Niektoré možnosti využitia komunálneho odpadu v SR

Abstrakt

Keďže v odpadoch je veľká časť využiteľnej energie a keďže týchto komunálnych odpadov neustále pribúda, zaoberá sa tento príspevok ich využitím pre energetické účely, konkrétne výpočtom tepelného obsahu v nich, určením ich chemického zloženia a ich možným rozkladom prostredníctvom aeróbnej konverzie resp. anaerobného vyhnívania.

Úvod

Po prehodnotení skládok podľa kritérií vyhlášky MŽP SR č. 283/2001 Z.z. o vykonaní niektorých ustanovení Zákona o odpadoch je od 1.1.2002 v prevádzke 156 skládok odpadov v zložení [1]:

• 20 skládok na inertný odpad,
• 120 skládok na odpad, ktorý nie je nebezpečný,
• 16 skládok na nebezpečný odpad.

Odpadom je v zmysle zákona č.238/1991 Zb. o odpadoch vec, ktorej sa chce majiteľ zbaviť alebo tiež hnuteľná vec, ktorej odstránenie je potrebné z hľadiska ochrany životného prostredia. Podľa Regionálneho Informačného Systému o Odpadoch (RISO) bolo v roku 2001 v SR vyprodukovaných celkom 16,4 mil. ton odpadov, z toho 6,28 mil. ton ostatných odpadov a 8,46 mil. ton. zvláštnych odpadov (z toho 1,66 mil. ton nebezpečných odpadov), na ktoré sa vzťahuje zákon č.223/2001 Z.z. o odpadoch. Vznik odpadov v SR podľa jednotlivých hospodárskych odvetví udáva Tab.1 [1].

Najrozšírenejším spôsobom zneškodňovania odpadov je stále ich skládkovanie 23,3% (3,7 mil. ton) na čom sa podieľa hlavne kategória komunálny odpad a to 63,47 % (1,08 mil.ton). Podľa údajov z RISO sa v roku 2001 zneškodnilo spaľovaním 550 798,97 ton odpadu všetkých kategórií, čo predstavuje 3,5 % odpadov.

Z celkového množstva odpadov vzniknutých v roku 2001 sa v SR zhodnocuje 8 180 954,88 ton, čo predstavuje 51,17 %. V Slovenskej republike vzniklo podľa údajov RISO a po ich prepočítaní na sušinu 2 095 577,5 mil. ton komunálneho odpadu, čo je 389,6 kg/obyvateľa na rok [13], [14].

Z celkového množstva vznikajúcich odpadov sa časť odpadov v roku 1998 [10] spaľovala v 92 spaľovniach, z ktorých sú dve s kapacitou nad 100 000 t/rok spáleného odpadu (Bratislava, Košice). Z celkového počtu 92 spaľovní len 24 spĺňa emisné limity a iba 9 spĺňa požiadavku Európskych predpisov EÚ [10]. Nebezpečný odpad zo zdravotníckych zariadení sa spaľoval v 37 spaľovniach. Súhrne možno konštatovať neuspokojivý stav spaľovania odpadov, charakterizovaný nevyhovujúcim technickým stavom, ktorý neumožňuje spaľovať požadované druhy nebezpečných odpadov v plnom rozsahu pre územie SR [8], [11], [14].

I. Tepelný obsah odpadu

Typické údaje o tepelnom obsahu a inertných zbytkoch pre tuhý odpad sú predstavené v Tab. 2. Energetické hodnoty môžu byť prepočítané na suchý stav pomocou rovnice (1):

                              (1)

Korešpondujúca rovnica pre prepočet na suchý stav bez popola, bude mať tvar (2):

                      (2)

kde:

• Ess - je hodnota obsahu energie v suchom stave, k J/kg
• Ess* - je hodnota obsahu energie v suchom stave bez obsahu popola, kJ/kg
• Eod - je hodnota obsahu energie v odpade, kJ/kg
• W- obsah vlhkosti v %
• A - obsah popola v %

Aplikácia údajov Tab.2 a rovníc (1) a (2) je ilustrovaná na príklade 1.

Príklad 1: Je potrebné určiť tepelný obsah komunálneho odpadu, podľa zadaných údajov, ak platí:

• W= 21 %,
• A= 5 %.

