Wybrane, technologiczne aspekty stabilizacji tlenowej zmieszanych odpadów komunalnych

W ostatnich kilkunastu latach w Polsce nastąpiła zmiana podejścia do gospodarki odpadami, w aspektach zarówno prawnych (dostosowanie do wymagań Unii Europejskiej), jak i technologicznych. W efekcie tych zmian wybudowano szereg instalacji do przetwarzania odpadów, obejmujących elementy mechaniczne i biologiczne. W wielu krajach europejskich instalacje do przetwarzania odpadów dedykowane są odpadom pochodzącym z selektywnej zbiórki¹, jednak większość rodzimych instalacji nastawiona jest na przyjmowanie zmieszanych odpadów komunalnych.

Zdecydowana większość regionalnych instalacji przetwarzania odpadów komunalnych (RIPOK) posiada instalacje do tlenowej stabilizacji odpadów (jedynie siedem z nich dysponuje segmentem stabilizacji beztlenowej lub dopiero go buduje). Według stanu na koniec września 2015 r. status RIPOK-a posiadały 143 instalacje. Szacuje się, że w przyszłym roku osiągnięta zostanie wystarczająca do przetwarzania generowanego w kraju strumienia odpadów liczba zakładów (ok. 200 instalacji). W następnym okresie powinien nastąpić rozwój selektywnej zbiórki odpadów zielonych (w tym odpadów ogrodowych), kuchennych i innych bioodpadów, a wybudowane w ostatnim okresie instalacje będą musiały zostać dostosowane do tych strumieni odpadów (można zatem spodziewać się zmiany podejścia – z prowadzenia procesu stabilizacji na produkcję kompostów i nawozów). Inwestorzy zastosowali różne technologie, dzięki czemu można porównać wiele rozwiązań technologicznych w szerszej skali. W niniejszym artykule, na podstawie wizji terenowych i analizy danych z blisko 100 instalacji, dokonano próby porównania niektórych elementów technologicznych, mających istotny wpływ na przebieg prowadzonego procesu².

Uwarunkowania prawne

Wymagania dotyczące prowadzenia procesów biologicznego przetwarzania odpadów, w tym stabilizacji tlenowej, oraz wymogi dla odpadów powstających podczas tych procesów określono w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z 11 września 2012 r. w sprawie mechaniczno-biologicznego przetwarzania odpadów komunalnych. Zgodnie z nim, w zakresie stabilizacji tlenowej wymaga się prowadzenia procesu przez co najmniej pierwsze dwa tygodnie w zamkniętym reaktorze lub w hali, z aktywnym napowietrzaniem, z zabezpieczeniem uniemożliwiającym przedostanie się nieoczyszczonego powietrza procesowego do atmosfery, do czasu osiągnięcia parametru AT₄ poniżej 20 mg O₂/g s.m. Łączny czas przetwarzania (wraz z drugim etapem zachodzącym na tzw. placu dojrzewania z zastosowaniem przerzucania odpadów) powinien wynosić 8-12 tygodni, ale może zostać wydłużony lub skrócony – w zależności od uzyskanych efektów. Proces należy prowadzić tak, aby uzyskany stabilizat spełniał następujące wymagania:

• wartość aktywności oddychania AT₄ powinna być mniejsza niż 10 mg O₂/g s.m., lub
• straty prażenia (LOI) powinny kształtować się poniżej 35% s.m., a zawartość węgla organicznego (TOC) winna być mniejsza niż 20% s.m., lub
• ubytek masy organicznej w stabilizacie w stosunku do masy organicznej w odpadach, mierzony stratą prażenia i zawartością węgla organicznego, musi być większy niż 40%.

Obecne przepisy nasuwają jednak kilka wątpliwości, a ich interpretacje również są odmienne. Pierwszoplanowe znaczenie ma definicja instalacji zamkniętej (intensywnej) stabilizacji tlenowej, gdyż brakuje prawnego określenia definicji „reaktora” (pojęcia tego nie zdefiniowano też w słowniku języka polskiego PWN-u). W związku z powyższym, obserwuje się różne podejście do tej części instalacji – od „bioreaktorów” (rękawów) z tworzywa sztucznego (niewymagających uzyskania pozwolenia na budowę), poprzez przykrycia (z bocznymi ścianami lub bez) membranami przepuszczalnymi, do obiektów budowlanych (rozumianych zgodnie z Prawem budowlanym). Wątpliwość budzi również zapis o zabezpieczeniu uniemożliwiającym przedostanie się nieoczyszczonego powietrza procesowego do atmosfery – czy bezwzględnie wymaga się systemów podciśnieniowych (umożliwiających otwarcie bram) i przepuszczenia powietrza przez biofiltr, czy dopuszcza się oczyszczanie powietrza procesowego na membranach? Nie ulega natomiast wątpliwości, że w trakcie intensywnego etapu procesu (dwa pierwsze tygodnie) należy zapewnić aktywne napowietrzanie i ujęcie powietrza procesowego, zabrania się przerzucania odpadów z tunelu do tunelu poza instalacją (halą), a w fazie dojrzewania trzeba stosować przerzucanie odpadów. Wszystkie instalacje przyjmujące odpady zmieszane musiały dostosować się do wymagań ww. przepisów do 9 października br.

