AKADEMIA GRNICZO - HUTNICZA IM. STANISAWA STASZICA W KRAKOWIE

WYDZIA INYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSOWEJ KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ I OCHRONY RODOWISKA

ROZPRAWA DOKTORSKA

Modelowanie termicznego procesu utylizacji

odpadw z naturalnymi sorbentami zeolitowymi

Mgr in. Beata Brzychczyk

Promotor: Dr hab. in. Tadeusz Telejko, prof. AGH

Krakw, 2008

2

Spis treci

WYKAZ WANIEJSZYCH OZNACZE I SKRTW ........................................................3 1. WSTP ...............................................................................................................................4 2. AKTUALNY STAN WIEDZY PRZEGLD LITERATURY.......................................7 3. ZAKRES PRACY ..............................................................................................................9 4. WPROWADZENIE W ZAGADNIENIA GOSPODARKI ODPADAMI.......................11 4.1 Podstawowe pojcia i podstawy prawne ......................................................................12 4.2 Charakterystyka grup odpadw....................................................................................13 4.3 Technologie unieszkodliwiania odpadw ....................................................................19 4.4 Termiczne metody unieszkodliwiania i utylizacji odpadw ........................................24 4.5 rodowiskowe aspekty gospodarki odpadami..............................................................42 5. NATURALNE ZEOLITY................................................................................................45 5.1 Charakterystyka zeolitw .............................................................................................45 5.2 Klinoptilolit i mordenit.................................................................................................52 5.3 Zastosowanie zeolitw w ochronie rodowiska ...........................................................54 5.4 Inne zastosowania technologiczne................................................................................61 6. BADANIA EKSPERYMENTALNE...............................................................................62 6.1 Przebieg bada laboratoryjnych ...................................................................................62 6.2 Metodyka wykonanych oznacze laboratoryjnych ......................................................65 6.3 Stanowiska badawcze...................................................................................................66 6.4 Zestawienie wynikw bada i ich omwienie..............................................................72 6.5 Podsumowanie bada eksperymentalnych .................................................................104 7. METODY MODELOWANIA MODELOWANIE STATYSTYCZNE.....................107 7.1 Modele liniowe i nieliniowe.......................................................................................109 7.2 Metoda Monte Carlo...................................................................................................110 7.3 Zastosowane techniki modelowania...........................................................................111 7.4 Program STATISTICA ..............................................................................................112 7.5 Przygotowanie danych................................................................................................112 7.6 Wyniki modelowania i ich omwienie.......................................................................113 7.7 Analiza kanoniczna dla zmiennych tworzcych model..............................................139 8. PODSUMOWANIE I WNIOSKI...................................................................................148 9. LITERATURA...............................................................................................................151 Zacznik 1 .............................................................................................................................160

3

WYKAZ WANIEJSZYCH OZNACZE I SKRTW Symbole zmiennych i metod statystycznych: CO - stenie CO, mg/m3 CO2 - stenie CO2, mg/m

3 CxHx - stenie CxHx, mg/m

3 NO - stenie NO, mg/m3 NOx - stenie NOx, mg/m

3 O2 - stenie O2, mg/m

3 SO2 - stenie SO2, mg/m

3 GLM - oglne modele liniowe GLS - funkcja rozbienoci dla procesu symulacji GRM - oglne modele regresji MC - metoda Monte Carlo MNK - metoda najmniejszych kwadratw Inne oznaczenia: BAT - (Best Available Technique) Standardy najlepszych dostpnych technik EPA - (U.S. Environmental Protection Agency) Agencja Ochrony rodowiska Stanw

Zjednoczonych FBCT (fluidized bed combustion technology) technologie spalania fluidalnego FID - w chromatografii detektor pomieniowo-jonizacyjny IPPC - (Integration Pollution Prevention and Control) Zintegrowane Pozwolenie

rodowiskowe dot. standardw ochrony rodowiska KPGO - Krajowy Plan Gospodarki Odpadami MBP - mechaniczno-biologiczne przetwarzanie odpadw ONZ - Organizacja Narodw Zjednoczonych PCB - polichlorowane bifenyle PCDDs - polichlorowane dibenzoparadioksyny PCDFs - polichlorowane dibenzofurany PKB - Produkt Krajowy Brutto PRTR - (Pollution Release and Transfer Registers) rejestr uwalniania i transferu

zanieczyszcze RDF - (refuse derived fuels) obecnie w przepisach UE solid recovered fuels nazywane

paliwami alternatywnymi, pochodnymi, odzyskanymi, utworzonymi z odpadw SRF - (solid recovered fuels) paliwa wyprodukowane z odpadw SWM - (solid waste management) gospodarka odpadami TCD - w chromatografii detektor uniwersalny cieplno-przewodnociowy WWA - wielopiercieniowe wglowodory aromatyczne

4

1. WSTP

Oglnowiatowy rozwj cywilizacyjny i szybki wzrost uprzemysowienia okupiony

jest postpujc degradacj rodowiska naturalnego i jego podstawowych komponentw,

dla ktrych w cigu ostatniego stulecia zaobserwowano wyrane obnienie parametrw

jakociowych atmosfery, hydrosfery, litosfery oraz biosfery [37,40,189,199].

W przypadku Polski, ktra od pocztku lat dziewidziesitych ubiegego wieku

podlega transformacji spoeczno-gospodarczej, charakteryzujcej si systematycznym

wzrostem PKB (Produkt Krajowy Brutto) i nowym spojrzeniem na sprawy rodowiska

przyrodniczego instytucjonalnie wzmocnionym przystpieniem do Unii Europejskiej wida

pozytywne trendy zmian w gospodarce wodno-ciekowej, ochronie powietrza (szczeglnie

obszarw zurbanizowanych), litosfery oraz biosfery wchodzcej w skad europejskiego

systemu NATURA 2000 [34,35,41,190].

Z czterech podstawowych dziaw ochrony rodowiska (ochrona atmosfery,

hydrosfery, litosfery, biosfery) najtrudniejszym obecnie zagadnieniem do rozwizania na

terenie Unii Europejskiej jest problem zagospodarowania odpadw komunalnych

i przemysowych. Prawie p wieku temu w 1969 roku na forum zgromadzenia Organizacji

Narodw Zjednoczonych (ONZ) wczesny Sekretarz Generalny U.Thant po raz pierwszy

przedstawi raport dotyczcy zagadnie ochrony rodowiska. Dopiero teraz zmiany

wiadomoci spoecznej, zachowanie podmiotw gospodarczych, wzorce dobrego

prorodowiskowego gospodarowania oraz coraz wysze standardy formalno-prawne

powoduj w UE racjonalniejsze wykorzystanie podstawowych elementw rodowiska

przyrodniczego [39].

Dynamiczny rozwj gospodarczy powoduje stay wzrost iloci wytwarzanych

odpadw, ktre w przypadku naszego kraju s unieszkodliwiane w bardzo ekstensywny

sposb poprzez ich deponowanie na wysypiskach. Polska zalicza si do tych pastw UE,

ktre skadaj na wysypiskach i skadowiskach okoo 98% wytwarzanych rocznie odpadw.

Brak innych alternatywnych technologii zagospodarowania odpadw komunalnych

i przemysowych powoduje, e aby dotrzyma standardw unijnych i unijnej hierarchii

postpowania do 2020 roku naley zagospodarowa 4400 tys. odpadw organicznych rocznie

[55,66,158,188]. Zatem wiele uwagi w badaniach naukowych i pracach wdroeniowych

powinno powici si termicznym metodom unieszkodliwiania i utylizacji odpadw

(spalaniu, zgazowaniu i odgazowaniu), poniewa procesy termiczne mog efektywnie

uzupeni sabo funkcjonujce metody biologiczne (kompostowanie) oraz recykling

5

i gospodark surowcami wtrnymi. Wprowadzenie termicznych technologii utylizacji

odpadw daje moliwo wyduenia czasu eksploatacji istniejcych wysypisk, ktrych

w Polsce jest obecnie ponad 1000 [56] a take wykorzystania odpadw jako cennych

produktw w cyklu waloryzacji materiaowej, chemicznej czy te termicznej [104].

Promujc termiczne metody nie mona pomin zagroe rodowiskowych

zwizanych z biec eksploatacj poszczeglnych technologii i niepoprawnym ich

stosowaniem. Najpowaniejsze zwizane s z tworzeniem si rnych toksycznych substancji

poprocesowych niebezpiecznych dla rodowiska i czowieka. Powodem tego jest midzy

innymi niejednorodno fizyko-chemiczna strumienia odpadw (zmienny skad wsadu) oraz

wiele niestacjonarnych parametrw procesowych. Majc na wzgldzie powysze zagroenia

Autor niniejszej rozprawy podj problem ich ograniczenia w procesach termicznych

z zastosowaniem naturalnych sorbentw zeolitowych: klinoptilolitu i mordenitu. Zeolity

nale do rodziny glinokrzemianw, krystalicznych zwizkw, w ktrych gwnymi

skadnikami s glin i krzem [12]. Podstawowym elementem budowy szkieletu jest tetraedr

(Si, Al)O4, ktrego centrum obsadzone jest atomem krzemu lub glinu, naroa za zajmuj

cztery atomy tlenu zapewniajc otwarte struktury kanaw o duej aktywnej powierzchni

sorpcyjnej. Taka budowa wpywa na proces dyfuzji, ktry moe przebiega powierzchniowo

lub do wntrza w przypadku pierwiastkw i zwizkw o rednicy mniejszej bd rwnej

oknom wlotowym zeolitu [5]. Klinoptilolit i mordenit nale do zeolitw

wysokokrzemowych odznaczajcych si stosunkowo wysok odpornoci termiczn. Z uwagi

na swoje wasnoci mog predystynowa do zastosowania ich nie tylko w skali laboratoryjnej

ale przede wszystkim technicznej jako tani materia sorbujcy niepodane frakcje

zanieczyszcze z procesu termicznej utylizacji odpadw [13].

Naley wspomnie, e w Katedrze Techniki Cieplnej i Ochrony rodowiska AGH od

wielu lat prowadzi si badania nad zastosowaniem termicznych metod do unieszkodliwiania

i utylizacji rnych grup odpadw przemysowych i komunalnych z pozytywnym skutkiem

[90,92,93,96,97]. Przy tak bogatych dowiadczeniach KTCiO naturaln konsekwencj jest

podjcie przez Autora problemu modyfikacji przebiegu procesu termicznego poprzez

zastosowanie naturalnych sorbentw zeolitowych do ograniczenia emisji szkodliwych

zanieczyszcze poprocesowych.

Niniejsza rozprawa zawiera IX rozdziaw. W czci literaturowej Autor

zaprezentowa oglne zagadnienia dotyczce funkcjonowania systemu gospodarki odpadami

ze szczeglnym uwzgldnieniem, w tym systemie termicznych metod unieszkodliwiania

i utylizacji odpadw, moliwoci aplikacyjne naturalnych sorbentw zeolitowych w inynierii

6

rodowiska. W czci badawczej przedstawiono szerokie spektrum wynikw pozyskanych

w trakcie prowadzenia eksperymentw laboratoryjnych z zakresu unieszkodliwiania

i utylizacji rnych grup odpadw (komunalnych i przemysowych) z zastosowaniem

naturalnych zeolitw (klinoptilolitu i mordenitu) do redukcji zanieczyszcze poprocesowych.

Na podstawie wybranych bada laboratoryjnych przeprowadzono komputerow obrbk

danych, ktra zaowocowaa utworzeniem na bazie analizy statystycznej modeli

statystycznych redukcji podstawowych zanieczyszcze gazowych na zoach zeolitowych. Do

analizy komputerowej danych zastosowano program komputerowy STATISTICA oraz

metod Monte Carlo do poszerzenia zakresu pakietw z danymi wejciowymi

i walidacyjnymi ograniczajc kosztochonno eksperymentw laboratoryjnych. Dla metody

Monte Carlo utworzono w programie STATISTICA algorytmy procedur w jzyku Visual

Basic. Akademia Grniczo-Hutnicza jest uytkownikiem programu STATISTICA i posiada

na niego aktualn licencj.

Analiza moliwoci zastosowania w termicznych procesach utylizacji odpadw

naturalnych zeolitw jako aktywnych wypenie sorpcyjnych poparta eksperymentami

laboratoryjnymi jest wanym osigniciem poznawczym niniejszej pracy i ma ogromne

znaczenie dla podejmowania wszelkich decyzji wdroeniowych w tej dziedzinie.

