Zgodnie z aktualnymi prognozami w 2020 roku na polskich oczyszczalniach ścieków będzie powstawać ok. 770.000 Mg suchej masy, czyli prawie 4 miliony metrów sześciennych odwodnionych osadów ściekowych.
Przyczyny tak znaczącego przyrostu masy osadów należy upatrywać w ogromnych inwestycjach w sektorze wodno-ściekowym. Rozbudowa infrastruktury sieci kanalizacyjnej i samych oczyszczalni to istotny wzrost kosztów eksploatacji i amortyzacji, przy czym jednym z najbardziej istotnych czynników, są koszty przeróbki i utylizacji osadów. Warto zatem postawić na dobrą stabilizację, a następnie efektywne odwadnianie i w uzasadnionych przypadkach suszenie osadów, tym tańsze im mniej wody trzeba będzie odparować i im bardziej samowystarczalna energetycznie będzie oczyszczalnia ścieków.
Po pierwsze zapobiegać, czyli dobra stabilizacja osadów
Transponując tę starą zasadę na grunt oczyszczalni winno się dołożyć wszelkich starań, by sucha masa kierowanych do odwadniania osadów była jak najmniejsza. Dobra stabilizacja to solidna podstawa dalszych kroków technologicznych, w wyniku których ilość odpadów, jakimi są osady ściekowe ulega istotnej redukcji. Niestety na wielu naszych oczyszczalniach zawartość części organicznych w suchej masie osadów po węźle stabilizacji kształtuje się na poziomie 65-70%, a są obiekty, gdzie jest jeszcze wyższa. Brak stabilizacji to nie tylko niewykorzystany potencjał energetyczny osadów, ale także problemy z ich odwadnianiem (niska zawartość suchej masy w placku filtracyjnym, duże dawki polielektrolitów, wtórne obciążenie oczyszczalni silnie zanieczyszczonym filtratem, itd.), a także magazynowaniem na terenie oczyszczalni (rozpływające się na placach pryzmy, odory).
Prosty rachunek dla średniej wielkości oczyszczalni, która przykładowo odprowadza w ciągu roku ok. 1.000 Mg suchej masy osadów pokazuje, że obniżenie zawartości części organicznych w wyniku rozkładu materii organicznej w procesie stabilizacji z 80% do 60 %, skutkuje zmniejszeniem ich ilości o blisko 500 Mg/rok, czyli aż o połowę. Źle ustabilizowane osady nie dają się dobrze odwodnić, gdyż zawarta w nich woda jest tzw. wodą związaną, czyli wodą zamkniętą wewnątrz komórek, nie dającą się wycisnąć nawet przy pomocy najbardziej skutecznych urządzeń odwadniających. Dla przytoczonego przykładu słaba redukcja masy organicznej do 65-68% i realne do uzyskania stopnie odwodnienia na poziomie 16-18% suchej masy, oznaczają konieczność ponoszenia kosztów dalszej przeróbki (suszenia, a w przypadku przetwarzania osadów na preparaty nawozowe – wapnowania) ok. 3.200 do nawet 4.000 Mg źle odwodnionych, mazistych i podatnych na zagniwanie osadów. Dla porównania przy dobrej stabilizacji i redukcji organiki do 60% suchej masy oraz znacznie lepszego odwodnienia placka filtracyjnego do 24-25%, do dalszego przetworzenia pozostanie zamiast 4.000 Mg, tylko ok. 2.000 – 2.100 Mg osadów o ziemistej i sypkiej konsystencji. To zasadnicza różnica jakościowa i ilościowa.
Z powyższego, prostego przykładu widać, że podstawą efektywnej i taniej gospodarki osadowej jest dobra stabilizacja, a korzyści są tym większe, im większa jest oczyszczalnia ścieków. Poprzez skuteczny rozkład materii organicznej, do węzła odwadniania, a dalej do mieszania z wapnem lub suszenia może trafiać nawet o połowę mniej osadów. Jeżeli oczyszczalnia posiada zamknięte komory fermentacyjne, dodatkową premią będzie większa produkcja biogazu i wzrost samowystarczalności energetycznej.
