KALOVÉ HOSPODÁŘSTVÍ Ing. Iveta Růžičková, Ph.D.
Tyto studijní materiály umístěné na interních webových stránkách VŠCHT Praha jsou určeny k osobní potřebě studentů předmětu N217006 Základy čištění odpadních vod. Jejich kopírování, šíření, distribuce a zveřejňování na veřejně dostupných serverech bez souhlasu autora/ů je porušením autorského zákona č. 121/2000 Sb.
STABILIZACE KALŮ Stabilizace kalu biologické nebo fyzikálně-chemické zpracování, které zajišťuje jeho hygienickou nezávadnost a relativní stabilitu vzhledem k jeho dalšímu použití. Metody stabilizace • biologická – rozklad org. látek anaerobní – CH4 + CO2 (od cca 40 000 – 50 000 EO) aerobní – CO2 + H2O - přímo v aktivaci (delší stáří, > 25-30 dní, větší nádrže » menší ČOV) - separátně v oddělené stabilizační nádrži (provzdušňováním přebytečného kalu) • chemická – inaktivace mikroorganismů nehašené vápno CaO + H2O » Ca(OH)2 (dávka 10 – 30 % sušiny) zvýšení pH na 11 - 12 (NH3), exotermní reakce
Cíl: zpracování kalů tak, aby byly při minimálních nákladech respektovány požadavky na ochranu životního prostředí a zdravotního zabezpečení.
Látková bilance při anaerobní stabilizaci
bioplyn org. 70 %
40 % org. 30 %
anorg.
anorg.
30 %
30 %
- možná přítomnost patogenních mikroorganismů => dle zákona klasifikován jako nebezpečný odpad.
Kritéria stability Stupeň stabilizace míra určitých vlastností kalu vyjadřující jeho vhodnost pro daný způsob využití => neexistuje univerzální kritérium pro posouzení stability kalu. Kritérium stability za anaerobně stabilizovaný lze považovat kal, ve kterém již neprobíhají intenzivní biologické pochody působící senzorické a hygienické problémy (tj. nepodléhá samovolnému rozkladu).
Kritéria stability: - přímá (toxicita, infekčnost, zápach,…) - nepřímá (obsah org. látek, produkce bioplynu,…) - doplňující (odvodnitelnost, viskozita,…)
Technologická praxe: - podíl organické sušiny (VLorg/VL) < 50 % - nízká koncentrace snadno rozložitelného substrátu (NMK) - nízká zbytková produkce bioplynu
1
Velká ČOV - kalové hospodářství Methanizace UN
LT
AN
TČ
DN
Přebytečný kal Primární kal
Směsný surový kal ZN
Tuk
MN
Kalová voda OD
- jednostupňově nebo dvoustupňově první stupeň vyhřívaný a míchaný druhá nádrž slouží především jako uskladňovací – „dobíhání“ anaerobních procesů, oddělení kalu a kalové vody
Bioplyn
Odvodněný stabilizovaný kal
Základní technologické parametry (provozní a návrhová kritéria) anaerobní stabilizace kalů
methanizace (mezofilní)
vysokozatížená methanizace (termofilní)
Teplota (C)
35 - 40
55
Doba zdržení (d)
20 - 30
15 - 20
BV (kg.m-3.d-1)
0,5 - 1,5
1 – 2,5
Míchání
přetržité
kontinuální
Počet stupňů
1 nebo 2
vždy 2
Parametr
Metanizace může probíhat v podmínkách: - mezofilních (35 – 40 °C) - termofilních (50 – 60 °C)
Methanizační nádrže (MN) – ÚČOV Praha
Nádrž pro anaerobní stabilizaci kalů
- beton, ocel - kónické dno - plynový prostor
ČOV Děčín 2 stupňová anaerobní stabilizace, membránový plynojem
- 12 dvojic MN, celkový objem 4 500 – 5 000 m3 - 2. stupňový proces, 2. stupeň spojen s plynojemem
2
ČOV Kadaň 1 stupňová stabilizace s nasazeným plynojemem
ČOV Plzeň anaerobní stabilizace
ČOV Halle methanizační nádrž vejcovitého tvaru
Míchání a vyhřívání methanizačních nádrží
Výhoda: dobré hydraulické vlastnosti, míchání Nevýhoda: stavební náročnost
mechanicky
vnitřní výměník
recirkulací
vnější výměník
bioplynem
přímou parou
Porúří kombinace několika nádrží
Hygienizace kalů
Hlavním požadavkem pro další zpracování a využívání kalů je ve většině případů jejich hygienické zabezpečení (odstranění resp. snížení výskytu patogenů pod stanovený limit). Přitom hygienizace kalu nemusí znamenat jeho stabilizaci z hlediska technologického a naopak stabilizovaný kal ještě nemusí být hygienizovaný!!! Kritérium hygienizovaného kalu za hygienizovaný se pokládá kal, který prošel takovou úpravou, že počty indikátorových organismů byly sníženy na požadovanou hodnotu. Stabilizace a hygienizace může, ale nemusí, probíhat současně jednou technologií!!!
