Slambehandling på Fredericia Centralrenseanlæg.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2002 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Jens Munck, Cambi A/S
I oktober 2001 blev det termiske hydrolyseanlæg på Fredericia Centralrenseanlæg indviet.
Fredericia Centralrenseanlæg har store industrielle tilledninger fra mejeri, bryggeri, raffinaderi og gødningsfremstilling i oplandet og er et af de tre største renseanlæg i Danmark, de to andre er Lynetten i København og Avedøre Renseanlæg syd for København.
Formålet med anlægget er at konditionere overskudsslammet fra renseanlægget på en sådan måde, at den efterfølgende anaerobe behandling (udrådning) giver et maksimalt biogasudbytte og som følge heraf formindsker mængden af slam. Erfaringerne viser, at afvandingsegenskaben forbedres betydeligt. Derfor reduceres den slammængde, der skal slutdisponeres, væsentligt.
I Dansk Kemi nr. 6, 1999 er de grundlæggende begreber for den termiske hydrolyseproces beskrevet ligesom de økonomiske konsekvenser ved en implementering med baggrund i den eksisterende lovgivning.
Termisk hydrolyse af bioslam fra renseanlæg er en teknik, som har været kendt i mange år og benyttet specielt i 1930’erne til konditionering af slam. Alle disse anlæg er nedlagt, de fleste på grund af lugtgener. I 1990’erne blev processen og udstyret nyudviklet, og i dag er otte anlæg i drift i Europa, heraf to i Danmark, hvor ovennævnte lugtgener er elimineret.
De to anlæg i Danmark er i drift på Fredericia Centralrenseanlæg (kap. 40.000 t slam/år) og Næstved Centralrenseanlæg (kap. 8.000 t slam/år).
Anlæggene
Slambehandlingsanlæggene består alle af følgende enheder, jfr. nedenstående procesdiagram:
– Forafvanding, hvor slammet afvandes til mellem 15 og 20% TS
– Det termiske hydrolyseanlæg, hvor slammet behandles ved 165°C og 6,5 bar tryk ved direkte damptilsætning
– Rådnetanke (anaerobe reaktorer)
– Efterluftning af det udrådnede slam eller rejekt med henblik på omdannelse af ammonium til nitrat
– Slutafvanding
– Kompostering af slutafvandet slam
Det tekniske vand, dvs. spulevand til rensning af tanke o.l., der benyttes, er membranfiltreret hygiejniseret spildevand. Ud fra det tekniske vand fremstilles ved en yderligere membranfiltrering kedelfødevand til dampanlægget.
Som det fremgår af ovenstående, er slambehandlingsanlæggene p.t. de mest avancerede anlæg i kommerciel drift i Nordeuropa.
her plac. billede
Det termiske hydrolyseanlæg på Fredericia Centralrenseanlæg. Kapacitet 40.000 tons slam pr. år.
Processen
Ved den termiske hydrolyse behandles slammet ved 165°C og 6,5 bar tryk i ca. 30 min, det medfører at:
– Slammet steriliseres
– Cellestrukturen nedbrydes, og organisk stof opløses
– pH ændres fra 7,5 til 6,0 pga. dannelse af organiske syrer
Disse forhold har signifikant betydning for den efterfølgende anaerobe behandling (udrådning), hvor det organiske stof omdannes til CH4 og CO2. Denne proces foregår normalt i tre trin, jf. nedenstående:
1. Hydrolyse af organisk stof
2. Syredannelse, hvor organisk stof omdannes til lavmolekylære organiske syrer
3. Methandannelse, hvor disse syrer omdannes til CH4 og CO2
Hastigheden af syretrinsprocessen er ca. fire gange større end hastigheden ved methanprocessen.
Fordelene ved implementering af en termisk hydrolyseproces vil derfor være følgende:
1. Slammet steriliseres
Det medfører, at biokulturen i den anaerobe proces ingen konkurrence får fra »fremmede« kulturer, men kan specialiseres mere og mere
2. Cellestrukturen nedbrydes, og organisk stof opløses
Det medfører, at det organiske stof bliver mere tilgængeligt for mikroorganismerne, og endvidere at viskositeten reduceres væsentligt.
