Současný stav čištění odpadních vod a zpracování kalů v ČR Karel Hartig SWECO Hydroprojekt a. s., Táborská 31, 140 16 Praha 4 1
Obsah přednášky 1. Úvod 2. Současná bilance produkce a čištění odpadních vod 3. Současný stav technologie čištění odpadních vod 4. Výhled do budoucnosti 5. Současná bilance produkce kalů a způsob jejich využití 6. Výhled do budoucnosti 7. Spolupráce Sasko - Sweco Hydroprojekt 2
Statistické údaje o množství odpadních vod Počet obyvatel v domech připojených na veřejnou kanalizaci Počet obyvatel v domech připojených na veřejnou kanalizaci s ČOV Délka kanalizační sítě 8 671 600 obyvatel 8 184 400 obyvatel 41 911 km Celkové množství čištěných odpadních vod, včetně vod srážkových 870,9 mil. m 3 Celkové množství odpadních vod vypouštěných do veřejné kanalizace z toho splaškové odpadní vody Počet 329,1 mil. m 3 průmyslové a ostatní odpadní vody 158,5 mil. m 3 Průměrná denní produkce splaškových vod Stočné 104 l/obyv.den 13 599 mil. Kč Průměrná výše stočného 27,88 Kč/m 3 3
Požadovaná kvalita odtoku z ČOV Emisní standardy ukazatelů přípustného znečištění odpadních vod Kategorie ČOV CHSK Cr BSK 5 NL N-NH 4 (EO) 1) 7) p 3) m 4) p 3) m 4) p 3) m 4) průměr 5) m 4), 6) průměr 5) m 4), 6) průměr 5) m 4) + N celk 2), 8), 9) < 500 11) 150 220 40 80 50 80 - - - - - - 500-2 000 125 180 30 60 40 70 20 40 - - - - 2 001 10 000 120 170 25 50 30 60 15 30 - - 3 10) 8 10) 10 001 100 000 90 130 20 40 25 50 - - 15 30 2 6 > 100 000 75 125 15 30 20 40 - - 10 20 1 3 P celk. 9) Přípustná minimální účinnost čištění vypouštěných OV Kategorie ČOV (EO) CHSK Cr BSK 5 + N-NH 4 3) N celk P celk < 500 4) 70 80 - - - 500-2 000 70 80 50 - - 2 001 10 000 75 85 60-70 5) 10 001 100 000 75 85-70 80 > 100 000 75 85-70 80 4
Požadovaná kvalita odtoku nejlepší dostupné technologie Dosažitelné hodnoty koncentrací a účinností pro jednotlivé ukazatele znečištění při použití nejlepší dostupné technologie v oblasti zneškodňování městských odpadních vod jedná se o nejpřísnější hodnoty na odtoku z ČOV, které lze v současné době požadovat Kategorie ČOV (EO) CHSK BSK5 NL N-NH4 Nc Pc koncentrace účinnost koncentrace účinnost koncentrace koncentrace účinnost koncentrace účinnost koncentrace účinnost p (mg/l) m (mg/l) % p (mg/l) m (mg/l) % p (mg/l) m (mg/l) p (mg/l) m (mg/l) % p (mg/l) m (mg/l) % p (mg/l) m (mg/l) % < 500 110 170 75 30 50 85 40 60 - - - - - - - - - 500-2000 75 140 75 22 30 85 25 30 12 20 75 - - - - - - 2001-10 000 70 120 80 18 25 90 20 30 8 15 80 - - - 2 5 75 10 001-100 000 60 100 80 14 20 90 18 25 - - - 14 25 70 1,5 3 80 > 100 000 55 90 85 10 15 95 14 20 - - - 10 16 75 0,7 2 85 5
Výběr vhodné technologie pro vodní linku Procesy denitrifikace a biologického odstraňování fosforu si částečně konkurují při spotřebě lehce rozložitelného substrátu Biologické odstraňování fosforu navrhujeme při především při vysoké vstupní koncentraci znečištění, protože požadovanou koncentraci fosforu na odtoku získáme bez větších problémů pomocí chemického srážení Dosažení průměrné roční koncentrace 10 mg/l celkového dusíku na odtoku u splaškových vod s vyšší koncentrací vstupního znečištění není lehce dosažitelné s běžně používanými systémy typu D - N, popř. R D N Zvyšování recirkulace nad 200 % již nepřináší dostatečný efekt na odstraňování dusíku, proto je vhodné používat jiný technologický proces 6
Vhodné technologie čištění odpadních vod Požadovaný stupeň denitrifikace mohou dosáhnout následující aktivační systémy: oběhová aktivace kaskádové systémy (ALPHA, DRDN) systémy s alternativní aerací systémy s alternativním hydraulickým nátokem - (typ Bio-Denitro, Bio-Denipho) SBR systém systémy s terciární (post)denitrifikací reaktory se zvýšeným výkonem na objem nádrže Membránové reaktory Reaktory s pohyblivým ložem 7
