POSSIBLE METHODS OF USE OF HEAT PUMPS IN CONNECTION WITH TREATMENT OF SLUDGE PRODUCED BY MUNICIPAL WASTE WATER TREATMENT PLANTS MOŽNOSTI VYUŽITÍ TEPELNÝCH ČERPADEL K HYGIENIZACI KALU Z KOMUNÁLNÍCH ČOV Machala M.1, Vítěz T.2 1
AQUA PROCON, s.r.o. Brno, Česká republika. Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky, Agronomická fakulta, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, Česká republika. E-mail:
[email protected],
[email protected]
2
ABSTRACT This contribution focuses on the matter of use of heat pumps (HP) in connection with treatment of sludge produced by municipal waste water treatment plants (WWTP). The principal objective proves to be attainment of compliance with the Regulation of the Ministry of the Environment no. 382/2001 Coll. pertaining to use of untraditional sources of energy and minimisation of operating costs that are subsequently reflected in the amount of sewage charges. Keywords: heat pump, waste water treatment plant, sewage sludge ABSTRAKT Tento příspěvek je zaměřen na problematiku využití tepelných čerpadel (TČ), pro hygienizaci kalu z komunálních čistíren odpadních vod (ČOV). Účelem je splnění vyhlášky MŽP 382/2001 sb., při využití netradičního zdroje energie a minimalizace provozních nákladů, které se promítají do výše stočného. ÚVOD Tento příspěvek je zaměřen na problematiku využití tepelných čerpadel (TČ), pro hygienizaci kalu z komunálních čistíren odpadních vod (ČOV). Účelem je splnění vyhlášky MŽP 382/2001 sb., při využití netradičního zdroje energie a minimalizace provozních nákladů, které se promítají do výše stočného. MATERIÁL METODIKA Pro testování navržené technologie byla vybrána mechanicko biologickou čistírnu odpadních vod pro 13 000 ekvivalentních obyvatel (EO).Mechanický stupeň se skládá z lapáku štěrku, odlehčovací komory, dešťových zdrží, strojně stíraných česlí a dvou vírových lapáků písku vybavených separátorem a pračkou písku. Biologická linka je tvořena nízkozátěžovými oběhovými aktivačními nádržemi, pro dodávku vzduchu slouží jemnobublinné aerační elementy, zdrojem vzduchu jsou rotační objemová dmychadla. Množství dodávaného vzduchu
1
je řízeno počítačem na základě údajů kyslíkové sondy. Za aktivačními nádržemi se nachází dvě kruhové horizontálně protékané dosazovací nádrže. Přebytečný kal je čerpán pomocí vřetenových čerpadel z šachty mezi aktivačními a dosazovacími nádržemi na flotační jednotku, kde dojde k jeho zahuštění na přibližně 4% sušiny (40 kg.m-3). Po zahuštění je kal čerpán do uskladňovacích nádrží kalu s kapacitou cca 50-ti denní produkce. Nádrže jsou míchány pomocí vzduchu dodávaného středobublinným aeračním systémem. Z kalojemů je kal čerpán na mechanické odvodnění kalu realizované dekantační odstředivkou. Odvodněný kal o sušině cca 25 % (250 kg.m-3) je dopravován šnekovým dopravníkem na deponii kalu. Celý čistící proces je řízen řídícím systémem ČOV, který monitoruje základní parametry systému a na základě údajů z jednotlivých měřících míst zabezpečuje správnou funkci ČOV. Dlouhodobým problémem komunálních čistíren odpadních vod je zpracování a eventuální likvidace čistírenského kalu. Vzhledem k množství organických látek (70 a více %) a přítomnosti patogenních mikroorganizmů ho není možné ukládat na komunálních skládkách odpadu. Jednou z možností jeho likvidace je spalování, tato technologie je poměrně rozšířená např. v USA. Jedná se však o variantu s vysokými investičními i provozními