Zanieczyszczenie powietrza a zdrowie człowieka

Pod pojęciem powietrza atmosferycznego rozumiemy jeden z głównych czynników potrzebnych człowiekowi do życia, który możemy określić mianem bezbarwnej, bezwonnej mieszanki gazów, na które składa się azot (78%), tlen (21%), dwutlenek węgla (0,03%), oraz śladowe ilości gazów szlachetnych, pary wodnej i opisywanych poniżej zanieczyszczeń organicznych i mineralnych. O zanieczyszczeniu powietrza zaczynamy mówić, gdy ilości szkodliwych składników w powietrzu przekraczają przyjęte powszechnie normy.

Zanieczyszczenia powietrza i ich wpływ na zdrowie organizmu człowieka to złożone zagadnienie, na które składają się takie czynniki jak: warunki klimatyczne, stężenie i okres trwania wpływu zanieczyszczeń na organizm ludzki, wiek oraz odporność człowieka na tego typu zanieczyszczenia. Aby dokładnie zbadać wpływ zanieczyszczonego powietrza na organizm człowieka przeprowadza się pomiary biologiczne, jak również badania statystyczne odnoszące się do częstości i nasileń występowania schorzeń wśród ludzi. Poprzez specjalistyczne pomiary i badania zatwierdzono pewne prawidłowości, które dowodzą o wpływie zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego na zdrowie człowieka.

Dzielimy je na dwie sfery:

  • sferę pochodzenia naturalnego, do której zaliczamy wybuchy wulkanów, burze piaskowe, huragany i trąby powietrzne, pożary lasów oraz rozkład substancji organicznych w środowisku;
  • sferę antropogeniczną, czyli powstałą w wyniku szkodliwej działalności człowieka na naturalne środowisko przyrodnicze; na przykład emisja gazów i pyłów z fabryk do powietrza atmosferycznego.

Zanieczyszczenia powietrza, które negatywnie wpływają na stan zdrowia człowieka doprowadzają do różnego rodzaju schorzeń, do których należą między innymi:

  • choroby układu oddechowego: stany zapalne jamy ustnej, gardła oraz oskrzeli,
  • nowotwory płucne,
  • schorzenia układu nerwowego: stany bezsenności, przewlekłe bóle głowy, pogorszone ogólne samopoczucie,
  • dolegliwości alergiczne organizmu człowieka,
  • niedomagania układu krążenia, przypadłości sercowe.

Zanieczyszczenia powietrza wpływają na wszystkie układy organizmu człowieka i powodują jego schorzenia. Aby uniknąć choć części tych nieczystości postarajmy się przebywać jak najwięcej na świeżym powietrzu, wśród naturalnego środowiska oferującego nam dopływ dużych ilości czystego tlenu do organizmu.

Choroby spowodowane zanieczyszczeniem środowiska

Zanieczyszczenia środowiska w dużym stopniu mają wpływ na nasze zdrowie i życie.

Metale ciężkie takie jak ołów, czy rtęć negatywnie wpływają na nasz organizm. Upośledzają one pracę układu nerwowego, zwłaszcza mózgu.

Związki rtęci przyczyniają się do zaburzeń wzroku i koordynacji ruchu. W większych ilościach mogą doprowadzić do śmierci. Głównie przemysł chemiczny przyczynia się do ich powstawania. Ich źródłem mogą być też śmietniska, ponieważ na nich znajdują się np. zużyte świetlówki, które napełniane są parami rtęci.

Związki ołowiu powodują otępienie i uczucie znużenia. W większych ilościach prowadzą do porażenia mięśni, czy nawet śmierci. Dawniej stosowane były do produkcji farb, czy emalii oraz kitu do okien. Ołów używa się do produkcji płyt akumulatorowych. Kiedyś ołów dodawano do benzyny. Obecnie w wielu krajach stosuje się benzynę bezołowiową.

Do listy groźnych metali zaliczyć też możemy: kadm, nikiel, miedź, cynk, chrom.

Szkodliwe dla zdrowia człowieka są też tlenki siarki i azotu w postaci gazowej. Powodują one choroby płuc. Ponadto przyczyniają się do powstawania kwaśnych deszczy, które także nie są zdrowe ani dla ludzi, ani zwierząt i roślin.

Dwutlenek węgla, jeśli występuje w zbyt dużych ilościach także nie wpływa pozytywnie na funkcjonowanie naszego organizmu. Ponadto przyczynia się do ocieplenia klimatu Ziemi.

Kolejnym zagrożeniem dla naszego zdrowia są pyły, które przyczyniają się do chorób płuc, a także obumierania roślin.

Na naszych drogach wciąż pojawia się coraz więcej samochodów. Wydzielany przez nie tlenek węgla, który wiąże się z hemoglobiną we krwi upośledza transport tlenu.

Następnym zagrożeniem jest ozon, który jest groźny dla oczu oraz dróg oddechowych. Powstaje on natomiast na skutek ruchu samochodowego.

Ponadto takie związki organiczne jak węglowodory cykliczne i ich pochodne są często trujące. Wchłaniają się one przez skórę i układ oddechowy. Maja one także działanie rakotwórcze. Związki te nie rozkładają się i wciąż krążą w przyrodzie.

Głównym źródłem:

  • tlenków węgla, siarki, azotu, pyłów jest działalność człowieka w sferze energetyki,
  • związków metali i fluoru, zanieczyszczeń gazowych i pyłowych jest działalność w sferze górnictwa i hutnictwa
  • związków organicznych jest działalność w sferze przemysłu petrochemicznego i chemicznego
  • metali ciężkich mogą być gospodarstwa domowe
  • ołowiu, tlenków azotu, ozonu jest transport samochodowy

Wskaźniki okrzemkowe opisujące zanieczyszczenia organiczne

Terminem saprobowość określana jest zdolność bytowania organizmów roślinnych i zwierzęcych w wodach zanieczyszczonych substancjami organicznymi (Starmach 1957). Organizmy charakterystyczne dla stref wody o różnym stopniu zanieczyszczenia związkami organicznymi nazywamy saprobami. Nazwa saproby pochodzi od słowa greckiego sapros – gnilny i zaczerpnięta została z opracowań Lauterborna (1901, 1903; cyt. za Starmach i in. 1976). Przeciwstawieniem saprobów są kataroby (gr. katharos – czysty), czyli organizmy żyjące w wodach czystych, a więc takich, w których nie ma „saprosu” czyli produktów procesów rozkładowych.

Organizmy wykazują różną saprobowość, co oznacza, że mają:

  1. rozmaite wymagania względem materii organicznej jako pokarmu,
  2. rozmaitą wytrzymałość, czy też odporność na działanie szkodliwych produktów zanieczyszczenia organicznego, na przykład: brak tlenu, obecność siarkowodoru i amoniaku, zmętnienie wody itd.

Wody o odmiennym stopniu zanieczyszczenia zamieszkiwane są przez różne grupy organizmów. Każde zbiorowisko jest dostosowane do sumy czynników określonych jako zanieczyszczenie, a panujących w danym czasie i miejscu.

System saprobów jest systemem ekologicznym. Powstał on na tle obserwacji zjawisk biologicznych w przyrodzie, w wodach o różnym stopniu zanieczyszczenia. W konstrukcji tego systemu punkt wyjścia stanowiło przede wszystkim zjawisko biologicznego samooczyszczania się wód. Sam proces samooczyszczania się wody przebiega w trzech głównych fazach, którym odpowiadają trzy strefy w rzece zanieczyszczonej:

I. strefa polisaprobowa – strefa z silnie zanieczyszczoną wodą. Strefę tę charakteryzuje:

  • przewaga procesów redukcji,
  • niska zawartość tlenu lub j ego brak,
  • obecność siarkowodoru i amoniaku, który nie ulega nitryfikacji (na dnie osadza się ciemny muł i czarny siarczek żelaza – FeS),
  • rozkład białek, polipeptydów i innych złożonych pochodnych białek oraz węglowodanów i tłuszczy.
  • obfity rozwój grzybów, bakterii oraz innych organizmów ściekowych zwanych polisaprobami,
  • brak lub niewielka ilość organizmów posiadających chlorofil;

II. strefa mezosaprobowa – strefa przejściowa ze średnio zanieczyszczoną wodą. W strefie tej zaczynaj ą się intensywne procesy utleniania produktów rozkładu materii organicznej i siarczku żelaza do wodorotlenku żelaza. Tlenu dostarczają bądź zielone glony w czasie asymilacji, bądź też, dopływa on z atmosfery. W strefie tej wydzielono dwie podstrefy:

1) strefę a-mezosaprobową, którą charakteryzuje:

  • przewaga procesów rozkładu,
  • rozkład polipeptydów i innych złożonych produktów rozkładu białek na aminokwasy i inne prostsze składniki,
  • dużo niższa liczba bakterii w porównaniu z poprzednią strefą,
  • dużo glonów, zwierząt niższych i wyższych, mogą się pojawić ryby,
  • możliwe czasowe zaniki tlenu;

2) strefę P-mezosaprobową, którą charakteryzuje:

  • obecność procesów ostatecznego utleniania aminokwasów,
  • przewaga roślin zielonych, dzięki  dużej zawartości w wodzie przyswajalnych związków pochodzących z rozkładu materii organicznej,
  • ustępowanie bakterii,
  • brak okresowych zaników tlenu;

III. strefa oligosaprobowa – strefa praktycznie czystej wody. Strefę tę charakteryzuje:

  • zakończenie procesów mineralizacji (utleniania),
  • obecność nielicznych bakterii,
  • życie roślinne i zwierzęce przebiega normalnie przy dostatecznej zawartości tlenu i soli mineralnych dla roślin,
  • muł na dnie może posiadać charakter mezosaprobowy.