Niniejsza praca zostaa wykonana w ramach grantu promotorskiego umowa

nr 18.25.110.694 finansowanego przez Ministerstwo Edukacji i Szkolnictwa Wyszego

w latach 2006 i 2007 przez okres 18-tu miesicy.

7

2. AKTUALNY STAN WIEDZY PRZEGLD LITERATURY

Z uwagi na wako problematyki gospodarki odpadami dla wspczesnej gospodarki

i rodowiska naturalnego, kadego roku coraz wiksza rzesza decydentw, naukowcw,

publicystw i reporterw podejmuje j publikujc swoje prace. Rokrocznie organizowanych

jest wiele spotka, seminariw i konferencji naukowych powiconych tej tematyce i coraz

peniej jest ona dokumentowana na stronach internetowych. Zatem, dokonanie penego

przegldu literatury z tego zakresu jest trudnym zadaniem.

Autor niniejszej pracy dokona szerokiego przegldu literatury obcojzycznej

i krajowej wprowadzajc zawajce kryterium tematyczne zwizane z potrzebami rozprawy.

Przegld literatury zosta wykonany w oparciu o ksiki i monografie naukowe, publikacje

oraz materiay konferencyjne prezentujce zagadnienia zwizane z zastosowaniem

termicznych metod do unieszkodliwiania i utylizacji odpadw oraz szerokie spektrum prac

dotyczce zastosowania naturalnych i sztucznych zeolitw w inynierii rodowiska.

Na podstawie dokonanego przegldu znaczna cz tych prac znalaza si w rozprawie

jako rdo cytowa (ponad 200 pozycji literaturowych dotyczcych gospodarki odpadami,

zeolitw i ich zastosowa oraz zagadnie modelowania statystycznego) jednak wiele pozycji

nie zostao wprowadzonych do pracy z uwagi na niepene merytorycznie materiay lub

z uwagi na due zaangaowanie autora lobbujcego na rzecz firm wdraajcych omawiane

technologie i daleko posunity brak obiektywizmu.

W przypadku analizy literatury dotyczcej zeolitw naturalnych przegld obejmowa,

podobnie jak dla gospodarki odpadami, ksiki, monografie naukowe, publikacje oraz

materiay konferencyjne z t jednak rnic, e dotyczy pozycji z bardzo szerokiego zakresu

od geologii i mineralogii a po specyficzne zastosowania w przemyle chemicznym

(papierniczym, gumowym, tworzyw sztucznych), rolnictwie, biotechnologii i oczywicie

ochronie rodowiska. W trakcie analizy literatury dla zeolitw naturalnych, nieodzownym

okazao si studium opracowa dotyczcych zastosowania syntetycznych zeolitw

w procesach przemysowych, poniewa Autorzy tych pozycji implementuj wybrane

wasnoci naturalnych zeolitw wzmacniajc je dla specyficznych jednostkowych potrzeb

rozpatrywanej technologii lub zadania.

Podstawowym wnioskiem wynikajcym z przegldu literatury z trzech ostatnich

dekad jest niezaprzeczalny fakt widocznego postpu w rozwoju nowych termicznych

technologii unieszkodliwiania odpadw. W przypadku zeolitw wida ogromn rnorodno

zastosowa w przemyle i gospodarce narodowej, jednak rwnoczenie stwierdzono, e nie

8

ma bogatego dorobku literaturowego dotyczcego zastosowania naturalnych zeolitw

w procesach termicznej utylizacji odpadw i dokumentujcego osignicia bada

eksperymentalnych o podobnym charakterze jak te, ktre znalazy si w niniejszej rozprawie.

9

3. ZAKRES PRACY

W pracy wiodcym problemem s zagadnienia zwizane z badaniem i modelowaniem

(ksztatowaniem) przebiegu procesu termicznej destrukcji rnych grup odpadw

(komunalnych i przemysowych), analizy gwnych parametrw procesowych w celu

efektywniejszego unieszkodliwienia lub utylizowania tych odpadw z zastosowaniem

naturalnych sorbentw zeolitowych ograniczajc w ten sposb szkodliwe oddziaywanie

procesu na rodowisko naturalne nie tylko w skali laboratoryjnej ale rwnie technicznej.

W celu zapewnienia redukcji szkodliwych emisji poprocesowych zastosowano

naturalne zeolity: klinoptilolit i mordenit, ktre ze wzgldy na swj przyjazny dla rodowiska

charakter maj szans zosta wykorzystane w termicznych metodach unieszkodliwiania

i utylizacji odpadw jako materia sorpcyjno-katalityczny. Uycie w procesach termicznego

unieszkodliwiania odpadw materiau sorbujcego determinuje konieczno podjcia prby

oceny jego stosowalnoci i wpywu na zjawiska sorpcji zanieczyszcze poprocesowych.

W rozprawie to zagadnienie dotyczy podstawowych zanieczyszcze gazowych oraz zakresu

zmiany ich ste.

Praca ma nie tylko charakter poznawczo-teoretyczny, ale przede wszystkim wymiar

praktyczny. Podstawowym celem bada jest zgbienie wiedzy dotyczcej wpywu

naturalnych zeolitw na procesy ograniczenia szkodliwych emisji zanieczyszcze

z unieszkodliwiania i utylizacji wybranych grup odpadw komunalnych i przemysowych

a nastpnie opisanie ich w procesie modelowania matematycznego z wykorzystaniem technik

komputerowych. W tej materii niniejsza praca odwouje si do podstawowych technik

statystycznych umoliwiajcych tworzenie modeli predykcyjnych, ktre mimo, e s

znacznym uproszczeniem rzeczywistoci to jednak w warunkach praktycznych s

akceptowalne, jeeli ich dokadno jest wystarczajca. Modele tego typu s konstruowane za

pomoc metod analizy regresji i wymagaj od badacza wiedzy statystycznej i dysponowania

danymi eksperymentalnymi speniajcymi formalne zaoenia tej analizy. W przypadku

kosztownych bada laboratoryjnych z zakresu termicznych metod unieszkodliwiania

odpadw proces rozszerzenia baz danych zosta skutecznie wsparty zastosowaniem metody

Monte Carlo.

Dla tak szeroko przyjtego celu pracy podjto do zrealizowania nastpujce zadania:

o przeprowadzenie szerokiej analizy literaturowej dotyczcej podstawowych zagadnie

zwizanych z funkcjonowaniem systemu gospodarki odpadami w Polsce i UE, przegldu

10

termicznych metod stosowanych do unieszkodliwiania i utylizacji rnych grup odpadw,

oraz zakresu wykorzystania naturalnych zeolitw w ochronie rodowiska,

o przeprowadzenie eksperymentw laboratoryjnych termicznych procesw

unieszkodliwiania i utylizacji odpadw komunalnych i przemysowych z zastosowaniem

naturalnych zeolitw procesu spalania gazowych produktw z odgazowania i zgazowania

odpadw na palniku kinetycznym, procesu spalania fluidalnego odpadw na staym

i fluidalnym zou zeolitowym jedno i wielowarstwowym, odgazowania (wytlewania

i pirolizy) odpadw, zgazowania staych pozostaoci z procesu odgazowania,

o wybr i analiza odpowiednich naturalnych zeolitw waciwych dla metod termicznych,

o budowa lub modyfikacja stanowisk laboratoryjnych na potrzeby eksperymentw dla

termicznych metod utylizacji rnych grup odpadw z zastosowaniem zeolitw,

o utworzenie pakietw z danymi baz danych z eksperymentw laboratoryjnych,

o analiza statystyczna danych wykorzystanie podstawowych statystyk w ramach programu

komputerowego STATISTICA,

o zastosowanie metody Monte Carlo do rozszerzenia wejciowych baz danych

z eksperymentu, utworzenie algorytmw wykorzystywanych przez modu SEPATH

programu STATISTICA,

o utworzenie modeli predykcyjnych redukcji podstawowych zanieczyszcze gazowych na

bazie teorii analizy statystycznej z zastosowaniem programu komputerowego

STATISTICA dla tworzenia zaawansowanych modeli liniowych i nieliniowych,

o analiza osignitych wynikw i podsumowanie pracy.

11

4. WPROWADZENIE W ZAGADNIENIA GOSPODARKI ODPADAMI

Cel niniejszej rozprawy wymaga wprowadzenia podstawowych, formalnych

zagadnie systemowych warunkujcych aktualny stan i wyjaniajcych funkcjonowanie

gospodarki odpadami (SWM) w peniejszym kontekcie [20].

Odpady to wszystkie substancje stae, a take nie bdce ciekami substancje cieke

powstae w wyniku bytowej i gospodarczej dziaalnoci czowieka, nieprzydatne w miejscu

i w czasie, w ktrym powstay oraz uciliwe dla rodowiska naturalnego. Zgodnie

z obowizujc nomenklatur prawn odpady oznaczaj kad substancj lub przedmiot

nalecy do jednej z kategorii okrelonych w zaczniku nr 1 do ustawy z dnia 27 kwietnia

2001 r. o odpadach (Dz. U. Nr 62, poz. 628 z pn. zmianami), ktrych posiadacz pozbywa

si, zamierza pozby si lub do ich pozbycia si jest zobowizany.

Zatem, kady system gospodarki odpadami skada si z nastpujcych elementw:

o obszaru powstawania odpadw, gdzie nastpuje segregacja, gromadzenie i jak najszybsze

usunicie odpadw z terenu jednostki osadniczej,

o obiektw porednich: stacje przeadunkowe, sortownie, kompostownie, zakady

termicznego unieszkodliwiania i utylizacji odpadw oparte na procesach spalania,

zgazowania, odgazowania, zakady produkcji RDF lub SRF, skadowiska lokalne, ktrych

ilo i rodzaj zaley od struktury systemu a ich zadaniem jest poprawa efektywnoci

dziaania gospodarki odpadami,

o obiekty kocowe: wysypiska, na ktrych nastpuje ostateczne skadowanie odpadw

[20, 54, 63, 74].

Dziaanie tak zoonego systemu uzalenione jest od bardzo wielu czynnikw. Jednak

do gwnych danych wejciowych naley wymieni: ludno, struktur socjaln, zwyczaje

ludnoci i funkcjonujce wzorce konsumpcyjne, przyrost produktw, rozwj rodkw

produkcji, moliwoci zbytu produktw z odpadw, nagromadzenie odpadw, infrastruktura

komunikacyjna, rodki transportu, stan rodowiska naturalnego i jego obcienie,

wykorzystanie terenu, rda i sposoby finansowania, legislacyjne uregulowania, rodki

kontrolne wraz z ocen realizacji zaoonych celw [63,69, 80,174,187].

Powysze zagadnienia ujto w kolejnych czciach tego rozdziau wprowadzajc

ogln ich charakterystyk.

12

4.1 Podstawowe pojcia i podstawy prawne Podstawowe pojcia z zakresu gospodarowania odpadami zostay podane w nowej

ustawie o odpadach i zostay podporzdkowane obowizujcym obecnie dyrektywom

UE [36]. Mimo woonego wysiku w prace ujednolicajce nazewnictwo z tego zakresu

funkcjonuje wiele terminw przyjtych zwyczajowo, zapoyczonych z obcych jzykw nie

zawsze zgodnych z aktualnymi wymaganiami. Nazewnictwo, jakim posuono si

w niniejszej rozprawie zostao przywoane jedynie dla pojawiajcych si omawianych

zagadnie.

Obowizujca w Polsce od 1 stycznia 1998 roku, a uchwalona przez Sejm RP w dniu

27.06.1997 ustawa o odpadach, w art. 3 pkt. 1 definiuje je nastpujco:

Odpadami s wszystkie przedmioty oraz substancje stae, a take nie bdce ciekami

substancje cieke powstae w wyniku prowadzonej dziaalnoci gospodarczej lub bytowania

czowieka i nieprzydatne w miejscu lub czasie, w ktrym powstay. Za odpady uwaa si

rwnie osady ciekowe.

W art. 3 pkt. 2 zdefiniowane zostay odpady niebezpieczne: s to te odpady, ktre ze

wzgldu na swoje pochodzenie, skad chemiczny, biologiczny, inne waciwoci

i okolicznoci stanowi zagroenie dla ycia lub zdrowia ludzi albo dla rodowiska.

W art. 3 pkt. 3 zdefiniowane zostay odpady komunalne, jako stae i cieke odpady

powstajce w gospodarstwach domowych, w obiektach uytecznoci publicznej i obsugi

ludnoci, w tym nieczystoci gromadzone w zbiornikach bezodpywowych, porozrzucane

wraki pojazdw mechanicznych oraz odpady uliczne, z wyjtkiem odpadw niebezpiecznych

z zakadw opieki zdrowotnej i weterynaryjnej.

