Kształtowanie gospodarki odpadami - innowacyjne metody

Jednocześnie wraz ze wzrostem znaczenia gospodarki zrównoważonej, tj. biorącej pod uwagę interes przyszłych pokoleń, w części krajów rozwiniętych podjęto starania zmierzające do zwiększenia poziomu recyklingu, tj. odzysku, w ramach którego odpady są ponownie przetwarzane na produkty, materiały lub substancje wykorzystywane w pierwotnym lub innych celach (nieenergetycznych). W tym okresie przodującymi krajami w zakresie recyklingu były Niemcy - 48%, Belgia i Szwecja - 35% oraz Holandia - 32%.

Jednym z istotnych motywów promocji recyklingu była świadomość wyczerpywania się bądź mała dostępność pewnych zasobów (np. fosforu oraz węglowodorów kopalnych). Pomimo że światowe zasoby fosforu są dość bogate, to europejskie rezerwy skał fosforanowych są bardzo ograniczone, a koszty fosforytu niestabilne, np. 700-procentowy wzrost cen w 2018 r.1. Najważniejsze zastosowanie, czyli produkcja pasz i nawozów pochłania ok. 90% całości wydobywanych zasobów, co ogranicza możliwości wykorzystywania fosforu do innych celów. Właściwy recykling odpadów zawierających duże ilości fosforu (np. odpadów biodegradowalnych) przyczyniłoby się do zapewnienia zaopatrzenia w ten ważny surowiec. Ponadto rośnie świadomość potrzeb gospodarki (w tym przemysłu chemiczno-rafineryjnego i innych) w zakresie wykorzystania biomasy, w tym biomasy odpadowej. Proste spalanie biomasy (oraz węgla) może być w niedługim czasie ekonomicznie nieuzasadnione, a nawet gospodarczo szkodliwe.

Przepisy i propozycje KE

Zagadnienia te oraz motywy uwzględniono w Dyrektywie 2008/98/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z 19 listopada 2008 r. o odpadach oraz w czterech jej dokumenty interpretacyjnych, które ukazały się w latach 2011 i 20122. W tekstach tych położono nacisk na działania mające na celu zapobieganie powstawaniu odpadów, czyli na tzw. gospodarkę zeroodpadową (zwaną obecnie recyrkulacyjną lub o obiegu zamkniętym), choć dopuszczały działania mające na celu przygotowywanie do ponownego użycia lub recykling.

Przez "recykling" dyrektywa 2008/98/EC2 rozumie: odzysk, w ramach którego odpady są ponownie przetwarzane na produkty, materiały lub substancje wykorzystywane w pierwotnym celu lub innych celach; obejmuje to ponowne przetwarzanie materiału organicznego (recykling organiczny), ale nie obejmuje odzysku energii i ponownego przetwarzania na materiały, które mają być wykorzystane jako paliwa lub do celów wypełniania wyrobisk. Oznacza to, że o zaliczeniu procesu do recyklingu nie decyduje sam proces technologiczny, ale proces wraz z celem: Celem recyklingu ma być uzyskanie substancji lub materiału o przeznaczeniu pierwotnym lub innym [...] - o tym, czy dany proces jest recyklingiem, czy nie, decydują jego efekty, czyli uzyskany produkt3. Z tej interpretacji wynika, że np. proces polegający na produkcji z odpadów gazu syntezowego (syngazu) i wykorzystaniu go w celu generowania energii elektrycznej i ciepła nie jest recyklingiem, a jedynie odzyskiem energii (niżej niż recykling pozycjonowanym procesem w hierarchii działań w gospodarce odpadami). Jednak gdy syngaz zostanie wykorzystany w przemyśle chemicznym do syntezy chemikaliów, cały proces zyska status recyklingu. Do recyklingu dyrektywa wraz z dokumentami interpretacyjnymi zalicza procesy kompostowania lub fermentacji metanowej, pod warunkiem że poferment przestaje być odpadem, a staje się produktem, tzn. może być użyty jako nawóz lub polepszacz gleby w zastosowaniach rolniczych bądź do rekultywacji terenów zdegradowanych (art. 2, pkt 6 dyrektywy 2008/98/EC2). W tym sensie wykorzystanie kompostu lub pofermentu jako paliwa w instalacjach termicznej utylizacji uniemożliwia zaliczenie odpadów poddanych kompostowaniu lub fermentacji do recyklingu, przesuwając je do niższej kategorii w hierarchii procesów zagospodarowania odpadów, do tzw. innych metod odzysku.

