Suszenie osadów ściekowych z wykorzystaniem słońca: polskie doświadczenia
Emitowane promieniowanie podczerwone odbija się od powłoki suszarni, podnosząc temperaturę w jej wnętrzu. Przekłada się to bezpośrednio na wzrost temperatury osadów oraz powietrza. Wywołuje to spadek wilgotności względnej, co powiększa możliwość odbioru wilgoci z osadów. Intensywna wymiana powietrza pozwala zabezpieczyć się przez nasyceniem powietrza parą wodną.
Szybkość suszenia osadów uzależnione jest od wielu czynników, w tym od: temperatury i wilgotności względnej medium grzewczego, prędkości i kierunku przepływu nośnika ciepła, wielkości odkrytej powierzchni osadu, jego wysokości w złożu, mieszania osadów, czasu przetrzymania w suszarni oraz, szczególnie w przypadku suszenia słonecznego, natężenia promieniowania słonecznego, które stanowi podstawowe źródło energii cieplnej dostarczanej do złoża osadów poddanych suszeniu1.
Wykorzystanie energii słonecznej do procesów suszenia staje się coraz bardziej popularne w krajach Europy. Jest to oczywiście przede wszystkim wynikiem praw ekonomii, w ramach których przy wyborze możliwej najlepszej technologii bierze się pod uwagę, oprócz nakładów inwestycyjnych, przede wszystkim niezawodność oraz koszty eksploatacyjne. A te w porównaniu do suszenia termicznego są niewątpliwie atutem. Jest zatem szansa na to, że suszarnie słoneczne w polskich warunkach klimatycznych zyskiwać będą również na znaczeniu, w szczególności w przypadku małych i średnich oczyszczalni ścieków, które wytwarzają do 4 000 Mg/a mechanicznie odwodnionych osadów. Dotychczas jednak w Polsce istnieją trzy tego typu obiekty – w Rzeszowie, Skarżysku Kamiennej oraz Dziarnach k. Iławy (jest ona w dodatku pierwszą suszarnią z podgrzewaną podłogą).
Słoneczna suszarnia osadów ściekowych w Rzeszowie została oddana do użytku w 2004 r. i w była wówczas największą suszarnią tego typu w Europie2, 3. Wybudowano ją wg technologii opracowanej i opatentowanej przez biuro inżynierskie ist Anlagenbau. Firma ta jest właścicielem i dostawcą technologii suszenia oraz kompletnych hal suszarniczych z całym wyposażeniem, w tym mechanicznych przewracarek WendeWolf. Przewracarka spełnia następujące funkcje: wprowadza dowożony osad do wnętrza suszarni, przerzuca i napowietrza go na całej powierzchni i głębokości suszonej warstwy, unikając tym samym wytwarzana stref anaerobowych, przemieszcza suszony osad z jednego końca hali do drugiego, spiętrza wysuszony przy końcu hali, pozwalając na formowanie pryzmy. Zatem technologia ist Anlagenbau obejmuje: system wentylacji, automatyczne sterowanie oraz wspomnianą przerzucarkę. Każdy przejazd przewracarki oznacza przemieszczenie osadu o ok. 50 cm. Wartość ta jednak jest szacunkowa, bowiem szybkość przejazdu oraz częstotliwość obrotu bębna mogą się zmieniać w zależności od warunków nasłonecznienia.
Suszarnia zbudowana jest z czterech modułów. Każdy stanowi hale suszarni o wymiarach 12 x 98 m. W rezultacie całkowita powierzchnia wynosi 4704 m2. Hale suszarni zostały wzniesione na utwardzonym i wybetonowanym terenie, na którym poprzednio znajdowały się poletka osadowe. Konstrukcja hal powstała z elementów stalowych, natomiast przeźroczyste pokrycie stanowią płyty ze szkła poliwęglanowego. Suszarnia może pracować w dwóch wariantach: okresowym oraz ciągłym. W wariancie okresowym osady są dowożone, poddawane suszeniu, a następnie usuwane z całej powierzchni suszenia. W drugim wariancie osady dostarczane są z jednej strony hali, natomiast ich odbiór następuje z drugiego końca.
