DESEURI URBANE.pdf

UI 11: Tehnologii de valorificare a potenţialului energetic al deşeurilor urbane

189

Unitatea de învăţare nr. 11

TEHNOLOGII DE VALORIFICARE A POTENŢIALULUI ENERGETIC AL

DEŞEURILOR URBANE

Unitatea de studiu 11.1

Tehnologii de valorificare a potenţialului energetic al deşeurilor urbane

Ritm de studiu recomandat: 100 min.

Cuprins

Problematica valorificării potenţialului energetic al deşeurilor

Generarea biogazului în depozitele de deşeuri solide municipale.

Soluţii tehnice de valorificare a potenţialului energetic al deşeurilor urbane.

Organizarea unei fabrici pentru tratarea deşeurilor urbane şi obţinerea biogazului.

OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU 11.1

- expunerea argumentată a problematicii valorificării potenţialului energetic al deşeurilor .

- caracterizarea mecanismului de generare a biogazului din deşeurile solide municipale.

- încadrarea şi caracterizarea argumentată a soluţiilor tehnice de valorificare a potenţialului

energetic al deşeurilor urbane;

- elaborarea unei soluţii tehnice de organizare a unei fabrici pentru tratarea deşeurilor urbane

şi obţinerea biogazului.

11.1.1. Problematica valorificării potenţialului energetic al deşeurilor

În contextul unei continue creşteri demografice, precum si a limitarii spatiilor destinate

depozitarii deseurilor, dintre care doar o mica parte îndeplinesc condiţii ce se impun din punctul

de vedere al protecţiei mediului şi sănătăţii populaţiei, managementul deşeurilor municipale a

devenit o reală problemă de mediu nu numai pentru autorităţatile guvernamentale locale, dar si

pentru cele de la nivel naţional şi mondial.

Exista la ora actuala numeroase modalitati de eliminare a deseurilor municipale

biodegradabile, cu sau fara valorificare energetică, dintre care cel mai frecvent utilizate sunt

urmatoarele:

• Tratarea termica avansată/Incinerarea (piroliza si gazeificarea), prin care materialele organice

sunt degradate la temperaturi medii sau ridicate, rezultand un material solid (cărbune) si gaz de

sinteza, ambele produse necesitand eliminarea;

• Autoclavarea, se aplica in special deseurilor medicale, care este un proces de pre-tratare a

acestora in vederea sterilizarii, inainte de depozitarea finala. Consta in tratarea cu abur a

deseurilor intr-o incinta presurizata confectionata din otel, înfinal obţinându-se un material

floconos steril;

• Compostarea, se aplica pentru deseurile organice din gradinarit si pentru resturile alimentare,

constând în descompunerea deseurilor în prezenţa microorganismelor aerobe. Pentru asigurarea

unor conditii de compostare optime trebuie urmariti unii parametrii precum temperatura,

umiditatea masei organice, concentratia de oxigen, porozitatea materialului, continutul de carbon

si de azot din deseu.


190

• Tratarea mecano-biologică, care este un proces de pre-tratare a deseurilor înainte de eliminare

sau re-procesare. Scopul principal il reprezinta separarea fluxului de deseuri in mai multe parti

componente pentru a da posibilitatea de reciclare si recuperare ulterioara.

• Depozitarea este metoda de eliminare cel mai putin agreata, avand in vedere spatiile mari de

depozitare necesare, impactul asupra mediului (sol, ape subterane, aer) si mirosului dezagreabil

generat. Aceasta metoda nu implica recuperarea materialelor.

În contextul descris mai sus Uniunea Europeana a stabilit ţinte clare privind reducerea

cantităţii de deseuri organice depozitate la gropile de gunoi, cu 65% pana in anul 2014 iar unele

state europene chiar au interzis complet depozitarea deseurilor organice netratate.

Pe de alta parte, promovarea producerii energiei electrice şi termice ”verzi” din surse

regenerabile de energie reprezinta un imperativ al perioadei actuale. Acest obiectiv se impune

din considerente multiple: de protecţie a mediului, de creştere a independenţei energetice faţă de

importuri, de necesitatea diversificării surselor de aprovizionare cu energie, şi nu în ultimul rând

din motive economice si sociale.

Să realizăm un calcul sumar al cantităţii de biogaz, al puterii calorifice rezultate şi a

cantităţii de biomasă realizată anual la nivel mondial. Punctele de vedere exprimate în multe

lucrări de specialitate arată că această cantitate ar putea compensa consumul mondial actual de

combustibil. Pentru exemplificare vom considera o localitate care are 1 milion de locuitori, în

condiţiile în care:

- cantitatea de reziduuri colectate zilnic (reziduuri stradale, menajere, pieţe, parcuri etc.)

se cifrează la o medie de 0,8 kg·loc./zi, rezultă 300 kg·loc./an;

- rezultă 300 000 t/an reziduuri colectate, din care:

a) 35 % din reziduuri sunt reprezentate de metale, hârtie, sticlă, plastic, etc.;

b) 65 % din reziduuri se folosesc pentru producerea biogazului, aprox. 200 000 t/an.

Cu o medie de biogaz de 400 m3 N/t ar rezulta 800·10

6 m

3 N/an, care, cu o putere

calorifică de 3000 kcal/m3, ar produce 240 ·10

9 kcal/an.