3. Hydrolyse og dannelse af organiske syrer
Det medfører, at dette procestrin i stor udstrækning er før den anaerobe reaktor. Koncentrationen af de methandannende mikroorganismer i rådnetanken kan derfor øges, idet den nødvendige koncentration af de syredannende mikroorganismer reduceres. Dvs., at der opnås en væsentligt større omdannelse af organisk stof til biogas, og dermed reduceres den mængde slam, der skal slutdisponeres betydeligt.
Sammenlignes med en konventionel proces, hvor der behandles biologisk overskudsslam med et organisk indhold på 65% og et COD (Chemical Oxidation Demand) på 1 kg pr. kg TS, kan følgende opstilles:
Energibalance
Ved den termiske hydrolyse benyttes damp til opvarmning. Forbruget af damp, under de beskrevne forudsætninger og med den procesopbygning, som Cambi benytter, udgør ca. 0,2 kg damp pr. kg slam (15% TS).
Efter den termiske hydrolyse er koncentrationen 10 til 13% TS pga. dampkondensering, vand til akseltætninger på pumperne og spædevand til processen.
Sammenlignes med en konventionel proces, hvor rådnetanken fødes med et slam på 5% TS og et indhold af COD på 1 kg pr. kg TS, kan følgende opstilles pr. m3 slam og pr. kg behandlet TS.
Alle erfaringer fra danske renseanlæg, der behandler biologisk overskudsslam anaerobt, viser, at energiudbyttet er ± 0.
For anlæg med termisk hydrolyse er energioverskuddet målt til mellem 10% og 50% afhængig af størrelse og slamtype. Jo større anlæg, desto bedre energioverskud, idet systemtabet er mindre ved større anlæg. Herudover vil et højere COD-indhold i slammet også medføre et større energioverskud.
Slutafvandingen
Ved den konventionelle proces opnås normalt et tørstofindhold på 18 til 20%, hvor der med den termiske hydrolyseproces opnås 30 til 35% TS. Desuden er biogasproduktionen ca. to gange større, hvilket medfører, at den mængde slam, der skal slutdisponeres, reduceres med over 50%.
Herudover er det hydrolyserede slam efter den anaerobe behandling væsentligt mere velegnet til kompostering. Bl.a. viser erfaringen fra Næstved en yderligere ca. 25% slamreduktion ved kompostering.
Rejektvandsbehandling
Ved indførelse af termisk hydrolyse af slam vil fraktionen af opløst phosphor og ammonium efter den anaerobe proces øges. Det kan medføre kapacitetsproblemer på renseanlægget ved tilledning af rejektet fra slutafvandingen. Det vil derfor i mange tilfælde være nødvendigt at foretage en fjernelse specielt af ammonium, idet phosphor ved en simpel kemisk fældning kan fjernes sammen med slammet. Dette, også for at opretholde et gunstigt forhold mellem tungmetaller og P i slammet, af hensyn til disponering på landbrugsarealer.
For ammonium kan en biologisk nitrifikation og denitrifikation benyttes eller en omdannelse til nitrit, der sammen med ammonium biologisk kan omdannes til frit nitrogen, denne proces er endnu under udvikling. Førstnævnte proces er velkendt og benyttes på Fredericia Renseanlæg.
I disse år arbejdes der intenst med behandling af rejektvand fra slutafvandingen, idet belastningen med ammonium udgør op til 30% af den totale belastning på et renseanlæg. Fordelene ved en separat behandling er, at rejektet er højkoncentreret, 1500-3000 mg N/l, 20-30°C varmt og mængden i m3 begrænset.
Dampfremstilling
Vandet til dampfremstillingen på anlæggene i Næstved og Fredericia fremstilles ved membranfiltrering af renset afløbsvand fra renseanlægget. Omkostninger til vandfremstillingen vil typisk udgøre 2 til 5 kr. pr. m3 vand. Benyttes vandværksvand vil omkostningen udgøre fra 10 til 25 kr. pr. m3, pga. afgifter.
Den producerede biogas fra udrådningen benyttes i dampkedlen, overskudsgas bruges til fremstilling af el-energi, der sendes ud på nettet. Overskudsvarme i form af kølevand fra gasmotor udnyttes til rumopvarmning og varmt vand. Kølevand fra det termiske hydrolyseanlæg indgår ligeledes i varmeforsyningen på renseanlæggene.