Riešenie:

2. Prepočet tepelného obsahu suchého odpadu:

                          100
Ess = 14 740 ------------ =18,658, kJ/kg
                        100-21

3. Prepočet tepelného obsahu suchého odpadu bez popola:

                             100
Ess* = 14 740 ----------------- =19,991, kJ/kg
                         100 - 5 - 21

II. Chemické zloženie

Reprezentačné údaje z presnej analýzy typického komunálneho odpadu sú uvedené v Tab.3. Ak nie sú dostupné tepelné obsahy zložiek odpadu, približné hodnoty je možné určiť pomocou rovnice (3), ktorá je známa ako modifikovaná Dulongova rovnica [4], [15]:

                                                 O
Qodp = 337 x C + 1 428( H - -------- ) +9 x S / kJ,kg /                            (3)
                                                  8

kde C,H,O,S sú obsahy uhlíka, vodíka, kyslíka a síry v percentách.

Využitie údajov Tab.3 a rovnice (3) je ilustrované na príklade 2.

Príklad 2: Je potrebné určiť chemické zloženie vzorky komunálneho odpadu, podľa zadaných údajov.

Riešenie:

1. V nasledujúcej Tab.4 je prepočet chemického zloženia 100 kg vzorky komunálneho odpadu:

Tab.4: Prepočet chemického zloženia vzorky zadaného odpadu

2. Príprava sumárnej tabuľky z horeuvedených údajov:

3. Prepočet obsahu vlhkosti z bodu 2 na vodík a kyslík:

1. vodík = 2/18 x 20,9 = 2,32 kg
2. kyslík = 16/18 x 20,9 = 18, 58 kg

4. Príprava sumárnej tabuľky rovnako ako v kroku 2 s využitím údajov kroku 3:

5. Výpočet molárneho zloženia zložiek:

6. Určenie približného chemického vzorca s a bez síry:

1. prepočet mólových pomerov

2. chemický vzorec so sírou:

                                            C_718,2 H_1708,0 O₇₅₉ N_7,8 S

3. chemický vzorec bez síry:

                                            C_92,7 H_220,4 O_97,9 N

 

7. Určenie tepelného obsahu odpadu s využitím rovnice (3) a údajov z kroku 4:

                                                        51,1
Qodp = 337 (36,3) + 1 428 (7,3 - ----------- ) + 95 ( 0,1 ) = 13,546 kJ/kg
                                                           8

III. Aeróbna konverzia

Ak organické materiály, zahrňujúce potravinový odpad, plasty, kaučuk, kožu atď. sú separované z komunálneho odpadu a sú vystavené bakteriálnemu rozkladu, vzniknutý produkt sa nazýva kompost a proces rozkladu sa nazýva kompostovanie, pričom celá aérobna konverzia závisí na prístupe kyslíka k odpadu.

Množstvo potrebného kyslíka pre kompletnú aérobnu konverziu pevného mestského odpadu [4], môžeme určiť pomocou nasledovnej rovnice (4):

                       4a + b - 2c - 3d                                     b-3d
C_aH_bO_cN_d + ------------------------- O₂ ---> a CO₂ + --------- H₂O + d NH₃             (4)
                                4                                                   2

Ak je čpavok ďalej oxidovaný na dusičnan NO₃, množstvo kyslíka potrebného na túto oxidáciu, je možné vypočítať [2], [3], [18] z rovnice (5):

 NH₃ + 2O₂ ---> H₂O + HNO₃                                                        (5)

 Výpočet podľa údajov z kapitoly I. a II. je ilustrovaný na príklade 3.

Príklad 3: Je potrebné určiť množstvo vzduchu potrebného na kompletnú oxidáciu 1 tony pevného odpadu o chemickom zložení C_92,7 H_220,4 O_97,9 N

Riešenie:

1.Určenie množstva potrebného kyslíka pre daný odpad, podľa rovnice (4):

1. Požadované koeficienty sú :
   • a = 92,7
   • b = 220,4
   • c = 97,9
   • d = 1
2. Využitie koeficientov po prepočítaní rovnice (4) na molové pomery: d.

