Na osady należy patrzeć przede wszystkim jako na globalną szansę, a nie lokalny problem. Nie zwraca się uwagi na walory i zalety osadu.
W 2012 r. w Polsce 3191 oczyszczalni ścieków komunalnych obsługiwało 69% ludności kraju (w miastach 92%; na wsi, gdzie mieszka ok. 39% ludności kraju, jedynie 33%). Tylko 500 miast (z 908) i 643 (z 1571) gminy wiejskie było obsługiwanych przez nowoczesne oczyszczalnie ścieków z podwyższonym usuwaniem biogenów. Oczyszczono 1023 hm3 ścieków, co stanowi 82% ścieków odprowadzonych siecią kanalizacyjną z miast i wsi.
Mały rocznik statystyczny GUS, 2013
Rys. 1 Liczba oczyszczalni wg wielkości i odpowiadająca im struktura ładunku zanieczyszczeń (wartości szacowane na bazie KPOŚK + GUS)
Cele gospodarki ściekowej postawione w Krajowym Programie Oczyszczania Ścieków Komunalnych (KPOŚK) polegające na oczyszczaniu ok. 93,6% całkowitej ilości ścieków o łącznym ładunku ok. 45,4 mln RLM są bardzo trudne do osiągnięcia i bardzo kosztowne.
Realizacja celów gospodarki ściekowej rodzi kolejne problemy z gospodarką osadową. Przy braku w Polsce instalacji recyklingu organicznego oraz obiektów termicznego przekształcania odpadów operatorzy oczyszczalni zmuszeni zostali do poszukiwania rozwiązań technicznych i organizacyjnych w sposób indywidualny, a nie systemowy. To w skali Polski może być rozwiązaniem nieefektywnym.
Branża wodociągowa dobrze wykorzystała szanse, jakie przyniosły ze sobą programy strukturalne skierowane na poprawę warunków środowiskowych. Aktywność przedsiębiorstw eksploatujących komunalne oczyszczalnie ścieków sprawiła, że w ostatnich latach stan gospodarki ściekowej i osadowej, szczególnie na dużych obiektach, znacznie się poprawił.
Ostatnie lata pokazują wzrost znaczenia termicznych metod przekształcania osadów, szczególnie w dużych oczyszczalniach,co spowodowało, że Polska jest jednym z liderów europejskich w tym zakresie. Dalsze działania mogą niestety być coraz trudniejsze, gdyż gospodarka ściekowa i osadowa w aglomeracjach powyżej 100 tys. RLM (ok. 81 aglomeracji produkuje ponad 50% produkcji osadów surowych, jako pochodną ładunku dopływającego RLM, rys. 1) praktycznie została zrealizowana. Dalsze indywidualne rozwiązania nie będą już tak znacząco wpływać na wskaźniki ogólnopolskie i będą stanowiły ponad 3 tys. problemów lokalnych, adekwatnie do liczby oczyszczalni w Polsce, które w świetle obowiązujących przepisów nie będą miały po 2016 r. zbyt wielu możliwości racjonalnego zagospodarowania osadów.
Rys. 2 Produkcja komunalnych osadów ściekowych (GUS 2013) wraz z prognozą wg różnych scenariuszy (tys. Mg/a)
Potencjały energetyczne i nawozowe osadów są mocno niedocenione i niewykorzystane w stosunku do obecnych możliwości technologicznych oraz stanu wiedzy i nauki.Istotne oddziaływanie gospodarki osadowej na taryfy za zbiorowe odprowadzanie i oczyszczanie ścieków może wpłynąć na ofertę gospodarczą lokalnych samorządów i atrakcyjność całej gospodarki krajowej. Dlatego na osady należy patrzeć przede wszystkim jako na globalną szansę, a nie lokalny problem. Aby tak było, potrzeba synergii i współpracy wynikającej z dorobku naukowego, sensownego planowania, budowania i monitorowania obiektów przetwarzania osadów oraz wysokiego poziomu ich eksploatacji.
Do prawidłowego oszacowania przewidywanej masy osadów należy uwzględnić różne scenariusze przeróbki osadów mające wpływ na masę produkowanych osadów. Obecny wskaźnik produkcyjny osadów komunalnych w Polsce, wynikający ze statystyki 2012 r., wynosi ok. 16 kg s.m./RLM • rok. Oznacza to, że znaczna część osadu w tej statystyce pochodzi z dużych oczyszczalni, w których znajdują się profesjonalne instalacje do stabilizacji. Bilans masowy dla typowej oczyszczalni komunalnej wykazuje, że produkcja osadu surowego w zależności od stopnia oczyszczenia wynosi 23–26 kg s.m./RLM • rok, a osadu ustabilizowanego w zależności od procesu (beztlenowy, tlenowy) 12–18 kg s.m./RLM • rok.