Ponadto wyróżniono strefę katarobową, która obejmuje wody bardzo czyste. Jest to strefa właściwa miejscom mało zamieszkanym np. potokom górskim. Pod względem biologicznym charakteryzuje się: praktycznie brakiem występowania bakterii i obecnością różnorodnych przedstawicieli flory i fauny – często z gatunkami reliktowymi (Starmach 1957).

Obserwacje i opisy zanieczyszczeń stanowiły główny nurt badań hydrobiologicznych na przełomie XIX i XX wieku. W 1902 roku Kolkwitz i Marsson opublikowali pierwsze wyniki prac nad tak zwanym systemem saprobów (Starmach i in. 1976), który rozwinęli obszerniej w kolejnych latach (Kolkwitz i Marsson 1908, 1909). System saprobów powstał na tle obserwacji zjawisk biologicznych zachodzących w zanieczyszczonych rzekach Niemiec. Ocenę stopnia zanieczyszczenia wody w tej metodzie oparto na zmianach składu gatunkowego organizmów wzdłuż całej strefy w rzece, w której przebiega proces samooczyszczania się wody. Autorzy (l.c.) wśród organizmów występujących w wodach zanieczyszczonych wyróżnili następujące grupy: polisaproby, czyli organizmy żyjące w miejscach wpłynięcia ścieków oraz a-mezosaproby, P- mezosaproby i oligosaproby, żyjące w kolejnych strefach postępującego samooczyszczania się rzeki. Bazę systemu saprobów stanowiła hipoteza, że po dopływie ścieków typu miejskiego następuje w rzece najpierw redukcja materii organicznej, potem oksydacja i mineralizacja. Procesów tych jednak nie można ani chemicznie, ani praktycznie oddzielić od siebie i z tego powodu nie można było zdefiniować ich pod względem biologicznym (Starmach i in. 1976). Pomimo, iż system był oparty na empirii i nie miał podbudowy naukowej, jednak jego prosta konstrukcja i czytelność przyczyniły się do jego szerokiego stosowania przez dłuższy czas. Listy gatunków wskaźnikowych dla poszczególnych stref zanieczyszczonej ściekami, podlegającej samooczyszczaniu się rzeki stworzone przez Kolkwitza i Marssona były uzupełniane i zmieniane w kolejnych latach przez licznych autorów (Dołgow i Nikitinski 1927; cyt. za Kadłubowska 1975, Kolkwitz 1935, 1950, Liebmann 1958, 1962, Hanuska 1956, Sladecek 1963). Należy podkreślić, że te same gatunki zaliczano często do różnych grup saprobów. W związku z poważnymi ograniczeniami metody i brakiem jednoznaczności oceny zanieczyszczenia wody za pomocą systemu saprobów, była ona krytykowana, między innymi przez Lauterborna (1914-17), Thienemanna (1918); cyt. za Starmach i in. (1976), Caspersa i Schulza (1960), Patrick i Strawbridge (1963), Fjerdingstada (1964), Kadłubowską (1964, 1970), Sladecka (1973), Lange-Bertalota (1978, 1979a). Gruntowną rewizję systemu dokonał Liebmann (1962) redukując liczbę gatunków do 260 i wprowadzając oznaczenia jakości wody (klasy czystości) od I do IV. Po licznych modyfikacjach system saprobów zaczęto nazywać systemem Kolkwitza-Marssona-Liebmana. Szybko uznano jednak, iż nie gwarantuje on poprawnej oceny zanieczyszczeń i nie przedstawia istotnego postępu w analizie jakości wód (Starmach i in. 1976).

W miarę rozwoju cywilizacji i różnych dziedzin przemysłu uległa zmianie nie tylko ilość, ale i jakość ścieków, co spowodowało konieczność opracowania adekwatnych metod analizy zanieczyszczonych wód. Stopniowo, zaczęto dodawać nowe poziomy saprobowości. Thomas (1944) wyróżnił dodatkowo w obrębie strefy polisaprobowej: alfapolisaprobię (strefę panowania bakterii, gdzie BZT5 przekracza 60 mg O2-l-1), betapolisaprobię (strefę z licznie występującymi orzęskami i BZT5 30-60 mg O2-l-1) i gammapolisaprobię (strefę występowania Sphaerotilus przy BZT5 15-30 mg O2-l-1). Hanuska (1956) wprowadził hypersaprobię (strefę panowania drożdży i bakterii) i antysaprobię (strefę abiotyczną). Starmach i in. (1976) obok wód źródlanych (katarobowych), czystych (oligosaprobowych), słabo zanieczyszczonych (betasaprobowych), silnie zanieczyszczonych (alfasaprobowych) i wybitnie zanieczyszczonych (polisaprobowych), wyróżnił wody częściowo zatrute i zatrute.

Kolejną modyfikację systemu saprobów zaproponował Fjerdingstad (1964, 1965). W celu lepszego zrozumienia związku poszczególnych gatunków z zanieczyszczeniem wprowadził następujące grupy gatunków:

  1. gatunki saprobiontyczne – występujące masowo wyłącznie w wodach silnie zanieczyszczonych,
  2. gatunki saprofilne – występujące w wodach zanieczyszczonych zdolne również do życia w wodach czystych tj. organizmy w pewnym stopniu indyferentne,
  3. gatunki saprokseniczne – występujące w wodach czystych, ale zdolne do życia również w wodach zanieczyszczonych,
  4. gatunki saprofobne – występujące wyłącznie w wodach czystych, nie zdolne do życia w wodach zanieczyszczonych.

Gatunki saprofilne w wodach zanieczyszczonych reprezentowane są przez dużą liczbę osobników, natomiast w wodach czystych występują tylko pojedyncze osobniki. Gatunki saprokseniczne natomiast dobrze rozwijają się w wodach czystych, a w zanieczyszczonych reprezentowane są przez pojedyncze osobniki.

Jednym z założeń systemu było wyróżnienie zbiorowiska na podstawie gatunków dominujących. Fjerdingstad (1964) oparł się na klasyfikacji Ivleva (1933) i wyróżnił w biocenozie następujące grupy organizmów:

  1. gatunki dominujące lub grupy gatunków dominujących, posiadające w danej biocenozie największą aktywność biocenotyczną. Osobniki gatunku dominującego stanowią ponad V2 wszystkich osobników biocenozy. Wyjątkowo w biocenozie może nie dominować żaden gatunek, a wtedy grupa dwu lub trzech gatunków stanowi 2/3 lub 3/4 osobników całej biocenozy,
  2. grupy gatunków podporządkowanych, zależne od rozwoju dominantów, tak zwane subdominanty stanowiące V3 do 2/5 ogólnej liczby osobników biocenozy,
  3. grupy gatunków przypadkowych, występuj ące poj edynczo.

Synekologiczny system Fjerdingstada (1964, 1965) oparty został na biocenozach bakterii, wiciowców bezbarwnych i glonów. W systemie tym zasadniczo pominięto okrzemki, z wyjątkiem zbiorowiska Meridion circulare. Wyróżniono w nim dziewięć stref przedstawiających wyraźnie zmianę faz od heterotroficznej do autotroficznej w miarę samooczyszczania się wody (tab. 2.3).

Kolejną klasyfikację wód zanieczyszczonych, również bazującą na systemie saprobów Kolkwitza-Marssona, przedstawił Sladecek (1963, 1964). Wyróżnił on 4 podstawowe kategorie wód:

  1. wody katarobowe – wody czyste, np. wody nie zanieczyszczonych studni,
  2. wody limnosaprobowe – wody powierzchniowe i gruntowe, wśród których wyodrębniono 4 stopnie odpowiadające klasyfikacji Kolkwitza i Marssona: oligosaprobię, betamezosaprobię, alfamezosaprobię i polisaprobię,
  3. wody eusaprobowe – ścieki zawierające substancje organiczne, które mogą ulec rozkładowi w procesach biologicznych, obejmujące stopnie:  izosaprobii, metasaprobii, hypersaprobii i ultrasaprobii nawiązujące do podziału strefy polisaprobowej podanej przez Thomasa (1944) i innych,
  1. wody transsaprobowe – ścieki toksyczne, radioaktywne i ścieki abiotyczne zawierające substancje mineralne, obejmujące stopnie antysaprobii i radiosaprobii.

