Każde miasto i gmina boryka się z problemem zagospodarowania coraz większej masy osadów, powstających jako odpad w procesie mechanicznego i biologicznego oczyszczania ścieków. Szacuje się, że w 2020 r. ilość wytworzonej w Polsce suchej masy osadów wyniesie 770 tys. Mg [1]. Koszt ich przeróbki i dalszej utylizacji to często nawet 40-60 proc. ogólnych kosztów funkcjonowania oczyszczalni.
Osady ściekowe to nie tylko sucha masa. Ich specyficzna struktura, na którą w znacznym stopniu składają się komórki żywych organizmów bakterii i protistów osadu biologicznie czynnego, sprawia, że nawet po mechanicznym odwodnieniu w swojej masie nadal zawierają 80 proc. (a nierzadko i więcej) wody. Proste przeliczenie pozwala więc oszacować, że Polska stoi przed wyzwaniem zagospodarowania i utylizacji ok. 3 850 000 Mg osadów ściekowych rocznie. Obowiązujący od 1.01.2016 r. zakaz składowania odpadów organicznych, zmniejszające się obszary upraw rolnych, a ponadto rosnący opór przed wykorzystaniem rolniczym nieprzetworzonych osadów ściekowych, coraz częściej wymuszają konieczność znalezienia innych niż dotychczasowe kierunków ich zagospodarowania. Interesującą alternatywą jest przemysł cementowy, a wydaje się, że w najbliższej przyszłości także i energetyczny, coraz szerzej poszukujący tanich odnawialnych źródeł energii. Co prawda, zgodnie z obowiązującymi regulacjami prawnymi, osady ściekowe mają status odpadu, a instalacje chcące je spalać stają się automatycznie spalarniami odpadów, z drugiej jednak strony prawo traktuje je też jako biomasę, skutkiem czego uwalniany przy ich spalaniu dwutlenek węgla nie podlega opłatom za emisję. W osadach, a dokładnie w zawartej w nich masie organicznej, dostrzegane jest więc coraz bardziej atrakcyjne źródło energii odnawialnej – tak jest w rzeczywistości, pod warunkiem wcześniejszego odparowania z nich wody.
Suszarnie słoneczne
W dobie kurczących się rezerw konwencjonalnych źródeł energii, XXI wiek został już na jego początku nazwany stuleciem słońca. W tę ekologiczną tendencję znakomicie wpisują się suszarnie słoneczne, wykorzystujące do odparowania wody z osadów ściekowych właśnie energię promieniowania słonecznego. Z punktu widzenia zarówno nakładów inwestycyjnych, jak i późniejszych kosztów eksploatacji jest to obecnie najtańszy sposób na redukcję masy i objętości tych odpadów. W prostej z założenia technologii suszenia uzyskuje się stabilny susz osadowy o czterokrotnie mniejszej masie, w porównaniu z wsadem wyjściowym, i neutralnym zapachu przypominającym torf. Technologia została po raz pierwszy zastosowana w Niemczech w połowie lat 90. ubiegłego wieku. Obecnie ponad połowa wszystkich suszarni osadów w tym kraju to suszarnie słoneczne. W Polsce, gdzie na każdy metr kwadratowy płaskiej powierzchni słońce dostarcza przeciętnie od 1000 do 1100 kWh energii, co odpowiada ciepłu spalania ok. 110 l oleju opałowego, tę technologię zastosowało już ponad 30 oczyszczalni, a kolejne obiekty czekają na realizację inwestycji.
