Obecnie istnieje wiele metod przekształcania odpadów komunalnych w energię. Metody te obejmują fermentację beztlenową, zgazowanie, pirolizę, otwarte spalanie i katalityczną depolimeryzację.
Otwarte spalanie
W kilku badaniach oszacowano globalne emisje zanieczyszczeń powietrza z otwartego spalania stałych odpadów komunalnych (MSW). W większości badań przyjmuje się domyślną sprawność utleniania i wskaźniki emisji. Jednak większość badań dotyczących gospodarki odpadami uznaje ograniczenia tego podejścia.
W tym badaniu, ponadregionalne badanie gospodarstw domowych zostało przeprowadzone w dolinie Katmandu, w Nepalu, aby określić ilościowo otwarte spalanie odpadów komunalnych. Badanie to zmierzyło frakcję ludności spalającej odpady poza domem, szerokość i długość stosu, oraz liczbę stosów spalanych na wysypiskach. Wykorzystując te dane, oszacowano średnią wielkość stosu. Następnie sklasyfikowano frakcję odpadów spalanych na wysypisku jako niezagospodarowane lub spalone.
Otwarte spalanie stałych odpadów komunalnych ma szereg skutków zdrowotnych, w tym choroby układu oddechowego i nadwrażliwość alergiczną. Niepełne spalanie powoduje emisję toksyn do atmosfery. Skutki zdrowotne otwartego spalania przypisuje się wysokiej temperaturze procesu spalania.
Otwarte spalanie jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do zanieczyszczenia powietrza w wielu krajach rozwijających się. Jednak wpływ tej praktyki nie jest dobrze poznany. Pomimo zagrożeń dla zdrowia związanych ze spalaniem odpadów, ludzie nadal je spalają, ponieważ inne formy usuwania odpadów są niedostępne – te słowa pochodzą z serwisu hetpecsetes.hu.
Niemniej jednak, ulepszone praktyki segregacji odpadów są potrzebne, aby zminimalizować otwarte spalanie MSW. Lepsze zrozumienie skutków otwartego spalania pomoże rozwinąć politykę w celu rozwiązania problemu jego wpływu.
Fermentacja beztlenowa
Biologiczna fermentacja beztlenowa (AD) jest procesem, w którym złożony materiał organiczny jest hydrolizowany przez bakterie kwasowe. Produkt, zwany biogazem, jest następnie wykorzystywany jako energia. Fermentacja beztlenowa jest szeroko stosowana w oczyszczalniach ścieków (WWTP) do redukcji osadu czynnego i produkcji osadu stabilizowanego. Ma ona niskie zapotrzebowanie na energię i wytwarza metan oraz inne gazy.
Ostatnie badania badały zastosowanie alkalicznej obróbki wstępnej w celu poprawy wydajności fermentacji. Stwierdzono, że alkaliczna obróbka wstępna ma pozytywny wpływ na rozpuszczalność osadu i produkcję zneutralizowanych kwasów.
Biologiczna fermentacja beztlenowa może być prowadzona w temperaturze termofilnej (>60 degC) lub mezofilnej (28-45 degC). Termofilna komora fermentacyjna ma tę zaletę, że zwiększa wydajność fermentacji poprzez promowanie hydrolizy substratu.
Mezofilowa komora fermentacyjna ma mniejsze zapotrzebowanie na energię, ale wymaga dłuższych czasów retencji hydraulicznej. Produkuje również stabilną masę stałą i dobry biogaz.
Ostatnio opracowano nowatorską konstrukcję do wysokowydajnej produkcji CH4 ze stałych odpadów komunalnych. Zawiera ona kontrolowany przepływ nadawy nad stałym biofilmem mikrobiologicznym. Konstrukcja zmniejsza również objętość osadu o 46%.
Biogaz może być przekształcony w energię, a biorafinerie również stają się atrakcyjną opcją, biorąc pod uwagę dążenie do obiegowej gospodarki miejskiej. W niniejszym artykule porównamy wpływ AD na środowisko z produkcją nawozów organicznych oraz zbadamy kluczowe parametry procesu. Przeanalizujemy również zależność wyników od założeń.