Po drugie optymalizować, czyli efektywna dezintegracja osadów nadmiernych
Stosunkowo prostym i skutecznym sposobem na lepszą stabilizację osadów jest ultradźwiękowa dezintegracja osadów nadmiernych w technologii VTA-GSD. Dla nowoprojektowanych obiektów, wprowadzenie dezintegratorów VTA-GSD pozwala na zmniejszenie gabarytów komór fermentacyjnych i tym samym obniżenie ogólnych kosztów inwestycji, a w przypadku już istniejących – na poprawę skuteczności lub dociążenie dodatkowym ładunkiem osadów lub kofermentów.
Dezintegracji, czyli niszczeniu struktur komórkowych, powinno się w zależności od założonych celów poddawać od 30% do nawet 100% strumienia osadów nadmiernych. Z reguły jest to 60%. Osady stają się bardziej płynne i łatwiejsze w transporcie, a lepsza wymiana masowa i szybsze procesy hydrolizy i enzymatycznego rozkładu uwolnionych do fazy ciekłej płynów komórkowych powodują, że stopień redukcji masy organicznej zawartej w osadach może ulec poprawie nawet o 25%.
Do tej pory urządzenia do dezintegracji osadów stosowano niemalże wyłącznie na oczyszczalniach ścieków z zamkniętymi komorami fermentacyjnymi, a głównym celem ich wprowadzenia był wzrost produkcji biogazu (nawet do 30%), a także stabilizacja ich pracy poprzez eliminację problemów z pienieniem wywołanym obecnością bakterii nitkowatych. Dezintegrację można stosować także przed otwartymi basenami fermentacyjnymi lub przed komorami stabilizacji tlenowej. W każdym przypadku rozkład materii organicznej zdezintegrowanych osadów nadmiernych będzie następował dużo szybciej.
Reaktory do dezintegracji ultradźwiękowej VTA-GSD
Opatentowane w 2002 roku przez austriacką firmę VTA-Technologie przepływowe reaktory VTA-GSD do ultradźwiękowej dezintegracji osadów nadmiernych, to prosta w eksploatacji i sprawdzona na kilkudziesięciu oczyszczalniach technologia, którą daje się łatwo włączyć w ciąg technologiczny oczyszczalni bez konieczności budowy nowych i kosztownych obiektów.
Cechy wyróżniające technologię i dezintegratory ultradźwiękowe VTA-GSD:
- prosta, bezobsługowa eksploatacja bez zagrożeń od strony wysokich ciśnień i temperatur;
- brak problemów z wtórnym obciążeniem oczyszczalni odciekami o wysokim stężeniu związków azotu i nierozkładalnego CHZT (skutek denaturacji białek zachodzącej podczas termohydrolizy osadów);
- brak części podlegających naturalnemu zużyciu: najdroższe i najważniejsze elementy rektora, jakimi są sonotrody są wykonywane ze specjalistycznego stopu tytanu i mają gwarancję żywotności równą 45.000 godzin (5 lat pracy ciągłej 24 h/d lub 11 lat w systemie 16 h/d i 5 dni w tygodniu)
- najniższe z wszystkich dostępnych na rynku technologii nakłady energetyczne rzędu 0,05-0,08 kWh/kg sm;
- brak jakichkolwiek innych dodatkowych kosztów eksploatacji poza energią elektryczną (instalacja nie potrzebuje żadnych środków chemicznych, gorącej pary, wody do płukania, itd.);
- najkorzystniejsza relacja efektów technologicznych do ceny i kosztów eksploatacji;
- kilkanaście lat doświadczeń i ponad 50 czynnych obiektów referencyjnych, w tym kilka w Polsce.
Na wielu oczyszczalniach koszt wykonania instalacji VTA-GSD zwrócił się ich użytkownikom już po 4-5 latach eksploatacji, a inwestycje najczęściej były poprzedzane trwającymi od 6 do 12 miesięcy testami instalacji pilotowych i rzetelną weryfikacją rzeczywiście uzyskiwanych efektów technologicznych. Poniżej kilka przykładów oczyszczalni ścieków, w których dezintegracja VTA-GSD była jedyną inwestycją w działającym od wielu lat i dobrze opomiarowanym ciągu przeróbki osadów. Tym samym uzyskane i potwierdzone rezultaty na tych obiektach są obiektywną miarą skuteczności dezintegratorów ultradźwiękowych VTA-GSD :
- Oczyszczalnia ścieków Villach (Austria)
Dezintegracja 30 % strumienia osadów nadmiernych; wzrost produkcji biogazu na poziomie 18,5%; oszczędności na kosztach odwadniania: 10-18%, ubytek masy osadów: 6%.
