. Stávající metody recyklace kalů v zemědělství se také považují za neudržitelné, k čemuž přispívají velmi závažná zjištění o jejich vlivu na živočichy a na člověka. Např. ve Švýcarsku už platí od roku 2006 zákaz používání čistírenských kalů pro zemědělské účely a na všech ostatních půdách. Nastává souboj tradičních cest odpadů s novými, kdy odpady již nejsou vnímány jako materiál určený ke stabilizaci, ale k materiálové přeměně. Materiálové transformaci odpadů se dostává v současnosti mohutné podpory od EU prostřednictvím programů jako Renewable Carbon Sources processing to fuels and chemicals, Bio-based Economy, REFERTIL a dalších. Zajímavé je, že zde nejsou uvažovány již spalovny a když tak jako čisté samostatné spalování čistírenských kalů a využití pevného zbytku k produkci hnojiva. Významně se však počítá s termochemickými procesy jako pyrolýza a zplyňování, neboť využití těchto technologii je mnohem šetrnější k životnímu prostředí a umožňuje efektivní provoz i menších jednotek. Aktuální stav neudržitelné situace v odpadovém hospodářství dokládá významný zájem čistíren odpadních vod, jenž hledají moderní způsoby řešení situace co s kaly? Přitom potenciální energie obsažená v kalech ve vyhnívacích nádržích převyšuje energii potřebnou pro provoz samotné čistírny. Je zřejmé, že se nacházíme na počátku éry revoluce zdrojů, která s sebou přinese zcela nové postupy a technologie. 1
ELIO Technology System (ETS) Odpovědí na situaci pro mnohé čistírny odpadních vod by mohla být aplikace ETS na koncovku kalového hospodářství. Zařízení dokáže efektivním způsobem nakládat s kaly tak, že je na základě termochemických procesů transformuje na jinak využitelné meziprodukty (plyn a pevný zbytek) s velmi vysokým potenciálem, zbaví čistírnu nežádoucího materiálu a se zásadním vlivem posune ekonomiku čistírny na jinou úroveň. Provoz jednotky zahrnuje čtyři hlavní technologické stupně sušení (1.st), pyrolýza (2. st.), zplyňování (3. st.) doplněné čtvrtým koncovým stupněm konečného zpracování plynu (4.st) zahrnující chlazení, odprášení a čistění s následnou kogenerací. Produkty procesu jsou tedy syntézní plyn a tuhý zbytek. S ohledem na místní situaci a stav trhu lze pomocí nastavení provozních parametrů upřednostnit produkci žádanějšího produktu a plně se přizpůsobit charakteru vstupující suroviny (parametrům kalů). Zařízení je navrženo jako kontinuální s uvažovaným vytížením 330 dní/rok. Pro dosažení správné efektivity provozu a optimální ekonomické bilance hraje množství a kvalita kalů zásadní, ale ne pouze jediný vliv. Co se kvality týče, tak naprostá většina komunálních čistíren produkuje kal, který je v zařízení zpracovatelný s obdobnými výsledky. Rozdíl v procesu tvoří surový a stabilizovaný kal. Oba je možné zpracovávat, ovšem surový, díky vyššímu obsahu organiky vykazuje lepší výsledky, zároveň odpadá potřeba využití vyhnívacích nádrží v režimu běžného provozu. Na vstupu do zařízení lze počítat s kalem, který je odvodněný na hodnotu minimálně 25% sušiny. Z 1 tuny tohoto materiálu dostaneme na výstupu z technologie kolem 140 kg dále využitelného materiálu. Hmotnostní úbytek materiálu je tedy 86%. ETS pracuje s minimální kapacitou 3 000 t/rok (sušiny). S vyšším množstvím zpracovávaného materiálu se pak samozřejmě vylepšuje ekonomika a zkracuje se návratnost investičních prostředků. V případě menších ČOV se pak nabízí možnost svážení kalů z okolních čistíren na centrální stanoviště. 2