Ambitny cel osiągnięcia 50% recyklingu odpadów komunalnych nie tylko stanowi wyzwanie dla gmin w Polsce, ale wprowadza rewolucyjne zmiany w gospodarce odpadami w krajach przodujących w zakresie termicznej utylizacji odpadów komunalnych. Przykład zmian polityki w gminie Næstved (w Danii) omówiono w opracowaniu4. Dowodzi ono, że cel 50% recyklingu jest możliwy do osiągnięcia pod warunkiem zagospodarowania biodegradowalnej frakcji odpadów oraz pofermentu lub kompostu. Wymaga to segregacji biodegradowalnych odpadów w gospodarstwach domowych. Zachęca do tego art. 22 dyrektywy 2008/98/EC2, zgodnie z którym kraje członkowskie winny tam, gdzie jest to możliwe, wspierać separację bioodpadów celem poddania procesowi fermentacji lub kompostowania.

Postulaty dyrektywy 2008/98/EC2 w zakresie gospodarki bezodpadowej zostały ostatnio podkreślone w komunikacie "Ku gospodarce o obiegu zamkniętym: program zero odpadów dla Europy"5 (COM(2014) 398 final), adresowanym do Parlamentu Europejskiego, Rady, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego i Komitetu Regionów. Chodzi o dążenie do gospodarki zrównoważonej, a komunikat odnosi się do takich jej kryteriów, jak: efektywność surowcowa, sprawność energetyczna, ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, odpowiedzialność socjalna (unikane konfliktu z produkcją żywności oraz wspieranie lokalnego rynku).

W komunikacie postulowany jest wzrost recyklingu do 70% wszystkich odpadów w 2030 r. oraz do 80% w przypadku opakowań. Od 1 stycznia 2025 r. nie będzie można składować odpadów nadających się do recyklingu (w tym tworzyw sztucznych, metali, szkła, papieru i tektury oraz odpadów biodegradowalnych). Od stycznia 2030 r. na składowisko będzie można przyjąć nie więcej niż 5% masy całkowitej odpadów z roku poprzedniego. Komisja planuje też dalsze działania legislacyjne w zakresie bezpieczeństwa podaży fosforu. Ważnymi aspektami działań w omawianym komunikacie są promocja i rozwój rynków dla wysokiej jakości materiałów odzyskiwanych. Rozwój stabilnych rynków dla tego typu materiałów to zagadnienie często niedoceniane, co prowadzi do zaniechania wielu cennych inicjatyw.

Polskie gminy opracowujące systemy zagospodarowania odpadów muszą wziąć pod uwagę zamierzenia UE w zakresie prawa o odpadach i zaplanować działania pozwalające na osiągnięcie wysokich poziomów recyklingu. Będzie to możliwe jedynie wskutek radykalnych (niemal rewolucyjnych) zmian w zakresie zagospodarowania FOOK (frakcji organicznej odpadów komunalnych). Produkowany obecnie w wielu RIPOK-ach kompost (ze względu na złą jakość i zanieczyszczenia) nie ma szans na stanie się produktem ubocznym (a nie odpadem), co uniemożliwia uznanie takiego procesu kompostowania za recykling. Najbardziej naturalnym rozwiązaniem wydaje się selekcja odpadów biodegradowalnych u źródła, zgodnie z zaleceniem Komisji UE. Innym sposobem (dużo trudniejszym technicznie) jest segregacja (w tym hydromechaniczna) odpadów w RIPOK-u przed lub po procesie kompostowania/fermentacji metanowej. Biorąc pod uwagę efektywność energetyczną oraz finansową bardziej racjonalne niż kompostowanie wydaje się stosowanie procesu fermentacji i wykorzystanie biogazu do produkcji energii oraz ciepła.

Po wykorzystaniu wszelkich możliwości recyklingu reszta, głównie odpady posortownicze i balast o kaloryczności powyżej 6 MJ/kg, trzeba zagospodarować przez technologie termicznej obróbki z produkcją energii i ciepła. Już od początku 2016 r. nie można ich składować na kwaterach. Planując tego typu instalacje, należy wziąć pod uwagę ilość dostępnej suchej (palnej) frakcji odpadów tzw. pre-RDF-u. Nowe krajowe technologie zgazowania lub spalania w małej i średniej skali dają nadzieję na ograniczenie kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych (przez zredukowanie ilości transportów do regionalnych megainstalacji obróbki termicznej - czasem nawet powyżej 150 km). Zastosowanie tych rozwiązań dodatkowo pobudzi lokalny rynek pracy oraz zwiększy zyski RIPOK-ów z produkcji energii.

