Osady ściekowe powstają w oczyszczalniach ścieków jako specyficzny odpad procesów oczyszczania ścieków i wymagają odpowiedniego zagospodarowania. Wzrost liczby ludności, zastosowanie nowoczesnych, efektywniejszych technologii oczyszczania ścieków skutkuje znaczącym wzrostem ilości wytwarzanych osadów ściekowych.1) Rosną również koszty związane z ich przeróbką oraz zagospodarowaniem. Osady ściekowe poddawane są procesom przeróbki w celu ustabilizowania ich właściwości oraz zmniejszenia objętości. Szacuje się, że koszty związane z przeróbką osadów oraz ich późniejszym zagospodarowaniem stanowią od 20–60% całkowitych nakładów związanych z funkcjonowaniem oczyszczalni ścieków.2)
Źródło: Opracowanie własne na podstawie: Ochrona środowiska 2013
Prawodawstwo
Na zagospodarowanie osadów ściekowych w Polsce znacząco wpłynęły wymogi prawne związane z członkostwem naszego kraju w Unii Europejskiej. Skutkuje to zakazem składowania osadów ściekowych (od 1 stycznia 2016 roku) oraz corocznym wzrostem wytwarzania osadów w wyniku rozbudowy sieci kanalizacyjnych i oczyszczalni ścieków.3) Z tych względów, Polska staje przed dużym problemem natury ekonomicznej, technicznej oraz ekologicznej. Do tej pory końcowym etapem unieszkodliwiania osadów ściekowych było ich mechaniczne odwadnianie, a następnie osuszanie i składowanie.
Zmiany w sposobie zagospodarowania osadów ściekowych wynikają z obowiązujących aktów prawnych:
- ustawy z 14 grudnia 2012 r. o odpadach (Dz.U. 2013, poz. 21), z późn. zm.,
- rozporządzenia ministra środowiska z 13 lipca 2010 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych (Dz.U. 2010, nr 137, poz. 924),
- rozporządzenia ministra gospodarki z 8 stycznia 2013 r. w sprawie kryteriów oraz procedur dopuszczania odpadów do składowania na składowisku odpadów danego typu (Dz. U.2013, poz. 38).
- dyrektywy Rady 86/278/EWG z 12 czerwca 1986 r. w sprawie ochrony środowiska, w szczególności gleby, w przypadku wykorzystywania osadów ściekowych w rolnictwie. Dyrektywa ogranicza możliwości wykorzystania osadów ściekowych do celów rolniczych i przyrodniczych, wprowadzając normy dotyczące stężeń metali ciężkich w osadach,
- dyrektywy Rady 91/271/EWG z 21 maja 1991 r. dotyczącej oczyszczania ścieków komunalnych (zakaz zrzutu osadów ściekowych do mórz i oceanów),
- dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2006/12/WE z 5 kwietnia 2006 r. w sprawie odpadów,
- dyrektywy Rady 1999/31/WE z 26 kwietnia 1999 r. w sprawie składowania odpadów. Dyrektywa ta zabrania składowania osadów ściekowych (na składowiskach innych niż niebezpieczne i obojętne), których ciepło spalania wynosi powyżej 6 MJ/kg suchej masy.
Struktura wytwarzania i zagospodarowania osadów ściekowych
Według danych GUS „Ochrona środowiska 2013” w 2012 r. w Polsce pracowało 3 191 komunalnych oczyszczalni ścieków. Obsługują one ponad 26,4 miliona mieszkańców (czyli ok. 68,6% wszystkich mieszkańców Polski) i oczyszczają 756 898 tys. m3 ścieków komunalnych. Nowoczesne oraz wysokosprawne systemy oczyszczania ścieków powodują wytwarzanie znacznych ilości osadów ściekowych. Dominującym kierunkiem zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych w Polsce w 2012 r. było ich unieszkodliwianie poprzez składowanie oraz gromadzenie na terenie oczyszczalni (na składowiskach, lagunach i w stawach osadowych). Stanowi to aż 50% przypadków. Kolejnymi kierunkami zagospodarowania są: zastosowanie w rolnictwie (23%), stosowane do rekultywacji terenów (10%), stosowane do uprawy roślin przeznaczonych do produkcji kompostu (6%) oraz przekształcane termicznie (11%).
Analizując strukturę wytwarzania osadów ściekowych (rys. 2) w latach 2005–2012 można zauważyć sukcesywny wzrost liczby wytwarzanych osadów. Wzrasta liczba osadów ściekowych wykorzystywanych w rolnictwie: z 66,0 tys. Mg w 2005 r. do 115,0 tys. Mg w 2012 r. Nieznacznie wzrosła ilość osadów wykorzystywana do uprawy roślin do produkcji kompostu. Znacznie ograniczona została ilość osadów składowanych na składowiskach: ze 150 tys. Mg w 2005 roku do 46,8 tys.
