CZ2013559A3 - Způsob zpracování tekutých, pastovitých a kašovitých kalů zejména z čistíren odpadních vod pro využití jako paliva zejména pro výrobu elektrické a tepelné energie - Google Patents

Abstract

Způsob zpracování tekutých kalů (1) z čistíren odpadních vod a/nebo tekutých odpadů z průmyslu a/nebo zemědělství (dále jen kaly) pro využití jako biopaliva (10) zejména pro výrobu elektrické energie. Kaly (1) o vlhkosti 60 až 98 % hmotnosti se dotují přídavným materiálem, jako dřevní hmotou (2) o vlhkosti 5 až 60 % hmotnosti a/nebo fytomasou (3) o vlhkosti 5 až 20 % hmotnosti a/nebo jiným biologicky odbouratelným materiálem (4) o vlhkosti 5 až 60 % hmotnosti na konečnou vlhkost 40 až 70 % hmotnosti. Směs kalů (1) a přídavného materiálu se důkladně promíchá (5), načež se za pomoci provzdušňování podrobí automatickému fermentačnímu procesu, kdy v první fázi (6), kdy se rozkládají zejména cukry, bílkoviny a škroby na dusičnany, CO.sub.2, .n.čpavek a aminokyseliny, musí intenzita provzdušňování dosahovat hodnot, při nichž teplota v zóně intenzivního fermentačního procesu stoupá na 50 až 70 .degree.C, načež ve druhé fázi (7), kdy se rozkládají zejména hůře rozložitelné frakce celulóza a lignin, se intenzita provzdušňování sníží a teplota samovolně pozvolna klesá na 35 až 50 .degree.C, načež ve třetí fázi (8) teplota klesá na teplotu okolí a vzniklý výsledný materiál, o vlhkosti maximálně 55 % hmotnosti, se využije jako biopalivo (10), zejména pro výrobu elektrické nebo tepelné energie..sub. .n.

Description

Vynález se týká způsobu zpracování tekutých, pastovitých nebo kašovitých kalů s vysokou vlhkostí, vznikajících zejména z čistíren odpadních vod, z komunálních služeb, z průmyslu a zemědělství, na výsledný produkt využitelný jako biopalivo, zejména pro výrobu elektrické a/nebo tepelné energie.

Dosavadní stav techniky

V současné době je snaha zpracovat kaly zejména z čistíren odpadních vod tak, aby výsledný produkt byl využitelný. Je znám způsob podle švýcarské patentové přihlášky CH 1415/90 (patent 1996/25) a zveřejněné evropské patentové přihlášky EP 458 738, kde se kaly s přídavkem odpadního dřeva nebo jiného organického materiálu kompostují, tedy podrobují aerobnímu procesu tlení. Odpadní kaly se však musí předem odvodňovat. Vysoká vlhkost kalů je stále velký problém. V uvedené patentové přihlášce je zmíněno, že výsledný produkt lze využít jako palivo, ale najde spíše uplatnění jako kompost. Uvedený způsob je příliš obecný, výsledný produkt nemá dostatečnou výhřevnost a nejsou vyřešeny vhodné poměry vstupních materiálů ani poměry vlhkostní. Fermentační proces je zdlouhavý a neprobíhá efektivně. V praxi je využitelnost výsledného produktu jako paliva diskutabilní. Problémy se zpracováním tekutých kalů nejsou zde vyřešeny. Jsou známy i různé druhy úpravy vlhkosti vstupního materiálu, např. podle evropské patentové přihlášky EP 10780546, která se zabývá způsobem vysoušení odpadního materiálu pro následné zpracování. Primární zbavení kalů části vlhkosti před jejich dalším zpracováním je součástí většiny známých řešení pro jejich využití. Bylo nalezeno i řešení podle SK užitného • · · · • · · · •· · ·· · ·· · • · · · · · · · ·

2· ····· · · · • ···· ··· ······ ·· · ··· ·· vzoru 221-2011, kde je popsán způsob výroby a využití pevného paliva z biomasy a bioodpadu. Způsob však předpokládá odstranění části vlhkosti u výsledného produktu ve zvláštním zařízení, což je ekonomicky nevýhodné. Také deklarovaná výhřevnost výsledného paliva minimálně 13 MJ/kg vyrobeného popisovaným způsobem v průběhu průměrné šestidenní aerobní fermentace se v praxi ukázala téměř nedosažitelná. Způsob, jak popisovanou výhřevnost dosáhnout, není popsán.

