Stabilizace čistírenských kalů čistým kyslíkem – provozní praxe a zkušenosti

Stoupající počet mechanicko-biologických čistíren odpadních vod (dále jen ČOV), jako důsledek zpřísňujících se požadavků na ochranu povrchových vod sebou přináší stále větší produkci přebytečného biologického kalu. Surový přebytečný kal je pro jeho reaktivitu nutné před konečným dalším využitím (s výjimkou spalování), upravit - stabilizovat.

Velké čistírny odpadních vod jsou vybaveny technologicky zvládnutými a nepřetržitě modernizovanými postupy zpracování přebytečného kalu, založenými převážně na anaerobním zpracování s produkcí bioplynu, ale u menších ČOV (zde jsou míněny objekty, kde se nevyplatí výroba bioplynu spalovaného na kogeneračních jednotkách nebo jinak efektivně využívaného), byla do nedávna věnována této problematice pouze okrajová pozornost technologů. Teprve zvyšující se nároky na hygienické vlastnosti upraveného kalu pro využití v zemědělství nebo jinde pro aplikaci do půdy, zakotvené v legislativě, na straně jedné a zákaz skládkování odvodněných čistírenských kalů na straně druhé, byly důvodem ke hledání nových cest úpravy - stabilizace, případně hygienizace čistírenských kalů a nebo zmenšení jejich produkovaného objemu. Konečné mantinely, ve kterých se může projektant nebo provozovatel ČOV pohybovat jsou obecně dány především dvěma zákony, včetně prováděcích vyhlášek k těmto zákonům:

1. Zákon o odpadech v posledním znění, včetně doplňujících vyhlášek

2. Zákon o ochraně ovzduší

První z uvedených legislativních norem definuje požadavky na kvalitu konečného produktu - upraveného kalu, jako podmínku dalšího využití. Z pohledu na možnost ovlivnění vlastností produkovaného kalu technologickou linkou ČOV jsou to především hygienické vlastnosti. Druhá z uvedených legislativních norem definuje možné omezující podmínky pro využitelné technologické procesy a některé dříve využívané postupy, obrazně řečeno „staví mimo zákon" nebo u nich vyžaduje taková technologická opatření, která je v konkurenci s ostatními metodami zpracování prakticky diskvalifikují (zde je míněna především aplikace nehašeného vápna - CaO na odvodněný stabilizovaný kal bez zajištění eliminace vznikajícího amoniaku). K tomu všemu je nutno ještě přičíst stále se zvyšující ceny zastavěné plochy, které znevýhodňují některé starší extenzivní metody zpracování kalů - například prosté, dlouhodobé uskladnění a stoupající ceny za odběr stabilizovaného kalu z ČOV subjekty, které se zabývají jeho konečným zpracováním (např. výroba substrátů, rekultivace nebo přímá aplikace na půdu). Metodou stabilizace přebytečného kalu z mechanicko-biologických ČOV, která se snaží ekonomicky a hlavně  technologicky efektivně řešit veškeré výše naznačené problémy se zabývá tento dokument. Jedná se o technologii stabilizace čistírenských kalů čistým kyslíkem, technologií OSS - oxyterm sludge systém® (dále jen technologie OSS), která byla vyvinuta technology VAS, a.s. a poprvé byla provozně aplikována před sedmi lety na ČOV Tetčice (asi 20 km od Brna, kapacita jednotky - 18000 EO) ve spolupráci s firmou FORTEX-AGS, a.s. Šumperk, jako dodavatelem.