Mg w 2012 r. oraz osadów nagromadzonych na terenie oczyszczalni: z 782,7 tys. Mg (2005 r.) do 208,1 tys. Mg (2012 r.). Należy zwrócić uwagę na znaczny wzrost ilości osadów ściekowych poddawanych termicznym metodom unieszkodliwiania – z 6,2 tys.
Mg w 2005 r. do 56,6 tys. Mg w 2012 r. Jest to zgodne z celami gospodarki komunalnymi osadami ściekowymi postawionymi w ustawodawstwie zarówno krajowym jak i unijnym.
Rys. 2. Osady z komunalnych oczyszczalni ścieków
Źródło: Opracowanie własne na podstawie: Ochrona środowiska 2013
Do najważniejszych z nich należą4):
- całkowite ograniczenie składowania osadów ściekowych,
- zwiększenie ilości komunalnych osadów ściekowych przetwarzanych przed wprowadzeniem do środowiska oraz osadów przekształcanych metodami termicznymi,
- maksymalizację stopnia wykorzystania substancji biogennych zawartych w osadach przy jednoczesnym spełnieniu wszystkich wymogów dotyczących bezpieczeństwa sanitarnego i chemicznego.
Biologiczne metody zagospodarowania osadów ściekowych
Osady ściekowe mogą być kompostowane lub przetwarzane beztlenowo.
Aby osady ściekowe można było wykorzystać do celów rolniczych, konieczne jest przeprowadzenie procesu częściowego ich rozkładu biologicznego w warunkach tlenowych, czyli kompostowania. Proces ten polega na częściowym rozkładzie substancji organicznej w warunkach tlenowych pod wpływem najczęściej chemoheterotroficznych bakterii i grzybów. W wyniku tych przekształceń otrzymuje się proste połączenia (CO2 i H2O) oraz stosunkowo stabilną pozostałość – określaną mianem próchnicy, czyli kompostu będącego bardzo wartościowym nawozem organicznym.
Aby proces kompostowania przebiegał bez zakłóceń, osady ściekowe bogate w azot mieszane są z materiałem strukturotwórczym bogatym w węgiel (najczęściej są to drewniane wióry lub słoma) w proporcjach objętościowych ok. 1:35). Stanowią one nie tylko źródło węgla, lecz zwiększają porowatość mieszanki kompostowej. Kompostowanie w systemie konwencjonalnym trwa ok. 6 miesięcy i odbywa się najczęściej przez uformowanie na świeżym powietrzu pryzm z rozdrobnionych odpadów. W systemach kierowanych, prowadzonych w specjalnych, zamkniętych bioreaktorach, przy zwiększonym napowietrzaniu i zachowaniu optymalnych warunków, proces ten przebiega znacznie intensywniej (trwa ok. 3 tygodni)6).
Fermentacja metanowa jest procesem, który umożliwia połączenie oczyszczania osadów ściekowych z zawartych w nich zanieczyszczeń organicznych z równoczesnym odzyskiem zgromadzonej w nich energii. Fermentacja metanowa wywoływana jest przez dwie różne grupy drobnoustrojów, dlatego też przebiega dwufazowo. W pierwszej fazie7) następuje upłynnienie i hydroliza nierozpuszczalnych związków organicznych oraz degradacja wytworzonych związków pośrednich przez bakterie saprofityczne do niższych kwasów tłuszczowych i związków pośrednich. Faza ta nazywana jest fazą kwasową. W drugiej zaś fazie, nazywanej metanową, wytworzone substancje są dalej rozkładane przez bakterie metanowe do produktów gazowych, głównie metanu i ditlenku węgla.
Istotą fermentacji jest biologiczny rozpad zanieczyszczeń organicznych pod wpływem bakterii anaerobowych. Produktami reakcji rozkładu są: biogaz i biomasa. Aby proces fermentacji mógł prawidłowo przebiegać, niezbędne jest dotrzymanie odpowiednich warunków reakcji, czyli8):
- stały odczyn (w granicach 6 – 8 pH),
- stała temperatura:
– 10–20°C w przypadku fermentacji psychrofilowej,
– 25–35°C w przypadku fermentacji mezofilowej,
– 50–60°C w przypadku fermentacji termofitowej.
– 25–35°C w przypadku fermentacji mezofilowej,
– 50–60°C w przypadku fermentacji termofitowej.