Existují i další podobné patenty, jako EP 102 436 A, US 4 869 877 A, nebo DE 3 923 641. Všechny popisují způsoby, které jsou využitelné pro aerobní zpracování biologicky odbouratelných odpadů, případně zařízení k provádění způsobu, ale pro zpracování tekutých nebo pastovitých kalů z čistíren odpadních vod s minimalizací nákladů jsou prakticky nevyužitelné. Rovněž je známo využití anaerobně zpracovaného kalu podle US patentu 5 429 645, kde se však vstupní produkt mísí s fosilním palivem a výsledný produkt se suší. Míšení s fosilními palivy pro zvýšení výhřevnosti je předmětem i jiné patentové literatury. V praxi se tento způsob jeví jako ne příliš ekonomický, přestože se využívá např. v Německu, Velké Británii nebo Holandsku. Úkolem vynálezu je najít způsob, jak zpracovat tekuté, případně pastovité nebo kašovité kaly z čistíren odpadních vod a/nebo tekuté odpady z průmyslu a/nebo zemědělství (dále jen kaly), tak, aby byly následně využitelné jako palivo. Způsob musí být efektivní, ekonomicky nenáročný, a tedy bez nutnosti následného vysoušení výstupní suroviny v sušícím zařízení, nebo jen s minimální úpravou výstupního materiálu před jeho vlastním využitím.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález je blíže popsán na příkladech provedení za pomoci připojeného výkresu, kde je provedení způsobu se všemi alternativami znázorněno schematicky.

• · · · • · · ·

Podstata vynálezu

Uvedený úkol splňuje vynález, kterým je způsob zpracování tekutých a/nebo pastovitých a/nebo kašovitých kalů z čistíren odpadních vod a/nebo obdobných odpadů z průmyslu a/nebo zemědělství (dále jen kaly) pro využití jako paliva zejména pro výrobu elektrické a/nebo tepelné energie. Jeho podstata spočívá v tom, že kaly o vlhkosti 60-98% hmotnosti se dotují přídavným materiálem, jako dřevní hmotou o vlhkosti 5-60% hmotnosti a/nebo fytomasou o vlhkosti 5-20% hmotnosti a/nebo jiným biologicky odbouratelným materiálem o vlhkosti 5-60% hmotnosti na konečnou vlhkost 40-70% hmotnosti, přičemž přídavný materiál se předem upraví na frakci maximálně 150 - 200 mm. Směs kalů a přídavného materiálu se důkladně promíchá, načež se za pomoci provzdušňování podrobí automatickému fermentačnímu procesu, kdy v první fázi, kdy se rozkládají zejména cukry, bílkoviny a škroby na dusičnany, CO2, čpavek a aminokyseliny, musí intenzita provzdušňování dosahovat hodnot, při nichž teplota v zóně intenzivního fermentačního procesu stoupá na 50-70°C, načež ve druhé fázi, kdy se rozkládají zejména hůře rozložitelné frakce celulóza a lignin, se intenzita provzdušňování sníží a teplota samovolně pozvolna klesá na 35-50°C, načež ve třetí fázi teplota klesá na teplotu okolí a vzniklý výsledný materiál, o vlhkosti maximálně 55% hmotnosti, se využije jako biopalivo, zejména pro výrobu elektrické a/nebo tepelné energie.

Pro stabilizaci vlhkosti výsledného materiálu se po ukončení fermentačního procesu může domíchat část vstupních přídavných materiálů s nižší vlhkostí. Při využití biopaliva v energobloku se pro zvýšení výkonu může přidat bioplyn z čistírny odpadních vod a/nebo průmyslu a/nebo zemědělství, případně i zemní plyn.

Hlavní výhodou vynálezu oproti dosavadním známým řešením je možnost kombinovat suroviny pro výrobu paliva podle sezónní nebo regionální dostupnosti a následně jednoduchá finální úprava paliva před použitím podle požadavků jednotlivých spalovacích systémů.