Należy jednak podkreślić, że przygotowane zostało już nowe rozporządzenie regulujące te kwestie, które najpierw zostało przedstawione do notyfikacji Komisji Europejskiej, a później podpisane przez Ministra Środowiska. W projekcie z 28 lipca br. zaproponowano kilka zmian do obecnie obowiązującego stanu. W obszarze stabilizacji tlenowej podjęto próbę doprecyzowania pojęcia „reaktor” poprzez wprowadzenie sformułowania „w zamkniętym urządzeniu technicznym (reaktorze) wykonanym z materiału wytrzymałego na uszkodzenia mechaniczne i zapewniającym szczelność prowadzonego procesu”. W rozumieniu Ustawy z 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane, urządzenie techniczne, składające się na całość użytkową, określone zostało jako budowla (urządzeniem budowlanym jest urządzenie techniczne związane z obiektem budowlanym, zapewniające możliwość użytkowania obiektu zgodnie z jego przeznaczeniem). O ile można zatem wnioskować, że instalacja taka wymaga obligatoryjnie uzyskania pozwoleń na budowę i użytkowanie, o tyle nadal wątpliwości pozostają w przypadku obiektu przeznaczonego do stabilizacji. Wymaganie dotyczące wytrzymałości na uszkodzenia mechaniczne, bez podania jakiegokolwiek mierzalnego parametru, pozostanie martwym przepisem! Podobnie jest z koniecznością zachowania warunków 45-60-procentowej wilgotności, bez określenia sposobu weryfikacji tego parametru. Dyskusyjne jest również pojęcie szczelności (np. szczelność określona metodą polowo-laboratoryjną przez prof. Andrzeja Białowca dla instalacji w technologii rękawów foliowych wynosi max ok. 80%³). Doprecyzowane wymagania „ujmowania i oczyszczania gazów powstałych z wyniku prowadzenia procesu (powietrze procesowe)” w dalszym ciągu nie wyjaśniają kwestii czy konieczne jest zastosowanie biofiltra, chociaż słowo „ujęcie” może oznaczać konieczność wprowadzenia systemów podciśnieniowych. Należy w tym miejscu zauważyć, że wymagania BAT dla technologii przekształcania odpadów⁴ w instalacji biologicznego przetwarzania określają, aby powietrze procesowe było ujmowane pod niewielkim podciśnieniem i oczyszczane. We wspomnianym projekcie rozporządzenia dopuszczono możliwość prowadzenia procesu jednostopniowo (dotyczy technologii dynamicznych, z uwagi na konieczność przerzucania). Określono minimalny czas prowadzenia procesu na cztery tygodnie. Wprowadzono też wymóg ujęcia odcieków w trakcie procesu, a także obowiązek badań parametru aktywności oddychania po pierwszym (intensywnym) etapie procesu oraz zwiększono zakres badań stabilizatu (AT₄, LOI i TOC). Pozostawiono możliwość kierowania frakcji biodegradowalnej bezpośrednio do termicznego przekształcania w spalarniach odpadów komunalnych (zapis budzi szereg wątpliwości i sprzeciw szeregu podmiotów i organizacji, w związku z możliwością rozszczelnienia systemu gospodarowania odpadami w regionach). Ostateczne wymagania prawne można będzie określić po opublikowaniu ostatecznej wersji nowego rozporządzenia.

Wymagania zgodne z BAT

Wytyczne BAT dla mechaniczno-biologicznego przetwarzania⁴ wymagają:

• stosowania całkowicie zamkniętych (obudowanych) bioreaktorów,
• unikania warunków beztlenowych w trakcie przetwarzania tlenowego,
• efektywnego gospodarowania wodą,
• termicznego izolowania sufitu hali stabilizacji biologicznej,
• minimalizowania ilości wytwarzanych gazów odlotowych od 2500 do 8000 m³/Mg odpadów (nie zgłoszono poziomów poniżej 2500 m³ na tonę),
• zapewnienia jednorodnego składu materiału wsadowego,
• recyrkulacji wód procesowych lub osadów w ramach procesu tlenowego w celu uniknięcia emisji na zewnątrz,
• prowadzenia ciągłego monitoringu korelacji między kontrolowanymi parametrami biodegradacji a mierzonymi emisjami (gazowymi),
• redukcji emisji związków azotu poprzez zoptymalizowanie wskaźnika C:N.

Powyższe wymagania są obligatoryjne do stosowania dla instalacji o statusie RIPOK-u. Obecnie trwają prace nad opracowaniem konkluzji BAT, które prawdopodobnie zaczną obowiązywać w drugiej połowie 2016 r.

Pod koniec pierwszej połowy br. na stronach Generalnej Dyrekcji Ochrony Środowiska ukazał się raport podsumowujący III etap ekspertyzy instalacji MBP⁵. W dokumencie wskazano rozwiązania rekomendowane, które nie budzą wątpliwości co do możliwości spełnienia wymagań określonych w przepisach. Są to:

• stabilizacja tlenowa w boksach żelbetowych w hali,
• stabilizacja tlenowa w reaktorach żelbetowych zamkniętych stropem żelbetowym,
• stabilizacja tlenowa w reaktorach żelbetowych zamkniętych stropem z tworzywa sztucznego,
• biosuszenie w pryzmach w hali,
• biostabilizacja beztlenowa – procesy suchej fermentacji (w analizowanych technologiach).