Im wyższa temperatura, tym dłuższy jest czas potrzebny do rozwoju bakterii metanowych. W wyższych temperaturach wzrasta również wrażliwość bakterii na czynniki toksyczne.
Najczęściej fermentację metanową prowadzi się w zakresie temperatur 30–40°C, ze względu na optymalny stopień rozkładu substancji organicznej (optimum wytwarzania gazu ∼50%)9). Czas niezbędny do przeprowadzenia procesu fermentacji metanowej zależy od10):
- temperatury,
- obciążenia komór fermentacyjnych – czyli stężenia substratu w reaktorze,
- stężenia aktywnej biomasy,
- wymaganego stopnia rozkładu.
0,4–0,6 m3/kg s.m.o. Gaz fermentacyjny zawiera około 67% (v/v) metanu, 30% (v/v) ditlenku węgla, parę wodną oraz ok. 1–2% (v/v) siarkowodoru11).
Rys. 3. Schemat przebiegu fermentacji
Źródło: Pyssa 2008
Rozporządzenie ministra środowiska w sprawie komunalnych osadów ściekowych z 13 lipca 2010 r. (Dz.U. nr 137, poz. 924) stanowi, że osady ściekowe wykorzystywane w celach rolniczych muszą spełniać odpowiednie wymagania sanitarno-higieniczne i nie mogą przekraczać stężeń metali ciężkich powyżej wartości dopuszczalnych określonych w rozporządzeniu (tabela 1).
W przypadku rolniczego wykorzystania, osady mogą stanowić cenne źródło azotu, fosforu, węgla, materii organicznej oraz makroskładników niezbędnych do prawidłowego rozwoju roślin. Niewątpliwą zaletą takiego zagospodarowania są stosunkowo niskie koszty. Jednakże istnieją poważne ograniczenia związane z wykorzystaniem osadów ściekowych, wynikające z konieczności spełnienia wymagań rozporządzenia ministra środowiska (Dz. U. nr 137, poz. 924) co do ilości metali ciężkich. Ponadto rolnicze wykorzystanie osadów uzależnione jest od pory roku oraz okresu wegetacyjnego roślin.
Termiczne metody zagospodarowania osadów ściekowych
Najczęstszą metodą, pozwalającą na energetyczne wykorzystanie osadów ściekowych jest spalanie w spalarniach zawodowych lub współspalanie w urządzeniach przemysłowych np. kotłach lub piecach obrotowych12). Proces ten wymaga odpowiedniego przetworzenia osadów ściekowych (usunięcie wilgoci do poziomu < 20%), zapewniającego co najmniej autotermiczne spalanie
(Wd > 6,5 MJ/kg)13).
Innym sposobem energetycznego wykorzystania osadów ściekowych może być spalenie w cementowym piecu obrotowym14). Wysokie temperatury strumienia gazów (> 2000°C) i wypalanego materiału (ok. 1450°C), turbulencja i stosunkowo długi czas (7–10 s) przepływu gazów i materiału w strefie wysokich temperatur (> 1200°C) powodują, że proces spalania osadów ściekowych w cementowym piecu obrotowym spełnia wszystkie wymagania rozporządzenia ministra gospodarki z 19 marca 2010 roku, zmieniającego rozporządzenie w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcenia odpadów (Dz.U. Nr 61, poz. 380)15). Warunki panujące w piecu powodują prawie całkowity rozkład oraz spalenie organicznych substancji palnych wprowadzonych do pieca. Ważną zaletą cementowego pieca obrotowego w stosunku do spalarni osadów lub innego urządzenia jest bezodpadowa utylizacja. Powstający produkt spalania − popiół jest całkowicie zaabsorbowany i trwale związany w klinkierze, nie stwarzając zagrożenia dla środowiska16).
Osady ściekowe mają podobną wartość opałową do mułów węglowych, węgla brunatnego czy drewna opałowego. Zawartość popiołów jest duża, tylko muły węglowe charakteryzują się większą zawartością popiołów. Ilość węgla pierwiastkowego jest zbliżona do odpadowego mułu węglowego oraz drewna opałowego, natomiast ilość wodoru pierwiastkowego jest podobna jak u paliw konwencjonalnych. Osady ściekowe posiadają duże ilości siarki pierwiastkowej w porównaniu do innych paliw. Tylko węgiel brunatny i odpadowy muł węglowy zawierają w swoim składzie większe ilości tego pierwiastka.
