Czy warto segregować?
– mechaniczno-biologiczna przeróbka odpadów komunalnych
Maria Żygadło
Peter Schalk
Łukasz Orman
Alternatywę dla technologii bezpośredniego składowania odpadów (tj. bez wstępnej przeróbki) i dla zyskującej coraz większą popularność technologii kompostowania stanowi mechaniczno-biologiczna przeróbka odpadów zmieszanych. W procesie tym zmieszane odpady komunalne poddawane są procesom gnilnym lub fermentacji metanowej w celu stabilizacji frakcji organicznej, zmniejszenia ich objętości, a także odzysku energii i surowców wtórnych zawartych w odpadach.
Technologia przeróbki mechaniczno-biologicznej pozwala spełnić wymagania odnośnie recyklingu i może być procesem wstępnym przed zdeponowaniem odpadów na składowisku. Zakłady pracujące w oparciu o technologie beztlenowego biorozkładu mogą stanowić istotny element systemów gospodarki odpadami. Zapewniają one również wypełnienie zobowiązań prawnych w zakresie gospodarki odpadami w Polsce, przede wszystkim ustawy o odpadach. Ustawa ta nakazuje odzysk zawartych w odpadach materiałów nadających się do ponownego wykorzystania (surowców wtórnych) i unieszkodliwienia pozostałych odpadów zgodnie z wymaganiami ochrony środowiska. W procesie rozkładu frakcji organicznej w drodze fermentacji metanowej powstaje bogaty w metan biogaz, który może być spalany bezpośrednio w pochodniach lub też z pozyskaniem energii elektrycznej i cieplnej. W drugim przypadku Rozporządzenie Ministra Gospodarki z 15 grudnia 2000 r. w sprawie obowiązku zakupu energii elektrycznej ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz zakresu tego obowiązku (DzU nr 122, poz. 1336) zobowiązuje przedsiębiorstwa energetyczne do zakupu energii ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych docelowo w 2010 r. w ilości co najmniej 7,5%. Ponadto dyrektywa Unii Europejskiej 99/31/EC w sprawie składowania odpadów nakłada na państwa członkowskie obowiązek znacznej redukcji zawartości frakcji organicznej w odpadach deponowanych na składowiskach, docelowo w 2016 r. o 65% (w odniesieniu do stanu w 1995 r.).
Niezbędne wydaje się zatem wdrożenie na szeroką skalę technologii przeróbki frakcji organicznej odpadów komunalnych, która to nie tylko spełnia wymagania prawa, ale również sprzyja środowisku. Niewątpliwie takimi instalacjami spełniającymi powyższe kryteria są zakłady pracujące w oparciu o proces fermentacji metanowej, np. instalacja na składowisku odpadów „Kahlenberg” w Niemczech.
Fermentacja metanowa substancji organicznych
Fermentacja metanowa stanowi zespół beztlenowych procesów biochemicznych, w których wielkocząsteczkowe substancje organiczne (przede wszystkim węglowodany, białka i tłuszcze oraz ich pochodne) ulegają rozkładowi do alkoholi lub niższych kwasów organicznych oraz do metanu, dwutlenku węgla i wody¹. W procesie fermentacji metanowej wyróżnia się cztery następujące po sobie etapy².
Pierwszy to enzymatyczna hydroliza złożonych substancji organicznych przy udziale enzymów produkowanych przez bakterie hydrolityczne. W wyniku hydrolizy tworzą się substancje proste: z białek – aminokwasy, z tłuszczów – kwasy tłuszczowe i glicerol, a z polisacharydów – monosacharydy.
Następnie bakterie fermentatywne metabolizują produkty hydrolizy do lotnych kwasów tłuszczowych (głównie do kwasu octowego, masłowego i propionowego), etanolu i produktów gazowych. Tworzący się gaz zawiera ok. 80% dwutlenku węgla i 20% wodoru³. Jest to faza fermentacji kwaśnej (acidogeneza).
Kolejnym etapem degradacji bioodpadów jest octanogeneza, w czasie której grupa bakterii octanogennych rozkłada lotne kwasy tłuszczowe, przede wszystkim kwas propionowy i masłowy do kwasu octowego, dwutlenku węgla i wodoru.
Ostatnim etapem jest metanogeneza, w czasie której następuje właściwa przemiana kwasu octowego do metanu i dwutlenku węgla. Produkty te powstają również w wyniku redukcji dwutlenku węgla w reakcji z wodorem, z udziałem niektórych szczepów bakterii metanogennych.
Końcowe produkty procesów beztlenowych stanowią gazy, głównie metan i dwutlenek węgla. W znacznie mniejszych ilościach powstaje także siarkowodór, wodór, azot, amoniak i merkaptany. Po stronie stałych produktów przemian powstają osady. W osadach znajdują się związki trudno bądź nierozkładalne przez bakterie anaerobowe i biomasa bakteryjna.
Szacuje się, że w procesie fermentacji metanowej ok. 95% biodegradowalnych substancji organicznych jest metabolizowane do produktów gazowych (metanu i dwutlenku węgla), natomiast pozostałość to biomasa bakteryjna4.
Fermentacja metanowa
Produktem fermentacji metanowej odpadów komunalnych, wartościowym z uwagi na zawartość metanu, jest biogaz, którego ilość i skład zależy od składu odpadów (wzrost zawartości frakcji organicznej w fermentowanych odpadach prowadzi do wzrostu jednostkowej objętości uzyskiwanego gazu), czasu prowadzenia procesu (im dłuższy czas rozkładu, tym większa zawartość metanu) oraz od (obranej technologii).
Generalnie biogaz zawiera 50-65% metanu, 50-35% dwutlenku węgla i niewielkie ilości (ok. 1%) amoniaku, siarkowodoru, wodoru, merkaptanów i innych gazów.
