Koncepční přístup návrhu pásových sušáren čistírenského kalu pro středně velké zdroje znečištění

Nakládání s čistírenským kalem jako s odpadem se s ohledem na obsah polutantů, ale i jeho cenných složek se stalo aktuálním tématem nejen v Evropské unii (EU), ale již také v České republice (ČR). Legislativní omezení spojená se zákazem skládkování neupravených odpadů a s omezením přímé aplikace do zemědělské půdy nutí provozovatele čistíren odpadních vod (ČOV) i provozovatele zařízení na využití, či úpravu odpadů hledat technicky a ekonomicky akceptovatelná řešení pro nakládání s čistírenským kalem. Pro většinu středně velkých a velkých ČOV se tak stává řešením pásové sušení kalů, které může poskytnout spolehlivou hygienizaci kalu. Článek popisuje návrh pásových sušáren čistírenského kalu, které jsou určeny k redukci hmotnosti produkovaného čistírenského kalu, a umožňují zlepšovat vlastnosti čistírenského kalu spojené s jeho uchováváním a dalším nakládáním a v neposlední řadě napomáhají připravit čistírenský kal pro jeho případnou materiálovou transformaci odpadu do podoby dále využitelného produktu v souladu s principy Oběhového hospodářství, v EU označované jako Cirkulární ekonomika.

Petr Hlavínek, Oto Zwettler, Jan Ševčík, Jakub Raček, Tomáš Chorazy

Abstract

Article introduces sewage sludge belt dryers as the technology providing solution for WWTP operators to reduce their sludge production and to treat produced sludge for following steps of its fate or recycling. Text also describes important technical asppects connected to its designing process.

Úvod

Problematika řešení kalového hospodářství čistíren odpadních vod je dlouhodobě naléhavé a vysoce aktuální téma v Evropské Unii (EU), ale také v České republice (ČR). Za rok 2017 bylo v ČR vyprodukováno přibližně 0,18 mil. tun sušiny kalu, což odpovídá 16,8 kg sušiny kalu na obyvatele. Skládkováním bylo v roce 2017 odstraněno 6,6 % čistírenského kalu, přímou aplikací v zemědělství 42,4 %, kompostováním 34,2 % a jen 14,1 % bylo využito jiným způsobem [1].

V souvislosti s jakýmkoli způsobem dalšího nakládání s čistírenským kalem přináší redukce hmotnosti prostřednictvím sušení určité úspory za jeho dopravu a pak za jeho likvidaci, protože lze čistírenský kal lépe dopravovat téměř bez vody a poplatky za jeho odstranění se odvíjí právě od jeho hmotnosti [2]. Důležité je si uvědomit, že kalovou vodu lze odstranit z produkovaného kalu poměrně snadno, na rozdíl od znečištění např. v podobě organických polutantů. Obrázek níže koresponduje se skutečností, že separace vody z čistírenského kalu je nejsnadnější v jeho tekuté fázi. Lze tedy využít gravitační, či strojní mechanické separace, která je ve srovnání se sušením energeticky a investičně poměrně nenáročná. Aby bylo dosaženo ekonomicky efektivního sušení, je vhodné cílit na co nejvyšší podíl sušiny v kalu po jeho mechanickém odvodnění a tento krok separace vody z čistírenského kalu takto provozně nastavit.

Sušení se jeví z pohledu energetického využití nebo požadavků následujících termických technologií zpracování čistírenského kalu jako nevyhnutelný krok úpravy. Sušící proces má vliv na následné energetické využití sušeného kalu nejen díky tomu, že je požadován určitý podíl sušiny, aby následné procesy nebyly energeticky ztrátové. Často je navazujícími technologiemi, mezi které je možné zařadit pyrolýzu, požadován obsah 90 % sušiny v sušeném čistírenském kalu. Asi nejvýznamnějším parametrem sušícího procesu je teplota. Kvalitně provedené nízkoteplotní sušení obvykle nevytváří výbušné prostředí, a jelikož často návrh sušící teploty odpovídá možnostem stávajícího zdroje tepla, přichází na ČOV v úvahu především teplo z chladícího okruhu kogenerační jednotky. Mimo jiné z tohoto důvodu značný podíl pásových sušáren kalu suší teplotou obvykle v rozmezí 75 – 90 °C. [3, 4]

Pásová sušárna

Existuje poměrně velká řada různých sušících zařízení, ale pouze několik z nich je běžně užíváno pro sušení čistírenských kalů. Liší se především způsobem, jakým je dodávána energie potřebná k sušení a způsobem transportu materiálu sušárnou. Některé z používaných sušáren jsou rozděleny a popsány níže dle příslušných kategorií [5]:

• kontaktní sušárny (kondukční); (diskové, tenkovrstvé / lopatkové…);
• solární sušárny;
• konvekční sušárny (pásové, fluidní, bubnové…).