Socotind resturile care rămân după fermentare şi producerea biogazului la numai 40 %,

adică 80 000 t/an şi utilizarea lor în încălzire la o putere calorifică de numai 2500 kcal/kg, rezultă

200·109 kcal/an.

Însumate cu cele produse prin arderea biogazului, rezultă 440 ·109 kcal/an obţinute la o

localitate cu 1 milion de locuitori, numai din reziduurile colectate într-un an.

Dacă presupunem un consum mediu pe cap de locuitor de 100 m3N de gaz metan, la 1

milion de locuitori rezultă un consum de 1,2 ·109 m

3N de gaz metan/an, care ne conduce la circa

900 ·109 kcal/an.

Analiza efectuată mai sus ne conduce la următoarele concluzii:

1. Utilizarea biogazului obţinut, împreună cu arderea resturilor care rămân după fermentare,

rezultate din reziduurile colectate într-o localitate care are 1 milion de locuitori, ar reprezenta

aproximativ 50 % din necesarul consumului anual de gaz metan !

2. Statisticile la nivel mondial ne arată că într-un an, biomasa nefolosită de om se cifrează la

circa 150 ·109 t. Considerând că 1 t de biomasă uscată produce doar 300 m

3 gaz metan (300 m

3

gaz ≈ 1,25 barili ţiţei ≈ 250 kg combustibil convenţional), rezultă circa 2,5·106 kcal. Apreciind

că numai 25 % din întreaga cantitate de biomasă se transformă în gaz metan, rezultă 50 ·109

barili ţiţei, adică 34 ·109 t/an ≈ 50 ·10

9 t cc. Iar dacă anual, pentru încălzire, se consumă la nivel

mondial 9 ·109 t cc (dintre care mai mult de 65 % petrol şi gaze), înseamnă că numai 5 % din


191

cantitatea de biomasă transformată anual asigură consumul actual de combustibil pe întreg

globul.

3. Literatura de specialitate indică faptul că biomasa înmagazinează energie solară, prin

procesele de fotosinteză ale plantelor din care provine. Conversia biologică a radiaţiei solare prin

intermediul fotosintezei furnizează anual, sub formă de biomasă, o rezervă de energie evaluată la

3 × 1021

J/an, ceea ce înseamnă de zece ori cantitatea totală de energie consumată pe plan

mondial în fiecare an.

Avand în vedere că ţinta UE în ceea ce priveste energiile regenerabile este ca peste 30 %

din consumul total de energie electrică să reprezinte energie produsă din resurse regenerabile,

este important ca România sa îşi intensifice actiunile pe termen mediu si lung de valorificare a

resurselor regenerabile pentru producerea de energie electrica si termica, contribuind astfel la

incurajarea dezvoltarii tehnologice inovative si la utilizarea noilor tehnologii în practica. Prin

urmare, a aparut necesitatea identificarii si implementarii unor noi tehnologii nepoluante de

tratare si eliminare a deseurilor, cu valorificare energetica si transformare in produsi utili, astfel

incat deseurile sa devina o resursa valoroasa.

În Romania, deşeurile municipale sunt colectate de municipalităţi, în general fara o

separare la sursa si sunt depozitate la gropile de gunoi. Avand in vedere obligatiile pe care tara

noastra trebuie sa le indeplineasca in ceea ce priveste reciclarea si valorificarea deseurilor, apare

din ce in ce mai imperios necesitatea schimbarii acestei practici si introducerea unui sistem de

colectare selectiva.

Sistemele de reciclare, incinerare si tehnologiile “energie din deseuri” au devenit din ce

in ce mai populare, in special in marile centre urbane. La nivel mondial exista numeroase

programe de colectare selectiva a deseurilor municipale, in particular hartie, aluminiu, sticla,

plastic si unele materiale periculoase precum baterii si produse clorurate (uleiuri, materiale solide

contaminate). Aceste programe de colectare selectiva, care au inceput deja sa functioneze si in

Romania, contribuie progresiv la reducerea cantităţii de deseuri solide care ar ajunge la gropile

de depozitare.

Deseurile organice provenite din domeniul casnic, comercial sau industrial reprezintă

materiale cu valoare energetica semnificativă care joacă un rol din ce în ce mai important in

sistemele de producere a energiilor regenerabile, tinand cont de ponderea ridicata a fractiunii

biodegradabile (cca. 60%) din cantitatea totala de deseuri menajere, fig. 11.1.1. Pe viitor se

preconizează o creştere semnificativă a ponderii fractiunii biodegradabile din deseuri, odata cu

cresterea gradului de reciclare a materialelor refolosibile.

Fig. 11.1.1 Compoziţia deşeurilor urbane


192

Temă pentru studiu 11.1.1: Pornind de la exemplul prezentat mai sus cuantificaţi

cantitatea de deşeuri municipale rezultată într-un an în oraşele Constanţa şi Ruse. Care este

potenţialul energetic, care ar putea fi valorificat.

11.1.2. Generarea biogazului în depozitele de deşeuri solide municipale

Generarea biogazului de la depozitele de deşeuri solide municipale începe imediat după

ce deşeurile au fost depozitate, componenţii organici fiind supuşi reacţiilor biochimice. Conform

fig.11.2. generarea gazelor are loc în 5 faze.