Z uwagi na wysoką wartość opałową biogaz powinien być spalany, w wyniku czego można odzyskać energię elektryczną i cieplną. Najczęściej potrzeby własne zakładu fermentacji metanowej kształtują się na poziomie 30-50% wytworzonej energii elektrycznej i 20-40% termicznej5. Nadmiar wyprodukowanej energii może być sprzedawany do sieci krajowych.
W celu zapewnienia właściwej pracy instalacji fermentacji metanowej należy kontrolować szereg parametrów, takich jak temperatura, odczyn pH, zawartość substancji odżywczych, iloraz ilości węgla do azotu (C:N) itp, umożliwiających osiągnięcie optymalnych warunków prowadzenia procesu³.
Uwzględniając proporcje udziału frakcji suchej i wody, technologie fermentacji mogą być prowadzone jako suche (dla zawartości wody 60-85%) i mokre (przy uwodnieniu powyżej 85%)5.
Uwarunkowania prawne gospodarki odpadami w Niemczech
Aktem prawnym, który położył podwaliny pod nowoczesną gospodarkę odpadami w Niemczech, była Ustawa o unikaniu i usuwaniu odpadów6 z 1986 r. Podstawowe założenia obejmowały redukcję ilości wytwarzanych odpadów, a także odzysk surowców wtórnych i pozyskanie energii. Minimalizacja i recykling odpadów stały się działaniami priorytetowymi w stosunku do ich składowania. Rozszerzeniem tej polityki było rozporządzenie o unikaniu i recyklingu odpadów opakowaniowych7 z 1991 r., nakładające na producentów i dystrybutorów obowiązek odbierania odpadów opakowaniowych i odzysku zawartych w nich surowców wtórnych. W konsekwencji powstał system zbiórki, przerobu i recyklingu odpadów opakowaniowych, finansowany z opłat licencyjnych (tzw. Grüne Punkt).
Rys. 1. Ilość i skład odpadów komunalnych w latach 1984-200010
W ustawie o zamkniętym obiegu substancji i gospodarce odpadami8 z 1994 r. szczególny nacisk położono na wypracowanie przez przemysł strategii produkcji opartej na założeniu, że odpady stanowią potencjalny surowiec dla procesów produkcyjnych lub energetycznych. Strategia ta ma w konsekwencji służyć zminimalizowaniu ilości deponowanych odpadów i poprzez odzysk surowców wtórnych i pozyskanie energii z odpadów ograniczyć wykorzystanie surowców naturalnych.
Trwały postęp w gospodarce odpadami powinien spełniać zarówno ekologiczne, jak i ekonomiczne wymagania przy jednoczesnej akceptacji społecznej dla koniecznych przedsięwzięć.
Zgodnie z rozporządzeniem o składowaniu odpadów na składowiskach i instalacjach do przeróbki odpadów organicznych9 z 2001 r., po 2005 r. odpady komunalne przed zdeponowaniem na składowisku będą musiały zostać unieszkodliwione w spalarniach odpadów lub poddane przeróbce mechaniczno-biologicznej.
Segregacja odpadów w Niemczech została wprowadzona w 1994 r. Z odpadów z gospodarstw domowych wydzielane są: papier i karton, szkło, odpady opakowaniowe, frakcja „bio” i pozostałe. Wprowadzenie systemu segregacji odpadów nie wpłynęło na zmniejszenie całkowitej ilości wytwarzanych odpadów. Nie udało się osiągnąć podstawowego celu ustawy o unikaniu i usuwaniu odpadów, a mianowicie redukcji ich ilości. Całkowita ilość odpadów wytwarzanych w 1987 r. i w 2000 r. jest porównywalna i wynosi ok. 350 kg/Ma10 (zmiany w ilości i składzie odpadów komunalnych w latach 1984-2000 zostały przedstawione na rys. 1, przy czym strumień odpadów komunalnych podzielono na odpady nadające się do recyklingu, frakcję „bio” i pozostałe).
Obecnie w Niemczech trwa ożywiona dyskusja na temat kosztów i efektów unieszkodliwiania odpadów, a istniejący system gospodarki odpadami jest poddawany krytyce. Główny zarzut polega na tym, że koszt gromadzenia i recyklingu odpadów nadających się do ponownego wykorzystania (350-500 euro/Mg) i frakcji „bio” (120-200 euro/Mg) jest stosunkowo wysoki w porównaniu do termicznej utylizacji odpadów zmieszanych (120-200 euro/Mg)11.
Ponadto jakość segregacji odpadów u źródła pozostawia wiele do życzenia. Frakcja pozostała po wydzieleniu odpadów do recyklingu i frakcji „bio”, która mogłaby być deponowana na składowisku, nadal zawiera ok. 30% papieru, odpadów opakowaniowych i szkła, a także ok. 30% odpadów organicznych11. Równocześnie prezentowany jest pogląd, że kompost produkowany z frakcji „bio”, a stosowany w rolnictwie, w kształtowaniu krajobrazu i do rekultywacji, nie cechuje się odpowiednią jakością z uwagi na zawartość metali ciężkich i możliwość występowania mikroorganizmów chorobotwórczych. Równocześnie nie można wykluczyć, że wykorzystanie kompostu w rolnictwie i kształtowaniu krajobrazu zostanie zakazane, co może spowodować załamanie rynku kompostu w Niemczech.
Charakterystyka instalacji w „Kahlenberg”
Segregacja odpadów jest procesem stosunkowo kosztownym, w związku z tym najbardziej efektywnym ekonomicznie rozwiązaniem, szczególnie w warunkach polskich, przy braku wdrożonej na szeroką skalę segregacji u źródła, jest zastosowanie technologii zdolnej do przeróbki zmieszanych odpadów komunalnych. Przykładem instalacji pracującej w oparciu o taką technologię jest instalacja mechaniczno-biologicznej przeróbki odpadów, zlokalizowana na terenie składowiska „Kahlenberg”.
