Autor
Karel Hartig
Kalové hospodářství čistíren odpadních vod prochází vývojem jak technologických postupů, tak i požadavků, které jsou na kalové hospodářství kladeny. Základním požadavkem, který by mělo kalové hospodářství splňovat, je stabilizace kalů, čímž se významně sníží nejen biologická rozložitelnost kalů, ale i množství mikroorganizmů v něm obsažených a rovněž pachové emise. Obvyklou součástí kalového hospodářství je odvodnění kalu. S rozvojem technologií a se začátkem energetické krize nastal rozvoj kogeneračních jednotek s využíváním bioplynu na produkci tepelné a elektrické energie. V blízké budoucnosti se očekává rozvoj technologií, které budou z kalů získávat nejen energii, ale i suroviny, a to především fosfor.
Historické ohlédnutí za kalovým hospodářstvím čistíren odpadních vod
Kalové hospodářství je nedílnou součástí každé čistírny odpadních vod. Zatímco biologicky vyčištěné odpadní vody jsou odváděny do recipientu, produkované kaly je nutné využívat nebo odstraňovat způsobem, který je rovněž v souladu s platnou legislativou. Tato činnost je spojena s většími či menšími finančními náklady, které se samozřejmě promítnou do ceny čištění odpadní vody. Zatímco naše legislativa týkající se čištění odpadních vod byla v poslední době několikrát novelizována, problematika kalů na zásadní novelizaci stále čeká, a to nejen v ČR, ale i v rámci celé EU. Postup novelizace předpisů již začal, ale mnohé otázky zůstávají stále nedořešené. Pro zajímavost připomínám několik základních údajů. Kaly tvoří 1–2 % objemu čištěných vod, ale je v nich obsaženo 50–80 % znečištění přiváděné v odpadní vodě. Zpracování kalů představuje okolo 50 % provozních nákladů, a to v závislosti na technologii čištění odpadních vod a stabilizace kalů. Jaká je tedy současná situace? Ačkoliv existuje řada metod, z technicko-ekonomického hlediska je reálné použití pouze některých z nich. Pohled na čištění odpadních vod a zpracování kalů se postupně mění. V posledních letech, kdy ubývají zdroje, se postupně mění pohled na čištění odpadních vod. S tím úzce souvisí i postupná změna v používaných názvech. Odpadní voda přestává být vodou odpadní, a začíná se nazývat vodou použitou. Biologickým čištěním nevzniká biologicky vyčištěná voda, ale nová voda. Obdobná situace začíná být i s kalem, který už nebude přítěží, ale vítaným zdrojem energie a surovin, a to především fosforu. Kal navíc patří mezi obnovitelné zdroje energie.
Omezující podmínky pro kalové hospodářství
Pro odstraňování kalů nelze používat libovolné metody, protože použitelné metody odstranění stabilizovaných kalů musí splňovat různá kritéria. Hlavní kritéria lze shrnout do několika bodů:
• Použitá metoda musí plně vyhovovat platné domácí (i mezinárodní) legislativě v oblasti ochrany životního prostředí.• Použitá metoda musí být akceptována veřejností.
• Použitá metoda musí být přijatelná z hlediska životního prostředí. V rámci EU jsou stále více preferovány postupy, které snižují celkovou produkci skleníkových plynů a mají příznivý dopad na životní prostředí. Jako vhodné kritérium může být použita např. uhlíková stopa (carbon footprint), resp. analýza životního cyklu (life cycle assesment = LCA).
• Použitá metoda musí být po technické stránce spolehlivá a ekonomicky přijatelná.
• Použitá metoda by měla maximálně využívat energii a cenné látky z kalů při současné minimalizaci nákladů a celkové potřeby energie. Z tohoto pohledu jsou v dnešní době perspektivní především termické destrukční metody. Akceptovatelnost technologie zpracování kalů veřejností nelze opomíjet a v současnosti ovlivňuje především možnost použití spalování kalů, a to bez ohledu na ekonomickou stránku použití této metody. Obdobný případ se týká i aplikace kalů na zemědělskou půdu. Nestačí totiž, aby stabilizovaný kal svým složením odpovídal platné legislativě, ale kal musí být někdo ochoten odebírat. Snahou je docílit stavu, který by byl trvale udržitelný. Tento stav je průnikem zájmů společnosti, ekonomického hospodaření a ochrany životního prostředí.