Dopad nízké odtokové koncentrace Nc na technologii čištění Jednotlivé technologie čištění mají technicko ekonomická omezení, která předurčují oblast vhodnosti jejich použití Systémy s předřazenou denitrifikací (D-N, R-D-N) jsou omezeny maximální celkovou recirkulací, která obvykle nepřevyšuje 300%, maximálně dosažitelný efekt denitrifikace je pak 75 % Kaskádové systémy mají obdobné omezení Oběhovou aktivaci a systém Biodenitro recirkulace neomezuje, obvykle však vyžadují mírně zvýšený objem nádrží V případě použití externího substrátu může být výhodná následná denitrifikace v aktivaci nebo biofiltrech 8
Dopad nízké odtokové koncentrace Pc na technologii čištění Proces biologického odstraňování fosforu má svá omezení a chemické simultánní srážení rovněž není ve všech případech všelékem Při použití simultánního srážení zůstává zachycen chemický kal v aktivovaném kalu, přičemž snižuje jeho stáří Pokles aerobního stáří kalu je nutné eliminovat zvětšeným objemem aktivačních nádrží. V případě požadované zbytkové koncentrace Pc výrazně pod 1 mg/l je výhodné použít následné srážení Následné srážení je vhodným řešením i při čištění průmyslových odpadních vod a to v případě výrazně odlišného poměru BSK5/Pc v porovnání se složením splaškových odpadních vod 9
Externí substrát a následná denitrifikace Pro dosažení odtokových limitů může být výhodné použití následné denitrifikace Denitrifikační filtry s dávkováním externího substrátu metanolu jsou navrhovány s specifickou dávkou CHSK cca 4,6 4,8 mg CHSK/mg N-NO 3 Nižší specifická dávka substrátu je v důsledku nižšího koeficientu produkce biomasy (rozpuštěný substrát) Následnou denitrifikaci lze snadno uřídit dávkou substrátu na základě odtokové koncentrace N-NO 3 10
Dávkování externího substrátu Externí substrát musí splňovat určitá kritéria, jako je stálost složení, neměnnost fyzikálních vlastností apod. Výhodné jsou mrazuvzdorné kapaliny Jako externí substrát lze použít jak průmyslově vyráběnou sloučeninu, tak i odpadní produkt z jiné výroby Externí substrát by měl mít stálou kvalitu a složení, které zajistí neměnnost jeho fyzikálně chemických vlastností Externí substrát musí být především lehce biologicky rozložitelný a pokud možno levný Z průmyslově dodávaných chemikálií, které jsou obvykle k dispozici, byly vybrány následující 3 lehce rozložitelné organické látky: metylalkohol má specifickou hodnotu CHSK=1,5 kg CHSK/kg a hustotu 792 kg/m 3, manipulace s ním je vázána zvláštními předpisy etylalkohol má specifickou hodnotu CHSK=2,08 kg CHSK/kg a hustotu 789 kg/m 3 Brenntaplus VP má CHSK ve výši 1 000 000 mg/l, hustotu 1,2 g/cm3,, látka je směs alkoholů, cukrů a proteinů a je čerpatelná do -15 C 11
Dopad na investiční náklady Zvýšené odstraňování N Investiční náklady na výstavbu dodatečných objemů aktivace (nitrifikace i denitrifikace), Investiční náklady na výstavbu spojovacích potrubí, přeložky sítí, konečné úpravy, Investiční náklady na technologickou část, a to zejména na dmychadla a jejich řídící systém, míchadla denitrifikace, čerpadla interní recirkulace, elektročást včetně připojení na řídící systém (SŘTP), analyzátory Investiční náklady na vyvolané investice, které jsou na jednotlivých lokalitách individuálně závislé na stavu a vybavení lokality (možná potřeba posílení separace aktivovaného kalu, - další dosazovací nádrže, dodatečná kapacita kalového hospodářství, apod.). Dokonalé řízení procesu pomocí on-line analyzátorů umožňuje snížení objemu nádrží 12