W tym systemie produkcja ma miejsce do strefy eusaprobowej, od izosaprobii ustaje zupełnie, a zwiększa się destrukcja. W hypersaprobii mogą żyć jedynie bakterie, a w ultrasaprobii następuje zanik życia organicznego. W wodach transsaprobowych biocenozy praktycznie nie istnieją.

Tabela 2.3. Strefy zanieczyszczenia wody i odpowiadające im zbiorowiska wg. systemu Fjerdingstada (1964, 1965).

STREFA ZBIOROWISKA
I. koprozoiczna 1.     Spirillum

2.      wici owce z rodzaj u Bodo

3.      Spirillum i Bodo

II. a-polisaprobowa 1.     Euglena viridis

2.      Rhodo- i Thiobacterium

3.      Chlorobacterium

III. P-polisaprobowa 1.     Beggiatoa alba i B. minima

2.      Thiothrix nivea

3.      Euglena viridis lub E. deses

IV. y-polisaprobowa 1.      Oscillatoria chlorina

2.      Sphaerotilus natans

V. a -mezosaprobowa 1.     Ulothrix zonata

2.      Oscillatoria benthonicum

3.      Stigeoclonium tenue

VI. P -mezosaprobowa 1.      Cladophorafracta

2.      Phormidium subfuscum, P. favosum, P. retzi

VII. y-mezosaprobowa
  1. Zbiorowisko krasnorostów: Batrachospermum moniliforme, Lemanea fluviatilis

2. Zbiorowiska zielenic: Cladophora glomerata i Ulothrix zonata

VIII. oligosaprobowa 1. Draparnaldia glomerata

2. Meridion circulare

3. Lemanea annulata,   Batrachospermum  vagum   lub

Hildebrandtia rivularis

4. Yaucheria sessilis

5. Phormidium inundatum

IX. katarobowa 1. Zbiorowisko zielenic: Chlorotylium cataractum i Draparnalia plumosa

2. Zbiorowisko krasnorostów: Hildebrandtia rivularis

3. Zbiorowisko glonów  inkrustowanych  wapieniem:

Chamaesiphon polonicus, Phormidium incrustatum i różne gatunki Calothrix

Z biegiem lat do oceny stopnia saprobizacji wód opracowano wskaźniki, które w postaci liczb charakteryzowały zanieczyszczenie organiczne i stopień samooczyszczenia. Wskaźniki te opierają się na gatunkach wskaźnikowych saprobowości, a ich niewątpliwą zaletą jest możliwość ich zastosowania do wszystkich grup organizmów lub zawężenia do jednej np. glonów. Jednym z pierwszych był wskaźnik Knoppa (1954) służący do graficznego przedstawiania zanieczyszczenia w kolejnych odcinkach rzek. Ocenę wielkości zanieczyszczenia oparto na występowaniu form wskaźnikowych według systemu saprobów, którym przypisuje się, według częstości występowania, odpowiednią ilość punktów (od 1 dla gatunków występujących pojedynczo do 7 dla gatunków występujących masowo). Na podstawie danych liczb można obliczyć względną wielkość zanieczyszczenia wg. wzoru:

wskaznik Knöppa W =

gdzie: o, fi, a, p – oznaczają kolejno udział organizmów oligosaprobowych, betamezosaprobowych, alfamezosaprobowych i polisaprobowych.

Natomiast do obliczenia względnego obciążenia zanieczyszczeniami posługiwano się wzorem (oznaczenia jak wyżej):

wskaznik Knöppa O =

Kolejny indeks saprobowy, który uwzględnia zarówno częstość występowania poszczególnych gatunków wskaźnikowych, jak i stopień ich saprobowości, zaproponowali Pantle i Buck (1955):

wskaźnik saprobowy Pantle-Bucka S =

gdzie: si – oznacza stopień saprobowości gatunku i (1 – oligosaprob, 2 – betamezosaprob, 3 – alfamezosaprob, 4 – polisaprob)

hi – oznacza wartość względnej częstotliwości gatunku i (1 – rzadko spotykany, 3 – często, 5 – obficie).

Poszczególnym strefom przypisano następujące wartości:

1.0 – 1.5 odpowiada strefie oligosaprobowej,

  • – 2.5 odpowiada strefie betamezosaprobowej.
  • – 3.5 odpowiada strefie alfamezosaprobowej,
  • – 4.0 odpowiada strefie polisaprobowej.

Mimo pewnych niedoskonałości tej metody (Fjerdingstad 1964, Chertoprud 2002), była ona przez długie lata i nadal jest zalecana do analizy fitoplanktonu i peryfitonu przy ocenie jakości wód w Polsce (Starmach i in. 1976). Według Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 11 lutego 2004 roku w sprawie klasyfikacji dla prezentowania stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia monitoringu oraz sposobu interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód (Dz.U. Nr 32 poz. 283 i 284) wyliczonym indeksom saprobowości przypisuje się klasy czystości według schematu zawartego w tabeli 2.4.

Tabela 2.4. Klasy czystości wody wg. indeksu saprobowego Pantle-Bucka zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 11 lutego 2004.

INDEKS SAPROBOWOŚCI S JAKOŚĆ WÓD KLASA CZYSTOŚCI WÓD
1.0 wody o bardzo dobrej jakości I
1.5 > S > 1 wody dobrej jakości II
2.5 > S > 2.0 wody zadowalającej jakości III
3.5 > S > 2.5 wody niezadowalającej jakości IV
S > 3.5 wody złej jakości V

Kolejny wskaźnik saprobowy został wprowadzony przez Zelinkę i Marvana (1961). Stworzona formuła zawiera uśrednione wartości saprobowe gatunku oraz wprowadza 5 stopni saprobowości:

wskaźnik Zelinki i Marvana S =

gdzie: ai – oznacza wartość saprobową każdego gatunku w każdej klasie saprobowości, hi – oznacza liczebność każdego gatunku,

Si – oznacza wartość wskaźnikową każdego gatunku (od 1 do 5 zgodnie z załączoną listą).

Wskaźnik ten oblicza się dla danego stanowiska, dla każdej klasy saprobowości, a saprobowość danego stanowiska jest oceniana według najwyższej wartości wskaźnika. Początkowo, zarzucano tej metodzie zbyt dużą pracochłonność (Starmach i in. 1976), jednak wiele później tworzonych indeksów korzysta z rozwiązań zastosowanych w tej formule.

Wykaz obiektów fermentacji metanowej na świecie o przepustowości powyżej 2500 Mg/rok

Kraj Miasto Wsad Technologia Przepustowość

[Mg/rok]

Rok
Austria Boheimkirchen bioodpady, gnojowica Ing. Bauer GmbH 7000 1996
Hirsdorf bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe Entec 14000 1995
Lustenau bioodpady Kompogas 10000 1996
Roppen bioodpady Kompogas 10000 2001
Siggerwiesen bioodpady Dranco 20000 1993
Wels bioodpady Linde BRV 15000 1997
Belgia Brecht bioodpady, makulatura Dranco 12000 1992
Brecht bioodpady Dranco 35000 1999
Mons odpady zmieszane Valorga 37500 2001
Dania Arhus bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe C.G.Jenson 125000 1995
Blaabjerg gnojowica, org. odpady przemysłowe BWSC/Bioscan 113000 1996
Blah0j gnojowica, org. odpady przemysłowe NIRAS 30000 1997
Davinde gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 10000 1988
Fangel gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 53000 1989
Filskov gnojowica, org. odpady przemysłowe NIRAS 27000 1995
Grirdsted bioodpady, osady Kruger 40000 1997
Has0j gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 53000 1994
Hodsagor gnojowica, org. odpady przemysłowe NIRAS 17500 1993
Lemvig gnojowica, org. odpady przemysłowe BWSC 144000 1992
Lintrup gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger/Bioscan 190000 1990
Nysted bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 100000 1998
Revninge gnojowica, org. odpady przemysłowe Bioscan 15300 1989
Ribe gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 147000 1990

 

Kraj Miasto Wsad Technologia Przepustowość

[Mg/rok]

Rok
Dania Sinding bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe Herning Municipal 52700 1988
Snertinge gnojowica, org. odpady przemysłowe NIRAS 43000 1996
Studsgard bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe Herning Municipal 130000 1996
Thorso gnojowica, org. odpady przemysłowe BWSC 110000 1994
Vaarst-Fjellerad bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe NIRAS 55000 1997
Vegger bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe Jysk Biogas 19000 1991
VesterHjermitslev gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 17000 1984
Finlandia Vaasa zmieszane odpady komunalne Waasa/WABIO 15000 1994
Francja Amiens zmieszane odpady komunalne Valorga 85000 1988
Varennes-Jarcy zmieszane odpady komunalne Valorga 100000 2001
Hiszpania Alicante zmieszane odpady komunalne Dranco 30000 2002
Barcelona