Warunkami zachowania właściwej eksploatacji i spełnienia wymagań w zakresie ograniczenia emisji z tych instalacji jest prowadzenie procesów mechanicznego przetwarzania oraz pośredniego magazynowania odpadów w obiektach zamkniętych, wyposażonych w system wentylacji, z możliwością ujmowania i oczyszczania powietrza, a także umożliwiających sterowanie procesem stabilizacji w oparciu o bieżący pomiar przynajmniej temperatury (zalecany jest również monitoring wybranego wskaźnika świadczącego o zachodzących procesach biodegradacji, np. pomiar zawartości tlenu lub dwutlenku węgla w powietrzu poprocesowym). Ponadto do warunków tych zaliczono wyposażenie w instalację napowietrzania, zapewniającą utrzymanie warunków tlenowych podczas całego okresu intensywnej stabilizacji, z możliwością dostosowania intensywności napowietrzania do wymagań fazy procesu oraz ujęcie i oczyszczanie powietrza procesowego. Właściwa eksploatacja instalacji wymaga też wyposażenia jej w urządzenia oczyszczania powietrza procesowego, ujmowanego w fazie intensywnej stabilizacji, zapewniające redukcję emisji związków organicznych, odorów i związków azotu, jak również zamontowania instalacji nawadniania i ujmowania ścieków procesowych, z możliwością recyrkulacji wód procesowych.

Jako rozwiązania nierekomendowane – z uwagi na ryzyko niedotrzymania parametrów prowadzenia procesów (zwłaszcza w zakresie emisji do atmosfery) – uznano reaktory żelbetowe z dachem membranowym oraz rękawy foliowe – ze względu na duże ryzyko ich perforacji, prowadzące do emisji nieoczyszczonego powietrza procesowego do atmosfery.

Biorąc jednak pod uwagę ciągły rozwój technologii, powinno się dopuszczać i wspierać wprowadzanie na rynek nowych rozwiązań przetwarzania odpadów, które zapewniają bardziej efektywne gospodarowanie odpadami, przy równoważnym poziomie ochrony środowiska. Zawsze jednak przy realizacji linii stosującej nową technikę lub technologię powinna być wymagana odrębna procedura weryfikacji spełnienia wymagań, przed dopuszczeniem instalacji do eksploatacji, oraz rozszerzony zakres monitoringu ich wpływu na środowisko5. Należy zauważyć, że Raport nie stanowi oficjalnej interpretacji przepisów prawnych.

Parametry odpadów kierowanych do stabilizacji tlenowej z odpadów zmieszanych

Zgodnie z obowiązującymi przepisami, odpady komunalne zmieszane o wielkości co najmniej 0-80 mm wymagają zastosowania procesów biologicznego przetwarzania. Frakcja ta nie stanowi czystej frakcji biodegradowalnej, gdyż w jej składzie morfologicznym są również minerały, popioły, szkło, tworzywa sztuczne i inne rodzaje odpadów (stąd pojawiające się nazewnictwo dla frakcji podsitowej zmieszanych odpadów komunalnych typu FOOK – frakcja organiczna odpadów komunalnych – jest nieprawidłowe i powinno być stosowane w odniesieniu do zebranej selektywnie frakcji organicznej z odpadów komunalnych). Zawartość organiki jest zróżnicowana i zależy od obszaru zbierania odpadów (odpady miejskie, wiejskie), regionu kraju czy wreszcie pory roku. W okresie zimowym, na terenach wiejskich i miejskich, gdzie dominuje ogrzewanie węglowe, obserwowany jest spadek frakcji organicznej nawet do 30%, przy znaczącym udziale frakcji drobnej (0-20 mm), czasem przekraczającym 50%, co utrudnia prowadzenie procesu stabilizacji tlenowej (mała zawartość organiki, niska porowatość).

W tabeli przedstawiono wybrane parametry wsadu frakcji 0-80 mm z odpadów komunalnych zmieszanych na podstawie badań własnych². Z uwagi na liczbę badań (15 próbek) wyniki te należy uznać jako szacunkowe i wymagające dalszych analiz, w celu uszczegółowienia i weryfikacji danych.

Parametry wsadu do stabilizacji tlenowej dla odpadów zmieszanych²

W analizowanych próbkach gęstość obliczona metodą polową wahała się w granicach 0,67-0,73 Mg/m³, zawartość azotu określona laboratoryjnie wynosiła 0,38-1,18% s.m. (średnio 0,9%), a stosunek C:N wynosił ok. 15:1 – 20:1.

Należy zauważyć, że frakcja (co najmniej) 0-80 mm z odpadów komunalnych jest stosunkowo trudna do ustabilizowania, z uwagi na zmienny skład morfologiczny (zróżnicowana zawartość frakcji biodegradowalnej), niską porowatość (w granicach 20-30%) i wysoką zawartość frakcji drobnej, co należy uwzględnić przy stosowaniu odpowiednich rozwiązań technologicznych.