náklady, která se ukazuje zajímavá až u velkých aglomerací nad 150 000 EO. Přesto už i u nás má tato technologie své zastánce, připomeňme připravovanou výstavbu spalovny kalu pro ČOV Brno nebo Jihlava. Sami autoři tohoto příspěvku jako zpracovatelé části čištění odpadních vod při zpracovávání “Plánu rozvoje vodovodů a kanalizací kraje Vysočina“ doporučují společnou likvidaci kalu spalováním pro celý kraj právě na ČOV Jihlava. Tato metoda však není zajímavá u malých a středních ČOV provozovaných menšími provozovateli nebo přímo obcemi. Pro ně zůstává prakticky jedinou alternativou využití kalu v zemědělství. Toto využití však doporučuje i EU (pracovní dokument o kalech ENV.E3/LM, Draft 3, Brusel 2000). Pro aplikaci kalu na zemědělskou půdu je však potřebné splnit požadavky Zákona o odpadech resp. jeho prováděcí vyhlášky 382/2001 Sb. o podmínkách využití čistírenských kalů na zemědělské půdě. Tato vyhláška upravuje technické podmínky využití kalů v zemědělství, mezní hodnoty koncentrací vybraných rizikových látek v půdě a v kalu a dále mikrobiologické kritéria pro použití kalů v zemědělství. Tento příspěvek se zabývá poslední jmenovanou problematikou. První dvě podmínky jsou dány agrotechnickými požadavky na aplikaci kalů a koncentracemi těžkých kovů, AOX a PCB v kalech což je problém dodržování kanalizačních řádů a nikoli přímo čištění komunálních odpadních vod. Výše zmíněná vyhláška v §3 říká: "Na zemědělskou půdu mohou být použity pouze kaly, které vyhovují mikrobiologickým kritériím uvedeným v příloze č.4".
2
Tab.1: Požadavky uvedené v příloze 4 Vyhlášky MŽP 382/2001 Sb Přípustná množství mikroorganismů [KTJ] v 1 gramu sušiny aplikovaných kalů Kategorie kalů Termotolerantní Enterokoky Salmonella sp. koliformní bakterie 3 3 I. < 10 <10 negativní nález II. 103 - 106 103 - 106 nestanovuje se Vysvětlivky: Kategorie I- kaly, které je možno obecně aplikovat na půdy využívané v zemědělství při dodržení ostatních ustanovení vyhlášky Kategorie II - kaly, které je možno aplikovat na zemědělské půdy určené k pěstování technických plodin a půdy, na kterých se nejméně 3 roky po použití čistírenských kalů nebude pěstovat polní zelenina a intenzivně plodící ovocná výsadba a při dodržení zásad ochrany zdraví při práci a ostatních ustanovení vyhlášky
Pro dodržení těchto kritérií je nutná hygienizace kalu. Anaerobně stabilizovaný kal ve většině případů nevyhovuje požadavkům, kal stabilizovaný aerobně a uskladněný v aerovaných kalojemech je naopak ve většině případů schopen vyhovět kategorii II. Skutečný stav je ale závislý na mnoha faktorech daných technologií ČOV, přítokem na ČOV a samozřejmě obsluhou ČOV. Metody hygienizace jsou v zásadě tři. 1) Dávkování nehašeného vápna CaO do kalu. 2) Kompostování kalu 3) Pasterace kalu. Tento příspěvek řeší třetí z uvedených metod likvidace patogenních mikroorganizmů (bohužel vzhledem k rozsahu článku zde není možné podrobněji rozebrat výhody a nevýhody jednotlivých alternativ hygienizace kalu) s využitím tepla odpadní vody. Pro měření byla na ČOV instalována mobilní technologická linka, jejíž hlavní součástí bylo tepelné čerpadlo (TČ). TČ jsou energeticky výkonná a k životnímu prostředí šetrná zařízení, která dokáží zvýšit nízkou teplotní hladinu jinak nevyužitelné energie obsažené všude kolem nás (vzduch, půda, voda) na teplotní hladinu vyšší, využitelnou k vytápění, technologickým účelům apod., při spotřebě určitého množství hnací energie (nejčastěji