Składowisko „Kahlenberg” leży w południowo-zachodniej części Niemiec, w landzie Badenia-Wittenberga, na terenie gminy Ringsheim. W rejonie, z którego odpady trafiają na składowisko „Kahlenberg”, przeważają wsie i niewielkie miasteczka, brakuje zaś dużych miast. W latach 1997-1999 firma Wehrle Umwelt z pobliskiego Emmendingen opracowała i uruchomiła na terenie składowiska instalację pilotażową do mechaniczno-biologicznej przeróbki odpadów opartą na procesie BIOPERCOLAT®.
W grudniu 2000 r. rozpoczęła pracę, oparta na tym procesie, instalacja techniczna o przepustowości 20 tys. Mg/a (rys. 2)12.
Rys. 2. Schemat technologiczny instalacji w „Kahlenberg”
Przerabia ona zmieszane odpady komunalne (zawierające frakcję organiczną i frakcje pozostałe po wydzieleniu z odpadów papieru/tektury, odpadów opakowaniowych i szkła) z dwóch dystryktów: Landkreis Emmendingen i Ortenaukreis. W związku z tym, że jest to region wiejski, a także względów ekonomicznych, nie wysegregowuje się z odpadów frakcji „bio”.
Odpady komunalne przywożone z obszarów zbiórki deponowane są w zasobni, gdzie odbywa się proces wysegregowania odpadów wielkogabarytowych. Następnie urządzenie chwytakowe przenosi odpady na sito bębnowe o średnicy 150 mm. We frakcji odsiewu znajduje się przede wszystkim papier, tektura i odpady opakowaniowe (folie z tworzyw sztucznych), które kierowane są do ponownego wykorzystania. Przesiew z sita (w ilości ponad 90%) po wydzieleniu metali i usunięciu odpadów niebezpiecznych kierowany jest do reaktora ługowania, w którym odpady przebywają od dwóch do trzech dni. Tutaj związki rozpuszczalne w wodzie i odoroczynne są wymywane z masy odpadów, a równocześnie przy stałym dostępie powietrza odbywa się pierwszy etap rozkładu – hydroliza. W reaktorze następuje znaczne wzmożenie aktywności biologicznej, co przyspiesza późniejsze procesy – fermentację metanową i stabilizację tlenową.
Wewnątrz reaktora ługowania znajduje się ułożone poziomo urządzenie mieszające w kształcie ślimaka, które zapewnia dokładne wymieszanie masy i nadaje jej ruch poziomy zgodnie z kierunkiem pracy prasy ślimakowej. W reaktorze odpady są zraszane recyrkulowaną cieczą procesową. W konsekwencji następuje wymywanie rozpuszczalnych w wodzie składników organicznych i nieorganicznych. Odciek charakteryzuje się bardzo wysokim ładunkiem substancji biodegradowalnych. Chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT) wynosi od 60 do 100 tys. mg/dm³, natomiast zawartość lotnych kwasów tłuszczowych, które zaczynają się tworzyć już po pierwszej godzinie roztwarzania, wynosi ok. 40 tys. mg/dm³. Po przesączeniu się przez masę odpadów wody odciekowe zbierają się w najniższej części urządzenia. Odcieki zbierane są pod perforowanym dnem, przez które dodatkowo następuje mechaniczne napowietrzanie. Po dwóch do trzech dobach masa odpadów poddawana jest odwodnieniu na prasie ślimakowej do poziomu zawartości wody 40%. Pozostała po odwodnieniu ciecz łączona jest ze strumieniem wód odciekowych z urządzenia, natomiast odwodnioną masę i substancje inertne, wydzielone z odcieków w wyniku sedymentacji, poddaje się stabilizacji tlenowej.
Proces rozkładu organicznej frakcji odpadów rozpoczyna się w reaktorze ługowania. Po wydzieleniu z otrzymanej zawiesiny biofrakcji substancji inertnych (przede wszystkim piasku), kieruje się ją do bioreaktora z aktywnym filmem biologicznym o objętości 1100 m³. Proces odbywa się w drodze fermentacji mezofilowej (temperatura 35oC) i trwa od czterech do pięciu dób. Zawartość suchej masy wynosi 3-5%. Odczyn pH w komorze utrzymuje się na poziomie obojętnym, bez potrzeby korekty za pomocą substancji chemicznych, i zawiera się w granicach 7-8. W wyniku beztlenowego rozkładu związków organicznych uzyskuje się biogaz w ilości 70-80 m³ z 1 Mg odpadów. Średnia zawartość metanu w biogazie wynosi 70%. Największa ilość biogazu powstaje w pierwszych 48 godzinach procesu.
Biogaz trafia do bloku energetycznego zakładu, znajdującego się na składowisku, gdzie wykorzystywany jest do produkcji energii elektrycznej i termicznej.
Po przejściu przez reaktor ługowania i po odwodnieniu masa odpadów poddawana jest stabilizacji tlenowej. Etap ten ma na celu ograniczenie aktywności biologicznej przed zdeponowaniem produktu na składowisku, a także zmniejszenie zawartości wody w celu ewentualnego wykorzystania produktu jako paliwa odpadowego o możliwie największej wartości kalorycznej.
Wymywanie w warunkach tlenowych stanowi proces wstępny w stosunku do procesów gnilnych czy odwodnienia w drodze odparowania. W opisywanym systemie fermentacja metanowa i stabilizacja tlenowa uzupełniają się. Stabilizacja tlenowa trwa 7-9 dni. Produkt końcowy zawiera poniżej 15% wody, a jego wartość opałowa mieści się w granicach 12-15 MJ/kg.