Ecoparc

zmieszane odpady komunalne Linde 150000 2002
Cadiz zmieszane odpady komunalne Valorga 115000 2001
La Coruna zmieszane odpady komunalne Valorga 142000 2001
Valladolid bioodpady Linde 15000 2001
Holandia Breda bioodpady Paques 10000 1992
Groningen odpady niesegregowane Citec 230000 2000
Lelystad bioodpady Biocel, Heidemij 35000 1997
Tilburg bioodpady Valorga 52000 1994
Jordania Amman bioodpady Farmatic 60000 2001
Kanada Newmarket, ON bioodpady, org. odpady przemysłowe BTA 150000 2000
Niemcy Alzey bioodpady Kompogas 24000 2000
Baden-Baden bioodpady BTA 5000 1993
Bassum odpady niesegregowane Dranco 13500 1997
Behringen gnojowica, org. odpady przemysłowe Linde-KCA 23000 1996
Boden bioodpady Ros Roca 25000 1999
Bottrop bioodpady Citec 6500 1995

 

Kraj Miasto Wsad Technologia Przepustowość

[Mg/rok]

Rok
Niemcy Braunschweig bioodpady Kompogas 20000 1997
Buchen odpady niesegregowane ISKA 25000 2000
Dietrichsdorf bioodpady, org. odpady przemysłowe BTA 17000 1995
Duben bioodpady Farmatic 86000 2001
Ellert bioodpady Entec 5000 1997
Engelskirchen bioodpady Valorga 35000 1998
Erkheim bioodpady, org. odpady przemysłowe BTA 11000 1997
Finsterwalde bioodpady, gnojowica Schwarting UHDE 90000 1995
Frankfurt bioodpady Kompogas 15000 2000
Freiburg bioodpady Valorga 36000 1999
Furstenwalde bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe Linde-KCA 85000 1998
Ganderkesee bioodpady ANM 3000 1995
Groden-Schraden gnojowica, org. odpady przemysłowe Haase 110000 1995
Grofc Muhlingen bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe DSD 42000 1996
Grofc Pankow gnojowica, org. odpady przemysłowe Alusteel/NNR 7700 1994
Hannover zmieszane odpady komunalne Valorga 100000 2002
Heppenheim bioodpady, org. odpady przemysłowe Linde BRV 33000 1999
Herten bioodpady IMK 18000 1998
Hirschfelde org. odpady przemysłowe AAT 3600 1997
Kahlenberg zmieszane odpady komunalne Wehrle Werk 20000 2001
Kaiserslautern odpady niesegregowane Dranco 20000 1998
Karlsruhe bioodpady BTA 8000 1996
Kaufbeuren bioodpady, org. odpady przemysłowe BTA/Roediger 6000 1992
Kempten bioodpady Kompogas 10000 1995
Kirchstockach bioodpady BTA 20000 1997
Lemgo bioodpady, org. odpady przemysłowe Linde BRV 38000 2000
Mertingen bioodpady BTA 12000 2001
Michaelisdonn gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 35000 1995
Monachium odpady organiczne, org. odpady przemysłowe Schwarting UHDE 86400 1987

 

Kraj Miasto Wsad Technologia Przepustowość

[Mg/rok]

Rok
Niemcy Monachium/Eitting bioodpady Kompogas 24000 1997
Munster bioodpady BTA/Roediger 20000 1997
Neubukow bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe Farmatic 80000 2000
Neukirchen bioodpady, gnojowica AAT 55000 1998
Nordhausen bioodpady Haase 16000 1999
Oldenburg gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 20000 1992
Pastitz/Rugen gnojowica, org. odpady przemysłowe Bioplan 100000 1997
Radeberg ścieki, bioodpady, org. odpady przemysłowe Linde-KCA 56000 1999
Rhadereistedt bioodpady, gnojowica TBW/MT Energie 10000 1998
Regensburg bioodpady, gnojowica TBW/Biocomp 13000 1996
Sagard (Rugen) bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe Linde-BRV 48000 1996
Schwabach bioodpady BTA 12000 1996
Schwanebeck bioodpady, gnojowica Haase 50000 1999
Simmern bioodpady Kompogas 10000 1997
Wadern-

Lockweiler

bioodpady, org. odpady przemysłowe BTA 20000 1998
Wittmund gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 120000 1996
Zobes bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe DSD 20000 1986
Polska Puławy zmieszane odpady komunalne BTA 22000 2001
Zgorzelec zmieszane odpady komunalne, org. odpady przemysłowe Roediger 10000 1999
Szwajcaria Aarberg bioodpady Dranco/Alpha UT 11000 1997
Baar bioodpady LindeBRV 6000 1994
Bachenbulach bioodpady Kompogas 10000 1994
Frauenfeld bioodpady, org. odpady przemysłowe ROM-opur 6000 1999
Niederuzwil bioodpady Kompogas 10000 1997
Oetwil a.S. bioodpady Kompogas 10000 2001
Otelfingen bioodpady Kompogas 13000 1996
Rumlang bioodpady Kompogas 8500 1992
Samstagern bioodpady Kompogas 10000 1995
Villeneuve bioodpady Dranco 10000 1999
Volketswil bioodpady Kompogas 5000 2001

 

Kraj Miasto Wsad Technologia Przepustowość

[Mg/rok]

Rok
Szwajcaria Wadenswil org. odpady przemysłowe Entec 5000 1997
Szwecja Boras bioodpady Projektror 9000 1995
Borlange bioodpady BKSNordic 12000 1997
Helsingborg gnojowica, org. odpady przemysłowe NSR 80000 1996
Szwecja Kalmar gnojowica, org. odpady przemysłowe Lakeby/VBB VIAK 25000 1998
Kil bioodpady CiTec 3000 1998
Kristianstad bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 37000 1997
Laholm gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 30000 1992
Linkoping gnojowica, org. odpady przemysłowe Purac 105000 1997
Uppsala bioodpady, gnojowica, org. odpady przemysłowe YIT/VMT/Lackby 30000 1997
Vannersborg bioodpady YIT/VMT 20000 2000
Ukraina Zaporoże gnojowica, org. odpady przemysłowe Kruger 12000 1992
USA Greenboro, NC odpady zielone Duke Engineering 30000 2000
Moorfield, WV bioodpady, gnojowica, osady ściek. Enviro-Control 3000 1996
Princeton, MN gnojowica, org. odpady przemysłowe DEES 3500 1999
Wielka
Brytania
Holsworthy gnojowica, bioodpady Farmatic 146000 2002
Włochy Bassano di Grappa zmieszane odpady komunalne, bioodpady, osady ściek. Valorga 55000 2002
Bastia/Brettona gnojowica, org. odpady przemysłowe RPA 300000 1982
Bellaria zmieszane odpady komunalne lonics Italbia 4000 1988
Marsciano gnojowica, org. odpady przemysłowe SPI 300000 1988
Rzym zmieszane odpady komunalne Dranco 40000 2002
Thiene gnojowica, org. odpady przemysłowe KIKlos 60000 1990
Verona zmieszane odpady komunalne Snamprogetti 50000 1998
Villacidro zmieszane odpady komunalne BTA 35000 2002

Źródło: Strona internetowa organizacji: IEA Bioenergy, ieabioenergy.com

Podsumowanie pracy dyplomowej

Ilość odpadów komunalnych powstających w Polsce ciągle rośnie, a tym samym wzrasta znaczenie prawidłowej gospodarki odpadami oraz zainteresowanie sposobami ich unieszkodliwiania. Największy strumień odpadów komunalnych stanowią odpady ulegające biodegradacji, których zawartość w całej masie odpadów wynosi około 40%. Aktualnie tylko niewielka część, 2% wszystkich odpadów komunalnych poddawana jest unieszkodliwianiu biologicznemu. W zdecydowanej większości odbywa się to poprzez kompostowanie. Związane jest to z niższymi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi w porównaniu do metod beztlenowych oraz wieloletnim doświadczeniem związanym z funkcjonowaniem kompostowni w Polsce. Rosnące ceny gruntów, konieczność unikania emisji odorów oraz preferencje w zakupie energii ze źródeł odnawialnych powinny przyczynić się do wzrostu zainteresowania fermentacją metanową jako metodą unieszkodliwiania odpadów.

Przepisy prawne z dziedziny ochrony środowiska w Unii Europejskiej, jak również w Polsce kładą duży nacisk na prawidłową gospodarkę odpadami oraz energetykę odnawialną. Zobowiązania wynikające z realizacji Krajowego Planu Gospodarki Odpadami oznaczają konieczność ograniczenia ilości odpadów ulegających biodegradacji kierowanych na składowiska. Natomiast Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej zakłada zwiększenie wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych, zwłaszcza biomasy. Zasadniczym atutem technologii beztlenowych jest fakt jednoczesnego unieszkodliwiania odpadów i produkcji czystej dla środowiska energii. Zarówno Krajowy Plan Gospodarki Odpadami, jak też Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej stwarzają dużą szansę dla rozwoju technologii fermentacji w naszym kraju.