Prima fază este faza de ajustare iniţială, în care componenţii organici biodegradabili ai

deşeurilor sunt supuşi descompunerii de către bacterii în condiţii aerobe (datorită înglobării unei

anumite cantităţi de aer în stratul de deşeu). Această reacţie este similară cu arderea pentru că

produşii formaţi sunt CO2 şi vapori de apă.

În cea de-a doua fază, denumită faza de tranziţie, oxigenul este consumat în totalitate şi

începe descompunerea anaerobă.

În faza a III-a, faza acidă, activitatea bacteriilor începută în faza a doua se intensifică

producând o mare cantitate de acizi organici şi o cantitate redusă de H2 .În prima etapă, bacteriile

fermentative hidrolizează compuşii cu masă moleculară mare (celuloză, amidon, pectina, lipide,

polimeri, proteine) în compuşi cu molecule mai mici ce pot fi folosite de microorganisme ca

sursă de energie. În a doua etapă, etapa de acidogeneză, bacteriile convertesc compuşii rezultaţi

în prima etapă în compuşi cu masă moleculară şi mai mică, ca acidul acetic (CH3COOH), acidul

propionic, acidul butiric şi etanolul. Gazele generate în această fază sunt: NH3, H2S, CO2 .

Reacţia reprezentativă este:

(11.1.1)

Fig. 11.1.2. Evoluţia compoziţiei gazelor (%) în cadrul fazelor de generare a biogazului de la depozitele de

deşeuri solide municipale

Faza a IV-a este faza metanogenă, în care se formează metanul sub acţiunea bacteriilor

metanogene, fie prin descompunerea acizilor în CH4 şi CO2, fie prin reducerea CH4

cu CO2. În

această fază pH-ul creşte la valori cuprinse în domeniul 6,8-8. Principale reacţii sunt:

(11.1.2)

(11.1.3)

6 12 2 5 2C H 2C H OH 2CO

3 4 2

2 2 4 2

CH COOH CH CO

CO 4H CH 2H


193

Faza a V-a este faza de maturare. Deoarece apa se infiltrează prin stratul de deşeu, o

parte a materialului biodegradabil ce nu era mai înainte disponibil va fi convertit. Compoziţia

tipică a gazului de la depozitele de deşeuri este dată în tabelul 11.1.1.

Tabel. 11.1.1. Compoziţia gazului generat de depozitele de deşeuri solide municipale

Component Participaţia volumică (raportată la starea anhidră)

Metan 45-60

Dioxid de carbon 40-60

Azot 2-5

Oxigen 0,1-1

Hidrogen 0-0,2

Amoniac 0,1-1

Monoxid de carbon 0-0,2

Mercaptani, hidrogen sulfurat, bezopirol 0,01-1

Conversia anaerobă a deşeurilor dolide municipale poate fi descrisă la modul general de

reacţia:

2 2 3

4 2 3 4 2 3( ) ( )

4 8a b c d

a b c d a b c dC H O N H O CO dNH

(11.1.4)

unde termenul CaHbOcNd reprezintă compoziţia molară a materiei prezente în deşeu la începtul

descompunerii.

Cantitatea maximă de de metan ce poate fi generată în timpul descompunerii anaerobe

poate fi determinată cu aproximaţie folosind reacţia :

6 10 4 2 4 21,5 3,25 2,75C H O H O CH CO (11.1.5)

În condiţiile expuse la acest subpunct este necesară estimarea emisiilor de metan.

Estimarea emisiilor de metan de la depozitele de deşeuri solide municipale face obiectul mai

multor cercetări ştiinţifice promovate atât de companii multinaţionale dar şi de administraţiile

publice din numeroase ţări ale lumii. Cele mai multe încercări au fost îndreptate spre estimarea

emisiei de gaz de la depozitele de deşeuri pentru extracţia şi utilizarea ca sursă regenerabilă de

energie. Aceste metodologii pot fi folosite şi la estimarea emisiilor de gaze cu efect de seră de la

depozitele de deşeuri.

Metodele folosite în literatura de specialitate includ pe cea mai simplă, bazată pe bilanţul

masic, denumită şi metodota implicită (dezvoltată de Bingemer şi Crutzen), metoda

stoechiometrică, metoda triunghiulară şi metoda LandGEM.

Metodologia dezvoltată de Bingemer şi Crutzen este folosită de ghidurile IPCC ca

metodologia implicită pentru estimarea emisiilor de metan de la depozitele de deşeuri solide

municipale. Formula de calcul este:

4

16( ) (1 ) _[ / ]12

CH T F FQ MSW MSW MCF DOC DOC F R OX t an (11.1.6)

unde:

MSWT - cantitatea totală de deşeuri solide municipale generată, tone/an;


194

MSWF - fracţia de deşeuri solide municipale generate ce se depune. Se consideră că numai 91%

din deşeurile generate se depozitează. Restul de 9 % se reciclează, se arde la locul de generare şi

la locul de depunere sau nu ajunge la depozit datorită ineficienţei sistemului de management al

deşeurilor;

MCF - factor de corecţie a metanului. Depinde de metoda de depozitare şi adâncimea

depozitului. Pentru depunere neacoperită şi adâncime sub 5m, IPCC recomandă valoarea 0,4;

DOC – fracţia de carbon organic degradabil. Depinde de compoziţia deşeurilor şi variaza de la

un oraş la altul. Se determină cu relaţia:

0,4 0,17 0,15 0,3DOC A B C D 11.1.7)

în care:

A - conţinutul de hârtie, carton şi textile, %;

B - conţinutul de frunze, iarbă, %;

C - conţinutul de fructe şi legume, %;

D - conţinutul de lemn, %.