Pásová nízkoteplotní sušárna využívá sušení prouděním vzduchu skrz kal rozmístěný po prodyšném sušícím pásu, viz. obr. 2 níže. Odvodněný kal je ve formě kalových nudlí s velkým kontaktním povrchem rozprostírán na pás sušárny. V případě kvalitně navržené pásové sušárny nedochází k tvorbě prachu a tím i nebezpečného výbušného prostředí. Dostupná zařízení nejčastěji využívají 2 pásů, kde kal v rámci sušícího procesu z jednoho pásu přepadá na druhý, čímž se zároveň obrací. Kal je v sušící zóně vysušen na přesně určený podíl sušiny, a to obvykle dle požadavku zákazníka nejčastěji v rozmezí 60 - 95 %. Zbytková tepelná energie použitého vlhkostí nasyceného vzduchu je často rekuperována pomocí výměníku. Tepelný výměník odebere část zbývající tepelné energie a zároveň v něm dojde ke kondenzaci a odvodu vlhkosti ze systému. Ohřátý vzduch je pak nuceně protahován přes pásy s kalem pomocí sacích ventilátorů, které jsou často umístěny nad pásem.

Nepostradatelnou součástí většiny pásových sušáren kalu je systém čištění odpadního vzduchu. Použitý odpadní vzduch je mnohdy prán dvoustupňovým systémem (kyselinový a alkalický / alkalicko-oxidační + filtr). Alternativně může být zapáchající použitý vzduch použit pro hoření v peci pro spalování sušeného kalu, čímž je omezen provoz pračky vzduchu, pokud je zohledněna zbytková saturace vzduchu vlhkostí. Každá sušárna má tedy svůj vlastní specifický soubor návrhových parametrů. Lze však říci, že doba zdržení čistírenského kalu v takovém zařízení se pohybuje řádově v hodinách [6].

Výhody většiny pásových sušáren mohou být mimo jiné tyto:

• optimální pro využití odpadního tepla;
• schopnost sušit široké spektrum médií (kaly, agromasa apod.);
• nastavitelný výkon s ohledem na požadovanou sušinu výstupního sušeného kalu;
• cenová dostupnost a snadná údržba;
• jednoduchý a bezpečný provoz s rychlým spouštěním a odstávkou;
• bezpečný provoz při standardní koncentraci kyslíku.

Méně často užívané bubnové, či fluidní sušící systémy se v přednostech od pásových nízkoteplotních sušáren liší, mohou být např. problematičtější technologií v ohledu na nebezpečí výbuchu a často také mohou mít vyšší spotřebu tepelné energie [8]. Na rozdíl od nich pásová sušárna obvykle produkuje granulát, který při podílu sušiny okolo 90 % je ve tvaru kalových nudlí, viz obrázek 3.

Otázkou také zůstává, zda reálná spotřeba energií odpovídá výrobcem deklarovaným hodnotám a neexistuje tak určitá analogie s uváděnou a reálnou spotřebou. U sušáren je však uváděná spotřeba energií určitým ukazatelem i přes to, že se může od reálné někdy mírně lišit.

Návrh pásové sušárny čistírenského kalu

Návrh sušárny je prováděn na základě efektivní plochy sušení a dosaženého součinitele specifického výkonu odpaření z jednotkové plochy pasů za hodinu. Tento výkon závisí na intenzitě cirkulace sušícího vzduchu, typu použitého pasu sušárny, rychlosti posunu pasu a sušící teplotě. Dalšími parametry jsou teplota vstupního vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, teplota topné vody a využitelný teplotní spád, typ a účinnost výměníků, tepelné ztráty sušárny atd. To vše se promítá do energetické náročnosti sušárny.   