W ramach rewizji dyrektywy osadowej prowadzona była również analiza ekspercka w poszczególnych krajach UE, która wskazywała na produkcję osadu w krajach rozwiniętych gospodarczo, takich jak Niemcy, Dania, Wielka Brytania, na poziomie 25 kg s.m. w przeliczeniu na mieszkańca M (per capita – bez analizy ładunków przemysłowych i innych). W Polsce obecnie jest to poziom ok. 20 kg s.m./M • rok, ale warto interpolować ten wskaźnik jako alternatywny i prawdopodobny scenariusz. Zgodnie z trendem w krajach tzw. starej Unii należy spodziewać się również coraz większego udziału w masie osadów komunalnych pochodzących z ładunku przemysłowego. Ważne jest też określenie, w jakim miejscu i w jakiej formie przetworzenia definiujemy ilość powstających osadów.
Rys. 3 Kierunki przetwarzania i zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych
Po przeróbce pierwotnej mamy do czynienia zazwyczaj z osadem odwodnionym, co w przeliczeniu na realną masę do dalszej przeróbki lub zagospodarowania daje ok. 2,5–3 mln Mg/rok obecnie, a docelowo ok. 4 mln Mg/rok. Jest to jeden z największych strumieni odpadów produkowanych w Polsce.
W nowoczesnej gospodarce osadowej istnieją dwa docelowe kierunki:
recykling organiczny związany z wykorzystaniem potencjału nawozowego i glebotwórczego osadów, obejmujący metody przetwarzania biologicznego, takie jak:
– rolnictwo – bezpośrednie wykorzystanie przetworzonego osadu z oczyszczalni w celu nawożenia gleb;
– rekultywacja – wykorzystanie osadu (w różnych formach przetworzenia) do przywracania lub nadania nowych wartości użytkowych gruntom zdegradowanym lub zdewastowanym;
– kompostowanie – w celu produkcji kompostu przeznaczonego do nawożenia gleb, spełniającego kryteria nawozu organicznego;
– obróbka mechaniczno-biologiczna – w celu przygotowania osadów do odzysku lub unieszkodliwienia;
recykling energetyczny i materiałowy związany z wykorzystaniem właściwości paliwowych oraz minerałów pozostałych w odpadach po termicznym przekształceniu, wykorzystujący metody termiczne, takie jak:
– monospalanie – skierowanie osadu do spalania w instalacjach termicznego przekształcania przeznaczonych dla osadów jako podstawowego wsadu dla instalacji;
– współspalanie:
– w cementowniach – wykorzystanie właściwości paliwowych osadów w instalacjach zapewniających pełny recykling mineralny osadów, np. do produkcji klinkieru lub wyrobów budowlanych;
– w energetyce (elektrowniach, elektrociepłowniach, kotłowniach itp.) – skierowanie osadu do instalacji przeznaczonej do wytwarzania energii elektrycznej lub/i cieplnej w celu wykorzystania właściwości paliwowych osadów w procesach współspalania z innymi paliwami;
– w spalarniach odpadów – skierowanie osadu do spalania w instalacjach termicznego przekształcania w celu wykorzystania właściwości paliwowych osadów w procesach współspalania z innymi odpadami;
– alternatywne metody termiczne – wykorzystanie osadu do produkcji paliw w procesach, takich jak: piroliza, quasi-piroliza, zgazowanie itp.
Wymienione procesy determinują sposób końcowego zagospodarowania przetworzonych osadów. Uzupełnieniem mogą być procesy pośrednie wprowadzające dodatkowy etap przeróbki (mechaniczny i/lub biologiczny), umożliwiający skierowanie przetworzonego osadu dalej do recyklingu organicznego, energetycznego, materiałowego lub do składowania.
Składowanie osadów w formie nieprzetworzonej będzie zabronione od 2016 r.(dopuszczone tylko przetworzone stabilizaty i zastabilizowane popioły).