Unieszkodliwianie odpadw polega na poddaniu odpadw procesom przeksztace

biologicznych, fizycznych lub chemicznych w celu doprowadzenia ich do stanu, ktry nie

stwarza zagroenia dla ycia, zdrowia ludzi lub dla rodowiska. Do procesw

unieszkodliwiania odpadw zalicza si m.in. skadowanie na skadowiskach, obrbk

w glebie i ziemi, retencj powierzchniow (np. umieszczanie odpadw na poletkach

osadowych lub lagunach), termiczne przeksztacanie odpadw.

Przez termiczne przeksztacanie odpadw rozumie si procesy utleniania odpadw,

w tym spalania, zgazowywania lub rozkadu odpadw, w tym rozkadu pirolitycznego,

prowadzone w przeznaczonych do tego instalacjach lub urzdzeniach (m.in. spalarniach

odpadw) na zasadach okrelonych w przepisach szczegowych.

13

Skadowisko odpadw jest to obiekt budowlany przeznaczony do skadowania

odpadw. Wyrnia si nastpujce trzy typy skadowisk odpadw: skadowisko odpadw

niebezpiecznych, skadowisko odpadw obojtnych oraz skadowisko odpadw innych ni

niebezpieczne i obojtne. Przez odpady skadowane naley rozumie odpady usunite na

skadowiska (wysypiska, hady, stawy osadowe) wasne zakadw lub obce.

Podstawow zasad prawa ochrony rodowiska w Unii Europejskiej jest

przeciwdziaanie powstawaniu odpadw, oraz regua zgodnie, z ktr koszty utylizacji

i unieszkodliwiania odpadw ponosi ich wytwrca. Zwizana jest z tym cile koncepcja

czystej produkcji [114]. Akty prawne Unii Europejskiej dotyczce rodowiska stay si

punktem odniesienia oraz modelem wsppracy dla wielu pastw. Unia przyja wiele aktw

prawnych ukierunkowanych na przywrcenie waciwego stanu rodowiska i jego ochron.

Najczciej s to dyrektywy, a w mniejszym stopniu decyzje i rozporzdzenia. Wykaz

obowizujcych aktw prawnych Unii Europejskiej zwizanych z gospodark odpadami

w zaczniku nr 1.

4.2 Charakterystyka grup odpadw

Odpady mona podzieli ze wzgldu na ich rodzaj [203]:

o odpady komunalne,

o odpady przemysowe,

o osady ciekowe,

ze wzgldu na konsystencj:

o stae,

o cieke,

ze wzgldu na inne cechy np.:

o niebezpieczne,

o inne ni niebezpieczne.

Odpady komunalne to odpady powstajce w gospodarstwach domowych a take

odpady niezawierajce odpadw niebezpiecznych, pochodzcych od innych wytwrcw

odpadw, ktre ze wzgldu na swj charakter lub skad s podobne do odpadw

powstajcych w gospodarstwach domowych (Dz.U. z 2001 r. Nr 62, poz. 628). Odpady

komunalne maj zmieniajcy si heterogeniczny charakter, ktry zaley od wielu czynnikw.

Wrd gwnych strumieni wchodzcych w skad odpadw komunalnych wyrniamy:

o odpady domowe,

o odpady wielkogabarytowe,

14

o odpady uliczne,

o odpady z obiektw publicznych,

o odpady z terenw zielonych,

o ld i nieg,

o urobek ziemny z prac budowlanych,

o gruz z remontw i rozbirki budynkw,

o odpady niebezpieczne ok. 1,3 kg/rok na jednego mieszkaca w Polsce [20, 54].

rdami powstawania odpadw komunalnych s: gospodarstwa domowe, obiekty

infrastruktury (handel, usugi, rzemioso).

Z uwagi na skad, waciwoci technologiczne oraz warunki i miejsce powstawania

wyrnia si: odpady domowe zwizane z bytowaniem ludzi w domach mieszkalnych (bloki,

kamienice, domy jednorodzinne), odpady z obiektw uytecznoci publicznej i obsugi

ludnoci, m.in. z handlu i usug, szkolnictwa (podstawowe, rednie), lecznictwa otwartego

i szpitali, odpady z terenw otwartych, odpady: uliczne z koszy, zmiotki z placw targowych,

z cmentarzy, zieleni miejskiej oraz odpady wielkogabarytowe jak zuyte meble, sprzt

gospodarstwa domowego, zuyty sprzt elektroniczny. Tabela 4.1 ilustruje dane

wytworzonych odpadw w latach 1990-2005 [55,56].

Tab. 4.1 Odpady wytworzone w Polsce w cigu roku w latach 1990 2005 [55,56]

1990 1995 20002) 20012) 20023) 20033) 20043) 20053) w tysicach Mg ogem

154959 133647 137710 134919 128403 130476 133763 133956

z tego - odpady (z wyczeniem odpadw

komunalnych), - odpady

komunalne

1438611)

11098

1226621)

10985

125484

12226

123810

11109

117894

10509

120551

9925

124004

9759

124602

9354 1)

Informacje o odpadach za lata 1990-1997 dotycz odpadw przemysowych uciliwych dla rodowiska.

2) Informacje o odpadach za lata 1998-2001 opracowane zostay w oparciu o ustaw z dnia 27 czerwca

1997r. o odpadach (Dz. U. Nr 96, poz. 592 z pn. zmianami) oraz zgodnie z klasyfikacj odpadw

wprowadzon rozporzdzeniem Ministra Ochrony rodowiska, Zasobw Naturalnych i Lenictwa z dnia 24

grudnia 1997 r. (Dz. U. z 1997 r. Nr 162, poz. 1135). Z tego powodu dane od 1998r. nie s porwnywalne

z danymi za lata poprzednie. 3)

Dane o odpadach za lata 2002-2005 opracowano w oparciu o ustaw z dnia 27 kwietnia 2001r.

o odpadach (Dz. U. z 2001r. Nr 62, poz. 628 z pn. zmianami), ktra wesza w ycie w dniu 1 padziernika

2001r. oraz o Katalog odpadw, wprowadzony w ycie dnia 1 stycznia 2002r. rozporzdzeniem Ministra

rodowiska (Dz. U. z 2001r., Nr 112, poz. 1206). Katalog odpadw dzieli odpady na grupy, podgrupy i rodzaje,

15

uwzgldniajc rda ich powstawania. Prezentowane w dziale dane o odpadach dotycz pierwszych 19 grup

odpadw i nie obejmuj danych o odpadach komunalnych (grupa 20 katalogu, ostatnia).

W 2005 r. w Polsce wg GUS spalaniu poddane zostay tylko odpady z miast z sektora

publicznego. Najwicej deponowanych na skadowisko odpadw powstawao w miecie, bo

a 84%. W tabeli 4.2 zaprezentowano w zalenoci od sektora i obszaru zamieszkania ilo

powstaych odpadw komunalnych

Tab. 4.2 Odpady komunalne wedug form wasnoci, miast i wsi w Polsce w 2005 r. [56]

sektory z ogem wyszczeglnienia ogem

publiczny prywatny miasta obszary wiejskie

odpady komunalne [tys. ton] 9354 4146 5208 73721) 1385

w tym unieszkodliwione [tys. ton] 9057 4086 4971 7672 1385 termicznie 44 44 0 44 0 biologicznie 318 283 35 305 13 wysegregowane ze zmieszanych 71 18 53 62 9 zdeponowanych na skadowiskach 8623 3740 4883 7260 1363

1) bez wyselekcjonowania.

W 2005r. poddano odzyskowi ok. 79,2% odpadw (z wyczeniem odpadw

komunalnych), czasowemu magazynowaniu - 3,2%, a unieszkodliwieniu - 17,6% z czego

ponad 76,1% trafio na skadowisko odpadw. Dla porwnania ilo wytworzonych odpadw

w 2004 do roku nastpnego bya mniejsza o 0,5%, a mimo to odzyskowi poddano tylko

78,5%. Wynika to z tego, e wicej odpadw zostao poddane procesom unieszkodliwiania

(18,2%). Podobne sytuacje miay miejsce w poprzednich latach i tak w 2000r. gdzie odzysk

odpadw by na poziomie 76,9%, a ilo unieszkodliwiona - 20% w tym 90% stanowiy

odpady deponowane na wysypiskach.

Odpady ulegajce biodegradacji poddawane s przeksztaceniu biologicznemu.

Ponadto cz wytworzonych odpadw ulegajcych biodegradacji, zwaszcza na wsiach lub

w maych miastach, jest zagospodarowywana we wasnym zakresie przez mieszkacw.

Szacuje si, e ok. 70% odpadw ulegajcych biodegradacji wytworzonych na wsiach oraz

15% tych odpadw w maych miastach wykorzystuje si do kompostowania, skarmiania

zwierzt oraz spala si w paleniskach domowych. Ilo tych odpadw oszacowano cznie

w 2004r. na poziomie ok. 770 tys. Mg [55]. Zatem, naley stwierdzi, e wanym

strumieniem odpadw biodegradowalnych jest biomasa.

16

Biomasa

Najwaniejsz pozycj energetyczn biomasy stanowi odpady z drewna, somy,

osady ciekowe, makulatura itp., ktre stosowane s jako stae paliwo zastpcze lub po

przetworzeniu na oleje i alkohole jako paliwa cieke. Ponadto powan pozycj w bilansie

energetycznym stanowi moe take biogaz z wysypisk mieci i procesw fermentacji

osadw ciekowych.

Do najwikszych producentw biomasy zaliczy mona przemys celulozowo

papierniczy i rolnictwo. Majc na uwadze warto opaow biomasy, somy lub drewna

rwn okoo 50% wartoci opaowej wgla kamiennego, mona wyliczy, e pene

wykorzystanie np. nadwyki somy w polskim rolnictwie pozwolioby na zaoszczdzenie 5%

kopalnych paliw staych [99].

Biomasa jest substancj organiczn o oglnym wzorze chemicznym (CH2O)n.

Wytwarzana gwnie przez roliny zielone, powstaje na drodze procesu fotosyntezy

w wyniku reakcji dwutlenku wgla i wody kosztem energii wietlnej zgodnie z rwnaniem:

6 CO2 + 6 H2O + energia wietlna C6H12O6 + 6 O2

Inaczej jest to zakumulowana w rolinach energia soneczna w postaci otrzymanej przez licie

radiacji. Poniewa fotosynteza odbywa si na ldach i morzach wszdzie tam, gdzie

dochodzi wiato, gdzie jest woda i odpowiednia dla rolin temperatura, dlatego biomas

traktuje si jako odnawialne rdo energii. Dla przyblienia charakterystycznych parametrw

biomasy poniej zostay przedstawione w tabeli 4.3 wasnoci biomasy pod postaci drewna

na tle tradycyjnych paliw.

Tab. 4.3 Analiza elementarna wybranych paliw [141]

paliwo C %

H %

O %

N+S %

warto opaowa MJ/kg

drewno 50 6 43 1 14,5 wgiel brunatny 70 5 24 0,8 21 wgiel kamienny 82 5 12 0,8 30 ropa naftowa 89 8.4 2 0,6 47 gaz ziemny 86 6,5 0,1 7,4 48

W tabeli 4.3 zamieszczono drewno jako reprezentanta biomasy, jednak zasoby

energetyczne biomasy nie ograniczaj si jedynie do drewna. Tabela 4.4 przyblia inne

rodzaje nonikw energii nalece do biomasy wraz z charakterystycznymi parametrami.

17

Tab. 4.4 Skadniki wchodzce w skad biomasy i ich charakterystyczne parametry [179]

rodzaj biomasy warto opaowa MJ/kg

gsto g/cm3

wilgotno %

popi %

soma 14,4 1,31,4 6,2 6,0 trociny 16,8 0,91,1 6,1 1,4 cinki drzewne 15,9 0,10,5 16,6 7,0 siano 8-9 0,10,3 8,4 1012

Dane wskazuj, e biomasa moe by wykorzystana jako potencjalne rdo energii,

natomiast pene oszacowanie zasobw energetycznych biomasy jest zadaniem

skomplikowanym i do kopotliwym z uwagi na roczn zmienno jej produkcji oraz

niejednorodno form wystpowania. Wanym zagadnieniem jest wyselekcjonowanie tych

strumieni biomasy, ktrych zasoby s na tyle due, e mogyby zosta wykorzystane na skal

przemysow gospodarczo [100].