Za indikátory zdravotní nezávadnosti většina států považuje: - termotolerantní koliformní baktérie - enterokoky - baktérie rodu Salmonella spp. - dále vajíčka helmintů (červů), enteroviry Klasifikace kalů podle obsahu patogenních mikrobů Počet bakterií
Třída A
Třída B
termotolerantní koliformní
1000/g
2x106/g
enterokoky
1000/g
2x106/g
3/4g
-
Salmonella spp.
Kal třídy B je aplikovatelný do půdy pouze za přísně vymezených podmínek.
3
Hygienizace může probíhat: Metody hygienizace kalů (usmrcování/inaktivace mikroorganismů) • -
chemické silná oxidační činidla (Cl2, O3, H2O2, formaldehyd, aj.) pH
• -
fyzikální teplota tlak radiace ultrazvuk mechanická destrukce buněk
1. přímo v technologické lince úpravy a zpracování kalů, kdy současně probíhá stabilizace a hygienizace (např. aerobní nebo anaerobní stabilizace mezofilní nebo termofilní) stupeň hygienizace závisí na podmínkách stabilizace (teplota, doba zdržení, hydraulické uspořádání reaktoru) 2. před stabilizací kalu, tzv. předúprava např. dezintegrace kalu fyzikálními (utrazvuk), termickými (pasterizace, termický rozklad) nebo chemickými (ozón) metodami. Hygienizační efekt + zvýšení biologické rozložitelnosti složek kalu (snížení množství kalu, zvýšení produkce bioplynu) 3. po stabilizaci, tzv. následná/dodatečná úprava např. kal po stabilizaci se podrobí pasterizaci nebo odvodněný kal se podrobí sušení apod.
Metody hygienizace kalů (zabezpečující třídu A)
Metody hygienizace kalů (zabezpečující třídu B)
Kompostování ( 55 C, 3 dny)
Aerobní stabilizace (60 dní při 15 C nebo 40 dní při 20 C)
Sušení (80 C, sušina nad 90 %) Tepelná úprava (180 C, 80 minut, před stabilizací)
Sušení na vzduchu - kalová pole (minimálně 3 měsíce)
Aerobní stabilizace - termofilní (10 dní, 55 - 60 C a min. 38 % redukce organických látek)
Anaerobní stabilizace (60 dní při 20C, do 15 dní při 35 - 55 C)
Ozařování beta zářením (dávka 1,0 megarad, při teplotě cca 20 C)
Kompostování (40 C po dobu nejméně 5 dní + 55 C po 4 hodiny)
Ozařování gama zářením (60Co, 139Cs, 1,0 megarad, 20 C)
Alkalizace vápnem (pH 12, min. 24 hodin)
Pasterizace ( 30 minut, 70 C, po stabilizaci) Alkalizace vápnem (pH 12, 55 °C, po 2 hodiny)
Na městských ČOV v ČR pro třídu A: - anaerobní termofilní stabilizace - aerobní termofilní stabilizace jako technologie spojené se stabilizací kalu - hygienizace vápnem - vápenné mléko nebo práškové pálené vápno před odvodněním - práškové vápno ihned po odvodnění, před nebo v průběhu transportu na skládku - mleté vápno do odvodněného kalu na skládce - pasterizace jako samostatné hygienizační technologie
Zahušťování a odvodňování kalu • zahušťování – před stabilizací • odvodňování – po stabilizaci (25 – 35 %) -
kalová pole sítopásové lisy kalolisy odstředivky
Aplikace polymerních organických flokulantů pro zlepšení odvodňovacích vlastností kalu při mechanických způsobech.