DOCF - fracţia de carbon organic degradabil ce este convertită în biogaz.

Se calculează cu relaţia:

0,014 0,28FDOC t (11.1.8)

în care:

t - temperatura din zona anaerobă a stratului de deşeu, °C. (se consideră că în zona anaerobă a

stratului de deşeuri, temperatura are valoarea constantă de 35°C);

F- fracţia de metan în gazul de depozit, considerată egală cu 0,5;

R - fracţia de metan recuperat;

OX - factorul de oxidare a metanului. Se consideră că la partea superioară a stratului de deşeuri,

unde este prezent oxigenul are loc oxidarea metanului. Acest factor nu este acceptat în mod

unanim şi prin urmare poate fi considerat egal cu zero.

Temă pentru studiu 11.1.2: Pornind de la rezultatul obţinut la tema 11.1. estimaţi

emisiile de metan asociate depozitelor de deşeuri solide municipale din oraşele Constanţa şi

Ruse.

11.1.3. Soluţii tehnice de valorificare a potenţialului energetic al deşeurilor urbane

Digestia anaerobă (AD) reprezintă, ca şi în cazul valorificării potenţialului energetic din

biomasa agricolă, cea mai eficientă tehnologie folosită pentru stabilizarea primară şi secundară a

nămolului provenit din sistemul de canalizare, pentru tratamentul apelor reziduale industriale

rezultate din procesarea biomasei, a alimentelor şi a produselor din industriile fermentative,

precum şi pentru tratarea fracţiei organice din deşeurile orăşeneşti solide. O aplicaţie specială o

reprezintă recuperarea biogazului din rampele de gunoi. În cele ce urmează vom detalia soluţiile

tehnice utilizate pe scară largă pe plan mondial în acest domeniu.

a. Uzine pentru tratarea apelor uzate

Procesul de digestie anaerobă (AD) detaliat în cadrul UI 10.1 este în mod frecvent utilizat

pentru tratarea nămolului primar şi secundar rezultat în urma tratamentului aerob al apelor


195

reziduale orăşeneşti. Sistemul este aplicat în multe ţări dezvoltate, în combinaţie cu sisteme

avansate de tratare a apelor uzate. Procesul AD este folosit pentru stabilizarea şi reducerea

cantităţii finale de nămol.

Tehnologia folosită pentru tratarea nămolurilor de canalizare prin procesul AD este bine

stabilită. Cele mai multe companii de inginerie care furnizează proiecte pentru tratamentul

nămolurilor au şi capacitatea de a furniza sisteme de AD. În mod obişnuit, în ţările europene,

între 30-70% din cantitatea de nămoluri provenite din sistemul de canalizare este tratată cu

ajutorul tehnologiei AD, în funcţie de legislaţie şi de priorităţile naţionale.

Efluentul poate fi utilizat ca îngrăşământ pe terenurile agricole sau pentru producerea de

energie prin incinerare. În unele ţări, efluentul este deversat în gropile de gunoi. Această practică

are consecinţe negative asupra mediului, din cauza infiltrării nutrienţilor în apele freatice şi a

emisiilor de gaze nocive în atmosferă, fiind interzisă în cele mai multe ţări europene.

Trebuie precizat că investiţii importante uriase în tratarea apelor uzate au fost si încă se

fac în România cu sprijinul UE. Situaţia actuală arată că 644 localităţi (265 municipii si orase si

378 localităţi rurale) prezintă sisteme de tratarea apelor uzate de la canalizarea publică. În 2010

doar 83% din debitul total de ape uzate era colectat de reţelele urbane de canalizare şi tratat. Şi la

această dată în 41 de localităţi urbane, cu mai mult de 150.000 de locuitori, apele uzate sunt

deversate fără o tratare prealabilă.

În România, nămolurile de la staţiile de tratare a apelor uzate (evaluate la aproximativ

171.086 t) sunt depozitate în rampele de gunoi orăşenesti. Unele studii au identificat un număr de

31 de unităţi agro-alimentare care deversează direct în apele de suprafaţă, cu o încărcătură

organică echivalentă de la mai mult de 4000 oameni. Dintre acestea, 26 unităţi agro-alimentare

au staţii de tratare mecanică sau mecano-biologică.

Este cunoscut că România a dezvoltat înainte de aderarea la UE un „Plan de

implementare a Directivei Consiliului 91/271/EEC cu privire la tratarea apelor uzate urbane

modificată de Directiva 98/15/EC”. În aceste condiţii, în multe locaţii, pot fi dezvoltate staţii de

biogaz iar unităţile agro-alimentare rămase pot fi posibile staţii de biogaz. Bazate pe acest plan

de implementare pot fi dezvoltate si implementate multe proiecte pentru tratarea apelor uzate

urbane. Ca în multe alte situaţii planul de implementare nu este un plan inter-sectorial si nici nu

are legături cu alte politici (inclusiv cu politica energetică). Lipsa de viziune în dezvoltarea si

integrarea politicilor reprezintă o barieră uriasă în dezvoltarea oricăror proiecte inclusiv cele

pentru biogaz.

b. Fabrici pentru tratarea deşeurilor menajere

În multe ţări, deşeurile solide orăşeneşti sunt colectate, amestecate şi incinerate în uzine

energetice mari sau depozitate în rampe de gunoi. În realitate, această practică risipeşte energie şi

nutrienţi, atât timp cât fracţia organică ar putea fi separată de restul deşeurilor şi folosită ca

materie primă pentru procesul de digestie anaerobă (AD). Chiar şi deşeurile colectate în vrac pot

fi ulterior procesate şi utilizate pentru producerea de biogaz.