Pryncypia techniczne nowoczes-nej gospodarki osadowej to przede wszystkim logiczne i kompatybilne połączenie poszczególnych procesów technologicznych. W gospodarce osadowej priorytetem nie są rozwiązania techniczne, ale aspekty prawne, szczególnie związane z jakością osadów, determinujące możliwość zastosowania danego rozwiązania technicznego. Kierunek modelowania gospodarki osadowej na podstawie aspektów jakościowych jest widoczny w różnych regulacjach. Rozróżnienie klas sanitarnych osadów i przypisanie im możliwości zagospodarowania końcowego, propozycja systemu trójdrogowego, kryteria utraty statusu odpadów, kodeksy good practice – to wskazówki do planowanych zmian przepisów w UE, a tym samym do wyznaczenia nowych algorytmów decyzyjnych w gospodarce osadowej w Polsce.
Rys. 4 Podstawowe kierunki gospodarki osadami komunalnymi wraz z drogą wyjścia osadów lub produktów ich przetworzenia do środowiska
Osady ściekowe poddawane są różnym procesom przetworzenia i zagospodarowania końcowego, wykorzystując rozmaite rozwiązania i technologie oraz ich wzajemne kombinacje. Niezależnie jednak od mnogości wariantów i sposobów na gospodarkę osadową w poszczególnych oczyszczalniach drogi wejścia osadów do poszczególnych procesów oraz drogi wyjścia osadów do środowiska są ograniczone i najczęściej podlegają procedurom technicznym, formalnym i prawnym.
Ideą profesjonalizacji rynku odpadowego zarówno w USA, jak i UE jest rozwój zawodowego outsourcingu przez wprowadzenie ustawowych instytucji brokerów i dilerów odpadowych. Zadaniem ich jest kojarzenie potrzeb, organizacja, logistyka i transport osadów, wykorzystanie profesjonalnego sprzętu (np. do iniekcji osadu do gleby), monitorowanie i badanie gleb itp. Ideą outsourcingu jest również tworzenie kompleksowych rozwiązań polegających na przetwarzaniu osadów na dużą skalę wraz z innymi strumieniami odpadowymi w instalacjach regionalnych. Bez odpowiedniego wsparcia prawnego i ekonomicznego dla tego typu rozwiązań regionalnych nie tylko gospodarka osadowa, ale i cała gospodarka odpadowa w Polsce nie spełni postanowień i wyznaczonych celów wspólnotowej polityki odpadowej i klimatycznej.
Rosnącym problemem gospodarki osadowej (odpadowej) jest oddziaływanie odorowe.Zmiana nastawienia społeczeństwa, brak standardów jakości zapachowej powietrza oraz wymogi głębokiego przetwarzania osadów mogą powodować w najbliższych latach istotny wzrost kosztów gospodarki osadowej oraz konfliktów społecznych na tym tle. Należy brać to pod uwagę przy planowaniu rozwiązania, szczególnie uwzględniając lokalizację instalacji.
Rys. 5 Rozmieszczenie instalacji termicznego przekształcania stanowiących potencjał dla gospodarki osadowej w Polsce – modelowe rozwiązania w gospodarce osadowej IGWP, 2013
Podstawowym problemem gospodarki osadowej jest bardzo negatywne postrzeganie osadów jako olbrzymiego zagrożenia dla naszego zdrowia i życia. Obecnie podejście do osadów w Polsce można nazwać jako odpadowe. Zdecydowana większość zarówno eksploatatorów oczyszczalni, jak i decydentów różnego stopnia myśli kategoriami odpadowymi, zadając pytanie: jak się pozbyć osadu? W tej filozofii często nie zwracamy uwagi na walory i zalety osadu, czyli na tzw. podejście produktowe, które sprowadza się do odpowiedzi na pytanie: jak osad wykorzystać?
Podejście odpadowe jest związane z niedoborem stanu wiedzy i techniki w gospodarce osadowej preferujące zasadę przezorności, która sprowadza się do stwierdzenia: jeśli nie wiemy (nie jesteśmy pewni), to lepiej zabrońmy lub przynajmniej mocno ograniczmy. Taka strategia jest również wykorzystywana do preferowania tylko i wyłącznie kierunków termicznych.
Podejście bazujące na wykorzystaniu metody produktowej uwzględniającej analizę ryzyka stosowania osadów obserwowane jest w wielu krajach o dużych potencjałach badawczo-rozwojowych, takich jak: USA, Wielka Brytania, Francja, Dania, Hiszpania i inne. Tam zazwyczaj potencjały nawozowe są bardziej wykorzystywane niż termiczne.