Pierwszy okres eksploatacji suszarni przyniósł bardzo dobre wyniki. Uzyskano zmniejszenie masy suszonych osadów na poziomie 75%. Z kolei ich objętość uległa zmniejszeniu o 68%. Zawartość suchej masy w granulacie końcowym w okresie letnim kształtuje się w zakresie 80-85%, natomiast w okresie zimowym na poziomie ok. 40%. Zatem średnioroczna zawartość suchej masy występuje na poziomie 60%. W dodatku badania wykonane przez wojewódzki inspektorat ochrony środowiska stwierdzały pełną higienizację osadu. Koszty eksploatacji są niewielkie w porównaniu z innymi metodami suszenia osadów. Już po pierwszym roku użytkowania maksymalne zużycie energii elektrycznej przez przewracarkę oraz system wentylatorów kształtowało się na poziomie 56 kWh na każdą tonę odparowanej wody. Zaznaczyć tu należy, że jest to zaledwie do 8% zużycia przy termicznym suszeniu osadów. Przyjmując ok. 50 groszy za cenę 1 kWh energii, koszt zużycia energii do wysuszenia tony osadów ściekowych o wilgotności 35-80% kształtuje się na poziomie 12 zł. Koszt inwestycyjny: wykonanie projektu, budowa hal, zakup urządzeń, technologii, maszyn jezdnych, w tym ładowarki, ciągnika oraz przyczepy niskopodwoziowej samowyładowczej wyniósł ponad 5 mln zł.
Suszarnia ta jest zdecydowanie mniejszym obiektem. Zbudowano ja wg projektu opracowanego na Politechnice Warszawskiej przez Instytut Techniki Cieplnej4. Prace budowlane trwały dwa miesiące, a rozpoczęto je w kwietniu 2005 r. Całkowita jej powierzchnia to 540 m2. Suszarnię posadowiono na podłożu betonowym, a szkielet konstrukcji nośnej wykonano z giętych elementów stalowych. Pokrycie stanowią jednokomorowe płyty poliwęglanowe o współczynniku przenikania ciepła wynoszącym 3,3 W/m2K oraz przepuszczalności światła słonecznego 86%. W okresie gorszego nasłonecznienia suszenie słoneczne może być wspomagane ciepłem uzyskiwanym ze spalania niewykorzystywanego do celów technologicznych biogazu. Technologia suszenia obejmuje: przegarniacz osadów, instalację wentylacji oraz instalację grzewczą z biogazowymi nagrzewnicami powietrza.
Przegarniacz osadów został zaprojektowany jako urządzenie szynowe o rozpiętości 8 m. Jego elementami składowymi są: wał obrotowy z zamocowanymi na nim narzędziami przegarniającymi, wózki jezdne szynowe z osadzonym na nich wałem obrotowym, konstrukcja nośna oraz instalacje elektryczne: zasilania, sterowania, regulacji i blokad. Posuw przegarniacza jest realizowany za pomocą dwóch napędów elektrycznych. Umożliwia to płynną regulację prędkości posuwu przegarniacza w zakresie 0,2-8 m/min. Jednoczesne mieszanie i napowietrzanie osadów umożliwia odparowanie wody z całej objętości złoża i w konsekwencji przyspiesza proces suszenia.
Badania tego procesu potwierdziły wstępne założenia. Przeprowadzone pomiary zrealizowano w dwóch cyklach pracy suszarni5. Pierwszy z nich obejmował suszenie osadów przy wykorzystaniu tylko energii słonecznej, natomiast w drugim przypadku wspomagano suszenie poprzez wykorzystanie ciepła ze spalania nadwyżek biogazu. Do suszenia wykorzystano 100 ton odwodnionych mechanicznie osadów o początkowym uwodnieniu 80%. W czasie całego cyklu badań suszarnia pracowała przy stałych parametrach powietrza nawiewanego, prędkości liniowej przesuwu przegarniacza oraz prędkości obrotowej wału przegarniacza. W rezultacie odparowano 64 ton wody, co spowodowało zwiększenie zawartości suchej masy z 20 do 80%. Oszacowany koszt wysuszenia tony osadów ściekowych o podanych wyżej zawartościach wilgoci wyniósł 14 zł. Jak widać, jest to koszt porównywalny do suszenia osadów w przypadku suszarni w Rzeszowie. Druga seria badań uwzględniała wspomaganie suszenia słonecznego poprzez wykorzystanie ciepła z nadwyżki biogazu. Badaniu poddano również 100 ton osadu o początkowym uwodnieniu 84%. Parametry procesu były identyczne jak w pierwszym przypadku. Okazało się, że aby wysuszyć osady do zawartości suchej masy na poziomie 80%, zaczynając od poziomu 16%, trzeba było odparować 80 Mg wody. Natomiast koszty zarówno całkowite, jak i jednostkowe wyniosły tyle samo co dla suszenia przy suszeniu jedynie energią słoneczną. Uzyskane wyniki udowodniły, że projekt jest w pełni funkcjonalny i może być z powodzeniem stosowany w małych oczyszczalniach ścieków. W przypadku średnich oczyszczalni należy wprowadzić rozwiązanie z dodatkowym źródłem energii.
