Технологии за термично оползотворяване на утайки от ПСОВ

Характерно за почти всички методи за пречистване на отпадъчни води е формирането на твърд остатък от процесите на обезводняване във филтърпреси и утаяване. По този начин замърсителят се сепарира от течната фаза и се получават утайки с високо съдържание на замърсители.

Последните данни на ИАОС сочат, че през 2014 г. в България са генерирани близо 55 хил. тона утайки от 87 действащи пречиствателни станции за отпадъчни води (ПСОВ). Около 41% от това количество са временно съхранени, 30% са употребени в земеделието, а 15% са депонирани. Малка част от образуваните утайки от ПСОВ е използвана за рекултивация на нарушени терени или е предадена за компостиране с червени калифорнийски червеи с цел получаване на почвен подобрител.

Според прогнозите в Националния стратегически план за управление на утайките от градските пречиствателни станции за отпадъчни води на територията на Р България за периода 2014-2020 г., се очаква през 2020 г. количеството генерирани утайки да достигне 160 хил. тона. Това е една от предпоставките за необходимостта от търсене на екологосъобразни решения за третиране на този отпадък.

Методът за обезвреждане или оползотворяване на утайките се определя от тяхното качество, което зависи предимно от характеристиките на пречистваните отпадъчни води и техния източник. С третирането на утайките от ПСОВ следва да се осигури прекратяване на процесите на ферментация, елиминиране на патогенните микроорганизми и ограничаване на отделянето на неприятни миризми.

Редица изследвания доказват потенциала за превръщане на утайките в почвен подобрител, поради факта, че те съдържат някои ценни за земеделието елементи (N, P, K, Mg, Ca, S и органични вещества). Същевременно обаче в техния състав влизат и всички замърсители, вируси и бактерии, отделени по време на пречистването на отпадъчния поток води.

С най-висока ефективност по отношение на деструкцията на патогенните микроорганизми са термичните технологии, позволяващи и оползотворяването на утайките като енергиен ресурс. Най-широко прилаганите методи са изгаряне, газификация и пиролиза.

Изгаряне
Инсинераторите за самостоятелно изгаряне се проектират за ефективно елиминиране на опасните органични съединения в утайките от ПСОВ, съчетано с производство на енергия. Тези съоръжения обикновено се изграждат на площадката на пречиствателната станция, за да се избегнат разходите по транспорта на утайките и свързаните с него вредни въздействия върху околната среда.

Температурите, при които работят инсинераторите, са в диапазона 850-950 °C. Когато температурата е по-ниска от 850 °C се стига до отделяне на емисии на лошо миришещи газове. Най-широко използваните видове инсинератори за термично оползотворяване на утайки от ПСОВ са пещи с флуидизиран слой, многоетажни пещи, многоетажни пещи с флуидизиран слой и пещи с циркулация на газа.

Инсинераторите със стационарен флуидизиран слой са подходящи за утайки от градски ПСОВ, както и за други производствени утайки, например от нефтохимическата и химическата промишленост. Тези инсталации се състоят от цилиндрична или правоъгълна пещ, слой с разпределителни дюзи в зоната на кипене и разположена в долния край горелка за стартиране на процеса.

В зависимост от характеристиките на утайките, могат да бъдат използвани различни материали за флуидизирания слой (кварцов пясък, базалт, мулит и др.) с различни размери на частиците (обикновено в границите 0,5-3 мм). Зареждането на отпадъците може да стане през горната част на съоръжението, отстрани чрез лентови транспортьори или да бъдат директно инжектирани във флуидизирания слой. Утайките се смесват с горещия слой, изсушават се и изгарят частично.

Остатъчните фракции (летливи и фини частици) изгарят в пространството над флуидизирания слой. Летящата пепел се отстранява заедно с димните газове от пещта. За да може процесът да протече без допълнително гориво, е хубаво утайките да бъдат изсушени предварително. Отделената от изгарянето топлина може да бъде оползотворена именно за тази цел.