C_92,7 H_220,4 O_97,9 N + 98,1 O₂ ---> 92,7 CO₂ + 108,7 H₂O + NH₃
        ( 2 916 )               (3 139)           (4 080)         (1 959)       (17)

3. Množstvo kyslíka potrebného na 1 tonu odpadu bude:

          3 139
O₂ = -------- x 1 000 = 1,076 x 10³ kg/tonu
          2 916

2. Určenie množstva potrebného kyslíka pre oxidáciu čpavku podľa rovnice (5):

NH₃ + 2O₂ ---> H₂O + HNO₃
 (17)    (64)         (18)       (63)

- množstvo kyslíka potrebné na 1 tonu odpadu bude:

            17         64
O2 = ------- x ----- x 1 000 = 21,95 kg/tonu
         2 916       17

3. Určenie potrebného množstva vzduchu, ak uvažujeme 23,15 hmotnostných percent kyslíka a hustotu vzduchu 1,2928 kg/m³:

1. Celkové požadované množstvo kyslíka bude:

O_2,cel = (1,076x10³ + 21,95) kg/tonu = 1 098 kg/tonu

2. Hmotnosť potrebného vzduchu bude:

              1 098
M_vzd = ----------- = 4 743 kg/tonu
             0,2315

3. Objem požadovaného vzduchu bude:

             4 743
V_vzd= ----------- = 3 669 m³/tonu
            1,2928

IV. Anaeróbne vyhnívanie

Anaeróbne vyhnívanie, nazývané tiež anaeróbna fermentácia, je proces využívaný na produkciu metánu z pevného odpadu, ktorým je vysokokvalitné hnojivo s mnohými mineralnymi látkami, potrebnými pre pôdu. Vo väčšine prípadov produkcie metánu z pevného odpadu je táto produkcia rozdelená do troch krokov. Prvý krok zahŕňa prípravu organickej frakcie pevného odpadu pre anaeróbne vyhnívanie a bežne zahŕňa príjem, triedenie, separáciu a triedenie podľa veľkosti [12], [17]. Druhý krok zahŕňa pridávanie vlhkosti a živín, premiešavanie, pH nastavovanie na hodnotu okolo 6,7 , ohrievanie kalu na teploty od 55 °C do 60 °C a anaeróbne vyhnívanie v reaktore s kontinuálnym prúdom, dobrým premiešavaním a dobou zotrvania 5 až 10 dní. Tretí krok zahŕňa zachytávanie, uskladňovanie a ak je potrebné i separáciu zložiek vzniknutého plynu [5], [9], [16]. Pre anaeróbne vyhnívanie organického odpadu platí rovnica (6):

C_a H_b O_c N_d ---> nC_w H_x O_y N_z + mCH₄ + sCO₂ + rH₂O + (d-nz) NH₃                  (6)

kde s = a - nw - m
       r = c - ny - 2s

Termíny C_a H_b O_c N_d a C_w H_x O_y N_z reprezentujú molárny základ zloženia materiálu na začiatku a na konci procesu [4], [6]. Pre rozklad stabilizovaného odpadu platí rovnica (7):

                        4a - b - 2c + 3d                       4a + b - 2c -3d
C_a H_b O_c N_d + ( ------------------- ) H₂O ---> (------------------- ) CH₄ +
                                    4                                             8

      4a - b + 2c + 3d
+ (--------------------- )CO₂ + dNH₃                                                                        (7)
                 8

Príklad 4: Je potrebné určiť teoretický objem metánu z anaeróbneho vyhnívania 1 tony odpadu o zložení C_92,7 H_220,4 O_97,9 N a hustote metánu 0,7167 kg/m³.

Riešenie:

1. Pri riešení využijeme rovnicu (7):

1. koeficienty budú následovné:
   • a = 92,7
   • b = 220,4
   • c = 97,9
   • d= 1
2. výsledný tvar rovnice s horeuvedenými koeficientmi bude:

C_92,7 H_220,4 O_97,9 N + 10,6 H₂O ---> 49,05 CH₄ + 43,65 CO₂ + NH₃
          (2 916)                 (190,8)             (784,8)        (1 920,6)      (17)