Souhrnná kalová bilance
Teoretickou produkci kalu na biologických čistírnách splaškových odpadních vod lze přibližně vypočítat pomocí hodnoty ekvivalentního obyvatele. Předpokládáme-li provoz primární sedimentace, získáme produkci primárního kalu v teoretické výši cca 28 g/EO.d při předpokládaném efektu primární sedimentace 25 % na BSK5. Tuto hodnotu samozřejmě ovlivňuje složení odpadní vody a technologické parametry primární sedimentace. Znečištění obsažené v odpadní vodě se v průběhu aerobního procesu čištění z části oxiduje na oxid uhličitý a zbylá část se transformuje na biomasu, která se z vyčištěné vody odstraňuje ve formě biologického přebytečného kalu. Při obvyklých hodnotách teploty a stáří aktivovaného kalu se bude specifická produkce přebytečného aktivovaného kalu pohybovat okolo hodnoty 28 g/EO.d. Teoretická produkce surového kalu od 1 ekvivalentního obyvatele se proto bude pohybovat okolo hodnoty 56 g/EO.d.
V některých případech se setkáváme s různým pojmenováním jednotlivých druhů kalů. Tento nedostatek lze lehce odstranit používáním ČSN EN 1085 „Čištění odpadních vod – Slovník“, která je českou verzí evropské normy EN 1085:2007. Upravuje názvy jednotlivých druhů kalů a vzhledem k srozumitelnosti se doporučuje ji používat. • Primární kal = kal odstraňovaný z primárního čištění, který se nesměšuje s jinými druhy kalu;• Směsný surový kal = kal odstraňovaný z primárního čištění, který obsahuje i jiné druhy kalu, např. přebytečný aktivovaný kal;
• Surový kal = nestabilizovaný kal;
• Sekundární kal = kal odstraňování z druhého stupně čištění;
• Biologický kal = kal odstraňovaný z biologického čištění;
• Chemický kal = kal po chemickém procesu;
• Stabilizace = proces, při kterém se organické látky mění na anorganické nebo pomalu rozložitelné organické sloučeniny;
• Stupeň stabilizace = stupeň rozkladu dosažený stabilizací kalu. Měří se např. snížením obsahu organických látek;
• Anaerobní stabilizace kalu (anaerobní fermentace, vyhnívání) = anaerobní proces snižování množství organických látek obsažených v kalu;
• Anaerobně stabilizovaný kal = kal stabilizovaný za anaerobních podmínek;
• Aerobní stabilizace kalu = aerobní proces snižování množství organických látek obsažených v kalu;
• Aerobně stabilizovaný kal = kal stabilizovaný za aerobních podmínek;
• Anaerobní reaktor (vyhnívací nádrž) = nádrž na anaerobní stabilizaci kalu;
• Pasterizace = zvyšování teploty po přiměřenou dobu za účelem buď inaktivace mikroorganismů, zvláště patogenů, nebo dočasného snížení jejich počtu pod určitou mez po omezenou dobu nebo na hodnotu nižší než je infekční prahová hodnota.
Hlavní metody stabilizace kalů
Nestabilizovaný kal lze v důsledku možné infekčnosti považovat za nebezpečný odpad. Proto před odvozem kalů z čistírny odpadních vod musíme kaly nejdříve stabilizovat především s cílem omezení jejich zápachu, biologické rozložitelnosti a mikrobiálního oživení. Pro stabilizaci kalů máme k dispozici několik hlavních metod, jejichž použití závisí jak na technologii čištění odpadních vod, tak i na velikosti vlastní čistírny. Metody stabilizace kalů se průběžně rozvíjejí v závislosti na stupni poznání daného procesu a dostupné technice.