Większą część cieczy procesowej z bioreaktora zawraca się do reaktora ługowania, a pozostałą kieruje do zakładowej oczyszczalni ścieków. O tym, ile cieczy procesowej poddawane jest oczyszczaniu, decyduje zawartość w niej amoniaku.
Trzeba pamiętać, że im wyższa jest zawartość w odpadach frakcji „bio”, tym więcej powstaje cieczy procesowej.
Dzięki doświadczeniom z oczyszczania odcieków składowiskowych w procesie preferowane są systemy bioreaktorów membranowych. Redukcja zawartości związków organicznych następuje w wyniku aeracji. Amoniak usuwany jest w drodze nitryfikacji i denitryfikacji w bioreaktorze membranowym. Osady oddziela się od oczyszczonych ścieków za pomocą ultrafiltracji. Biomasa jest zagęszczana w reaktorze, a odpływ kieruje się do miejskiej oczyszczalni ścieków w celu ostatecznego unieszkodliwienia.
Bilans masowy instalacji
W efekcie przeróbki odpadów na składowisku „Kahlenberg” uzyskuje się biogaz (6% wyjściowej masy odpadów). Odpad po stabilizacji tlenowej (35% wyjściowej masy odpadów) jest wykorzystywany jako paliwo zastępcze, a ok. 1% wyjściowej masy odpadów stanowią odzyskiwane surowce wtórne (metale żelazne). Około 10% redukcji wyjściowej masy odpadów uzyskuje się dzięki odparowaniu zawartej w nich wody.
Powstająca w trakcie procesów rozkładu i odwadniania ciecz procesowa (ok. 30% wyjściowej masy odpadów) po podczyszczeniu metodą aeracji w bioreaktorze membranowym jest odprowadzana na miejską oczyszczalnię ścieków.
Około 13% wyjściowej masy dostarczonych odpadów (10% – odpady inertne, 3% – odpady poprocesowe) zostaje zdeponowanych na składowisku (bilans masowy prezentuje rys. 3).
Rys. 3. Bilans masy w procesie przeróbki odpadów w zakładzie „Kahlenberg”
Efektywność procesu
Instalację charakteryzują korzyści płynące zarówno ze znacznej redukcji ilości odpadów, jak i przewyższającej potrzeby własne produkcji energii. Instalacja jest samowystarczalna pod względem zaopatrzenia w energię. Ponad 1/3 produkowanej energii elektrycznej jest sprzedawana. Na podgrzanie bioreaktora potrzeba ok. 50 kWh/Mg odpadów, natomiast nadwyżka energii cieplnej (w ilości 200 kWh/Mg) może zostać sprzedana.
W przypadku, gdy odpad po stabilizacji tlenowej nie podlega utylizacji i razem z odpadami inertnymi i poprocesowymi trafia na składowisko, całkowita ilość balastu (składowanych odpadów) wynosi ok. 50% dostarczanej masy odpadów.
Opisywany zakład nie jest obiektem uciążliwym dla otoczenia. Powietrze z obiektów zamkniętych (reaktora ługowania, komory stabilizacji tlenowej i hal) jest oczyszczane na biofiltrze, usuwającym uciążliwe zapachy.
Interesująca alternatywa
Technologia mechaniczno-biologicznej przeróbki odpadów stanowi bez wątpienia nowoczesne rozwiązanie problemu unieszkodliwiania i utylizacji wciąż rosnącej ilości odpadów komunalnych. Na przykładzie instalacji „Kahlenberg” można stwierdzić, że zakłady pracujące w oparciu o proces fermentacji metanowej nie tylko wypełniają zobowiązania ustawowe w zakresie gospodarki odpadami i chronią środowisko naturalne, ale również osiągają określone korzyści materialne. We wstępnej fazie obróbki odpadów wydziela się i następnie sprzedaje surowce wtórne nadające się do recyklingu, takie jak: metale, stłuczka szklana czy papier. W procesie powstaje biogaz oraz produkt, który jako paliwo zastępcze może być spalany dla pozyskania energii. W przypadku opisywanej instalacji energia elektryczna i termiczna uzyskana ze spalania biogazu pokrywa potrzeby własne zakładu, a jej nadmiar może być sprzedawany na zewnątrz.
Ważną zaletą instalacji pracującej w oparciu o technologię mechaniczno-biologicznej przeróbki odpadów jest brak konieczności wcześniejszego wysortowywania z odpadów komunalnych frakcji „bio” (do przeróbki trafiają odpady zmieszane). Omówiony proces pozwala na obróbkę odpadów komunalnych w jednej instalacji.
Możliwości technologii fermentacji metanowej odpadów komunalnych dowodzą, że instalacje pracujące w oparciu o tę technologię stanowią niewątpliwie interesującą alternatywę, zarówno dla kompostowania, jak i dla spalania odpadów i należy sądzić, że będą one coraz popularniejsze.
dr hab. inż. Maria Żygadło
prof. Politechniki Świętokrzyskiej
dr Peter Schalk
Wehrle Umwelt GmbH, Niemcy
Łukasz Orman
Politechnika Świętokrzyska
Źródła
Maria Żygadło
Peter Schalk
Łukasz Orman
Alternatywę dla technologii bezpośredniego składowania odpadów (tj. bez wstępnej przeróbki) i dla zyskującej coraz większą popularność technologii kompostowania stanowi mechaniczno-biologiczna przeróbka odpadów zmieszanych. W procesie tym zmieszane odpady komunalne poddawane są procesom gnilnym lub fermentacji metanowej w celu stabilizacji frakcji organicznej, zmniejszenia ich objętości, a także odzysku energii i surowców wtórnych zawartych w odpadach.