Instalacja funkcjonuje od 2003 roku. Zwrot kosztów inwestycji po 4,5 roku. Oscylatory wymieniono po 85.000 godzinach pracy.
- Oczyszczalnia ścieków Roth (Niemcy)
Dezintegracji jest poddawanych 100% osadów nadmiernych; wzrost produkcji biogazu: 29%; ubytek masy osadów: 11%. Instalacja pracuje od 2011 roku. Okres zwrotu inwestycji: 5 lat.
- Oczyszczalnia ścieków Miltenberg (Niemcy)
Wzrost produkcji biogazu: 13-29%, ubytek masy osadów: 12,5%; Instalacja pracuje od 2002 roku. Czas zwrotu inwestycji: 4 lata. Oscylatory wymieniono po 10 latach eksploatacji instalacji.
Zrealizowane lub będące w fazie realizacji instalacje w Polsce:
- Gorzów Wielkopolski, Chełm, Lublin, Węgrów, Lubartów, Garwolin
Fot. 1: Instalacja do dezintegracji ultradźwiękowej VTA-GSD na Oczyszczalni Ścieków w Gorzowie Wielkopolskim. Rok oddania do eksploatacji: 2014.
Fot. 2: Sonotrody GSD po 6.000 h pracy, Oczyszczalnia Ścieków Hajdów w Lublinie.
Fot. 3: Obraz mikroskopowy osadów nadmiernych przed i po dezintegracji VTA-GSD (żywy preparat 100-krotne powiększenie). Liczne nitki bakterii Microthrix i ich fragmentacja w wyniku działania ultradźwięków.
Po trzecie efektywnie odwadniać, czyli zalety pras ślimakowych IEA
Pierwsze prasy ślimakowe pojawiły się na europejskim i polskim rynku w latach 90-tych ubiegłego wieku i szybko z powodu dość słabych efektów przegrały konkurencję z prasami taśmowymi i wirówkami. Prasy IEA to urządzenia XXI wieku, które dzięki hydrodynamicznym warunkom prowadzenia procesu odwadniania, zbliżonym do pras membranowych i tłokowych, uzyskują równie wysokie stopnie odwodnienia osadów, tj. są w stanie wycisnąć z osadów całą uwolnioną pod działaniem polielektrolitów wodę. Ich zaletą jest praktycznie bezobsługowa praca, a także niskie koszty eksploatacji.
Produkowane w Austrii prasy ślimakowe IEA przez ostatnich 15 lat zostały zainstalowane na ponad 300 oczyszczalniach ścieków w różnych krajach europejskich (głównie Austria, Szwajcaria, Niemcy kraje skandynawskie), a w 2017 roku pierwsze egzemplarze rozpoczęły swoją pracę także i w Polsce. Dzięki pracy w przepływie, zamkniętej budowie, zautomatyzowanej, bezobsługowej pracy i niskim zużyciu energii elektrycznej, łączą w sobie najważniejsze zalety wszystkich dostępnych na rynku urządzeń odwadniających. Są to urządzenia wolnoobrotowe (obroty ślimaka poniżej 1obr./min), a zatem bardzo trwałe, o konstrukcji i kosztu sitowym obliczonych na kilkanaście lat eksploatacji. Poza uszczelnieniem ślimaka nie mają żadnych części podlegających naturalnemu zużyciu. Uszczelnienie może być samodzielnie wymieniane przez obsługę oczyszczalni w prosty sposób, poprzez demontaż elementów dzielonego na segmenty w pionie i poziomie kosza sitowego, bez konieczności wyjmowania ślimaka z prasy. Bęben, ślimak i wszystkie elementy mające kontakt z osadami są wykonywane z wysokogatunkowej stali nierdzewnej, dodatkowo pasywowanej w kąpieli kwaśnej. Prasy ślimakowe IEA produkowane w całej gamie wielkości, o wydajnościach od jednego do kilkudziesięciu m3/h.