Biologické metody stabilizace kalů se dělí na aerobní a anaerobní metody. Další možné dělení je na základě teploty procesu. V praxi se pro aerobní metody používá teplota, při které se kal produkuje, popř. termofilní oblast teplot. Anaerobní stabilizace se provozuje v mezofilní, popř. termofilní oblasti teplot. Oddělená aerobní stabilizace kalů se používá především pro menší velikosti čistíren odpadních vod, přičemž často tyto čistírny jsou navrženy bez primární sedimentace surové odpadní vody. Kal produkovaný vodní linkou se provzdušňuje a proces stabilizace kalu neprodukuje žádnou energii. Energie se naopak do procesu dodává, a to formou elektrické energie na pohon dmychadel. Tato metoda se nejčastěji používá u čistíren o kapacitě do 30 000 EO. Termofilní aerobní stabilizace kalů se používá především pro menší velikosti čistíren odpadních vod. Pro zajištění autotermního procesu je výhodnější stabilizovat směs primárního a přebytečného aktivovaného kalu, protože primární kal obsahuje více lehce rozložitelných látek než přebytečný aktivovaný kal, který je již z procesu biologického čištění odpadní vody zčásti aerobně stabilizovaný. Přítomnost lehce odbouratelných organických látek je nezbytná k samoohřevu kalu v průběhu jeho provzdušňování. Termofilní aerobní stabilizace existuje jak ve variantě provzdušňování čistým kyslíkem, tak i ve variantě s provzdušňováním vzduchem, která je provozně nespolehlivá v důsledku nedostatku lehce odbouratelných organických látek. Proces produkuje tepelnou energii, která je problematicky využitelná, když pomineme teoretickou možnost předehřívání kalu vstupujícího do procesu. Provozní teplota procesu a doba zdržení při této teplotě mají příznivý dopad na hygienické zabezpečení takto stabilizovaného kalu. Anaerobní stabilizace kalů se používá pro větší velikosti čistíren odpadních vod, a to obvykle nad 30 až 50 tisíc ekvivalentních obyvatel. Většinou se používá pro čistírny odpadních vod s primární sedimentací, existují však i čistírny, kde se anaerobně stabilizuje pouze přebytečný aktivovaný kal. V současnosti se používá jak mezofilní proces s provozní teplotou procesu 38–40 °C, tak i proces termofilní s provozní teplotou cca 55 °C. Přechod z mezofilního na termofilní proces je významným intenzifikačním faktorem. Má rovněž kladný dopad na produkci bioplynu v důsledku vyššího stupně biologického rozložení organických látek obsažených v surovém kalu. Přechod z mezofilního na termofilní proces je doprovázen některými problémy, jako je vyšší podíl vodních par v produkovaném bioplynu apod. Opět platí, že provozní teplota procesu a doba zdržení při této teplotě mají příznivý dopad na hygienické zabezpečení kalu stabilizovaného v termofilní oblasti teplot. Proces produkuje bioplyn, který se s výhodou spaluje v kogeneračních jednotkách. Jelikož se jedná o obnovitelný zdroj energie, tak jsou výkupní ceny elektřiny dosud výhodné. Anaerobní stabilizací se dosáhne významného snížení organického podílu obsaženého v surovém kalu, což je samozřejmě doprovázeno uvolněním příslušného množství dusíku a fosforu zpět do vodní fáze kalu. Dusík se vyskytuje převážně v amoniakální formě. Ostatně k uvolnění dusíku a fosforu z rozložené organické hmoty zpět do vodní fáze kalu dochází u všech výše uvedených způsobů stabilizace kalů. Titulní obrázek (Vyhnívací nádrž a membránový plynojem) a obr. 2 ukazují příklady řešení anaerobní stabilizace kalů.