Technologia przeróbki mechaniczno-biologicznej pozwala spełnić wymagania odnośnie recyklingu i może być procesem wstępnym przed zdeponowaniem odpadów na składowisku. Zakłady pracujące w oparciu o technologie beztlenowego biorozkładu mogą stanowić istotny element systemów gospodarki odpadami. Zapewniają one również wypełnienie zobowiązań prawnych w zakresie gospodarki odpadami w Polsce, przede wszystkim ustawy o odpadach. Ustawa ta nakazuje odzysk zawartych w odpadach materiałów nadających się do ponownego wykorzystania (surowców wtórnych) i unieszkodliwienia pozostałych odpadów zgodnie z wymaganiami ochrony środowiska. W procesie rozkładu frakcji organicznej w drodze fermentacji metanowej powstaje bogaty w metan biogaz, który może być spalany bezpośrednio w pochodniach lub też z pozyskaniem energii elektrycznej i cieplnej. W drugim przypadku Rozporządzenie Ministra Gospodarki z 15 grudnia 2000 r. w sprawie obowiązku zakupu energii elektrycznej ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz zakresu tego obowiązku (DzU nr 122, poz. 1336) zobowiązuje przedsiębiorstwa energetyczne do zakupu energii ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych docelowo w 2010 r. w ilości co najmniej 7,5%. Ponadto dyrektywa Unii Europejskiej 99/31/EC w sprawie składowania odpadów nakłada na państwa członkowskie obowiązek znacznej redukcji zawartości frakcji organicznej w odpadach deponowanych na składowiskach, docelowo w 2016 r. o 65% (w odniesieniu do stanu w 1995 r.).
Niezbędne wydaje się zatem wdrożenie na szeroką skalę technologii przeróbki frakcji organicznej odpadów komunalnych, która to nie tylko spełnia wymagania prawa, ale również sprzyja środowisku. Niewątpliwie takimi instalacjami spełniającymi powyższe kryteria są zakłady pracujące w oparciu o proces fermentacji metanowej, np. instalacja na składowisku odpadów „Kahlenberg” w Niemczech.
Fermentacja metanowa substancji organicznych
Fermentacja metanowa stanowi zespół beztlenowych procesów biochemicznych, w których wielkocząsteczkowe substancje organiczne (przede wszystkim węglowodany, białka i tłuszcze oraz ich pochodne) ulegają rozkładowi do alkoholi lub niższych kwasów organicznych oraz do metanu, dwutlenku węgla i wody¹. W procesie fermentacji metanowej wyróżnia się cztery następujące po sobie etapy².
Pierwszy to enzymatyczna hydroliza złożonych substancji organicznych przy udziale enzymów produkowanych przez bakterie hydrolityczne. W wyniku hydrolizy tworzą się substancje proste: z białek – aminokwasy, z tłuszczów – kwasy tłuszczowe i glicerol, a z polisacharydów – monosacharydy.
Następnie bakterie fermentatywne metabolizują produkty hydrolizy do lotnych kwasów tłuszczowych (głównie do kwasu octowego, masłowego i propionowego), etanolu i produktów gazowych. Tworzący się gaz zawiera ok. 80% dwutlenku węgla i 20% wodoru³. Jest to faza fermentacji kwaśnej (acidogeneza).
Kolejnym etapem degradacji bioodpadów jest octanogeneza, w czasie której grupa bakterii octanogennych rozkłada lotne kwasy tłuszczowe, przede wszystkim kwas propionowy i masłowy do kwasu octowego, dwutlenku węgla i wodoru.
Ostatnim etapem jest metanogeneza, w czasie której następuje właściwa przemiana kwasu octowego do metanu i dwutlenku węgla. Produkty te powstają również w wyniku redukcji dwutlenku węgla w reakcji z wodorem, z udziałem niektórych szczepów bakterii metanogennych.
Końcowe produkty procesów beztlenowych stanowią gazy, głównie metan i dwutlenek węgla. W znacznie mniejszych ilościach powstaje także siarkowodór, wodór, azot, amoniak i merkaptany. Po stronie stałych produktów przemian powstają osady. W osadach znajdują się związki trudno bądź nierozkładalne przez bakterie anaerobowe i biomasa bakteryjna.
Szacuje się, że w procesie fermentacji metanowej ok. 95% biodegradowalnych substancji organicznych jest metabolizowane do produktów gazowych (metanu i dwutlenku węgla), natomiast pozostałość to biomasa bakteryjna4.
Fermentacja metanowa
Produktem fermentacji metanowej odpadów komunalnych, wartościowym z uwagi na zawartość metanu, jest biogaz, którego ilość i skład zależy od składu odpadów (wzrost zawartości frakcji organicznej w fermentowanych odpadach prowadzi do wzrostu jednostkowej objętości uzyskiwanego gazu), czasu prowadzenia procesu (im dłuższy czas rozkładu, tym większa zawartość metanu) oraz od (obranej technologii).
Generalnie biogaz zawiera 50-65% metanu, 50-35% dwutlenku węgla i niewielkie ilości (ok. 1%) amoniaku, siarkowodoru, wodoru, merkaptanów i innych gazów.
Z uwagi na wysoką wartość opałową biogaz powinien być spalany, w wyniku czego można odzyskać energię elektryczną i cieplną. Najczęściej potrzeby własne zakładu fermentacji metanowej kształtują się na poziomie 30-50% wytworzonej energii elektrycznej i 20-40% termicznej5. Nadmiar wyprodukowanej energii może być sprzedawany do sieci krajowych.
W celu zapewnienia właściwej pracy instalacji fermentacji metanowej należy kontrolować szereg parametrów, takich jak temperatura, odczyn pH, zawartość substancji odżywczych, iloraz ilości węgla do azotu (C:N) itp, umożliwiających osiągnięcie optymalnych warunków prowadzenia procesu³.
Uwzględniając proporcje udziału frakcji suchej i wody, technologie fermentacji mogą być prowadzone jako suche (dla zawartości wody 60-85%) i mokre (przy uwodnieniu powyżej 85%)5.