Fredericiaanlægget
Designkriterierne for anlægget er følgende
Kapacitet: 40.000 t slam/år (20% TS)
Driftstid: 7.600 h/år
Biogasproduktion: 3 mio. m3/år
Methanindhold: 65%
Fuldautomatisk drift
Slutafvandet slam: 15.000 t slam/år (30% TS)
Anlægget:
Forafvanding : 2 stk. centrifuger for afvanding til 15-20%
Termisk hydrolyseanlæg Pulper 26 m3
2 stk. reaktorer à 12 m3
Flashtank 26 m3
Anaerobt anlæg: 2 stk. reaktorer á 2000 m3
Slutafvanding: Centrifuge for afvanding til 30% TS
Efterluftning: Reaktor 500 m3
Vandanlæg: 14 m3/h
Dampanlæg: 4 t/h, 14 bar
På grund af det meget saltholdige vand på Fredericia Centralrenseanlæg er alle konstruktionsmaterialer valgt i et samarbejde med kommunen, Force Instituttet og Cambi. Resultatet blev et duplex (SAP 2205) materiale.
Vandanlægget
En væsentlig del af denne installation er et stort omvendt osmoseanlæg inkl. forbehandling i form af sand- og kulfiltre fra Guldager A/S.
Opgaven var at rense mindst 14 m³/h af det spildevand, der ellers ville blive ledt ud i Lillebælt til henholdsvis teknisk vand (10 m3/h) og kedelfødevand (4m3/h), for derved at give en besparelse og en miljømæssig fordel. Vandet fra renseanlægget er meget saltholdigt og har en ledningsevne på op til 1000 mS/m.
Anlægget er dimensioneret ud fra data opnået ved drift af et pilotanlæg i en periode på ca. to måneder.
Anlæggets funktion er som følger: Renset og efterklaret spildevand fra renseanlægget ledes gennem et børstefilter for fjernelse af de største partikler inden vandet pumpes ind i sandfiltre og herefter tilføres chlor for fjernelse af bakterier og andre mikroorganismer fra det biologiske renseanlæg. Vandet føres herefter gennem kulfiltre for fjernelse af overskydende chlor, da membranerne i det omvendte osmoseanlæg ikke tåler chlor.
I det omvendte osmoseanlæg bortfiltreres 99% af saltene med koncentratet ved et tryk på ca. 50 bar. Membranens porer er så små, at selv mikroorganismer som bakterier og pyrogener ikke kan trænge igennem. Efter denne behandling kan det rensede vand, ca. 10 m3/h, benyttes til spulevand o.l. på renseanlægget.
En mindre del af dette rensede vand underkastes en yderligere filtrering gennem to stk. omvendte osmoseanlæg, der fjerner 99% af de resterende salte, inden vandet pumpes til det termiske hydrolyseanlæg for dampfremstilling (4 m3/h). Kravet til kedelfødevandet er bl.a. en ledningsevne på under 20 mS/m.
Økonomi
Udgifterne til slamdisponeringen udgør i dag en meget stor del af de samlede driftsomkostninger for et renseanlæg.
Det er normalt, at omkostningerne udgør op til 400 kr./t våd slam ved udbringning på landbrugsarealer. Ved deponering på losseplads er omkostningerne ca. tre gange større, dvs. ca. 1.000 kr./t våd slam inkl. afgifter o.l.
Derfor giver et termisk hydrolyseanlæg en væsentlig reduktion i omkostningerne, idet slammængden halveres. Herudover kan implementeringen medføre, at alle krav til disponering på landbrugsarealer opfyldes, hvorved besparelsen bliver endnu større.
Det var tilfældet på Næstved-anlægget, hvor de miljøfremmede stoffer ved en driftsomlægning i forbindelse med bygningen af det termiske hydrolyseanlæg blev reduceret så meget, at de skærpede krav fra den 1. juli 2001 kunne overholdes.
For Fredericia betyder det p.t. en besparelse på ca. 5 mio. kr./år og ved fuld kapacitet over 10 mio. kr./år.