Poniżej autorzy dokonali przeglądu nowych technologii lub nowych zastosowań znanych technologii w świetle obowiązujących i planowanych przepisów UE. Pod lupę weźmiemy techniki takie jak (alfabetycznie): autoklawowanie, biosuszenie, ciśnieniowe wyciskanie odpadów zmieszanych, depolimeryzacja, ekstruzja elementów z odpadowych tworzyw sztucznych, fermentacja metanowa, separacja hydro-mechaniczna oraz zgazowanie. Część z tych technologii stanowi proces pełnego odzysku (tj. od substratu odpadowego do produktu końcowego) inne (jak separacja hydromechaniczna) stanowią jedynie pewien etap, choć mogą pozytywnie wpływać na przebieg procesu technologicznego. Pełen innowacyjny proces recyklingu jest możliwy w procesach depolimeryzacji, ekstruzji elementów z odpadowych tworzyw sztucznych, fermentacji metanowej czy zgazowania (spalanie stanowi również opcję pełnego odzysku energii, ale nie jest ono już dzisiaj procesem innowacyjnym ze względu na ilość wdrożeń, choć pewne elementy są ciągle udoskonalane). Pozostałe technologie to przykłady pewnych cząstkowym rozwiązań i od nich warto rozpocząć przegląd, aby potem do nich wracać, przedstawiając ich potencjalne zastosowania.

Technologie stanowiące rozwiązania cząstkowe odzysku

Autoklawowanie

Autoklawowanie odpadów komunalnych jest stosunkowo nową koncepcją, choć autoklaw to technologia znana od wielu lat, a proces został zastosowany do utylizacji odpadów klinicznych i do sterylizacji (niszczenia patogenów i biozanieczyszczeń) sprzętu laboratoryjnego oraz medycznego. Technologia ta polega na mechaniczno-cieplnej obróbce odpadów, której zakres jest regulowany w zależności od morfologii odpadów za pomocą trzech czynników fizycznych: temperatury, ciśnienia oraz czasu. Celem jest doprowadzenie "surowych" odpadów komunalnych (SOK) do stanu, w którym można będzie rozdzielić je na elementy składowe. Proces polega na umieszczeniu SOK-ów w hermetycznie zamkniętym bębnie, w którym odpady podlegają procesowi podobnemu do "gotowania", np. w temperaturze 160ºC i przy ciśnieniu 5,2 barów w celu eliminacji odorów oraz patogenów.

Sam proces autoklawowania nie prowadzi do pełnego odzysku surowców czy produktów niebędących odpadami. Ważnym element to późniejsze mechaniczne sortowanie (w celu selekcji aluminium, innych metali nieżelaznych, żelaznych, tworzyw sztucznych, szkła, pre-RDF-u i frakcji biodegradowalnej) oraz technologia utylizacji frakcji biodegradowalnej (np. technologia RotoSTERIL firm Bioelektra Group lub Envipa). Surowce po procesie autoklawowania są czyste, pozbawione etykiet, farb, klejów i innych zanieczyszczeń6. Spośród proponowanych technologii utylizacji termicznej (spalanie lub zgazowanie) i fermentacji metanowej ta druga technologia utylizacji frakcji biodegradowalnej jest preferowaną z punktu widzenia prawa UE. Szczególnie ciekawe zastosowanie procesu autoklawowania wiąże się z możliwością dezaktywowania prionów w temperaturze 132ºC i ciśnieniu 1,43 bara przez 90 min lub po zanurzeniu w NaOH przy temperaturze 121ºC i ciśnieniu 1,43 bara przez 60 min.

Stawiany technologii zarzut, że odpady są mokre i charakteryzują się "negatywną" wartością kaloryczną, nie jest chyba właściwy, biorąc pod uwagę ich temperaturę po procesie i proces parowania. Natomiast przed podjęciem decyzji o zakupie określonej technologii warto zadać sobie pytanie o aspekty ekonomiczne i energetyczne procesu. Różnice pomiędzy technologiami mogą być znaczące.

Biosuszenie

Proces biosuszenia polega na intensywnym grzaniu frakcji FOOK za pomocą ciepła powstającego w trakcie tlenowego rozkładu (prowadzonego przez mikroorganizmy, np. bakterie tlenowe, nicienie itp.) masy organicznej w pryzmach. Proces ten zbliżony jest do kompostowania bez dodatkowego dostarczania wody. Temperatura pryzm szybko (1-2 dni) osiąga poziom 70-80ºC, powodując intensywne parowanie wody zawartej w odpadach. Proces intensyfikowany jest przez ciągłe natlenianie pryzm za pomocą systemu napowietrzania (system wentylacji procesowej pracuje w Eko Dolinie ok. 20 godz. na dobę). W celu skuteczniejszego napowietrzenia pryzmy są dwa razy w tygodniu przerzucane za pomocą przerzucarki bramowej. Przerzucanie pryzm dodatkowo formuje je oraz zapobiega zagęszczaniu odpadów i utrzymuje ich wysoką porowatość, co ułatwia parowanie wody. Skutkiem odparowania wody jest stopniowe zamieranie flory bakteryjnej oraz procesu, co powoduje spadek temperatury w pryzmie. Biosuszenie odbywa się w szczelnie zamkniętej hali i trwa ok. 14 dni. Powietrze procesowe oraz z wentylacji hali oczyszczane jest w biofiltrze.

