CZ30711U1 - Produkt na bázi čistírenských kalů a vedlejších produktů vhodný k rekultivaci území a dalším účelům při zušlechťování půdy - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká produktu na bázi upravených čistírenských kalů prostřednictvím aplikace ohřevu a přídavku vhodných vedlejších produktů z procesu spalování, případně dalších vhodných materiálů vylepšujících vlastnosti produktu.

Dosavadní stav techniky

Produkce čistírenských kalů na čistírnách odpadních vod s různě sofistikovaným a rozsáhlým stupněm čištění představuje vznik velkého množství materiálů, jejichž charakter může být podle jejich kvality a možnosti dalšího zpracování buďto odpad nebo materiál určený k dalšímu využití. Závisí na typu čistírny odpadních vod a zejména na vstupní zpracovávané odpadní vodě a obsažených znečišťujících látkách, resp. na zdrojích, ze kterých jsou odpadní vody na čistírnu sváděny.

Doposud dochází v oblasti nakládání s čistírenskými kaly k jejich využití na zemědělské půdě, spalování ve spalovnách, spalování v cementárnách, kompostování a rovněž i k nežádoucímu skládkování.

Postupně se zvyšuje důraz na využívám čistírenských kalů na zemědělské půdě, které má podporu i z hlediska ekonomických nástrojů, a zároveň je to z historického hlediska přirozená cesta využití obsažených nutrientů. V dané oblasti však stále zůstává prostor pro inovace.

Velmi omezený výskyt surovinových zdrojů fosfátů dostupných pro těžbu vede k nutnosti obezřetně nakládat s těmito rezervami a je proto nezbytné uvážlivé využívání čistírenských kalů, které to umožňují.

Na druhou stranu je nutné mít na paměti, že čistírenské kaly mohou být zdrojem kontaminace v podobě chemických a mikrobiologických ukazatelů, jejichž hodnoty jsou limitované legislativním předpisem. V současné době je tato problematika ošetřena vyhláškou č. 437/2016 Sb., o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady a změně vyhlášky č. 341/2008 Sb., o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady a o změně vyhlášky č. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady (vyhláška o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady). To do značné míry omezuje jejich využití, resp. je nutná úprava vyžadující dodání chemikálií či energie, či obojího současně. Avšak ani sebenároěnější způsob zpracování kalů nemusí vést k jejich úspěšné modifikaci ve smyslu splnění požadavků legislativních limitů a dosažení možnosti využití materiálu na zemědělské půdě.

Spalovací procesy vedou k produkci velkého množství zbytků po spalování alkalického charakteru. V závislosti na podmínkách vedení spalovacího procesu a zejména na typu spalovaného materiálu je výstupním materiálem popel či popílek různého složení.

Při uvážení současného důrazu na využití zdrojů obnovitelné energie, který zahrnuje i spalovací zařízení, vzniká relativně velké množství materiálů zbývajících po spalování biomasy, například popílku či popele ze štěpky, slámy, hoblin, či dalších spalitelných materiálů obdobných druhů. Lze tedy poměrně snadno a dobře vytipovat spalovny a výtopny na biomasu, kde vznikají zbytky po spalování, které obsahují velmi malé množství rizikových složek jako například těžkých kovů a jsou tedy poměrně kvalitním materiálem, který lze aplikovat na zemědělskou půdu. Tento materiál je opět zdrojem nutrientů a má alkalický charakter.

Rovněž z hlediska historického byly popely a popílky hojně aplikovány na zemědělskou půdu. V dnešní době, kdy probíhá řada rekultivačních zásahů, úprava kyselých půd a prostředí acidifikovaného vlivem kyselých dešťů zejména v důsledku emisí z dopravy, je jejich využití žádoucí.

-1 CZ 30711 U1

Jistou překážkou může být obtížnější manipulovatelnost při aplikaci, kdy dochází ke zvýšené prašnosti.

Souhrnem výše uvedených aspektů a provedenou rozsáhlou činností aplikovaného výzkumu lze dospět k dále popsanému technickému řešení, kdy jsou s výhodou použity pro dosažení produktu jmenované materiály - čistírenské kaly a zbytky po spalovacích procesech s cílem jejich společného využití ve směsi po aplikaci termického procesu s užitím mikrovlnného ohřevu.

