Jak zabezpieczyć oczyszczalnię ścieków przed wybuchem pyłu? Omówienie z przykładem

W 2019 roku w jednej z oczyszczalni ścieków w Polsce doszło do wybuchu pyłu wysuszonego osadu ściekowego. Poważnemu uszkodzeniu uległa jedna z trzech linii suszarniczych. Władze oczyszczalni, przerażone sytuacją, zdecydowały o prewencyjnym zamknięciu wszystkich trzech nitek instalacji. Przerwa w pracy trwała wiele miesięcy powodując milionowe straty.

Bartłomiej Borzdziłowski, to inżynier GRUPY WOLFF, który brał udział w odbudowie uszkodzonej instalacji. Do jego zadań należało wdrożenie zabezpieczeń ograniczających skutki wybuchu, które mają chronić instalację przed podobnymi zdarzeniami w przyszłości. Borzdziłowski tak skomentował sytuację oczyszczalni po wybuchu: najpoważniejszym uszkodzeniom uległ sporej wielkości podnośnik kubełkowy. Wybuch, który spowodował jego rozerwanie, wyrwał fragment poszycia urządzenia, który z dużą siłą wbił się w jedną ze ścian budynku. Szczęśliwie nikt w zdarzeniu nie ucierpiał.

Borzdziłowki ocenił także wpływ zdarzenia na finanse oczyszczalni: wybuch oraz wielomiesięczne unieruchomienie instalacji suszenia osadu ściekowego spowodowały wielomilionowe straty. Były one związane nie tylko z kosztami jej naprawy (koszt około miliona złotych), ale również kosztami utylizacji osadu ściekowego, poprzez jego transport i sprzedaż zewnętrznej firmie recyklingowej.

7 wybuchów w oczyszczalniach ścieków

Dane na temat wybuchów w przemyśle często nie są ewidencjonowane lub klasyfikuje się je jako pożary. Trudno dotrzeć do statystyk na temat ilości tego typu zdarzeń. Nasze doświadczenie pokazuje jednak, że wybuchy pyłów w oczyszczalniach nie są rzadkością. Poniżej wymieniamy tylko kilka z nich:

• Polska (opisywany przypadek) – wybuch w podnośniku kubełkowym instalacji suszenia odpadów doprowadza do milionowych strat. W obawie przed podobnymi wypadkami trzy linie suszenia osadu zostają zatrzymane na kilka miesięcy.
• USA — wybuch w oczyszczalni zlokalizowanej w mieście Stanford porównywany był do trzęsienia ziemi. W zdarzeniu, do którego doszło w suszarni osadów, rannych zostało 3 pracowników.

• Wielka Brytania – IChemE (The Institution of Chemical Engineers) w swoim materiale nt. zagrożenia wybuchem w oczyszczalniach ścieków, które wykorzystują instalacje suszenia odpadów, opisuje aż 4 wybuchy, do których doszło w zaledwie dwa lata.
• Hiszpania – wybuch w Barcelonie opisywany przez hiszpańskich naukowców z UPM Technical University of Madrit. W wyniku eksplozji suszonego pyłu z osadu ściekowego zginął jeden pracownik, a dwóch innych odniosło poważne obrażenia.

Jak oczyszczalnie ścieków chronią się przed ryzykiem wybuchu pyłu i dlaczego to podejście jest niewystarczające

W oczyszczalniach, w których doszło do wybuchu, instalacje suszenia nie posiadały zabezpieczeń przeciwwybuchowych — mimo że ich stosowanie jest wymagane prawnie. W niektórych przypadkach próbowano chronić się przed wybuchem stosując prewencję w formie inertyzacji, która polega na wprowadzeniu do wnętrza urządzeń gazu obojętnego. Rozwiązanie to ma na celu obniżyć stężenie tlenu do poziomu, przy którym zapłon atmosfery wybuchowej nie jest możliwy.

W przypadku instalacji suszenia osadów ściekowych do inertyzacji najczęściej wykorzystywana była para powstająca w procesie suszenia. Liczono, że będzie się ona przemieszczać wraz z produktem, pełniąc skuteczną formę ochrony. Nie mierzono przy tym stężenia tlenu w różnych częściach instalacji, licząc, że w każdym momencie jej pracy będzie ono na wystarczająco niskim poziomie. Tak jednak nie było.

