Powstawanie osadów ściekowych zawsze towarzyszy procesowi oczyszczania ścieków. W chwili obecnej w wyniku stosowania coraz bardziej efektywnych metod oczyszczania oraz zwiększającej się ilości oczyszczanych ścieków – wzrasta ilość wytwarzanych osadów ściekowych.


Fot 1. Suszarka fluidalna[7].


For. 2. Przewracarka osadów.


Fot. 3. Produkt uzyskany w wyniku
zeszkliwienia pozostałości
po pirolizie osadów ściekowych [16].


Fot. 4. Kruszywo szklane wytworzone
w technologii GlassPack [24].

Jak podaje Kempa [1], w latach powojennych (1945-55) nie wybudowano w Polsce większej oczyszczalni ścieków. Liczba oczyszczalni wzrosła w latach 1955-75, były to oczyszczalnie ze złożami biologicznymi i z osadem czynnym. Do przeróbki osadów stosowano otwarte komory fermentacyjne (cylindryczne, z żelbetu) oraz laguny o 3-letnim cyklu pracy, które przeważnie nie zdawały egzaminu [1]. W latach osiemdziesiątych nastąpił wzrost liczby wybudowanych oczyszczalni ścieków, jednak problem osadów ściekowych nadal pomijano, a ich przeróbka ograniczała się czasami tylko do częściowego odsączenia i składowania na wolnym terenie. Traktowanie osadów ściekowych po macoszemu wynikało głównie z braku finansów na ten cel oraz ograniczeń technicznych – braku odpowiednich urządzeń. Jak podaje [2], znane są takie sytuacje, kiedy wobec braku rozwiązań gospodarki osadowej, osady powstające w procesie biologicznego oczyszczania ścieków okresowo odprowadzano do wód wraz ze ściekami oczyszczonymi.
Obowiązujące dziś i planowane akty prawne w zakresie gospodarki osadami ściekowymi, szeroki wybór urządzeń stosowanych do przeróbki osadów, szereg przykładów płynących z zagranicy w zakresie rozwiązań gospodarki osadowej, dofinansowanie z Unii Europejskiej oraz wysoka świadomość ekologiczna są przyczyną odmiennego podejścia do problemu osadów ściekowych. Przeróbka osadów ściekowych realizowana jest w różnych wariantach w zależności od wielkości oczyszczalni. Osady poddawane są stabilizacji, są zagęszczane i efektywnie (z wykorzystaniem procesów kondycjonowania) odwadniane w urządzeniach mechanicznych [3]. Jedynie problem ostatecznego zagospodarowania osadów ściekowych nie wszędzie jest w pełni rozwiązany.