Obr. 2. Vyhnívací nádrž a uskladňovací nádrže
Vývoj používaných metod stabilizace kalů
Intenzivní rozvoj čištění odpadních vod u nás nastal v šedesátých letech minulého století. Projektování čistíren odpadních vod probíhalo na základě typizačních směrnic a typových podkladů. Typové podklady byly v té době celostátně závazné. Například typový podklad pro kalové hospodářství s vyhřívaným vyhníváním byl zpracován již v roce 1964. Zahrnoval vyhnívací nádrže jmenovitého obsahu 600, 800 a 1000 m3. K vyhnívacím nádržím se používaly uskladňovací nádrže vyhnilého kalu o objemu 800, 1400 a 2000 m3. Plynojem měl objem 300 m3. Tento typový podklad platil pro ČOV o kapacitě od 10 000 obyvatel do 130 000 obyvatel. Velikost vyhnívací nádrže se počítala dle požadovaného objemu nádrže na 1 připojeného obyvatele. Velikost objemu vyhnívací nádrže kolísala cca od 10 do 16 l/os.d v závislosti na znečištění odpadní vody a požadovaném stupni čištění. Teplota procesu byla v této době 33–35 °C. Kaly byly zahušťovány gravitačně a přebytečný aktivovaný kal se vypouštěl před nádrže primární sedimentace, čímž vznikal rovnou surový kal. Tento kal se zahušťoval v gravitačních zahušťovacích nádržích, kde se obvykle zahustil na cca 4 % sušiny. K dalšímu zahušťování kalů docházelo v průběhu procesu vyhnívání s pomocí odpouštění kalové vody, která se tehdy ještě oddělovala od hustšího kalu. Vstupní koncentrace surového kalu byla oproti současnosti dosti nízká, a proto byl proces energeticky náročný. Mimo nejmenší velikosti vyhnívacích nádrží se proces navrhoval jako dvoustupňový. Důvodem bylo především omezení možnosti vzniku zkratových proudů.
Postupem času na ČOV narůstala produkce kalů co do objemu, tak i produkované sušiny, čímž narůstal tlak na intenzifikaci procesu. Byly zvoleny dvě cesty, které se používaly obvykle dohromady. Další tlaky byly v důsledku energetické krize. Na modelových zkouškách byla ověřena vhodnost zvýšení teploty procesu z 33 na 40 °C. Statickým přepočtem typových nádrží byla ověřena možnost zvýšení teploty bez nebezpečí ohrožení konstrukce vyhnívacích nádrží. Změna pracovní teploty procesu probíhala bez větších problémů, jednalo se o změnu teploty v rámci rozsahu funkce mezofilních bakterií. V důsledku vyšší teploty, která způsobovala rychlejší hydrolýzu nerozpuštěných látek, bylo možné zvýšit látkové zatížení objemu vyhnívacích nádrží při současném snížení doby zdržení. Důsledkem tohoto kroku bylo zvýšení produkce bioplynu na 1 kg přivedených organických látek. Dalším intenzifikačním faktorem bylo vyšší zahuštění surového kalu. Tím se snížil objem ohřívaného kalu, což mělo příznivý ekonomický dopad v úspoře tepelné energie. Při současném přechodu teploty stabilizace kalu z 33 °C na 40 °C a zvýšení koncentrace surového kalu se tento intenzifikační krok zvládnul často i bez výměny systému ohřevu kalu. S nástupem procesu nitrifikace přestalo vyhovovat gravitační zahuštění směsi primárního a přebytečného aktivovaného kalu. Tato směs začala v gravitační zahušťovací nádrži denitrifikovat s tvorbou zahuštěného kalu na hladině zahušťovací nádrže. Další vrstva zahuštěného kalu byla u dna zahušťovací nádrže. Oddělená vrstva vody byla někde mezi těmito vrstvami. Sluneční osvit zahušťovací nádrže tento jev urychloval. Dosud používaným řešením se ukázalo oddělené zahušťování primárního a přebytečného aktivovaného kalu, přičemž zahuštění přebytečného aktivovaného kalu bývá strojní na různých typech zahušťovačů. Zahuštění přebytečného aktivovaného kalu probíhá obvykle s dávkováním roztoku polymerního flokulantu. V důsledku vyšší teploty procesu a vyšší koncentrace kalu vstupujícího