Uwarunkowania prawne gospodarki odpadami w Niemczech
Aktem prawnym, który położył podwaliny pod nowoczesną gospodarkę odpadami w Niemczech, była Ustawa o unikaniu i usuwaniu odpadów6 z 1986 r. Podstawowe założenia obejmowały redukcję ilości wytwarzanych odpadów, a także odzysk surowców wtórnych i pozyskanie energii. Minimalizacja i recykling odpadów stały się działaniami priorytetowymi w stosunku do ich składowania. Rozszerzeniem tej polityki było rozporządzenie o unikaniu i recyklingu odpadów opakowaniowych7 z 1991 r., nakładające na producentów i dystrybutorów obowiązek odbierania odpadów opakowaniowych i odzysku zawartych w nich surowców wtórnych. W konsekwencji powstał system zbiórki, przerobu i recyklingu odpadów opakowaniowych, finansowany z opłat licencyjnych (tzw. Grüne Punkt).
Rys. 1. Ilość i skład odpadów komunalnych w latach 1984-200010
W ustawie o zamkniętym obiegu substancji i gospodarce odpadami8 z 1994 r. szczególny nacisk położono na wypracowanie przez przemysł strategii produkcji opartej na założeniu, że odpady stanowią potencjalny surowiec dla procesów produkcyjnych lub energetycznych. Strategia ta ma w konsekwencji służyć zminimalizowaniu ilości deponowanych odpadów i poprzez odzysk surowców wtórnych i pozyskanie energii z odpadów ograniczyć wykorzystanie surowców naturalnych.
Trwały postęp w gospodarce odpadami powinien spełniać zarówno ekologiczne, jak i ekonomiczne wymagania przy jednoczesnej akceptacji społecznej dla koniecznych przedsięwzięć.
Zgodnie z rozporządzeniem o składowaniu odpadów na składowiskach i instalacjach do przeróbki odpadów organicznych9 z 2001 r., po 2005 r. odpady komunalne przed zdeponowaniem na składowisku będą musiały zostać unieszkodliwione w spalarniach odpadów lub poddane przeróbce mechaniczno-biologicznej.
Segregacja odpadów w Niemczech została wprowadzona w 1994 r. Z odpadów z gospodarstw domowych wydzielane są: papier i karton, szkło, odpady opakowaniowe, frakcja „bio” i pozostałe. Wprowadzenie systemu segregacji odpadów nie wpłynęło na zmniejszenie całkowitej ilości wytwarzanych odpadów. Nie udało się osiągnąć podstawowego celu ustawy o unikaniu i usuwaniu odpadów, a mianowicie redukcji ich ilości. Całkowita ilość odpadów wytwarzanych w 1987 r. i w 2000 r. jest porównywalna i wynosi ok. 350 kg/Ma10 (zmiany w ilości i składzie odpadów komunalnych w latach 1984-2000 zostały przedstawione na rys. 1, przy czym strumień odpadów komunalnych podzielono na odpady nadające się do recyklingu, frakcję „bio” i pozostałe).
Obecnie w Niemczech trwa ożywiona dyskusja na temat kosztów i efektów unieszkodliwiania odpadów, a istniejący system gospodarki odpadami jest poddawany krytyce. Główny zarzut polega na tym, że koszt gromadzenia i recyklingu odpadów nadających się do ponownego wykorzystania (350-500 euro/Mg) i frakcji „bio” (120-200 euro/Mg) jest stosunkowo wysoki w porównaniu do termicznej utylizacji odpadów zmieszanych (120-200 euro/Mg)11.
Ponadto jakość segregacji odpadów u źródła pozostawia wiele do życzenia. Frakcja pozostała po wydzieleniu odpadów do recyklingu i frakcji „bio”, która mogłaby być deponowana na składowisku, nadal zawiera ok. 30% papieru, odpadów opakowaniowych i szkła, a także ok. 30% odpadów organicznych11. Równocześnie prezentowany jest pogląd, że kompost produkowany z frakcji „bio”, a stosowany w rolnictwie, w kształtowaniu krajobrazu i do rekultywacji, nie cechuje się odpowiednią jakością z uwagi na zawartość metali ciężkich i możliwość występowania mikroorganizmów chorobotwórczych. Równocześnie nie można wykluczyć, że wykorzystanie kompostu w rolnictwie i kształtowaniu krajobrazu zostanie zakazane, co może spowodować załamanie rynku kompostu w Niemczech.
Charakterystyka instalacji w „Kahlenberg”
Segregacja odpadów jest procesem stosunkowo kosztownym, w związku z tym najbardziej efektywnym ekonomicznie rozwiązaniem, szczególnie w warunkach polskich, przy braku wdrożonej na szeroką skalę segregacji u źródła, jest zastosowanie technologii zdolnej do przeróbki zmieszanych odpadów komunalnych. Przykładem instalacji pracującej w oparciu o taką technologię jest instalacja mechaniczno-biologicznej przeróbki odpadów, zlokalizowana na terenie składowiska „Kahlenberg”.
Składowisko „Kahlenberg” leży w południowo-zachodniej części Niemiec, w landzie Badenia-Wittenberga, na terenie gminy Ringsheim. W rejonie, z którego odpady trafiają na składowisko „Kahlenberg”, przeważają wsie i niewielkie miasteczka, brakuje zaś dużych miast. W latach 1997-1999 firma Wehrle Umwelt z pobliskiego Emmendingen opracowała i uruchomiła na terenie składowiska instalację pilotażową do mechaniczno-biologicznej przeróbki odpadów opartą na procesie BIOPERCOLAT®.
W grudniu 2000 r. rozpoczęła pracę, oparta na tym procesie, instalacja techniczna o przepustowości 20 tys. Mg/a (rys. 2)12.
