Използване на отпадъците като енергиен ресурс

Дейността на човека е неизменно свързана с образуване на отпадъци. Въпреки това, желанието за намаляване на отпадъците напоследък нараства, продиктувано от икономически интереси и строги екологични ограничения. Един от парадоксите на нашето време се състои в това, че с увеличаването на благосъстоянието, въпреки технологичния напредък, сумата от отпадъци на глава от населението се увеличава с постоянен темп. Извозването и складирането на отпадъци е крайно недостатъчно. В същото време съществуват технологии и съоръжения, които не само дават решение на проблема, но и едновременно с това извличат ползи. Става въпрос за извличане на енергия от отпадъци. Да видим как става това.

Най-разумно е онези отпадъци, които не могат да бъдат рециклирани, да се подложат на обработка и обезвреждане с извличане на енергийния им потенциал. А той никак не е малък. В даден обем битови отпадъци например, се съдържа около една трета от енергията на същото количество въглища. Необходимостта от изкопаеми горива и емисиите на парникови газове могат значително да намалеят, ако се оползотворява енергията на органичните компоненти в битовите отпадъци. Основните методи за извличане на енергия от отпадъци са термохимичните – изгаряне, пиролиза и газификация, и биохимичните – анаеробно разграждане (хидролиза, ферментация, ацетатобразуване и матанизиране) с последващо извличане на метан.

Анаеробно разграждане
Гниенето на биологично разграждащи се отпадъци под влияние на анаеробни бактерии в безкислородна среда е известно като анаеробно разграждане и е основен метод за третиране на битови отпадъци. То е особено подходящо за преработването на хранителни биологични отпадъци от домакинства, ресторанти, предприятия за преработка на храни и напитки, включително мазнини. В процеса на разграждане в контролирани реактори за производство на биогаз се получава смес основно от метан - 50-75%, въглероден диоксид – 25-50% и малки количества азот, водород, сероводород и кислород. Остатъците от процеса на анаеробно биологично третиране могат да бъдат компостирани и използвани за подобни цели като компост, като по този начин се подобрява общото оползотворяване на ресурсите от отпадъците. Утайките от пречиствателни станции за битови отпадни води съдържат голямо количество органично вещество и също могат да се подложат на анаеробно гниене с цел оползотворяване на енергийния им потенциал. Те престояват 15 дни в метантанкове при температура най-малко 35°С и допълнително 15 дни на изсушителни полета Под действие на мезофилни бактерии органичното вещество на утайките се разгражда до образуване на биогаз, който може да се използва за подгряване и допълнително сушене на утайките. В резултат, след анаеробно изгниване в метантанк органичното вещество на утайките намалява с 30 до 40%.

Анаеробното разграждане е широко използвано като възобновим източник на енергия, тъй като биологични отпадъци се образуват непрекъснато, колониите анаеробни бактерии се самоподдържат, а крайният резултат е намаляване количеството на отпадъците с печалба на богат биогаз, който се използва за производство на енергия. Анаеробното гниене започва с бактериална хидролиза на неразтворимите органични полимери като въглехидрати, липиди и протеини, след което те се превръщат в разтворими мономери – аминокиселини, мастни киселини, глюкоза и глицерин, подходящи за обработка от други бактерии. В следващата стъпка киселинообразуващите (ферментационни) бактерии преобразуват захарите, аминокиселините и мастните киселини в прости органични киселини като оцетна, мравчена, янтарна, маслена и млечна, алкохоли и кетони (етанол, метанол, ацетон), ацетат, въглероден диоксид и водород. Образуваният продукт варира в зависимост от вида бактерии и условията (температура, pH, редокс потенциал). После влизат в действие ацетатните бактерии, които преобразуват мастните киселини и алкохола в ацетат, водород и въглероден диоксид, които се използват от метанообразуващите бактерии. На този етап е необходим добър контрол на концентрацията на водород, тъй като при високо парциално налягане на водорода ацетатобразуването се редуцира и субстрата се преобразува в маслена киселина и етанол, а не в метан. В последния стадий идва ред на метанообразуващите бактерии, които се срещат естествено в природата в разлагащи се материи. Това е една обширна група от грам-положителни и грам-отрицателни бактерии с голямо разнообразие от форми. Две трети от метана се получава от метанообразуващите бактерии от ацетат, а останалата една трета – при редукцията на въглеродния диоксид от водорода. Метанът може да бъде оползотворен чрез директното му подаване в горелки, за производство на електричество или може да бъде пречистен и добавен към газта за битови нужди.

Образуването на метан от утайки от пречиствателни станции за битови отпадни води става в метантанкове. Това са стоманобетонови съоръжения с цилиндрични резервоари, конични дъна, херметично покритие и система за отвеждане на метана. Те работят при мезофилни (30-33оС) и термофилни (51-53оС) условия, поддържани чрез изкуствено подгряване. Разделянето на метана от въглеродния диоксид се извършва чрез промиване с вода под налягане. Полученият метан се използва за отопление на сгради, като гориво или за производство на електричество. Остатъкът след метанизирането се стабилизира и след това се депонира или компостира. Освен на метаново гниене, с цел извличане на енергийния потенциал, утайката може да се подложи на изгаряне (само за утайки с високо съдържание на сухо вещество) или да се използва за направа на брикети.