do vyhnívací nádrže se přestala oddělovat kalová voda od zahuštěného kalu. Kalová voda je v současnosti pouze řidší kal. Větší problémy nastávají při přechodu na termofilní proces. Ve většině případů by ze statického hlediska neměly vyhovět původní, staré vyhnívací nádrže. Vzhledem k přechodu z mezofilního na termofilní proces je zapracování vyhnívacích nádrží na 55 °C pomalejší, než tomu bylo při přechodu z 33 na 40 °C. Termofilní teplota procesu má několik dopadů na provoz ČOV. Produkovaný bioplyn má významně vyšší obsah vlhkosti, která by se měla z bioplynu odstraňovat. Měření produkce bioplynu musí obsahovat korekci na teplotu a nemělo by být umístěno v místech se zvýšeným podílem vodních par v bioplynu. Pokud tomu tak není, tak spojení složení v podstatě suchého bioplynu s objemem produkovaného bioplynu bez korekce na teplotu a vlhkost vede k příliš optimistickým výsledkům energie transformované do bioplynu. V současné době se takový případ už asi nenajde, ale ne vždy tomu tak bylo. Pokud je veškerý produkovaný bioplyn využíván v kogenerační jednotce, je měření vyprodukované elektrické energie asi jedním z nejpřesnějších měření. Kogenerační jednotka v dobrém technickém stavu v podstatě přesně převádí při daném vytížení energii obsaženou v bioplynu na elektrickou energii, kterou dokážeme přesně měřit. Rozkladem organické hmoty kalu se do vodní fáze uvolňuje především dusík a fosfor, přičemž dusík je především v amoniakální formě a zbylý podíl celkového dusíku je rozpuštěný, organicky vázaný dusík. V závislosti na původu kalu, teplotě procesu a zahuštění surového kalu může koncentrace celkového a amoniakálního dusíku přesahovat 1000 mg/l. Množství dusíku vraceného zpět do procesu se pohybuje mezi 10–20 % dusíku, který je přiveden v surové odpadní vodě. Produkce bioplynu se pohybuje v rozmezí od 300 l do 450 l na 1 kilogram přivedených organických látek, a to v závislosti na podmínkách anaerobního procesu stabilizace a původu kalu. Produkovaný bioplyn má výhřevnost v rozmezí 21,5–23 MJ/m3. Mimo zvýšení teploty procesu a zahuštění kalů se vyvíjely i názory na optimální řešení míchání vyhnívacích nádrží. Původní způsob míchání byl hydraulický velkokapacitními čerpadly. Požadovaný přečerpávaný objem kalu se původně doporučoval jako šestinásobek objemu vyhnívací nádrže. V důsledku umístění sacího a výpustního potrubí nedocházelo k rozrušování kalového stropu, který býval dosti silný a stabilní. Tvorba kalového stropu se omezila používáním jemných česlí a zavedením míchání vyhnívací nádrže stlačeným bioplynem. Tato metoda bezpečně rozrušovala kalový strop, ale byla dosti energeticky náročná a pro její optimální využití byl potřeba speciální tvar vyhnívací nádrže. Snaha stavebních firem o jednodušší konstrukci nádrže a počátky pěnění vyhnívacích nádrží vyústily v preferenci mechanických způsobů míchání vyhnívacích nádrží. Mechanické míchadlo uvnitř nádrže je zobrazeno na obr. 3. Protože existuje optimální zatížení hladiny vyhnívací nádrže uvolňovaným bioplynem, dochází při vysoce výkonném procesu tvorby bioplynu k dosažení až překročení této hodnoty, a to obzvláště při současném použití míchání vyhnívací nádrže bioplynem.
Obr. 3. Mechanické míchadlo vyhnívací nádrže
Pěnění vyhnívacích nádrží je dosud málo prozkoumaný proces. Pokud nám vznikají biologické pěny v aktivační nádrži, lze očekávat začátek pěnění vyhnívacích nádrží s posunem cca 1, maximálně 2 měsíců. Pěnění vyhnívacích nádrží ovlivňuje poměr primárního a přebytečného aktivovaného kalu a pravděpodobně i složení chemikálií používaných v domácnostech, jako jsou prací prášky, přípravky na mytí nádobí atd.