Procesy stosowane w przeróbce osadów ściekowych

Najistotniejszymi elementami przeróbki osadów ściekowych są przede wszystkim procesy stabilizacji i odwadniania. Konwencjonalny proces stabilizacji beztlenowej osadów ściekowych jest często czasochłonny i posiada niską efektywność. Dane literaturowe [4] wskazują, że ultradźwiękowe kondycjonowanie daje możliwość skrócenia czasu oraz zwiększenia efektywności procesu stabilizacji beztlenowej osadów bytowo-gospodarczych, jak i przemysłowych. Efekty odwadniania osadów ściekowych zależą od warunków technicznych zaprojektowanych i wykonanych urządzeń, a także od szeregu parametrów technologicznych oraz bardzo często stosowanych środków wspomagających [5], ogólnie dotyczy to procesów kondycjonowania osadów. Efekt odwodnienia osadów jest składową jakości produktów stabilizacji beztlenowej, a następnie dopiero ciągu technologicznego odwadniania.
Procesy przygotowania osadów do odwadniania mogą przynieść niewielki efekt obniżenia uwodnienia końcowego osadów w przypadku niewystarczającego stopnia ich przefermentowania [5].
W ostatnim czasie wiele ciągów osadowych w oczyszczalniach ścieków zostało zmodernizowanych i wzbogaconych o etap suszenia osadów ściekowych. Suszenie osadów ściekowych może być realizowane z wykorzystaniem urządzeń mechanicznych lub z wykorzystaniem energii słonecznej. Wśród urządzeń mechanicznych szeroko stosowane są takie urządzenia, jak np. suszarki fluidalne (fot. 1), taśmowe, bębnowe, tarczowe. Wykorzystanie technologii fluidyzacji w procesie suszenia osadów ściekowych umożliwia uzyskanie bardzo dobrze wysuszonego produktu. Uzyskanie takiego efektu możliwe jest dzięki intensywnej wymianie materii i energii w burzliwym przepływie gorącego powietrza w złożu fluidalnym [6].
Aby uniknąć wysokich nakładów na energię elektryczną, do suszenia osadów można wykorzystać także energię słoneczną. Pomimo tego, że Polska nie należy do krajów o największym nasłonecznieniu, to w naszych warunkach klimatycznych słońce dostarcza średnio ok. 1 tys. kWh energii na metr kwadratowy powierzchni płaskiej, co odpowiada ciepłu, jakie można uzyskać spalając 100 l oleju opałowego [8]. W Polsce działa jedna z największych w Europie suszarni słonecznych na oczyszczalni ścieków w Rzeszowie – o mocy przerobowej ok. 6 tys. ton osadów ściekowych [9].
Suszarnia słoneczna wymaga określonej powierzchni (ok.1,2-1,5 m²/tonę osadu) i wspomnianych już wcześniej odpowiednich warunków klimatycznych [8]. Budowana jest zwykle na płaskim terenie w postaci tunelu lub namiotu przykrytego szkłem lub folią, wyposażonego w odpowiedni system wentylacji. W suszarni tego typu niezbędne jest urządzenie do przerzucania osadu. Na nieprzepuszczalnej powierzchni umieszcza się osady. Promieniowanie słoneczne – w zależności od pogody – nagrzewa powietrze i zwiększa jego zdolność wchłaniania wilgoci. Regulacja suszenia może odbywać się poprzez otwieranie lub zamykanie otworów wietrzących. Czas suszenia zależy od temperatury panującej w suszarni, wilgotności otaczającego powietrza i stopnia wymiany powietrza wewnątrz suszarni. Polepszenie procesu suszenia uzyskuje się przez przewracanie osadu wykorzystując mechaniczne obracarki.
Urządzenie to przewraca i napowietrza suszony osad, a także przesuwa go do przeciwległego końca suszarni robiąc miejsce na kolejną partię materiału. W wariantowych rozwiązaniach suszarni słonecznych [11] osady rozprowadza się na płycie perforowanej, co umożliwia ich napowietrzanie podgrzanym powietrzem, lub płycie z instalacją grzewczą typu podłogowego. Połączenie efektów działania energii słonecznej z innymi źródłami energii polepsza efekty i skraca czas suszenia osadów, co umożliwia funkcjonowanie suszarni przez cały rok [11].

Unieszkodliwianie osadów ściekowych

Najprostszym sposobem unieszkodliwiania osadów ściekowych, wykorzystującym ich właściwości nawozowe jest zastosowanie przyrodnicze, w chwili obecnej jednak znacznie ograniczone ze względu na zawartość metali ciężkich i innych substancji toksycznych w osadach.
Ograniczenia w składowaniu i przyrodniczym wykorzystaniu osadów determinują poszukiwanie innych metod zagospodarowania osadów. Biorąc pod uwagę panujące tendencje, najprawdopodobniej kierunek termicznego przekształcania osadów będzie dominujący. Prognozy KPGO przewidują na rok 2018 prawie 60-procentowy udział termicznych metod przekształcania osadów ściekowych. Jednak prognozy te wydają się – jak na polskie warunki – nieco przesadzone.
Mówiąc o rozwoju kierunków zagospodarowania osadów ściekowych w Polsce trzeba przeanalizować istniejące możliwości. W chwili obecnej termiczne unieszkodliwianie osadów z wykorzystaniem istniejącego zaplecza nie jest zbyt obiecujące. Termiczne metody przekształcania osadów mogą w dużym stopniu rozwiązać problem ich unieszkodliwiania, jednak realizacja tego założenia wydaje się bardzo poważnym przedsięwzięciem, do realizacji którego potrzeba nowych zakładów termicznej utylizacji oraz wykorzystania istniejącej infrastruktury spalania paliw konwencjonalnych oraz przemysłu cementowego. Wykorzystanie istniejącego zaplecza wymaga jednak odpowiedniego przekształcenia osadów ściekowych oraz przeprowadzenie odpowiednich badań, aby zastosowanie osadów ściekowych nie zakłóciło podstawowych technologii. Wydaje się, że spalanie osadów ściekowych (szczególnie w piecach fluidalnych) będzie coraz szerzej stosowaną metodą unieszkodliwiania. Tym bardziej, że w chwili obecnej coraz częściej rozważane są projekty dotyczące spalania osadów ściekowych. Budowa spalarni odpadów wydaje się nieodzowna także w aspekcie uporządkowania gospodarki odpadami komunalnymi.