Procesu úpravy a využití čistírenských kalů je věnována celá řada patentových spisů. Výčet je širší, ze souvisejících spisů jsou uvedeny následující příklady těsnější vazby k dané problematice. Mikrovlnný ohřev pro sušení organického materiálu na bázi odpadů ze zemědělství a gastroodpadu s cílem úpravy materiálu pro účely spalování popisuje spis KR20130058241, sušení čistírenských kalů pomocí mikrovln je popsáno dále ve spise CN202576170, kombinovaný postup sušení kalů pomocí kouřových plynů a mikrovln zachycuje spis CN101100344, odvodňování kalů za účinku mikrovlnného záření popisuje KR100964711. Použití mikrovlnného záření na čistírenské kaly s cílem produkce paliva a snížení nákladů na úpravu je obsahem spisu CN102827661. KR20120085544 rovněž používá mikrovlnného záření jako prostředku ve vícestupňové metodě tvorby alternativního paliva z materiálů vznikajících při prvotním předčištění odpadních vod (tuhé zbytky, vlasy, a další rezidua). Produkce paliva z kalu po smíchání s uhlím a sušení pomocí mikrovln je popsaná ve spise KR20110077528.

Příznivý efekt mikrovlnného záření na míru odvodnění přebytečného kalu na čistírně odpadních vod se zavedením tohoto stupně úpravy mezi sedimentační a zahušťovací nádrž popisuje CN102643005. Mikrovlny byly rovněž aplikovány pro lepší energetický výtěžek a ustálený vývoj bioplynu z odpadů při anaerobní digesci, jak zachycuje CN102603135.

Další aplikace mikrovln popisuje CN102633414, kde se tvůrci zaměřili specificky na úpravu kalu a podporovanou extrakci organických látek právě pomocí mikrovln. Redukce patogenů pomocí mikrovln je popsaná ve spise CN102583918, kde je však efektu dosaženo kombinací dalších kroků, které zahrnují rovněž anaerobní digesci, aplikaci oxidu uhličitého za vysokého tlaku a následné kompostování.

Předúprava čistírenských kalů pomocí mikrovln za účelem snížení jejich produkce je zachycena ve spise CN103204611, dezinfekce kalů pomocí mikrovln je popsaná ve spisu CN103172415. Kombinovanou techniku na zpracování čistírenského kalu zahrnující více kroků, kde je zahrnuto elektroosmotické odvodnění a mikrovlnné sušení koláče popisuje KR101135122, tříkomorové mikrovlnné sušení odvodněného kalu po průchodu diskovým sušičem je zachyceno ve spise KR20120096704. Aplikace kombinující účinek mikrovln a peroxidu vodíku v synergickém působení pro lepší biologickou rozložitelnost kalu je popsaná ve spise CN102190417. Produkcí hnojivá ze zvířecích a lékařských odpadů pomocí mikrovln a vakua se zabývá US5951947, organické hnojivo vzniká rovněž podle spisu CA2423581 z biokalů za účasti mikrovlnného ošetření a extruze. Mikrovlnná sterilizace v kombinaci s fermentací pro tvorbu kompostu je popsána ve spise JP2000026180. Zařízení označené jako mikrovlnný sterilizátor je popsané ve spise CN2740603. CN1820572 je zaměřený na postup přípravy činidla pro úpravu zemin podléhajících desertifikaci za účelem jejich oživení s uplatněním kroků mikrovlnné sterilizace, fermentace a přídavků probiotik. Patentový spis RU2009121957 přibližuje vícekrokový postup zahrnující mikrovlnnou dezinfekci briket kalu. Organické hnojivo je rovněž získáváno jako produkt zpracování odpadního proudu z jatek, kde mikrovlny působí jako prostředek rozkladu odpadu a urychlovač následné fermentace. Mikrovlnná karbonizace pro přípravu aktivního uhlíku z aktivního kalu pro proces odsiřování za uplatnění mikrovln je zachycena ve spise CN1986399. Využití mikrovln bylo popsáno i pro stabilizaci těžkých kovů v kalech ve spise TW1278435. Nalezené související tuzemské patentové spisy a užitné vzory nezahrnují kombinaci úpravy kalů společně s aplikací současného přídavku vedlejších produktů z procesu spalování a mikrovlnného ohřevu. Podstata technického řešení

Uvedená specifika, nedostatky a potenciál využití obou vstupních materiálů - čistírenských kalů a vedlejších produktů, konkrétně vedlejších produktů ze spalovacích procesů v podobě popelu

-2CZ 30711 U1 nebo popílku zahrnuje technické řešení spočívající na společném zpracování uvedených materiálů a aplikaci termického procesu, kde lze použít konvenční nebo s výhodou mikrovlnný způsob ohřevu díky dobrým dielektrickým vlastnostem násad do procesu ohřevu.