Podział i opis technologii stabilizacji tlenowej

W literaturze można natknąć się na wiele podziałów technologii prowadzenia procesu stabilizacji tlenowej (kompostowania), np. w zależności od faz procesu (termofilowa – intensywna i mezofilowa – dojrzewanie), od typu obiektu, w którym prowadzony jest proces (systemy reaktorowe i niereaktorowe) czy sposobu prowadzenia procesu (proces dynamiczny i statyczny).

Najbardziej rozpowszechnione w Polsce są technologie w żelbetowych reaktorach ze stropem żelbetowym, z tworzywa sztucznego lub dachem membranowym. Z szeregu dostępnych technologii najczęściej stosowane są technologie Biodegma, Nova-Komp, Compost-Systems i Hanstch (łącznie ok. 50 instalacji wybudowanych lub w budowie).

W Polsce najczęściej stosowane są technologie: Biodegma, Nova-Komp, Compost-Systems i Hanstch.

Stosowane technologie można też podzielić na rozwiązania wykorzystujące system dynamiczny w otwartych boksach w hali BIOFIX, systemy zamkniętych boksów żelbetowych w hali (M-U-T Kyberferm, Strabag, ECS, Eggersmann) czy systemy żelbetowych tuneli z dachem żelbetowym (Entsorga, WTT, Ocene, Greenpro, Compostino, Christiaens, Herhof, Vauche, Ar-Val). Stosunkowo często wykorzystywane są instalacje w rękawach foliowych, instalacje z przykryciem membranowym (pryzmowe, ze ścianami bocznymi, pod wiatą, np. technologie Biodegma, Equipo), instalacje w halach (najczęściej z przerzucaniem za pomocą przerzucarki bramowej) oraz instalacje bazujące na reaktorach stalowych (Kneer, ECS). Najczęściej stosowane są technologie dostawców austriackich, niemieckich i francuskich, ale rozwijają się również technologie krajowe.

Aspekty technologiczne

Przygotowanie odpadów do procesu

Intensywność rozkładu odpadów w procesach stabilizacji tlenowej zależy od składu surowca (wsadu) i stosowanej technologii. Tłuszcze, większość cukrów (skrobia) i białek bardzo łatwo ulegają rozkładowi, gorzej jest w przypadku celulozy, a najgorzej – z ligniną i np. keratyną6. Kluczowe znaczenie dla procesów higienizacji odpadów ma faza intensywna, która powinna przebiegać w temperaturze 55-70oC. W celu zapewnienia prawidłowego procesu należy zadbać o:

• odpowiedni skład fizyczny i chemiczny wsadu (odpowiednią strukturę materiału),
• właściwy stosunek zawartości węgla organicznego do azotu organicznego (C/N 20-35, optymalnie 25-30),
• odczyn pH w masie kompostowej na poziomie 5,5-8,0 (optymalnie 6,6-7,5),
• wilgotność kompostowanego materiału w granicach 40-60%,
• odpowiednie napowietrzanie w trakcie całego procesu, zwłaszcza w okresie początkowym,
• rozwój dostatecznej ilości mikroorganizmów, potrzebnych do rozkładu substancji organicznej,
• utrzymanie właściwej temperatury w masie kompostowanej.

Nie mniej istotne jest optymalne przygotowanie wsadu do procesu. Należy przeanalizować jego podstawowe dane (analiza laboratoryjna w pierwszym etapie działalności, metody polowe sprawdzające) i – w razie potrzeby – dokonać odpowiednich korekt (np. nawilżając wsad, dodając materiał strukturalny w przypadku niskiej porowatości, odpowiednio mieszając i homogenizując wsad przed załadunkiem do reaktora).

Przepustowość instalacji i jej wielkość

Warto pamiętać o konieczności bezpośredniego załadunku frakcji wydzielonej do procesu biologicznego. Proces powinien być prowadzony w reaktorze zamkniętym, pozwalającym na utrzymanie właściwej temperatury, najlepiej pracującym w podciśnieniu (z wykorzystaniem biofiltra), z dobrym systemem napowietrzania, ujmowania odcieków i sterowania. Wszystkie elementy metalowe (konstrukcji hali, konstrukcji wsporczych, zawiasów itp.) powinny być zabezpieczone przed korozją. Wielkość reaktorów musi być dostosowana do przewidywanej ilości odpadów. Obserwacje krajowe pozwalają oszacować ilość frakcji 0-80 mm ze zmieszanych odpadów komunalnych (przy zastosowaniu odpowiedniej wydajności sita) na średnio 50-55% wag., a jej gęstość – na 0,60-0,70 Mg/m³ i więcej). Należy pamiętać o nierównomierności sezonowej ilości tej frakcji (wyższa w okresie zimowym). W przypadku stosowania pryzm, np. w hali, niezbędne jest dostosowanie wielkości instalacji do posiadanego sprzętu przerzucającego. Natomiast zasyp w bioreaktorach (tunelach, boksach) nie powinien przekraczać 3 m, a dla zachowania zmienności sezonowej sugeruje się przyjęcie 2,7 m wysokości wsadu. Czas przetrzymania powinien być dostosowany do technologii, ale nie może być krótszy niż dwa tygodnie. Warto przy tym uwzględnić czas potrzebny na załadunek, magazynowanie i rozładunek. Dla reaktorów metalowych czy rękawów foliowych niezbędna wymagana powierzchnia instalacji intensywnej jest wyższa od analogicznej wydajności technologii w reaktorach żelbetowych. Analizując zastosowanie odpowiedniej technologii, należy wziąć pod uwagę dostępność miejsca i funkcjonalność logistyczną. Dane ilościowe i wielkościowe powinny zostać szczegółowo określone przed podjęciem decyzji o wyborze technologii lub ogłoszeniem przetargu publicznego.