În ultimii ani, atât separarea la sursă cât şi reciclarea deşeurilor s-au bucurat de o atenţie

crescută. Ca rezultat, fracţii separate din deşeurile solide orăşeneşti devin acum disponibile

pentru un tratament de reciclare mai avansat, în locul dispersiei. Cunoaşterea originii deşeurilor

organice este importantă pentru determinarea celei mai potrivite metode de tratament. Deşeurile

menajere sunt, în general, prea umede şi lipsite de structuri pretabile compostării aerobe, însă

reprezintă o materie primă excelentă pentru AD. Pe de altă parte, deşeurile lemnoase conţin

proporţii mari de substanţe ligno-celulozice care, dacă nu sunt pretratate, sunt mai potrivite

pentru compostare.


196

Utilizarea fracţiei organice separată la sursă din deşeuri menajere în scopul producerii

biogazului prezintă un potenţial foarte ridicat. La nivel mondial, există câteva sute de fabrici care

folosesc tehnologiile AD pentru procesarea fracţiei organice separate din deşeuri solide

orăşeneşti. Scopul este acela al reducerii fluxului de deşeuri organice către alte sisteme de tratare,

cum ar fi rampele de gunoi sau facilităţile de incinerare, şi de a le redirecţiona către sistemele de

reciclare a nutrienţilor din sectorul agricol. Deşeurile organice menajere pot fi utilizate şi sub

formă de co-substraturi în fabricile de co-digestie, împreună cu gunoiul animal.

c. Fabrici de biogaz industrial

Procesele anaerobe sunt folosite pentru tratarea deşeurilor industriale şi a apelor reziduale

de mai mult de un secol. Procesul AD aplicat deşeurilor industriale şi apelor reziduale reprezintă

astăzi o tehnologie standard pentru tratarea acestor tipuri de reziduuri, provenite dintr-o serie de

industrii, de la cea de procesare a alimentelor, agro-industrii, până la industria farmaceutică. De

asemenea, această tehnologie poate fi utilizată şi pentru pre-tratarea apelor reziduale industriale

încărcate cu substanţe organice, înainte de evacuarea finală. Datorită îmbunătăţirilor recente ale

tehnologiilor de tratare, pot fi supuse digestiei anaerobe inclusiv apele industriale reziduale

diluate. Europa se află pe o poziţie de lider în lume în privinţa acestei aplicaţii a AD. În ultimii

ani, consideraţiile energetice şi preocupările de mediu au crescut şi mai mult interesul pentru

tratamentul anaerob direct al deşeurilor industriale organice.

Managementul deşeurilor organice solide din industrie este din ce în ce mai mult

controlat prin legislaţia de mediu. Industriile care utilizează procesul AD pentru tratarea apelor

uzate aparţin următoarelor categorii:

• Industriile de procesare a alimentelor: industria de conservare a legumelor, a fabricării

lactatelor şi a brânzeturilor, abatoare, industria procesării cartofilor etc.

• Industria băuturilor: fabrici de bere, de băuturi nealcoolice, distilerii, industria cafelei,

industria sucurilor de fructe etc.

• Produse industriale: industria hârtiei şi cartonului, a cauciucului, industria chimică, cea

a fabricării amidonului, industria farmaceutică etc.

Fabricile de biogaz industrial oferă un număr de beneficii la nivelul societăţii, dar şi al

industriilor respective, astfel:

• Valoare adăugată prin reciclarea nutrienţilor şi reducerea costurilor de eliminare a

deşeurilor.

• Biogazul este utilizat pentru generarea energiei de procesare.

• Tratamentul deşeurilor îmbunătăţeşte imaginea de mediu a industriilor respective.

Se aşteaptă ca, pe de o parte, beneficiile de mediu şi sociale ale utilizării procesului AD

pentru tratarea reziduurilor industriale, iar, pe de alta, costurile mari ale altor metode de

eliminare a deşeurilor să crească în viitor numărul de solicitări pentru biogazul de provenienţă

industrială.

d. Fabrici pentru recuperarea gazului de la gropile de gunoi

Utilizarea de sisteme de colectare sortată a deseurilor solide este doar la început în

România. Doar în foarte puţine zone aceste sisteme sunt folosite si trebuie subliniat că ele sunt

văzute doar ca sisteme experimentale. Ca şi în cazul managementului apelor uzate, România a

dezvoltat un „Plan de implementare a Directivei 1999/31/EC cu privire la rampele de gunoi”. În

consecinţă România a dezvoltat de asemenea o strategie pentru reducerea deseurilor


197

biodegradabile duse la rampele de gunoi. Deseurile biodegradabile reprezintă 61% din deseurile

orăsenesti generate în România. Cu scopul de a atinge obiectivele de recuperare / reciclare si a

celor de reducere a deseurilor biodegradabile duse la rampele de gunoi, trebuie luate toate

măsurile posibile pentru recuperarea deseurilor biodegradabile. În acest sens, pe plan naţional,

pot fi utilizate două metode cu scopul reducerii deseurilor biodegradabile:

a) compostarea (digestia aerobă);

b) tratarea mecanică-biologică / digestia anaerobă cu producerea si colectarea biogazului.