Ve většině případů převažuje v ČR mezofilní stabilizace při 35 – 40 °C.
4
Kalová pole - nejstarší a nejjednodušší způsob odvodňování kalů - ohraničená plocha, jejíž dno tvoří drenážní systém (drenážní trubky, štěrk cca 20 cm, písek cca 10 cm) - kal cca 30 cm - kombinace filtrace a odpařování - účinnost závisí na klimatických a povětrnostních podmínkách (až 65 % sušiny, 3 – 4 cykly/rok) - vyklízení ruční, u větších mechanické
Sítopásový lis - po kondicionaci POF je kal filtrován - nejprve volně, později pod tlakem mezi dvěma nekonečnými filtračními plachetkami, které meandrovitě procházejí systémem válců, kde dochází ke stlačování a deformaci - výkonnost 250 – 500 kg/(m2.h) - koncentrace sušiny odvodněného kalu 27 – 36 %, běžně 25 %
5
flokulační zóna
odvodňovací zóna
Kalolisy -
filtrace za vysokého tlaku 1,5 – 2,5 MPa kondicionace kalu není nutná, ale doporučuje se sušina odvodněného kalu po anaerobní stabilizaci 35 – 50 % nevýhody: periodičnost provozu, vysoké náklady, pracnost
Odvodňovací centrifugy/odstředivky -
celoplášťové šnekové odstředivky kal se přivádí potrubím v ose bubnu nutná kondicionace kalu sušina odvodněného kalu 30 – 35 % vysoká výkonnost, malé požadavky na prostor
odvodňovací centrifuga
mobilní odstředivka
6
Kalová voda
Technologická specifika kalové vody
- kvalita závisí na kvalitě a koncentraci surového kalu, typu stabilizace (teplota, míchání, uspořádání procesu,…) - po anaerobní stabilizaci vždy nutno čistit - vysoká koncentrace amoniakálního dusíku Složení kalové vody
NL (mg/l) CHSK celk. (mg/l) CHSK rozp. (mg/l) N-amon (mg/l) těkavé mastné kys. jako CH3COOH (mg/l)
Mezofilní stabilizace
Termofilní stabilizace se zahuštěním kalu
200 - 1500 500 - 3000 300 - 1000 450 - 700
200 - 1500 750 - 4000 500 - 2000 800 - 1500
50 - 500
100 - 800
• • • • •
Podíl na hydraulickém zatížení aktivace 0,1 - 0,5 % Podíl na zatížení aktivace dusíkem 5 - 25 % Stabilní (vyšší) teplota Inhibice druhého stupně nitrifikace Nízký obsah rozložitelného organického substrátu Způsob likvidace
• řízené dávkování před aktivační nádrž komplikace při odstraňování N a P, zápach, možnost bytnění aktivovaného kalu tendence zpracovávat odděleně od hlavní čistírenské linky, poté do aktivačního systému
Stabilizovaný odvodněný kal Progresivní možnosti odděleného čištění kalové vody Minimalizace Namon: - fyzikálně-chemické metody • stripování vzduchem za zvýšené teploty a zvýšené hodnoty pH • srážení Mg2+ ionty společně se sloučeninami fosforu jako (NH4MgPO4) – struvit, hnojivé vlatnosti - biologické metody • nitrifikace-denitrifikace • nitratace-denitratace • aerobní deamonifikace
Uskladňovací sila na kal
Finální zpracování kalu • Skládkování hojně využívána v ČR, omezení legislativou a ekonomickými prostředky (ve světě např. spodní hranice sušiny 45 %) • Využití v zemědělství - přímá aplikace – hnojivo problematika patogenních mikroorganismů, těžké kovy, PCB, dioxiny, farmaceutika … - rekultivace - kompostování