el. energie). Přechod tepelné energie z chladnějšího tělesa nebo látky na teplejší a s tím spojené zvětšování rozdílu teplot je děj v přírodě neprobíhající, ale technicky uskutečnitelný právě pomocí TČ. Tepelná čerpadla jsou nejčastěji popisována pomocí Carnotova oběhu, tento oběh je však teoretický, který nelze uplatnit u skutečného zařízení. Aby bylo možno co nejsnáze provádět tepelné výpočty chladících oběhů, tedy i tepelných čerpadel, využívá se zidealizovaného Rankinova levotočivého oběhu. V něm jsou na rozdíl od skutečného oběhu TČ zanedbány tepelné i hydraulické ztráty. I přesto jsou odchylky Rankinova oběhu od skutečného oběhu TČ minimální a tudíž se při technických výpočtech zanedbávají, základní tepelnou bilanci Rankinova oběhu můžeme tedy vyjádřit vztahem: Q0 + A = Qk [J] A
– práce pro pohon kompresoru
Qk
– teplo získané
Q0
– teplo získané vypařováním
3
Pro topný faktor ε tepelného čerpadla pracujícího s Rankinovým oběhem můžeme psát: å =
Qk A
[-]
Jak již bylo naznačeno hlavní částí mobilní technologické linky instalované pro měření na ČOV bylo TČ. Tepelné čerpadlo pracovalo v systému voda/voda(kal) a bylo vybaveno mimo řady standardních komponent, šroubový kompresor kompresor, deskový výměník tepla – výparník, expanzní ventil, atd. speciálním trubkovým výměníkem tepla - kondenzátorem, který měl zabezpečit funkčnost celého zařízení, resp. zamezit ucpávání, což se při zkouškách potvrdilo. Pracovní látkou bylo chladivo R134a, které umožňuje vysoké kondenzační teploty. Zapojení zařízení je patrnější ze schématu na obr.2. Voda vytékající z dosazovací nádrže byla čerpána ponorným čerpadlem do výměníku tepla TČ (výparník), kde došlo k výměně tepla a ochlazená voda byla vracena do odtoku z ČOV před vodoměrný objekt. Odebrané teplo zvýšené o práci kompresoru bylo pracovní látkou dopraveno do trubkového výměníku tepla (kondenzátor) a zde předáno kalu, jehož cirkulaci z nádrže zajišťovalo oběhové čerpadlo. Ochlazená pracovní látka proudila přes expanzní ventil zpět do výparníku čímž byl okruh uzavřen. Měření probíhala v období květen až červenec 2003 obvykle od 9 do 17 hodin. Cílem měření bylo zjistit možnost využití TČ k hygienizaci kalu z komunální ČOV. Při měření byly průběžně sledovány tyto parametry: teploty vody na vstupu tvvs a výstupu tvvy z TČ, teplota v hygienizační nádrži th, celková spotřeba elektrické energie Qcel, mikrobiální kontaminace kalu (termotolerantní koliformní bakterie, enterokoky, salmonella sp.) před a po hygienizaci. Mimo námi sledovaných parametrů byly řídícím systémem ČOV sledovány parametry: přítok a odtok z ČOV, teplota na odtoku a přítoku z ČOV, koncentrace O2 v kalových nádržích, okamžitý průtok za čerpadlem kalu. Obr. 1: Závislost času na teplotě při redukcí patogenních mikroorganismů Závislost času na teplotě při redukcí patogenních mikroorganismů 30 25
Čas [hod]
20 15 10 5 0 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 Teplota [°C]
4
Obr. 2: Blokové schéma zapojení
VÝSLEDKY A DISKUSE Výsledky rozboru kalu před a po hygienizaci ukazuje tab.2. Je zřejmé, že po hygienizaci došlo k likvidaci patogenních mikroorganizmů v kalu. Ukazuje se však i základní nevýhoda tepelného zpracování kalu - jeho zpětná kontaminace. Hodnoty však vyhovují požadavkům Vyhlášky 382/2001 Sb. Tab. 2: Výsledky provedených rozborů Měření
Mikroorganizmus v [KTJ v 1 gramu sušiny]
Za uskl. nádrží kalu
Termotolerantní koliformní bakterie
Enterokoky
Salmonella sp.