În cazul ţării noastre însă producţia de biogaz este văzută doar ca un mijloc de reducere a

deşeurilor organice si nu neapărat pentru producerea de electricitate şi termo-energie.

Gropile de gunoi pot fi considerate fabrici anaerobe mari, cu diferenţa că procesul de

descompunere este mai puţin continuu şi depinde de vârsta acestora. Recuperarea gazului de la

gropile de gunoi este esenţială pentru protecţia mediului, în principal pentru că reduce emisiile

de metan şi alte gaze nocive în atmosferă. Gazul de la gropile de gunoi reprezintă o sursă de

energie ieftină, cu o compoziţie similară cu cea a biogazului produs în fabricile tehnologice de

digestie (50-70% metan, 30-50% dioxid de carbon). Gazul de la gropile de gunoi poate conţine şi

gaze toxice, rezultate prin descompunerea substanţelor din deşeurile depozitate.

Fig. 11.1.3 Sistem de recuperare a biogazului de la gropile de gunoi (NST Engineers, 2007)

Recuperarea gazului de la gropile de gunoi poate fi optimizată printr-un management

corespunzător al acestora, precum: tăierea deşeurilor, recircularea fracţiei organice şi tratarea

gropii de gunoi asemenea unui bioreactor. Un bioreactor-groapă de gunoi reprezintă o groapă de

gunoi controlată, proiectată pentru a accelera conversia deşeurilor solide în metan. Un

bioreactor-groapă de gunoi este, în mod obişnuit, împărţit în mai multe celule şi este prevăzut cu

un sistem de colectare a reziduurilor lichide de la baza acestora. Reziduurile lichide sunt

colectate şi pompate la suprafaţă, fiind apoi distribuite peste toate celulele componente ale

bioreactorului. Acest lucru transformă groapa de gunoi într-un digestor de dimensiuni foarte mari

pentru deşeuri solide.

Recuperarea biogazului de la gropile de gunoi generează beneficii prin mai rapida

stabilizare a terenului pe care acestea sunt amplasate, precum şi prin câştigurile obţinute în urma

comercializării biogazului. Din cauza distanţelor mari până la gropile de gunoi, biogazul astfel

generat este folosit, de obicei, pentru producerea energiei electrice, însă este posibilă şi utilizarea

acestuia în celelalte scopuri, precum generarea de energie termică sau îmbunătăţirea sa pentru a

putea fi folosit drept combustibil în rezervoarele autovehiculelor, ori pentru injecţie în reţeaua de

gaze naturale.


198

Temă pentru studiu 11.1.3: Identificaţi principalele soluţii tehnice de valorificare a

potenţialului energetic al deşeurilor urbane (uzine pentru tratarea apelor uzate fabrici pentru

tratarea deşeurilor menajere, fabrici de biogaz industrial, fabrici pentru recuperarea gazului de

la gropile de gunoi) dezvoltate în ţările din Uniunea Europeană.

11.1.4. Organizarea unei fabrici pentru tratarea deşeurilor urbane şi obţinerea biogazului

Agenţia de Protecţia Mediului din SUA a estimat că emisiile antropogene totale de metan

în 2010 au fost de 317 500 000 tone, din care aproape 14%, adică 43 200 000 tone s-au datorat

emisiilor de la depozitele de deşeuri.

Practica în domeniu ne arată că în multe situaţii cantitatea de biogaz produs în timp

depinde de mulţi parametri.

Vechimea depozitului de deşeuri este un factor determinant. Este cunoscut că începerea

descompunerea deşeului are loc după aproximativ 3 luni de la depozitare continuând pe o durată

de 20-50 ani.

Fig. 11.1.4 Curba teoretică de producere a biogazului în cadrul unui digestor

În primii ani de la depozitarea deşeului, rata de generare creşte rapid de la 0 la 11

m3/(tonă·an), după care urmează o reducere continuuă a acesteia. În acest sens în cadrul fluxului

tehnologic dintr-o fabrică pentru tratarea deşeurilor urbane şi obţinerea biogazului curba

teoretică de producere a biogazului în cadrul unui digestor în funcţie de timpul de retenţie

hidraulică (HRT) are o dependenţă de genul celei din fig.11.4. Rata de generare a biogazului

depinde de temperatura internă a stratului de deşeu şi în mică măsură de condiţiile atmosferice,

în condiţiile în care temperatura optimă de producere este de 35-37°C. În acelaşi context

schimbările sezoniere de temperatură influenţează puţin rata de generare, deoarece reacţiile de

descompunere a deşeurilor organice asigură o temperatură aproape constantă în decursul anului

de circa 50°C.

Un alt parametru important este conţinutul de umiditate al deşeurilor, care trebuie

menţinut în limita de 50 şi 60% . Cu cât deşeul depozitat este mai umed cu atât este mai mare

rata de descompunere. O umiditate mai mare a deşeului, de peste 65%, conduce la producerea de


199

cantităţi importante de levigat necesitând colectarea şi îndepărtarea acestuia. Când deşeurile au

un conţinut mai mic de 30% el se va degrada mult mai încet deoarece activitatea microbiană este

inhibată.