Wielkość placu dojrzewania w każdej technologii musi być dostosowana do osiągnięcia odpowiednich parametrów stabilizatu, zapewniać minimalny okres stabilizacji, umożliwiać swobodne przerzucanie pryzm oraz przewidywać miejsce dla przesiewania stabilizatu (odsiania frakcji 0-20 mm). Minimalna powierzchnia placu dojrzewania zależy od przepustowości instalacji, ale dla zakładów MBP nie powinna być mniejsza niż 4 – 5 tys. m². Coraz częściej stosowane są place z wymuszonym napowietrzaniem, co ma na celu przyspieszenie procesu (nie zastępuje to jednak – wymaganego przepisami – przerzucenia odpadów minimum raz w tygodniu).

System napowietrzania

Najważniejszym elementem technologii stabilizacji tlenowej jest system napowietrzania. Istotne znaczenie ma wymagany stopień i równomierność napowietrzania, możliwość prostego czyszczenia kanałów, a także odprowadzanie odcieków czy koszty eksploatacyjne związane ze zużyciem energii. Spadek ciśnienia (przepływu nadmuchu powietrza) między przodem a tyłem reaktora powinien być jak najmniejszy (poniżej 5%), niezależnie od stopnia jego wypełnienia. Płytę napowietrzającą należy wykonać w taki sposób, żeby możliwy był przejazd ładowarki na całej jej powierzchni, nie powodując uszkodzenia i zatykania się kanałów.

Warto pamiętać, że frakcja 0-80 mm z odpadów zmieszanych charakteryzuje się niską porowatością (nawet ok. 20%). W odróżnieniu od odpadów zielonych czy innych odpadów z selektywnej zbiórki występuje w niej znaczący udział frakcji drobnej, powodującej kolmatację rur zasysających, które należy częściej czyścić. Aby proces prowadzony był prawidłowo, zalecane jest przerzucenie międzyprocesowe odpadów (np. z reaktora do reaktora), w celu zwiększenia porowatości, ujednorodnienia wsadu i jego wilgotności oraz oczyszczenia kanałów. Przerzucanie poza halą jest jednak wątpliwe z punktu widzenia prawnego.

Dostawcy technologii oferują są systemy napowietrzania, które znacząco się od siebie różnią. Jednym z elementów stanowiących o odmienności tych rozwiązań jest stosowanie nadmuchu pozytywnego (wtłaczanie powietrza od dołu ku górze) lub negatywnego (zasysanie powietrza z góry do dołu). Są dostępne także technologie stosujące sekwencyjne nadmuchiwanie i zasysanie.

Ważną kwestią jest skuteczność napowietrzania w kontekście zużycia energii elektrycznej. Średnie jej zużycie dla instalacji tlenowych waha się od 10 do ponad 50 kWh/Mg wsadu i jest znaczącym elementem kosztów eksploatacyjnych. Należy jednak zauważyć, że zbyt niskie zużycie energii (na etapie projektowym) powinno budzić podejrzenia. Zastosowanie małych wentylatorów może bowiem okazać się niewystarczające do właściwego napowietrzenia i wydłużyć proces stabilizacji. Należy zatem określić minimalną krotność wymiany powietrza. Na większą elastyczność i właściwy przebieg procesu pozwala ok. 4-7-krotna godzinowa wymiana powietrza we wsadzie. Wartości powinny zostać obliczone w oparciu o dane rzeczywiste wsadu, zastosowaną technologię, podział na reaktory itp.

Systemy napowietrzania (pozytywnego i negatywnego) powinny uwzględniać maksymalne i równomierne napowietrzenie stabilizowanych odpadów w całym obszarze i do założonej wysokości. Im większe otwory, tym częściej zachodzi konieczność czyszczenia kanałów. W niektórych technologiach (głównie stosujących zasysanie) zaleca się stosowanie wypełnienia kanałów (żwir, pospółka, słoma itp.), aby ograniczyć ich kolmatację. Najnowszymi rozwiązaniami, wdrożonymi już przez szereg firm, jest napowietrzanie pozytywne metodą „pipetową”, czyli z wykorzystaniem rury ze zwężającymi się ku górze dyszami, pozwalającymi zwiększyć prędkość (a tym samym skuteczność) napowietrzania, przy niskim zużyciu energii. W przypadku wydzielenia w instalacji odrębnych reaktorów, w celu optymalizacji prowadzenia procesu zaleca się zastosowanie jednego wentylatora na jeden reaktor. Należy też zweryfikować charakterystykę zastosowanych wentylatorów, czyli określić ich wydajność na podstawie analizy sprawności (sprężania, mocy). Inna bowiem moc (sprawność) wentylatorów będzie dla kanałów otwartych, wielkości otworów, technologii „pipetowych”.