Składowanie osadów ściekowych
Najczęściej osady trafiają na wysypiska lub do środowiska w postaci wstępnie ustabilizowanej (zazwyczaj po stabilizacji tlenowej, beztlenowej lub wapnem). Stanowią jednak dość istotny problem ze względu na duże uwodnienie, masę oraz ewentualne niebezpieczeństwo sanitarne. Wydawać by się mogło, że ze względu na właściwości nawozowe oraz próchnicotwórcze komunalne osady ściekowe powinny wzbogacać glebę w cenne składniki (azot, fosfor, siarkę czy magnez) oraz materię organiczną17). Jednak czynnikami ograniczającymi lub wręcz wykluczającymi ich stosowanie w rolnictwie lub na cele przyrodnicze są często ponadnormatywne zawartości metali ciężkich18), obecność zanieczyszczeń organicznych (WWA – wielopierścieniowe związki aromatyczne, PCB – polichlorowane bifenyle, AOX – chlorowcopochodne związki organiczne)19) czy też obecność organizmów chorobotwórczych i jaj pasożytów20).
Kryteria dopuszczenia osadów ściekowych do składowania na składowisku odpadów innych niż niebezpieczne i obojętne przedstawiono w tabeli 3.
Ostatni z parametrów − ciepło spalania, ogranicza możliwość składowania nieprzetworzonych osadów ściekowych na składowisku po 2016 r.
Podsumowanie
Ze względu na coraz większe możliwości rozbudowy i modernizacji istniejących krajowych oczyszczalni ścieków lub powstawanie nowych obiektów, w najbliższych latach w Polsce zaobserwujemy gwałtowny wzrost strumienia osadów ściekowych, których zagospodarowanie będzie nie lada wyzwaniem. Aktualne przepisy coraz ostrzej traktują problem składowania osadów ściekowych na przepełnionych składowiskach odpadów komunalnych. Co więcej, dość popularne przyrodnicze metody zagospodarowania osadów ściekowych również tracą na atrakcyjności ze względu na wysoką zawartość związków (metali ciężkich) szkodliwych dla środowiska w komunalnych osadach ściekowych pochodzących szczególnie z dużych aglomeracji miejskich. Stąd też wydaje się, że docelowym kierunkiem wykorzystania osadów staną się przede wszystkim metody termicznej utylizacji jako bezpieczne ekologicznie i uzasadnione ekonomicznie.
Możliwość wykorzystania energetycznego osadu ściekowego zależy wyłącznie od jego właściwości fizykochemicznych, te właściwości wynikają natomiast ze składu przerabianych ścieków oraz procesów ich stabilizacji.
Praca finansowana w ramach badań statutowych nr 11.11.210.213
na Wydziale Energetyki i Paliw AGH.
Literatura:
Andreoli C. V., Sperling M., Fernandes F.: Sludge treatment and disposal. IWA Publishing, Vol. 6, Chapter 4, Biological wastewater treatment series, 2007.
Bień J., Neczaj E., Worwąg M., Grosser A., Nowak D., Milczarek M., Janik M., Kierunki zagospodarowania osadów w Polsce po roku 2013. Inżynieria i Ochrona Środowiska. T. 14, nr 4 (2011) s. 375-384.
Bień J., Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych, Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Projekt „Plan Rozwoju Politechniki Częstochowskiej”, 2012.
Bilitewski B., Härdtle G., Marek K., 2003 – Podręcznik gospodarki odpadami. Teoria i praktyka. Wydanie pierwsze. Wydawnictwo Seidel - Przywecki. Spółka z o. o., Warszawa.
Duda J., Wasilewski M.; Innowacyjna technologia utylizacji osadów ściekowych. XVIII Konferencja Innowacje w Zarządzaniu i Inżynierii Produkcji. Zakopane. Tom 1. (2014) s. 68-77
Dyrektywa Rady 86/278/EWG z dnia 12 czerwca 1986 roku w sprawie ochrony środowiska, w szczególności gleby, w przypadku wykorzystywania osadów ściekowych w rolnictwie.
Dyrektywa Rady 91/271/EWG z dnia 21 maja 1991 r. dotyczącej oczyszczania ścieków komunalnych.
Dyrektywa Rady 1999/31/WE z dnia 26 kwietnia 1999 roku w sprawie składowania odpadów.
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2006/12/WE z dnia 5 kwietnia 2006 roku w sprawie odpadów.
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE.
Jędrczak A., 2007 – Biologiczne przetwarzanie odpadów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
Kacperski W.T., 2003 – Inżynieria środowiska. T.2 Gospodarka odpadami. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom.
Latosińska J., Kowalski K.: Mobility of heavy metals from sewage sludge and sewage sludge ash from the municipal wastewater treatment plant more than 200 000 equivalent population. Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska. Vol. 15. Issue 3(2013), s. 43-50.