Planowane na poziomie UE strategie zmierzają do utrzymania wysokiego poziomu wykorzystania potencjału nawozowego osadów w rolnictwie, przy jednoczesnym zwiększeniu znaczenia procesów stabilizacji i higienizacji. Równolegle z metodami biologicznymi rozwijają się instalacje termicznego przekształcania, szczególnie w systemie regionalnych instalacji do współspalania. Rozwój tych obu strategii jest determinowany również ograniczeniami w składowaniu osadów.
Wspólnota Europejska w ostatnich latach inwentaryzowała stan gospodarki osadowej w swoich krajach członkowskich, poszukując ambitnych celów w dalszym jej rozwoju. Przeważa zrównoważone stanowisko, że należy nałożyć ogólne ramy jakościowe, ale niczego nie zabraniać. Każdy kraj powinien przeprowadzić kompleksową analizę cyklu życia dla całego strumienia osadów produkowanych w kraju lub w danym regionie (np. województwie), uwzględniającą zarówno procesy wytwarzania, przetwarzania, jak i końcowego zagospodarowania.
Rys. 6 Ogólne rekomendacje poszczególnych procesów przeróbki osadów w zależności od wielkości oczyszczalni
Potencjał nawozowy produkowanych obecnie w Polsce „czystych” komunalnych osadów ściekowych szacowany jest na ok. 200–300 mln zł rocznie, przyjmując aktualne ceny składników nawozowych w nawozach wieloskładnikowych. Maksymalne zapotrzebowanie na powierzchnie wynikające z największej możliwej produkcji komunalnych osadów ściekowych rekomendowanych do rolnictwa i rekultywacji stanowi niecały 1% potencjału dostępnych do nawożenia gruntów w Polsce i raczej nie jest przeszkodą dla tego typu aplikacji. Jakość osadów poprawia się, co jest efektem wprowadzenia nowych regulacji kontrolujących rynek substancji priorytetowych i niebezpiecznych. Obecny stan techniki i wiedzy umożliwia kontrolę stopnia stabilizacji i higienizacji, a tym samym redukcję patogenów i zdecydowanej większości związków organicznych (w tym antybiotyków i hormonów). Dlatego warto docenić znaczenie potencjału nawozowego odpowiednio przetworzonych osadów dla całej gospodarki krajowej, uwzględniając, że rosną ceny nawozów sztucznych, zaś stosowane nawozy fosforowe mogą być znaczącym źródłem skażenia gleb metalami ciężkimi, a w szczególności kadmem.
Potencjał energetyczny obecnie produkowanych osadów w Polsce do wykorzystania tylko w kogeneracji (biogaz z fermentacji wykorzystany w CHP) szacowany jest na ok. 1500 GWh/rok energii elektrycznej, a po zakończeniu realizacji KPOŚK nawet powyżej 3000 GWh/rok. Poza energią elektryczną wytwarzana jest podobna ilość ciepła, a przefermentowany osad ma dalszy potencjał energetyczny, który może być wykorzystany w spalaniu lub współspalaniu. Dodatkową „walutą” w odzysku energetycznym jest również redukcja emisji gazów cieplarnianych. W przypadku branży wodno-kanalizacyjnej bezpośredni potencjał w emisji rocznej gazów cieplarnianych to poziom ok. 1,5 mln CO2 (Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami, 2012 r.), co w przeliczeniu na pieniądze daje ok. 30 mln zł/rocznie.
W ostatnich latach powstało 11 monospalarni osadowych o łącznym potencjale 176,2 tys. Mg/a, tj. ok. 35% całkowitej obecnej produkcji osadów. Eksploatowanych, budowanych lub planowanych w najbliższym czasie jest ok. 50 suszarni, o łącznym potencjale 175 tys. Mg/a. Pomimo że łączny potencjał metod termicznych wynosi ponad 60% obecnej produkcji osadów, nie oznacza to, że tyle osadów będzie poddawane procesom obróbki cieplnej i przekształcaniu termicznemu. Część osadów trafi do monospalarni eksploatowanych przez tego samego operatora. Wymiarowanie obiektów do suszenia i spalania osadów uwzględnia sezonowość i specyfikę pracy instalacji, przez co wpływa na różnicę między potencjałem a realną dyspozycyjnością instalacji. Poza tym część suszarni nie ma gdzie przetworzyć termicznie suszu osadowego, przez co poszukuje się innych, zazwyczaj nieefektywnych z punktu widzenia najlepszych dostępnych technik, rozwiązań zagospodarowania wysuszonego osadu. Słaby i niestabilny rynek współspalania jeszcze mocno ogranicza możliwości racjonalnej gospodarki osadowej.