7
Spalovna odvodněných kalů na ČOV • Spalování - surový i anaerobně stabilizovaný kal, zejména s obsahem olejů nebo toxických org. látek - čištění exhalátů • Zakomponování do stavebních materiálů - spalování kalu z městských ČOV v cementářské peci – org. hmota spálena, anorg. zbytek se v omezeném poměru přidá k cementářské hmotě
Skládka solidifikovaných zbytků po spalování kalů
Produkce kalů v České republice
Vývoj produkce čistírenských kalů v ČR
• V ČR je 7,17 mil. obyvatel napojeno na kanalizaci
250 roční produkce kalu (sušina)
• v ČR je 6,84 mil. obyvatel napojeno kanalizací na biologickou čistírnu
• odhad produkce kalů v ČR je cca 800 tis. tun/rok v odvodněném stavu
Tis. tun za rok
• celkem se vyčistí 846,3 mil. m3 odpadní vody za rok
200
skládkování (sušina)
150 100 50 0
• ročně se vyprodukuje cca 207 000 t kalů, vyjádřeno jako absolutní sušina
Způsoby odstranění kalů v ČR (dle podkladů VÚV v r. 2002)
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
Zastoupení metod využití čistírenských kalů v ČR v 2006 (podle statistiky MZe: www.mze.cz)
• 56 % stabilizovaných kalů je uplatněno v zemědělství z toho - 0 % přímá aplikace – 8 % rekultivace – 48 % kompostováním • 19 % produkce kalů je ukládáno na skládky • 24 % nespecifikováno
8
Zpracování kalů v zemích EU Bioplyn
skládkování
Složení:
CH4 60 - 70 %, CO2 30 - 40 % (H2O, H2, H2S, N2, vyšší uhlovodíky, …)
Výhřevnost:
(%)
17 – 25 MJ/m3 (1 m3 BP = 0,6 litru LTO)
zemědělství
spalování vypouštění do moře
Plynojemy - dimenzování Účel – akumulace bioplynu Rozhoduje – vyrovnanost spotřeby bioplynu Objem – několikahodinová až jednodenní produkce
Využití bioplynu: • výroba tepla spalování v kotlích pro: vyhřívání metanizačních nádrží vytápění, výroba teplé vody, sušení + další tepelné hospodářství ČOV • kogenerační výroba elektrické energie a tepla využití bioplynu pro pohon spalovacích motorů spojených s agregátem na výrobu el. energie 1 m3 bioplynu = 1,8 – 2,0 kWh el. energie 3,0 – 3,5 kWh teplo
mokrý plynojem
membránový plynojem
Kogenerační jednotky
• spalování bez využití energetického potenciálu hořáky zbytkového bioplynu (1 200 °C) bezpečný způsob likvidace v případě, že není jiný způsob využití či je neekonomický povinná výbava plynového hospodářství
Hořáky zbytkového plynu
9
Sulfan v anaerobní nádrži Rizika: • inhibice anaerobních procesů (především methanogeneze a acetogeneze) • koroze (betonu i oceli, resp. nádrží, potrubí, kotlů) • emise zápachu • emise oxidu siřičitého při spalování bioplynu Výhoda: • váže těžké kovy do nerozpustných sulfidů, a tak je odstraňuje z roztoku
Základní metody odsiřování Fyzikálně-chemické: vypírání sorpce (na Fe sorbenty) Chemické:
Biologické:
reakce s alkalickými substancemi srážení (s kovy) biochemická oxidace na sírany biochemická oxidace na elementární síru
10