Mikrovlnný ohřev má objemový charakter, to znamená, že ohřev probíhá v objemu materiálu exponovaného mikrovlnnému záření a sdílení tepla není omezeno na klasický přestup a prostup tepla. Zároveň zařízení disponující mikrovlnným ohřevem v porovnání s adekvátním ohřevem konvenčním (klasickým) vykazují vyšší účinnost, resp. nižší spotřebu elektrické energie na jednotku zpracované hmotnosti ohřívaného materiálu.

Vstupní materiály jsou voleny tak, aby již vstupy splňovaly chemické ukazatele limitované ve vyhlášce č. 437/2016 Sb., neboť chemické ukazatele nebudou nízkoteplotním procesem zpracování eliminovány, jak plyne ze zákona zachování hmoty a bilance při procesu.

Pozornost je tedy upřena k mikrobiologickým ukazatelům uvedeným ve vyhlášce č. 437/2016 Sb. Vlivem ohřevu materiálu, zvýšení alkality směsi, neteplotních mikrovlnných efektů a dalších jevů a interakcí dochází k eliminaci oživení u předepsaných mikrobiologických ukazatelů.

Čistírenský kal se smísí s vedlejším produktem z procesu spalování typu popelu nebo popílku. Nej vhodnější je materiál z procesu spalování biomasy. Množství uvedeného vedlejšího produktu z procesu spalování je až 10 % hmotn., přičemž hmotnostní zastoupení je vztaženo ke kalu. Následně se provede mikrovlnný nebo konvenční ohřev směsi s takovým teplotním programem, že cílová teplota je alespoň 60 °C a dosažená cílová teplota je udržena alespoň po dobu 25 minut. Směs se nechá volně vychladnout, výsledkem je produkt na bázi čistírenských kalů a vedlejších produktů vhodný k rekultivaci území a dalším účelům při zušlechťování půdy, který splňuje požadavky vyhlášky č. 437/2016 Sb. platné v době udělení priority.

Dodatečně je možné s výhodou realizovat malý přídavek expandovaného vermikulitu (přírodní aluminosilikát ze skupiny fylosilikátů), který působí pozitivně na konzistenci produktu a manipulaci s ním, rovněž dochází k určitému odsušování produktu prostřednictvím absorpce přítomné vody expandovaným vermikulitem. V případě dalšího navazujícího případného sušení je pak produkt snáze rozpoj itelný a aplikovatelný v podobě heterogenních zlomků různého tvaru a velikosti. V neposlední řadě působí expandovaný vermikulit příznivě díky svojí vnesené adsorpční kapacitě a vysoké schopnosti zádrže vody. Přídavek lze doporučit nejvýše v množství 2 % hmotn. vzhledem k množství kalu.

Množství přidávaných uvedených složek ke kalu a procesní podmínky byly optimalizovány s ohledem na splnění legislativního požadavku na pokles mikrobiálního oživení produktu a dále s ohledem na požadavky nelegislativního charakteru, kterými jsou technologické možnosti, nákladovost a případné nežádoucí emise při realizaci procesu.

Výsledný produkt vylepšuje íyzikálně-chemické vlastnosti a nutriční obsah na lokalitě cílové aplikace.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na základě provedených prací původců tohoto technického řešení bylo v rámci širší skupiny čistírenských kalů a vedlejších produktů z procesu spalování prokázáno zobecnění platnosti specifikovaných procesních podmínek podle podstaty technického řešení.

Příklad 1

Čistírenský kal byl předem smíchán s 2,4 % hmotn. popílku (vztaženo na hmotnost kalu) pocházejícího z výtopny s kotlem na spalování dřevní štěpky a slámy. Následoval mikrovlnný ohřev s těmito parametry teplotního programu: během prvních 15 minut bylo dosaženo cílové teploty 64 °C, při cílové teplotě následovala izoterma 35 minut. Dále byl produkt ponechán volně vychladnout a následně byly stanoveny ukazatele limitované legislativou. Produkt byl připraven k aplikaci na půdu v pasto vité podobě.