Základní informace o stabilizaci čistírenských kalů čistým kyslíkem

Využití čistého kyslíku ke stabilizaci čistírenských kalů nebo kejdy bylo studováno na řadě zahraničních ČOV a na výzkumné úrovni i u nás již od sedmdesátých let minulého století. Řada těchto prací doznala ojediněle i provozního uplatnění, jak je zřejmé například z materiálů firmy AIR PRODUCTS (1), ale přes to, že je ekonomika tohoto postupu zjevná, jak je uvedeno v citovaném materiálu (úspora energie proti vzduchu až 60% na kalové koncovce a až 20 % na celé ČOV), nedařilo se především z důvodu různých provozních problémů tento postup dovést do života schopného stavu a více rozšířit. Jednu z možných příčin tohoto stavu lze spatřovat například také v realizacích alternativní technologie, autotermní termofilní aerobní stabilizace (ATAS), vyvinuté v Německu v osmdesátých letech pro ČOV produkující přebytečný kal s průměrným obsahem organického podílu nad 70 % (jako ztráta žíháním) a využívající aeraci vzduchem. Tato technologie nabízí při splnění podmínečných vlastností surového kalu současně i hygienizaci v termofilním prostředí (50 - 60 °C) a byla již dříve realizována na řadě ČOV v Německu i jinde. Vlastnosti tohoto procesu jsou blíže popsány v patentové literatuře nebo například v periodiku Korrespondenz Abwasser (2, 3).

Po rekonstrukcích ČOV na systémy pracující s nízkým zatížením kalu a garantující tak zvýšenou účinnost odstraňování dusíku, však produkovaný surový kal s organickým podílem 65 % a méně,nemůže většinou splnit vstupní podmínky tohoto procesu. Teplo uvolněné při aerobní stabilizaci exotermními procesy za použití vzduchu, nestačí potom ohřát izolovaný reaktor na potřebnou hygienizační teplotu nad 55 °C (4) a zároveň kompenzovat tepelné ztráty způsobené odpařováním vody do nevyužité vzdušniny, hlavně balastního dusíku. Málo efektivní jsou i řešení s využitím vřazených výměníků nebo jiná řešení, například vícestupňová uspořádání. Výsledkem potom je většinou nedosažení potřebné teploty (nad 55 °C) nebo její neudržení po dobu potřebnou k efektivní stabilizaci kalu a důsledkem je pak většinou obtížně odvodnitelný kal. Problémem, který je nutno technologicky řešit je v těchto případech také značná tvorba pěny, ke které jsou obecně podobné systémy náchylné. V ČR byl z tohoto důvodu v letech 1999 - 2001 zahájen na půdě VAS, a.s. experiment, jehož cílem bylo ověření použití metody autotermní termofilní aerobní stabilizace (ATAS), s využitím čistého kyslíku pro stabilizaci a hygienizaci kalu. První výsledky byly publikovány na konferenci „Kaly a odpady ´02" (5) v roce 2002. Na této konferenci byly publikovány také předpoklady možností této metody a první kvalifikované odhady ekonomiky tohoto procesu. Po vyhodnocení rozsáhlých zkoušek, následně provedených na poloprovozním zařízení s kapacitou asi 700 EO z velké části financovaného firmou FORTEX-AGS, a.s. Šumperk, které proběhly v letech 2003 - 2004, byl vypracován komplexní koncept moderní, automaticky řízené kalové koncovky, původně uvažovaný pro ČOV s kapacitou asi 3 000 - 35 000 EO, který kromě řady technologických operací úpravy kalu obsahuje i autotermní termofilní aerobní reaktor, pracující s teplotou v rozmezí 55 - 62 0C, vyhřívaný biologicky zprostředkovanou oxidací části stabilizované biomasy čistým kyslíkem. Toto řešení, nabízené pod chráněným označením OSS - oxyterm sludge systém® (6) netrpí většinou výše naznačených nedostatků technologie využívající aeraci vzduchem a stalo se v různých variantách podkladem pro návrhy a realizaci rekonstrukcí kalového hospodářství již sedmi ČOV v ČR. Jedná se o ČOV: Tetčice - 18 000 EO (03/2006), Mikulov - 25000 EO (09/2009), Brandýs nad Labem - 20 000 EO (12/2009), Moravská Třebová - Linhartice - 20070 EO (10/2011), Bílovice nad Svitavou - 7750 EO (04/2012), Velké Opatovice - 5266 EO (07/2012) a Veverská Bitýška - 6000 EO (12/2012). Princip technologie OSS - oxyterm sludge systém® je naznačen na přiloženém schéma.