Na výstupu ze zařízení můžeme počítat s vodou a vzduchem, které jsou produktem sušení, spalinami vzniklými spálením plynu v kogenerační jednotce a pevným zbytkem. Odpařená a zkondenzovaná voda ze sušení je vrácena zpět do systému čistírny stejně tak jako voda vzniklá při odstřeďování kalů. Odpadní vzduch ze sušárny je ochlazen v kondenzátoru a filtrován bio-filtrem, na základě kterého jeho výstup splňuje veškeré nároky stanovené zákonem o ochraně ovzduší č.201/2012 Sb. Spalovací motory v kogeneračních jednotkách, které spalují syntézní plyn, standardně plní emisní normy v souladu s vyhláškou MSŽP č.171/2016 Sb. ve znění vyhlášky a č. 415/2012 Sb. Zásadní je, že pevný zbytek po procesu již není klasifikován jako nebezpečný odpad a čistírna se jej může zbavit daleko snáz. V lepším případě bude pevný zbytek možno certifikovat jako hnojivo nové generace. Připravené revize směrnic (ES) č. 1069/2009 a (ES) č. 1107/2009 nově obsahují kategorizaci Biocharu z čistírenských kalů. Novela bude součástí balíčku směrnic Circular economy na přelomu roku 2016/2017. Hnojivo takto vyrobené z čistírenských kalu bude smět nosit označení CE. 3
Obecně o energii s ETS Z energetického hlediska je pro chod prvního a druhého stupně zapotřebí značného množství energií. Třetí stupeň zplyňování je exotermický proces, který energii uvolňuje a spolu s kogenerací vytváří dostatečný přebytek tepla. Významnou roli při nakládání s provozní energií hraje také použitý systém rekuperace tepelné energie SRTE, který převádí teplo z třetího a čtvrtého stupně zpět do prvního a druhého. Např. teplo z chlazení plynu, nebo tuhého zbytku není zmařeno, ale je využito pro sušení kalů a předehřev druhého stupně. Na obrázku je znázorněno zařízení druhého stupně spolu s částí SRTE pevného zbytku. Dostatečná výhřevnost sušiny kalů, která se pohybuje okolo 10MJ/Kg v kombinaci s důmyslným ELIO technologickým systémem vytváří za stálých provozních podmínek kladnou energetickou bilanci. Přebytečná tepelná a elektrická energie je využita buď pro potřeby čistírny, prodána, nebo využita kombinací obojího. V přiložené tabulce je pro příklad uveden základní energetický model stabilizovaného kalu o výhřevnosti sušiny 11 MJ/Kg. 4
Syntézní plyn z čistírenských kalů Je směs plynů sestávající převážně z metanu, oxidu uhelnatého, vodíku a oxidu uhličitého. Syntézní plyn jako meziprodukt bývá klíčovým zdrojem pro výrobu vodíku, čpavku, metanolu a syntetických uhlovodíkových paliv. Kromě toho mohou být ze syntézního plynu získány i různé další chemikálie. Aktuálně prvním využitím vyrobeného plynu z kalů v systému ELIO je jeho spalování v kogenerační jednotce. Tím se sice maří jeho energetický a materiálový potenciál a snižuje se účinnost celého zařízení, ale i přesto energie takto získaná pokryje s přebytkem potřeby pro vlastní provoz. Spalování plynu v kogeneračních jednotkách je dnes běžná praxe, technologické možnosti jdou ale nezadržitelným tempem dopředu a je jen otázkou doby, kdy kaly budou sloužit jako vstupní surovina pro výrobu uhlovodíkových paliv, nebo přímo vodíku. Biochar je materiál na bázi uhlíku, který je svým složením a strukturou velmi zajímavý a může být využíván jako aditivum do hnojiv, nebo jako hnojivo samotné. Obecně je to materiál, jenž obsahuje vysoké procento uhlíku. Skládá se z aromatických sloučenin charakterizovaných