Odpady przemysowe i niebezpieczne

Odpady inne ni komunalne i niebezpieczne tzw. przemysowe stanowi najwikszy

strumie odpadw wytwarzanych w Polsce. Odpady te powstaj gwnie w tzw. sektorze

gospodarczym, za ktry uwaa si poszczeglne brane przemysu, rolnictwo, rzemioso

[188]. W 2004 roku zinwentaryzowano okoo 121 mln Mg odpadw innych ni komunalne

i niebezpieczne, co stanowi okoo 90 % wszystkich odpadw wytworzonych Polsce w 2004

(tab. 4.5). Najwiksze iloci odpadw powstaj w przemyle wydobywczym - 58,3% caoci

wytwarzanych odpadw, w przemyle energetycznym - 23%, rolno-spoywczym - 7,3% oraz

instalacji i urzdze sucych zagospodarowaniu odpadw z oczyszczalni ciekw oraz

uzdatniania wody pitnej i wody do celw przemysowych - 4,7% [56]. Najwiksze iloci

odpadw wytwarzane s w rejonie Polski poudniowej, w wojewdztwie lskim,

dolnolskim i maopolskim. Najmniejsze iloci odpadw powstaj w wojewdztwach

lubuskim, warmisko-mazurskim oraz podlaskim. Z oglnej iloci wytworzonych odpadw

(okoo 121 mln Mg) procesom odzysku poddano okoo 96 mln Mg (okoo 80%),

a unieszkodliwieniu okoo 21 mln Mg (okoo 17%).

Odpady unieszkodliwiano nastpujcymi metodami:

o termiczne: ok. 190 tys. Mg,

o biologiczne: ok. 37 tys. Mg,

o skadowanie na skadowiskach wasnych i innych: ok. 16,6 mln Mg,

o w inny sposb: ok. 4,4 mln Mg.

18

Tab. 4.5 Ilo wytwarzanych odpadw innych ni niebezpieczne i komunalne oraz sposoby ich zagospodarowania w 2004 r. w Polsce [55]

unieszkodliwione grupa

odpady wytworzone

poddane odzyskowi razem termicznie

kompostowanie

skadowane

inne magazynowanie

nagromadzone na

skadowiskach

01 70504,8 61033,7 8868,7 - - 8850,6 18,1 602,4 1266255,0 02 8868,7 7724,9 693,3 72,2 34,8 289,8 296,5 450,50 1207,4 03 2430,3 2156,4 195,2 97,2 - 72,0 26,0 78,7 1141,5 04 95,4 7,7 49,5 1,3 - 11,4 36,8 38,2 139,9 05 405,1 3,2 401,8 1,4 - 0,1 400,3 0,1 4,4 06 2271,8 198,5 2066,4 - 0,9 2025,8 39,7 6,9 91691,7 07 195,8 113,2 27,2 0,2 - 24,1 2,9 55,4 5026,3 08 22,4 8,6 8,6 0,6 - 1,7 6,3 5,2 10,9 10 27860,1 20874,2 5036,4 9,7 - 4691,0 335,7 1949,5 331165,9 11 8,7 6,7 2,0 0,8 - 0,4 0,8 - 32,4 12 596,6 538,5 49,9 - - 30,5 19,4 8,2 34,6 16 204,2 117,9 76,6 - - 40,8 35,6 9,9 872,2 17 1811,3 1225,5 267,5 0,7 - 232,5 34,3 318,3 230788,8 19 5664,8 2050,4 3421,1 3,2 1,7 298,8 3117,5 193,2 14029,0

razem 120940,0 96059,4 21164,3 187,3 37,4 16569,9 4369,9 3716,5 1942400,0

Na terenie kraju w 2005 roku funkcjonowao okoo 2000 instalacji i urzdze do

odzysku i unieszkodliwienia odpadw innych ni niebezpieczne i komunalne. Najwicej

instalacji i urzdze do unieszkodliwienia odpadw zlokalizowanych jest w wojewdztwie

lskim (okoo 20%), kujawsko-pomorskim (12%), dolnolskim (10%), pomorskim (10%)

i maopolskim (9%) [188,191].

Podstawowym rdem powstawania odpadw niebezpiecznych jest dziaalno

przemysowa i usugowa. Odpady niebezpieczne powstaj rwnie w gospodarstwach

domowych, subie zdrowia, szkolnictwie oraz w dziedzinie obronnoci. Odpadami

niebezpiecznymi s odpady nalece do kategorii lub rodzajw odpadw okrelonych na

licie A zacznika nr 2 do ustawy oraz posiadajce co najmniej jedn z waciwoci

wymienionych w zaczniku nr 4 do ustawy lub nalece do kategorii lub rodzajw odpadw

okrelonych na licie B zacznika do ustawy i zawierajce ktrykolwiek ze skadnikw

wymienionych w zaczniku nr 3 do ustawy oraz posiadajce co najmniej jedn z waciwoci

wymienionych w zaczniku nr 4 do ustawy. W 2004r. wytworzono w Polsce okoo 1 680 tys.

Mg odpadw niebezpiecznych. Najwiksza ilo odpadw niebezpiecznych pochodzia

z nastpujcych gazi przemysu:

o hutnictwa elaza,

o hutnictwa oowiu, cynku i miedzi,

o przemysu chemicznego,

o przemysu naftowego,

a najmniejsze z przemysu skrzanego, futrzarskiego i tekstylnego.

19

Struktura gospodarowania odpadami niebezpiecznymi w Polsce wyglda w sposb

nastpujcy: na terenie kraju w 2005 roku zlokalizowanych byo okoo 500 instalacji

i urzdze do odzysku i unieszkodliwiania odpadw niebezpiecznych, w tym okoo 35

skadowisk oraz okoo 100 instalacji do termicznego przeksztacania odpadw [188,194].

Szczegln grup odpadw niebezpiecznych s odpady olejowe. Na wiecie rocznie

sprzedaje si okoo 40 milionw Mg rnego rodzaju olejw smarowych. Oleje smarowe s

cieczami przeznaczonymi do smarowania urzdze technicznych, gwnie w celu

zmniejszenia tarcia i chodzenia wsppracujcych czci oraz ochrony elementw

metalowych przed korozj. W procesach ich uytkowania zuywa si okoo 45% ich masy

a 55% pozostaje w postaci oleju przepracowanego stanowicego odpad. W Polsce kadego

roku wykorzystuje si okoo 360 tys. Mg olejw wieych. Do zagospodarowania pozostaje

blisko 199 tys. Mg olejw zuytych. W rnych krajach pojcie odpadw jakimi s zuyte

substancje olejowe jest definiowane zrnicowanie. W Polsce oleje odpadowe to wszelkie

oleje smarowe lub przemysowe, ktre nie nadaj si ju do zastosowania, do ktrego byy

pierwotnie przeznaczone, a w szczeglnoci zuyte oleje z silnikw spalinowych i oleje

przekadniowe, a take oleje smarowe, oleje turbinowe i oleje hydrauliczne. Inaczej ujmujc

olejami przepracowanymi s produkty naftowe, ktre w warunkach eksploatacji utraciy

wasnoci fizyczne i chemiczne okrelone normami przedmiotowymi dla olejw wieych

(BN-74/0535-08 Oleje mineralne przepracowane) [87,91,110]. Przepracowane emulsje i oleje

odpadowe s przykadem odpadw trudnych do zagospodarowania ze wzgldu nie tylko na

ich rozproszenie, koszty instalacji do przerbki ale przede wszystkim ze wzgldu na

wszelkiego rodzaju dodatki suce polepszeniu ich waciwoci uytkowych. W celu

zwikszenia ich trwaoci, dodawane s do nich zwizki uszlachetniajce w iloci od kilku

setnych do kilku (nawet 20%) procent, ktre maj za zadanie np.: zwikszenie lepkoci,

obnienie temperatury krzepnicia, zwikszenie pynnoci olejw w niskiej temperaturze,

zwikszenie odpornoci na utlenianie, poprawienie wasnoci smarnych [94,105].

4.3 Technologie unieszkodliwiania odpadw Unieszkodliwianie odpadw polega na poddaniu odpadw procesom przeksztace

biologicznych, fizycznych lub chemicznych okrelonym w zaczniku nr 6 do ustawy w celu

doprowadzenia ich do stanu, ktry nie stwarza zagroenia dla ycia, zdrowia ludzi lub

rodowiska. Natomiast, utylizacja to unieszkodliwienie odpadw z wykorzystaniem w trakcie

20

procesu produktw porednich lub energii. Zatem, podzia procesw unieszkodliwiania

i utylizacji odpadw mona przedstawi w nastpujcej postaci [74,154,203]:

1. skadowanie odpadw,

2. metody biologiczne,

3. metody termiczne (wybrane):

o spalanie;

o odgazowanie (wytlewanie, piroliza);

o zgazowanie;

o procesy skojarzone;

o spalanie w plazmie.

4. przerbka na paliwo (SRF, RDF),

5. obrbka w glebie i ziemi.

Skadowanie odpadw

Skadowisko odpadw, dla ktrego pozyskiwanie nowych terenw staje si coraz

trudniejsze, jest to urzdzony i zlokalizowany zgodnie z przepisami obiekt budowlany

przeznaczony do skadowania odpadw przemysowych lub komunalnych. Na skadowisku

gromadzi mona tylko te odpady, ktrych unieszkodliwienie w inny sposb jest niemoliwe

z przyczyn technologicznych lub nieuzasadnione z przyczyn ekonomicznych bd

ekologicznych [66]. W zaoeniu, zgodnie z Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady

Europejskiej 06/12/WE z 5 kwietnia 2006 w sprawie odpadw skadowisko przewidziane jest

dla deponowania przetworzonych form odpadw, tzn. takich w ktrych warto opaowa nie

przekracza 6 MJ/kg, a zawarto frakcji organicznych nie przekracza 5% [36]. A zatem, na

skadowisko trafia mog ju tylko te odpady, ktre pozostay po procesie segregowania,

recyklingu i wydzielaniu surowcw wtrnych. Deponowane s take materiay zuyte

i niebezpieczne, ktre nie s ju przydatne i nie ma moliwoci wykorzystania ich w procesie

kompostowania bd za pomoc termicznych metod unieszkodliwiania. Naley podkreli, e

skadowanie odpadw jest stosunkowo prostym sposobem unieszkodliwiania odpadw.

Wystpuje zawsze bez wzgldu na przyjt technologi unieszkodliwiania odpadw. Stanowi

ono albo metod uzupeniajc, albo kocowy etap procesu unieszkodliwiania [111].

Na skadowiskach odpadw s gromadzone materiay i substancje nieprzydatne,

zuyte lub nawet niebezpieczne, w sposb zapewniajcy bezpieczestwo ludzi i ochron

rodowiska. Warunki takie tworzy odpowiednia konstrukcja skadowiska odpadw.

W zwizku z duym zagroeniem jakie powoduj skadowiska odpadw (emisja

21

niezorganizowana gazw (biogaz), bakterie, odory itp.) naley je monitorowa. Z uwagi na

du zawarto materii organicznej odpady ulegajce biodegradacji wymagaj przed

skadowaniem odpowiedniej przerbki. Skadowanie odpadw niesegregowanych tworzy

z wysypiska niekontrolowany reaktor biochemiczny, ktry stanowi olbrzymie zagroenie dla

otoczenia jeszcze przez kilkadziesit lat po jego zamkniciu (wyczeniu z eksploatacji)

[50,75,163].

Metody biologiczne

W KPGO wskazuje si metody biologiczne: kompostowanie, fermentacj

i biologiczno-mechaniczne przetwarzanie jako gwne technologie odzysku

i unieszkodliwiania (poza skadowaniem) odpadw ulegajcych biodegradacji.

W prawodawstwie polskim nie ma adnych formalnych definicji kompostowania,

beztlenowego rozkadu (fermentacji metanowej) oraz technologii mechaniczno-biologicznego

unieszkodliwiania. Wzmianka znajduje si tylko przy definicji recyklingu organicznego

zamieszczonej w ustawie o odpadach. Dopiero w 2-gim projekcie Dyrektywy o bioodpadach

zostao zdefiniowanych wikszo terminw i poj zwizanych z biologicznym

przetwarzaniem odpadw. O przydatnoci surowca do przerbki biologicznej technik

tlenow lub beztlenow decyduje jego struktura. Do kompostowania bardziej przydatne s

odpady o mocnej strukturze, tworzce rodowisko dobrze natlenione, o wystarczajcej iloci

wody tj. od 50 do 60 % (np. odpady ogrodowe, odpady zielone). Odpady organiczne

pozbawione struktury, o duej wilgotnoci (np.: selektywnie zbierane bioodpady, trawy,

osady ciekowe, itp.) bardziej nadaj si do procesu fermentacji, gdy podczas ich

kompostowania istnieje niebezpieczestwo kolmatacji i tworzenia si stref beztlenowych

w pryzmach [36,67,68].