Sterowanie procesem

Ważnym aspektem jest sterowanie procesem. Poszczególni dostawcy oferują sterowanie w oparciu o różne parametry, badane bezpośrednio we wsadzie lub w powietrzu procesowym, co ma swoje zalety i wady. Pomiar bezpośrednio w produkcie może być obarczony błędem, z uwagi na niejednorodność odpadów, natomiast pomiary w powietrzu są wypadkową wielu czynników zewnętrznych, nie zawsze związanych wyłącznie z procesem.

Najczęściej stosowanym parametrem, wykorzystywanym do sterowania procesem, jest temperatura. Jej stały pomiar pozwala na weryfikację higienizacji odpadów. Dobre rezultaty sterowania procesem daje również analiza zawartości tlenu, przy pomiarze bezpośrednio w stabilizowanym odpadzie. Dzięki temu możliwe jest właściwe napowietrzanie, bez nadmiernego przesuszania odpadów, co pozwala na ograniczenie kosztów zużycia energii (pracy wentylatorów), wpływa na zmniejszenie lub wyeliminowanie potrzeby nawadniania wsadu w okresie stabilizacji, a także sprzyja określeniu szacunkowych wartości parametru aktywności oddychania w czasie realnym (korelacja czasu pracy wentylatorów i zapotrzebowania na tlen).

Ważnym aspektem jest również możliwość analizy danych, uruchomienia trybu automatycznego lub ręcznego, dobrej archiwizacji danych w stosunkowo długim okresie oraz przedstawienie graficzne analizowanych danych. Z uwagi na koszty eksploatacyjne, istotne są dane o gwarancji sond i czujników, kosztów ich wymiany oraz częstotliwości i kosztów usług serwisowych. Spotykana jest już usługa tzw. asysty on-line świadczona przez specjalistów dostawcy, ułatwiająca prowadzenie procesu, zwłaszcza w pierwszej fazie po oddaniu instalacji.

Wtłaczanie podgrzanego powietrza do procesu

Z uwagi na fakt, że stabilizacja tlenowa (intensywna) jest procesem termofilowym ważnym elementem jest zapewnienie dopływu ciepłego powietrza (zwłaszcza w okresie zimowym), aby proces mógł się rozpocząć i przebiegać właściwie. Stąd też dostawcy technologii stosują w tym zakresie szereg rozwiązań technologicznych. Najprostszym jest zawrócenie powietrza procesowego z jednego bioreaktora do drugiego (zamiast skierować je do biofiltra), przez co zmniejsza się ilość powietrza do oczyszczenia i przyspiesza uzyskanie odpowiedniej temperatury procesu. Zawracanie powietrza procesowego wymaga jednak zastosowania odpowiednich przepustnic, a często także filtrów, w celu eliminacji możliwości uszkodzenia wentylatorów. Minusem tego rozwiązania jest fakt, że we wtłaczanym powietrzu jest mniejsza ilość tlenu (a większa dwutlenku węgla – gdyż powietrze było już wykorzystane w procesie stabilizacji). Radykalny spadek zawartości tlenu przełoży się natomiast na pogorszenie efektywności procesu. Lepszym rozwiązaniem jest zatem wtłaczanie powietrza świeżego. Stosowane są wymienniki ciepła powietrze-powietrze (powietrze procesowe przechodzi przez rekuperator i oddaje ciepło powietrzu wtłaczanemu). Metoda stosowana jest raczej w małych instalacjach, z uwagi na straty ciepła dla rur doprowadzających powietrze. Ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie dwuwarstwowego dachu z tworzywa – wykorzystywane jest tu naturalne ciepło procesu, które – kierując się ku górze – podgrzewa powietrze znajdujące się w przestrzeni międzydachowej. Dodatkowo powietrze jest podgrzewane przez energię słoneczną. Wstępnie podgrzane świeże powietrze kierowane jest bezpośrednio do napowietrzania odpadów w bioreaktorach. Innym rozwiązaniem jest podgrzewanie powietrza z wydatkiem energii. Nie ma tu ograniczenia uzyskania temperatury, ale minusem jest koszt zużycia energii.

Nawadnianie w trakcie procesu

Od lat trwa dyskusja na temat skuteczności nawadniania w trakcie procesu stabilizacji tlenowej. Zarówno ekspertyza⁵, jak i projekt nowego rozporządzenia MBP wskazują na konieczność utrzymania odpowiedniej wilgotności procesu (45-60%). Natomiast na podstawie wizji terenowych stwierdzono, że wielu eksploatatorów zaprzestało nawadniania wsadu w trakcie procesu (mimo takich możliwości). Dobre rezultaty przynosi nawadnianie w instalacjach bazujących na technologiach dynamicznych (z przerzucaniem materiału). Nawadnianie konieczne jest dla technologii z zasysaniem powietrza, z uwagi na przesuszanie górnej warstwy stabilizowanych odpadów. W warunkach statycznych (w boksach, tunelach) nawadnianie bez stosowania przerzucania powoduje niejednorodność rozkładu wilgotności w materiale i zachwianie procesu stabilizacji (niewłaściwie może zareagować sterowanie procesem). W przypadku napowietrzania pozytywnego, przy nawodnieniu górnej warstwy sterowanie może doprowadzić do przesuszenia. Po nawodnieniu, aby proces przebiegał właściwie, należałoby odpady usunąć z reaktora, wymieszać i ponownie załadować (co jest zabronione poza zamkniętymi pomieszczeniami z ujęciem powietrza procesowego). Właściwe nawodnienie wsadu na początku procesu (do wilgotności ok. 50-60%), przy sterowaniu parametrem zawartości tlenu, pozwalają na skuteczne prowadzenie stabilizacji, bez potrzeby nawadniania. Każdorazowo należy zapewnić możliwość nawodnienia wsadu (wewnątrz lub na zewnątrz) i określić sposób homogenizacji stabilizowanego materiału.