Zalety pras ślimakowych IEA:
- wysokie stopnie odwodnienia z gwarancją usunięcia z osadów całej wolnej wody i wody półzwiązanej uwalnianej pod działaniem polielektrolitów (20 – 40 % s.m.);
- niskie zużycie energii elektrycznej (moc przyłączeniowa pras wraz z mieszaczem od 0,4 do max. 7,5 kW);
- niewielkie zużycie wody do płukania nie przekraczające 1-2 m3/d;
- automatyczny system płuczący WIP, umożliwiający płukanie sita bez przerywania procesu odwadniania z napędem całkowicie odizolowanym od strefy mokrej;
- czysty filtrat;
- różne wkłady kosza sitowego z możliwością optymalnego doboru przekroju oczek, odpowiednio do właściwości odwadnianych osadów;
- niewielkie zużycie elementów mechanicznych (prędkość ślimaka < 1 obr/min) i wysoka trwałość urządzenia;
- brak części podlegających naturalnemu zużyciu z wyjątkiem wymienianego co ok. 5.000 – 20.000 h uszczelnienia ślimaka, kilkukrotnie niższe koszty serwisowania w porównaniu z innymi urządzeniami odwadniającymi;
- dzielony w pionie i w poziomie kosz sitowy, umożliwiający wymianę uszczelnienia bez konieczności wyjmowania ślimaka;
- wszystkie elementy mające styczność z osadami i filtratem wykonane ze stali nierdzewnej lub wysokiej jakości materiałów odpornych na korozję;
- łatwy dostęp do wszystkich elementów prasy i możliwość obserwacji procesu odwadniania dzięki odpowiednio rozmieszczonym otworom rewizyjnym;
- w pełni automatyczna praca, prosta obsługa i niski poziom hałasu (< 65 dB);
- szeroka gama urządzeń o wydajnościach od 1 do 55 m3/h.
Rys. 1 Budowa prasy ślimakowej IEA
Wysokie stopnie odwodnienia (20 do 30 % s.m. odpowiednio do struktury i stopnia stabilizacji osadów, a dla osadów po ATSO nawet do 40 % s.m.) uzyskiwane na prasach IEA, zostały potwierdzone między innymi podczas kilku serii testów na różnych polskich oczyszczalniach, a ich wyniki stały się podstawą do budowy pierwszych instalacji w Polsce.
Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Ostródzie podjęło decyzję o zakupie prasy IEA porównując nie tylko uzyskiwane podczas testów stopnie odwodnienia przez różne typy zaproszonych do testów urządzeń, ale także ich koszty eksploatacji i serwisowania na przestrzeni dziesięciu lat użytkowania. Podczas wyboru oceniane były: wirówki, prasa taśmowa, prasa tłokowa oraz prasa ślimakowo-talerzowa.
Fot.4. Instalacja do odwadniania osadów z prasą ślimakową IEA SP-HF 09 na oczyszczalni ścieków w Ostródzie.
Fot.5. Instalacja do odwadniania osadów z prasą ślimakową IEA SP-HF 06 na oczyszczalni ścieków w Suchej Beskidzkiej.
Efektywne i tanie suszenie, czyli suszarnie słoneczne IST-Anlagenbau
Od 2004 roku, kiedy oddano do użytku pierwszą w Polsce solarną suszarnię osadów ściekowych minęło ponad 10 lat, a wykorzystanie energii słonecznej do odparowania wody z osadów komunalnych weszło na stałe do standardów techniki stosowanych w ciągu przeróbki i utylizacji osadów. Spośród około 60 działających w naszym kraju suszarni, połowa to suszarnie słoneczne lub hybrydowe.
Suszarnie słoneczne są proste i nieskomplikowane w obsłudze. W odróżnieniu od konwencjonalnych suszarni termicznych nie tylko nie wymagają zatrudniania dedykowanego im wysoko wykwalifikowanego personelu technicznego, ale co najważniejsze, wykorzystując do odparowania wody z osadów darmową energię słoneczną, nie zużywają cennego paliwa, jakim jest biogaz lub gaz ziemny, a także o ile zastosowano w nich wentylację grawitacyjno-mechaniczną, zużywają tak niewiele energii elektrycznej, że ich praca w żaden sposób nie podnosi bieżących kosztów eksploatacji oczyszczalni ścieków.