Niewątpliwie dużym wyzwaniem będzie konieczność wprowadzenia systemów selektywnej zbiórki bioodpadów. Odpady organiczne segregowane u źródła są zdecydowanie lepszym materiałem wsadowym dla technologii kompostowania lub fermentacji niż odpady zmieszane. Zastosowanie odpadów segregowanych pozwala na pełne wykorzystanie produktów procesu, a tym samym poprawia ekonomikę przedsięwzięcia. Zarówno biogaz lub energia z niego wytworzona, jak również

kompost i płynny nawóz organiczny mogą stanowić poważne źródło dochodu dla zakładu zwiększając atrakcyjność technologii. Warto także zwrócić uwagę na fakt, że nawet unieszkodliwianie zmieszanych odpadów komunalnych metodą suchej fermentacji daje pozytywne efekty w postaci produkcji biogazu, zmniejszenia o 25-40% objętości odpadów przeznaczonych do składowania oraz wyeliminowania procesów biologicznych zachodzących na składowisku odpadów.

Technologie beztlenowe pozwalają na dużą różnorodność materiału wsadowego stosowanego w procesie. Są to zarówno odpady rolnicze, odpady z przemysłu spożywczego, jak również odpady komunalne i osady ściekowe. W wielu firmach i ośrodkach naukowych trwają badania mające na celu optymalne dobranie proporcji wsadu, który stanowią odpady pochodzące z różnych źródeł. Wspólna fermentacja daje zwykle lepsze efekty, w postaci wyższego uzysku biogazu i bardziej elastycznych warunków prowadzenia procesu, niż rozkład beztlenowy jednego typu odpadów.

Firmy zajmujące się projektowaniem i budową zakładów fermentacji metanowej oferują zazwyczaj różne wersje jednej technologii lub nawet odmienne technologie. Wybór parametrów prowadzenia procesu zależy od rodzaju odpadów, które mają być unieszkodliwiane, oczekiwań odnośnie produktów końcowych, środków finansowych. Różnorodność technologiczna jest pozytywnym objawem i może przyczynić się do większej popularyzacji metod beztlenowych.

W ostatnich latach następuje intensywny rozwój anaerobowych technologii przetwarzania odpadów organicznych. Na świecie, a szczególnie w Europie powstaje coraz więcej obiektów tego typu. Ściślejsza współpraca gospodarcza i handlowa Polski z państwami Europy Zachodniej wynikająca z członkostwa w strukturach Unii Europejskiej zaowocuje zapewne poszerzoną i atrakcyjniejszą ofertą na polskim rynku firm zagranicznych specjalizujących się w technologiach fermentacji.

Jedną z największych wad zakładów wykorzystujących technologię fermentacji metanowej są wysokie koszty budowy obiektów. Jest to częsty czynnik odstraszający potencjalnych inwestorów. Dlatego też duże znaczenie będą miały odpowiednie instrumenty ekonomiczne (preferencyjne kredyty, dotacje) pozwalające na pokonanie trudności finansowych. O wyborze technologii unieszkodliwiania odpadów nie powinna decydować wyłącznie analiza kosztów inwestycyjnych, ale długoterminowa analiza całościowych kosztów i korzyści dla poszczególnych rozwiązań.

Zastosowanie technologii fermentacji metanowej odpadów niesie ze sobą wiele korzyści, zarówno dla gospodarki odpadami, jak też dla samego środowiska. Należy zwrócić uwagę na następujące fakty:

  • odzyskiwana energia odnawialna może ograniczyć wykorzystanie paliw kopalnych i przyczynić się do redukcji antropogenicznych źródeł gazów cieplarnianych;
  • fermentacja ogranicza emisję metanu, który jest gazem cieplarnianym;
  • technologia przyczynia się do zrównoważonej gospodarki odpadami zarówno organicznej frakcji odpadów komunalnych, jak i odpadów rolniczych;
  • metody fermentacji pozwalają na powrót składników odżywczych do ziemi poprzez wykorzystywanie osadu przefermentowanego w rolnictwie i ogrodnictwie;
  • wykorzystanie osadu jako kompostu pomaga polepszyć strukturę gleby;
  • fermentacja ścieków minimalizuje efekt eutrofizacji wód.

Decyzja o zastosowaniu fermentacji metanowej powinna być połączona z odpowiednią lokalizacją inwestycji. Duża odległość projektowanego zakładu od obiektów infrastruktury nie pozwoli na pełne wykorzystanie energii cieplnej. Najlepsze efekty może dać usytuowanie zakładu fermentacji beztlenowej w pobliżu zakładu przemysłowego, który będzie odbierał nadmiarowe ciepło przez cały rok.

Dotychczasowe doświadczenia związane z zastosowaniem metody fermentacji metanowej do unieszkodliwiania odpadów komunalnych w Polsce są bardzo skromne. Zakład w Zgorzelcu istnieje od 2000, natomiast zakład w Puławach od 2001 roku. Obydwa obiekty wykorzystują technologię wspólnej fermentacji odpadów komunalnych i osadów ściekowych metodą mokrą. Budowany w Siedlcach zakład suchej fermentacji będzie unieszkodliwiał wyłącznie odpady komunalne. Niestety wszystkie te technologie nastawione są na odpady zmieszane, które poddawane są jedynie mechanicznej segregacji. Jest to przyczyną niskiej jakości kompostu, który nie może być wykorzystany do celów rolniczych. Selektywna zbiórka odpadów organicznych realizowana jest tylko w niewielu miejscach w Polsce, a jej wdrożenie na szerszą skalę będzie wymagało czasu.

Należy mieć nadzieję, że mnogość zalet oferowanych przez technologie beztlenowej przeróbki odpadów organicznych zostanie zauważone przez decydentów w innych polskich miastach. Powstawanie nowych obiektów pozwoli na dokładniejsze zapoznanie się z wszystkimi aspektami funkcjonowania zakładów fermentacji odpadów oraz pozwoli przełamać nieufność i pozbyć się obaw przed wdrażaniem tej nowoczesnej technologii unieszkodliwiania odpadów.

Ogólna charakterystyka Zakładu Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych w Puławach

Wykorzystanie procesu fermentacji do unieszkodliwiania odpadów w praktyce

Zintegrowany system gospodarki odpadami w Puławach, realizowany od 1996 r., opiera się na realizacji i wdrażaniu następujących działań [50]:

  • edukacja ekologiczna lokalnej społeczności;
  • selektywna zbiórka odpadów komunalnych;
  • zbiórka odpadów wielkogabarytowych;
  • biologiczne przetwarzanie frakcji organicznej odpadów komunalnych i bezpieczne składowanie pozostałych odpadów.

Decyzja o zastosowaniu w Puławach technologii wspólnej fermentacji osadów ściekowych i odpadów komunalnych została podjęta w dużym stopniu ze względu na obecność odpowiedniej infrastruktury w postaci komór fermentacyjnych i stacji gazomotorów na oczyszczalni ścieków. Komory te były niedociążone z powodu likwidacji zakładu produkcji żelatyny. Był on głównym źródłem ścieków o dużej zawartości substancji organicznych [19].

Obiekt został zaprojektowany w roku 2000 przez PBP Ekosystem z Zielonej Góry. Generalnym wykonawcą budowy trwającej od 4 maja 2000 r. do 9 marca 2001 r. była spółka Ecoservi ce” z Zielonej Góry. Dostawcą linii przygotowania biofrakcji była niemiecka firma B.T.A., natomiast linii sortowniczej firma Horstman z Wągrowca.

Koszt inwestycyjny przedsięwzięcia w wysokości 17 mln zł pokryty został w całości ze środków uzyskanych z: Ekofunduszu (ok. 6 mln zł), Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (ok. 6 mln zł), Wojewódzkiego FOŚGW (ok. 4 mln zł) i Powiatowego FOŚGW (ok. 2 mln zł).

Obiekt jest częścią Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji „Wodociągi Puławskie” w Puławach będącego jednoosobową spółką Gminy Miasta Puławy.

Rozruch technologiczny i przekazanie zakładu do eksploatacji nastąpiło 31 marca 2001 r.

Zakład Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych zlokalizowany jest w pobliżu składowiska odpadów, w odległości ok. 7 km od centrum miasta i ok. 3 km od najbliższych skupisk ludności. Odległość do oczyszczalni ścieków wynosi ok. 2 km [Rysunek 23].

Rysunek 23. Lokalizacja Zakładu Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych w Puławach (ZUOK)

Całkowita powierzchnia zakładu to 8,28 ha, z czego 4,9 ha przeznaczone jest na składowisko odpadów, natomiast hala zajmuje 1,3 ha.

Przepustowość projektowa zakładu wynosi 22000 Mg/rok, obecnie trafia do niego ok. 20000 Mg odpadów rocznie (100 tys. m3/rok). Zakład obsługuje ok. 100 tys. mieszkańców, zarówno miasta Puławy, jak i okolicznych gmin.

W ZUOK zatrudnionych jest 27 osób pracujących na dwie zmiany.

