Jednym z efektów procesu oczyszczania ścieków komunalnych jest powstanie osadów ściekowych. Sposoby ich zagospodarowania są różne: od składowania, przez termiczne unieszkodliwianie, po ich wykorzystanie w rekultywacji gruntów czy w rolnictwie. Jednak są w tym zakresie pewne problematyczne tendencje.
Zgodnie z danymi Głównego Urzędu Statystycznego, w 2013 r. w Polsce funkcjonowało 3344 oczyszczalni ścieków komunalnych, pracujących na sieci kanalizacyjnej. Zdecydowaną większość z nich (2405) stanowiły obiekty, w których ścieki były poddawane procesom biologicznym, natomiast 820 oczyszczalni miało zdolność podwyższonego usuwania biogenów. Oczyszczalnie komunalne wytworzyły w 2013 r. w sumie 540 tys. ton suchej masy osadów ściekowych.
Przyrodnicze stosowanie osadów ściekowych
Pod pojęciem przyrodniczego wykorzystania osadów ściekowych kryje się ich zastosowanie w rolnictwie, a także przy rekultywacji gruntów – w tym na cele rolne. Osady ściekowe są również wykorzystywane do uprawy roślin przeznaczonych do produkcji kompostu oraz do uprawy roślin nieprzeznaczonych do spożycia i do produkcji pasz.
Nawozowe użycie osadów ściekowych w rolnictwie ma bardzo długą historię. Jest ono prowadzone od dziesięcioleci i zostało opisane w wielu publikacjach. Z kolei nawożenie surowymi ściekami towarzyszy cywilizacji ludzkiej niemal tak długo jak ona istnieje.
Jakie są plusy takiego wykorzystania osadów? Przede wszystkim ich wysoka wartość nawozowa (zawierają bowiem dużo materii organicznej, azotu, fosforu i mikroelementów), niski koszt materiału oraz coraz mniejsze odległości od dostawcy osadu do miejsca zastosowania. Niestety, ten sposób zagospodarowania posiada również minusy, jak czasem niekorzystny wizerunek użytkownika (szczególnie ważny przy nadprodukcji żywności), ryzyka związane z wprowadzeniem odpadu do gleby (możliwość zanieczyszczenia gleby i roślin uprawnych, problemy mikrobiologiczne przy długotrwałym stosowaniu na jednym polu), czy uciążliwości w aplikacji.
Jeśli chodzi o rolnicze wykorzystanie osadów ściekowych w ostatnich latach, jest ono na ustabilizowanym poziomie. Rozwija się za to termiczne ich przekształcanie. Jednak – co powinno niepokoić – widoczny jest wyraźny spadek w użyciu osadów ściekowych na potrzeby rekultywacji. Można zatem postawić pytanie: czego ludzie się boją? Co takiego jest w tej materii? Najważniejszym elementem rozważań jest bezpieczeństwo materiału, który uzyskuje się na wyjściu z całej technologii oczyszczania ścieków. Jest ono tym bardziej stawiane na piedestale, im większy będzie bezpośredni kontakt człowieka z materiałem. Przez długi czas te dylematy były nierozłączne z koniecznością uzyskiwania zhigienizowanego, ustabilizowanego osadu ściekowego. To powoduje, że wiele podmiotów rozważa zastosowanie technologii bardzo kosztownych, ale eliminujących problemy mikrobiologiczne (np. spalanie), zastępując nimi rozwiązania sprawdzone i proste.
O jaki materiał chodzi?
Jeśli mówimy o higienizacji osadów ściekowych wapnem, otrzymany w procesie technologicznym materiał powinien charakteryzować się wyrównaną zawartością wapnia w masie osadu oraz stabilnością struktury materiału. Rodzi się jednak pytanie, czy higienizacja wapnem przynosi taki skutek. Pewnie nie raz stają nam przed oczami obrazki, przedstawiające pracownika zasypującego łopatą porcję osadu ściekowego wapnem i na tym kończącego „proces technologiczny”. To, oczywiście, nie jest rozwiązanie problemu. Nie dziwi zatem fakt, że w odbiorze społecznym tego typu procedura budzi niedowierzanie, że higienizację wapnem można przeprowadzić dobrze i skutecznie. Opisany wizerunek nie jest jednak normą i nią być nie może. Znane są liczne możliwości dobrego, dokładnego wymieszania odpowiednio przygotowanego wstępnie osadu z wapnem.