Zagospodarowanie stałych pozostałości wytworzonych w procesie termicznego przekształcania osadów

Zwiększenie ilości osadów ściekowych przekształcanych metodami termicznymi spowoduje wzrost ilości wytwarzanych żużli i popiołów. Stosowane sposoby zestalania odpadów pospaleniowych nie zawsze czynią je bezpiecznymi dla środowiska, a poza tym powodują zwiększenie ich objętości. Lepsze efekty daje zastosowanie procesu witryfikacji, który pozwala osiągnąć dużą redukcję objętości odpadów, zniszczenie komponentów organicznych, wbudowanie metali ciężkich w amorficzną strukturę.
Witryfikacja jest procesem umożliwiającym zmianę właściwości i postaci modyfikowanego materiału. Polega na kontrolowanym dostarczaniu energii do substancji, która w wysokiej temperaturze ulega rozkładowi z wydzieleniem substancji gazowych, następnie ulega spopieleniu i stopieniu. Dzięki witryfikacji można uzyskać redukcję objętości witryfikowanego materiału do ok. 95 proc. oraz wbudowanie nieorganicznych składników w strukturę szkła [12]. Frakcja nieorganiczna ulega witryfikacji w zakresie temperatur 1500-2000°C (proces przebiega najbardziej ekonomicznie) [13]. Otrzymany witryfikat charakteryzuje się [14] amorficzną strukturą, małą chemiczną reaktywnością i brakiem toksyczności, dobrymi właściwościami chemicznymi i mechanicznymi, brakiem pylenia. Proces witryfikacji wymaga wysokich temperatur, co związane jest jednak z dużą energochłonnością. Witryfikacja może być realizowana z wykorzystaniem metod termicznych, realizowanych w piecach obrotowych i w paleniskach cyklonowych, oraz metod elektrycznych: procesów grzania oporowego oraz procesów plazmowych [14].
Badania prowadzone przez [15-19] wykazały możliwość zeszkliwienia stałej pozostałości (koksiku) po procesie termicznego przekształcania osadów ściekowych. Osady ściekowe poddawano procesowi pirolizy w temperaturze 400°C przez 30 min. Analiza chemiczna koksiku popirolitycznego wykazała znaczną zawartość węgla całkowitego oraz obecność metali ciężkich. Próby zeszkliwienia prowadzono na stanowisku badawczym, którego głównym elementem był reaktor plazmowy. W zależności od zastosowanych parametrów procesu uzyskiwano różną jakość produktów (fot. 3).
Jak podaje [20], produkty uzyskane w procesie witryfikacji odpadów po pirolizie osadów ściekowych stwarzają możliwości wykorzystania ich w przemyśle materiałów budowlanych – jako składnika do produkcji granulowanego żużla wielkopiecowego lub materiału przeznaczonego do produkcji wełny mineralnej.
Do unieszkodliwiania odpadów pospaleniowych mogą być stosowane również takie metody jak zestalanie czy produkcja materiałów budowlanych. Procesy zestalania mają na celu przede wszystkim takie przekształcenie odpadów, aby unieruchomić zawarte w nich substancje toksyczne. Zestalanie odpadów przy użyciu cementu przynosi określone efekty, które jednak z czasem mogą ulec pogorszeniu. Przykładem nowoczesnej technologii zestalania może być technologia GEODUR, w której receptury mieszanek dostosowuje się do fizycznych i chemicznych właściwości zestalanych odpadów [21, 22]. Technologia GEODUR polega na stabilizacji i zestalaniu odpadów przy użyciu środka wiążącego GEODUR, którego koncentrat jest mieszaniną substancji nieorganicznych i organicznych monomerów oraz polimerów aktywnych powierzchniowo [22]. Najważniejszymi składnikami są związki stearynianowe, cynkoorganiczne i aminowe [22]. Istota technologii polega na aktywizacji własności wiążących spoiwa hydraulicznego przez monomeryczne i polimeryczne substancje w wyniku zmiany napięcia powierzchniowego [22]. Składniki środka wiążącego GEODUR tworzą z substancjami szkodliwymi zawartymi w odpadach struktury krystaliczne oraz bezpośrednie połączenia molekularne, wiążąc skutecznie te substancje i uniemożliwiając ich wymywanie z odpadów [22].
W ostatnim czasie opracowano metodę otrzymywania kruszywa lekkiego z odpadów komunalnych i przemysłowych [23], w której osady ściekowe wraz z pyłami krzemionkowymi i drobną frakcją szkła poddawane są syntezie termicznej. Składniki do produkcji kruszywa są mieszane, następnie granulowane i spiekane w temperaturze 900-1100°C [23]. Wytworzone z odpadów kruszywo lekkie ma ciężar usypowy w stanie luźnym < 1200 kg/m3, jest odporne na degradację w środowisku naturalnym, związki metali ciężkich są wbudowane na stałe w strukturę krystaliczną krzemianu [23]. Tak uzyskany produkt może być stosowany jako zamiennik keramzytu [23].
Na polskim rynku istnieje propozycja firmy Krevox dotycząca możliwości zeszkliwienia osadów ściekowych. Zeszkliwienie osadów w technologii GlassPack (fot. 4) oferuje konsorcjum firm Krevox i Andritz na podstawie licencji firmy Minergy. W technologii GlassPack [24, 25] frakcja mineralna osadu ściekowego przetapiana jest w szkło, które może być wykorzystane w przemyśle. W zeszklonym produkcie metale są trwale związane i nie są wymywane do środowiska. Proces zeszkliwienia przebiega w temperaturze 1100-1500°C [24]. Część gazów spalinowych jest recyrkulowana i mieszana z powietrzem, co pozwala na osiągnięcie mieszaniny o zadanej zawartości tlenu. Umożliwia to zoptymalizowanie warunków procesu spalania i osiągnięcie temperatury topienia frakcji mineralnej osadu. W większości wypadków proces jest samowystarczalny energetycznie [24].