Dzięki tym zaletom są dla wielu oczyszczalni OPTYMALNYM, a dla małych i średnich obiektów JEDYNYM ekonomicznie i technicznie uzasadnionym sposobem na ich suszenie, tym bardziej, że większość oczyszczalni najczęściej dysponuje wystarczającym pod ich budowę terenem, np. po dawnych lagunach lub poletkach osadowych.
Z uwagi na wyżej wymienione zalety suszarnie słoneczne zostały umieszczone na oficjalnej liście tzw. najlepszych dostępnych technologii (Best Available Techniques), opracowanej w myśl Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady Europy 2010/75/UE z 24.11.2010 i tym samym są rekomendowane do stosowania na terenie Unii Europejskiej
IST-Anlagenbau producent przewracarek nawowych WendeWolf, w której to technologii wybudowano już łącznie ponad 160 hal suszarniczych w Europie (w tym 20 w Polsce) i na innych kontynentach (Azja, Ameryka Pd., Australia), stawia w swoich suszarniach słonecznych na:
– wykorzystanie do suszenia osadów wyłącznie energii słonecznej, zaś w przypadku suszarni hybrydowych na promienniki podczerwieni, jako systemy najbardziej efektywne energetycznie, a także najtańsze w budowie;
– wentylację grawitacyjno-mechaniczną, na którą składają się otwarte na stałe szczeliny wentylacyjne, automatycznie zamykane i otwierane okna dachowe oraz wentylatory cyrkulacyjne do krótkiego i intensywnego przedmuchu hali, dzięki czemu suszarnie IST-Anlagenbau odznaczają się najniższymi z osiąganych na rynku współczynnikami energochłonności (15-20 KWh/Mg H2O);
– suszenie osadów w zmiennej warstwie, latem od 10 do 20 cm i zimą do 40 – 50 cm, odpowiednio do warunków pogodowych, dzięki czemu wytwarzane na oczyszczalni osady mogą być na bieżąco wprowadzane do suszarni i tam równocześnie magazynowane i suszone aż do uzyskania założonych stopni wysuszenia;
– optymalne wykorzystanie energii słonecznej, dzięki czemu uzyskiwane w praktyce eksploatacyjnej nawet w nieogrzewanych halach suszarniczych jednostkowe współczynniki odparowania wody są najwyższe w Polsce i sięgają nawet 900 kg H2O/m2xrok;
– wykonanie materiałowe urządzeń do przewracania osadów optymalne do warunków panujących w suszarniach słonecznych;
– najniższe koszty inwestycji w przeliczeniu na 1 Mg odparowywanej w suszarni wody.
Fot.6. Wnętrze ogrzewanej promiennikami podczerwieni hybrydowej suszarni słonecznej na oczyszczalni ścieków w Chełmie, zaprojektowanej do wysuszenia w ciągu roku 6.000 Mg odwodnionych osadów.
Podsumowanie
W gospodarce osadowej winno się stawiać na efektywną stabilizację osadów, dobre, mechaniczne odwadnianie oraz tam, gdzie jest to możliwe – na suszenie słoneczne lub hybrydowe oparte o energię wytwarzanego na oczyszczalni biogazu. Podejmując decyzję o inwestycji mającej dobrze służyć przez kilkanaście następnych lat, warto sporządzić listę potencjalnych ryzyk i zagrożeń oraz wykonać bilans korzyści i kosztów eksploatacji, na które składać się będą zużycie energii i chemikaliów, koszty wymiany części i bieżących remontów, a także koszty obsługi serwisowej, niezbędnej do utrzymania instalacji w sprawności technicznej. Im bardziej skomplikowane urządzenia i technologia (termohydroliza, suszarnie termiczne, prasy tłokowe, lub tp.), tym więcej potencjalnych problemów, większe ryzyko wystąpienia awarii i przestojów technologicznych. Tymczasem dzięki dezintegracji ultradźwiękowej VTA-GSD, prasom ślimakowym IEA oraz suszarniom słonecznym IST, można uzyskać porównywalne efekty technologiczne przy dużo niższych nakładach inwestycyjnych i prostej, nieskomplikowanej obsłudze, bez konieczności zatrudniania na oczyszczalni dodatkowej wysoko wyspecjalizowanej kadry technicznej.
W myśl dewizy: najlepsze są najprostsze rozwiązania.