W przypadku Eko Doliny proces ten wprowadzono ze względu na 100-procentowy wzrost strumienia FOOK, wynikający z przepisów rozporządzenia Ministra Środowiska o mechaniczno-biologicznym przetwarzaniu odpadów (obowiązek włączenia do procesu kompostowania frakcji 0-20 mm) oraz z ograniczonej przepustowości kompostowni. Proces prowadzony jest w byłej kompostowni, a zaprojektowana i wybudowana instalacja w RIPOK-u Eko Dolina (fot. 1) w trybie biosuszenia ma przepustowość 60 tys. Mg odpadów/rok. Wdrażając biosuszenie założono zagospodarowanie biosuszu w zewnętrznych instalacjach przetwarzania odpadów, m.in. w pryzmach energetycznych. Po zakończeniu procesu odpady są łatwiejsze do transportowania do miejsca ich ostatecznego przetworzenia, gdyż nie zagniwają oraz mają dużo mniejsze od SOK-ów masę i objętość. Biosusz odbierany jest transportem kołowym. W ciągu doby wysyła się 6-7 samochodów, każdy z ok. 24 Mg ładunku. Przed wysłaniem biosusz zostaje poddany dodatkowej obróbce mechanicznej - separacji metali żelaznych, która odbywa się w urządzeniach wewnątrz zamkniętej hali. Odzysk metali żelaznych to średnio ok. 1,2 Mg miesięcznie.

Z przeprowadzonych przez Eko Dolinę badań próbki biosuszu, wykonanych w Laboratorium Środowiskowym SGS Polska, wynika, że po zakończonym procesie biosusz odznacza się parametrami przedstawionymi w ramce.

Jednak ze względu na fakt, iż ograniczenie wilgotności odpadów może się wiązać z pyleniem podczas przerzucania i załadunków, należy monitorować wdrażaną technologię pod kątem jej oddziaływania na zdrowie i warunki pracy pracowników. Trzeba też ustalić odpowiednią częstotliwość prowadzenia badań mikrobiologicznych. Proces biosuszenia raczej nie umożliwi pełnego recyklingu odpadów zgodnie z dyrektywą odpadową.

Separacja hydromechaniczna

Proces polega na sortowaniu zmieszanych odpadów w strumieniu wody. Separacja w cieczy wynika z różnic gęstości masy różnych materiałów. Frakcja lekka (np. tworzywa sztuczne) unosi się na powierzchni wody, organika przemieszcza się w toni wodnej, a frakcja ciężka (metale i minerały) opadają na dno zbiornika. Tworzywa sztuczne, metale i szkło (odzysk nawet do 90%) poddawane są dalszym procesom recyklingu, a organika może zostać skierowana do fermentacji.

Przykładem wdrożenia tej technologii jest instalacja BTA pulper firmy BTA International7. Pulper, poza separowaniem, rozdrabnia substancje nierozpuszczalne oraz usuwa piasek metodą hydrocyklonu.

Separacja hydromechaniczna wydaje się procesem koniecznym w ciągu technologicznym recyklingu frakcji FOOK.

Ciśnieniowe wyciskanie (ekstruzja) odpadów zmieszanych

Firma VMPRESS (z Włoch) zaproponowała technologię separacji frakcji ciekłej i suchej z niesortowanych SOK-ów z wykorzystaniem specjalnej komory ciśnieniowej (600-1000 barów) z otworami w zewnętrznej ściance (fot. 3). Część organiczna odpadów jest przeciskana przez otwory i odseparowywana fizycznie od frakcji suchej. Frakcja mokra może zostać wykorzystana do produkcji biogazu, a sucha do generowania energii w procesie termicznej obróbki. Sprawność energetyczna procesu wynosi ok. 40%.

Pewną wątpliwość budzi możliwość spełnienia wymagań odnośnie poziomu recyklingu. Nie ma informacji na temat wysortowania papieru, tworzyw sztucznych, szkła czy metali.

Technologie pełnego odzysku (energetyczny i materiałowy)

Depolimeryzacja

Proces depolimeryzacji może dotyczyć wysortowanej materii biodegredowalnej8 lub odpadowych poliolefin. Stosowany jest w celu wykorzystania energii chemicznej zawartej w biopolimerach po ich przetworzeniu w łatwo transportowalne surowce energetyczne.