Schemat technologiczny

Odpady przywożone na teren zakładu są przesiewane na sicie bębnowym o średnicy oczek 70 mm. Frakcja gruba podlega ręcznej segregacji z wydzieleniem surowców wtórnych, natomiast frakcja drobna o dużej zawartości substancji organicznej jest roztwarzana z wodą w pulperze i oczyszczana z drobnych zanieczyszczeń w hydrocyklonie. Zawiesina biofrakcji transportowana jest beczkowozem do oczyszczalni ścieków, gdzie wspólnie z osadem ściekowym trafia do komory fermentacyjnej. Powstający biogaz po odsiarczeniu jest spalany z odzyskiem energii elektrycznej i cieplnej, natomiast osad przefermentowany po odwodnieniu na prasie wykorzystywany jest do rekultywacji składowiska odpadów [Rysunek 24].

Rysunek 24. Schemat technologiczny przetwarzania odpadów w Puławach [50]

  • Dowóz odpadów

Odpady przyjmowane są do ZUOK od poniedziałku do piątku oraz w drugą i czwartą sobotę miesiąca w godzinach od 7 do 15. Przywożone są zarówno przez firmy zajmujące się zbiórką odpadów w mieście i okolicznych gminach, jak również przez osoby prywatne. Opłata za przyjęcie odpadów wynosi 103,5 zł/Mg (2003 r.). W Puławach istnieją dwie firmy świadczące usługi w zakresie zbiórki i wywozu odpadów komunalnych: Zakład Usług Komunalnych oraz PPHU „Komunalnik”. Są to główni dostawcy odpadów do ZUOK. ZUK dostarcza ok. 70%, natomiast „Komunalnik” ok. 20% masy odpadów. Mość i struktura dostarczanych odpadów uzależniona jest od dnia tygodnia. W poniedziałki, środy i piątki przywożone są odpady osiedlowe o dużej zawartości biofrakcji, natomiast we wtorki i czwartki odpady wiejskie z gmin ościennych (do 30 km) o małym udziale frakcji organicznej. W okresie zimowym, gdy odpady wiejskie zawierają dodatkowo duży udział frakcji mineralnej, są one kierowane bezpośrednio na składowisko.

Odpady wwożone na teren zakładu są ważone (waga SCHENCK o maksymalnym ciężarze 35 Mg i dokładności 20 kg) oraz ewidencjonowane (system TIPEX), po czym kierowane są do zadaszonego boksu w kształcie litery U o wymiarach 10×12 m i wysokości 3,5 m.

Na teren zakładu dostarczane są także surowce wtórne z selektywnej zbiórki odpadów prowadzonej w mieście.

  • Sortowanie odpadów

Zmieszane odpady komunalne znajdujące się w zasobni przepychane są przy pomocy ładowarki kołowej do przenośnika kanałowego i wznoszącego do sita bębnowego [Fotografia 1].

Fotografia 1. Sito bębnowe [50]

Następuje rozdział na [51]:

  • frakcję drobną o średnicy zastępczej Dz < 70 mm stanowiącą ok. 60% masy wszystkich odpadów, która zawiera największą ilość bioodpadów podlegających procesom fermentacji;
  • frakcję grubą o średnicy zastępczej Dz > 70 mm stanowiącą ok. 40% masy wszystkich odpadów o strukturze umożliwiającej wysegregowanie z niej surowców wtórnych.

Frakcja drobna (przesiew) transportowana jest przenośnikiem wznoszącym do pulpera-miazgownicy. Przy pomocy separatora elektromagnesowego zainstalowanego nad przenośnikiem wydzielany jest złom żelazny stanowiący ok. 3-4% frakcji drobnej.

Frakcja gruba (odsiew) trafia na poziomy przenośnik sortowniczy (stół sortowniczy) przebiegający przez środek trybuny sortowniczej wyposażonej w 8 (4×2) stanowisk do ręcznego sortowania odpadów. Wysegregowane surowce zrzucane są do boksów pod trybuną przez leje zrzutowe, okresowo belowane i magazynowane do czasu wywozu. Obecnie wydziela się następujące frakcje:

  • złom metalowy;
  • puszki aluminiowe;
  • tekturę;
  • butelki PET;
  • opakowania wielomateriałowe Tetra-Pack;
  • folię PE bezbarwna;
  • opakowania chemii gospodarstwa domowego.

Na stół sortowniczy [Fotografia 2] okresowo trafiają również odpady z selektywnej zbiórki prowadzonej na terenie miasta: butelki PET i makulatura. Usuwane są z nich zanieczyszczenia (ok. 10-20%), po czym są belowane i magazynowane.

Fotografia 2. Stół sortowniczy [50]

Wyselekcjonowane surowce wtórne odbierane są przez firmy-pośredników i transportowane są do zakładów przetwórczych. W roku 2002 sprzedano ok. 260 Mg surowców wtórnych.

Balast kierowany jest do zrzutni za kabiną sortowniczą, następnie do prasy belującej zapewniającej jego zagęszczenie do 750 kg/m3 i wywożony jest na składowisko.

  • Przetwarzanie biofrakcji w zawiesinę

Zadaniem węzła roztwarzania biofrakcji jest jej mieszanie w odpowiednich proporcjach z wodą, rozdrabnianie, rozwłóknianie i przeprowadzenie w słabo sedymentującą zawiesinę.

Frakcja drobna pozbawiona jest części metalowych na elektromagnesie, po czym trafia do leja zasypowego pulpera-miazgownicy [Fotografia 3]. Urządzenie to wyposażone jest w komorę zarobową o pojemności 32 m3, mieszadło obrotowe, oddzielacz frakcji lekkiej i śluzę frakcji ciężkiej I stopnia.

Fotografia 3

Pulper-miazgownica [50]

Biofrakcja mieszana jest z wodą technologiczną pochodzącą ze zbiornika na odcieki ze składowiska. Ilość dozowanej frakcji drobnej zależna jest od oporów przy mieszaniu w pulperze. Odcięcie dostawy następuje automatycznie gdy silnik napędowy mieszadła pobiera prąd o wartości powyżej 510 A przez okres powyżej 1 minuty.

Frakcja lekka unosząca się na powierzchni zawiesiny zgarniana jest przez tzw. grabie, odwadniana, prasowana na wbudowanej prasie do skratek i deponowana na składowisku. Usuwanie frakcji ciężkiej I stopnia realizowane jest poprzez nożycowe naprzemienne ruchy zasuw zamontowanych na śluzie frakcji ciężkiej.

Cykl pracy pulpera-miazgownicy składa się z następujących faz [51]:

  • dozowanie wody technologicznej do komory zarobowej;
  • dozowanie frakcji drobnej odpadów z jednoczesnym mieszaniem;
  • mieszanie-roztwarzanie biofrakcji;
  • zgarnianie frakcji lekkiej z powierzchni zawiesiny;
  • usuwanie frakcji ciężkiej I stopnia;
  • odpompowanie zawiesiny biofrakcji;
  • zamknięcie dolnej zasuwy śluzy frakcji ciężkiej.

Pulpa tłoczona jest rurociągiem ciśnieniowym do metalowego zbiornika zawiesiny [Fotografia 4] o pojemności 41 m3. Przy użyciu pompy cyrkulacyjnej zawiesina jest trzykrotnie przetłaczana przez hydrocyklon przepływając z dołu do góry. W ten sposób wydzielana jest frakcja ciężka II stopnia, którą stanowią drobne, trudnoopadające zawiesiny.

Fotografia 4. Zbiornik zawiesiny z hydrocyklonem [50]

Oczyszczona zawiesina biofrakcji jest magazynowana w podziemnym zbiorniku żelbetowym o pojemności 130 m3. W celu zapobieżenia sedymentacji w zbiorniku tym następuje ciągłe mieszanie przy pomocy wirownicy szybkoobrotowej. Zawiesina jest sukcesywnie pobierana przez wóz asenizacyjny o pojemności 11 m3 i transportowana do oczyszczalni ścieków.

Cały cykl przygotowania biofrakcji trwa ok. 1,5-2 h, w ciągu dnia jest powtarzany 6-7 razy.

Obiekt wyposażony jest w linię technologiczną oczyszczania powietrza, do której kierowane są gazy odsysane z wnętrza zbiornika magazynowego zawiesiny biofrakcji i komory zarobowej pulpera-miazgownicy. Obsługuje ona także wentylację hali. Linia składa się z:

  • nawilżacza
  • wentylatora
  • biofiltra

Nawilżacz to cylindryczny zbiornik z wypełnieniem w postaci kratek z PE zraszanych wodą. Na cząsteczkach wody absorbowane są zanieczyszczenia pyłowe, a dzięki utrzymaniu odpowiedniej wilgotności oczyszczanego powietrza nie dochodzi do przesuszenia wkładu biofiltra.

Wentylator służy do przetłaczania powietrza z hali do biofiltra.

Biofiltr w postaci żelbetowej wanny o wymiarach 20×20 m i wysokości 2,5 m zlokalizowany jest w sąsiedztwie hali. Wypełnienie biofiltra stanowi 1,5 m warstwa kory. Oczyszczone powietrze odprowadzane jest do atmosfery, natomiast skropliny do zakładowego systemu kanalizacyjnego.

