Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Možnosti zpracování vodárenských kalů

19.1.2015

Ing. Renata Biela, Ph.D., Bc. Ilona Ševčíková, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí

Recenzovaný

Po zpracování se vodárenské kaly mohou využívat např. v zemědělství, lesnictví, průmyslu, při čištění spalin nebo odpadních vod. V ČR je zatím využívání vodárenských kalů velmi ojedinělé. Příkladem úpravny vody, která se snaží vodárenské kaly využívat, je úpravna Ostrava – Nová Ves.

Úvod

Názvosloví vodárenské technologie používá pro odpady vznikající v technologickém procesu úpraven vody souhrnný název vodárenské kaly. Přesná definice je obtížnější, neboť u vodárenských kalů se jedná jak o kaly, tedy odpady v pravém slova smyslu, tak i odpadní vody. Norma ČSN 75 0150 Názvosloví vodárenství definuje vodárenský kal jako kal odpadající z provozu úpravny vody. Obecně pod pojmem kal rozumíme suspenzi pevných látek nazývaných sušina kalu. [1]

Zpracování vodárenských kalů

Vodárenské kaly se zpracovávají přímo na úpravně nebo se vypouští do kanalizace a následně probíhá zpracování a likvidace společně s odpadní vodou až na čistírně odpadních vod. Protože vodárenské kaly obsahují až 99 % vody, je třeba před dalším nakládáním s nimi snížit obsah vody, a to zahušťováním a odvodňováním. Cílem zahušťování je získat kal o koncentraci asi 1,5 až 4 % sušiny. Zahuštění větší než 4 % sušiny se již nedoporučuje s ohledem na dopravu čerpáním. Mechanickým odvodňováním lze pak získat kal v rypném stavu. [1]

Zahušťování vodárenských kalů

Zahušťování je možno provádět sedimentací nebo flotací. Ve vodárenství se k zahušťování kalů používá nejčastěji sedimentace v zahušťovacích nádržích. Flotace je využívána spíše na čistírnách odpadních vod nebo jako první separační stupeň na úpravnách vody.

Zahušťovací nádrže se využívají k zahušťování kalů získaných z usazovacích nádrží. Usazování a zahušťování se dá provádět i v jedné nádrži, avšak většina usazovacích nádrží je nevyhovující kvůli malé výšce kalového prostoru. Zahušťovací nádrž se většinou zařazuje před odvodňovací zařízení (odstředivky, kalolisy atd.), protože zahuštěním se sníží objem kalu. Tím se zmenší potřebná kapacita odvodňovacích zařízení.

Zahušťovací nádrže jsou velmi podobné kruhovým usazovacím nádržím. Staví se obvykle hlubší, jsou železobetonové nebo ocelové s tepelnou izolací pláště. Průměr nádrží se navrhuje od 3 do 25 m (lze až 42 m) a hloubka 2,4 až 14 m (podle výrobce). Nádrže pracují v odstavném (přerušovaném) nebo průtočném (kontinuálním) režimu.

Většina úpraven využívá dvě zahušťovací nádrže v odstavném režimu (jedna se plní, v druhé probíhá zahušťování). Pokud je navržen průtočný režim, stačí i jedna nádrž. Před průtočnou nádrž se instaluje vyrovnávací komora, kde se homogenizuje kal z různých procesů. Zahuštěný kal se odebírá ze dna k dalšímu zpracování. Voda je odebírána od hladiny a vrácena před první separační stupeň nebo vypouštěna do kanalizace. Zahušťování je podporováno pomalým mícháním (např. spirálou u dna nebo tyčemi). V zahušťovací nádrži lze dosáhnout až ztrojnásobení sušiny kalu při době zdržení 1 až 5 dní. [2]

Zahušťovací nádrž bývá rozdělena na tři zóny, a to směrem od hladiny dolů na zónu prosté sedimentace, přechodnou oblast a zónu zahušťování.

Flotace je technologický proces vhodný pro separaci suspendovaných látek, mikroorganismů a částic, které vznikly koagulací, případně koagulací s následnou flokulací z kapaliny. Flotace pro svoji separační účinnost využívá pod tlakem rozpuštěný vzduch, jehož pomocí jsou z kapaliny vytěsňovány nežádoucí látky. V literatuře je flotace označována DAF (dissolved air flotation). [2]

Flotace bývá až o řád účinnější než sedimentace. Při úpravě pitné vody je flotace zařazována jako první separační stupeň v rámci dvoustupňové úpravy, jako perspektivní řešení se flotace jeví pro zahušťování kalů na úpravnách vody. Výhodou oproti zahušťovacím nádržím je menší potřebná plocha a objem zahušťovacího zařízení a rychlejší zahuštění suspendovaných látek.