Proces hydrotermalnej depolimeryzacji (HTDP, czasem oznaczany również symbolem TDP) umożliwia konwersję materiałów organicznych w produkty, które obecnie są pozyskiwane wskutek rafinacji ropy naftowej9. HTDP w jakimś stopniu imituje naturalne procesy geologiczne, które doprowadziły do wytworzenia paliw kopalnych. Pod wpływem dość wysokich ciśnień oraz temperatur, długie łańcuchy polimerowe atomów węgla, wodoru i tlenu ulegają rozkładowi na krótsze odcinki węglowodorów (ok. 18 atomów węgla) i CO2 przy wydatnym udziale cząsteczek wody. HTDP może być stosowany w przypadku obróbki osadów ściekowych.

Pierwsza faza procesu HDTP to rozdrabnianie substratów i wymieszanie z odpowiednią ilością wody (w przypadku materiałów suchych) lub odwirowanie w przypadku materiałów zbytnio uwodnionych. Mieszanina ta jest wprowadzana do reaktora i ogrzewana standardowo do ok. 500 K przy ciśnieniu do 4 MPa w czasie ok. 15 min. Następnie ciśnienie zostaje obniżone, a para powstała w wyniku gwałtownego parowania oraz większa część powstałej fazy gazowej są usuwane do innego zbiornika i oczyszczane. Pozostałość (węglowodory oraz stałe minerały) podgrzewa się do ok. 750 K, co powoduje dalsze skracanie długich łańcuchów.

Wśród potencjalnych substratów należy wymienić: materiały biomasowe (odpady przemysłu papierniczego, spożywczego, rolnego oraz drzewnego), tworzywa sztuczne, ciężkie frakcje rafinacyjne (w tym asfalt), odpady medyczne oraz osady ściekowe. Wśród produktów należy wymienić gazowe (6-16% - głównie metan, propan i butan), ciekłe (26-70% - w tym metylobenzen, metylo-etylo-benzen, cykloheksan, cyklopropan i in.) oraz stałe (5-8% - w tym węgiel i minerały). Produkty oraz ich skład zależą od parametrów termodynamicznych oraz od organizacji procesu. Jakość produktów, w tym ich wartość opałowa, jest funkcją stosunku ilości węgla i wodoru w materiale substratu. Ilość szczególnie pożądanych ciekłych węglowodorów rośnie wraz z zawartością olejów roślinnych i zwierzęcych, w tym wszelkich tłuszczy odpadowych. Natomiast wzrost zawartości węglowodanów w materiałach wsadowych zwiększa ilość produktów gazowych i stałych (węgla).

W wyniku katalitycznej depolimeryzacji odpadowych poliolefin otrzymujemy syntetyczny olej parafinowy, będący komponentem oleju napędowego oraz substytutem olejów grzewczych. Znajduje on szerokie zastosowanie m.in. w produkcji smarów, parafiny, past przemysłowych oraz jako źródło energii elektrycznej i ciepła w instalacjach kogeneracyjnych. Proces umożliwia przetwarzanie materiałów zawierających łańcuchy węglowodorowe (przez ich rozpad w warunkach katalitycznych i wysokiej temperatury): polietylenu (-CH2-CH2-)n - symbol przemysłowy (PE) i polipropylenu (-CH2-CH(CH3)-)n - symbol przemysłowy (PP).

Substratem w procesie mogą być: foliowe worki, reklamówki, opakowania środków czystości i kosmetyków, opakowania produktów spożywczych, części urządzeń gospodarstwa domowego, części odbiorników RTV, zabawek, sprzętu komputerowo-biurowego, plastikowe pojemniki, kontenery, części rur oraz izolacji oraz części samochodowe z tworzyw sztucznych. Analizy laboratoryjne dowodzą, że produkt końcowy nie zawiera (lub zawiera ilości śladowe) azotu, siarki i chloru, więc jest przydatny w wielu branżach przemysłowych.

Proces może być zaliczony do recyklingu w przypadku, gdy powstające oleje syntetyczne są wykorzystywane w przemyśle chemicznym do produkcji smarów, parafiny, past przemysłowych i in., z wyłączeniem paliw drugiej generacji.

Ekstruzja elementów konstrukcyjnych z odpadowych tworzyw sztucznych (głównie polietylen + polipropylen)

W oparciu o technologie ekstruzji lub formowania przez nadmuch roztopionego materiału wytworzonego z odpowiednio dobranej mieszaniny odpadowego polietylenu i polipropylenu można produkować różne elementy konstrukcyjne dla budownictwa mieszkaniowego i drogowego, w tym studnie kablowe. W USA opatentowano pewne elementy konstrukcyjne.

Fermentacja metanowa (technologia GICON, pryzmy energetyczne i in.)