Dopad na provozní náklady Zvýšené odstraňování N Provozní náklady na elektrickou energii spotřebovanou dmychadly aeračního systému, míchadly denitrifikace, čerpadly interní recirkulace apod. Vyvolané provozní náklady (obsluha, elektrická energie, polyflokulant) zvýšením produkce přebytečného kalu a následně vyvolané provozní náklady na např. čerpání, míchání, ohřev, zpracování kalu, likvidace kalu, ale i na nově instalované kapacity (separace, odvodnění apod.), Úhrnné provozní náklady pak zahrnují i finanční náklady (odpisy, apod.), tento náklad se pak musí promítnout do zvýšené ceny služby provozní organizace, tj. do stočného 13
Důvody pro osazení analyzátorů na ČOV 1) Priorita č.1 - zajistit plnění odtokových limitů v případech plného naplnění kapacity ČOV, tj. především koncentrací N-NH 4 a N tot 2) Priorita č.2 minimalizace dávkování externího substrátu 3) Priorita č.3 spotřeba elektrické energie na provzdušňování 4) Zajištění vyšší technologické úrovně řízení ČOV Klasická analytická kontrola funkce ČOV informuje o stavu čistícího procesu zpětně Zpětná analytická kontrola neumožňuje přímé řízení procesu čištění Pro řízení procesu čištění je nezbytné: Znát okamžitý stav v jednotlivých reaktorech (koncentrace a formy dusíku apod.) Vědět jak řídit proces Mít k řízení procesu prostředky možnost měnit velikost recirkulace, dávku substrátu, intenzitu aerace, dobu aerace atd. 14
SBR reaktor - Prostějov 15
Membránový bioreaktor 16
Příklad dávkování externího substrátu 17
A co kaly? Základní charakteristika kalů 1-2% objemu čištěných vod 50-80% znečištění 50% provozních nákladů 30-40% výtěžnosti energie Možnosti finálního zpracování Zemědělství, rekultivace, kompost Skládka už ne dlouho Termické procesy budoucnost?? 18
Souhrnná kalová bilance Produkci kalů nelze zabránit Požadavky na vyšší kvalitu vypouštěné vody obvykle zvyšují množství produkovaných kalů. Teoretickou produkci kalu lze přibližně vypočítat na základě přivedeného znečištění a znalosti technologie čištění odpadních vod a stabilizace kalů Teoretická produkce nestabilizovaného kalu se pohybuje okolo hodnoty 56 g/ekvivalentního obyvatele a den Biologická stabilizace kalu snižuje jeho produkci, protože část organické hmoty se přemění na bioplyn, popř. se zoxiduje při aerobní stabilizaci Publikované údaje za rok 2011 dokumentují následující způsoby odstraňování kalů: přímá aplikace na půdu a rekultivace 61 750 t/sušiny.rok kompostování 45 985 t/sušiny.rok skládkování 9 527 t/sušiny.rok Spalování 3 538 t/sušiny.rok jinak 43 018 t/sušiny.rok Celkem 163 818 t/sušiny.rok 19
Souhrnná kalová bilance 26% 2% 6% 38% přímá aplikace na půdu a rekultivace kompostování skládkování Spalování jinak 28% 20
Podmínky kalového hospodářství Soulad s legislativou čekání na zásadní novelu v EU i v ČR Veřejná přijatelnost!!! Přijatelnost z hlediska ŽP Technická spolehlivost Cenová dostupnost Maximální využití potenciálu kalu Trvalá udržitelnost řešení 21
Příprava nového zákona o odpadech Nový zákon o odpadech je již v přípravě (MŽP ČR) Motivace více recyklovat nebo energeticky využívat odpady (biomasu) Orientace neskládkovat komunální a biologické odpady neskládkovat od roku 2025 Jako motivace má sloužit zvýšení poplatku za skládkování, problém je ve skutečnosti, že se v ČR stabilizovaný kal skládkuje pouze málo Poplatek se bude zvyšovat (až na 2 900 Kč v roce 2025), rozhodnutí v polovině roku 2013 Snaha na zajištění dotace z EU v období po roce 2014 Záměr zahájit a podpořit energetické zpracování odpadů Naše vize kaly z ČOV jsou ideálním odpadem pro tento směr zpracování odpadů 22