Katalityczna depolimeryzacja
Do tej pory konwersja biomasy i odpadów z tworzyw sztucznych były badane oddzielnie. Teraz jednak ich drogi zaczynają się krzyżować. Zarówno tworzywa sztuczne, jak i biomasa mają podobny skład pierwiastkowy, jednostki monomeryczne i powiązania strukturalne. Rozwinęły również unikalne ścieżki konwersji.
Zarówno biomasa jak i odpady tworzyw sztucznych posiadają alifatyczne łańcuchy węglowe, które są wspólną cechą wielu termoplastów. Posiadają również drugorzędne interakcje pomiędzy łańcuchami polimerowymi, takie jak wiązanie wodorowe i sieciowanie, które dodają im odporności na rozkład chemiczny.
Do konwersji odpadów z tworzyw sztucznych zastosowano proces pirolizy katalitycznej. Materiały zostały wymieszane, a następnie podgrzane pod ciągłym przepływem azotu. Następnie odpady plastikowe zostały pokruszone na 2 cm kawałki. Próbki odpadów plastikowych były następnie podgrzewane w temperaturze od 300 do 900 st. C. Powstała ciecz była następnie ekstrahowana i oceniana pod kątem składu za pomocą GC-MS.
Ciekły produkt zawiera parafiny, woski i węglowodory. Jest stosowany w przemyśle petrochemicznym, produkcji paliw i przemyśle energetycznym. Składem zbliżony jest do ropy naftowej.
Proces jest przyjazny dla środowiska. Produkuje ciecze o niskiej masie cząsteczkowej, które mają taki sam skład jak ropa naftowa. Nie wytwarza również toksycznych emisji. Jest to obiecująca metoda przetwarzania odpadów tworzyw sztucznych na paliwa.
Ostatnio opracowano nowe układy katalityczne, które aktywują wiązania C-C i C-N. Jest to szczególnie ważne w tworzywach sztucznych i biomasie. Szacuje się, że energia dysocjacji wiązań C-C w tworzywach sztucznych wynosi około 340 kJ/mol.
Fermentacja
Wykorzystanie fermentujących odpadów komunalnych w procesie produkcji biogazu ma szereg zalet. Należy do nich fakt, że uzysk biogazu jest wysoki. Jest on również paliwem niskoemisyjnym i nadaje się do zasilania autobusów miejskich. Biogaz jest produkowany w sposób zgodny z lokalnymi przepisami dotyczącymi ochrony środowiska.
Fermentacji można poddać kilka rodzajów odpadów komunalnych. Należą do nich gnojowica, odpady przemysłowe oraz ścieki komunalne. Do procesu fermentacji nadają się również odpady rolnicze. Można to zrobić na różne sposoby. Na przykład w przypadku połączenia odpadów komunalnych i rolniczych najbardziej efektywny jest proces współfermentacji. W tym przypadku odpady są najpierw poddawane obróbce w celu usunięcia zapachów i zanieczyszczeń. Następnie odpady umieszczane są w pojemniku sanitarnym o regulowanej temperaturze. Odpady są utrzymywane w tej temperaturze przez określony czas. Produkcja metanu trwa do co najmniej 30 dni.
Najbardziej efektywną metodą przekształcania odpadów komunalnych w biogaz jest fermentacja osadu przy pomocy gatunku bakterii produkujących metan. Można to zrobić poprzez poddanie odpadów obróbce termicznej aktywacji. Jest to proces polegający na podgrzaniu odpadów do temperatury około 55 do 65 0 C przez okres około 0,5 do 15 minut. Następnie odpady poddawane są degradacji w warunkach beztlenowych. Odpady mogą być również rozrzucane jako nawóz.
Inną metodą przekształcania odpadów w biogaz jest dodanie do odpadów substancji organicznej. Może to być dostępna w handlu substancja organiczna lub nawóz z odpadów zwierzęcych.