Návrh sušárny čistírenského kalu je důležitým faktorem při její volbě výše nepřímo zmíněná energetická efektivita sušení. Užívané pásové sušárny kalů mají většinou uváděnou spotřebu tepelné energie od 850 do cca 1 100 kWh (průměr okolo 930 kWh) na tunu odpařené vody. [3]

Tepelné ztráty ovlivňují výpočet spotřeby tepelné energie, které mohou u některých zařízení být v poměru 20 % ztráty povrchem a 80 % vzhledem k přeměně energie. Ztráty lze eliminovat zejména vhodnou recirkulací vzduchu a zatěsněním tělesa sušárny. Ta však díky ventilátorům může spotřebovat značné množství energie ve výši 40 – 120 kWh∙t-1 H2O. [8]

Nejen energetická náročnost a jiné s financemi související náklady hrají svou roli při výběru optimální sušárny čistírenského kalu. Mezi parametry, které je vhodné zvážit při návrhu sušárny, patří: systém a efektivita čištění odpadního vzduchu, bezpečnost spojená s nebezpečím výbuchu, roční provozní doba, stabilita výstupní sušiny kalu a jiné. [8]

Od návrhu nízkoteplotní pásové sušárny se odvíjejí jak investiční, tak provozní náklady. Pro zmíněný návrh jsou důležité následující vstupní údaje, které může dodavatel a projektant požadovat, rozdělené dle jednotlivých bodů.

Zápach

Z důvodu potencionálního šíření zápachu (sulfan, amoniak, organické těkavé látky apod.) do okolí sušárny, ale i případně z jiných důvodů jsou podstatnými podklady pro návrh informace o těchto skutečnostech:

• umístění sušárny (na ČOV, mimo ČOV);
• umístění ČOV (intravilán, extravilán);
• zdroj kalu (komunální ČOV, průmyslová ČOV, kombinace, externí zdroj kalu);
• druh kalu (primární, aerobně stabilizovaný, anaerobně stabilizovaný);
• pach kalu (neutrální / zemitý, amoniakální, sirný). [9]

Potencionální šíření zápachu je důležitou otázkou pro každý projekt návrhu sušení čistírenských kalů. Pokud by byl systém čištění odpadního vzduchu ze sušárny zanedbán, může dojít k obtěžování okolí nepříjemným zápachem. Pak je řešením doplnění nebo intenzifikace praček vzduchu, což může být investičně náročný počin. Proto je vhodné tuto otázku řešit důsledně již od prvopočátku projekčních činností sušící technologie Pokud je kal na ČOV také dovážen, je obvykle hlavním zdrojem vzduchu kalový bunkr. Proto musí být vždy začleněn do systému dezodorizace objektu sušení kalu.

Součástí projektových prací pro návrh sušárny kalu musí být proto vždy i Rozptylová studie zápachu.

Instalační dispozice

I pro případ této otázky mohou být některé skutečnosti uvedené výše zdůrazněny rovněž v instalačních dispozicích souvisejí mimo jiné s těmito body:

• umístění sušárny (na ČOV, mimo ČOV);
• umístění ČOV (intravilán, extravilán);
• umístění sušárny na ČOV (stávající budova, nová budova, druh konstrukce budovy);
• vzdálenost od odvodnění kalu;
• nakládání se sušeným kalem (hnojivo, palivo, jiné);
• dočasné uskladnění sušeného kalu (silo, kontejner, zastřešená plocha). [9]

Dodavatelé sušáren mohou poskytnout podklady a specifikace požadované stavební připravenosti pro instalaci sušárny. Může se však jednat o typizovaný návrh stavby „na zelené louce“. V praxi však mohou být často využity např. i stávající prostory na ČOV, které mohou být případně pro technologii jen upraveny. Často se lze setkat s požadavkem na odhad výše investičních nákladů s rozdělením na technologickou a stavební část. Přijímat však jako dogma obecné prohlášení, že investice do stavby činí určitý pevný podíl z celkové investice tak může být mnohdy zavádějící.

