Wprowadzenie

Utlenienie substancji organicznych do dwutlenku węgla, wody i innych związków o małych cząsteczkach może znacznie zmniejszyć objętość odpadów i zlikwidować wiele szkodliwych związków. Spalanie w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym to aktualnie najczęściej stosowana technika utleniania, lecz właśnie ta metoda spotyka się ze społecznym oporem w związku z emisją dioksyn i wytwarzaniem dużych ilości popiołu. Popiół ze spalania jest traktowany jako odpad niebezpieczny i wymaga kosztownego deponowania na składowiskach odpadów niebezpiecznych. W przyszłości cena składowania takich odpadów jest bliżej nieprzewidywalna, ponieważ coraz to nowe normy i standardy podnoszą koszty utylizacji, co dla przedsiębiorstwa operującego według ściśle określonego biznesplanu jak i społeczeństwa, na które przekładane są te koszty - jest nie do przyjęcia.

Wolną od powyższych wad, ekonomiczną i niezwykle skuteczną metodą destrukcji substancji organicznych w ściekach lub osadach ściekowych jest utlenianie w warunkach nadkrytycznych (SCWO – Supercritical Water Oxidation).

Technologia SCWO, rozwijana pod nazwą Aqua Critox®, wykorzystuje wyjątkowe właściwości wody powyżej punktu krytycznego (374 OC i 221 bar). Wtedy woda ma właściwości pomiędzy fazą ciekłą i gazową. Gęstość wody w stanie nadkrytycznym jest porównywalna z gęstością wody ciekłej, co pozwala na duże przepływy w procesie. Lepkość i dyfuzyjność w obszarze nadkrytycznym są bliższe tym parametrom dla pary. Dzięki niskiej stałej dielektrycznej w tych warunkach rozpuszczalność związków organicznych i gazów jest wysoka. To wszystko razem oznacza nieznaczne opory przenoszenia masy i skutkuje czasem reakcji utleniania nie przekraczającym 60 sekund i skutecznością destrukcji organiki 99,99%.

W procesie niszczone są wszelkie organiczne odpady zawierające dowolne kombinacje pierwiastków. Niska biodegradowalność lub wysoka toksyczność nie wpływają na efekt utleniania.
Związki organiczne zawierające azot utleniają się do dwutlenku węgla, wody i azotu, bez wytwarzania NOX. W procesie nie powstają dioksyny. Metale ciężkie utleniają się do najwyższych stopni utlenienia i są oddzielane razem z innymi mineralnymi produktami w niewymywalnej postaci.

Pierwsza komercyjna instalacja SCWO została wybudowana w 1994 roku przez firmę Eco Waste Treatment w USA. Projekt instalacji był oparty na pracach badawczo-rozwojowych firmy EWT i University of Texas. Instalacja pracowała od 1994 do 2000 roku. Szwedzka firma Chematur Engineering AB kupiła licencję na SCWO i rozwijała technologię do 2007 roku, kiedy to patent odkupiła SCFI Group z Irlandii. SCFI uruchomiła w 2008 roku demonstracyjną instalację Aqua Critox® o wydajności 250 kg/h. Od maja 2008 instalacja pracowała w sposób ciągły, udowadniając niezawodność technologii.

Opis procesu

Po przygotowaniu (mieszanie, podgrzewanie dla obniżenia lepkości, rozdrabnianie dla kontroli wielkości cząstek) osad pobierany jest przez pompę wysokociśnieniową, która podnosi ciśnienie do 250 bar. Strumień osadu wpływa do ekonomizera, w którym jest podgrzewany do temperatury wyższej od krytycznej przez strumień opuszczający reaktor. Ekonomizer jest wymiennikiem ciepła typu rura w rurze, co gwarantuje małe ryzyko zapychania się. Z ekonomizera podgrzany do ok. 400 OC osad przepływa do reaktora. W czasie rozruchu, jak też w przypadku, gdy zawartość organiki jest niższa niż 3%, strumień przepływa przez dodatkowy podgrzewacz.
W reaktorze do strumienia osadu dodawany jest tlen dla zainicjowania reakcji utleniania. Reakcja jest egzotermiczna i temperatura rośnie w miarę postępu reakcji. Z reaktora strumień wpływa do ekonomizera, w którym oddaje ciepło do świeżego osadu. W większych instalacjach ciepło reakcji może być odzyskiwane przez wytwarzanie pary i generowanie energii elektrycznej. Możliwe jest również wykorzystanie pary do ogrzewania.
Bez względu na sposób odzysku ciepła reakcji, strumień jest poddawany dalszemu schładzaniu do końcowej temperatury w chłodnicy, a następnie rozprężaniu w układzie redukcji ciśnienia do poniżej 10 bar. Mieszanina cieczowo-gazowa wpływa do separatora, w którym CO2, azot i nieprzereagowany tlen są oddzielane od cieczy.
Pozostałość nieorganiczna jest usuwana ze strumienia cieczy, której ChZT jest poniżej 5 mg/l.
Części mineralne są inertne i nadają się do wykorzystania w przemyśle materiałów budowlanych, mogą być składowane jako produkt bezpieczny lub, jeśli zawierają wartościowe składniki, mogą być poddane dalszej obróbce dla odzysku fosforu lub innych wartościowych związków.