Tipul de deşeuri depuse poate influenţa atât compoziţia cât şi cantitatea de biogaz produs.

Deşeurile organice produc în principal gaz ce conţine CH4 şi CO2, faţă de deşeurile

sintetice care pot fi inerte, ca sticla, sau produc gaze specifice ca H2S, în cazul degradării unor

materiale plastice.

Caracteristicile fizice, ca adâncimea stratului şi caracteristicile chimice ca pH-ul pot

influenţa mult rata de producere a biogazului. Pentru obţinerea producţiei maxime de biogaz,

stratul trebuie să fie suficient de adânc pentru a asigura descompunerea anaerobă şi ph-ul trebuie

să aibe o valoare apropiată de cea neutră, adică de 6,8-7,2.

Trecerea în revistă a factorilor care determină producerea de biogaz ne arată că

transformarea biologică, în absenţa oxigenului, a compuşilor organici complecşi rezultaţi din

deşeurile solide urbane, în materie organică biodegradabilă, metan şi dioxid de carbon se

realizezază după mecanismul de mai jos:

2 4 3 2_ _ _ Materie organică Bacterii Elemente nutritive Bacterii noi CO CH NH H S

Procesul de tratare biologică anaerobă a deşeurilor solide urbane, ca proces tradiţional, se

află între procesul de separare a ambalajelor uşoare şi procesul de compostare aerob. Acesta

reprezintă o alternativă, încurajată prin Planul Naţional de Deşeuri Urbane care are ca scop

reducerea cantităţii de deşeuri care se trimit către depozitul de deşeuri şi care se realizează prin

valorificarea digestiei anaerobe şi ulterior compostarea.

Metoda prezintă o serie de avantaje. În primul rând reduce volumul deşeurilor şi

stabilizează activitatea biologică a deşeurilor urbane solide generând biogaz, cu un amestec de

CH4 şi CO2 care poate fi valorificat în una din instalaţiile de ardere. Totodată metoda utilizată

reduce timpul de stabilizare a deşeurilor solide urbane pe parcursul fermentării faţă de

compostarea aerobă în aerul liber.

Pe de altă parte metoda prezintă şi o serie de dezavantaje. Într-o primă fază producerea de

NH3 şi H2S, împreună cu metanul, pentru care este necesar o etapă de eliminare pentru a putea fi

valorificat. Totodată metoda necesită o etapă de maturare aerobă posterioară care să transforme

materialul digerat într-o adevărată compensaţie organică, prin formarea şi fixarea nitraţilor

(NO3). De loc de neglijat nu sunt nici costurile ridicate ale investiţiei în comparaţie cu procesele

tradiţionale de compostare.

Aspectele expuse în acest capitol ne îndreptăţesc să împărtăşim experienţa multora din

statele europene în problematica complexă a tratării deşeurilor urbane şi obţinerea biogazului. În

acest sens în fig. 11.1.5 este prezentată schema structurală a unei astfel de fabrici iar în fig 11.6

fluxul tehnologic de tratare a deşeurilor urbane.

În zona de recepţie se realizează preluarea deşeurilor, urmată de o presortare a acestora.

Zona de pretratare contribuie la eliminarea elementelor inerte ne-biodegradabile care pot

cauza dificultăţi în procesul de digestie anaerobă, datorită diferenţei de densitate. Având în

vedere amestecul format din conţinutul de substanţă uscată DSU şi apă, inter-fazele care se se

formează şi se acumulează în digestor sunt: faza inertă grea (formată din nisip, sticlă, ceramică,

etc.) şi faza inertă uşoară (formată în principal din mase plastice). Pentru realizarea acestor

obiective se folosesc principiile mecanice de separare bazate pe diferenţa de densitate (elemente

balistice, flotaţie) sau pe diferenţa de mărime, granulometria (site-tambur, site cu vibraţie, etc.).


200

Fig. 11.1.5 Organizarea unei fabrici pentru tratarea deşeurilor urbane: 1- zona de recepţie; 2- zona de pre-

tratare; 3- zona de digestie; 4- zona de compostare; 5- zona de valorificare a gazului; 6- zona de dezodorizare.

Fig. 11.1.6 Fluxul tehnologic de tratare a deşeurilor urbane: 1-sistemul de centrifugare; 2-sită; 3-compactor; 4-

grup de pompare; 5-digestor; 6-gazometru; 7-torţă; 8-reţeaua de gaze naturale; 9-reţeaua electrică; 10-centrală.

În cadrul zonei de digestie rolul determinant îl are digestorul 5, care este realizat dintr-un

material metalic sau din beton armat prevăzut cu o izolaţie termică exterioară, care reduce

transmiterea căldurii în atmosferă. Alimentarea digestorului se realizează prin intermediul

grupului de pompare 4, care asigură încărcarea, recircularea şi extracţia. În zona de compostare

materialul este digerat şi deshidratat pentru amestecul cu materialul structural. În funcţie de tipul

de substanţă există două tipuri de pretratare: pretratarea uscată, pretratarea umedă.

Pretratarea uscată se aplică cantităţilor de DSU făra ca acestea să fie amestecate cu

diluanţi, cu o umiditate între 40-50%. Metoda este aptă pentru digestia prin metoda uscată şi prin

metoda umedă înainte ca DSU să fie amestecată cu diluant.