Inertyzacja gazem obojętnym nie zapobiegła wybuchowi

W przypadku omawianej oczyszczalni do wybuchu doszło w podnośniku kubełkowym, który był wykorzystywany do transportu gotowego granulatu. Urządzenia te z natury rzeczy nie są w pełni szczelne. Gdy połączymy to z faktem, że ruch kubełków może powodować występowanie lokalnych stref podciśnienia, szybko dojdziemy do wniosku, że inertyzacja nie była w tym przypadku optymalnym rozwiązaniem.

Dodatkowo w dniu feralnego wypadku podnośnik kubełkowy był rozszczelniony, co praktycznie nie dawało szans inertyzacji na skuteczną ochronę instalacji.

Inertyzacja jest dobrą i sprawdzoną metodą ograniczającą ryzyko wybuchu, ale biorąc pod uwagę powyższe tylko wtedy gdy:

• jest stosowana dla instalacji o dużej szczelności, które nie wymagają rozszczelniania w czasie pracy np. poprzez otwieranie włazów rewizyjnych w celu inspekcji lub naprawy urządzeń,
• wykorzystuje prawidłowo zaprojektowany układ detekcji gazów, który w sposób ciągły bada poziom tlenu w różnych częściach instalacji,
• wykorzystuje zewnętrzne źródło gazu obojętnego, które pozwoli utrzymać właściwy jego poziom w instalacji w czasie jej rozruchu, normalnej pracy oraz zatrzymania.

Inertyzacja wpisuje się również w wymogi dyrektywy ATEX, która mówi, że w celu ochrony instalacji przed wybuchem należy:

1. nie dopuszczać do powstawania atmosfer wybuchowych (inertyzacja obniża stężenie tlenu poniżej którego nie występuje atmosfera wybuchowa),
2. eliminować potencjalne źródła zapłonu,
3. minimalizować skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu.

Z jakimi źródłami zapłonu mamy do czynienia w przypadku podnośnika kubełkowego?

Skupmy się teraz na drugim punkcie powyższej listy. Dyrektywa ATEX podaje 13 potencjalnych źródeł zapłonu, które mogą wystąpić w instalacjach przemysłowych. Praktyka pokazuje jednak, że w przypadku podnośnika kubełkowego największe zagrożenie generuje 7 z nich.

Poniżej przedstawiamy realne scenariusze, jakie mogą się zdarzyć w obrębie linii suszenia osadów ściekowych:

Zabezpieczenia przeciwwybuchowe jak poduszka powietrzna w aucie

Zabezpieczenia przeciwwybuchowe, rozumiane jako odciążanie, tłumienie czy też odsprzęganie wybuchu często porównujemy do poduszek powietrznych w autach. Mimo że samochody posiadają wiele systemów prewencyjnych jak choćby ABS, to w praktyce nie jest możliwe uniknięcie wszystkich wypadków. To dlatego opracowano poduszki powietrzne, które nie tyle zmniejszą ryzyko wypadku, ile ograniczają jego potencjalne skutki.

Podobnie jest w przypadku bezpieczeństwa wybuchowego. Tu także, pomimo stosowania rozwiązań prewencyjnych, nie jesteśmy w stanie wyeliminować wszystkich wybuchów. W takich sytuacjach naszą poduszką powietrzną są właśnie zabezpieczenia przeciwwybuchowe.

Pomimo wielu cech wspólnych poduszki powietrzne różnią się od zabezpieczeń przeciwwybuchowych w dwóch bardzo ważnych względach — te ostatnie są wyjątkowo skuteczne, a ich stosowanie jest wymagane prawnie.

Więcej na temat zabezpieczeń przeciwwybuchowych dowiesz się z artykułu nt. zasady działania, zalet i ograniczeń różnych typów zabezpieczeń przeciwwybuchowych

Wybuch w oczyszczalni ścieków i jego konsekwencje

W 2019 roku w opisywanej oczyszczalni ścieków wybuch rozerwał podnośnik kubełkowy. Jego metalowy fragment został oderwany i z dużą siłą uderzył w ścianę budynku. W tym przypadku oprócz ogromnych kosztów i strachu nikt nie ucierpiał. Nie zawsze jednak można liczyć na tyle szczęścia.

Wybuch z zasady rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach jednocześnie. Gdy taka sytuacja ma miejsce we wnętrzu instalacji, fala ciśnienia oraz płomienie przemieszczają się kanałami, oraz przesypami do sąsiednich urządzeń i aparatów. Gdy w ich wnętrzu panują sprzyjające warunki, może dojść do wybuchów wtórnych, które z reguły niosą jeszcze większe zagrożenie niż wybuch pierwotny.