Charakteristika kalu

Jednou z nejdůležitějších otázek při návrhu sušárny je logicky charakteristika samotného média, které má být sušeno. Důležité jsou tedy především tyto aspekty:

• zdroj kalu (komunální ČOV, průmyslová ČOV, kombinace, externí zdroj kalu);
• druh kalu (primární, aerobně stabilizovaný, anaerobně stabilizovaný);
• technologie odvodnění (pásový lis, šnekový lis, centrifuga, komorový lis);
• kvalita odvodněného kalu (těstovitý, drobivý, rozrývatelný);
• podíl sušiny odvodněného kalu. [9]

Každá ČOV produkuje kal s charakteristickými vlastnostmi, pro které musí být uzpůsobena sušící technologie. Z toho důvodu je mnohdy přistoupeno k sušícím testům vzorků odebraného odvodněného kalu, jejichž výsledky mohou poukazovat na rychlost, kterou kal v sobě obsaženou vodu vypařuje, překonání kritické lepivé fáze aj. Znalost specifických vlastností čistírenských kalů je nezbytná pro správný návrh sušárny potažmo i pro optimalizaci investičních nákladů.

Energie pro sušení

Provozní náklady sušárny jsou určovány energetickými bilancemi celého procesu, proto je nezbytné poskytnout pro návrh sušárny data, která souvisejí s těmito body:

• dostupné palivo (zemní plyn, bioplyn z ČOV, topný olej, žádné);
• zdroj odpadního tepla (kogenerační jednotky, parní kotel, spalování kalu);
• dostupné teplonosné médium (horká voda, spaliny, pára);
• parametry teplonosného média (teplota, množství tepelné energie, průtok, tlak, provozní doba);
• dostupnost chladícího média pro kondenzaci (pitná voda, provozní voda);
• parametry chladícího média (průtok, teplota). [9]

V souvislosti výše zmíněnou energetickou náročností termické separace vody z čistírenského kalu lze prohlásit, že nejen možnosti dodávky elektřiny a dostupné tepelné energie z ČOV, ale i samotná energetická náročnost sušárny jsou klíčovými body určujícími jak samotnou volbu sušící technologie, tak i finální investiční a provozní náklady. Proto je vždy nezbytné prezentovat hmotovou a energetickou bilanci sušárny pro každý případ použití. Energetickou náročnost zásadně ovlivňuje způsob provozu přes víkendy, kdy se doporučuje disponovat dostatečnou zásobou odvodněného kalu (velikost kalového bunkru) a sušárny neodstavovat z provozu, neboť jsou konstruovány pro non-stop provoz.  

Provozní parametry kalové koncovky

Provozní parametry kalového hospodářství ČOV úzce souvisí s kapacitou sušárny a jejími investičními i provozními náklady. Tudíž podstatné je poskytnout pro návrh především tato data:

• doba odvodňování (na směny, non-stop);
• doba dostupnosti tepelné energie pro sušení;
• požadovaný podíl sušiny ve výstupním kalu (často až 95 %);
• účinnost odvodnění;
• množství odvodněného kalu pro sušení. [9]

Parametry kalové koncovky ČOV provázejí návrh sušárny v každém jeho kroku. V řadě případů může být přínosná úprava parametrů a technologie kalové koncovky, tedy mimo jiné např. odladění odvodnění kalu na maximální podíl výstupní sušiny, která je provozně přijatelná jak pro odvodňovací, tak pro sušící systém. U některých projektů se také nabízí zoptimalizovat vyhnívací proces s cílem zredukovat množství a podíl organiky produkovaného čistírenského kalu a navýšit produkci bioplynu, který může být přímým, či nepřímým zdrojem tepelné energie pro sušení.

Velmi vhodným řešením pro stabilizaci provozu sušárny je tzv. back-mixing, tj. zpětné domíchávání předsušeného materiálu k sušícímu, tak aby výstup ze sušárny kalu byl o konstantní sušině a tím přispívat ke stabilnímu a garantovatelnému výstupu ze sušení a hygienizace kalu.

Výše uvedené parametry jsou sice členěny do jednotlivých sekcí značených a) – e) dle příslušně řešené problematiky, mohou se ale prolínat a vzájemně ovlivňovat. Jedná se však o výčet bodů, které hrají hlavní roli při návrhu pásové sušárny. V závislosti na individuálně navrhované sušárně a konkrétních podmínkách může být soubor uvedených bodů i podstatně širší. Každá ČOV je specifickým technologickým celkem a má svůj vlastní soubor návrhových parametrů. Z toho důvodu je vhodné k problematice přistupovat s ohledem i na tuto skutečnost. Tento přístup následně umožňuje provést optimální návrh každé individuální nízkoteplotní pásové sušárny.