V zahraničí je flotace v kontejnerovém provedení instalována například v kalovém hospodářství úpravny vody Betasso (The City of Boulder, Colorado), kde se využívá pro zahušťování vody z praní filtrů. Od roku 1996 je flotace pro zahušťování vody z praní filtrů využívána i na úpravně Beaver Run (Westmoreland County, Pennsylvania). [3]

V České republice je v současnosti flotace využívána v kalovém hospodářství úpravny vody Souš, začátkem května 2014 byla po rekonstrukci uvedena do provozu úpravna vody Mostiště, kde byla navržena flotace a šnekový lis do kalového hospodářství. V rámci rekonstrukce byly dvě nové flotační jednotky určené k zahuštění odpadních vod nainstalovány i v úpravně vody III. Mlýn.

Odvodňování vodárenských kalů

Odvodňováním vzniká kal rypatelné konzistence, se kterým je možno manipulovat jako se zeminou. Kaly se odvodňují dvěma způsoby, a to buď přirozeně (gravitačně) na kalových polích a kalových lagunách, nebo uměle (strojně) na kalolisech, pásových lisech, odstředivkách a dalších zařízeních. Gravitační způsoby mají nízkou efektivitu, která je závislá na klimatických podmínkách a jejich využívání je na ústupu. Gravitační způsoby se stále využívají v úpravnách vody s malou produkcí kalů.

Ze strojních odvodňovacích zařízení se v našich podmínkách pro zpracování vodárenských kalů používají převážně odstředivky nebo kalolisy. V některých případech strojního odvodňování kalů je vhodné upravovat fyzikální vlastnosti kalu buď fyzikálně (ohřev, vymrazování, ultrazvuk, přidání zrnitých materiálů – popílek, piliny atd.) nebo chemicky (přídavkem flokulantů). Předúpravou kalu se zvýší účinnost odvodňovacího procesu a tím je snížena spotřeba energie. [1]

Kalová pole

Dle definice typizační směrnice Hydroprojektu Praha jsou kalová pole upravená a odvodňovaná plocha s filtrační drenážní vrstvou, na kterou se vypouští částečně zahuštěný kal, aby vyschnul. [1]

Obr. 1 Kalové pole úpravny vody Ostrava - Nová Ves [5]

Kalová pole jsou většinou nezastřešené obdélníkové nádrže ohraničené betonovou stěnou. Na dně bývá sypaná vrstva štěrku a na ní vrstva písku. Ve štěrkové vrstvě se nachází drenážní trubky, které vyúsťují do hlavního sběrače. U větších polí se část dna zpevňuje pro pojezd mechanismu.

Rozměry kalového pole mohou být až 20 × 8 m, kal se napouští do výšky 30 až 50 cm. Odsazená voda se odvádí přepady. Kvalita odsazené vody by měla být taková, aby bylo možné vodu vypouštět přímo do recipientu bez jakýchkoliv úprav. [2]

Při odvodňování na kalových polích se uplatňuje sedimentace, filtrace přes pórovité prostředí, sluneční energie a povětrnostní vlivy. Cyklus vysoušení vyžaduje nejméně tři samostatné jednotky s periodickou výměnou funkcí: napouštění, vysychání, vybírání s přípravou na další napouštění. Každá jednotka má posuvné hradící zařízení ke stahování odsazené vody. S ohledem na zimní provoz (tlak ledu na obvodové stěny) je vhodné kalové pole konstruovat se zpevněnými zemními hrázkami nebo s betonovou dělící stěnou. Malá tloušťka vyklizené vrstvy kalu (10 až 30 cm) připouští použít jednoduché mechanismy k vybírání (transportéry, pojízdné vyklápěcí lžíce na pásovém podvozku, vlečné lopaty. Po 1 až 2 měsících zdržení získáme cca 10 cm tlustou vrstvu kalu s 10–20 % sušiny. [1, 2]

Kalové laguny

Definice kalových lagun dle typizační směrnice uvádí, že kalová laguna je ohrázkovaná nádrž s funkcí odsazení, zahuštění, promrznutí a vysoušení kalů. Hrázky a dno jsou dle potřeby zpevněny. [1]

Obr. 2 Kalové laguny úpravny vody Nová Ves u Frýdlantu [5]