System oczyszczania powietrza minimalizuje wydzielanie odorów, jak również zapobiega gromadzeniu palnych lub toksycznych gazów.

  • Fermentacja w wydzielonych komorach fermentacyjnych (WKF)

Zawiesina biofrakcji przywożona na teren oczyszczalni ścieków jest zlewana do zbiornika przez tzw. sitopiaskownik [Fotografia 5].

Fotografia 5. Sitopiaskownik i uśredniacz osadu ściekowego i biofrakcji

Na urządzeniu tym następuje dodatkowe oddzielenie części stałych: frakcji lekkiej (kawałki folii, styropianu) i ciężkiej (drobny piasek). Tak oczyszczona zawiesina trafia do uśredniacza osadu wstępnego i biofrakcji. Jest to otwarty żelbetowy zbiornik o średnicy 12 m i głębokości 3,5 m, do którego wtłaczany jest również osad ściekowy z oczyszczalni. Do uśredniacza dostarczane jest ok. 200 m3/d zawiesiny, z czego ok. 40 m3/d osadu ściekowego i ok. 160 m3/d biomasy. Osad zmieszany poprzez przepompownię tłoczony jest w sposób ciągły do komór fermentacyjnych w ilości 17 m3/h.

Fotografia 6. Komory fermentacyjne

Oczyszczalnia ścieków w Puławach posiada dwie, zmodernizowane w 1990 r., wydzielone komory fermentacyjne (WKF) [Fotografia 6] o objętości 3130 m3 (2500 m3 zawiesiny) każda.

Prowadzona fermentacja jest procesem mezofilowym w temperaturze ok. 39 0C i przy wartości odczynu ok. 7 pH. Długość procesu to 20 dni.

  • Produkty fermentacji

W ciągu doby powstaje ok. 4200 m3 biogazu o zawartości metanu 67%. Powstający gaz poddawany jest odsiarczaniu. Obecność siarkowodoru w biogazie (300-400 ppm H2S) powoduje jego agresywność i może być przyczyną korozji elementów instalacji. Odsiarczanie przeprowadza się metodą mokrą z biokatalizatorem PROMIS.

Odsiarczony gaz zawierający 10-30 ppm H2S gromadzony jest w zbiorniku biogazu [Fotografia 7] o pojemności 2000 m3.

Fotografia 7. Zbiornik biogazu

Biogaz przepływa do kotłowni z prędkością 154 m3/h. Oczyszczalnia posiada dwa generatory PZL WOLA o mocy 160kW. Z wytworzonego biogazu uzyskuje się ok. 270 kW energii elektrycznej i ok. 400 kW energii cieplnej.

Przefermentowany osad przelewem opuszcza WKF i dostaje się do zbiornika osadu przefermentowanego o średnicy 12 m i głębokości 3,7 m, a następnie jest przepompowywany z prędkością 25 m3/h na prasę filtracyjną Belmera. Jest tam odwadniany do zawartości suchej masy 25-30%. Osad transportowany jest na składowisko, gdzie wykorzystywany jest do rekultywacji.

  • Składowisko

Składowisko [Fotografia 8] zlokalizowane jest w dawnym wyrobisku piasku, powierzchnia misy składowiska wynosi 3,17 ha. Ze względu na dużą przepuszczalność podłoża zastosowane zostały zabezpieczenia dna w postaci bentomaty o grubości 6 mm i współczynniku filtracji 10-11 m/s, geomembrany z PEHD o grubości 2 mm oraz warstwy drenażowo-ochronnej o miąższości 0,4 m. Zaplanowano składowanie odpadów do wysokości 12 m, pojemność wysypiska wynosi 233,5 tys. m3 [16]. Na składowisko przyjmowane jest ok. 1000 Mg odpadów miesięcznie, jego eksploatacja jest przewidziana na 14 lat.

Dzięki wydzieleniu ze strumienia odpadów komunalnych surowców wtórnych oraz biofrakcji udało się zmniejszyć ilość odpadów przeznaczonych do składowania o ok. 30%. Pozwala to przedłużyć żywotność składowiska o 4-5 lat. Docelowo dąży się (poprzez wydzielenie kolejnych frakcji surowców wtórnych) do ograniczenia masy odpadów trafiających na składowisko do 60%.

Już w trakcie eksploatacji składowiska montowane są studzienki odgazowujące. Jednak ze względu na krótki czas jego istnienia trudno stwierdzić czy będą odprowadzać biogaz.

Obok składowiska zlokalizowany jest zbiornik odcieków o pojemności 180 m3. Ilość powstających odcieków to około 10 m3/dobę. Woda ze zbiornika wykorzystywana jest do roztwarzania frakcji organicznej w pulperze-miazgownicy.

Korzyści i problemy związane z działalnością zakładu

praca z ochrony środowiska

Przebieg procesów technologicznych w czasie przygotowania biofrakcji w dużym stopniu wymusza rodzaj unieszkodliwianych odpadów oraz metoda fermentacji. Przetwarzanie zmieszanych odpadów komunalnych metodą mokrą wymaga zastosowania szeregu urządzeń pozwalających na wydzielenie i oczyszczenie frakcji organicznej. Wiąże się to również z większą awaryjnością instalacji oraz skróceniem żywotności niektórych elementów urządzeń. Odpady dostarczane do ZUOK w Puławach zawierają, poza większymi zanieczyszczeniami, które łatwo wydzielić na sicie bębnowym, również drobne części mineralne, kawałki szkła, tworzyw sztucznych, folii, których usunięcie przysparza wiele trudności. Mimo zastosowana nowoczesnych rozwiązań – oczyszczanie zawiesiny biofrakcji w pulperze i hydrocyklonie, nadal zawiera ona znaczne ilości zanieczyszczeń. Alternatywnym rozwiązaniem mogło być zastosowanie dodatkowego sita, które pozwoliłoby na oddzielenie i usunięcie najdrobniejszej frakcji. Problemy z powstawaniem kożucha w komorach fermentacyjnych wiązały się z okresowym wyłączeniem ich z eksploatacji w celu oczyszczenia. Było to przyczyną zainwestowania oczyszczalni ścieków w sitopiaskownik, który dodatkowo usuwa frakcję lekką i ciężką z zawiesiny. Poszukuje się również możliwości mechanicznego usuwania kożucha w komorze fermentacyjnej.

Jakość powstającego osadu przefermentowanego, z uwagi na zły stan higieniczny, podwyższony poziom metali ciężkich (szczególnie rtęci) oraz zanieczyszczenie balastem, nie pozwala na inne jego wykorzystanie niż rekultywacja, a potrzeby w tym zakresie w okolicy są ograniczone. Obecnie osad przefermentowany służy do rekultywacji starego oraz nowego składowiska odpadów. Planowana jest również rekultywacja terenów wokół oczyszczalni ścieków.

Powstanie Zakładu Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych pozwoliło na stworzenie uporządkowanego, nowoczesnego, przyjaznego dla środowiska i uzasadnionego ekonomicznie systemu gospodarki odpadami w Puławach i okolicy. Dzięki wprowadzeniu selektywnej zbiórki odpadów udaje się wydzielić ze strumienia odpadów komunalnych znaczne ilości surowców wtórnych

poddawanych recyklingowi [Tabela 18]. Pozwala to na zmniejszenie ilości deponowanych odpadów [Tabela 19], a tym samym wydłużenie czasu eksploatacji składowiska.

Tabela 18. Ilość surowców wtórnych oraz biofrakcji odzyskanych ze strumienia odpadów komunalnych [31]

rok złom makulatura butelki folia aluminium szkło biofrakcja
[Mg] [Mg] PET [Mg] [Mg] [Mg] [Mg] [Mg]
2001 61 45 12 14 0,5 8,74 2815
2002 101,5 62,42 41,15 20,68 1,12 31,62 5048,7

 

Tabela 19. Ilość odpadów przywożonych oraz deponowanych na składowisku [31]

rok Odpady przywiezione [Mg/rok] Surowce wtórne [Mg/rok] Pozostałość zdeponowana [Mg/rok]
2001 10682 2957 7725
2002 17406 5307 12099

Koszty eksploatacyjne zakładu przygotowania zawiesiny biofrakcji oraz utrzymania składowiska pokrywane są w całości z zysków pochodzących z opłat za przyjmowanie odpadów oraz zysków ze sprzedaży surowców wtórnych. Oczyszczalnia ścieków czerpie dodatkowe korzyści związane z wykorzystaniem energii elektrycznej i cieplnej uzyskiwanej z biogazu.

Doświadczenia eksploatacyjne Zakładu Unieszkodliwiania Odpadów Komunalnych w Puławach są bardzo cenne i mogą być wykorzystane w przyszłych projektach budowy w Polsce obiektów fermentacji metanowej odpadów.