Co zatem zrobić, by osad ściekowy był bezpieczny i możliwy do dalszego użycia? Jakie właściwości osadu trzeba osiągnąć, żeby mówić w ogóle o jego zastosowaniu? Pierwsza sprawa to stabilność mikrobiologiczna i biochemiczna. Druga, niezmiernie istotna – bezpieczeństwo ekologiczne. Tu nie chodzi tylko o to, że sam materiał na bazie osadu ma być bezpieczny. Należy mieć na względzie również fakt, że tam, gdzie trafi powstały na bazie osadu materiał, nie może on wywołać efektu degradacji środowiska. Mówiąc o bezpieczeństwie ekologicznym osadu, nie można zapominać o braku w nim mikroorganizmów chorobotwórczych oraz żywych pasożytów układu pokarmowego i ich jaj. W otrzymanym materiale musi być również akceptowalna zawartość metali ciężkich. Tutaj, oczywiście, problem nie leży w samym przygotowaniu osadu, a w ściekach, jakie trafiają do oczyszczalni. I ostatni, bardzo ważny element – stabilizacja, czyli ograniczenie biodostępności niektórych składników, głównie z grupy metali ciężkich. Uwagę należy też zwrócić na fakt, że potencjalnie każdy składnik materii może być w mniejszym lub większym stopniu niepożądany w środowisku. Na przykład wtedy, gdy narusza równowagę między składnikami w roztworze glebowym.
Również z punktu widzenia codziennej pracy instalacji oczyszczalni ścieków oczekiwane są określone wyznaczniki dobrej jej pracy. Należą do nich:
- stabilność produkcji wyrównanego materiału,
- możliwość regulacji procesu celem modyfikacji produktu wyjściowego,
- możliwość czasowego składowania produktu.
Wówczas dopiero można zastanawiać się nad upowszechnieniem rekultywacyjnego i uprawowego użycia materiału. Dla tej formy użycia potrzebne są także dodatkowe charakterystyki materiału, jak łatwość w transporcie i aplikacji.
Aby produkt wytwarzany na bazie osadu spełniał stawiane wobec niego oczekiwania, niejednokrotnie stosuje się różne dodatki. Mogą one zmodyfikować szereg charakterystyk materiału w sposób pożądany dla danej formy zastosowania. Wapnowany osad ściekowy jest materiałem alkalizującym glebę, przy tym o dużym potencjale szybkiego rozkładu w warunkach glebowych. Szczególnie ta druga jego właściwość może być poddana modyfikacjom, np. przez dodanie materii rozkładającej się w dłuższym czasie – jak kora czy trociny. Możliwe jest też przygotowywanie gotowych mieszanek z dodatkiem materiałów mineralnych.
Higienizacja osadów ściekowych
Jak przebiega proces higienizacji z wykorzystaniem wapna? Proces wapnowania bazuje na reakcji egzotermicznej hydratacji tlenku wapnia:
CaO + H2O = Ca(OH)2 + 1,140 kJ/kg CaO
Cała technologia wykorzystująca to zjawisko opiera się na zapewnieniu całkowitego kontaktu masy osadowej z wapnem. Jeżeli to nastąpi, reszta odbywa się na zasadach, które z uproszczeniem można nazwać „gaszeniem wapna uwodnionym osadem ściekowym”. Po podaniu wapna palonego, czyli tlenku wapna, do materiału wilgotnego, następuje jego przejście w formę wodorotlenkową, co jest procesem egzotermicznym. Egzotermia tego procesu jest na tyle duża, iż daje możliwość ogrzania całego materiału do ponad 100°C. I to jest element higienizujący. Wapno palone pochłania w procesie hydratacji 32% wody w stosunku do swojej masy. Powoduje to dodatkowy efekt w postaci osuszenia osadu, przy jednoczesnym wzroście jego temperatury. Jest to ważny element procesu, oczekiwany z punktu widzenia stabilizacji materiału wyjściowego. Skuteczność higienizacji i stabilizacji zależy głównie od dawki wapna, która powinna zapewnić wzrost odczynu >12 pH oraz ogrzanie osadu >70°C. Przyjmuje się, że wystarczająca jest dawka 0,9 kg CaO na 1 kg osadu, a sam proces przebiega w temperaturze przekraczającej 100°C.
Takie warunki powodują dezaktywację bakterii, wirusów i nawet najbardziej odpornych jaj pasożytów rodzaju Ascaris. Na stopień higienizacji osadu ma też wpływ czas przebiegu reakcji tlenku wapnia z osadem ściekowym. Skuteczność chemicznej stabilizacji osadów ściekowych musi zapewnić uszkodzenie struktur komórkowych oraz zniszczenie struktur białek i aminokwasów, prowadzące do ich trwałego unieczynnienia.