Kompostowanie

Definicja wg Urzdu Patentowego brzmi, i kompostowanie jest to przerabianie

substancji organicznych pochodzenia biologicznego zawartych w odpadach na kompost tzn.

nawz zbliony swoimi waciwociami do prchnicy glebowej zawierajcej do 50%

substancji organicznej, skadniki pokarmowe dla rolin oraz mikroorganizmy, ktre

wzbogacaj mikroflor i mikrofaun w glebie. Proces kompostowania moe by

zdefiniowany jako kontrolowany, biologiczny rozkad substancji organicznych (pochodzenia

komunalnego, przemysowego i rolniczego (biomasy) [68]), w warunkach tlenowych, ktre

prowadz do wzrostu temperatury materiau do zakresu termofilowego w wyniku biologicznie

22

produkowanego ciepa. Efektem procesu jest wytwarzanie z odpadw organicznych finalnego

produktu kompostu (materiau glebopochodnego o walorach odywczych), ktry jest pewny

sanitarnie, zasobny w substancje biogenne oraz wystarczajco stabilny dla magazynowania

i wprowadzania do gruntu, bez szkodliwego wpywu na rodowisko [67]. W wyniku tego

procesu ok. 40% oglnej masy odpadw stanowi odpad technologiczny tzw. balast

pokompostowy (pozostao po procesie) wymagajcy zagospodarowania lub

unieszkodliwiania przez skadowanie. Oglny przebieg tego procesu opisuje rwnanie:

odpady organiczne+mikroorganizmy+O2(powietrze)CO2+H2O+NH3+kompost+ciepo

Zgodnie z powysz reakcj w procesie kompostowania mikroorganizmy rozkadaj

substancj organiczn i produkuj dwutlenek wgla, wod, amoniak, ciepo oraz kompost.

W ostatnich latach zmienia si rola oraz system kompostowania w systemie gospodarki

odpadami. Odstpuje si od tradycyjnych technologii kompostowania caej masy odpadw

komunalnych, ktre daj kompost nieodpowiedniej jakoci i prowadz do wytwarzania

nowych odpadw, wymagajcych dalszego unieszkodliwiania. Selektywne gromadzenie

odpadw organicznych pozwala produkowa kompost wysokiej jakoci. Dziki selektywnej

zbirce bioodpadw wydua si czas eksploatacji wysypiska nawet do 50% i zmniejszaj si

koszty skadowania z tytuu redukcji iloci odpadw kierowanych na skadowisko.

Kompostowanie odpadw jest istotne z punktu widzenia ochrony rodowiska, gdy

umoliwia [63,159]:

o eliminacj zagroe sanitarnych zwizanych z usuwaniem odpadw,

o eliminacj uciliwych odorw wydzielanych przez atwo rozkadajce si substancje

organiczne,

o znaczne zmniejszanie masy i objtoci odpadw (z 1 Mg odpadw komunalnych

uzyskuje si od 0,35 do 0,50 Mg kompostu, odpady bezuyteczne stanowi ok.

0,35 Mg, ferromagnetyki 0,05 Mg i straty procesu to ok. 0,05 Mg),

o ograniczenie powierzchni skadowisk,

o popraw struktury gleb, wzrost plonw, zmniejszenie zuycia nawozw mineralnych

i organicznych oraz zmniejszenie ich wymywania z gleb.

Dodatkow zalet kompostowania jest przywrcenie rodowisku skadnikw glebotwrczych.

Fermentacja metanowa

Fermentacja metanowa stanowi zesp beztlenowych procesw biochemicznych,

w ktrych wielkoczsteczkowe substancje organiczne (przede wszystkim wglowodany,

23

biaka i tuszcze oraz ich pochodne) ulegaj rozkadowi do alkoholi lub niszych kwasw

organicznych oraz do metanu CH4, dwutlenku wgla CO2 i wody H2O [74]. Produktem

fermentacji metanowej odpadw komunalnych, wartociowym z uwagi na zawarto metanu,

jest biogaz oraz nawz organiczny. Ilo i skad biogazu zaley od skadu odpadw (wzrost

zawartoci frakcji organicznej w fermentowanych odpadach prowadzi do wzrostu

jednostkowej objtoci uzyskiwanego gazu), czasu prowadzenia procesu (im duszy czas

rozkadu, tym wiksza zawarto metanu) oraz od obranej technologii [45]. Odpad

technologiczny tzw. przeformowany materia, ktry skada si z biomasy bakteryjnej stanowi

do 5% oglnej masy odpadw [67]. Oglny przebieg procesu opisuje rwnanie:

odpady organiczne + mikroorganizmy + H2O CH4 + CO2 + (H2S+NH3)

+ przefermentowany materia + energia (termiczna i biochemiczna)

Zgodnie z powysz reakcj w procesie fermentacji otrzymujemy biogaz oraz biomas

bakteryjn. Generalnie biogaz zawiera 5065% metanu CH4, 5035% dwutlenku wgla CO2

i niewielkie iloci (ok. 11,5%) amoniaku NH3, siarkowodoru H2S i innych gazw. Po stronie

staych produktw przemian powstaj osady. W osadach znajduj si biomasa bakteryjna

i zwizki trudno bd nierozkadalne przez bakterie anaerobowe. Z uwagi na wysok warto

opaow biogaz moe by spalany w wyniku czego mona uzyska energi elektryczn

i ciepln. Najczciej potrzeby wasne zakadu fermentacji metanowej ksztatuj si na

poziomie 3050% wytworzonej energii elektrycznej i 2040% termicznej. Nadmiar

wyprodukowanej energii moe by sprzedawany do sieci krajowych [127].

Mechaniczo-biologiczne przetwarzanie odpadw

Mechaniczno-biologiczne przetwarzanie (MBP) odpadw, jak sama nazwa wskazuje,

to zesp mechanicznych i biologicznych technik przetwarzania odpadw. Zgodnie

z Dyrektyw o bioodpadach unieszkodliwianiu podlegaj pozostae odpady komunalne,

niesortowalne odpady komunalne lub kade inne bioodpady nieodpowiednie dla

kompostowania oraz fermentacji w celu stabilizacji i zmniejszenia tych odpadw. Procesy

mechaniczne wykorzystywane w tej technologii to m.in.: rozdrabnianie, przesiewanie,

separacja. W czci biologicznej MBP wykorzystywane s tlenowe i beztlenowe technologie

unieszkodliwiania odpadw. Pozytywne efekty zastosowania tej technologii to lepszy bilans

energetyczny zwizany z produkcj biogazu, nisza emisja zanieczyszcze, wysoka stabilno

procesu oraz wyszy stopie rozkadu substancji organicznych. MBP odpadw jest zoonym

24

procesem przygotowujcym odpady do skadowania i/lub odzysku. Celem przerbki jest [3,

59, 107]:

o zmniejszenie masy i objtoci odpadw oraz ich uwodnienia,

o stabilizacja substancji organicznej z wytworzeniem prostych produktw gazowych (CO2,

CH4, H2O) i wydzieleniem ciepa, pozostae formy organiczne s wzgldnie stabilne

(ulegaj powolnej biodegradacji, jednak nieuciliwej dla rodowiska),

o higienizacja (czciowa lub zaawansowana) polegajca na zmniejszeniu liczebnoci

mikroorganizmw chorobotwrczych,

o wytworzenie produktw do wykorzystania, takich jak: biogaz, kompost, materia

przefermentowany.

4.4 Termiczne metody unieszkodliwiania i utylizacji odpadw W krajach UE kierowanie odpadw na skadowiska jest ostatecznoci. Celowe staje

si poszukiwanie racjonalnych sposobw gospodarowania odpadami zarwno komunalnymi

jak i przemysowymi, ktre mog by wykorzystane. Jednym z takich sposobw jest

termiczna utylizacja odpadw w odpowiednich zakadach lub ich wspspalanie z paliwami

konwencjonalnymi [17,59,71,148].

Termiczne przeksztacanie odpadw (zgodnie z ustaw o odpadach) jest to proces

utleniania odpadw (naley doda w warunkach termicznych), w tym spalania,

zgazowywania lub rozkadu odpadw, w tym rozkadu pirolitycznego, prowadzony

w przeznaczonych do tego instalacjach lub urzdzeniach (m.in. spalarniach odpadw) na

zasadach okrelonych w przepisach szczegowych.

Procesy przeksztacania termicznego odpadw podzielono na [122,149,164]:

o spalanie odpadw nie zawierajcych zwizkw chlorowcoorganicznych ani zwizkw

cynku, miedzi, niklu, kobaltu i rtci w iloci przekraczajcej 0,5% wagowych suchej masy

odpadw cznie w przeliczeniu na mas pierwiastkw,

o spalanie odpadw niebezpiecznych zawierajcych zwizki chlorowcoorganiczne, w tym

PCB, przy zawartoci metali cikich jak cynku, miedzi, niklu, kobaltu i rtci w iloci

przekraczajcej 0,5% wagowych suchej masy odpadw cznie w przeliczeniu na mas

pierwiastkw,

o spalanie odpadw niebezpiecznych w obrotowych piecach do produkcji cementu lub

wapnia,

o piroliza odpadw niebezpiecznych.

25

Unieszkodliwianie odpadw poprzez poddanie ich przeksztaceniu termicznemu musi

spenia okrelone warunki. Istotny jest czas przetrzymania spalin w komorze spalania, ktry

powinien wynosi co najmniej 2 sekundy, a temperatura w komorze spalania nie moe by

nisza od 850oC podczas spalania odpadw o zawartoci chloru w zwizkach organicznych

nie przekraczajcych 1% suchej masy odpadw. W przypadku zawartoci chloru w zwizkach

organicznych powyej 1% suchej masy temperatura ta nie powinna by nisza od 1100oC.

Natomiast, minimaln zawarto tlenu w gazach spalinowych ustalono na poziomie 6%.

W przypadku przeksztacania termicznego wykorzystujcego proces pirolizy gazy z rozkadu

powinny by wykorzystane w postaci paliwa pomocniczego w paleniskach kotowni

grzewczych, przy czym zawarto w parach i gazach odlotowych organicznych zwizkw

chlorowcw nie moe przekracza wartoci 0,5 mg/m3. Dopuszczono spalanie w pochodniach

jedynie wtedy gdy nie istnieje moliwo innego wykorzystania tych gazw [164,201].

Spalanie

Spalanie odpadw jest kontrolowanym egzotermicznie procesem rozkadu na drodze

termicznego utleniania w wysokiej temperaturze (min. 8500C i przy okrelonym nadmiarze

tlenu 1) majcym na celu zniszczenie frakcji organicznej odpadw i zmniejszenie ich

objtoci z wydzieleniem ciepa i wiata. Proces ten jest najpopularniejszym sposobem

utylizacji wszystkich odpadw komunalnych, w tym take toksycznych i niebezpiecznych.

Z uwagi na stopie zoonoci przemian zachodzcych w trakcie nie jest procesem prostym

w organizacji. Reakcje spalania hetero- jak i homogeniczne wzajemnie si przenikaj, a skad

produktw zaley od bardzo wielu czynnikw w tym od organizacji samego procesu

[4,186,193].

Przebieg zjawisk wystpujcych podczas spalania to: suszenie do 1000C, spalanie

(strefa przemian - 2506000C,- zapon okoo 5000C,- strefa wypalenia - 5008500C), -

dopalenie - 12000C. W wyniku procesu termicznego jakim jest spalanie powstaj spaliny,

czyli gazowy produkt niepalny o rnym stopniu zanieczyszczenia (iloci i rodzaj

zanieczyszcze zaley przede wszystkim od przebiegu spalania i rodzaju paliwa). Dla

niepoprawnie realizowanego procesu w gazach spalinowych potrafi dominowa zwizki

organiczne, gwnie wglowodory aromatyczne, wglowodory chlorowane (m.in. dioksyny

i furany) oraz w grupie zanieczyszcze nieorganicznych: dwutlenek siarki SO2, chlorowodr

HCl, fluorowodr HF i metale cikie (rt Hg, ow Pb, kadm Cd, antymon Sb). Ponadto, po

procesie spalania powstaj: dwutlenek wgla CO2 i tlenki azotu NOx [16,84,129,143,153].