Więcej o wybuchach wtórnych dowiesz się z poniższych artykułów:

• Wybuch pyłu na bazie paracetamolu oraz jego propagacja do sąsiedniego zbiornika. Wybuch wtórny jeszcze groźniejszy niż pierwotny
• Wyznaczanie stref zagrożenia wybuchem pyłów – wprowadzenie

Szczęście w nieszczęściu

Jak wspomnieliśmy, wybuch w przenośniku doprowadził do jego natychmiastowego rozerwania i wyrzucenia ciśnienia i płomieni do wnętrza budynku. Zdarzenie to stanowiło zagrożenie dla personelu oraz pobliskich urządzeń, jednocześnie jednak obniżyło ciśnienie wewnątrz instalacji do tego stopnia, że nie przedostało się ono wraz z płomieniem do sąsiednich urządzeń. W skrajnym przypadku wybuch mógłby dotrzeć do zapylonego silosu początkując w nim wybuch wtórny.

Taki wybuch rozchodzący się w instalacji bez żadnej kontroli stanowi zagrożenie dla życia wszystkich pracowników, którzy w tym czasie znajdują się w pobliżu instalacji. Z tego względu omówione niżej sposoby zabezpieczania aparatów przed skutkami wybuchu (odciążanie i tłumienie), muszą zawsze być odpowiednio połączone z odsprzęganiem wybuchu, czyli zabezpieczeniem przed dalszym rozprzestrzenianiem się eksplozji na inne aparaty niż ten, w którym doszło do zdarzenia.

Jak poprawnie zabezpieczyć podnośnik kubełkowy przed skutkami wybuchu pyłu z suszonego osadu ściekowego?

Jedyna możliwość – system tłumienia i izolacji wybuchu

Jednym z kluczowych elementów systemu tłumienia wybuchu są czujniki ciśnienia. Ich zadaniem jest wykrycie bardzo wczesnej fazy wybuchu i przekazanie tej informacji do centrali sterującej. Aby system zadziałał prawidłowo, czujnik posiada dwie celki pomiarowe, które muszą wykryć wybuch równocześnie. W ten sposób eliminuje się ryzyko błędnej aktywacji systemu w przypadku, gdy w jedną z celek uderzy np. cząstka produktu. Ryzyko, że uderzenie to zasymuluje charakterystykę wybuchu danego pyłu jest niewielkie, ale mimo to nie możemy go wykluczyć.

Takie czujniki ciśnienia wybuchu jak popularny MEX porównują dodatkowo zmianę ciśnienia wewnątrz chronionego aparatu z krzywą charakterystyki wybuchu danego pyłu. W ten sposób unikamy sytuacji, w której fluktuacja ciśnienia w chronionym urządzeniu zostałaby rozpoznana jako wybuch.

W uzasadnionych sytuacjach czujnik ciśnienia wspierany jest dodatkowo czujnikiem podczerwieni. Takie rozwiązanie stosuje się choćby w przypadku właśnie podnośników kubełkowych, które to posiadają stosunkowo skomplikowaną budowę podzieloną na kilka stref (stopa, nogi, głowica). Dzięki czujnikowi podczerwieni mamy pewność, że wybuch zostanie wykryty w możliwie najwcześniejszej fazie.

Kiedy sygnał informujący o wybuchu trafi z czujników do centrali sterującej następuje aktywacja butli HRD z czynnikiem tłumiącym, który zostaje wstrzyknięty pod ciśnieniem do chronionego aparatu.

Proszek natychmiast tłumi wybuch na bardzo wczesnym etapie jego rozwoju. W rezultacie nie dochodzi do przekroczenia granicznego ciśnienia w aparacie oraz do rozwoju ognia. Chroni to nie tylko przed rozerwaniem, czy zniekształceniem urządzenia, ale także przed pożarem. Cały proces liczony od wykrycia wybuchu do jego stłumienia trwa mniej więcej tyle, co mrugnięcie okiem. Co ważne, ilość butli HRD oraz ich lokalizacja są dobierane na bazie konstrukcji chronionego urządzenia, oraz parametrów wybuchowych pyłu.