Fermentacja metanowa to seria czterech procesów mikrobiologicznego rozkładu substancji organicznych przeprowadzany w warunkach beztlenowych przez mikroorganizmy anaerobowe z wydzieleniem metanu. Proces wykorzystywany jest od tysięcy lat (np. w Asyrii stosowano go1000 lat p.n.e.) do produkcji biogazu z bioodpadów. Proces może być prowadzony w trzech reżimach:

- niskotemperaturowym (poniżej 25ºC) - fermentacja psychrofilna (ok. 60 dni) zachodzi w warunkach naturalnych np. w szambach itp.,

- średniotemperaturowym (30-40ºC) - fermentacja mezofilowa (ok. 30 dni) jest procesem przebiegającym w zamkniętych komorach, wymagającym chłodzenia latem i grzania zimą,

- wysokotemperaturowym (ok. 50ºC) - fermentacja termofilna (ok. 15 - 20 dni), zachodzi w zamkniętych komorach i wymaga ciągłego dogrzewania. Jest to proces wspierający usuwanie patogenów.

Istnieją dwie główne koncepcje fermentacji surowych odpadów komunalnych. Pierwsza to fermentacja niesortowanych SOK-ów, np. w pryzmach energetycznych, technologia GICON lub promowana przez firmę VMPRESS fermentacja wyciśniętej frakcji bądź autoklawowanej i wysegregowanej (Bioelektra Group) biodegradowalnej frakcji odpadów. Natomiast druga to fermentacja sortowanych u źródła odpadów komunalnych, postulowana w dyrektywie 2008/98/EC ze względu na możliwość łatwiejszej utylizacji pofermentu. Fermentacja często termofilowa, połączona z technologią wzbogacania biogazu i skroplenia biometanu dla celów transportowych to metoda szczególnie popularna w Szwecji (fot. 4).

Fermentacja wg dwuetapowej technologii GICON jest połączeniem fermentacji suchej (I faza hydroliza) oraz mokrej (II faza metanizacja). W fazie hydrolizy wykorzystuje się proces perkolacji, w którym hydrolizat jest zawracany częściowo do zamkniętych komór wypełnionych odpadami (zawierającymi powyżej 15% s.m.). Zawracana ciecz umożliwia rozprzestrzenianie się flory bakteryjnej (ważne jest właściwe rozdrobnienie na odcinki ok. 5 cm, pozwalające na wnikanie perkolatu/hydrolizatu w złoże, które nie jest mieszane) oraz rozpuszczanie związków organicznych w hydrolizacie.

Druga część hydrolizatu przekazywana jest do komory fermentacyjnej o stosunkowo niewielkich rozmiarach, ze złożem stałym w postaci elementów zwiększających powierzchnię kontaktu hydrolizatu z koloniami bakterii. Wielokrotnie przepływająca w komorze ciecz podlega przyspieszonemu procesowi metanizacji (hydrauliczny czas zatrzymania wynosi mniej niż 24 h). Proces hydrolizy w modułowych komorach przebiega w okresie od 14 do 22 dni, przy czym kolejne moduły mogą być wypełniane substratem w kolejnych dniach, zapewniając stały dopływ hydrolizatu do komory fermentacyjnej. Zgodnie z deklaracją twórców technologii, wytworzony biogaz charakteryzuje wysoka zawartość metanu ze względu na częściowe usuwanie powstającego w trakcie hydrolizy CO2 (koncentracja zmierzona w przypadku kiszonki kukurydzy wyniosła 70%). Proces przebiega stabilnie niezależnie od jakości substratu czy zawartości materii nieorganicznej, a całą instalację charakteryzuje zwartość i modułowość konstrukcji.

Rośnie popularność tzw. pryzm energetycznych (okresowych bioreaktorów beztlenowych), w których zachodzi przyspieszona, kontrolowalna fermentacja odpadów organicznych. Pryzmy tworzone są przez dostarczenie substratu do wnętrza hałdy ("jednorazowo" lub w krótkim terminie). Następnie reaktor jest zamykany, układa się instalacje odgazowania i nawadniania (recyrkulacji odcieków) oraz montuje urządzenia kontrolno-pomiarowe. Od tego momentu rozpoczyna się eksploatacja, polegająca na optymalizacji warunków fermentacji metanowej przez odbiór, uzdatnienie i recyrkulację odcieków. W porównaniu do fermentacji w tradycyjnej kwaterze składowiska, w której biogaz powstaje jako efekt przemian biologicznych zachodzących przez ok. 25 lat, pełny rozkład biomasy w pryzmie następuje w ciągu 5 lat10.

Po ustaniu intensywnych procesów fermentacyjnych zapewnia się napowietrzanie masy odpadów w celu stabilizacji materii organicznej oraz usunięcia związków odorotwórczych. Po otwarciu pryzmy pozostałe odpady są kierowane do mechanicznego przetwarzania (możliwe jest zastosowanie separacji hydromechanicznej). Nie wiadomo, czy pozostałość organiczno-mineralna (po oddzieleniu plastików i szkła) będzie nadawać się do wykorzystania nawozowego, co umożliwiłoby zakwalifikowanie procesu jako recyklingu.

