Odzysk energii z osadów ściekowych – piroliza, zgazowanie

Odzysk energii z osadów ściekowych. Piroliza

W tym endotermicznym procesie termicznej konwersji realizowanym najczęściej w temperaturze od 300 do 900^oC osady ściekowe w środowisku pozbawionym tlenu lub przy jego niewielkiej ilości przekształcane są w gaz (w jego skład wchodzi głównie: wodór, tlenek węgla, dwutlenek węgla, metan, który zawiera również w niewielkich stężeniach węglowodory o niskiej masie cząsteczkowej), fazę ciekłą (smoła i/lub bio-olej) i koks pirolityczny (biowęgiel). Udział poszczególnych produktów, w tym ich skład jakościowy, zależy głównie od warunków prowadzenia procesu, takich jak: temperatura, czas reakcji, ciśnienie oraz charakterystyki przekształcanych osadów ściekowych. Niemniej jednak niezależnie od warunków prowadzenia procesu (tab. 4*) największy udział w produkcie końcowym ma frakcja ciekła (zawiera 15-30% wag., wody). Szacuje się, że w przeliczeniu na osady ściekowe wydajność jej produkcji wynosi
27-54% wag., a w przeliczeniu na stan suchy bezpopiołowy 51-80% wag. [21].
 

Tab. 4. Warunki operacyjne dla różnych typów pirolizy [23]
 

W termicznym przekształcaniu osadów ściekowych znalazła zastosowanie niskotemperaturowa piroliza (poniżej 500^oC) z powodu wysokiej produkcji frakcji ciekłej i minimalizacji ewaporacji metali ciężkich [3].
 

Zobacz: Odzysk energii z osadów ściekowych – fermentacja metanowa
 

Każdy z produktów pirolizy może być wykorzystywany do produkcji ciepła i energii elektrycznej (wartość opałowa koksu pirolitycznego wynosi do około 30 MJ/ kg, a frakcji ciekłej 16-19 MJ/kg, z kolei gazu waha się w zakresie od 5 do 36 MJ/ kg). Poza tym frakcja ciekła alternatywnie może być stosowana do produkcji paliwa, podczas gdy biowęgiel może być stosowany jako adsorbent do usuwania zarówno organicznych, jak i nieorganicznych zanieczyszczeń, np. ze ścieków, środek kondycjonujący glebę, gdzie może być również wykorzystywany do sekwestracji węgla [1], [24-26].

Fot. Fotolia.com / paveel1986

Odzysk energii z osadów ściekowych. Zgazowanie

Proces realizowany w temperaturze od 700 do 1400^oC obejmujący wiele przemian chemicznych oraz termochemicznych zachodzących podczas kontaktu przekształcanego materiału ze środkiem zgazowującym (w tym celu stosowane są np.: tlen, powietrze, para wodna, wodór, węglowodory oraz dwutlenek węgla). Głównym produktem procesu jest gaz, tzw. syngaz (tab. 5) – jego jakość zależy m.in. od zastosowanego w procesie czynnika zgazowującego, typu reaktora, w którym proces jest realizowany (tab. 6), charakterystyki paliwa oraz parametrów prowadzenia procesu.

Tab. 5. Typowy skład syngazu [26]
 

Gaz może być stosowany: do wytwarzania pary lub ciepła, jako gaz opałowy, do produkcji wodoru, jako substytut gazu ziemnego, do zasilania ogniw paliwowych typu SOFC oraz do syntezy paliw płynnych, takich jak np. metanol [3]. Zastosowanie w ogniwach paliwowych wymaga zmniejszenia w nim zawartości węglowodorów, pozostałości stałej oraz smoły przy jednoczesnej maksymalizacji produkcji wodoru, co wymaga podwyższenia temperatury procesu (900^oC), wysokiego natężenia przepływu powietrza, a nawet stosowania katalizatorów (np. Na, Ni, Fe) [1], [26].
 

Tab. 6. Charakterystyka syngazu w zależności od czynnika zgazowującego [26]
 

Odzysk energii z osadów ściekowych stanowi duże wyzwanie zwłaszcza w kontekście coraz bardziej restrykcyjnych przepisów dotyczących środowiska. Wybór metody odzysku energii powinien być dokonywany indywidualnie i uwzględniać dogłębną techniczną, ekonomiczną i środowiskową analizę. Z opisanych technologii na dzień dzisiejszy najbardziej interesująca wydaje się fermentacja metanowa (tab. 7). W odróżnieniu od pozostałych technik odzysku energii z osadów ściekowych fermentacja metanowa jest metodą, która może być stosowana dla surowców o uwodnieniu powyżej 60%, a co za tym idzie nie wymaga tak skomplikowanego wstępnego przygotowania wsadu, jak w przypadku pozostałych metod. Niemniej jednak wszystkie z opisanych technologii wymagają dalszych badań ukierunkowanych na optymalizację warunków ich prowadzenia w celu zwiększenia ich wydajności, przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów i redukcji emisji zanieczyszczeń.
 

