Słoneczne suszarnie osadów
Forum eksploatatora nr 03/2006
Autor:
dr inż. Roman Sobczyk
Mgr Piotr Kabus
Słoneczne suszarnie osadów
Jednym z najważniejszych światowych problemów ekologicznych ostatnich lat są zmiany klimatyczne zachodzące na kuli ziemskiej. Wg opinii wielu środowisk naukowych zmiany te wynikają ze znacznego zanieczyszczenia powietrza substancjami pochodzącymi ze spalania paliw konwencjonalnych.
W Polsce na potrzeby energetyczne wykorzystuje się głównie paliwa stałe, będące przyczyną największego skażenia środowiska. Biorąc pod uwagę fakt, że inne konwencjonalne nośniki energii takie jak ropa naftowa i gaz ziemny systematycznie drożeją, należy spodziewać się, że węgiel będzie przez najbliższe lata najważniejszym źródłem energii.
Badania wielu instytutów naukowych wykazują, ze nasz kraj posiada tak duże ilości zasobów energetycznych zawartych w kopalinach kopalnych, wodach geotermalnych, wodach płynących, biomasie, energii wiatrowej i słonecznej, że mógłby być samowystarczalny energetycznie. Bardzo ważna, zatem jest zmiana korzystania z dotychczasowych schematów polegająca na wycofywaniu się i eliminacji przestarzałych rozwiązań, a w ich miejsce wdrażaniu i rozwijaniu inwestycji energetycznych opartych na własnych, czystych, odnawialnych zasobach energii.
W niniejszym artykule przedstawiono najnowsze informacje na temat wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii – energii słonecznej do suszenia osadów ściekowych.
Słoneczne suszenie osadów ściekowych
Spośród metod suszenia osadów suszenie słoneczne jest innowacyjną metodą aczkolwiek znaną od dawna, która w ostatnich latach znajduje coraz szersze zastosowanie.
Zasada suszenia polega na naturalnym odbieraniu wilgoci przez suche powietrze uzyskiwane w wyniku insolacji słonecznej. Podobna zasada wykorzystania energii słońca do suszenia osadów znana jest od połowy ubiegłego stulecia jako suszenie osadów na poletkach. Zastosowanie hali suszarni z pokryciem przepuszczającym światło, przerzucaniem osadu i efektywną wentylacją to bardziej rozwinięta, ale nadal podobna metoda suszenia.
Podstawy słonecznego suszenia osadów ściekowych.
Słoneczne suszenie odbywa się przez konwekcję i promieniowanie. Suszenie przez promieniowanie ma miejsce wtedy, kiedy wartość promieniowania jest większa od 300W/m2. Skuteczne suszenie konwekcyjne z kolei odbywa się do wartości 80 % wilgotności powietrza. Suszenie może zachodzić również w nocy, lecz w znacznie mniejszym stopniu. Można przyjąć, że w istocie przeważa suszenie konwekcyjne. Suszyć można zarówno osady ściekowe płynne, jak też częściowo odwodnione. Trzeba jednak pamiętać, że im większa początkowa jest sucha masa osadów tym proces dalszego suszenia przebiega szybciej i sprawniej. Różnie też wówczas kształtuje się zapotrzebowanie powierzchni czynnej suszarni słonecznej.
Uważa się, że na intensywność suszenia mają wpływ następujące czynniki:
- zabezpieczenie przed warunkami zewnętrznymi – opadami, suszenie przy pomocy hali szklarniowej
- podniesienie efektywności suszenia poprzez wykorzystanie efektu: "cieplarni" promieniowanie słoneczne zamienione zostaje w ciepło, które pochłaniane jest przez osady ściekowe, ogrzane powietrze w hali nasycone zostaje parą wodną i wydalone na zewnątrz suszarni przez sterowany system wentylacji
- skuteczne przewracanie osadów w celu zapobieganiu powstawania strefy niedotlenionej i umożliwienia kontaktu drobin osadu z powietrzem
Opis metod suszenia
Słoneczne suszenie cechuje małe zapotrzebowanie na sprzęt techniczny i urządzenia. Dla pokrycia suszarni wyeksponowanej do słońca używa się podwójnej folii pęcherzykowej, płyt komorowych – poliwęglanowych, jak też szkła organicznego (żywotność folii przyjmuje się na ok. 10 lat). Zastosowanie podwójnej folii daje lepsze efekty izolacji cieplnej (mniejszy współczynnik przenikania ciepła) w porównaniu z szybą szklaną. Wietrzenie hali odbywa się za pomocą wentylatorów oraz klap wentylacyjnych. Wietrzenie jest sterowane centralnie. Do przerzucania oraz przemieszczania osadu mają zastosowanie różne metody i urządzenia.