-3CZ 30711 Ul

Dosažené vlastnosti získaného produktu:

Produkt splňuje požadavky podle vyhlášky č. 437/2016 Sb., o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady a změně vyhlášky č. 341/2008 Sb., o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady a o změně vyhlášky ě. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady (vyhláška o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady), platné v době udělení priority.

Příklad 2

Čistírenský kal byl předem smíchán se 1,8 % hmotn. popílku (vztaženo na hmotnost kalu) pocházejícího z výtopny s kotlem na spalování dřevní štěpky. Následoval mikrovlnný ohřev s těmito parametry teplotního programu, během prvních 15 minut bylo dosaženo cílové teploty 63 °C, při cílové teplotě následovala izoterma 30 minut. Po ukončení ohřevu byl do směsi proveden přídavek 1,2 % hmotn. (vztaženo na hmotnost kalu) expandovaného vermikulitu jako složky dále vylepšující vlastnosti produktu. Dále byl produkt ponechán volně vychladnout a následně byly stanoveny ukazatele limitované legislativou. Část produktu byla připravena k aplikaci na půdu v původní pastovité podobě a část byla dosušena volně při teplotě 20 až 25 °C a následně mírně podrcena na sítu s velikostí oka 15 mm za vzniku materiálu charakteru heterogenních zlomků velikosti menší než 15 mm.

Dosažené vlastnosti získaného produktu:

Produkt splňuje požadavky podle vyhlášky č. 437/2016 Sb., o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládám s odpady a změně vyhlášky č. 341/2008 Sb., o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady a o změně vyhlášky ě. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu a změně vyhlášky ě. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady (vyhláška o podrobnostech nakládám s biologicky rozložitelnými odpady), platné v době udělení priority.

Průmyslová využitelnost

Termicky zpracovaný produkt na bázi čistírenských kalů a vedlejších produktů z procesů spalování je vhodný k rekultivaci území a dalším účelům při zušlechťování půdy, zejména pro svůj alkalický charakter a obsah nutrientů. Z toho vyplývají oblasti použití - plochy, na které je třeba vnést nutrienty, acidifikované plochy a obecně plochy negativně ovlivněné antropogenní činností.

Výběr vstupních materiálů do procesu zpracování cílí zejména na menší obecní čistírny odpadních vod, kde kaly nejsou příliš zatížené vysokým obsahem sledovaných chemických ukazatelů, čistírny odpadních vod z potravinářského průmyslu a např. čistírny městských odpadních vod, kam nejsou svedeny odpadní vody z určitých oblastí průmyslové výroby. Na straně vedlejších produktů ze spalovacích procesů cílí zejména na spalovací zařízení typu lokálních výtopen na biomasu.

Těžiště významu leží v posílení využití čistírenských kalů a je v souladu s prioritami omezování skládkování odpadů v EU, resp. v ČR a prioritou materiálového využití.

Technologie cílí ve smyslu obou zpracovávaných vstupních proudů na hospodárné využití obsažených nutrientů.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Produkt na bázi čistírenských kalů a vedlejších produktů vhodný k rekultivaci území a dalším účelům při zušlechťování půdy, vyznačující se tím, že jeho základ tvoří čistíren-4CZ 30711 U1 ský kal, a až 10 % hmotn. tvoří vedlejší produkt z procesu spalování typu popelu nebo popílku, přičemž hmotnostní zastoupení je vztaženo na množství kalu.
2. 2. Produkt na bázi čistírenských kalů podle nároku 1, vyznačující se tím, že je termicky zpracovaný ohřevem na teplotu alespoň 60 °C po dobu alespoň 25 minut pro eliminaci

   5 patogenů.
3. 3. Produkt na bázi čistírenských kalů podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje expandovaný vermikulit v množství až 2 % hmotn., přičemž hmotnostní zastoupení je vztaženo ke kalu.
4. 4. Produkt na bázi čistírenských kalů podle nároku laž3, vyznačující se tím, že io je ve formě neupravené pasty nebo, po dosušení, ve formě pelet nebo granulí nebo heterogenních zlomků libovolného tvaru a velikosti.