ČOV Tetčice - popis a provozní výsledky

ČOV Tetčice je řešena, jako nízko-zatížená aktivace ve dvou oběhových nádržích s předřazeným společným anoxickým selektorem a se simultánním chemickým srážením fosforu před nátokem do dosazovacích nádrží. Odpadní vody jsou na ČOV přiváděny jednotnou kanalizací do které jsou z části napojeny i odpadní vody z potravinářského průmyslu.Projektovaná kapacita ČOV je asi 15000 EO s tím, že pro kalové hospodářství je uvažováno zatížení kalem dováženým z menších ČOV s celkovou kapacitou ještě asi 3000 EO. Podrobný popis této ČOV a provozních výsledků za období 2006 - 2010 lze nalézt v referátu z konference „Kaly a odpady 2010". Zde uvedeme ještě další nové skutečnosti dokreslující vlastnosti této technologie stabilizace kalu a zaměříme se na provozní problémy a výhody. Kalové hospodářství ČOV Tetčice bylo navrženo v roce 2005, jako technologická změna dvou původně navržených kalojemů s předpokládanou prostou aerobní stabilizací vzduchem po dobu asi 40 dní a s následnou hygienizací odvodněného kalu na kategorii I. nehašeným vápnem. Vápnící linka nebyla realizována a nádrže I a III systému OSS byly řešeny, jako otevřené, vložením „do sebe", jako soustředné válce v jednom kompletu, přičemž vnější mezikruží je využito, jako nádrž III. (chladící) a vnitřní nádrž je vstupní vyrovnávací nádrž I. V tomto řešení byla spatřována výhoda hospodaření s teplem uvolněným při chlazení stabilizovaného kalu v nádrži III. Druhá z původních navržených nádrží byla tepelně izolována, zakryta a je využita jako vlastní reaktor sycený kyslíkem. Provozní zkušenosti ukázaly, že není třeba s teplem hospodařit, a že v letních měsících se nádrž I. nevhodně ohřívá a je možné ji látkově přetížit surovým kalem, což vede k nutnosti intenzivnější aerace z důvodu předcházení vzniku zápachu a předčasnému rozkladu kalu v anoxických podmínkách. Toto sice není na škodu provozu vlastního stabilizačního reaktoru, syceného kyslíkem, ale může být při neřešení situace předmětem kritiky okolí. Po dobu prakticky sedmiletého provozu si kalové hospodářství v Tetčicích vyžádalo pouze výměnu membrán v sytící jednotce FORTEX a výměnu oběžného kola recirkulačního čerpadla (využito asi 30 000 hod). Optimální podmínky a rovnoměrnost provozu jsou zajištěny využitím tlakové flotace k zahuštění surového přebytečného kalu, čerpaného přímo z aktivace - optimální řešení. Flotace je v provozu kontinuálně - 24 hod denně a může tak regulovat i sušinu kalu v aktivaci. Provozní výsledky této kalové koncovky jsou sledovány s nadstandardní četností a ve všech možných kontrolních profilech, aby bylo možno vysledovat průběh úbytku organického podílu ve stabilizovaném kalu a jeho celkové sušiny. Toto potom slouží jako standard k posouzení funkce nových realizací.Výsledky provozu kalové koncovky ukazující průběh úbytku sušiny kalu v různých profilech za poslední období jsou shrnuty v přiloženém grafu a stručně ve formě průměrných hodnot uvedeny v následující tabulce.

Z grafického vyjádření provozních hodnot lze kromě jiného vysledovat jistou závislost dosahovaného stupně zahuštění a odvodnění kalu na ročním období. Tento jev pozorujeme i u jiných systémů kalového hospodářství a souvisí s vlastním režimem aktivace. K dosahovaným hygienickým parametrům lze konstatovat, že kategorie I je u stabilizovaného kalu garantovatelná i po delším volném uložení odvodněného stabilizovaného kalu na otevřené deponii, což podle orientačních měření u pasterizovaného kalu nebo kalu zpracovaného procesem Aerotherm nebylo pozorováno.