Vyšším účinkem a výhodou vynálezu je dále dosažení ekonomicky nenáročného zpracování většího objemu tekutých kalů, jejichž zpracování je jinak obtížné. Není nutné míchat kaly s fosilními palivy, ale využívají se i jiné odpadní biologicky odbouratelné látky, takže není žádným způsobem dále zatěžováno životní prostředí. Výsledný materiál není nutné dosoušet. Lze jej využít k různým účelům, s výhodou však jako palivo do energobloků pro výrobu elektrické energie.

Příklady provedení vynálezu

Obecné podmínky společné pro všechny následně uvedené příklady provedení:

Tekuté nebo pastovité či kašovité kaly 1 jako základní zpracovávaná surovina: Vznikají při procesu čištění odpadních vod, také v průmyslových procesech a zemědělské výrobě. Při zpracování odpadních vod se z nich odstraňují nežádoucí látky, které se koncentrují do vzniklého kalu. Při současných a očekávaných nárocích na likvidaci odpadů způsoby méně zatěžujícími životní prostředí se očekává do budoucnosti nárůst množství kalů 1_ určených k energetickému zhodnocení. Kaly 1 představují obvykle 1-2 % objemu čištěné vody, ale v tomto objemu obsahují koncentrovaných 50-80 % hmoty původního znečištění. Z technického hlediska jsou kaly 1 suspenzí pevných a rozpuštěných látek ve vodě. Složení a objem kalů 1 závisí především na charakteru znečištění odpadní vody a na aplikovaném procesu čištění, kterému je odpadní voda vystavena. Hlavní složky jsou voda, organické látky, anorganické sloučeniny křemíku, hliníku, železa, vápníku a hořčíku, makroprvky jako dusík, fosfor, uhlík a draslík a mikroprvky jako arzén, kadmium, chróm, měď, rtuť, molybden, nikl, olovo, zinek. Přítomnost všech rizikových prvků musí být přísně monitorovaná.

Nej vyšší přípustné množství sledovaných látek v mg/1 kg sušiny v kalech 1 použitelných ke způsobu zpracování podle vynálezu:

SLEDOVANÉ LÁTKY	LIMITNÍ HODNOTA
Arzén	50
Kadmium	13
Chróm	1000
Měď	1200
Rtuť	10
Molybden	25
Nikl	200
Olovo	500
Zinek	3000

Dřevní hmota 2 jako přídavný materiál:

Pochází z dřevní štěpky nebo kusového dřeva. Působí jako přirozený absorbent vlhkosti a zároveň jako nej významnější zdroj uhlíku mezi ostatními materiály.

Mísí se s kalem 1 s vysokým obsahem vlhkosti, čímž se redukuje riziko výluhů.

Dřevní hmota 2 může být i z ořezu stromů, kácení dřevin, kůry, pilin a hoblin.

Tato drobná dřevní hmota 2 udržuje pórovitost, její vlastnosti závisí na druhu dřeviny.

Tráva jako součást přídavného materiálu fytomasy 3 :

Jde o sezónní biologicky rozložitelný odpad z údržby parků a zahrad. Každý druh trávy má jiné vlastnosti, jako vlhkost, organické látky, poměr C:N, proto je potřebné k různým druhům trávy různě přistupovat. Krátká seč je schopná rychlé mikrobiologické přeměny. V případě uložení na hromadu nastupují rychle 15 hydrolýzní procesy provázené zápachem, proto by měla být zpracovaná co nejrychleji. Tráva ze starších porostů je odolnější vůči rozkladu z důvodu nižší vlhkosti a vyššímu poměru C:N. Rozkládá se až v době fermentačního procesu.

* · · ·

Sláma jako součást fytomasy 3 :

Je to velmi objemný odpad po sklizni zemědělských plodin. Je cennou nasávací přísadou s vysokým poměrem C:N. Aby dobře fermentovala, musí se smísit se zdrojem dusíku, například s kaly 1 z čistíren odpadních vod, což je pro způsob podle vynálezu velmi žádoucí.

Jiný biologicky odbouratelný materiál 4 :

Obvykle jde o komunální zeleň o vlkosti 5-60% hmotnosti nebo nadrcený papír, drcené kartony a podobně, jehož vlhkost bývá do 10-ti % mnotnosti.