W celu zapewnienia ekonomicznego zużycia tlenu, wysokiej sprawności i bezpieczeństwa procesu, instalacja Aqua Critox® jest wyposażona w wyrafinowany system sterowania i kontroli, który ogranicza zakres interwencji operatora. System monitoruje i kontroluje temperatury i ciśnienia, podawanie tlenu i koncentrację tlenu w gazie wylotowym. Podobnie w sposób ciągły monitorowany jest strumień cieczy wylotowej. System pozwala na automatyczne przełączenie na rezerwowe wymienniki ciepła i czyszczenie zapobiegające blokadom i niepotrzebnym zatrzymaniom.

Proces Aqua Critox® w utlenianiu osadów ściekowych

W czasie pracy instalacji w skali pilotowej i technicznej przebadano wpływ temperatury i koncentracji organiki na skuteczność procesu. Potwierdziło się, że cała część organiczna łatwo ulega destrukcji, i że jest pewna minimalna temperatura wymagana do destrukcji związków azotoorganicznych. Ta temperatura – 540 OC – jest łatwo osiągalna w procesie.
Zmiany koncentracji na wejściu nie prowadzą do znaczących zmian w ChZT na wyjściu. Stwierdzono, że jest wymagana minimalna koncentracja, aby uniknąć konieczności dostarczania ciepła z zewnątrz. SCFI określa, że 3 do 10% organiki i całkowita zawartość suchej masy do 20% to najbardziej wskazany zakres. To oznacza, że proces SCWO może być stosowany zarówno do strumieni ciekłych, jak i do osadów odwodnionych.
Skuteczność destrukcji organiki przy zastosowaniu Aqua Critox® jest znacząco wyższa od osiąganej w procesach mokrego utleniania i innych pracujących poniżej punktu krytycznego. W takich instalacjach typowym wynikiem jest skuteczność na poziomie 70%. Ponadto wymagany jest długi czas reakcji.

Ekonomika procesu

Proces jest ekonomicznie konkurencyjny w stosunku do tradycyjnego suszenia lubspalania osadów ściekowych. Może też być alternatywą dla rekultywacji terenu, jeśli weźmie się pod uwagę koszty wstępnej obróbki i transportu. Najbardziej znaczącym składnikiem kosztu eksploatacji jest tlen. Dla dużych instalacji Aqua Critox® powinno się stosować tlen w postaci ciekłej (LOX). Jeżeli LOX nie jest dostępny po konkurencyjnej cenie, można stosować tlen wytwarzany na miejscu, w ten sposób zapewniana jest kompleksowa usługa, powiązana z budową w okolicy komercyjnego zakładu skraplania tlenu. W przypadku małych instalacji można stosować powietrze.
Najważniejszy w tym całym procesie jest jednak koszt przedsięwzięcia, gdzie na początku koszt budowy jest wyższy lecz w całym procesie obróbki, biorąc pod uwagę uzyskiwane zyski z odzysku energii, opłacalność przedsięwzięcia jest niepodważalna. Poszczególne parametry obróbki tony osadu odwodnionego oraz koszt instalacji, wraz z kalkulacjami energetycznymi dostępne są u konsultantów PWP Katowice ®.

Wnioski

Wyniki rzeczywistych prób i staranne badania pokazują użytkownikom to, że Aqua Critox® jest bardzo dobrą alternatywą dla innych metod obróbki osadów ściekowych. Reakcja jest egzotermiczna, dając realną możliwość odzysku wytwarzanego ciepła w postaci energii elektrycznej lub pary wodnej / ciepłej wody. Proces zapewnia pełną mineralizację osadów ściekowych, ma potencjał generowania energii odnawialnej i istotnego obniżenia emisji dwutlenku węgla przez oczyszczalnię ścieków. Nie wytwarza niebezpiecznych produktów, które wymagałyby składowania i oferuje opcję odzysku fosforu i koagulanta z mineralnej pozostałości. Proces jest w pełni niezawodny. W instalacji jest niewiele części ruchomych a wyposażenie jest projektowane z uwzględnieniem zmienności parametrów na zasilaniu, typowych dla oczyszczalni ścieków.

Dodatkowe informacje
Wszelkie dodatkowe informacje udziela PWP Katowice Sp. z o.o. ® i jej konsultanci, którzy jako autoryzowani przedstawiciele na Polskę mogą zorganizować prezentację oraz doradzić w każdym aspekcie przygotowania i realizacji inwestycji.

_{Literatura:
Materiały firm SCFI Group i Chematur Engineering AB}