Izolacja wybuchu

Dodatkowo w celu izolacji wybuchu, czyli niedopuszczenia do rozprzestrzeniania się ciśnienia i płomieni na pozostałe urządzenia, należy odpowiednio zabezpieczyć butlami HRD kanały oraz przesypy łączące podnośnik kubełkowy z sąsiednimi urządzeniami. W tym przypadku rolą systemu nie jest stłumienie wybuchu, a stworzenie bariery dla ciśnienia i płomieni.

Odpowiednio zabezpieczony podnośnik kubełkowy poprzez system tłumienia i izolacji wybuchu skutkuje tym, że gdyby doszło do zainicjowania wybuchu, zostanie on w mgnieniu oka stłumiony, a naprawa urządzenia ograniczy się jedynie do wymiany butli HRD na nowe, w pełni wypełnione proszkiem tłumiącym. Tego typu zabezpieczenia zastosowaliśmy w trakcie prac modernizacyjnych dla omawianej oczyszczalni ścieków, w której wcześniej doszło do wybuchu.

Czy można zastosować panele odciążające wybuch?

Inną możliwością zabezpieczenia urządzenia przed skutkami wybuchu jest zastosowanie paneli odciążających. To rozwiązanie zakłada wyprowadzenie ciśnienia i płomieni na zewnątrz urządzenia w sposób kontrolowany.

W tym miejscu należy jednak podkreślić, że w przypadku pyłu, który zawiera substancje szkodliwe lub produkty jego spalania są szkodliwe, zastosowanie tej metody jest niemożliwe. Wynika to z faktu, że potencjalne uwolnienie do środowiska i/lub pomieszczenia substancji toksycznych, a za takie uznaje się produkty powstałe na bazie osadu ściekowego, jest zabronione prawnie.

Dochodzi tu jeszcze drugi aspekt ograniczający możliwość zastosowania odciążania wybuchu w postaci paneli dekompresyjnych. Rozwiązania tego nie można stosować w pomieszczeniach zamkniętych.

Niebezpieczeństwo związane z wybuchem nie kończy się na układzie transportu

Choć układ transportu bliskiego złożony z podnośników kubełkowych (gdzie nastąpił wybuch w omawianej oczyszczalni ścieków) jest wysoce narażony na wybuch pyłu, to nie można zapominać o poprawnym zabezpieczeniu także innych urządzeń, z których składa się linia suszenia osadów ściekowych.

W przypadku oczyszczalni ścieków do grupy urządzeń poważnie zagrożonych wybuchem należy także zaliczyć suszarnię, cyklony, odpylacze oraz silosy.

Samozapłon w silosie

Wybuch pyłu, jak wspomniano wyżej, jest wypadkową zetknięcia się mieszaniny pyłu i powietrza ze źródłem zapłonu. Najczęściej źródłem wybuchu są czynniki zewnętrzne jak np. przegrzane łożysko, iskra mechaniczna czy niewłaściwie prowadzone prace pożarowo niebezpieczne.

W przypadku suchego osadu ściekowego składowanego w silosie należy wziąć pod uwagę jeszcze jeden bardzo istotny czynnik, jakim jest możliwość samozapłonu, do którego może dojść w masie pyłu i granulatu. Zjawisko to mogą wywołać drobnoustroje i bakterie, które podczas przemian biochemicznych wydzielają ciepło. Takie zarzewie ognia, to kolejne potencjalne źródło zapłonu atmosfery wybuchowej.

Luka informacyjna dotycząca wybuchu pyłu w oczyszczalniach

Przeszukując informacje na temat wybuchów w oczyszczalniach ścieków, można odnaleźć relacje medialne ze zdarzeń spowodowanych zarówno wybuchem biogazu, jak i wybuchem pyłu powstałego w procesie suszenia osadu ściekowego.

Szukając natomiast informacji o sposobach zabezpieczenia oczyszczalni ścieków przed wybuchem, okazuje się, że przestrzeń ta jest całkowicie zdominowana materiałami na temat zagrożeń wynikających z obecności w procesie biogazu.

Dlatego niniejszy artykuł miał na celu pokrycie luki informacyjnej w kwestii zagrożenia wybuchowego związanego z pyłami osadu ściekowego. Posłużyliśmy się tutaj wspomnianym wyżej wybuchem w polskiej oczyszczalni. Na tej bazie pokazaliśmy, w których obszarach instalacji przekształcania osadów w paliwo alternatywne, występuje największe zagrożenie wybuchem pyłu oraz jak przed tym zagrożeniem się chronić w myśl obowiązujących przepisów prawa.