Tab. 7. Wady i zalety różnych technologii odzysku energii z osadów ściekowych [1], [27]

Literatura

1. A. Raheem, V. Singh, J. He, W. Dastyar, and D.D. Dionysiou, "Opportunities and challenges in sustainable treatment and resource reuse of sewage sludge: A review”, Chemical Engineering Journal, vol. 337, no. October 2017, pp. 616-641,2018.
2. P. Manara and A. Zabaniotou, "Towards sewage sludge based biofuels via thermochemical conversion – A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, no. 5, pp. 2566-2582, 2012.
3. C.C. Xu and J. Lancaster, "Treatment of Secondary Sludge for Energy Recovery”, Europe, 2007.
4. A. Mulchandani and R Westerhoff, "Recovery opportunities for metals and energy from sewage sludges”, Bioresource Technology, vol. 215, pp. 215-226, 2016.
5. M. Miltner, A. Makaruk, and M. Harasek, "Review on available biogas upgrading technologies and innovations towards advanced solutions”, Journal of Cleaner Rroduction, vol. 161, pp. 1329-1337, 2017.
6. A. Grosser, Biogaz jako źródło energii do suszenia osadów w oczyszczalniach ścieków, XI Konferencjia "Suszenie i termiczne przekształcanie osadów ściekowych", Gniew/Grudziądz, 21 września 2017.
7. S. Sahota et al., "Bioresource Technology Reports Review of trends in biogas upgradation technologies and future perspectives”, Bioresource Technology Reports, vol. 1, pp. 79-88, 2018.
8. A. F. Khan, I. U., Othman, M. H. D., Hashim, H., Matsuura, T., Ismail, "Biogas as a renewable energy fuel – A review of biogas upgrading, utilisation and storage”, vol. 150, no. August, pp. 277-294, 2017.
9. N. Scarlat, J. Dallemand, and F. Fahl, "Biogas: Developments and perspectives in Europe”, Renewable Energy, vol. 129, pp. 457-472, 2018.
10. I. Angelidaki et al., "Biogas upgrading and utilization: Current status and perspectives”, Biotechnology Advances, vol. 36, no. 2, pp. 452-466, 2018.
11. L. Appels et al., "Anaerobic digestion in global bio-energy production: Rotential and research challenges”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, no. 9, pp.4295-4301,2011.
12. A. Grosser and E. Neczaj, "Sewage sludge and fat rich materials co-digestion – Performance and energy potential”, Journal of Cleaner Rroduction, vol. 198, pp. 1076 -1089, 2018.
13. L. Zhang, K. Loh, and J. Zhang, "Bioresource Technology Reports Enhanced biogas production from anaerobic digestion of solid organic wastes: Current status and prospects”, Bioresource Technology Reports, vol. 5, no. August 2018, pp. 280-296, 2019.
14. H. Carrere, G. Antonopoulou, R. Affes, F. Rassos, and A. Battimelli, "Review of feedstock pretreatment strategies for improved anaerobic digestion: From lab-scale rese- arch to full-scale application”, Bioresource Technology, vol. 199, pp. 386-397, 2016.
15. R. Cano, "Energy feasibility study of sludge pretreatments: A review”, Applied Energy, vol. 149, pp. 176-185, 2015.
16. G. Zhen, X. Lu, H. Kato, Y Zhao, and Y Li, "Overview of pretreatment strategies for enhancing sewage sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: Current advances, full-scale application and future perspectives”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 69, no. March 2016, pp. 559-577, 2017.
17. J. Mata-Alvarez, J. Dosta, M. S. Romero–Güiza, X. Fonoll, M. Peces, and S. Astals, “A critical review on anaerobic co-digestion achievements between 2010 and 2013”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 36, pp. 412–427, Aug. 2014.
18. N. I. Siddique and Z. A. Wahid, “Achievements and perspectives of anaerobic co-digestion : A review”, vol. 194, no. 1, pp. 359–371, 2018.
19. C. Macintosh et al., “Successful strategies for increasing energy self-sufficiency at Grüneck wastewater treatment plant in Germany by food waste co-digestion and improved aeration”, Applied Energy, vol. 242, no. November 2018, pp. 797–808, 2019.
20. Y. Shen, J. L. Linville, M. Urgun–Demirtas, M. M. Mintz, and S. W. Snyder, “An overview of biogas production and utilization at full–scale wastewater treatment plants (WWTPs ) in the United States: Challenges and opportunities towards energy–neutral WWTPs”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 50, pp. 346–362, 2015.
21. I. Fonts, G. Gea, M. Azuara, J. Ábrego, and J. Arauzo, “Sewage sludge pyrolysis for liquid production: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, no. 5, pp. 2781–2805, 2012.

22. "PLATE 12 OIL FROM SLUDGE ( OFS)”, Western Australia Water Corporation. online. Available: https://www.biosolids.com.au/wp -content/uploads/DSE-Oil-from-Sludge.pdf.

23. M. Tripathi, J. N. Sahu, and P Ganesan, "Ef- fect of process parameters on production of biochar from biomass waste through pyrolysis”: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 55, pp. 467-481,2016.

24. Y Cao and A. Pawłowski, "Sewage sludge -to-energy approaches based on anaerobic digestion and pyrolysis: Brief overview and energy efficiency assessment”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, no. 3, pp. 1657-1665, 2012.

25. A. Grobelak, "Organic Soil Amendments in the Phytoremediation Process”, in Phytoremediation, A.A. Ansari, S.S. Gill, R. Gill, G.R. Lanza, and L. Newman, Eds. Cham: Springer International Publishing, 2016, pp. 21-39.

26. PI Manara and A. Zabaniotou, "Towards sewage sludge based biofuels via thermochemical conversion – A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, no. 5, pp. 2566-2582, 2012.

27. J. Oladejo, K. Shi, X. Luo, G. Yang, and T. Wu, "A Review of Sludge-to-Energy Recovery Methods”, pp. 1-38, 2019.

Zobacz: Gospodarka wodno-ściekowa i zarządzanie wodami opadowymi w dużym zakładzie przemysłowym