A
1,8 . 106
1,5 . 106
negativní
B
2,1 . 10
6
1,6 . 10
6
negativní
2,1 . 10
6
2,0 . 10
6
pozitivní
1,6 . 10
5
1,5 . 10
5
negativní
C D Měření
Mikroorganizmus v [KTJ v 1 gramu sušiny]
Po hygienizaci
Termotolerantní koliformní bakterie
Enterokoky
Salmonella sp.
A
0
0
negativní
B
0
0
negativní
C
0
0
negativní
D
0
0
negativní
Měření
Mikroorganizmus v [KTJ v 1 gramu sušiny]
Kal po 30 dnech
Termotolerantní koliformní bakterie
Enterokoky
Salmonella sp.
A
1,2 . 102
0,4 . 102
negativní
B
2,1 . 10
2
1,8 . 10
2
negativní
0,2 . 10
2
0,5 . 10
2
negativní
0,3 . 10
2
0,3 . 10
2
negativní
C D
5
Z hlediska funkce ČOV došlo k snížení teploty vody na odtoku z ČOV o přibližně 3°C. Tento stav nepředstavuje žádnou zátěž pro recipient. Tab. 3: Naměřené hodnoty Teplota vody Teplota vody Teplota kalu na vstupu do na výstupu z na výstupu z TČ tvvs TČ tvvy TČ th
Příkon TČ
Výkon TČ
[°C]
[°C]
[°C]
[kW]
[kW]
16
13
69
2
6,3
19
16,5
70
2,1
6,2
18,5
15
69,5
2,3
6,25
17
14,5
68
2,1
6,35
20
17
70
2,2
6,2
19,5
16
69
2,1
6,3
16
13
68
2,0
6,35
ZÁVĚR Na základě provedených zkoušek námi navrženého technologického zařízení jsme dospěli k závěru, že systém plní požadované parametry v daných podmínkách. V praxi předpokládáme využití již existujících pasteračních zařízení s nahrazením konvenčních způsobů získávání tepelné energie tepelným čerpadlem což bude mít také příznivý vliv na ekonomiku provozu ČOV při splnění vyhlášky MŽV 382/2001 sb.. V současné době probíhají přípravy na ověřění funkčnosti zařízení v zimním období. POUŽITÁ LITERATURA [1] Petrák J., Dvořák Z. : Tepelná čerpadla, ČVUT Praha 1991 [2] Billy C. Langley: Heat Pump Technology (3rd Edition) [3] Eugene Silberstein: Heat pumps, Delmar Publisher 2002 [4] Smith S. R.: Agricultural recycling of sewage sluďte and the environment, CAB International 1996 [5] Chudoba J., Dohányos M., Wanner J.: Biologické čištění odpadních vod, SNTL Praha 1991 [6] Plán rozvoje vodovodů kanalizací kraje Vysočina (pracovní verze) AQUA PROCON,s.r.o. Brno 2003. [7] Zákon 185/2001 sb., o odpadech [8] Vyhláška MŽP 382/2001 sb., o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě [9] Vyhláška MŽP 383/2001 sb., o podrobnostech nakládání s odpady [10] Vyhláška MŽP 376/2001 sb., o hodnocení nebezpečných vlastností odpadů [11] ČSN 756401 ČOV nad 500 EO
6