Hlavní metody stabilizace kalů Proces Před odvozem stabilizace kalů kalů z čistírny se nesmí odpadních zaměňovat vod s musíme procesem kaly hygienizace nejdříve stabilizovat kalů Před především odvozem s cílem kalů omezení z čistírny jejich odpadních zápachu, vod biologické musíme rozložitelnosti kaly nejdříve stabilizovat a především mikrobiálního s cílem oživení. omezení jejich zápachu, biologické rozložitelnosti a mikrobiálního Pro stabilizaci kalů oživení. máme k dispozici několik hlavních metod, jejichž použití Pro závisí stabilizaci jak na technologii kalů máme čištění k dispozici odpadních několik vod, hlavních tak i na metod, velikosti jejichž vlastní použití čistírny. závisí Oddělená jak na aerobní technologii stabilizace čištění kalů odpadních vod, tak i na velikosti vlastní čistírny. Oddělená Termofilní aerobní stabilizace kalů Termofilní aerobní stabilizace kalů Se vzduchem S kyslíkem Anaerobní stabilizace kalů Při mezofilní teplotě Při termofilní teplotě 23
Hlavní možnosti využití stabilizovaných kalů Recyklace stabilizovaných kalů Rekultivace skládek a přímé hnojení zemědělské půdy Kompostování a využití kompostů na zemědělské půdě Energokomposty a jejich následné spalování Destrukční metody Spalování odvodněného kalu Sušení kalu Spalování usušeného kalu Pyrolýza usušeného kalu Zplyňování usušeného kalu 24
Stabilizace kalů 25
26
27
28
29
Přehled produkce bioplynu z jednotlivých zdrojů rok 2010 Počet zařízení na výrobu elektřiny Instalovaný elektrický výkon (kw) Hrubá výroba elektřiny (MWh) Vlastní spotřeba včetně ztrát (MWh) Dodávka do sítě (MWh) Přímé dodávky (MWh) Komunální ČOV 76 17 767 85 002,1 69 001,9 16 000,2 0 Průmyslové ČOV 9 1 349 4 971 4 295,2 675,8 0 Zemědělské bioplynové stanice 196 74 990 447 423,6 49 645,5 392 861,0 4 917,1 Skládkový plyn 84 23 778 97 265,3 9 214,3 87 971,0 80,0 Celkem 365 117 884 634 662,0 132 156,9 497 507,9 4 997,2 30
Souhrn 1 Zvolená varianta nakládání s kalem z čistíren splaškových odpadních vod musí zamezit znečišťování ovzduší, vody a půdy Vzhledem ke komplexní ochraně životního prostředí by měla zamezit možnosti přenosu látek obsažených v kalu do potravinového řetězce a v neposlední řadě i zamezit možnosti kontaminace životního prostředí organickými rezidui Vzhledem k dlouhodobému charakteru produkce kalů a investiční náročnosti zařízení pro nakládání s kalem čistíren splaškových vod musí být zvolená metoda dlouhodobě použitelná a pro občany i akceptovatelná S ohledem na zamezení možnosti šíření různých nemocí, zpřísňujícími se požadavky EU na ukládání biologicky rozložitelných materiálů na skládky a v neposlední řadě s důrazem na zpřísňující se požadavky na kal používaný v zemědělství a k rekultivacím, bude stále větší procento z produkovaných kalů nesplňovat příslušné legislativní požadavky 31
Souhrn 2 V blízké budoucnosti nastane rozvoj v používání technologií na totální destrukci organické hmoty stabilizovaných kalů, které z různých důvodů nelze uplatnit v zemědělství a při rekultivacích. Sušení odvodněných kalů je nezbytnou předpravou kalů před jejich konečným odstraněním tepelnou destrukcí s výjimkou spalování pouze odvodněných kalů Sušení kalů navíc umožňuje diverzifikaci likvidace úsušků kalů různými metodami, takže producent usušených kalů nebude závislý pouze na jednom odběrateli. Tato nezávislost je z ekonomického i technického a legislativního hlediska vítaná. Sušením kalu a následným energetickým využitím úsušků lze zvýšit procento využití energie obsažené v kalech Kal je obnovitelný zdroj energie a energetické využívání kalů neovlivňuje bilanci CO 2 na Zemi Lze plně pokrýt energetické potřeby nezbytných procesů a produkovat elektrickou energii s možností dosažení soběstačnosti ČOV 32
Současnost - energie na ČOV Čerpání a aerace jsou největšími spotřebiči na ČOV Zpřísňování emisních limitů vede k technologiím (nitrifikace) s vyšší energetickou náročností Zpracování kalů moderními způsoby rovněž zvyšuje energetickou náročnost Stárnutí stokových sítí vede k vyšším objemům čerpané a čištěné vody, tedy ke zvýšení spotřeby elektrické energie Současně roste a nadále poroste cena elektrické energie 33