Na podstawie pomiarów wydatek energii na sprawne przerzucanie osadu oraz wentylację wynosi około: 20-30kWh/Mg odparowanej wody. W przypadku innych "konwencjonalnych" metod suszenia, ten sam wskaźnik wynosi od 500 do 1000 kWh/Mg odparowanej wody. Zapotrzebowanie na energię elektryczną jest, więc dużo mniejsze w porównaniu z konwencjonalnymi metodami suszenia.
Zasadniczo metody suszenia słonecznego można podzielić na:
- metody w układzie ciągłym
- metody nieciągłe przeprowadzane skokowo-szarżowo
W zależności od stosowanej metody oraz warunków zewnętrznych intensywność suszenia wynosi około 1000 kg H2O/m2 (wody odparowanej z powierzchni 1m2 hali).
Efektywne suszenie ma miejsce w miesiącach z dostateczną ilością promieniowania słonecznego (od kwietnia do września). W pozostałych miesiącach odbywa się magazynowanie osadów. Latem osad ściekowy suszony jest z reguły do wartości 70% SM. Uzyskiwanie wyższych wartości suchej masy powoduje niepotrzebne pylenie rozdrobnionego suszu osadowego. Często też dla wspomagania procesu suszenia stosuje się ciepło dodatkowe (ciepło odpadowe ze ścieków, ciepło ze spalania biogazu itp.), które może być dostarczone za pomocą ogrzewania podłogowego lub nadmuchu powietrza.
Zastosowanie dodatkowych systemów grzewczych zwiększa wydajność suszenia niekiedy kilkakrotnie, przez co pozwala zmniejszyć powierzchnię suszarni, jak też umożliwia prowadzenie procesu w okresie niekorzystnych warunków pogodowych.
W przypadku typowej suszarni słonecznej możliwy jest z reguły stopień wysuszenia do około 85% SM (możliwe jest nawet osiągnięcie niekiedy prawie 90% SM). Osiągnięcie wartości 70% SM jest jednak optymalne ze względu na odprowadzenie większości wody z osadu przy jednoczesnym wykorzystaniu powierzchni. Zwiększenie stopnia wysuszenia wiąże się ze zwiększeniem powierzchni czynnej suszarni.
Systemy słonecznego suszenia osadów ściekowych
Technologia suszenia słonecznego znajduje wysokie uznanie szczególnie w Niemczech, Austrii i Francji gdzie funkcjonuje kilkadziesiąt instalacji. Poniżej przedstawione zostały wybrane systemy słonecznego suszenia funkcjonujące w Niemczech.
Jednym z bardziej znanych systemów słonecznego suszenia osadów z rodzaju nieciągłych jest system reprezentowany jest przez Thermo-System Industrie und Trocknungstechnik GmbH. System ten umożliwia wyznaczenie optymalnej, pożądanej jakości końcowej produktu. Akcja suszenia jednej partii osadu kończy się w momencie uzyskania zamierzonych wartości suchej masy. Zaletą tej metody jest możliwość otrzymania dokładnie zamierzonego stopnia wysuszenia osadu, która jest ważna przy dalszym przeznaczeniu suszu osadowego do zagospodarowania np. metodą termiczną. System przerzucania osadu polega na zastosowaniu samosterującego robota, "elektrycznej świni", który wprowadzony, odwodniony mechanicznie osad regularnie miesza przewraca i rozdrabnia. Załadunek osadu odbywa się za pomocą pojazdu lub automatycznie systemem podającym do wysokości hali max 0,3m. Dalszy przebieg procesu suszenia odbywa się automatycznie. Rozładunek wysuszonego osadu odbywa się za pomocą pojazdu lub automatycznie.
Thermo - system proponuje również rozwiązanie dla mniejszych oczyszczalni do 100 000 RLM z pominięciem mechanicznego odwodnienia osadu. Płynny osad zostaje przepompowany bezpośrednio do hali suszarni do wysokości od 0.2 – 0.5 m. Posadzka hali posiada drenaż umożliwiający usuwanie wody z osadu. Osiągnięcie zamierzonego stopnia wysuszenia osadu odbywa się w sposób opisany powyżej. Badania wydatku energii określają wydatek rzędu 11-28 kWh/Mg H2O.