При стартиране на съоръжението или когато качеството на утайките е ниско, се налага да се ползва и допълнително гориво за достигане на необходимата температура. С цел контрол на температурата в пещта, може да бъде впръскана вода. Инсинераторите с циркулиращ флуидизиран слой са особено подходящи за изгаряне на изсушени утайки от ПСОВ с висока калоричност.

При тези съоръжения се използва фин материал за флуидизирания слой. Високите скорости на газа отстраняват по-голямата част от твърдите частици с димните газове. Впоследствие тези частици се отделят в циклон и се връщат отново в горивната камера на инсинератора. Предимство на инсинераторите с циркулиращ флуидизиран слой е, че при процеса се отделя повече топлина, която се оползотворява посредством топлообменници.

Многоетажните пещи
се конструират от облицована с огнеупорни тухли цилиндрична стоманена обвивка, няколко хоризонтални слоя (етажи) и въртящ се тръбен вал с монтирани на него напречни греди (гребла), чрез които утайките се придвижват към дъното на пещта. Броят на етажите се определя от свойствата на утайките. Отпадъците се подават в горната част на пещта и се придвижват надолу по етажите в противоток с въздуха, необходим за горенето, който се подава в долната част на пещта.

Горните етажи осигуряват зона за изсушаване на утайките от ПСОВ и охлаждане на димните газове. Изгарянето протича в средните етажи, като температурата е ограничена до 980 °C, тъй като при по-високи температури се образува шлака. Ако тази температура не може да се достигне, се използва помощна горелка за стартиране и поддържане на процеса или към отпадъците се добавя твърдо гориво. За да се предотврати изпускането на горещи токсични димни газове, многоетажните пещи винаги работят под лек вакуум.

При многоетажните пещи с флуидизиран слой в пространството над слоя се монтират няколко етажа, чрез които се осигурява предварително сушене на утайките с димните газове. По този начин от самия флуидизиран слой се изпарява много малко количество вода. Това позволява намаляване на повърхността на слоя и на цялата пещ.

Оптимизирането на подаването на въздух и пясък и на процеса на изпарение в етажите и флуидизирания слой гарантира непрекъснато горене. Препоръчително е да няма разлики в температурите в горната и долната част на пещта, за да се ограничи формирането на азотни оксиди.

Оптималната големина на частиците на отпадъците, предвидени за обезвреждане в пещи с циркулация на газа, е 1-5 мм, т.е. тези съоръжения са подходящи само за предварително изсушени и гранулирани утайки от ПСОВ. Гранулираното гориво се подава гравиметрично по радиален канал в долната част на инсинераторната камера. На различни нива на камерата се инжектира въздух – първичният въздух постъпва в долната част на пещта, а вторичният – през няколко тангенциално разположени на различна височина на пещта инжектори.

Изгарянето на утайки от ПСОВ в пещи с циркулация на газа изисква равномерно температурно разпределение (900-1000° C) в целия обем на камерата. По този начин температурата на пепелта се поддържа под точката й на размекване.

Повечето от технологиите, прилагани за самостоятелно изгаряне, са подходящи и за съвместно изгаряне на утайки от ПСОВ и твърди битови отпадъци. Най-често обаче за тази цел се използват въртящи се пещи. Експлоатационните температури на ротационните пещи за отпадъци варират в интервала 500-1450 °C. Въртящите се пещи се състоят от цилиндричен съд с лек наклон по хоризонталната ос.

Съдът се върти около оста си (възвратно-постъпателно движение), а утайките се подават в пещта посредством тръба с водна изолация. Отпадъците се разпределят в пещта гравиметрично. Времето на престой на утайките в пещта се определя от ъгъла на наклон на съда и скоростта на ротация. Обикновено време на престой от порядъка на 30 до 90 минути е достатъчно за ефективно изгаряне на утайките.