Obr. 4. Uskladňovací nádrž aerobně stabilizovaného kalu se zónovými odběry a přívodem vzduchu k aeraci
Mimo aerobní stabilizaci kalů existuje i termofilní aerobní stabilizace kalů. Tato metoda byla úspěšně použita v 80. letech na stabilizaci kejdy prasat. Teplo zde vzniká mikrobiální oxidací organických látek. V důsledku vysoké teploty a aerace vzduchem docházelo k vysokému odparu vody a tím i k ochlazování procesu. V důsledku použití vzduchu s vysokým podílem dusíku byl objem odcházející vzdušniny velký a docházelo k ztrátám tepla do výparného tepla vody. Kejda prasat však měla dostatečnou koncentraci organických látek, proto úbytek tepla odparem nebyl v tomto případě kritický. Pro kaly z ČOV byla koncentrace lehce rozložitelných látek v kalu limitujícím faktorem, obzvláště v zimním období, nebo v období dešťů, kdy docházelo k tvorbě kalu s vysokým minerálním podílem. Tento nedostatek byl odstraněn až použitím kyslíku, který dříve nebyl k dispozici pro čistírenské účely. V současnosti se jedná o funkční metodu, kterou lze bez problémů zahrnout do technickoekonomického porovnání variant při volbě kalového hospodářství.
Využívání kalů
Stabilizované kaly čistíren odpadních vod obsahují zvýšených podíl látek, které přicházejí v odpadní vodě a procesem čištění se nerozkládají. Jedná se o nerozložitelné a špatně rozložitelné látky. Zvláštní kapitolu tvoří mikrobiální znečištění. Způsob odstraňování nebo využití kalů závisí v prvé řadě na složení stabilizovaného kalu a v druhé řadě na možnosti a v neposlední řadě i zájmu odběratelských subjektů stabilizovaného kalu. Problém těžkých kovů v kalech se minimalizoval a v současnosti nebývá limitujícím faktorem. Pro aplikaci odvodněných kalů na zemědělskou půdu jsou diskutovaným faktorem především hodnoty přípustného mikrobiálního znečištění. V budoucnosti lze očekávat i limitní hodnoty z oblasti reziduí organických látek, jako jsou antibiotika, antibaby pilulky, drogy apod. Znečištění kalů těmito látkami a nebezpečí jejich zavlečení do potravinového řetězce vyvolávají snahy o zamezení aplikace kalů na zemědělskou půdu. V tomto případě se stává vhodnou metodou některá z termických destrukčních metod. V současnosti máme k dispozici novou vyhlášku č. 437/2016 Sb. „O podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě“. Zákon o odpadech je v současnosti projednáván na vládě a proto nelze odpovědně, stanovit, jaké změny přinese pro oblast kalů.
Používané metody zneškodňování kalů
Reálný pohled na celkovou produkci kalů a způsob jejich využití je uveden na webových stránkách Českého statistického úřadu. Obdobný přehled je pravidelně uváděn i v ročence SOVAKu. Tabulka 1 uvádí hodnoty dle ČSÚ za rok 2015.
Tabulka 1. Celková produkce kalů a způsob jejich využití
Odpadová politika ČR a EU potlačuje skládkování biologicky rozložitelných odpadů a podporuje minimalizaci produkce odpadů (kalů) a jejich recyklaci. Produkci kalů nelze zabránit, navíc požadavky na vyšší kvalitu vypouštěné vody obvykle zvyšují množství produkovaných kalů. Jediné reálné možnosti odstranění kalů jsou jejich recyklace a termické destrukční metody. Možnosti recyklace zahrnují použití stabilizovaných kalů na půdu jako organické hnojivo nebo pro vylepšení kvality půdy v zemědělství a pro rekultivace. Destrukční metody zahrnují především různé druhy spalování (spoluspalování), zplynování a pyrolýzu usušených kalů.
Závěr
Problematika stabilizace kalu a jeho využívání či odstraňování je velmi široká. V článku jsem se zabýval hlavními metodami stabilizace kalů. V stadiu příprav je pokračování, které se bude zabývat hygienizací kalů, obsahem energie v kalech a reálnými možnostmi jejího využití.
V současné době se očekává vývoj především v oblasti využívání kalu. Tuto problematiku významně ovlivňuje legislativa. V době zpracování článku probíhal proces schvalování nového zákona o odpadech, v kterém by měly být zahrnuty i části týkající se kalu. Zde si však musíme počkat až na schválené znění, pokud bude toto schvalování zákona v dohledné době ukončeno. Ing. Karel Hartig, CSc.Sweco Hydroprojekt a.s.
Táborská 31
140 16 Praha 4
karel.hartig()sweco.cz