Podsumowanie

Do najbardziej efektywnych sposobów ostatecznego unieszkodliwiania osadów ściekowych niewątpliwie należą procesy termiczne umożliwiające znaczną redukcję masy i objętości przekształcanych osadów z jednoczesną możliwością odzysku energii. W wielu funkcjonujących oczyszczalniach ścieków wprowadzany jest już etap suszenia osadów ściekowych za pomocą urządzeń mechanicznych czy też z wykorzystaniem energii słonecznej. Wiele projektów przewidujących termiczne unieszkodliwianie osadów ściekowych jest w trakcie realizacji. Jednak jak podaje [26], żaden z większych projektów dla miast, takich jak Warszawa, Łódź, Kraków, Gdańsk, Bydgoszcz, Kielce, nie jest jeszcze ukończony i przekazany do eksploatacji. Jeśli jednak określone cele w gospodarce osadami ściekowymi mają być zrealizowane, wydaje się, że szeroki udział metod termicznych w unieszkodliwianiu osadów ściekowych jest nieodzowny. Zastosowanie metod termicznych (np. spalania, pirolizy) nie rozwiązuje problemu osadów ściekowych do końca. Po procesach termicznych pozostają żużle i popioły wymagające odpowiedniego zagospodarowania z uwagi na potencjalną obecność metali ciężkich i innych toksycznych składników. Dlatego równocześnie z planowaniem i realizacją termicznego unieszkodliwiania osadów ściekowych należy zaplanować sposób zagospodarowania stałych odpadów pospaleniowych. Zastosowanie procesu witryfikacji – pomimo jej znacznej energochłonności – może pomóc w rozwiązaniu problemu żużli i popiołów powstających w procesach spalania (czy pirolizy) nie tylko osadów ściekowych, ale i innych odpadów, takich jak odpady komunalne czy odpady medyczne. Uzyskane produkty (witryfikaty) mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle materiałów budowlanych czy drogownictwie.