W IMP PAN prowadzone są prace nad zmniejszeniem ilości pofermentu (trudnego do zutylizowania) oraz zwiększeniem ilości biogazu z zastosowaniem procesu hydrotermalnej lizy11.

Po wydobyciu odpadów i wykonaniu prac przeglądowych oraz konserwacyjnych infrastruktury bioreaktora cykl pracy pryzmy można powtórzyć.

Technologia RotoSTERIL

Technologia RotoSTERIL firmy Bioelektra Group umożliwia pełny recykling odpadów. Po procesie autoklawowania następuje sortowanie, które, dzięki zastosowaniu sorterów optycznych, umożliwia, zdaniem jej twórców, odizolowanie szkła różnej barwy oraz frakcji PET, PP oraz PE+PS. To umożliwia ich racjonalne wykorzystanie jako surowców wtórnych dla różnych technologii chemicznych. Pozostałość biodegradowalna może zostać użyta w procesie fermentacji lub stabilizacji tlenowej (kompostowanie). Uzyskany poferment (kompost) prawdopodobnie spełni wymagania jakościowe, konieczne do stosowania go w celach nawozowych.

Zgazowanie i piroliza

Zgazowanie jest procesem opcjonalnym (obok spalania) w zakresie utylizacji suchych odpadów o wartości kalorycznej powyżej 6 MJ/kg. W Polsce prowadzone są intensywne prace nad rozwojem własnych konstrukcji w małej, dopasowanej do potrzeb licznych RIPOK-ów skali. Innowacyjna kontenerowa instalacja zgazowania RDF o mocy w syngazie ok. 400 kW powstaje w Zakładzie Zagospodarowania Odpadów w Nowym Dworze k. Chojnic (fot. 5). Zgazowarka budowana jest przez IMP PAN (prof. D. Kardas i in.) w ramach projektu WFOS RX 09/25/2014, współfinansowanego przez wojewódzki fundusz ochrony środowiska, Zakład Zagospodarowania Odpadów Nowy Dwór, firmę Eco oraz IMP PAN. Instalacja jest kolejnym krokiem rozwoju konstrukcji w celu rozproszonej produkcji energii i ciepła z odpadów komunalnych.

Innym przykładem innowacyjnej instalacji jest reaktor Xenergo polsko-szwedzkiej firmy MӧreMaskiner z Warszawy (fot. 6). Instalacja o mocy ok 1 MW w syngazie jest przeznaczona do zgazowania zmieszanych odpadów miejskich.

Należy podkreślić, że zgodnie z prawem UE zarówno procesy spalania, jak i zgazowania winny być ograniczane w celu maksymalizacji poziomu recyklingu. Odzysk energetyczny jest niżej pozycjonowany w hierarchii postępowania z odpadami w porównaniu do recyklingu.

Procesem termicznego przekształcania odpadów, który może być zakwalifikowany jako recykling, jest produkcja biowęgla w procesie pirolizy, która w odróżnieniu od spalania ogranicza dostęp tlenu do procesu w stopniu dużo większym niż zgazowanie. Biowęgiel, zwany również karbonizatem, biokarbonem czy toryfikatem, to cenny materiał o właściwościach zbliżonych do węgla drzewnego, powstający w procesie pirolizy różnorodnej biomasy, w tym odpadów leśnych, biomasy rolniczej, odpadów z przetwórstwa rolno-spożywczego, osadów ściekowych, jak również odpadów komunalnych. Produkt ten może być wykorzystywany w energetyce (jako wysokokaloryczne paliwo), w rolnictwie w celu poprawy właściwości gleby (w tym zwiększenia jej właściwości sorpcyjnych) oraz w ochronie środowiska do usuwania zanieczyszczeń z roztworów wodnych, gazów procesowych oraz w celu rekultywacji zanieczyszczonych gleb.

Szczególnie istotna wydaje się możliwość produkcji biowęgla z osadów ściekowych, których bezpośrednie wykorzystanie w celu poprawy właściwości gleby natrafia na coraz większe trudności.

Ostatnio zwraca się uwagę na możliwość wykorzystania biowęgla do zwiększenia efektywności produkcji biogazu. Wyniki prac badawczych Dacha i Malińskiej wskazują, że biowęgiel może przyczyniać się do wzrostu tempa mineralizacji materii organicznej i produkcji metanu12.

Ponadto biowęgiel może również znaleźć zastosowanie w przemyśle: budowlanym, metalurgicznym, elektronicznym, chemicznym, włókienniczym oraz farmaceutycznym. Biowęgiel z czystych substratów nadaje się do wytwarzania nanomateriałów grafenowych. Firma Fluid otwiera właśnie, warty 16 mln zł, zakład w Sędziszowie, w którym będzie produkować pelet z biowęgla13.