Rys. 2. Schemat technologiczny instalacji w „Kahlenberg”
Przerabia ona zmieszane odpady komunalne (zawierające frakcję organiczną i frakcje pozostałe po wydzieleniu z odpadów papieru/tektury, odpadów opakowaniowych i szkła) z dwóch dystryktów: Landkreis Emmendingen i Ortenaukreis. W związku z tym, że jest to region wiejski, a także względów ekonomicznych, nie wysegregowuje się z odpadów frakcji „bio”.
Odpady komunalne przywożone z obszarów zbiórki deponowane są w zasobni, gdzie odbywa się proces wysegregowania odpadów wielkogabarytowych. Następnie urządzenie chwytakowe przenosi odpady na sito bębnowe o średnicy 150 mm. We frakcji odsiewu znajduje się przede wszystkim papier, tektura i odpady opakowaniowe (folie z tworzyw sztucznych), które kierowane są do ponownego wykorzystania. Przesiew z sita (w ilości ponad 90%) po wydzieleniu metali i usunięciu odpadów niebezpiecznych kierowany jest do reaktora ługowania, w którym odpady przebywają od dwóch do trzech dni. Tutaj związki rozpuszczalne w wodzie i odoroczynne są wymywane z masy odpadów, a równocześnie przy stałym dostępie powietrza odbywa się pierwszy etap rozkładu – hydroliza. W reaktorze następuje znaczne wzmożenie aktywności biologicznej, co przyspiesza późniejsze procesy – fermentację metanową i stabilizację tlenową.
Wewnątrz reaktora ługowania znajduje się ułożone poziomo urządzenie mieszające w kształcie ślimaka, które zapewnia dokładne wymieszanie masy i nadaje jej ruch poziomy zgodnie z kierunkiem pracy prasy ślimakowej. W reaktorze odpady są zraszane recyrkulowaną cieczą procesową. W konsekwencji następuje wymywanie rozpuszczalnych w wodzie składników organicznych i nieorganicznych. Odciek charakteryzuje się bardzo wysokim ładunkiem substancji biodegradowalnych. Chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT) wynosi od 60 do 100 tys. mg/dm³, natomiast zawartość lotnych kwasów tłuszczowych, które zaczynają się tworzyć już po pierwszej godzinie roztwarzania, wynosi ok. 40 tys. mg/dm³. Po przesączeniu się przez masę odpadów wody odciekowe zbierają się w najniższej części urządzenia. Odcieki zbierane są pod perforowanym dnem, przez które dodatkowo następuje mechaniczne napowietrzanie. Po dwóch do trzech dobach masa odpadów poddawana jest odwodnieniu na prasie ślimakowej do poziomu zawartości wody 40%. Pozostała po odwodnieniu ciecz łączona jest ze strumieniem wód odciekowych z urządzenia, natomiast odwodnioną masę i substancje inertne, wydzielone z odcieków w wyniku sedymentacji, poddaje się stabilizacji tlenowej.
Proces rozkładu organicznej frakcji odpadów rozpoczyna się w reaktorze ługowania. Po wydzieleniu z otrzymanej zawiesiny biofrakcji substancji inertnych (przede wszystkim piasku), kieruje się ją do bioreaktora z aktywnym filmem biologicznym o objętości 1100 m³. Proces odbywa się w drodze fermentacji mezofilowej (temperatura 35oC) i trwa od czterech do pięciu dób. Zawartość suchej masy wynosi 3-5%. Odczyn pH w komorze utrzymuje się na poziomie obojętnym, bez potrzeby korekty za pomocą substancji chemicznych, i zawiera się w granicach 7-8. W wyniku beztlenowego rozkładu związków organicznych uzyskuje się biogaz w ilości 70-80 m³ z 1 Mg odpadów. Średnia zawartość metanu w biogazie wynosi 70%. Największa ilość biogazu powstaje w pierwszych 48 godzinach procesu.
Biogaz trafia do bloku energetycznego zakładu, znajdującego się na składowisku, gdzie wykorzystywany jest do produkcji energii elektrycznej i termicznej.
Po przejściu przez reaktor ługowania i po odwodnieniu masa odpadów poddawana jest stabilizacji tlenowej. Etap ten ma na celu ograniczenie aktywności biologicznej przed zdeponowaniem produktu na składowisku, a także zmniejszenie zawartości wody w celu ewentualnego wykorzystania produktu jako paliwa odpadowego o możliwie największej wartości kalorycznej.
Wymywanie w warunkach tlenowych stanowi proces wstępny w stosunku do procesów gnilnych czy odwodnienia w drodze odparowania. W opisywanym systemie fermentacja metanowa i stabilizacja tlenowa uzupełniają się. Stabilizacja tlenowa trwa 7-9 dni. Produkt końcowy zawiera poniżej 15% wody, a jego wartość opałowa mieści się w granicach 12-15 MJ/kg.
Większą część cieczy procesowej z bioreaktora zawraca się do reaktora ługowania, a pozostałą kieruje do zakładowej oczyszczalni ścieków. O tym, ile cieczy procesowej poddawane jest oczyszczaniu, decyduje zawartość w niej amoniaku.
Trzeba pamiętać, że im wyższa jest zawartość w odpadach frakcji „bio”, tym więcej powstaje cieczy procesowej.
Dzięki doświadczeniom z oczyszczania odcieków składowiskowych w procesie preferowane są systemy bioreaktorów membranowych. Redukcja zawartości związków organicznych następuje w wyniku aeracji. Amoniak usuwany jest w drodze nitryfikacji i denitryfikacji w bioreaktorze membranowym. Osady oddziela się od oczyszczonych ścieków za pomocą ultrafiltracji. Biomasa jest zagęszczana w reaktorze, a odpływ kieruje się do miejskiej oczyszczalni ścieków w celu ostatecznego unieszkodliwienia.