Jak pracuje suszarnia słoneczna
Każda suszarnia solarna, niezależnie od rodzaju zainstalowanych w niej urządzeń mechanicznych, jest niczym innym jak skutecznym połączeniem szklarni ogrodniczych z tradycyjnymi poletkami, na których do tej pory suszono lub suszy się osady na większości oczyszczalni. Odcięte od bezpośredniego wpływu zmiennych czynników atmosferycznych osady schną w sposób naturalny, a produktem jest susz o wielkości ziaren od ok. 1 do 2 cm i, jak już napisano, trzy-, czterokrotnie mniejszej masie i objętości. Ma neutralny, ziemisty zapach, a jego wartość opałowa jest zbliżona do gorszych gatunków węgla brunatnego. Suszarnie słoneczne różnią się między sobą rodzajem zainstalowanej przewracarki, której zadaniem jest przewracanie, rozdrabnianie oraz transport suszonego materiału wewnątrz hali, a także systemem wentylacji. Najbardziej efektywna, a zarazem najmniej energochłonna, jest wentylacja grawitacyjno-mechaniczna. Nagrzane i wilgotne powietrze uchodzi do atmosfery poprzez uchylne okna dachowe o automatycznie regulowanym stopniu otwarcia. Zainstalowane wewnątrz wentylatory mechaniczne są włączane okresowo i na krótko celem intensyfikacji wymiany powietrza, gdy warunki pogodowe utrudniają naturalny przewiew. W tego typu suszarniach całkowite zużycie energii elektrycznej niezbędnej do odparowania 1 Mg wody z osadów ściekowych to koszt zaledwie kilku złotych. Dla porównania typowe suszarnie termiczne zużywają do uzyskania tego samego efektu ok. 100 kWh energii elektrycznej oraz 950 kWh energii cieplnej, której źródłem najczęściej jest spalany gaz ziemny. Praca suszarni jest całkowicie zautomatyzowana. Dostarczane i zrzucane w formie pryzm osady są przez przewracarki rozgarniane w równą warstwę o zadanej przez personel obsługowy grubości, a następnie podczas suszenia regularnie przewracane i przesuwane w przeciwległy koniec, skąd okresowo odbiera się susz. Odpowiednio skonfigurowany system sterowania i automatyki reguluje zarówno intensywność przewracania, jak i wymiany powietrza odpowiednio do aktualnych warunków pogodowych.
Zima w suszarni słonecznej
Nieodłączną cechą polskiego klimatu umiarkowanego jest sezonowa zmienność pór roku, w tym trwający od jesieni do wiosny okres o kilkukrotnie niższym niż latem natężeniu promieniowania słońca oraz wysokiej wilgotności powietrza. Do wspomagania procesu suszenia można w tych okresach dodatkowo wykorzystywać inne dostępne na danej oczyszczalni źródła energii. Są to biogaz, ciepło z agregatów kogeneracyjnych czy też pompy ciepła, pobierające energię z oczyszczonych ścieków. Ciepło można przekazywać suszonym osadom poprzez ogrzewanie podłogowe, nadmuch gorącego powietrza lub spalanie biogazu w promiennikach podczerwieni bezpośrednio w suszarni słonecznej. Ten ostatni jest najprostszym i najbardziej optymalnym energetycznie systemem ogrzewania. Emitowane przez promienniki fale elektromagnetyczne bezpośrednio nagrzewają wierzchnią warstwę osadów, czemu dodatkowo sprzyja ich ciemna barwa. Nie należy się jednak spodziewać, że ogrzewanie hal suszarniczych będzie w stanie w pełni wyrównać zimowy deficyt energii słonecznej. Taką ilością taniej energii nie dysponuje żadna oczyszczalnia ścieków. Suszarnie słoneczne, by móc przyjmować osady przez cały rok w stałych ilościach, czyli w miarę ich odbierania z ciągu technologicznego oczyszczalni, powinny być przygotowane na jego skumulowanie i przetrzymanie wewnątrz hal do wiosny. Efektem tego jest zmienna grubość suszonego złoża – mniejsza latem, gdy proces parowania przebiega najszybciej, i odpowiednio większa zimą, gdy suszenie zachodzi z najmniejszą intensywnością. Przykład funkcjonującej od 2007 r. słonecznej suszarni na oczyszczalni ścieków w Kozienicach czy też działającego od 2009 r. obiektu w Żarach świadczy, że nawet brak jakichkolwiek systemów grzewczych umożliwia przy dobrze zaprojektowanej suszarni słonecznej jej całoroczną prace.
Nie tylko osady ściekowe
Osady ściekowe są materiałem biologicznym wyjątkowo trudnym do suszenia. Zdecydowana większość zawartej w nich wody jest zamknięta wewnątrz struktur komórkowych, co wydatnie wydłuża czas i zwiększa nakłady energetyczne potrzebne do odparowania wody. Testy wykonywane w suszarniach słonecznych pokazały, że mogą one być wykorzystywane także do podsuszania odpadowej biomasy, zrębków drewna, a także pozyskiwanej z odpadów komunalnych frakcji RDF. W wielu przypadkach uzyskane wyniki pokazały, że materiały te oddają wodę nawet 10 razy szybciej niż osady komunalne i są łatwiejsze do przewracania od mazistych i lepkich osadów ściekowych. Najlepsze i najbardziej niezawodne są najprostsze rozwiązania. Suszarnie słoneczne są obiektami, gdzie ekologia i ekonomia idą zgodnie w jednej parze.
Autor: Katarzyna Trojanowska
Artykuł został opublikowany w „Magazynie Biomasa”, czerwiec 2016
Zdjęcie: suszarnie.itc.pw.edu.pl
Newsletter
Bądź na bieżąco z branżą OZE