Na schemacie nr 1. pokazano system suszenia słonecznego osadów wg Thermo - system
Inny system suszenia, z ciągłym charakterem pracy suszarni obecnie reprezentowany jest przez IST–Anlagenbau–Solare Trocknungstechnik GmbH. Zasadniczym elementem tej koncepcji jest poruszająca się po torze przewracarka osadów: "Wendewolf", która jednocześnie przewraca, transportuje i umożliwia docieranie powietrza do cząsteczek osadu. Dzięki ciągłej pracy i możliwości przyjmowania na bieżąco świeżego osadu nie ma potrzeby budowy składowiska dla osadu odwodnionego mechanicznie, co w przypadku suszarni pracujących cyklicznie (szarżami) jest niezbędne. Ważne jest, że Wendewolf nie tylko przewraca i przesuwa osad wzdłuż hali, ale ma także możliwość usypywania pryzm o wysokości 60 - 70 cm, co z jednej strony ułatwia załadunek i odbiór wysuszonego granulatu z hali suszarniczej, ale przede wszystkim usprawnia proces higienizacji osadu. Higienizacja następuje dzięki nagrzewaniu się osadu i wzrostu temperatury wewnątrz pryzmy do 60 - 65 oC. Jak potwierdziły badania WIOŚ w Rzeszowie w ten sposób dosuszony osad jest wolny od jaj pasożytów i bakterii i może być rolniczo wykorzystany. Również dzięki procesom mineralizacji zachodzącym w trakcie suszenia, susz osadowy, dzięki lepszemu stosunkowi węgla organicznego do azotu posiada zdecydowanie lepsze właściwości nawozowe niż osad odwodniony mechanicznie. Łatwiej też można go rozrzucać na polach tradycyjnymi maszynami rolniczymi. Zaś jeśli chodzi o spalanie ma wartość energetyczną porównywalną z węglem brunatnym.
Nakład pracy w tym systemie jest niewielki. Należy dostarczyć osad ściekowy automatycznie transporterem lub pojazdem na początek hali. Maksymalnie można wypełnić halę osadem do wysokości 0,4m. W wyniku systematycznej pracy przerzucarki powstają strefy jednakowo wysuszonego osadu. Im bliżej końca hali tym większy stopień wysuszenia osadu. Po zakończeniu suszenia odbiór odbywa się na końcu hali. W zależności od efektywności suszenia można wypełniać halę odpowiadająca ilością osadu. W okresie zimowym, kiedy suszenie jest mniej intensywne możliwe jest gromadzenie osadów ściekowych w hali suszarni, a z nastaniem warunków sprzyjających suszeniu, sukcesywnie partiami odbywa się suszenie i przerzucanie do odbioru wysuszonej masy osadu.
Na schemacie nr 2. pokazano system suszenia słonecznego osadów wg IST–Anlagenbau–Solare Trocknungstechnik GmbH.
Inny system suszarni słonecznej oferowany jest przez EDZ – Bau GmbH. Jest to sposób kombinowany. Ciepło dodatkowe jest dostarczone za pomocą ogrzewania podłogowego. Dostarczony do suszarni osad jest przewracany i transportowany za pomocą przewracarki łańcuchowej. Rozkład reliefowy masy osadowej pozwala na zwiększenie powierzchni suszenia. Osad gromadzony jest w suszarni do wysokości 8 cm. Wysuszony osad ma wartość 90% suchej masy i ma postać ziaren wielkości 4 mm.
Na schemacie nr 3. pokazano system suszenia słonecznego osadów wg EDZ – Bau GmbH.
Kolejny przykład i rodzaj systemu suszenia słonecznego prezentuje firma Huber AG. Do hali suszarni słonecznej z pokryciem szklanym doprowadzone jest ciepło dodatkowe za pomocą strumienia ciepłego powietrza, które to dociera do cząstek osadu przez perforowaną posadzkę od dołu. Osad w hali rozprowadzony jest w postaci cienkiej warstwy i przegarniany na całej szerokości hali w kierunku jej końca za pomocą specjalnego urządzenia. Dodatkowy system czyszczący zbiera wysuszone drobne frakcje osadu w dolnej części suszarni. System pozwala na uzyskanie 90% zawartości suchej masy osadu. System jest w pełni zautomatyzowany.
Na schemacie nr 4. pokazano system suszenia słonecznego osadów wg firmy HUBER AG.