Pretratarea umedă este aplicată cantităţilor de DSU amestecate cu diluanţi, cu o

concentraţie de solide totale mai mică de 10%. Metoda este aptă pentru metoda umedă într-o

etapă de separare posterioară realizării amestecului cu apa din proces.


201

Înainte de a ajunge la reactorul de fermentare anaerobă, deşeurile pre-sortate sunt supuse

unor operaţii de mărunţire, separare magnetică a resturilor metalice si apoi dizolvare a partilor

organice dure, care se realizeaza într-un reactor de tratare acidă. Materialul organic semi-lichid

rezultat în urma acestor operaţii este alimentat în reactorul de fermentare anaerobă. În staţiile de

tratare cu co-generare energetica, o parte din biogazul rezultat este utilizat pentru asigurarea

funcţionării instalaţiei (prin intermediul centralei 10) iar surplusul este stocat sau livrat in reteaua

nationala ca energie regenerabilă (în reţeua de gaze naturale 8 sau îa reţeaua electrică 9).

Produsul secundar rezultat din sistem dupa retentia masei organice in fermentator timp de

minim 15 zile (materialul nedigerat), este separat in componenta lichida si solida si este

valorificat sub diverse forme (lichid nutritiv concentrat, granule solide, pulbere) ca material

fertilizant pentru sol. Material digerat şi deshidratat pentru amestecul cu materialul structural.

Temă pentru studiu 11.1.4: Realizaţi un studiu comparativ al celor două metode de

pretratare a deşeurilor urbane într-o fabrică pentru producerea biogazului: metoda uscată şi

metoda umedă.

11.1.6. TESTE DE AUTOEVALUARE

1. Metoda de eliminare a deşeurilor municipale biodegradabile în cadrul căreia materialele

organice sunt degradate la temperaturi medii sau ridicate, rezultand un material solid

(cărbune) si gaz de sinteza, ambele produse necesitand eliminarea este :

a) autoclavarea;

b) tratarea termica avansată;

c) compostarea;

d) toate răspunsurile sunt corecte.

2. Metanul îşi menţine practic compoziţia constantă în cadrul evoluţiei compoziţiei gazelor

(%) în cadrul fazelor de generare a biogazului de la depozitele de deşeuri solide în etapa:

a) I;

b) II;

c) III;

d) IV.

3. Pretratarea uscată se aplică cantităţilor de DSU în următoarele condiţii:

a) acestea să fie amestecate cu diluanţi, cu o umiditate între 10-20%;

b) făra ca acestea să fie amestecate cu diluanţi, cu o umiditate între 40-50%;

c) este aplicată cantităţilor de DSU amestecate cu diluanţi, cu o concentraţie de solide

totale mai mică de 10%.

d) toate răspunsurile sunt incorecte.


202

11.1.7. LUCRARE DE VERIFICARE

1. Comentaţi şi argumentaţi de ce fabricile de biogaz industrial oferă un număr de beneficii la

nivelul societăţii.

2. Explicaţi principiul de funcţionare al unei fabrici de biogaz de nivel fermier.

11.1.8. RĂSPUNSURI LA TESTELE DE AUTOEVALUARE

1. B; 2. D; 3. B.

11.1.9. BIBLIOGRAFIE

1. Băetu Mădălinna, Nicolae Florin ş.a -Technologies for valorizing the energy potential of the

biomass energy. Study case on Agrobrava-Poiana S.A. Company., Workshop-RES 2011, The

Future of Renewable Energy Sector, Constantza, 27-28 oct. 2011.

2. Kumar S., Gaikwad S.A., Shekdar A.V., Kshirsagar P.S., Singh R.N., Estimation method for

national methane emission from solid waste landfills, Atmospheric Environment 38 (2004),

pages 3481–3487.

3. Nikiema J., Brzezinski Š R., Heitz Š M., Elimination of methane generated from landfills by

biofiltration: a review, Rev Environ Sci Biotechnol (2007) 6, pages 261–284.

4. Paraskaki I., Lazaridis M., Quantification of landfill emissions to air: a case study of the Ano

Liosia landfill site in the greater Athens area, Waste Management Research 2005: 23, pages

199–208.

5. Salvato A.J., Nemerow L.N., Agardy F.J., Environmental Engineering, Fifth edition, John

Wiley & Sons, 2003.

6. Stessel, R.I., (2004), Waste Management and Minimization, in Waste Management and

Minimization, [Eds. Stephen R. Smith, and Nick Blakey], in Encyclopedia of Life Support

Systems (EOLSS).

7. Yedla S., Parikh J.K., Development of a purpose built landfill system for the control of

methane emissions from municipal solid waste, Waste Management 22 (2002), pages 501–506.

8. Al Seadi T. ş.a. (2008) – Biogazul-ghid practic. BiG>East (EIE/07/214/SI2.467620).

„Programul Energie Inteligentă pentru Europa“, 2007-2010.

9. *** USA Environmental Protection Agency, International analyses of methane emissions;

2011; www.epa.gov/methane/intlanalyses.html.

10. www.bioenergywiki.net/index.php/Anaerobic

11. www.novaenergie/iea-bioenergy-task37/index.htm

12. www.rise.org.au/info/Res/waste/index.html.

http://www.rise.org.au/info/Res/waste/index.html

Date post:	22-Dec-2015
Category:	Documents
Upload:	anonymous-migktl
View:	76 times
Download:	3 times

DESEURI URBANE.pdf

Documents