Vstupní surovina pro uskutečnění vynálezu, kterou je kal 1 s přídavnými materiály, musí obsahovat lehko rozložitelné látky pro počáteční rozvoj mikroorganizmů, a také vhodné druhy mikroflóry. Jednotlivé suroviny musí být ve vhodném poměru a požadovaném množství, aby byl zabezpečen úspěšný průběh fermentačního procesu. V první řadě se jedná o poměr C:N. Žádoucí je poměr 30-35:1. Nadměrně vysoký poměr C:N prodlužuje dobu fermentace. Při nízkém poměru C:N převyšuje obsah dusíku metabolickou potřebu mikroorganismů a vznikají ztráty čpavkového dusíku. Klesá tím produktivita tvorby humusových látek a doba fermentace se také prodlužuje. Dalším důležitým parametrem při fermentaci je vlhkost. Optimální vlhkost směsi kalů 1 a přídavných materiálů na začátku procesu fermentace je 55-65% hmotnosti. Při nižší, nebo naopak vyšší vlhkosti, prakticky v rozmezí 40-55% hmotnosti a 6570% hmotnosti proces také funguje, ale pomaleji. Nedostatečná vlhkost způsobuje vývoj nevhodných druhů mikroflóry s převahou plísní a aktinomycet, při nadbytečné vlhkosti dochází rychle k nedostatku kyslíku a k vývoji nežádoucí anaerobní mikroflóry.

Struktura všech přídavných materiálů se před vstupem do technologického procesu upraví dělením, štěpkováním, mletím nebo drcením na frakci maximálně 150-200 mm. Optimální velikost částic je do 100 mm.

• · · · · · • · · · · • · · · · · • · · · · · • · · ·9· ··

Kaly 1 , kterými jsou produkty z čistíren odpadních vod, zbytky z bioplynových stanic, mokré odpady z průmyslu a zemědělství, jako jsou kaly ]_ z lihovarů, pivovarů, papíren, vinařských závodů, hnůj z podestýlky hospodářských zvířat a podobně, které mají vlhkost 60-98% hmotnosti, se smísí s přídavným materiálem, jako je dřevní hmota 2 ve formě štěpek, pilin, hoblin a podobně, s vlhkostí 5-60% hmotnosti a/nebo s fytomasou 3 ve formě různých druhů slámy, sena, plev, odpadů z čištění obilovin, slunečnicové slupky, kakaové slupky, slupky z ořechů a podobně, s vlhkostí 5-20% hmotnosti a/nebo jiným biologicky odbouratelným materiálem 4 ve formě komunální zeleně s vlhkostí 560% hmotnosti, drcených papírových kartonů s vlhkostí do 10% hmotnosti a podobně. Nej důležitější je vzájemný poměr materiálů upravený tak, aby počáteční vlhkost byla v rozmezí 40-70% hmotnosti, optimálně 55-65% hmotnosti. Po důkladném promísení 5 kalů 1 s přídavnými materiály začíná fermentační proces, který trvá v průměru 8-15 dní, při horších podmínkách i déle. Intenzita a doba trvání procesu závisí na skladbě a poměru jednotlivých materiálů a na počáteční vlhkosti z uvedeného rozmezí. V průběhu procesu se hmota intenzivně provzdušňuje, aby se vlhkost v podobě páry mohla intenzivně uvolňovat. Aerobní fermentační proces je u konce, když se již neuvolňuje žádná vodní pára. Materiál však lze použít jako palivo i dříve, není nutné čekat na úplný konec fermentačního procesu. Výsledný materiál se může uskladnit a později použít jako biopalivo 10 pro energobloky 11 . Je výhodné, když se ještě přimísí část 9 původních přídavných materiálů, které upraví vlhkost a stabilizují výsledný materiál. Také se tím zvýší výhřevnost. Přimíšením části 9 původně přídavného materiálu následně po fermentaci se dá vlhkost a výhřevnost přizpůsobit různým spalovacím systémům. Obvykle vyhovuje vlhkost 35-45% hmotnosti, ale jsou i systémy spalující palivo o vlhkosti 60% hmotnosti.