Následující fotografie ukazuje celkový pohled na ČOV Tetčice.



ČOV Mikulov - popis a provozní výsledky

Technologické řešení ČOV Mikulov je navrženo velmi podobně, jako u ČOV Tetčice včetně způsobu odstraňování fosforu. Kapacita ČOV je dle projektu asi 25000 EO, přičemž se vycházelo z předpokladu většího zatížení v období vinařských kampaní. Samotný Mikulov má asi 8000 obyvatel. Kalové hospodářství je navrženo s kapacitou 25000 - 30000 EO a počítá se s dováženým kalem z jiných ČOV. Napojená kanalizace na ČOV je jednotná. Toto řešení je méně vhodné - kolísá sušina. Surový přebytečný kal je odebírán v jedné směně z recirkulačního okruhu a zahušťován na sítovém pásovém zahušťovači. Provoz kalové koncovky s kyslíkem byl zahájen ve třetím čtvrtletí 2009. Vzhledem k tomu, že do posledního okamžiku před realizací stavby nebyla definitivně schválena původně navržená koncepce kalové koncovky s kyslíkem, byla dodavatelsky řešena zvláště realizace reaktoru a zvláště realizace ostatních periferií. Toto vedlo v počáteční fázi zkušebního provozu k technickým problémům a k nutnosti provedení drobných úprav na potrubních linkách. Vlastní proces spuštění a zapracování termofilní stabilizace však nebyl narušen. Během vlastního provozu byla bez větších problémů ověřována možnost provozu této jednotky s minimálním zatížením kalem, odpovídajícím kapacitě asi 12000 EO. Provozní výsledky z monitoringu a laboratorní výsledky lze dokumentovat na přiložených grafech a v tabulce.


Ukázka z monitoringu procesu stabilizace v Mikulově informuje o průběhu teploty v reaktoru, průběžné spotřebě kyslíku a o stavu náplně v reaktoru. Záznam kolísání a pomalého poklesu hladiny v reaktoru v průběhu dne signalizuje poruchu tenzometrického čidla, které je před avizovanou výměnou.


ČOV Brandýs nad Labem - popis a provozní výsledky

ČOV Brandýs nad Labem je po technologické stránce řešena, jako modifikovaný R-D-N systém aktivace se simultánním srážením fosforu.Technické řešení je značně podřízeno požadavku maximálního využití původních objektů ČOV před rekonstrukcí. Technologická linka čistírny i kalové koncovky proto obsahuje značný počet různých malých nádrží, pro které bylo nutné hledat smysluplné využití. Z tohoto důvodu bylo nutné speciálně modifikovat i řídicí systém kalové koncovky OSS, která byla realizována místo původní anaerobní stabilizace. Metanizační nádrže byly přebudovány na dvojici paralelně pracujících reaktorů systému OSS, staré uskladňovací nádrže byly využity pro svážený kal a vybaveny provzdušňováním. Nově byly vybudovány nádrže UN1 a UN3 sytému. Zahuštění kalu je řešeno tlakovou flotací s čerpáním surového přebytečného kalu z regenerační nádrže.  Projektovaná kapacita ČOV je asi 20000 EO a kapacita kalového hospodářství je 20000 - 25000 EO. Je zřejmé, že se i zde počítá s dovozem kalu z několika menších ČOV. Odpadní vody jsou na ČOV přiváděny jednotnou kanalizací. Kalové hospodářství je v provozu od prosince 2009. V přiložené tabulce jsou uvedeny poslední dostupné sumarizované výsledky, graf ukazuje průběh funkce reaktorů a na přiložené fotografii je pohled na upravené reaktory a odpařovací jednotku kyslíku.