Investeringen har udgjort ca. 30 mio. kr. inkl. etablering af nye centrifuger, ombygninger, SRO o.l. Det termiske hydrolyseanlæg udgør ca. 60% af investeringen.
Driftsomkostningerne på det termiske hydrolyseanlæg opvejes normalt af den øgede biogasproduktion, der anvendes til elproduktion og opvarmning.
I Næstved har implementeringen betydet, at slammængden til disponering er reduceret fra ca. 5.000 t slam/år til ca. 2.000 t/år, og da alle krav opfyldes til spredning på landbrugsarealer, er besparelsen over tre mio. kr./år. Det termiske hydrolyseanlæg udgjorde ca. 60% af anlægsinvesteringen på ca. 12 mio. kr.
Perspektiver
Termisk hydrolyse af biomasse (slam) er en løsning, der på længere sigt kan betyde en anden og mere konstruktiv tænkning, idet den åbner mulighed for:
– Væsentlige driftsbesparelser
– At slammet hygiejniseres og kan anvendes i landbruget
– At behandlingen ved 165°C og 6,5 bar i ca. 30 min. sikrer, at alle sygdomsfremkaldende mikroorganismer (BSE o.l.) er elimineret
– Optimal udnyttelse af slammets energiindhold
Processen har imidlertid også andre anvendelsesmuligheder:
– Destruktion af genmanipuleret materiale
– Sterilisering af biomasse, som samtidig gøres tilgængelig for en mikrobiel omdannelse til fremstilling af andet end methan. Dette kunne være halvfabrikata til den kemiske industri eller ethanol o.l.
Referenceanlæg
Følgende anlæg er i drift:
Aberdeen, Skotland 80.000 t slam pr. år
Borregård, Norge 20.000 t slam pr. år/industrianlæg
Chertsey, England 16.000 t slam pr. år
Dublin, Irland 160.000 t slam pr. år
Fredericia, Danmark 40.000 t slam pr. år
HIAS, Norge 15.000 t slam pr. år
Næstved, Danmark 8.000 t slam pr. år
Lillehammer, Norge 15.000 t affald pr. år/husholdningsaffald
Kilder:
Ursula Kepp and Odd Egil Solheim, Meeting increased demands on sludge quality – experience with full scale plant for thermal disintegration, 9th World Congress anaerobic Digestion 2001, Antwerp, Belgium, September 2-6, 2001
Ursula Kepp, Keith Panter and Odd Eigil Solheim, High dry solids digestion, CIWEM/Aqua Enviro 5th European Biosolids and Organic Residuals Conference, November 2001, Cedar Court, Wakefield, UK
U. Kepp, O.E. Solheim and S. Molde, Thermal Hydrolysis as Pre-treatment of digestion feed, ISWA World Congress 2001 Incorporating, Stavanger 3-5 September, 2001
Carsten Fjordside, An operating tale from Næstved Sewage Treatment Plant, Municipal Wastewater Treatment Nordic Conference, January 2001, Copenhagen
Tor Fjærgaard, Ove Sander, Five Years experience with the Cambi process at HIAS, Nordic Conference in Copenhagen, January 17-19, 2001
Ursula Kepp and Odd E. Solheim, Thermo dynamical assessment of the digestion process, CIWEM/Aqua Enviro 5th European Biosolids and Organic Residuals Conference, November 2000, Cedar Court, Wakefield, UK
N. Weisz, U. Kepp, M. Norli, K. Panter and O.E. Solheim, Sludge disintegration with thermal hydrolysis – cases from Norway, Denmark and United Kingdom, 1st World Water Congress of the International Water Association (IWA) Paris 3-7 July, 2000
U. Kepp, O.E. Solheim and N. Weisz, Cambi – the Digester »Turbo-Charger«, II International Symposium on Aerobic Digestion of Solid Waste, June 1999, Barcelona, Spain
J. Munck, Termisk hydrolyse af bioslam og efterfølgende anaerob behandling (thermal hydrolysis of secondary sludge and the following anaerobe treatment), Dansk Kemi, 6, 1999, Denmark
J. Sørensen og G. Tholstrup etc., Anaerobic digestion and thermal hydrolysis to reduce Production of sludge in WWTPs, Vatten 55, 45-51, 1999, Lund, Sweden