26

Z energetycznego punktu widzenia, tylko materiay palne i z wysok zawartoci

materiaw organicznych powinny by rozwaane jako ewentualny materia do spalania.

Jednake z technicznego punktu widzenia odpady, nawet z minimaln zawartoci frakcji

organicznej, mog by poddane temu procesowi. Procesy spalania mona podzieli na

spalanie cakowite i zupene, niecakowite i niezupene oraz ich kombinacje. Spalanie jest

prorodowiskowe wtedy, gdy zostan spenione odpowiednie normy i przepisy prawne

(standardy emisyjne) zapewniajce minimalizacj zanieczyszcze poprocesowych. O jakoci

produktw spalania w duej mierze decyduje system pozyskania odpadw i zawarto w nich

caego szeregu zwizkw, np.: chloru, metali cikich, itd. Nastpnie organizacja samego

procesu spalania, w tym wielko i ksztat komory spalania, typ rusztu, moliwo

utrzymania staej temperatury w komorze, nadmiar tlenu itp. A na kocu oczyszczanie gazw

odlotowych. Istotn rol odgrywa wielko instalacji i jej zdolno przerobowa. Ogromna

zmienno wasnoci, zwaszcza takich odpadw jak szpitalne, komunalne czy osady

ciekowe utrudnia wypracowanie jednolitych kryteriw ich oceny procesowej

i jednoznacznych wytycznych do projektowania procesu ich spalania [101,128,135,138].

Zaczynajc od prostego spalania w paleniskach rusztowych lub bezrusztowych,

poprzez bardziej zoone technologie spalania fluidalnego (FBCT) na staym i ruchomym

zou, mona stwierdzi, e s najbardziej radykalnymi metodami unieszkodliwiania

odpadw tak w zakresie znaczcej redukcji objtoci (o 80-90% objtociowo, 40-60%

wagowo), jak i zapewnienia penej higienizacji pozostaoci po spaleniu. Wymagaj jednake

budowy kosztownych instalacji do samego spalania, a take stosowania wysokosprawnych

metod oczyszczania gazw spalinowych. Koszty inwestycyjne spalarni s najwysze ze

wszystkich metod unieszkodliwiania odpadw komunalnych. Termiczna przerbka odpadw

komunalnych realizowana jest od lat metod spalania w piecach rusztowych. Ostatnio

prowadzone s prby wykorzystania do tego celu piecw ze zoem fluidyzacyjnym.

Okresowo wzrasta zainteresowanie dwustopniowym spalaniem ze wstpn obrbk termiczn

w warunkach beztlenowych lub z ograniczonym dostpem tlenu i spalaniem uzyskanych

produktw odgazowania lub zgazowanie w drugim etapie, czyli tzw. piroliz. W technice

spalania odpadw stosowanych jest wiele rozwiza konstrukcyjnych piecw (m.in.

komorowe bezrusztowe lub z rusztem nieruchomym, komorowe z rusztem ruchomym

posuwisto-zwrotnym lub walcowym, bbnowe-obrotowe, pkowe oraz piece ze zoem

fluidalnym). Najpowszechniej stosowane do tej pory byy [192,198]:

o piece komorowe z rusztem ruchomym,

o piece obrotowe (dla wszystkich rodzajw odpadw),

27

o piece komorowe z rusztem lub bez (dla niewielkich iloci odpadw przemysowych,

w tym niebezpiecznych).

Dla unieszkodliwiania osadw ciekowych oraz mas pynnych i ppynnych stosowano

z powodzeniem piece pkowe i obrotowe. W nowy generacjach spalarni odpadw

najpowszechniej stosowane s piece z ruchomymi rusztami, piece fluidalne i bbnowe piece

obrotowe.

Spalanie na ruszcie

Spalanie na ruszcie, zwaszcza w tradycyjnym piecu rusztowym wsppracujcym

z ukadem kotowym, powszechnie jest stosowane tylko do termicznej utylizacji staych

odpadw komunalnych, a take odpadw z produkcji rolno-spoywczej oraz niektrych

szlamw i nietoksycznych odpadw przemysowych (drewna, papieru, skry, tkanin, gumy,

tworzyw sztucznych itp.). Do spalania odpadw niebezpiecznych czciej stosowane s piece

jedno- lub wielokomorowe o specjalnej konstrukcji czasami rwnie wyposaone

w odpowiedni ruszt. Proces spalania jest skuteczniej realizowany w piecach wyposaonych

w osobn komor dopalania spalin lub przynajmniej dodatkowym palnikiem dopalajcym.

Czasami komora dopalania wystpuje bezporednio po komorze spalania, a dopiero po niej

znajduje si komora chodzenia z mieszaniem spalin.

Piece szybowe

Do bezporedniego spalania odpadw niebezpiecznych czasami wykorzystuje si

jeszcze piece szybowe, cho znacznie czciej realizowany jest w nich proces zgazowania

odpadw. W piecach szybowych utylizowane s odpady stae mogce si spala we wasnej

porowatej warstwie (spoczywajcej na ruszcie na dnie pieca), w tym mieszaniny paliwa

i odpadw. Ruch materiau wsadowego i gazw odlotowych odbywa si w kierunku

pionowym w przeciwprdzie, przy czym spalany materia stopniowo osuwa si w d pod

dziaaniem siy cikoci, a gorce spaliny wdruj do gry powodujc ogrzanie

chodniejszych partii wsadu i odparowanie wody. Powietrze potrzebne do spalania podawane

jest u dou pieca, gdzie ogrzewa si w kontakcie w wypalonym materiaem, ktry jest w ten

sposb chodzony przed usuniciem z pieca. W razie potrzeby stosuje si paliwo

wspomagajce proces spalania [32, 194].

28

Piece obrotowe

Piece obrotowe (w tym do wypalania klinkieru cementowego, wapna, dolomitu czy

gipsu), z powodzeniem nadaj si do spalania odpadw o rnorodnej konsystencji. Przy

zwikszonym zuyciu paliwa dodatkowego istnieje moliwo spalania w nich odpadw

o duej zawartoci wody i trudno palcych si. Ze wzgldu na swoj konstrukcj piece

obrotowe wymagaj waciwej, fachowej obsugi i s najczciej stosowane w duych

zakadach przemysowych (do spalania uciliwych odpadw poprodukcyjnych

i poeksploatacyjnych) oraz komercyjnych spalarniach odpadw niebezpiecznych. Moliwe

jest rwnie stosownie ich we wsppracy z innymi urzdzeniami do termicznego

unieszkodliwiania odpadw [124].

Typowy piec obrotowy ma posta nieznacznie nachylonego w stosunku do poziomu,

stalowego bbna obrotowego. Peni on jednoczenie rol paleniska rusztowego (z rusztem

obrotowym) i komory spalania. Na pycie czoowej mocowane s palniki (najczciej

gazowe) oraz ukad doprowadzania powietrza (gorcego lub zimnego). W czci przedniej

pieca znajduje si nieruchoma ciana czoowa, poprzez ktr dozuje si odpady

wykorzystujc do tego celu odpowiednie systemy zaadunkowe. Odpady po zaadunku do

pieca zostaj zwykle bardzo szybko podgrzane i wysuszone, po czym rozpoczyna si ich

odgazowanie. Spaliny przepywaj wspprdowo ze spalanymi odpadami, a staa pozostao

po spaleniu opada na kocu pieca do komory odulania. Piec obrotowy wsppracuje zwykle

z komor dopalania spalin przeduajc czas przebywania gazw odlotowych w strefie

wysokich temperatur do ponad 2 sekund. Bardzo powoli spala si natomiast w czasie

transportu przez piec staa pozostao skadajca si gwnie z wgla i popiou (substancja

uwglona). Oprcz reakcji bezporedniego utleniania w znacznej mierze zachodz take

endotermiczne reakcje wgla z dwutlenkiem wgla lub par wodn, a dopiero produkty tych

reakcji (CO i H2) s spalane w palenisku lub komorze dopalania spalin [32,139, 147,196].

Spalanie w piecach pkowych

Piece pkowe nadaj si do suszenia i spalania odpadw silnie zawilgoconych.

Najczciej wykorzystuje si je do termicznego unieszkodliwiania osadw ciekowych,

nadmiernego osadu czynnego z biologicznych oczyszczalni ciekw, skratek i osadw

flotacyjnych w tym take osadw zaolejonych lub smolistych pochodzcych z oczyszczalni

ciekw przemysowych. Zdarza si, e w nich rwnie unieszkodliwiane s niektre osady,

szlamy i smoy poprodukcyjne, zuyte oleje oraz inne palne odpady przemysowe, w tym

niebezpieczne. Konstrukcj pieca pkowego stanowi cylindryczny paszcz stalowy

29

ustawiony w pozycji pionowej, wyoony od wewntrz warstw materiau ogniotrwaego.

Piec posiada specjalnie uformowane pki, dzielce go na osobne, ale poczone ze sob

komory (uoone pitrowo) oraz urzdzenie do przegarniania spalonego materiau napdzane

od dou silnikiem elektrycznym. Do przegarniania odpadw su stalowe ramiona z zbami

(zgrzeba). Dodatkowe przemieszanie uzyskuje si poprzez odpowiednie umiejscowienie

i wzajemne skrcanie zbw przegarniajcych. Odpady s podawane na najwysz pk,

gdzie rozpoczyna si ich powolne suszenie w temperaturze okoo 100oC. W strefie rodkowej,

gdzie temperatura utrzymywana jest na poziomie 750-1000oC, nastpuje zapon wstpnie

wysuszonych odpadw i ich spalanie z jednoczesn dezodoryzacj. Popi z dolnej pki

pieca moe by odbierany na mokro lub sucho. W wypadku spalania osadw ciekowych

i zastosowania suchego systemu odbioru popiou ma on najczciej posta cakowicie

odwodnionego, drobnego granulatu. Staa pozostao zawiera mniej ni 1% czci palnych,

zoonych gwnie z czystych, niedopalonych czstek wgla. Oczyszczanie gazw

odlotowych w wypadku wikszoci pracujcych piecw pkowych opiera si na absorpcji

zanieczyszcze w wodzie lub roztworze alkalicznym. [85,143,193].

Spalanie strumieniowe

Spalanie strumieniowe stosuje si do unieszkodliwiania wikszoci palnych odpadw

ciekych i niektrych niskotopliwych odpadw staych (upynnionych), ktre mog by

pompowane, wtryskiwane przez palnik i rozpylane w komorze pieca. Czsto s

wykorzystywane do spalania odpadowych rozpuszczalnikw organicznych i pozostaoci

podestylacyjnych, zuytych olejw, polichlorowanych bifenyli (PCB), pestycydw oraz wielu

ciekych i ppynnych odpadw przemysu chemicznego (o wysokim stopniu uwodnienia)

zawierajcych np. fenole, cyjanki, nitrozwizki, siarczki lub siarczyny, jak rwnie innych

palnych ciekw i par z tego przemysu. Komora spalania ma zwykle posta cylindra

z wyoeniem ogniotrwaym. Jest ona wyposaona w co najmniej jeden palnik, umoliwiajcy

rozpylenie wtryskiwanych odpadw na bardzo mae krople i spalenie ich w zawieszeniu.

W razie potrzeby proces spalania wspomagany jest dodatkowym paliwem. Odpady

zawierajce wiksze iloci popiou mog by spalane tylko w komorach z wtryskiem

zwrconym w d. Dobre rozpylanie odpadw ciekych, a tym samym dobre ich wymieszanie

ze rdem tlenu, jak rwnie utrzymywanie wysokich temperatur rzdu 1400-1650oC

w pomieniu i 800-1200oC w najchodniejszych czciach komory to czynniki stanowice

podstaw uzyskania wysokiej skutecznoci spalania strumieniowego [106].