Pásové sušení by se mohlo do budoucna zdát být univerzálním řešením pro kalové koncovky středně velkých a velkých ČOV. Jedná se o jednoduchý a poměrně lehký stroj při srovnání s některými sušárnami, které mohou při stejné kapacitě působit dojmem instalace těžkého průmyslu. [8]

Závěr

Nová legislativa a z ní plynoucí změny pro nakládání s kalem v praxi mají dopad na vlastníky a provozovatele ČOV, kteří se musí připravit na technicky a ekonomicky přijatelné řešení kalové koncovky pro svou spádovou oblast. Samotný návrh nízkoteplotní sušárny je otázkou, která zasluhuje komplexní přístup k problematice. Spočívá to v zohlednění každého z uvedených vstupních údajů a parametrů a v optimální koordinaci se stávajícími, či novými technologickými prvky kalových koncovek konkrétních ČOV. Z výše uvedeného je zřejmá potřeba pro konkrétní případ provést návrh sušárny, která by mohla být doplněna o variantní posouzení konečné technologie pro materiálovou transformaci kalu jako odpadu do podoby suroviny/materiálu, tedy produktu k dalšímu využití s aplikací v zemědělství nebo energetickému využití.

Literatura/References

1. Český statistický úřad, Vodovody, kanalizace a vodní toky - 2017, 1.4. Kaly, Praha, dostupné z: https://www.czso.cz/csu/czso/vodovody-kanalizace-a-vodni-toky-2017 (2018)
2. KOS, Miroslav a Otto ZWETTLER. Solární sušení kalu – klasická technologie v moderním provedení, časopis SOVAK 10/2018, 4s.
3. ŠEVČÍK, Jan. Solární vs. pásové sušení čistírenských kalů, Sborník přednášek konference Městské vody 2016, Velké Bílovice
4. ŠEVČÍK, Jan. Solární nebo pásové sušení čistírenských kalů – optimální řešení pro kalovou koncovku, HUBER CS, spol. s.r.o. Cihlářská 19, 602 00 Brno, Sborník přednášek Konference odpadové vody, Štrbské pleso 2012
5. HARTIG Karel. Problematika kalového hospodářství – sušení kalů, Sweco Hydroprojekt a.s., Táborská 31, Praha, časopis Vodní hospodářství 04/2017
6. Sušení čistírenských kalů. HUBER Technology: Waste water solutions [online]. Berching, DE. Dostupné z: http://www.hubercs.cz/cz/produkty/zpracovani-kalu/suseni
7. Vater Schlammtrocknung, Müll-Handbuch, Band 3, Erich Schmidt Verlag [cit. 2018-12-31].
8. RAČEK, Jakub, Boris DOSKOČIL, Jan ŠEVČÍK a Petr HLAVÍNEK. Sušení čistírenského kalu pro podmínky České republiky. Vodovod.info [online]. 2018 [cit. 2018-12-31]. Dostupné z: http://www.vodovod.info/index.php/kanalizace-a-cov/388-suseni-cistirenskeho-kalu-pro-podminky-ceske-republiky#.XConeFxKhPZ
9. Dotazník pro pásovou sušárnu BT společnosti Huber CS, spol. s r.o., Cihlářská 19, 602 00, Brno

Poděkování/Acknowledgements

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I"." Tento článek je výsledkem spolupráce se společností ARKO TECHNOLOGY, a.s.

Autoři/Authors

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Ing. Otto Zvettler, ARKO TECHNOLOGY, a.s., Vídeňská 108, 619 00 Brno

Ing. Jan Ševčík, Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Ing. Jakub Raček, Ph.D., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Ing. Tomáš Chorazy, Ph.D., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Citace/Citation

Hlavínek, P., Zwettler O., Ševčík J., Raček J., Chorazy T. Koncepční přístup návrhu pásových sušáren čistírenského kalu pro středně velké zdroje znečištění. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online]. 9.4.2019, 09/2019, [cit. 2019-04-09]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.