O nawadnianiu z wykorzystaniem zawracanych odcieków należy pamiętać w kontekście higienizacji odpadów. Zgodnie z wytycznymi⁷, higienizacja odpadów w reaktorach zamkniętych jest spełniona przy utrzymywaniu się przez tydzień temperatury powyżej 60^oC. Jeżeli ponownie nawodnimy odpady surowymi odciekami, a pozostały czas procesu będzie krótszy niż tydzień lub nie zostanie osiągnięta wymagana temperatura w całym tym okresie, nie uzyska się zalecanej higienizacji. W przypadku nawadniania z wykorzystaniem odcieków należy stosować specjalne filtry (przeciwdziałające zatykaniu się systemu nawadniania) oraz wykorzystywać odcieki jedynie w pierwszym okresie stabilizacji.

Oczyszczanie powietrza procesowego

W przypadku instalacji do stabilizacji tlenowej wymagane jest ujęcie i oczyszczenie powietrza procesowego (uniemożliwienie przedostania się powietrza procesowego do atmosfery). Analizując obowiązujące w tym zakresie przepisy, dla zapewnienia właściwej eksploatacji niezbędne jest zastosowanie biofiltra do podczyszczania powietrza procesowego: kontenerowego, pionowego bądź poziomego. Do podczyszczania stosowane są płuczki wodne (często służące do nawilżania), rzadziej płuczki kwaśne (wykorzystywane przy stabilizacji beztlenowej, przy wyższych wartościach amoniaku). Można też spotkać nieliczne instalacje z termicznym dopalaniem powietrza procesowego (RTO). Oczyszczanie powietrza powinno odbywać się w biofiltrze, z czasem styku >30 s, obciążeniem powierzchniowym 45-150 m³/m²h lub obciążeniem objętościowym 40-100 m³/m³h, co wynika z wytycznych BAT⁴ oraz niemieckiej normy VDI 3477. Wielkość i wydajność biofiltra powinna być dobrana w oparciu o obliczenia. Parametry biofiltra oraz jego wielkość należy dostosować do ilości przetwarzanych odpadów (w zależności od krotności wymiany powietrza w stabilizowanym materiale).

Izolacja termiczna obiektu

Reaktory zamknięte wolno stojące powinny być izolowane termicznie. Ma to zapobiec problemom prowadzenia procesu w okresie zimowym⁴. Rozpatrując ten element, należy się odnieść do współczynnika przenikania ciepła. W zależności od zastosowanego materiału (żelbet, tworzywo sztuczne, metal) oraz sposobu izolacji (z przegrodą powietrzną, dodatkową izolacją), będzie on różny. Szacunki obliczeniowe wykazują, że dla 25-centymetrowego stropu żelbetowego (bez dodatkowej izolacji) współczynnik przenikania ciepła U wynosi ok. 3,6-6,0 W/(m2K), dla dachu jednowarstwowego z PCV U = 5,0-7,0 W/(m²K), ale już dla technologii wykorzystującej podwójną membranę PVC z pustką powietrzną (30 cm) osiąga się lepsze właściwości izolacyjne, a U wynosi 2,6-3,0 W/(m²K). Najsłabsze właściwości izolacyjne ma, oczywiście, stal, dla której przewodność cieplna wynosi 58 W/mK (dla porównania przewodność cieplna żelbetu to 1,7 W/mK). Dla technologii o słabej izolacji obserwuje się znaczne wydłużenie (lub wręcz wstrzymanie) procesu stabilizacji w okresie mrozów. Należy zauważyć, że najważniejszy jest cel, czyli prawidłowo prowadzony proces, przy minimalizacji czynników korozyjnych.

Bramy

Znane są bramy z elementami przesuwnymi na zewnątrz reaktorów, bramy łamane, rolowane, podnoszone hydraulicznie itp. Ich konstrukcja powinna być odporna na korozję, a elementy sterowania – znajdować się poza reaktorem (poza strefą podwyższonej korozyjności). Należy pamiętać, by drzwi nie ograniczały ruchu maszyn w strefie załadunku i rozładunku. Bramy powinny otwierać się na całej szerokości bioreaktora, bez stref martwych, powodujących utrudnienia w eksploatacji.