Granulacja osadu wapnowanego
Kolejnym krokiem na drodze do przygotowania produktu z wapnowanego osadu powinna być jego granulacja. Warto bowiem wspomnieć, że proces granulacji osadu ściekowego z wapnem umożliwia zapoczątkowanie jego higienizacji oraz wysuszenie do zawartości 80-90% s.m. Aby jednak materiał był możliwy do zastosowania, czyli w miarę jednolity, granulacja musi następować z odpowiednim tempem i we właściwy sposób. Tę możliwość daje granulator, efektem pracy którego jest zapewnienie pełnego kontaktu osadu ściekowego z wapnem oraz uformowanie granulatu o regulowalnej średnicy cząstek od 0,1 do 5 mm. Po granulacji osad powinien dojrzewać na krytym przenośniku z instalacjami systematycznego odprowadzania oparów i odcieków, a proces stabilizacji dobiega końca podczas czasowego przetrzymania w wiacie magazynowej.
Fot. Granulat na bazie osadu ściekowego wymieszany z wapnem – świeży (zdjecie z lewej) i po tygodniu (zdjęcie z prawej)
Granulat na bazie osadu ściekowego wymieszany z wapnem charakteryzuje się następującymi parametrami:
- Średnica cząstek – 0,1-5,0 mm,
- Zawartość suchej masy – 90%,
- Zawartość wapna w produkcie końcowym 15-25%s.m.,
- Zdatność do składowania min. 5,5 miesiąca.
Produkt taki zdatny jest do polepszania właściwości gleb do celów uprawowych i rekultywacyjnych.
Prace badawczo-wdrożeniowe
Na koniec warto wskazać na jeszcze jedną rzecz, która utwierdza w przekonaniu, że dodawanie wapna do osadów ściekowych jest dobrym kierunkiem. W Polsce bowiem w ostatnich latach zaistniały niepokojące tendencje wobec gleb uprawnych. Mowa o ich wyjaławianiu i zakwaszaniu, a nierzadko też o pogorszeniu struktury gleb. Wszystko to są wskaźniki degradacji gleb. Następstwem wieloletnich zaniedbań w agrotechnice jest nierzadko pozostawianie gruntów rolnych w formie nieużytków, na które po latach powrót z uprawą jest bardzo trudny, a czasem wręcz niemożliwy. To jest ewidentnie nasz problem i będziemy musieli z tym sobie poradzić.
fot. Wirówka do odwadniania osadów (z lewej) oraz granulator i przenośnik granulatu (z prawej).
Niejako naprzeciw tym wyzwaniom wychodzi projekt badawczy, którego partnerami są Krośnieńskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Krośnie Odrzańskim, Uniwersytet Zielonogórski, Lubuski Ośrodek Innowacji i Wdrożeń Agrotechnicznych oraz Przedsiębiorstwo Ekolobud, zorientowany na opracowanie technologii przyrodniczego zastosowania wapnowanego granulatu, powstałego w instalacji higienizacji komunalnych osadów ściekowych. Założeniem projektu jest wytworzenie i przyrodnicze wykorzystanie materiału uzyskanego z przetworzenia osadu ściekowego, które nastąpi w wyniku jego higienizacji wapnem oraz granulacji. Poza wyeliminowaniem ryzyka, związanego z właściwościami mikrobiologicznymi, daje to możliwość bardzo dobrego ujednolicenia właściwości osadu ściekowego. Konieczne jest w tym zakresie uzyskanie wyników zaplanowanych badań opisujących stabilność właściwości wytwarzanego materiału w dłuższym czasie. Nie mniej istotne będzie też wskazanie metod wyrównania podstawowych właściwości jak największej partii materiału z uprawowego punktu widzenia. W planie badań ujęto też zadanie polegające na modyfikacji materiału wyjściowego, co w założeniu powinno doprowadzić do możliwości jego użycia w różnych warunkach glebowych. Jako modyfikatory planuje się wykorzystać odpady przemysłu drzewnego (korę, wióry i pył drzewny), resztki pożniwne oraz materiały mineralne.
Wytwarzanie granulatu z wapnowanych osadów ściekowych powinno doprowadzić do uzyskania wyrównanego materiału użyźniającego gleby pod względem zarówno mierzonych właściwości, jak i oddziaływań na obiekty doświadczalne. Projekt przyniesie efekt finalny w postaci zaproponowania w pełni funkcjonalnej i sprawdzonej technologii stosowania granulatu z wapnowanych osadów ściekowych w sposób umożliwiający przynajmniej częściowe zastąpienie tym materiałem dotychczas stosowanych w różnych realizacjach wapna nawozowego i kredy jeziornej. W rezultacie możliwe będzie ograniczenie kosztów po stronie użytkownika gleb uprawnych, a jednocześnie racjonalizacja gospodarowania cenną materią nawozową.
fot. 5 x A. Greinert