2. Určenie hmotnosti metánu produkovaného z 1 tony odpadu:

           784,8
CH₄ = -------- x 1 000 = 269,1 kg/tonu
           2 916

3. Určenie objemu vzniknutého metánu z 1 tony odpadu:

               269,1
V_CH4 = ----------- = 375,5 m³ / tonu
              0,7167

V. Niektoré možnosti vyplývajúce zo spaľovania komunálneho odpadu

 V Slovenskej republike sú na hospodárenie s odpadmi kladené dlho, stredno a krátkodobé úlohy. Tieto úlohy zahŕňajú hlavne [6], [7]:

• zneškodnenie nevhodne skladovaných nebezpečných odpadov,
• budovanie systému kontajnerizácie a siete recyklačných stredísk nebezpečných odpadov,
• spracovanie min. 80% biologických odpadov na organické hnojivá,
• zavedenie separovaného zberu a tým zníženie množstva komunálnych odpadov asi o 50%,
• zníženie počtu evidovaných skládok asi o 50%,
• zvýšenie využitia odpadov na hospodárske účely,
• zneškodnenie 50% všetkých komunálnych odpadov na skládkach a ďalšie.

Hrubý odhad potenciálu bioplynu na Slovensku sa dá vypočítať napríklad tak, že uvažujeme exkrementy z cca 0,7 milióna kráv, ktoré vyprodukujú cca 7 miliónov ton močovky, z ktorej je možné vyrobiť 0,15 miliárd m³ bioplynu ročne, čo je 1,0 miliarda kWh elektrickej energie (alebo v prípade využitia parogeneračných cyklov 0,4 miliárd kWh elektriny a 1 miliarda (3,6 PJ)) tepla [1] , čo odpovedá energetickému ekvivalentu cca 7 000 TJ/ ročne [9], [10], [11].

Tento článok bol vytvorený za podpory grantovej agentúry VEGA č. úlohy 1/9398/02.

Literatúra

1. Správa o stave životného prostredia SR v roku 1999. MŽP SR a SAŽP, Bratislava, 2001.
2. Tchobanoglous, G.H. et.al.: Solid Wastes: Engineering Principles and Management Issues. McGraw - Hill, New York, 1977.
3. Winkler, P. F. et.al. : Size Characteristics of Municipal Solid Wastes. Compost Science, 14,5, 1973.
4. Peavy, H. S. et al. : Environmental engineering. Mc Graw - Hill, New York, 1985.
5. Horbaj, P.: Ekologické aspekty spaľovania v priemyselných a hutníckych agregátoch. Habilitačná práca, TU Košice, 1996.
6. Kačík, F. - Kačíková, D.: Fyzikálna chémia a fyzikálno-chemické analytické metódy. Učebné texty, TU Zvolen, 1998.
7. Buswell, M.A.: Production of fuel gas by anaerobic fermentation. Illinois State Water Survey, Champaign, 1930.
8. Dzurenda, L. - Ladomerský, J.: Analýza procesu spaľovania dreva v roštovom kúrenisku KD 1160 v závislosti na tepelnom výkone. In: Energetické premeny v priemysle 98, Herľany, október 1998, 18-22.
9. www.mpsr.sk
10. www.economy.gov.sk
11. www.biom.cz
12. Wagnerová,E. et.al.: Skládkový plyn ako jeden z obnoviteľných zdrojov energie. MUK 50 let. Fakulta strojní. Energetika, 2000.
13. Novák-Marcinčin,J. - Pavlenko,S.: Automation of pipeline energetics systems components manufactoring. In: Automation 2001, Warszawa, marec 2001, 75-82.
14. Heerenklage,J. et al.: Comparison of test systems for the determination of the biodegradability of organic materials under anaerobic conditions. www.orbit-online.net
15. Price,E.C. - Cheremisinoff,P.N.: Biogas production and utilization. Ann Arbor Science, Ann Arbor, Michigan, 1981.
16. Hrubina,K. et al.: Mathematical modelling of technical processes. Informatech Ltd., Košice, 2001, 217.
17. Andrejčák,I. - Ragan,E.: Difúzne procesy a zariadenia. ES FVT Prešov, 1999.
18. Horbaj, P.: Ekologické aspekty spaľovania. Neografia Martin,a.s., 2000.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Technologie zvyšující efektivitu výroby bioplynu

Bioodpady z našich kuchyní: Cesty k hygienickému a udržitelnému zpracování

Efektivní hospodaření s digestátem

Výpočty úspor emisí v bioplynu, biometanu a pevné biomase