Kalové laguny mají na rozdíl od kalového pole přirozené dno bez drenážní vrstvy. Obvodové hrázky bývají zemní, zpevněné drnováním, dlažbou nebo panely. Laguny bývají opatřeny vjezdem pro mechanizaci. Navrhují se nejméně dvě jednotky. Odsazená voda se vypouští z každé laguny samostatně. Kalové laguny plní zahušťovací i odvodňovací funkci, do lagun lze vypouštět kaly zahuštěné již na 1–2 % v zahušťovacích nádržích. Kal se do lagun napouští do výšky 0,6–1,0 m, vysychá cca 5–6 měsíců. Na 1 tunu sušiny připadá přibližně 16,7 m³ kalu s 6% koncentrací. Vzhledem k nutnosti promrznutí se kalové laguny navrhují na dvouletý pracovní cyklus. [2]

Vzhledem k velkým plošným nárokům na zábor zemědělské půdy se vyplatí kalové laguny navrhovat pro úpravny do cca 300 l.s⁻¹. U větších úpraven se doporučuje zahuštěné kaly odvodňovat strojně, například na pásových lisech nebo kalolisech. [1]

Odvodňovací vaky

Obr. 3 Odvodňovací vak [4]

Odvodňovací vaky jsou jednoduchá odvodňovací zařízení vyrobená z hydrofobního materiálu (nejčastěji polypropylen). Jsou vhodné pro menší úpravny, kde je produkce kalu v sušině menší než 200 kg.den⁻¹. Kal se před odvodňováním předupravuje pomocí polymerních flokulantů a následně se ručně nebo automaticky napouští do vaků. Ve tkanině vaku jsou póry, kterými voda působením gravitace vytéká ven a vak se doplňuje dalším kalem. Během jednoho až dvou dní je dosaženo obsahu sušiny 15 až 20 %.

Vak s odvodněným kalem se zašije speciálním strojkem a může probíhat další fáze – vysušování kalu. Tato fáze trvá 1 až 2 měsíce v závislosti na klimatických podmínkách a kal se vysuší až na obsah sušiny 50 %. Vaky je možné skladovat i venku, protože vodu propouští pouze směrem ven. Dešťové vody do vaku nepronikají.

Tento způsob odvodňování kalů se s ohledem na nízké investiční náklady jeví jako perspektivní pro menší úpravny. Tato technologie se v současnosti využívá pro odvodňování různých kalů, rybničních sedimentů a odpadních vod. Výhodou je mobilita a velmi rychlá příprava pracoviště. [1]

Kalolisy

Obr. 4 Kalolis na úpravně vody Nová Ves u Frýdlantu [5]

Kalolis je strojní zařízení k odvodňování kalů, pracující ve třech cyklech: plnění kalolisu nízkotlakým čerpadlem, plnění středotlakým čerpadlem, komprese koláče vysokotlakým čerpadlem. Kalolis je naplněn pomocí dopravníku nebo ručně kalem, který je pak hydraulicky stlačován mezi deskami (několik za sebou). Největší zařízení mají 50 rámů 2,5 × 2,5 m. Pevný podíl je zachycen na plachetkách v podobě filtračního koláče, voda odtéká drenážemi. Plachetky jsou buď z klasických materiálů (bavlna, len) nebo z materiálů syntetických (polyetylen, polypropylen atd.) Filtrační koláč je po otevření kalolisu dopravován pásovým nebo šnekovým dopravníkem do kontejneru. Celková délka filtračního cyklu je 1,5 až 6 hodin. [2]

Před odvodňováním se provádí předúprava kalu přídavkem pomocných organických flokulantů případně vápna. Organické flokulanty zlepšují výrazně filtrační schopnost kalu i rychlost zahušťování. Množství flokulantu či vápna se stanovuje experimentálně a je pro každý druh kalu i způsob strojního odvodňování různé. V literatuře se uvádí, že odvodněný kal předupravený vápnem lze lépe odstranit z plachetek, avšak použití vápna má vliv na jakost filtrátu.

Pro zpracování kalů z flotačních procesů byly prováděny testy odvodnění s použitím jak odstředivek, tak kalolisů. Z výsledků vyplynulo, že odstředivky nebyly schopné dosáhnout sušiny kalu alespoň 25 %. Jako vhodné zařízení se ukázal kalolis, který dosahoval sušiny kalu více než 30 %. [1]

Pásové lisy

Pásový lis je kontinuální odvodňovací zařízení, které tvoří dvojice nekonečných pásů a soustava vodících válců. Princip je založen na tom, že se kal posouvá v zužujícím se prostoru mezi dvěma pásy (plachetkami). Soustavou válců je kal odvodňován a na konci tratě odvodněný kal odpadává. Pásové lisy mohou být ve dvoupásovém nebo třípásovém provedení. Výhodou tohoto zařízení je malá spotřeba energie, zato však tyto lisy spotřebují velké množství vody na oplach pásů. Na pásových lisech je možné získat kal s podílem sušiny 20 až 35 %, přičemž podíl sušiny je možné ještě mírně zvýšit přidáním koagulantu. [1, 2]