Podsumowanie

Przepisy unijne kształtujące gospodarkę odpadami stawiają przed zarządami RIPOK-ów duże wyzwania. Szybko rosnący poziom recyklingu do 70% w 2030 r. oraz regulacje definiujące ten proces uniemożliwiają stosowanie łatwych rozwiązań, takich jak spalanie czy składowanie. Jedynie pozostałość po wysortowaniu możliwie dużej ilości odpadów ma jakąś wartość (tworzywa sztuczne, metale, papier, tektura, szkło i odpady biodegradowalne) i może być skierowana do procesów termicznej (energetycznej) obróbki. Instalacje do tej obróbki muszą być dopasowane do potrzeb lokalnych RIPOK-ów i umożliwiać osiąganie przychodów ze sprzedaży energii elektrycznej oraz ciepła. Transportowanie frakcji pre-RDF do dużych, regionalnych instalacji niekoniecznie jest uzasadniona ekonomicznie i ekologicznie, o czym trzeba pamiętać planując budowę nowych instalacji.

Niezwykle istotne są działania mające na celu zwiększenie strumienia wysortowanej u źródła frakcji biodegradowalnej. Jedynie to zapewnia jej wykorzystanie po fermentacji metanowej lub stabilizacji tlenowej w celach nawozowych (warunek konieczny zwiększenia podaży fosforu i zaliczenia całego procesu jako recykling). W przypadku frakcji FOOK wysortowanej w RIPOK-u należy ją jeszcze poddać procesowi dodatkowej separacji (np. hydromechanicznej), ze względu na występujące w niej zanieczyszczenia we frakcji 0-80 mm. Opcjonalnym rozwiązaniem może być proces RotoSTERIL, zakończony fermentacją metanową frakcji biodegradowalnej.

Adam Cenian, Bartosz Pietrzykowski, Instytut Maszyn Przepływowych PAN im. R. Szewalskiego, Zakład Fizycznych Aspektów Ekoenergii

Źródła

- Komunikat konsultacyjny Komisji UE w sprawie zrównoważonego stosowania fosforu (COM(2013) 517 final).
- Directive 2008/98/EC of the European Parliament and of the Council of 19 November 2008 on waste and repealing certain Directives http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32008L0098:EN:NOT wraz z dokumentami interpretacyjnymi:
http://ec.europa.eu/prelex/detail_dossier_real.cfm?CL=en&DosId=200119; http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2011:0021:FIN:EN:PDF;
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2011:310:0011:0016:EN:PDF;http://ec.europa.eu/environment/waste/framework/pdf/guidance_doc.pdf
- Jerzmański J. (red.): Ustawa o odpadach. Komentarz. Wrocław 2002.
- Cenian A.: Europejskie uregulowania prawne gospodarki odpadowej i skutki dla zagospodarowania frakcji organicznych odpadów komunalnych. "Czysta Energia" 9/2013.
- Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions (COM(2014) 398 final).
- Materiały reklamowe firmy Bioelektra Group http://www.bioelektra.pl/pl/technologia-opis
- http://www.bta-international.de/en/der-bta-prozess/schluesselkomponente/bta-abfall-pulper.html
- http://discovermagazine.com/2003/may/featoil/
- Demirbas A.: Thermochemical Conversion of Biomass to Liquid Products in the Aqueous Medium. "Energy Sources" 27/20053 oraz Biomass Program. Agricultural mixed waste biorefinery using Thermal Conversion Process (TCP). U.S. Department of Energy 2006.
- Białowiec A., Siudak M., Jakubowski B., Wiśniewski D.: Wpływ recyrkulacji odcieków na produkcję i kaloryczność biogazu wytwarzanego w okresowym bioreaktorze beztlenowym. IV Forum Biogazu. IMP PAN. Gdańsk 2014.
- Cenian A., Zimiński T., Dach J., Lewicki A.: Hydrothermal lyses as the means to control amount of biogas and digestate production. Conference on Monitoring & process control of anaerobic digestion plants. Leipzig 2015
- Malińska K., Dach J.: Biowęgiel jako materiał pomocniczy w procesie produkcji biogazu. "Inżynieria Ekologiczna" 41/2015.
- http://www.uwazamrze.pl/artykul/1105596/wegiel-z-biomasy

Kształtowanie gospodarki odpadami - innowacyjne metody

Promowaną metodą utylizacji odpadów w UE przez wiele lat było spalanie. Na przykład w 2004 r. w krajach europejskich najwięcej spalano odpadów miejskich w Danii (ponad 50%), Szwecji (ok. 45%) oraz Holandii (39%).