Bilans masowy instalacji
W efekcie przeróbki odpadów na składowisku „Kahlenberg” uzyskuje się biogaz (6% wyjściowej masy odpadów). Odpad po stabilizacji tlenowej (35% wyjściowej masy odpadów) jest wykorzystywany jako paliwo zastępcze, a ok. 1% wyjściowej masy odpadów stanowią odzyskiwane surowce wtórne (metale żelazne). Około 10% redukcji wyjściowej masy odpadów uzyskuje się dzięki odparowaniu zawartej w nich wody.
Powstająca w trakcie procesów rozkładu i odwadniania ciecz procesowa (ok. 30% wyjściowej masy odpadów) po podczyszczeniu metodą aeracji w bioreaktorze membranowym jest odprowadzana na miejską oczyszczalnię ścieków.
Około 13% wyjściowej masy dostarczonych odpadów (10% – odpady inertne, 3% – odpady poprocesowe) zostaje zdeponowanych na składowisku (bilans masowy prezentuje rys. 3).
Rys. 3. Bilans masy w procesie przeróbki odpadów w zakładzie „Kahlenberg”
Efektywność procesu
Instalację charakteryzują korzyści płynące zarówno ze znacznej redukcji ilości odpadów, jak i przewyższającej potrzeby własne produkcji energii. Instalacja jest samowystarczalna pod względem zaopatrzenia w energię. Ponad 1/3 produkowanej energii elektrycznej jest sprzedawana. Na podgrzanie bioreaktora potrzeba ok. 50 kWh/Mg odpadów, natomiast nadwyżka energii cieplnej (w ilości 200 kWh/Mg) może zostać sprzedana.
W przypadku, gdy odpad po stabilizacji tlenowej nie podlega utylizacji i razem z odpadami inertnymi i poprocesowymi trafia na składowisko, całkowita ilość balastu (składowanych odpadów) wynosi ok. 50% dostarczanej masy odpadów.
Opisywany zakład nie jest obiektem uciążliwym dla otoczenia. Powietrze z obiektów zamkniętych (reaktora ługowania, komory stabilizacji tlenowej i hal) jest oczyszczane na biofiltrze, usuwającym uciążliwe zapachy.
Interesująca alternatywa
Technologia mechaniczno-biologicznej przeróbki odpadów stanowi bez wątpienia nowoczesne rozwiązanie problemu unieszkodliwiania i utylizacji wciąż rosnącej ilości odpadów komunalnych. Na przykładzie instalacji „Kahlenberg” można stwierdzić, że zakłady pracujące w oparciu o proces fermentacji metanowej nie tylko wypełniają zobowiązania ustawowe w zakresie gospodarki odpadami i chronią środowisko naturalne, ale również osiągają określone korzyści materialne. We wstępnej fazie obróbki odpadów wydziela się i następnie sprzedaje surowce wtórne nadające się do recyklingu, takie jak: metale, stłuczka szklana czy papier. W procesie powstaje biogaz oraz produkt, który jako paliwo zastępcze może być spalany dla pozyskania energii. W przypadku opisywanej instalacji energia elektryczna i termiczna uzyskana ze spalania biogazu pokrywa potrzeby własne zakładu, a jej nadmiar może być sprzedawany na zewnątrz.
Ważną zaletą instalacji pracującej w oparciu o technologię mechaniczno-biologicznej przeróbki odpadów jest brak konieczności wcześniejszego wysortowywania z odpadów komunalnych frakcji „bio” (do przeróbki trafiają odpady zmieszane). Omówiony proces pozwala na obróbkę odpadów komunalnych w jednej instalacji.
Możliwości technologii fermentacji metanowej odpadów komunalnych dowodzą, że instalacje pracujące w oparciu o tę technologię stanowią niewątpliwie interesującą alternatywę, zarówno dla kompostowania, jak i dla spalania odpadów i należy sądzić, że będą one coraz popularniejsze.
dr hab. inż. Maria Żygadło
prof. Politechniki Świętokrzyskiej
dr Peter Schalk
Wehrle Umwelt GmbH, Niemcy
Łukasz Orman
Politechnika Świętokrzyska
Źródła
- Buraczewski G.: Fermentacja metanowa, PWN, Warszawa 1989.
- Dziędziela W.: Procesy fermentacyjne w wysypiskach odpadów komunalnych, MGPiB, OBREM, Łódź 1991.
- Williams P.T.: Waste Treatment and Disposal, John Wiley & Sons Ltd., Chichester 1998.
- Sahm H.: Anaerobic wastewater treatment, Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, Springer-Verlag, Berlin 1984.
- Jędrczak A., Mąkowski M.: Fermentacja metanowa. Miejsce w systemach gospodarki odpadami komunalnymi, Mat. Konf. IV Konferencji z cyklu „Woda-Ścieki-Odpady w Środowisku”, Wydawnictwo Politechniki Zielonogórskiej, Zielona Góra 2000.
- Gesetz zur Abfallvermeidung und Abfallwirtschaft, 27.08.1986.
- Verordnung über Vermeidung von Verpackungsabfällen, 12.06.1991.
- Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen, 27.09.1994.
- Verordnung über die umweltverträgliche Ablagerung von Siedlungsabfällen und über biologische Abfallbehandlungsanlagen, 20.02.2001.
- Dane statystyczne Landu Badenia-Wittenberga, 2001.
- Kern M.: Potentiale zur stofflichen und energetischen Verwertung im Hausmüll in Bio- und Restabfallbehandlung IV, Wiemer, K. u. Kern, M. (editor), Witzenhausen-Institut, Germany 2000.
- Wehrle-Werk AG, Environmental Technologies for Treatment of Waste Water and Municipal Solid Waste, Chinese-Polish-German Conference at FH Stuttgart, Germany 13rd – 15th October 2003.