Ścieki to nie tylko konsumpcja energii, ale również olbrzymi rezerwuar energetyczny. Potencjał energetyczny frakcji organicznej zawartej w osadach ściekowych wynosi ok. 5–10 MJ/m3 = 1,4–2,8 kWh/m3. Teoretycznie proces oczyszczania może być całkowicie autoenergetyczny, w praktyce trudno znaleźć jeszcze procesy o takiej sprawności, które zapewniłyby samowystarczalność energetyczną.
Obecnie najbardziej efektywnym wykorzystaniem energii z biogazu jest wariant skojarzonej produkcji energii elektrycznej i cieplnej (CHP) za pomocą zespołów kogeneracyjnych. Możliwość magazynowania biogazu umożliwia odpowiednie obciążenie silników gazowych, a tym samym możliwość sterowania mocami wytwórczymi.
Klasyczna fermentacja umożliwia w 50–80% pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną oczyszczalni. Zazwyczaj występuje również nadwyżka energii cieplnej. W przypadku wykorzystania zaawansowanych metod wspomagających fermentację (dezintegracja, THP itp.), a także zwiększenia produkcji biogazu przez kofermentacje z osadami innych wysokoenergetycznych substratów (np. tłuszcze odpadowe) możliwe jest uzyskanie trwałej nadwyżki energetycznej. Znane są przykłady oczyszczalni z dodatnim wskaźnikiem energetycznym.
Do niedawna panowało przekonanie, że efektywność fermentacji zarezerwowana jest tylko dla dużych oczyszczalni.Wiele analiz potwierdza, że opłacalność tej metody zaczyna się już dla obiektów od 20 tys. RLM. Dotychczas w Polsce jest zaledwie ok. 70–90 oczyszczalni wykorzystujących biogaz do produkcji energii elektrycznej. Fermentacja nie jest procesem wykorzystania osadu przeciwstawnym do spalania. Oczywiście spada wartość opałowa osadu przefermentowanego z ok. 15–16 do ok. 10–11 MJ/kg s.m., lecz proces jest nadal autotermiczny. Warunkiem jest dobre odwodnienie mechaniczne osadu przefermentowanego.
W zależności od wielkości oczyszczalni można tworzyć ogólne rekomendacje dla poszczególnych procesów. Osady z dużych oczyszczalni obsługujących industrialne zlewnie będą bardziej narażone na zanieczyszczenia, dlatego można wskazać preferencje dla metod termicznych. Mniejsze obiekty to raczej tańsze metody biologiczne wykorzystujące potencjały nawozowe w osadach powstających w czystych zlewniach ściekowych.
Rosnące wymagania prawne powodują znaczący wzrost kosztów gospodarki osadowej, co jest trendem widocznym na całym świecie. Należy się spodziewać, że koszty jednostkowe nie będą się znacząco różniły między poszczególnymi krajami, które racjonalnie budują swoją politykę odpadową. Dobrze zaplanowana gospodarka osadowa kosztuje w zależności od zastosowanego rozwiązania technicznego 30–60 zł/RLM/rok (Izba Gospodarcza Wodociągi Polskie, 2013 r.), co jest wartością podobną do danych literaturowych, z takich krajów jak Niemcy i Dania (Sade, Andersen, Baumgard). Stosując efektywne rozwiązania techniczne, można obniżyć ten koszt nawet o 30%. Ma to istotne znaczenie w skali globalnej, gdyż przekłada się na ceny usług komunalnych, a tym samym na koszt wytworzenia produktu krajowego i konkurencyjność naszej gospodarki.
Jednostkowy koszt przeróbki wtórnej osadu i końcowego zagospodarowania w profesjonalnych instalacjach może docelowo wynieść ok. 300–500 zł/Mg odwodnionego osadu w przypadku termicznego przekształcania i ok. 200–300 zł/Mg w instalacjach biologicznego przetwarzania. Są to realne i prawdopodobne koszty gospodarki osadowej zarówno na własnych instalacjach, jak i w outsourcingu.
mgr inż. Andrzej Wójtowicz
„Wodociągi Słupsk” Sp. z o.o.
Uwaga
Artykuł wykorzystuje materiały zawarte w publikacji „Modelowe rozwiązania w gospodarce osadowej”, IGWP, 2013.
RLM – parametr projektowy wyrażający wielkość ładunku w ściekach, używany w szacowaniu wielkości biologicznych oczyszczalni ścieków.