30

Spalanie fluidalne

Technologia spalania fluidalnego umoliwia wykorzystanie rnego typu paliw

o niskiej jakoci i kalorycznoci niejednokrotnie zanieczyszczonych, ktre

konwencjonalnymi metodami nie udaje si nawet spali. Spalanie fluidalne odpadw pozwala

na efektywn i skuteczn destrukcj nisko i wysokokalorycznych odpadw o rnej

konsystencji, rozdrobnionych materiaw staych, szlamw i odpadw ciekych. Jest

stosowane midzy innymi do spalania osadw ciekowych oraz odpadw komunalnych,

rolniczych, drzewnych i przemysowych. Walory procesu fluidalnego spalania paliw staych

i rnych grup odpadw zostay potwierdzone wieloma zastosowaniami w skali

przemysowej i od strony ekonomicznej. Najwiksz zalet procesu fluidalnego spalania jest

intensywno procesw wymiany ciepa i masy midzy unoszcymi si drobinami zoa

a spalanym paliwem oraz dodatkowo stosunkowo dua moliwo kontrolowania emisji

zanieczyszcze z paleniska przy nieskomplikowanych ukadach oczyszczajcych gazy

spalinowe. W przewaajcej iloci przypadkw zoe fluidalne stanowi materia obojtny

wobec substratw jak i produktw procesu spalania. Najczciej stosowanym materiaem jest

piasek lub piasek kwarcowy o rnym stopniu uziarnienia. Fluidyzacja polega na

wprowadzeniu materiau sypkiego w taki stan, w ktrym kade z ziaren uzyskuje moliwo

swobodnego ruchu w obrbie warstwy fluidalnej, upodabniajc waciwoci tej warstwy do

cieczy. Rozlunienie ziaren i ich swobodny ruch mona wywoa przetaczajc przez minera

sypki ciecz lub gaz (np. powietrze) bd poddajc go wibracji. W wypadku spalania

w warstwie fluidalnej odpadw staych skuteczno realizacji procesu fluidyzacji oraz

spalania wie si z odpowiednim ich rozdrobnieniem do frakcji poniej 50mm. Piec

fluidalny do spalania odpadw stanowi komora o wyoeniu ogniotrwaym z inertnym zoem

z piasku kwarcowego lub innego materiau fluidyzacyjnego (z tlenku glinu, wglanu wapnia

lub ceramicznego), mona zastosowa materia aktywny np. naturalne zeolity jak to

uczyniono w niniejszej rozprawie. Niezbdnym elementem pieca jest ruszt podtrzymujcy

zoe oraz system doprowadzania i rozprowadzania czynnika fluidyzujcego (najczciej

powietrza) w strefie podrusztowej [4,60,70,71, 93,195].

Proces spalania przebiega najczciej w temperaturach rzdu 800-900oC i z 25-150%

nadmiarem powietrza (=1,25-2,5 a nawet i wikszym). Spalanie odpadw

niskokalorycznych wymaga czasami doprowadzenia dodatkowego paliwa. Moliwo

wprowadzenia do zoa sorbentw (np. wapna lub kamienia wapiennego) wicych kwane

zanieczyszczenia gazowe, jak rwnie utrzymywanie temperatury zoa na cile okrelonym

31

i niezbyt wysokim poziomie pozwala na prowadzenie kontrolowanych reakcji chemicznych

i efektywne stosowanie pierwotnych metod ograniczania iloci powstajcych zanieczyszcze

lub ich usuwania ju w obrbie paleniska [113]. Jest to cecha charakterystyczna i ogromna

zaleta wszystkich kotw fluidalnych stosowanych w energetyce. W ten sposb najczciej

nie musi by ju prowadzone dopalania spalin, a ich oczyszczanie moe by realizowane

taszym kosztem. W niektrych rozwizaniach komora fluidalna wsppracuje z komor

spalania, z ktrej spaliny s wwczas stosowane w charakterze czynnika fluidyzujcego,

a dodatkowe powietrze jest dodawane powyej warstwy. Moliwa jest take wsppraca

z komor cyklonow [95,125,160,168,185].

Spalanie cyklonowe

Spalanie cyklonowe mona stosowa gwnie do unieszkodliwiania odpadw staych

(ziarnistych lub odpowiednio rozdrobnionych) i szlamowych, rzadziej ciekych czy w postaci

par. Komora cyklonowa uksztatowana jest w postaci stalowego cylindra zakoczonego

w dolnej czci stokiem. Powietrze spalania wprowadza si poprzez szereg dysz, co

gwarantuje wymuszony, rotacyjny przepyw gazw. Wraz z faz gazow w rotacji pozostaj

take spalane odpady. Czas spalania czstek staych jest zaleny od ich wielkoci i reguluje

si samoczynnie. Grubsze frakcje popiou opadaj na dno komory, do czego wydatnie

przyczynia si wirowy charakter ich przepywu i dziaanie siy odrodkowej. Popi lotny

jest unoszony z komory spalania i zostaje odpylony poza ni w wysokosprawnym odpylaczu.

Cyklonowa komora moe by wykorzystywana w charakterze komory dopalania

wsppracujcej z piecem obrotowym lub rusztowym [114].

Dopalanie gazw spalinowych

Podobnie jak piece obrotowe, inne typy piecw do spalania odpadw niebezpiecznych

wyposaone s czsto w dodatkow komor dopalania spalin. Jej stosowanie jest niezbdne

wwczas, gdy sama komora spalania nie spenia wymogw wynikajcych z przepisw

prawnych dotyczcych sposobu prowadzenia tego procesu. Jak ju wczeniej wspomniano,

zarwno w krajach Unii Europejskiej, jaki w naszym kraju przepisy te mwi, e spaliny

pochodzce ze spalania odpadw niebezpiecznych musz przebywa w odpowiednio

wysokich temperaturach (850-1100oC w zalenoci od zawartoci chloru w zwizkach

organicznych) przez co najmniej 2 sekundy i posiada zawarto tlenu powyej 6%. Warunki

te powinny ograniczy do minimum ilo odprowadzanych z instalacji spalania toksycznych

32

zwizkw organicznych, jak rwnie innych zwizkw niezupenego spalania (CO, H2S itp.).

Zatem, komora dopalania jest w zasadzie komor spalania gazw, ale o odpowiednich

parametrach pracy. Sam proces dopalania gazw z zaoenia jest procesem homogenicznym,

przez to w peni moliwe jest uzyskane zaoonego efektu kocowego [16,117,135, 193].

Odgazowanie odpadw

Niedogodnoci zwizane z unieszkodliwianiem odpadw metod bezporedniego

spalania spowodoway w ubiegych latach zainteresowanie metodami odgazowania

i zgazowania [88]

Proces odgazowania to jedna z metod termicznego unieszkodliwiania odpadw

stosowana coraz czciej nie tylko do odpadw komunalnych, ale rwnie przemysowych,

a szczeglnie do odpadw medycznych i weterynaryjnych. Odgazowanie jest to zesp

procesw fizykochemicznych, ktre naley zainicjowa i przeprowadzi aby uzyska efekt

w postaci termicznego rozkadu paliwa staego, ciekego lub gazowego oraz rnego rodzaju

wglowodorw tworzcych substancje organiczne w odpadach. Proces odgazowania

przeprowadza si w warunkach beztlenowych. W konsekwencji prowadzi to do termicznego

rozpadu czsteczek chemicznych o wikszym ciarze czsteczkowym na czsteczki

o mniejszym ciarze czsteczkowym a nastpnie rozszczepienie duych czsteczek

wglowodorw na mniejsze. Ze wzgldu na panujce cinienie w reaktorze rozrnia si

proces bezcinieniowy lub cinieniowy, a w przypadku uycia gazw roboczych proces

fluidalny. Od strony technologicznej, znane i stosowane s dwie zasadnicze techniki

prowadzenia procesu odgazowania: w zou zwartym lub w zou zdyspergowanym.

W kadej z tych technik proces mona prowadzi w reaktorze o ruchu cigym lub

w reaktorze o ruchu okresowym. Proces odgazowania w przedziale temperaturowym do

400oC jest procesem niskotemperaturowym i nazywa si wytlewaniem, a zachodzcy powyej

600oC nazywa si piroliz, powyej 1400oC profuzja [145,157,155,161].

Celem procesu odgazowania jest przetworzenie odpadw w produkty uyteczne, takie

jak gaz wytlewny, wglowodory cieke oraz pozostao o cechach paliwa staego,

bezdymnego i odsiarczonego. Celem minimum, osiganym na wikszoci maogabarytowych

instalacji wykorzystujcych te procesy jest jedynie uzyskanie gazu wytlewnego, ktry atwiej

podda procesowi cakowitego i zupenego spalania ni odpady zastosowane jako wsad

procesowy [84,103,124].

Produktem lotnym odgazowania odpadw jest przede wszystkim gaz wytlewny,

surowy. Gazy wytlewne i pirolityczne maj charakter gazw olefinowych i opaowych

33

skadaj si gwnie z CO, CO2, H2, CH4 i wyszych wglowodorw alifatycznych.

W reaktorach z inicjujcym proces przeponowym podgrzewaniem zoa uzysk gazu surowego

wytlewnego moe wynosi od 0,4 do 1,0 m3/kg suchej masy odpadw. Warto opaowa gazu

wynosi od 8,0 do15,0 MJ/m3. W reaktorach o bezporednim podgrzewaniu zoa spalinami

uzysk gazu surowego wynosi od 1,0 do 3,5 m3/kg. W tym rozwizaniu gaz surowy jest

mieszanin gazu wytlewnego i gazw grzewczych. Jego warto opaowa jest odpowiednio

nisza i mieci si w przedziale od 4,5 do 9,0 MJ/m3. Produkty cieke w postaci rnego

rodzaju smoy, wody poprocesowej powstajcej z wilgoci wsadu, mog by rwnie

w postaci benzynopodobnej bd benzolu i po procesie nadaj si do dalszego przetwarzania

lub mog by stosowane jako paliwo. Staa pozostao to mieszanina substancji organicznej

i mineralnej zawiera pkoks, koks i balast mineralny. Ta faza zawiera niewiele czci lotnych

lub praktycznie jest ich zupenie pozbawiona. Konsekwencj stosunkowo niskiej temperatury

i braku tlenu w procesie jest to, e stosunek substancji palnej do mineralnej w tym produkcie

wysoki, zasadniczo powyej 2, cho s moliwe wartoci nisze dla procesw pirolizy

[32,98,114].

Skad i waciwoci produktw odgazowania wystpujce w rozmaitej iloci i jakoci

zale od charakteru przerabianego materiau odpadowego i technologii jego przetwarzania

(wytlewanie, piroliza) a zwaszcza od kocowej temperatury procesu. Poniewa wszystkie

powyej omwione produkty procesowe mog by skutecznie wykorzystywane jako paliwo,

to w warunkach technologicznych dominuje tendencja, aby produkty te spala bezporednio

na miejscu bez wstpnego rozdzielania i oczyszczania. Uzyskan energi na sposb ciepa

wykorzystuje si do podtrzymania procesu wytlewania lub pirolizy, a jej nadmiar oferowany

jest dopiero dla odbiorcw zewntrznych. Proces odgazowania ogranicza u podstaw emisj

zanieczyszcze podprocesowych. Z uwagi na do liczne opracowania dot. odgazowania

istnieje wiele systemw procesu wytlewania i pirolizy [2,193]. Gwnym czynnikiem

rozrniajcym te systemy s:

o konstrukcja reaktorw otwarte, zamknite,

o usytuowanie reaktorw pionowe, poziome,

o systemy dziaania proces cigy, okresowy,

o ogrzewanie reaktorw wewntrzne, zewntrzne,

o temperatura 350-1500oC,

o rozkad temperatury wewntrz reaktora,

o czas zatrzymywania w strefie o rnej temperaturze.

34

Naley zauway, e istotnym parametrem procesu pirolizy jest jako i posta wsadu,

jego skad frakcyjny, przewodnictwo cieplne i waciwoci paliwowe. Wikszo

opracowanych technologii stosuje wstpn obrbk odpadw przed wprowadzeniem do

reaktora. Moe si ona ogranicza w najprostszym przypadku do rozdrabniania i wydzielania

metali, a w najpeniejszym przypadku do cakowitego podziau odpadw na poszczeglne

skadniki. Do komory pirolitycznej reaktora kierowana jest wwczas jedynie frakcja palna,

niekiedy po wstpnym podsuszeniu (przebieg procesu - tab. 4.6).

Tab. 4.6 Przebieg procesu odgazowania substancji organicznych [141]

temperatura 0C zachodzce zjawiska i procesy

100200 suszenie fizyczne oddzielanie wody

250 dalsze oddzielanie wody H2O i dwutlenku wgla CO2 depolimeryzacja

340 rozpad wglowodorw alifatycznych pocztek oddzielania si metanu CH4 i innych lotnych zwizkw organicznych

380 wzbogacenie gazu wytlewnego w zwizki wgla

400 rozkad kwasw organicznych oraz organicznych zwizkw azotu

500600 zmiana substancji bitumicznej w olej lub smo wytlewn

600 krakowanie oleju wytlewnego na gazowe wglowodory o krtkich acuchach powstawanie zwizkw aromatycznych

600800

dimeryzacja olefinowa powstawanie butylenu C4H8 odwodornienie do butadienu C4H6

reakcje z etylenem C2H4 powstawanie cykloheksanu i zwizkw aromatycznych o wyszej temperaturze wrzenia

Proces zgazowania

Zgazowanie jest to zesp wielokierunkowych przemian termicznych i chemicznych,

w ktrych substancje organiczne paliw staych i ciekych, a take odpadw pod wpywem

nagrzewania i reagowania chemicznego z utleniaczami s przeksztacane w paliwo gazowe

lub surowiec chemiczny. Proces ten jest prowadzony w temperaturze 40012000C

w obecnoci powietrza, tlenu lub pary wodnej. rdem ciepa dla procesu zgazowania jest

reakcja utleniania czci (2030%) pierwiastka wgla zawartego we frakcji staej za pomoc

czynnika zgazowujcego (powietrze, tlen, para wodna, dwutlenek wgla i inne mieszaniny

gazw roboczych) [141,143].