Výhled do nejbližší budoucnosti Zvyšování cen energií, zvláště pak elektrické bude pokračovat Je nezbytně se orientovat na zdokonalení stávajících technologií Nové projekty budou referovat intenzifikačních opatření na snížení spotřeby energie či její produkci Využití kalu jako biomasy anaerobní stabilizací je základem úspor, ale je principiálně nedokonalé Je potřeba dořešit zpracování kalů do stabilizovaného materiálu 34
Rozvoj nových provozních technologií Snižování uhlíkové stopy se významně obrací k možnostem generovat energii z obnovitelných zdrojů přímo na místě provozování Super ojedinělá příležitost nízkonákladového obnovitelného zdroje produkce biologických kalů na ČOV Dochází ke zcela zásadnímu přehodnocení technologií zpracování kalů z ČOV Jednoznačným trendem bude progresivní generování obnovitelné energie z kalů a využívání tepla z vod 35
Obecné důvody k obavám z nedostatku vody v budoucnosti 1) nedostatek zdrojů vody v důsledku globálních změn klimatu, nárůstu populace, migrace populace, spotřeby vody v průmyslu či v zemědělství 2) nerovnoměrnost zdrojů v ploše (velkých území, dnes již problémy na celých kontinentech 3) ekonomická nedostupnost zdrojů vody 4) V zemích jako USA, JAR, AUS al. roste význam odpadních vod v hydrologické bilanci 5) na odpadní vody se nepohlíží jako na odpad, ale jako na zdroj 36
Hydrologická bilance ČR 37
Současná situace v ČR 1. Relativně nepříznivá situace ve zdrojích 2. vyrovnaná bilance srážek, evapotranspirace a čistého odtoku 3. Nevýznamný přítok povrchové vody 4. Spotřeba vody založena na povrchových zdrojích, omezená obnovitelnost zdrojů podzemní vody 5. Napětí v bilanci ve zdrojích přijatelné, především díky nižší potřebě (jímání) 6. Rostoucí úloha ceny vody Současné čistírenské technologie včetně metod terciárního čištění dosahují již takové kvality odtoku, že je v podstatě nesmyslné tuto vodu vypouštět přímo do recipientů, kde se získaná vysoká kvalita ztratí bez využití 38
Cena a produkce pitné vody 39
Vývoj i v terminologii wastewater wastewater treatment vyčištěná voda used water wastewater reclamation new water 40
Hlavní metody navyšování zdrojů sladké vody odsolování mořské vody není vhodné pro ČR dálkový přenos (doprava) není odkud zvyšování retence srážkové vody v krajině výstavba přehrad naráží na odpor zelených částečné jímání (vsakování) v nových sídlištích šetření vodou velký potenciál zejména u ztrát v rozvodných sítích (běžně až do 30 %) opětovné používání odpadních vod 41
Přehled spolupráce Sweco Hydroprojekt - Sasko Návrh ochranných pásem v povodí systému německých vodárenských nádrží Klingenberg- Lehnmühle na českém území (2004-2005) Vorschlag der Schutzzonen für das Einzugsgebiet des deutschen Trinkwassertalsperrensystems Klingenberg-Lehnmühle auf tschechischem Gebiet (2004-2005) Návrh ochranných pásem v povodí německé vodárenské nádrže Rauschenbach na českém území (2005-2006) Vorschlag der Schutzzonen für das Einzugsgebiet der deutschen Trinkwassertalsperre Rauschenbach auf tschechischem Gebiet (2005-2006) Aktualizace podkladů pro řízení o stanovení ochranných pásem pro povodí vodárenských nádrží Rauschenbach a Lehnmühle na českém území (2011) Aktualisierung der Grundlagen für das Festsetzungverfahren der Schutzzonen für die Einzugsgebiete der Trinkwassertalsperren Rauschenbach und Lehnmühle auf tschechischem Territorium (2011) objednatel: 42
Obsah studií: - analýza povodí a možných ohrožení jakosti vody - vymezení ochranných pásem a návrhy opatření - výpis parcel a zákres do katastrálních map - projednání s úřady a zajištění dokumentace pro řízení 43
Podle zpracovaných dokumentací byla ochranná pásma stanovena v roce 2011 Krajským úřadem Ústeckého kraje 44
Děkuji za pozornost! 45