Zgazowanie
W procesie zgazowania odpady komunalne są przekształcane w palny produkt gazowy, który może być wykorzystany jako paliwo. Zgazowanie jest termochemiczną konwersją biomasy organicznej w środowisku o ograniczonej ilości tlenu. Jest to technologia alternatywna dla spalarni odpadów. Może zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska i umożliwić stosowanie paliw płynnych.
Biomasa jest obfitym zasobem. Obejmuje ona odpady drzewne, takie jak słoma i wióry, i jest wykorzystywana jako paliwo, trociny i masa celulozowa. Jest również wykorzystywana jako energooszczędny sposób utylizacji stałych odpadów komunalnych.
Duża ilość biomasy jest obecnie składowana. Ma ona bardzo zróżnicowany skład. Obejmuje ona materiały organiczne, substancje mineralne oraz popiół. Ponadto posiada różne właściwości fizyczne, takie jak celuloza i lignina.
Odpady biomasy mogą być poddane pirolizie w zgazowarce fluidalnej. W tym procesie odpady są podgrzewane do temperatury 9000 stopni, która jest ponad dziesięć razy wyższa niż w przypadku spalania. Gorący materiał fluidalny działa jak termiczne koło zamachowe, dostarczając ciepło potrzebne do reakcji.
Wyniki zgazowania wykazały, że osady ściekowe wyprodukowały 1,9 ng/m3 dioksyn, natomiast zgazowanie RDF wyprodukowało 9% HCl i 48% chloru. Ilości te są znacznie niższe od ilości wytwarzanych w wyniku konwencjonalnego współzgazowania węgla z odpadami, ale są wyższe od ilości wytwarzanych w wyniku zgazowania samego węgla.
Zgazowanie łukiem plazmowym jest potencjalną technologią przetwarzania odpadów komunalnych. Proces może niszczyć azbest, PCB i inne materiały niebezpieczne. Może również przekształcić odpady w nieszkodliwy żużel. Jednak niektórzy ekolodzy są zaniepokojeni zdolnością tej technologii do wytwarzania dioksyn.
Piroliza
Wykorzystanie pirolizy do przekształcania odpadów komunalnych jest obiecującą techniką. Może być stosowana do przekształcania odpadów, które mają wysoką zawartość energii, w wartościowe produkty. Jest ona również przyjazna dla środowiska.
Proces pirolizy jest procesem termochemicznym, który polega na ogrzewaniu surowca przez dłuższy czas w niskiej temperaturze. W jego wyniku powstają gazy i płynny olej. Ponadto powstają w nim niewielkie frakcje stałego węgla drzewnego. Węgiel drzewny jest cennym materiałem palnym, który może być stosowany jako reduktant w procesach metalurgicznych.
W pirolizie stosowane są dwa rodzaje katalizatorów. Katalizatory przyspieszają reakcje i zwiększają wydajność produktów aromatycznych. Poprawiają również selektywność frakcji ciekłych i gazowych. Katalizatory mogą również zmniejszyć ilość nienasycenia w produktach węglowodorowych.
Do przetwarzania odpadów opracowano wiele różnych technik pirolizy. Istnieją cztery podstawowe typy reaktorów: ze złożem stałym, ze złożem fluidalnym, z piecem obrotowym i ze złożem wylewanym. Różnią się one temperaturą pracy, szybkością ogrzewania i czasem przebywania.
Złoże fluidalne charakteryzuje się silnym mieszaniem materiału wsadowego. Powoduje to lepsze przekazywanie ciepła niż w przypadku złoża stałego. Jest to dobre rozwiązanie dla pirolizy polimerów odpadowych. Ponadto, jest ono stosowane w większości zakładów komercyjnych. Reaktor ze złożem wylewanym jest dobrym rozwiązaniem dla lepkich ciał stałych. Charakteryzuje się również mniejszym ścieraniem.
W przeciwieństwie do reaktorów ze złożem fluidalnym, piece obrotowe są mniej skomplikowane w obsłudze. Są one również odpowiednie do obsługi różnych rodzajów odpadów.