W tabeli nr 1 zestawiono podstawowe wskaźniki charakterystyczne dla wyżej opisanych systemów suszenia słonecznego
Tabela. 1. Podstawowe wskaźniki charakterystyczne dla wybranych systemów słonecznego suszenia
| Wskaźnik | jednostka | H | E | I | B |
| Masa osadu | MgSM/rok | 120 | 450 | 120 | 108 |
| Początkowa zawartość suchej masy osadu | % | 23 | 18 - 35 | 23 | 25 |
| Czas suszenia | tydzień | 8 - 17 | 3 - 6 | 8 - 17 | 8 do 16 |
| Końcowa zawartość suchej masy osadu | % | 70 | >90 | 70 | 90 |
| Ilość i wymiary hali | 1 hala (10mx58m) | 1 hala | 1 hala (10mx58m) | 1 hala (12,5mx48m) | |
| Powierzchnia suszarni | m2 | 580 | 450 | 580 | 600 |
| Koszty inwestycji | € | 400 000 | 400 000 | 347 218 | |
| Rok oddania do użytku | 1 | 1998 | 2004 | 1998 | 1997 |
| Przeznaczenie końcowe osadu | 1 | kompost | bd | kompost | rolnicze |
H Słoneczna suszarnia osadów zrealizowana przez firmę Huber AG w miejscowości Hayingen w Niemczech
E Suszarnia pilotażowa w Empfingen jako przykład EDZ – Bau GmbH
I Iffezheim jako przykład działania suszarni słonecznej typu IST-Anlagenbau
B Oczyszczalnia Bredstedt jako przykład działania suszarni słonecznej typu Thermo-System
Podsumowanie
Coraz bardziej przychylnie zaczynamy patrzeć na możliwość pozyskiwania tanich źródeł energii i zaprzęgania ich do technologii, które dotychczas realizowane były metodami konwencjonalnymi. Biorą pod uwagę zaangażowanie krajów zachodnich w alternatywne systemy suszenia niebawem źródła energii alternatywnej zaczniemy traktować jako konwencjonalne, a wykorzystywane do tej pory, szczególnie w Polsce staną się alternatywne. Być może jest to kwestia najbliższej przyszłości i skutecznego zakręcania kurka z ropą czy gazem.
Analiza rentowności słonecznej suszarni osadów ściekowych w większości przypadków (Niemcy, Szwajcaria, Francja, Austria) wyraźnie pokazuje, że jest to przedsięwzięcie opłacalne.
Dofinansowanie inwestycji ze środków pomocowych pozwala na znaczne zmniejszenie kosztów inwestycyjnych, a tym samym szybką amortyzację budowli i urządzeń.
Należy zaznaczyć, że opłacalność słonecznego suszenia osadów uzależniona jest od warunków lokalnych. Decydującymi czynnikami są: stopień mechanicznego odwodnienia osadu, możliwości dalszego przeznaczenia osadu, rodzaj konstrukcji pokrycia hali oraz konieczność użycia urządzeń dodatkowych.
Wg oceny eksploatatorów suszarni słonecznych w Niemczech, koszty zagospodarowania osadów mechanicznie odwadnianych (do ok. 22% s.m.), a następnie suszonych w suszarniach słonecznych są zdecydowanie niższe (nawet, kiedy pod uwagę brane zostaną koszty amortyzacji inwestycji) od kosztów zagospodarowania osadów wyłącznie mechanicznie odwodnionych. Na przykładzie jednej z niemieckich oczyszczalni w regionie Schwabisch Gmund różnica kosztów zagospodarowania 1 tony osadu wysuszonego w stosunku do zagospodarowania osadu bezpośrednio po odwodnieniu wynosi 30,03 euro. Pomimo znacznych kosztów realizacji inwestycji sięgających 700 tys. euro, okres amortyzacji suszarni słonecznej może się skrócić nawet do około 6,5 lat.
W tabeli nr 2 przedstawiono porównanie kosztów zagospodarowania osadów wysuszonych w suszarni słonecznej i kosztów zagospodarowania osadów bezpośrednio po odwodnieniu.