Niezbędne maszyny i urządzenia

Niezbędnym elementem wyposażenia instalacji stabilizacji tlenowej są maszyny i urządzenia, o których zakupie należy pamiętać przy planowaniu procesu inwestycyjnego. Oprócz bezwzględnie koniecznej ładowarki, w zależności od ilości odpadów, zastosowanej technologii lub stabilizowanego odpadu, potrzebne będą również przerzucarki, rozdrabniarki, mieszalniki, homogenizatory, a także sita (do wydzielenia stabilizatu <20 mm) i urządzenia do podczyszczenia stabilizatu (odseparowanie elementów metalowych, twardych oraz odessanie lekkich tworzyw).

Dobre rady

Dla scharakteryzowania podstawowych parametrów instalacji należy określić minimalną ilość odpadów, ich gęstość, minimalny czas przetrzymania w bioreaktorze (hali) wraz z zapełnianiem i rozładunkiem, minimalną pojemność roboczą instalacji, minimalną liczbę reaktorów, obliczeniową i maksymalną wysokość załadunku w reaktorze, obliczeniową krotność wymiany powietrza w tunelu, obliczeniową ilość powietrza procesowego do oczyszczenia na biofiltrze, minimalną powierzchnię instalacji, a także przewidywane zużycie wody i energii elektrycznej, włącznie z biofiltrem.

Na wybór technologii stabilizacji tlenowej ma wpływ szereg aspektów prawnych i technologicznych. Rozpatrując wybór technologii, należy określić ramy czasowe eksploatacji instalacji (co najmniej 15 lat). Czynnikiem determinującym wybór technologii powinna być analiza obejmująca nakłady inwestycyjne oraz koszty eksploatacyjne, skuteczność prowadzenia procesu i jego elastyczność (w aspekcie zarówno ilościowym, jak i jakościowym wsadu, związanym ze wzrostem selektywnej zbiórki i przewidywanymi zmianami przetwarzanych strumieni odpadów). Inwestor, oprócz sporządzenia studium wykonalności, przed podjęciem decyzji powinien dokonać wizji lokalnej wybranych instalacji.

W postępowaniu przetargowym (dotyczy inwestorów publicznych) należy określić cele i dane wejściowe dla instalacji, podstawowe warunki wymagane od dostawcy technologii i jego doświadczenia. Częstym zjawiskiem w kraju jest bardzo szerokie określenie wymagań dla generalnego wykonawcy robót budowlanych, a kryteriami wyboru jest cena oraz dodatkowo np. termin realizacji, co generuje zagrożenie dostawy niesprawdzonych lub nieekonomicznych technologii. Bardzo rzadko spotykane są postępowania przetargowe z kryteriami wyboru dotyczącymi technologii (aspekty techniczne, doświadczenie – kryteria obligatoryjne lub punktowane), które mają kluczowe znaczenie przy budowie instalacji (i są podstawowym kryterium w krajach europejskich).

Należy pamiętać, że podstawowym elementem prowadzenia działalności w zakresie przetwarzania odpadów jest zachowanie konkurencyjności na rynku, przy dostosowaniu się do zmieniającej się sytuacji w gospodarce odpadami (aspekty prawne, zmiana strumieni odpadów itp.), co powoduje, że inwestycje w instalacje stabilizacji tlenowej należy rozpatrywać długoterminowo, po szczegółowej analizie kosztów i korzyści. Warto zwrócić uwagę na możliwość zastosowania rozwiązań innowacyjnych, jak np. wykorzystanie ciepła procesowego czy powiązanie eksploatacji instalacji z odnawialnymi źródłami energii.

Źródła:

1. Saveyn H., Eder P.: End-of-waste criteria for biodegradable waste subjected to biological treatment (compost & digestate): Technical proposals Final Reports December 2013”. Sevilla 2014.
2. Krzyśków A.: Stabilizacja tlenowa zmieszanych odpadów komunalnych – aspekty technologiczne. Gospodarka Komunalna – nowe rozwiązania i technologie pod red. B. Marczewskiej. Warszawa 2015.
3. Białowiec A.: Instalacje mechaniczno-biologicznego unieszkodliwiania odpadów dzisiaj i jutro. Ryn 2014.
4. Dokument referencyjny nt. najlepszych dostępnych technik – Przemysł Przetwarzania Odpadów. Sevilla 2006.
5. Jędrczak A., den Boer E.: Raport końcowy III etapu ekspertyzy mającej na celu przeprowadzenie badań odpadów w 20 instalacjach do mechaniczno-biologicznego przetwarzania odpadów. Zielona Góra 2015. http://sdr.gdos.gov.pl/Documents/GO/Ekspertyzy/Ekspertyza%20MBP_III%20etap_%2022-06-2015%20+%20za%C5%82aczniki.pdf
6. Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów. 2008.
7. Jędrczak A., Szpadt R.: Wytyczne dotyczące wymagań dla procesów kompostowania, fermentacji i mechaniczno-biologicznego przetwarzania odpadów (według stanu prawnego na dzień 15 grudnia 2008 r.). Warszawa 2008.

Artykuł powstał na bazie referatu wygłoszonego podczas 4. Ogólnopolskiej Konferencji BIOODPADY, która odbyła się w dniach 7-8 października br. w Zielonej Górze. Jej organizatorem była firma EKORUM.

fot. 5 x A. Krzyśków, 4 x sozosfera.pl