Prof. dr hab. inż. January Bień
Dr inż. Katarzyna Wystalska
Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska
Politechniki Częstochowskiej

Literatura:
1. Kempa E.S.: Rozwój gospodarki osadami ściekowymi w Polsce. Mat. VII Konferencji Naukowo-Technicznej nt.: Osady ściekowe w praktyce. Częstochowa- Ustroń 16-18 czerwca 1998 r., str. 11-19.
2. Koblak-Kalińska E.: Wykorzystanie osadów ściekowych w świetle przepisów prawa. Mat. Krajowej Konferencji Naukowo-Technicznej nt.: Wykorzystanie osadów ściekowych – techniczne i prawne uwarunkowania. Częstochowa 26-27 czerwca 1996 r.
3. Bień J.B.: Osady ściekowe teoria i praktyka. Częstochowa 2007.
4. Bień J.B., Worwąg M., Wystalska K.: Możliwości zwiększenia efektywności przeróbki i ostatecznego zagospodarowania osadów ściekowych. Forum  Eksploatatora 6/2009 (45), str. 70-73.
5. Bień J., Kowalczyk M., Kamizela T.: Charakterystyka technologiczna osadów ściekowych w aspekcie podatności na odwadnianie. Oczyszczanie ścieków i przeróbka osadów ściekowych. Redakcja Naukowa Zofia Sadecka, Sylwia Myszograj. Uniwersytet Zielonogórski. Tom 3. Zielona Góra 2009, str. 113-123.
6. www.klimapol.com.pl
7. www.swb.com.pl
8. Luboschik U., Trojanowska K.: Jak wykorzystać energię słoneczną do suszenia osadów ściekowych? Czysta Energia 2005, 9, 26-27.
9. Luboschik U., Trojanowska K.: Słońce na służbie w rzeszowskiej oczyszczalni ścieków. Czysta Energia 2005, 11, 40-41.
10. http://www.ist-anlagenbau.de
11. www.huber.com.pl
12. Kordylewski W., Zacharczuk W., Kasprzyk K.: Modyfikacja popiołu i żużla metodą witryfikacji. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, 2003, 37, 3.
13. Kołaciński Z.: Plazma termiczna dla ochrony środowiska. Przegląd Komunalny 2003, 4 (139), 47.
14. Kordylewski W., Robak Ł.: Witryfikacja odpadów i popiołów. Gospodarka Paliwami i Energią 7/2000, 18-21.
15. Bień J., Białczak W.: Unieszkodliwianie odpadów z wykorzystaniem techniki plazmowej. VII Polski Kongres Oczyszczania Miast. Jak chronić środowisko przed odpadami. Szczecin, 22-23 września 2004, str. 147-154.
16. Bień J., Białczak W., Wystalska K.: Witryfikacja odpadów przy użyciu plazmy łukowej. II Kongres Inżynierii Środowiska, materiały tom 1, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 2005, vol. 32, 1035- 1042, ISBN 83-89293-11-0.
17. Bień J.B, Bień J.D. Białczak W., Wystalska K.: Zastosowanie technologii plazmowej do unieszkodliwiania odpadów. Zbiór streszczeń z VIII Ogólnopolskiego Sympozjum Chemii Plazmy 2004. Słok k. Bełchatowa 16-19 czerwca 2004. ISBN 83-7283-126-2. str. 62-63.
18. Bień J.B, Bień J.D. Białczak W., Wystalska K.: Plazmowa witryfikacja odpadów. Zbiór streszczeń z VIII Ogólnopolskiego Sympozjum Chemii Plazmy 2004. Słok k. Bełchatowa 16-19 czerwca 2004. ISBN 83- 7283-126-2. str. 41-42.
19. Bień J., Białczak W., Wystalska K.: Solid waste vitrification using a direct current plasma arc. Environmental Engineering – Pawłowski, Dudzińska&Pawłowski (eds), 2007 Taylor&Francis Group, London, ISBN 13 978-0-415-40818-9. str. 307-310.
20. Białczak W.: Plazmowe przekształcanie odpadów i możliwości przemysłowego zagospodarowania uzyskanych produktów. Praca doktorska. Częstochowa 2006.
21. http://ekologia-info.eu
22. http://www.cdfmf.pl/geodur1.php
23. Góralczyk S., Kukielska D.: Kruszywa lekkie z odpadów. Przegląd Komunalny 11(218)/2009, str. 52-55.
24. Materiały niepublikowane dotyczące ostatecznego rozwiązania problemu utylizacji osadów ściekowych firm Krevox, Andritz, Minergy.
25. www.krevox.com
26. Pająk T.: Zagospodarowanie komunalnych osadów ściekowych w Polsce. Wodociągi i Kanalizacja. Wydanie specjalne – Suszenie i termiczne przekształcanie osadów ściekowych. 9 (67)/2009. str. 32-33.