Pro dosažení vyšší efektivnosti lze do spalovacího systému energobloku 11 prostřednictvím hořáku přidávat bioplyn 12 z čistíren odpadních vod, nebo i zemní plyn.

• · · · · • · · · · · • · · · · · •· * ·····

Výsledným ziskem je tak elektrická energie 13 , případně teplo.

Samotná podstata fermentačního procesu není součástí patentových nároků. Aerobní fermentační proces je proces rozkladu organické hmoty pomocí živých mikroorganismů. Lze jej však do určité míry řídit, a jeho řízení podle vynálezu spočívá ve volbě vhodných přídavných materiálů, jejich vzájemných poměrů a vlhkosti směsi. Složení organických látek a rychlost jejich rozkladu jsou hlavní faktory ovlivňující délku a intenzitu procesu. V průběhu procesu se nejdříve rozkládají organické látky z kalů 1 a v menší míře i z přídavných materiálů. Po dobu rozkladu se uvolňuje zejména H2O, CO2 a teplo. Hlavními destruktory jsou bakterie.

V první fázi 6 dochází k rozkladu lehce rozložitelných sloučenin, jako jsou cukry, bílkoviny a škroby. Produktem rozkladu jsou dusičnany, CO2, čpavek a aminokyseliny. Uvolňuje se zejména CO2 a H2O ve formě páry. Teplota v zóně intenzivního tlení stoupá na 50-70°C a ničí hnilobné a patogenní bakterie. V této fázi je největší potřeba provzdušňování hmoty. Při nedostatečném provzdušňování dochází ke zpomalení žádoucího procesu a k nežádoucím anaerobním procesům, jako je hnití a kvašení.

Ve druhé fázi 7 odumírají termofilní bakterie a slouží dalším mikroorganismům jako potrava. Je to období přestavby těžko rozložitelných látek, jako je celulóza a lignin, pomocí rozkladných hub. Teplota v zóně intenzivního tlení postupně klesá na35-50°C.

Ve třetí fázi 8 teplota klesá na hodnotu okolní teploty, zvyšuje se kvalita a stabilita výsledného materiálu, vytvářejí se humusové látky a výstupní materiál získává více zemitou strukturu.

Konkrétní příklady složení hmoty sestávající z kalů 1 a přídavných materiálů pro způsob zpracování podle vynálezu:

• · « · • · · · · · • · · · · • · · ·

1.

Složení hmoty o celkové hmotnosti 100 tun:

tun kalů 1 z čistírny odpadních vod tun digestát z bioplynové stanice tun pšeničná sláma tun dřevní štěpka

Počáteční vlhkost hmoty 62% hmotnosti, doba fermentace 15 dní. Do výsledného materiálu je před spalováním přidána část 9 vstupních přídavných materiálů, tedy 6 tun pilin a 30 tun dřevní štěpky. Vlhkost před spalováním 36,9% hmotnosti a výhřevnost 8,2 MJ/kg.

2.

Složení hmoty o celkové hmotnosti 100 tun:

tun kalů 1 z čistírny odpadních vod tun pšeničná sláma tuny tráva tun dřevní štěpka

Počáteční vlhkost hmoty 65% hmotnosti, doba fermentace 11 dní. Do výsledného materiálu je před spalováním přidána část 9 vstupních přídavných materiálů, tedy 4 tuny obilných plev, 3 tuny šrotovaných kartonů a papíru a 20 tun pilin. Vlhkost před spalováním 49 % hmotnosti a výhřevnost 7,3 MJ/kg.

3.

Složení hmoty o celkové hmotnosti 100 tun:

tun kalů 1 z čistírny odpadních vod tun listí tun řepková sláma tun dřevní štěpka

Počáteční vlhkost hmoty 63% hmotnosti, doba fermentace 8 dní. Do výsledného materiálu je před spalováním přidána část 9 vstupních přídavných materiálů ·· ··· · sestávající z 20 tun dřevní štěpky a 5 tun pilin. Vlhkost před spalováním 52,9 % hmotnosti a výhřevnost 6,7 MJ/kg.

4.