Odstředivky

Obr. 5 Odstředivka na úpravně vody Podhradí [5]

Odstředivka je kontinuální zařízení, kterým se odvodňují kaly. Hlavní částí odstředivky je kónický válcový buben a šnekový dopravník. Buben i šnek mají stejný smysl otáčení, ale rozdílnou rychlost otáčení. Kal je vpouštěn do odstředivky přívodním potrubím do tělesa šneku, odkud je odstředivou silou usměrněn k plášti bubnu. Těžší částice se usazují na povrchu bubnu a šnekem jsou kontinuálně posunovány do kuželové části, kde je výstup pro odvodněný kal. Odstředěná kapalina je vytlačována z bubnu vstupujícím kalem. [2]

Odstředivky jsou výhodné na úpravnách, kde je nedostatek prostoru a vyžaduje se kontinuální, plně automatizovaný provoz. Kal není třeba upravovat přidáváním vápna (jak se někdy používá u komorových lisů), dávkuje se pouze polymerní flokulant. Nevýhodou odstředivek je hlučnost a vysoká spotřeba energie, která se však např. u dekantačních odstředivek Alfa Laval nové generace výrazně snížila. Průlom nastal představením řady G2 a dále pak řady G3, která snížila spotřebu elektrické energie oproti běžným typům dekantačních odstředivek přibližně o 30%. Odstředivky se donedávna používaly zejména na čistírnách odpadních vod, v současnosti ji využívá např. úpravna vody v Podhradí. Moderní dekantační odstředivky mohou být vhodným řešením odvodnění kalu z velkých úpraven vod v závislosti na podmínkách konkrétního projektu.

Závěr

Technologie zpracování vodárenských kalů jsou velmi různorodé. V České republice se pro zahušťování kalů využívají nejčastěji různé typy nádrží. Flotace se pro zahušťování vodárenských kalů využívá méně, avšak lze očekávat, že bude v následujících letech do kalového hospodářství úpraven vod zařazována častěji.

Pro odvodňování kalů se používají gravitační odvodňovací zařízení – kalová pole a kalové laguny, ze strojních odvodňovacích zařízení se nejčastěji využívají kalolisy a odstředivky.

Po zpracování se vodárenské kaly mohou využívat v mnoha odvětvích, a to například v zemědělství, lesnictví, průmyslovém sektoru (např. průmysl stavebních hmot), v technice životního prostředí (čištění spalin) nebo při čištění odpadních vod. [1]

V České republice je zatím využívání vodárenských kalů velmi ojedinělé. Kaly se spíše skládkují nebo vypouští na čistírny odpadních vod, kde se likvidují spolu s odpadními vodami. Příkladem úpravny vody, která se snaží vodárenské kaly využívat, je úpravna Ostrava - Nová Ves, kde se část kalu vypouští na čistírnu odpadních vod, na které pomáhá srážet fosfor a část kalu si po odvodnění na kalovém poli odváží smluvní odběratel, který kal přidává do kompostu.

Použitá literatura

[1] KYNCL, Miroslav. Technologie, zpracování a využití vodárenských kalů: monografie. Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 2007, 127 s. ISBN 978-80-248-1604-3.
[2] TUHOVČÁK, Ladislav, et al. Vodárenství: Studijní opory. 1. vydání. Brno: VUT FAST, 2006. 252 s.
[3] CRITTENDEN, John, et al. Water Treatment: Principles and Design. 2^nd Edition. John Wiley and Sons, 2005. 1948 p. ISBN 0-471-11018-3.
[4] Odvodňování kalů [online]. [cit. 2014-03-09]. Dostupné z: http://www.patok.cz/odvodnovani_kalu.html#prettyPhoto ¨
[5] ŠEVČÍKOVÁ, Ilona. Kalové hospodářství úpraven vod. Brno, 2014. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí. Vedoucí práce Ing. Renata Biela, Ph.D., 64 s.

English Synopsis

Possibilities of water treatment sludge processing

The article discusses the possibilities of processing sludge from water treatment plants. Describes facilities for thickening and dewatering of water treatment sludge. In the Czech Republic for sludge thickening are most often used different types of tanks, flotation is used less. For sludge dewatering are used gravity dewatering facilities – sludge beds and sludge lagoons, from machine dewatering facilities are most commonly used filter presses and centrifuges.