Газификация
Газификацията на утайки от ПСОВ води до получаването на висококачествен запалим газ. Този процес на термично оползотворяване на отпадъци може да бъде разделен на три етапа – сушене, пиролиза и газификация. От етапа на сушене остава 85-93% сухо вещество в зависимост от вида на газификатора.

Този етап протича при температура от около 150 °C. След изсушаване на утайките температурата се повишава до 400 °C и протича процес на пиролиза. В последния етап пиролитичните продукти, кондензиращите и некондензиращи пари и коксът се трансформират в синтез газ.

Газификацията на утайки от ПСОВ се провежда с по-малко от стехиометрично необходимото количество кислород. Същинският процес на газификация се осъществява в температурния интервал 800-1400 °C. За поддържане на желаната температура в реактора обикновено са необходими допълнителни горива.

След газификация температурата на суровия синтез газ се понижава чрез охлаждане с вода или с вече охладен синтез газ. Преди отстраняването на унесените частици може да се извърши допълнително охлаждане в топлообменник. Пречистването на газа от прахови частици обикновено става с воден скрубер. Най-често за газификация на утайки от ПСОВ се използват реактори със стационарен слой, с флуидизиран слой и с циркулиращ слой.

При първия вид газификатори слоят отпадъци, през който се пропуска окислителят, е стационарен. Газификаторите със стационарен слой се класифицират като реактори с низходящ и възходящ поток. Особеност на газификаторите с възходящ поток е, че утайките се подават в горната част на реакционната камера, а окислителният агент – в долната. При тези газификатори има характерно стеснение (гърло), в което се монтира решетка, върху която се натрупват постъпващите отпадъци.

Основен недостатък на този метод за термично оползотворяване е получаването на газ с високо съдържание на катран (10-20%). При газификаторите с низходящ поток, отпадъците отново се захранват в горната част на реактора, но окислителят, подаван в горивната зона, се движи в низходяща посока към дъното на реактора. Полученият синтез газ е с много по-ниско съдържание на катран (<1%).

Процесът на газификация в реакторите с флуидизиран слой протича като през нагретия слой от инертен материал (обикновено пясък) се пропуска въздух. Утайките се подават в долния край на газификатора, бързо се смесват с флуидизирания слой и достигат неговата температура. Допълнително протича газификация и в газовата фаза над кипящия слой.

Както при изгарянето, така и при газификацията, се постига значително редуциране теглото и обема на утайките. Най-голямото предимство на газификационните системи в сравнение с инсинерацията е получаването на синтез газ, който може да бъде оползотворен за генериране на енергия или за производство на метанол и други химични продукти. Поради използването на по-малко количество кислород, при газификацията на отпадъци се отделят по-малко газови емисии.

Пиролиза
Пиролизата на утайки от ПСОВ включва термичното им разлагане чрез прилагането на топлина в отсъствието на кислород. Пиролизните инсталации за обезвреждане на отпадъци включват няколко технологични процеса. Етапът на сушене на утайките повишава долната специфична топлина на изгаряне на суровите газове и повишава ефективността на реакциите между газовата и твърдата фаза в съоръжението.

Следва етапът на пиролиза на отпадъците, по време на който се генерира пиролизният газ и се натрупва твърд въглеродсъдържащ остатък, който съдържа също и минерални частици. Последният етап обхваща вторичното третиране на пиролизния газ и пиролизния кокс чрез кондензация на газовете с цел извличане на енергийно ценни маслени смеси и/или инсинериране на газа и кокса с цел деструкция на органичните компоненти и в същото време оползотворяване на енергията.

Температурата по време на пиролизния етап обикновено е в границите 400-700 °C. Когато температурите са по-ниски (250 °C), започват да протичат други реакции. Процесът на термично оползотворяване на утайките чрез пиролиза е предимно конверсионен.

Сред предимствата на пиролизния процес са възможността за възстановяване материалната стойност на органичната фракция, например като метанол, възможността за повишено производство на електрическа енергия при използване на газови турбини (вместо парни котли) и намаленият обем на димните газове след изгаряне, което редуцира разходите по пречистването им.