Složení hmoty o celkové hmotnosti 100 tun:

tun kalů 1 z čistírny odpadních vod tun řepková sláma tun dřevní štěpka

Počáteční vlhkost hmoty 65% hmotnosti, doba fermentace 9 dní. Do výsledného materiálu je před spalováním přidána část 9 vstupních přídavných materiálů, tedy 25 tun dřevní štěpky a 5 tun slunečnicových slupek. Vlhkost před spalováním

49,2 % hmotnosti a výhřevnost 7,1 MJ/kg.

5.

Složení hmoty o celkové hmotnosti 100 tun:

tun kalů 1 z čistírny odpadních vod tun papírenské kaly tun dřevní štěpka

Počáteční vlhkost hmoty 61% hmotnosti, doba fermentace 14 dní. Do výsledného materiálu před spalováním přidána část 9 vstupních přídavných materiálů, tedy 35 tun dřevní štěpky a 5 tun pilin. Vlhkost před spalováním 44,7 % hmotnosti a výhřevnost 8,3 MJ/kg.

6.

Složení hmoty o celkové hmotnosti 100 tun:

tun papírenských kalů 1 tun pivovarnické mláto tun hnůj ze zemědělské výroby tun kalů z čistírny odpadních vod tun hobliny tun dřevní štěpka tun seno tun pšeničná sláma

Počáteční vlhkost hmoty 60% hmotnosti, doba fermentace 16 dní. Do výsledného materiálu je před spalováním přidána část 9 vstupních přídavných materiálů, tedy 5 tun pilin, 30 tun dřevní štěpky a 5 tun plev. Vlhkost před spalováním 38 % hmotnosti a výhřevnost 8,1 MJ/kg.

Průmyslová využitelnost

Způsob zpracování tekutých, pastovitých či kašovitých kalů podle vynálezu lze průmyslově využívat pro přeměnu kalů na využitelný výsledný materiál, zejména jako biopalivo pro výrobu elektrické a/nebo tepelné energie energie.

~ 41-

Pv - yj-4 ·· ···· ····· • · · · ·· • · · ·· • · · · ·· • · · * ·· ·· · ·····

Patentové nároky

Claims (3)

1. Způsob zpracování tekutých kalů z čistíren odpadních vod a/nebo tekutých odpadů z průmyslu a/nebo zemědělství (dále jen kaly) pro využití jako paliva zejména pro výrobu elektrické nebo tepelné energie, vyznačující se tím, že kaly (1) o vlhkosti 60-98% hmotnosti se dotují přídavným materiálem, jako dřevní hmotou (2) o vlhkosti 5-60% hmotnosti a/nebo fytomasou (3) o vlhkosti 5-20% hmotnosti a/nebo jiným biologicky odbouratelným materiálem (4) o vlhkosti 560% hmotnosti na konečnou vlhkost 40-70% hmotnosti, přičemž přídavný materiál se předem upraví na frakci maximálně 150 - 200 mm, směs kalů (1) a přídavného materiálu se důkladně promíchá (5), načež se za pomoci provzdušňování podrobí automatickému fermentačnímu procesu, kdy v první fázi (6), kdy se rozkládají zejména cukry, bílkoviny a škroby na dusičnany, CO2, čpavek a aminokyseliny, musí intenzita provzdušňování dosahovat hodnot, při nichž teplota v zóně intenzivního fermentačního procesu stoupá na 50-70°C, načež ve druhé fázi (7), kdy se rozkládají zejména hůře rozložitelné frakce celulóza a lignin, se intenzita provzdušňování sníží a teplota samovolně pozvolna klesá na 35-50°C, načež ve třetí fázi (8) teplota klesá na teplotu okolí a vzniklý výsledný materiál, o vlhkosti maximálně 55% hmotnosti, se využije jako biopalivo (10), zejména pro výrobu elektrické energie (13) a/nebo tepelné energie.

2. Způsob zpracování tekutých kalů podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro stabilizaci vlhkosti výsledného materiálu se po ukončení fermentačního procesu domíchá část (9) vstupních přídavných materiálů s nižší vlhkostí.

3. Způsob zpracování tekutých kalů podle nároku 1, vyznačující se tím, že při využití biopaliva (10) venergobloku (11) se pro zvýšení výkonu přidává bioplyn (12) z čistírny odpadních vod a/nebo průmyslu a/nebo zemědělství, nebo zemní plyn.