 

Produkty fermentacji

Biogaz

Biogaz powstający w procesie fermentacji zawiera 50-70% metanu, 30-50% dwutlenku węgla oraz domieszki amoniaku, siarkowodoru, wodoru, merkaptanów i innych gazów. Jego ilość i skład jest zależny od:

  • rodzaju odpadów (zawartości substancji organicznych);
  • czasu fermentacji;
  • technologii.

Zawartość siarkowodoru w biogazie wynosi od 0,2 do 6% [7]. W wyniku jego łączenia z parą wodną pochodzącą z gazu lub z basenu mokrego w starszych typach zbiorników biogazu, powstaje agresywny kwas siarkowy. Powoduje on korozję rur, armatury i urządzeń. Z tego powodu, jak również z uwagi na ograniczenie emisji spalin, konieczne jest odsiarczanie biogazu. Do znanych i stosowanych metod ograniczania zawartości siarkowodoru w gazie należą [7]:

  • metoda biokatalitycznego utleniania

Metoda polega na wykorzystaniu mikroorganizmów, które w trakcie swej przemiany materii redukują siarkowodór do siarki pierwiastkowej. Przemiana może zachodzić na sfermentowanym podłożu w komorze fermentacyjnej, a wymaga jedynie dozowania powietrza w ilości 4-6% oraz konstrukcji komory, w której powierzchnia lustra osadu fermentowanego wynosi około 60 m2. Instalacja jest niezwykle prosta, praktycznie bezobsługowa i bardzo tania, a skuteczność odsiarczania jest wystarczająca z uwagi na kryteria emisji spalin i akceptowana przez współczesne materiały rurociągów, palniki kotłów i silniki gazowe.

  • odsiarczalniki z rudą darniową

Odsiarczanie następuje w czasie przepływu biogazu przez kilka warstw rudy darniowej zawierającej tlenki żelaza. Dochodzi do reakcji siarkowodoru z uwodnionym tlenkiem żelazowym:

2 Fe(OH)3 + 3 H2S ^ FeSO3 + 6 H2O + 42,3 kJ

Zaletą metody jest prosta konstrukcja i dostępność rudy darniowej, natomiast wadą konieczność wymiany (1-2 razy do roku) złoża oraz duże zapotrzebowanie na teren pod skład zużytej i świeżej rudy. Skuteczność odsiarczania jest wysoka i zależy od masy złoża, jego ułożenia, fizycznych własności rudy darniowej, porowatości, wilgotności, zawartości w niej tlenków żelaza, utrzymywanej temperatury, odczynu złoża.

  • metoda katalitycznego utleniania

W metodzie tej zamiast rudy darniowej wykorzystuje się masę tlenków żelaza, co pozwala na konstrukcję urządzeń mniejszych i lżejszych. Złoże jest poddawane ciągłej regeneracji powietrzem, a wymiana masy następuje jeden raz do roku lub rzadziej.

  • odsiarczanie mokre

Siarkowodór oraz dwutlenek węgla są wiązane w wyniku reakcji zachodzących przy zraszaniu strumienia biogazu roztworem wodorotlenku sodu. Sumaryczna reakcja wygląda następująco:

2 H2S + CO2 + 3 NaOH ^ 2 NaHS + NaHCOs +2 H2O Zużyty ług poddaje się napowietrzaniu, dzięki czemu NaHS utlenia się do Na2SO4, który jest nieszkodliwy dla środowiska. Zestaw urządzeń odsiarczania składa się z kolumny absorpcyjnej z pojemnikiem, zbiornika ługu świeżego i zużytego, armatury, pompek dozujących, połączeń kablowych, automatyki.

Dodatkowe uszlachetnianie biogazu poprzez usunięcie dwutlenku węgla pozwala na uzyskanie właściwości zbliżonych do naturalnego gazu ziemnego, a dzięki temu na wykorzystanie biogazu jako paliwa dla pojazdów lub tłoczenie go do sieci gazyfikacyjnej. Usuwanie dwutlenku węgla może się odbywać przez [3]:

  • płukanie w wodzie

Metoda wykorzystuje większą rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie. Proces jest prowadzony w wysokim ciśnieniu i pozwala dodatkowo usunąć siarkowodór. Wadą jest wysokie zużycie wody lub konieczność jej regeneracji.

  • płukanie w glikolu polietylenowym

Proces analogiczny do płukania w wodzie, z tym że wykorzystanie glikolu polietylenowego umożliwia większą efektywność usuwania dwutlenku węgla i siarkowodoru.

  • adsorpcję zmiennociśnieniową

Metoda polega na selektywnej adsorpcji metanu względem dwutlenku węgla dokonywanej na węglowych sitach molekularnych.

  • membrany

Wykorzystuje się wysokociśnieniowe membrany gazowe lub membrany gazowo-cieczowe.

Biogaz zanim trafi do utylizacji przechodzi przez zbiornik biogazu. Pełni on funkcję magazynującą oraz wyrównuje wahania strumienia biogazu. Obecnie rezygnuje się już ze stosowanych dawniej, a przysparzających wiele problemów eksploatacyjnych, zbiorników stalowych z zamknięciem wodnym na rzecz suchych zbiorników z tworzyw sztucznych. Stosuje się zbiorniki z dwoma powłokami elastycznymi [Rysunek 11] oraz stalowe z jedną powłoką elastyczną.

Rysunek 11. Schemat zbiornika biogazu z dwoma powłokami elastycznymi [8]

Biogaz jest doskonałym paliwem odnawialnym, może być wykorzystywany na wiele sposobów, podobnie jak gaz ziemny. Jego wartość opałowa wynosi 5-6 kWh/m3, więc 1 m3 biogazu odpowiada [32] [37]:

  • 0,5 m3 gazu ziemnego;
  • 0,7 l oleju napędowego;
  • 0,7 l benzyny;
  • 0,8 kg koksu;
  • 1,2 kg węgla kamiennego;
  • 2,2 kg drewna.

Do spalania biogazu stosuje się zespoły energetyczne w postaci tłokowych silników gazowych zblokowanych z generatorem prądu i wyposażonych w urządzenie do odzysku ciepła z wody chłodzącej spaliny silnika. W Polsce najczęściej stosuje się krajowej produkcji silniki gazowe „PZL-WOLA” z prądnicami E MIT-Żychlin’.’ Są to silniki napędzane synchronicznie i samowzbudne generatory prądu zmiennego pracujące w połączeniu z siecią państwową. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej pozwala na osiągnięcie sprawności cieplnej około 60% i elektrycznej około 30%.

Kompost i płynny nawóz organiczny

Osad przefermentowany poddany kilkutygodniowemu dojrzewaniu w pryzmach stanowi pełnowartościowy kompost, identyczny jak w przypadku kompostowania odpadów.

Woda poprocesowa zawiera około 2/3 składników odżywczych zawartych w odpadach i może być wykorzystywana do nawożenia roślin.

Jakość kompostu oraz płynnego nawozu uzależniona jest przede wszystkim od jakości materiału wejściowego. Zazwyczaj jedynie fermentacja odpadów organicznych segregowanych u źródła oraz odpadów zielonych gwarantuje uzyskanie wysokiej jakości kompostu rolniczego, który może być wykorzystywany na szeroką skalę. W przypadku fermentacji odpadów zmieszanych występują zazwyczaj problemy z czystością (kawałki szkła, plastiku, kamienie) oraz zawartością metali ciężkich w produkcie.

Czystość biologiczna produktów fermentacji może być zapewniona przez zastosowanie technologii fermentacji termofilowej lub poprzez podgrzanie masy odpadów do temperatury 70 0C przez okres jednej godziny. Eliminacja patogenów następuje nie tylko w wyniku działania wysokiej temperatury, lecz również z uwagi na specyficzne środowisko chemiczne w komorze fermentacyjnej.

Kompost może być wykorzystywany do:

  • Nawożenia i wzbogacania gleb w rolnictwie, leśnictwie, ogrodnictwie, sadownictwie i na terenach zieleni miejskiej. Zależnie od potrzeb może być on wzbogacany w substancje próchniczne, substancje nawozowe lub składniki alkalizujące. W oparciu o wymagania fizyko-chemiczne według normy [28] wyróżnia się III klasy kompostu, a w klasach I i II dodatkowo kompost drobny i gruby.
  • Wzbogacania paszy lub ściółki w hodowli drobiu i prosiąt ze względu na pozytywny wpływ związany z procesami samonagrzewania ściółki oraz zawartość witaminy B12, przyswajalnych form Fe2+ i naturalnych substancji antybiotykowych.
  • Poprawy struktury gruntu, gdyż po wymieszaniu z drobnym żużlem, piaskiem i gliną tworzy łatwo przepuszczalny materiał stosowany na nawierzchniach obiektów sportowych i dróg parkowych. Kompost zwiększa porowatość gleb ciężkich i działa jako lepiszcze w glebach lekkich.

Celowość pozyskiwania kompostu lub nawozu płynnego zależy nie tylko od ich jakości, ale wymaga również określenia rynku zbytu dla tych produktów.