šesti atomy uhlíku. Významný je jeho vysoký obsahu fosforu - cca 8%, který je velmi žádoucím prvkem při využití v zemědělství. Fosfor se z biocharu aplikovaného na půdu uvolňuje postupně a je vysoce využitelný rostlinami. Biochar má vysoce porézní strukturu. Povrch jednoho gramu biocharu obvykle dosahuje hodnoty okolo 50m2. Po aplikaci na půdu se v pórech zachycuje vlhkost a živiny, které vytvářejí ideální podmínky pro mikroorganismy a pro provzdušnění půdy. Současně se potlačuje produkce skleníkových plynů, jako metanu a oxidu dusného. Pro zajímavost, průměrná cena biocharu v USA v roce 2014 byla 2500 US $ za tunu. Využití biocharu z čistírenských kalů jako součást hnojiv má tyto pozitivní efekty: Snížení průniku dusíku a fosforu do podzemních vod díky postupném uvolňování z biocharu Podporuje transformaci dusíku v půdě V důsledku zvýšení iontové výměny zvýšení úrodnosti půdy Zvýšení zadržování vody v půdě Zvýšení prospěšných mikroorganismů v půdě. 5
Možnosti technologického provedení ETS. ETS je technologický systém stávající se z mnoha jednotlivých zařízení, které pracují v součinnosti. V závislosti na místních podmínkách, potřebách a možnostech provozovatele se ETS sestavuje pro daný konkrétní případ zvlášť. Příklad základního modelového provedeních je znázorněn na schématu. I. Sušení Do sušárny je kal přiveden odvodněný a předehřátý teplem získaného z chlazení pevného zbytku. Uvnitř sušárny je sušen kombinací odpadního tepla z kogeneračních jednotek a tepla získaného z chlazení plynu. Sušárna využívá kombinaci nepřímého (horký olej ohřívá potrubí, ve kterém se nachází materiál) a přímého (horký vzduch v kontaktu s materiálem odnáší vlhkost) druhu sušení. Výstupní materiál v sobě obsahuje 10-20% vlhkosti. II. III. IV. Pyrolýza V reaktoru s inovativní patentovanou konstrukcí dochází na základě obecně známých principů k přeměně kalů na plyn, olej a pevný zbytek. Pevný zbytek odchází z reaktoru, je schlazen a posouván dopravníkem do kontejneru. Olej v plynném skupenství je odsáván spolu plynem do třetího stupně. V tomto stavu obsahuje plynná fáze ještě mnoho nečistot a nežádoucích látek. Zplyňování Zde se pomocí dalších termochemických procesů plyn spolu s olejem a množstvím dehtů vzniklých při pyrolýze transformuje na syntézní plyn, který je svým složením již žádoucím meziproduktem pro další využití. Plynové hospodářství Jedná se o soustavu po sobě jdoucích zařízení, kde se plyn postupně chladí a čistí, aby získal požadovanou kvalitu pro jeho využití v kogenerační jednotce. (KGJ) Varianta I. 6
Ostatní technologie Aktuální stav na Evropském trhu zatím nevykazuje využití jiné obdobné technologie v komerčním provozu, trend ale ukazuje, že doba k tomu velmi rychle spěje. Jediným známým typem zařízení, které dále zpracovává kal na výstupu z ČOV je technologie sušení. Sušárna sama o sobě ale neřeší problematiku komplexně, pouze redukuje množství kalů, kaly hygienizuje a nepřináší žádný zisk. Kal zůstává stále kalem, se kterým se musí dále naložit. Otázka zní jak? Jisté je jen to, že se energie obsažená v kalech spolu s energii do nich vloženou sušením vyváží z čistírny ven. Pro mnoho subjektů ale znamená pořízení sušičky kalů za těchto podmínek jen první krok k budoucímu druhému kroku, a to pořízení technologie, která naplno využije energetický a materiálový potenciál kalů a pokud možno s kladnou provozní ekonomikou. 7