Instalacja w Dziarnach k. Iławy jest „najmłodszą” suszarnią słoneczną w Polsce6. Działa od 2007 r., a jej powierzchnia to 1600 m2. Zakłada się, że rocznie procesowi suszenia będzie poddawane tu 1 800 Mg mechanicznie odwodnionego osadu o zawartości 20% s.m. Dodatkowo do suszarni będą przywożone osady z okolicznych małych oczyszczalni ścieków. Korzystając z doświadczeń suszarni rzeszowskiej, inwestor zdecydował się na zastosowanie przewracarki WendeWolf, która wprowadza osady do suszarni, a następnie miesza je i przesuwa w kierunku punktu odbioru osadu wysuszonego, znajdującego się na przeciwległym końcu suszarni.
Nowatorskim elementem jest zastosowanie dodatkowo źródła energii, które stanowi podgrzewana podłoga. Umożliwia to całoroczne wykorzystanie suszarni, również w okresie o niewielkim nasłonecznieniu. Dodatkowe źródło ciepła używane w procesie suszenia stanowią ścieki oczyszczone, a energia z nich pozyskiwana jest dzięki zastosowaniu pompy ciepła. Możliwe jest również pozyskania energii cieplnej z agregatu prądotwórczego, wytwarzającego energię elektryczną ze spalania biogazu. Według projektu suszarnia pozwoli na odparowanie rocznie ok. 1 870 Mg wody z suszonego osadu. Około 1 300 Mg odparowywane będzie dzięki energii słonecznej, a pozostała ilość za pomocą energii pozyskiwanej dzięki zastosowaniu pompy ciepła oraz odzyskowi energii cieplnej z agregatu prądotwórczego. Koszt inwestycyjny suszarni wyniósł blisko 3,5 mln zł, z czego 49% zostało pokryte poprzez dofinansowanie z Ekofunduszu.
Wykorzystując energię promieniowania słonecznego, można w okresie wiosenno-letnio-wczesnojesiennym odparować blisko 750 kg wody z metra kwadratowego powierzchni czynnej suszarni.
Mimo relatywnie dobrych warunków nasłonecznienia w Polsce, suszenie osadów ściekowych jest na wstępnym etapie rozwoju. Wybudowano zaledwie trzy suszarnie słoneczne. W krajach Europy Zachodniej jest ich znacznie więcej. Obecnie wiodącym krajem pod tym względem są Niemcy.
Na podstawie opisanych danych z Rzeszowa oraz Skarżyska Kamiennej widać, że ten sposób suszenia jest tani. Oszacowany koszt wysuszenia tony odwodnionych mechanicznie osadów ściekowych do zawartości 80% s.m. zawiera się w przedziale 12-14 zł. Ponadto nie mają one skomplikowanej budowy, co wpływa również na niską awaryjność urządzeń technologicznych. Jest to zatem najprostszy i najtańszy sposób redukcji objętości i masy osadów ściekowych w szczególności dla małych i średnich oczyszczalni ścieków.
1. Bień J.: Osady ściekowe – teoria i praktyka. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej 2002.
2. Luboschik U., Trojanowska K.: Suszarnia na O.S. Rzeszów. „Forum Eksploatatora” 6/2006.
3. Kucharski B.: Ocena pracy suszarni słonecznej. Opracowanie dla MPWiK w Rzeszowie 2001.
5. Szwarc W., Szczygieł J., Krawczyk P.: Technologia słonecznego suszenia osadów ściekowych. „Czysta Energia” 11/2005.
dr inż. Jurand D. Bień, dr inż. Beata Bień, prof. dr hab. inż. Wojciech Nowak, Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska, Politechnika Częstochowska
Artykuł w pełnej wersji został opublikowany w czasopiśmie „Inżynieria i Ochrona Środowiska” 1/2008.