ČOV Moravská Třebová, Linhartice - popis

ČOV Moravská Třebová - Linhartice je řešena ve dvou linkách, jako nízko - zatížená oběhová aktivace se simultánním srážením fosforu. Biologický stupeň a kalové hospodářství byly vybudovány zcela nové, z původní ČOV zůstaly vstupní čerpací stanice a mechanický stupeň s drobnými úpravami. Kapacita ČOV je dle projektu asi 20070 EO. Této kapacitě odpovídá s rezervou pro svážený kal i kapacita reaktoru systému OSS. Přebytečný surový kal je čerpán na bubnový sítový zahušťovač z recirkulačního okruhu vratného kalu. Kalové hospodářství této ČOV bylo uvedeno do provozu v listopadu 2011 a v první fázi muselo řešit starý uskladněný kal. Reaktor podle posledních výsledků dosahoval sušinu odvodněného kalu 40 %. Z průběhu zapracování a záznamu parametrů reaktoru lze předpokládat, že systém pracoval dobře a podle předpokladů. Na přiloženém grafu je ukázka záznamu technologických parametrů procesu stabilizace a na přiložené fotografii je pohled na kalové hospodářství včetně kryté deponie.




Závěr

Od publikování závěrů z vyhodnocení prvního funkčního procesu autotermní aerobní termofilní stabilizace a hygienizace kalu z biologických ČOV v ČR, využívajícího k oxidaci čistý kyslík, uplynulo prakticky 11 let a na prvních technologických a ekonomických prognózách o možnostech této technologie, založené na navrženém principu vedení procesu není co měnit. Čtyři bez problémů provozované ČOV s kapacitou kolem 20000 EO, nejstarší je v provozu 7 let, s prokazatelně dobrými ekonomickými výsledky jsou podle našeho názoru pádným argumentem pro tvrzení, že se jedná o technologii ověřenou. Od zahájení provozu první z komunálních ČOV s touto technologií byla zpracována a diskutována řada ekonomických kalkulací, které se snaží tuto technologii hodnotit. V tomto textu není záměrně uvedena žádná kalkulace, protože jak investiční, tak provozní náklady lze různě specifikovat podle účelu, který je sledován. Pro to, aby si mohl každý vytvořit svůj vlastní závěr, zde uvedeme pouze ta fakta, která považujeme za jednoznačně doložená.1. Výše investičních nákladů na realizaci technologie OSS je srovnatelná s jakoukoliv alternativní technologií, která zajistí srovnatelnou kvalitu produkovaného kalu v hygienických parametrech nebo nižší. Výhodou je možnost realizace menších jednotek.2. Celkové provozní náklady jsou přibližně o 15 % nižší než u běžné aerobní stabilizace kalu s dobou zdržení v běžném řešení, tedy 30 - 40 dní a objektivně mnohem nižší než u kompostování surového přebytečného kalu v kompostárně na ČOV. Z ekologických i ekonomických důvodů už nemá smysl uvažovat s vápněním.3. Ve světle předvídatelného vývoje legislativy je kal kategorie I. prakticky jedinou možností pro přímou aplikaci do půdy.4. Velikost nejmenší reálné jednotky OSS je ze spodní hranice efektivity dána pouze stavem, kdy je investice do strojního zahuštění surového kalu nižší než do stavby potřebného objemu uskladňovacích nádrží na kal zahuštěný gravitačně při předpokladu doby zdržení asi 40 dní a sušině asi 3,0 % (asi 3000 - 4000 EO).5. Technologie s využitím čistého kyslíku je technicky i provozně jednodušší než často uváděná technologie ATAS s využitím vzduchu a přináší navíc ve vazbě na technologickou linku celé ČOV řadu výhod, především umožňuje stabilizovat a hygienizovat kal s výrazně nižším obsahem organiky (ověřeno od 45 % ZŽ).Pro úplnost je ještě třeba vyvrátit několik nepravdivých mýtů, které jsou v souvislosti s technologií OSS často šířeny při různých