Miksch K.: Biotechnologia w inżynierii środowiska. Materiały IX Międzynarodowej Konferencji „Nauka i technika w restrukturyzacji terenów przemysłowych”, Gliwice 25-27 IX, 1999, s. 17
Ochrona środowiska 2013. Informacje i opracowania statystyczne. Zakład Wydawnictw Statystycznych. Warszawa.
Pyssa J., Dobór technologii unieszkodliwiana odpadów niebezpiecznych w aspekcie ochrony środowiska na przykładzie województwa małopolskiego. Rozprawa doktorska. Wydział Paliw i Energii AGH. Kraków 2008.
Pyssa J. Milewska-Duda J., Zastosowanie biotechnologii w procesach oczyszczania ścieków. [W:] Paliwa i energia XXI wieku (red. G.S. Jodłowski). Wydawnictwo Naukowe „Akapit”, Kraków. 2014. s. 323–336.
Pyssa J., Rzadkosz B.: Osady ściekowe jako substraty do produkcji bioenergii. [W:] Paliwa z odpadów 2014: IX międzynarodowa konferencja: Szklarska Poręba, 19–21 listopada 2014.
Rećko K.; Termiczna utylizacja osadów ściekowych. Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska. Vol.2 (2005), s. 17-24.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 13 lipca 2010 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych (Dz. U. 2010, nr 137, poz. 924).
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 19 marca 2010 roku zmieniające rozporządzenie w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcenia odpadów (Dz. U. nr 61, poz. 380).
Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 8 stycznia 2013 r. w sprawie kryteriów oraz procedur dopuszczania odpadów do składowania na składowisku odpadów danego typu (Dz. U. 2013, poz. 38).
Środa K., Kijko-Kleczkowska A., Otwinowski K.: Termiczne unieszkodliwianie osadów ściekowych. Inżynieria ekologiczna. Nr 28 (2012). s. 67-81.
Środa K., Kijko-Kleczkowska A., Otwinowski K.: Methods of disposal of sewage sludge. Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska. Vol. 15, issue 2 (2013), s. 33-50.
Tytła M., Zielewicz E., Badania wpływu warunków prowadzenia dezintegracji ultradźwiękowej osadów ściekowych na uzyskiwane efekty. [W:] Inżynieria Środowiska – Młodym Okiem. Tom 5. Ścieki i osady ściekowe (red. Skoczko I., Piekutin J., Kloza K). Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej. Białystok 2014, s. 70-96.
Ustawa o odpadach (Dz. U. 2013, poz. 21) z dnia 14 grudnia 2012 r., z późn. zmianami (Dz. U. 2014,
poz. 695, 1101, 1322).
Werle S.: Wielowariantowa analiza możliwości współspalania osadów ściekowych w kotłach energetycznych opalanych węglem. Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska. Vol 13, nr 1 (2011), s. 21-38.
Wilk J., Wolańczyk F.: Problemy energetycznego wykorzystania odpadów z oczyszczalni ścieków. Polityka Energetyczna. Tom 11. Zeszyt 2 (2008).
s. 139-149.
Wydro U., Łoboda T.: Główne problemy związane z przyrodniczym zagospodarowaniem komunalnych osadów ściekowych. [W:] Inżynieria Środowiska – Młodym Okiem. Tom 5. Ścieki i osady ściekowe (red. Skoczko I., Piekutin J., Kloza K). Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej. Białystok 2014, s. 97-120.
Przypisy:
1) Pyssa, Milewska-Duda 2014
2) Andreoli i inni 2007; Tytła, Zielewicz 2014, Pyssa, Rzadkosz 201
3) Pyssa, Rzadkosz 2014
4) Pyssa, Rzadkosz 2014
5) Jędrczak 2007
6) Miksch 1999
7) Kacperski 2003
8) Kacperski 2003; Pyssa 2008
9) Kacperski 2003; Pyssa 2008
10) Bilitewski, Härdtle, Marek 2003
11) Jędrczak 2007
12) Wilk, Wolańczyk 2008; Werle 2011
13) Duda, Wasilewski 2014; Pyssa, Rzadkosz 2014
14) Środa i inni 2013
15) Pyssa, Rzadkosz 2014
16) Środa i inni 2012; Środa i inni 2013, Duda, Wasilewski 2014
17) Pyssa, Rzadkosz 2014
18) Latosińska, Kowalski 2013
19) Bień i inni 2011; Bień 2012
20) Wydro, Łoboda 2014
dr inż. Justyna Pyssa
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
im. St. Staszica w Krakowie
Wydział Energetyki i Paliw
Nowoczesna Gospodarka Odpadami 4(7) 2014