Tabela 2. Porównanie kosztów zagospodarowania osadów wysuszonych i kosztów zagospodarowania osadów bezpośrednio po odwodnieniu
| Wskaźniki | Osady wyłącznie odwadniane | Osady odwadniane i suszone |
| % udział suchej masy (SM) w osadzie | 33 | 75 |
| Masa osadu [Mg] | 2500 | 1100 |
| Koszt ostatecznego zagospodarowania [euro/Mg] | 92,10 | 97,97 |
| Koszty transportu [euro/Mg] | 3,47 | 3,47 |
| Koszty razem [uro/Mg] | 95,57 | 101,44 |
| Ogółem koszty roczne [euro/rok] | 238 925,00 | 111 584,00 |
| Amortyzacja* [euro/rok] | 0 | 48 013,00** |
| Koszty obsługi suszarni słonecznej [euro/rok] | 0 | 7 875,00 |
| Suma kosztów rocznych [euro/rok] | 238 925,00 | 167 472,00 |
| Ogólny koszt zagospodarowania jednej tony osadu przy uwzględnieniu wyjściowej masy (po odwodnieniu mechanicznym) 2500 Mg/rok [euro/Mg] | 97,01 | 66,98 |
* koszty amortyzacji dla maszyn i urządzeń przyjęto na 15 lat dla budowli 30 lat
** wartość inwestycji stanowiła 700 000,00 Euro (w tym udział własny 65,4%)
Na zakończenie należy zaznaczyć, że o wyborze słonecznego suszenia osadów decydują następujące aspekty:
Aspekt ekonomiczny: do suszenia osadów wykorzystuje się darmową energie słońca, a niezbędny nakład dodatkowej energii jest stosunkowo mały. Dla zwiększenia efektywności suszenia i elastyczności procesu wykorzystane zostaną wysoko wydajne urządzenia typu pompy ciepła oraz ciepła odpadowego ze spalania biogazu. Bezpośrednie korzyści płyną z tytułu zmniejszenia masy końcowej osadu (do 90%), a co się z tym wiąże oszczędności na transporcie, magazynowaniu i dalszym zagospodarowaniu osadu.
Należy uznać, że technologie suszenia energią niekonwencjonalną będą stanowiły uniezależnienie od stale drożejących paliw konwencjonalnych, a jednocześnie gwarantują zabezpieczenie stałości rozwiązań technicznych, bez konieczności ich gruntownej modernizacji lub wymiany.
Aspekt ekologiczny: Technologia suszenia osadów z wykorzystaniem energii słonecznej nie powoduje zwiększonej emisji CO2. Nie ma potrzeby stosowania dodatkowo paliw kopalnych. Bilans energii oparty jest na stosowaniu poszanowania energii. Nie do przecenienia jest bezpieczeństwo zdrowotne i brak negatywnego wpływu na środowisko przyrodnicze.
Aspekt zrównoważonego rozwoju: w wyniku suszenia jako produkt końcowy uzyskuje się wysuszony, ustabilizowany biologicznie, neutralny zapachowo, łatwy do przechowywania osad stanowiący nowy rodzaj paliwa. Korzystanie z takiego paliwa wykluczy w części wykorzystywanie paliw konwencjonalnych. Można założyć, że w wielu przypadkach spalanie biogazu z fermentacji osadów i wysuszonych osadów wyłącznie na oczyszczalni, może stanowić o jej samowystarczalności w odniesieniu do bilansu paliw niezbędnych do jej funkcjonowania.
Literatura:
- M.Wittmeier, B.Sawilla, H.Albers - Potenziale der solaren Klärschlammtrocknung für Bremen und den norddeutschen Raum. Institut für Kreislaufwirtschaft, Bremen 2005 ,
- Urlich Luboschik – Solare Trockung von Klärschlämmen. Eine industriell erprobte Anwendung der Solarenergie. Vortrag im Rahmen der "Clean Energy Power 2006" Berlin, 18.01.2006,
- Wili Gresser – Wirtschaftlichkeitsberechnung.Vortrag im Rahmen der "Clean Energy Power 2006" Berlin, 18.01.2006,
- Rudolf Bogner, Stefan Wahl, Hans Huber AG, Berching - SOLARE UND REGENERATIVE SCHLAMMTROCKNUNG. Vortrag im Rahmen der "Clean Energy Power 2006" Berlin, 18.01.2006,
- Martin Müßig - Abschlussbericht Solare Klärschlammtrocknung auf den Inseln Pellworm,Sylt undFöhr am Beispiel der Kläranlagen Pellworm, Wenningstedt, Utersum und Wyk. Juli 2004,
- Hans Rudolf Zweifel, OttonFischli, Herbert Brauchli,Patrik Herrmann - Solare Klarschlammtrocknung in der Praxis. Erfahrungen auf der ARA Glarnerland. Aktuell, Juli 2001
- Dr. Peter Baumann - Einfluss von Peripherieeinrichtungen und Ausschreibungsmodalitaten auf die Wirtschaftlichkeit solarer Trocknungsanlagen. Vortrag im Rahmen der "Clean Energy Power 2006" Berlin, 18.01.2006
- U.Luboschik, K. Trojanowska – Jak wykorzystać energię słoneczną do suszenia osadów ściekowych. Czysta energia 9/2005
- R.Sobczyk, P. Kabus - informacje i materiały pozyskane od eksploatatorów suszarni słonecznych osadów na oczyszczalniach ścieków w Niemczech. Bawaria 2006