příležitostech i na odborných akcích a zjevně vycházejí ze spekulací nebo ze subjektivního názoru založeného na nedostatečné informovanosti a znalosti problematiky.1. Není pravda, že čistý kyslík je pro běžné využití v širším měřítku příliš drahý. Zde je nutno uvést, že ve výše uvedených provozních nákladech je započtena cena kyslíku, za kterou byl donedávna dodáván (2,60 Kč/kg). Současné nabídkové ceny kapalného kyslíku jsou sice podle typu smlouvy nabízeny vyšší až o 1,00 Kč/kg včetně dopravy na místo, ale stále jsou celkové náklady na zpracování přebytečného kalu srovnatelné s ostatními běžnými metodami zpracování. Pro srovnání s využitím vzduchu je třeba také uvést, že podle nezávislých firemních informací dvou významných dodavatelů kapalného kyslíku je náklad na rozpuštění 1 kg kyslíku z čistého plynu ve vodě, při běžné teplotě asi o 35 % nižší na spotřebu elektrické energie než ze vzduchu. Pro teploty stabilizace v intervalu 55 - 60 °C nejsou data dostupná, ale při srovnání rozpustnosti kyslíku v tomto prostředí je zřejmé, že rozdíl bude významnější.2. Není pravda, že proces s využitím kyslíku je příliš komplikovaný. Všechny realizované provozy obsluhují bez problémů pracovníci, kteří na čistírnách pracovali dříve. Řídicí systém je podobně náročný, jako běžné nastavení provozních hodnot na standardní ČOV s odstraňováním dusíku nebo jednodušší. Navíc je zajištěna on line ze strany dodavatele odborná podpora.3. Nárůst cen kyslíku v poslední době otvírá znovu otázku přípravy kyslíku přímo na místě zpracování. Toto řešení je již nyní významně investičně levnější než nákup „termosky" s odpařovací a regulační řadou a pokud budou ceny kapalného kyslíku dále na současné hladině (výkyv údajně kvůli nárůstu cen elektrické energie), bude toto řešení i provozně zajímavé.Závěrem je třeba doplnit tuto informaci o často diskutovaný problém s produkovaným zápachem na kalové koncovce systému OSS. Podobně, jako u ostatních procesů stabilizace čistírenských kalů v termofilním prostředí vznikají v reaktoru i při využití čistého kyslíku látky (kapalné povahy), produkující zápach. Míra tohoto zápachu je dána především stripováním při chybně nastavené aeraci nebo pneumatickém míchání horkého kalu vzduchem v chladící nádrži. Pokud jsou dodrženy pokyny v provozním řádu, není míra tohoto zápachu větší než u běžného kalového hospodářství. Aby se však předešlo pochybnostem, jsou nové stavby vybaveny zakrytými nádržemi a desodorizačními filtry. Přes tato opatření však musíme konstatovat, že není zásadní důvod k tvrzení, že technologie s čistým kyslíkem produkuje na rozdíl od ostatních termofilních procesů značný zápach. Do reaktoru je vháněno množství kyslíku podle kapacity v jednotkách až desítkách m3/hod. U technologie ATAS s aerací vzduchem to však jsou tisíce m3/hod. Pro názornost a úplnost informace ještě přikládáme jednoduché srovnání provozních nákladů na prostou stabilizaci vzduchem s náklady na stabilizaci systémem OSS pro ČOV 20000 EO. Uvedená data pocházejí z fakturovaných provozních výdajů konkrétních ČOV a jsou objektivně doložitelná.

 


Pokud bychom sledovali s maximální pečlivostí ekonomiku provozu, nabízí se ještě možnost využití chladící nádrže systému k provozu tepelného čerpadla. Odpadní teplo využitelné při chlazení kalu odcházejícího z procesu představuje přibližně 145 - 160 MJ/1000 EO kapacity ČOV.


Text: Ing. Jan Foller

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
4 + 6 =
Odoslanie formulára

Priemyselné utierky

MEWA - priemyselne_utierky