Poniewa zgazowanie odpadw prowadzi do cakowitego przeksztacenia si ich

w paliwo gazowe. W procesie zgazowania zachodz reakcje: spalania paliwa, rozkadu pary

wodnej i redukcji dwutlenku wgla. Zgazowanie paliwa moe zachodzi z czciowym

spalaniem odpadw w przestrzeni generatora i poza jego przestrzeni, w warstwie

nieruchomej lub w zawiesinie. Proces zgazowania moe by prowadzony w sposb cigy lub

35

okresowy. Zalenie od cinienia, rozrnia si zgazowanie paliwa bezcinieniowe

i cinieniowe. Reakcje z tlenem lub powietrzem podawanym do procesu w ilociach

niewystarczajcych do cakowitego spalenia s egzotermiczne i zapewniaj odpowiedni ilo

energii dla ogrzania ukadu dla zapewnienia wymaganej temperatury, podczas gdy inne

reakcje, np. z par wodn i dwutlenkiem wgla s endotermiczne. Proces do inicjacji wymaga

dostarczenia ciepa, przy czym zapotrzebowanie to jest wiksze w przypadku zgazowania

odpadw ni zgazowania wgla [193].

W wypadku zgazowania realizowanego w obecnoci powietrza w gazie syntezowym

pojawia si w wikszych ilociach azot przez co jest on mniej kaloryczny, a w wypadku

zgazowania w wysokich temperaturach znacznie spada zawarto CO2 i H2O na korzy CO

i H2. Jeeli czynnikiem zgazowujcym bdzie powietrze to otrzymuje si gaz saby o warto

opaowa okoo 5 MJ/m3, a jeeli tlen to gaz mocny do 10MJ/m3. W skad fazy lotnej wchodz

take powstajce w omawianych procesach inne gazowe zwizki nieorganiczne (H2S, HCl,

HF, HCN czy NH3) oraz wraz z ni s czciowo unoszone drobne pyy mogce zawiera

metale cikie i sadz z zaadsorbowanymi wyszymi zwizkami organicznymi (w tym

z wglowodorami aromatycznymi). Zanieczyszczenia te musz by w znacznym stopniu

usunite przed spaleniem lub innym wykorzystaniem gazu. Istnieje rwnie moliwo

bezporedniego spalenia gazu surowego (nie oczyszczonego) w danej instalacji, ale wymaga

to z reguy utrzymania wysokich temperatur w komorze spalania. [141].

Zgazowanie w przeciwiestwie do spalania zachodzi z niedomiarem tlenu lub

powietrza i przebiega bardzo wolno. Proces ten obejmuje gwnie utylizacj odpadw

medycznych, sm podestylacyjnych z przemysu koksowniczego i chemicznego, odpadw

lakierniczych itp.

Uzupenieniem wczeniej opisanych procesw termicznych s dwa procesy suce do

przetwarzania odpadw w kierunku zamykania obiegw materiaowych i pierwiastkowych.

S to odpowiednio proces destylacji i rektyfikacji.

Proces destylacji

Destylacja i jej specyficzna odmiana rektyfikacja s dyfuzyjnymi operacjami

jednostkowymi. Pomimo, e s energochonne znajduj szerokie zastosowanie w przemyle

i laboratoriach [9]. Destylacja jest procesem, ktrego celem jest rozdzielenie mieszaniny

cieczy na jej skadniki. Polega ona na odparowaniu cieczy, odebraniu i skropleniu powstaych

par. Ciecz skroplona jest bogatsza w skadnik lotniejszy nazywana jest destylatem, natomiast

pozostao nieodparowana nazywa si ciecz wyczerpan (pogonem). Podstaw rozdziau

36

stanowi rnica w lotnoci skadnikw. Efektywno rozdzielania na drodze destylacji jest

w wielu przypadkach niewystarczajca. Aby otrzyma czyste skadniki konieczne jest

wielokrotne odparowanie cieczy i skroplenie par. Wielokrotne odparowanie cieczy

i skroplenie par mona uzyska albo powtarzajc wielokrotnie destylacj lub przeprowadzajc

jedn operacj nazywan rektyfikacj.

Proces rektyfikacji

Rektyfikacja jest operacj, ktrej celem jest rozdzielenie ciekego roztworu (surwki)

na skadniki. Umoliwia uzyskiwanie praktycznie dowolnego stopnia rozdziau. Faz gazow

wytworzon przez czciowe odparowanie cieczy doprowadza si w przeciwprdzie do

intensywnego kontaktu z ciecz, ktra stanowi kondensat wytworzony ze skroplenia par.

Dwie kontaktujce si ze sob fazy maj rne temperatury i rne skady (nastpuje

jednoczesna wymiana masy i ciepa). Ciecz jest chodniejsza i zawiera skadniki lejsze,

natomiast para, ktra ma wysz temperatur jest bogatsza w skadniki cisze.

W konsekwencji tych procesw przechodzce przez kolumn opary wzbogacaj si

w skadnik najbardziej lotny, za ciecz spywajca w d kolumny wzbogacana jest

w skadnik mniej lotny. W momencie zetknicia obydwie fazy d do uzyskania stanu

rwnowagi, ktry w praktyce nigdy nie zostaje osignity ze wzgldu na krtki czas kontaktu

i niedokadno wymieszania.

Proces rektyfikacji obejmuje trzy zabiegi [9,21]:

o czciowe odparowanie cieczy w kotle rektyfikacyjnym w celu wytworzenia

pyncych ku grze par;

o waciw rektyfikacj (frakcjonowanie), ktra odbywa si zazwyczaj

w przeciwprdowej kolumnie rektyfikacyjnej, ktrej zadaniem jest zapewnienie

intensywnego kontaktu obydwu faz;

o kondensacja par uchodzcych ze szczytu kolumny i czciowe zawracanie skroplin do

kolumny w celu zasilenia jej ciecz.

Z kota odprowadzana jest ciecz wyczerpana zawierajca skadniki cikie, a nie zawrcona

do kolumny cz skroplin stanowi destylat bogaty w skadniki lejsze [61]. Rektyfikacja jest

operacj o znacznym rozpowszechnieniu przemysowym wynikajcym z zalet tej metody jako

termicznego rozdziau ciekych mieszanin, pozwalajcych na optymalne wykorzystanie

surowcw przy minimalizacji nakadw energetycznych. Niska temperatura w kotle kolumny

zapewnia jednoczenie minimalne stenie produktw rozkadu skadnikw rektyfikowanych

w aparacie, co chroni rodowisko naturalne przed zanieczyszczeniem [73]. Rektyfikacj

37

prowadzi si w kolumnach (jednej albo kilku poczonych szeregowo). Faza cieka przepywa

przez kolumn grawitacyjnie z gry do dou, faza gazowa przemieszcza si od dou do gry

wskutek rnicy cinie. Kolumna rektyfikacyjna ma ksztat stojcego walca. Wewntrz

kolumna wyposaona jest w pki o rnej konstrukcji lub zawiera wypenienie. Wypenienie

stanowi drobne elementy szklane lub metalowe stosowane celem powikszenia powierzchni

zetknicia fazy ciekej z gazow (np. piercienie Raschiga) mog by stosowane jako

zamiennik naturalne zeolity [94]. Konsekwencj rnic konstrukcyjnych w kolumnach

pkowych i z wypenieniem jest to, e w kolumnie pkowej zetknicie faz odbywa si tylko

na pkach, podczas gdy w kolumnie z wypenieniem kontakt fazy ciekej i gazowej zachodzi

nieprzerwanie na caej dugoci kolumny.

Procesy skojarzone

Wysokotemperaturowe procesy przemysowe oraz energetyczne spalanie paliw od

wielu lat znajduj zastosowanie jako jedna z termicznych metod utylizacji odpadw.

Bezporedni przesank do skojarzenia tych procesw ze spalaniem odpadw palnych jest

ch zaoszczdzenia paliw podstawowych jako nieodnawialnych bogactw przyrody.

Najpowszechniej obecnie wykorzystywany jest do tego celu proces wypalania

klinkieru cementowego w piecach obrotowych. W procesie tym istniej prawie idealne

warunki do utylizacji odpadw niebezpiecznych [137,139]:

o wewntrz piecw cementowych panuj bardzo wysokie temperatury, wynikajce

z potrzeby podgrzania materiaw wsadowych do okoo 1450oC a nawet 1800oC,

o duga i wska komora spalania zapewnia dugi czas przebywania gazw w wysokich

temperaturach (4-10s), co w poczeniu z du turbulencj strumienia gazw powoduje

w zasadzie cakowity rozkad oraz spalenie czci palnych,

o omawiany proces cechuje si du powierzchni wymiany masy i ciepa, ktra podlega

cigej i wydajnej regeneracji, co w zwizku z wystpowaniem silnie alkalicznego

rodowiska przyczynia si do daleko posunitej absorpcji w zawiesinie mki

surowcowej kwanych zanieczyszcze gazowych, powstajcych w procesie spalania

(HCl, HF, SO2),

o piece cementowe zapewniaj take znaczn bezwadno ciepln, wykluczajc szybkie

zmiany temperatury (np. w trakcie chwilowego zaniku pomienia),

o niepalne czci paliw odpadowych oraz zawarte w nich metale cikie trwale i prawie

w caoci wbudowuj si w klinkier, przez co proces ten nie jest rdem powstawania

38

odpadw wtrnych, charakterystycznych dla typowych spalarni odpadw

[151,152,156].

Maksymalna dawka kierowana do pieca cementowego zaley gwnie od skadu stosowanych

odpadw i ich wartoci opaowej, ale te od parametrw technicznych pieca. Powinna ona

zapewnia prawidowy przebieg caego procesu wypalania klinkieru, w tym nie zagraa

stosowanym urzdzeniom oraz nie wpywa negatywnie na jako produkowanego cementu

(jednostkowo wprowadzano nawet do 30% odpadw).

Wrd innych gazi przemysu, w ktrych stosuje si rednio

i wysokotemperaturowe procesy obrbki rnych surowcw jest duy potencja moliwoci

zastosowania odpadw jako nonika energii czciowo zastpujcych paliwa podstawowe.

Wymieni tutaj mona choby przemys wapienniczy, ceramiczny, szklarski, tworzyw

sztucznych, petrochemiczny, metalurgiczny [99,110].

W kotach stosowanych w energetyce rwnie moliwe jest wykorzystanie odpadw

w mieszance z wglem czy innym paliwem tradycyjnym. Dotyczy to gwnie odpadw

zaliczanych do innych ni niebezpieczne lub sporzdzonych z nich paliw zastpczych (SRF,

RDF) (odpady komunalne, biomasa, zuyte opony, osady ciekowe, zaolejone odpady,

substancje tuszczowo-oleiste itp.). Stosowanie odpadw lub paliw odpadowych

w paleniskach kotowych wymaga specjalnego zezwolenia i moe powodowa szereg

problemw eksploatacyjnych. W tabeli 4.7. zawarto porwnanie warunkw temperaturowych

w rnych obiektach do spalania odpadw [3,150,167,173,193].

Tab 4.7. Porwnanie warunkw temperaturowych w rnych urzdzeniach do spalania odpadw i obrbki surowcw oraz kotach energetycznych [193]

typ urzdzenia

temperatura gazw

oC

czas przebywania spalin w wysokich temperaturach, s

piece rusztowe bez dopalania spalin 900-950 1 piece rusztowe z dopalaniem spalin 900-1200 2-3 piece obrotowe z komor dopalania spalin 850-1300 2-3 piece cementowe 1400-1600 8-10 piece wapiennicze 1095 8 piece hutnicze 1870 1 piece do wypalania cegy 1200 4 piece szklarskie 1260 4 tradycyjne koty stosowane w energetyce 950-1050 1