Улавяне на газове от депата
Газовете, генерирани в депата, се получават при вече описания анаеробен метод на разграждане на органичните отпадъци. Всяко съвременно депо, отговарящо на законовите изисквания, съдържа газов дренаж, газоотвеждащи кладенци, газоотвеждащи тръби и съоръжение за изгаряне или оползотворяване на образуваните газове. Отделените от депото газове обикновено съдържат метан, въглероден диоксид, азот, водород и сероводород. Тези газове се улавят чрез система от кладенци и хоризонтални тръби, които се разполагат преди или по време на експлоатация на депото. По този начин образувания в депата биогаз се използва като алтернативен източник на енергия и едновременно с това се разрешава проблема с потенциалното изтичане на избухливи вещества. На много места този газ просто се изгаря. Това обикновено се прави при малките депа, където количеството образуван биогаз е незначително и не оправдава инвестирането на средства в система за оползотворяването му. Но когато количеството метан е достатъчно, по-разумно е той да се използва като енергиен източник. Освен това метанът е парников газ и оползотворяването му като източник на енергия допринася за намаляване на глобалното затопляне. При повечето системи за използване на газ от депата, той служи за производство на електричество. Има и системи, при които се използва директно като гориво за пещи и котли.

Изгаряне
Изгарянето на битовите отпадъци е един от методите за постигане на съответствие с европейските изисквания за минимизиране на количествата депонирани отпадъци чрез ефективно прилагане на йерархията на управление на отпадъците. Изгарянето на отпадъци се извършва в съответствие с директива 2000/76/ЕО за изгаряне на отпадъци. Отделената при изгарянето енергия може да се използва за производство на електроенергия или за отопление. Обикновено към инсталацията за изгаряне на отпадъци има съоръжения за сортиране и отделяне на метали и други специфични материали, които могат да бъдат рециклирани. Част от образуваните от изгарянето отпадъци могат да бъдат оползотворени, в зависимост от вида на процеса изгаряне. Днес модерните инсталации за изгаряне на отпадъци са ефективни съоръжения за производство на енергия, при които над половината от капиталовите разходи са за оползотворяване на енергията, за пречиствателни и за мониторингови съоръжения.

Съществуват няколко начина на изгаряне с оползотворяване на енергията: изгаряне без предварително сортиране (общо изгаряне), изгаряне на отделни фракции от отпадъци, които са с висока калоричност и съвместно изгаряне. При общото изгаряне несортираните битови отпадъци се поставят в бункер, от който се подават в пещ, работеща при температура от 850оС до 1250оС. Енергийното съдържание на газовете, образувани при изгарянето, се използва за получаване на пара, която задвижва турбини за производство на електроенергия. След кондензация на парите се получава гореща вода, която може да се използва за отопляване на сгради. В Мюнхен, Копенхаген и Виена има общински системи за отопление, използващи за горива отпадъци. Ако пепелта от горивната камера не съдържа опасни вещества, може да се използва за основа в пътното строителство. Общото изгаряне на отпадъци е подходящо за гъсто населени райони, с големи обеми отпадъци и с ограничена площ за изграждане на депа. Днес почти не се изграждат инсталации за изгаряне на отпадъци без извличане на енергията.

Отпадъците могат да бъдат сортирани, с цел отстраняване на негоримата част от тях. Така останала част се превръща в гориво за инсталациите за изгаряне. Този метод се съчетава добре със схемите за рециклиране на материали. Процесът е съвместим и с технологията за изгаряне в кипящ слой – метод, при който се използват по-малки мощности за получаване на енергия от отпадъци.

Друг начин на оползотворяване на енергия от отпадъци чрез изгаряне е съвместното изгаряне на отпадъци. В страната функционират пет циментови завода, в четири от които с издадените им комплексни разрешителни за предотвратяване и контрол на замърсяването, е разрешено да използват различни видове калорични отпадъци, като алтернативно гориво в производството на цимент, което да замести част от използваното традиционно гориво. Основно се използват излезли от употреба гуми, други каучукови отпадъци, бракувани и неизползвани органични материали, в т.ч. месокостно брашно, други горими отпадъци като хартия, пластмаса, текстил и дърво.

Основен дял от съоръженията за съвместно изгаряне на отпадъци са котлите на твърдо гориво към по-големите дървообработващи предприятия, в които се използват отпадъци от преработване на дървесина и от производството на плоскости и мебели, като трици, талаш, изрезки от дървен материал, дървесни кори и др., които не са замърсени с опасни вещества.

Пиролиза и газификация
Друг начин за извличане на енергийния потенциал от отпадъците е чрез пиролиза (термална деполимеризация). Това е процес на разграждане на сложни химични съединения до по-прости субстанции, при висока температура и отсъствие на кислород. Освен разграждане на по-малки фрагменти, пиролизата може да включва изомеризация и образуване на по-сложни високомолекулни съединения. Чрез пиролиза на метан могат да се получат и чисти въглерод и водород. Газификацията пък е процес на получаване на газ или течни въглеводородни горива по няколко метода: чрез директно добавяне на водород за получаване на метан, чрез окисляваен под налягане при 800оС за получаване на въглероден окис и водород и чрез подземно аериране. Получената при газификация газова смес от въглероден окис и водород се нарича синтетичен газ (syngas). Чрез процесите пиролиза и газификация химичните съединения на отпадъците се разграждат до течни и газообразни горива. И двата метода са подходящи за оползотворяване на енергията от широк спектър отпадъци.

Много ефикасен метод за третиране на отпадъци с извличане на енергия е газификация чрез плазмена дъга. Технологията използва електричество и висока температура, създадени от електрическа дъга. Тази дъга разгражда отпадъците до газове и пепел в устройство, наречено плазмен конвертор. В него между два електрода, разположени на разстояние един от друг, преминава относително високо напрежение, създавайки електрическа дъга. В реактора се развива температура от 103 до 105оС при нискотемпературните плазмени процеси и от 105 до 108оС при високотемпературните. На няколко метра от горелката температурата е по-висока от 3000-4000оС. При тези условия повечето отпадъци се разграждат до газообразно и плазмохимично (йонизирано) състояние. Освен от електрически полета плазмената газификация може да се инициира от лазерно облъчване, и – лъчения, адиабатно свиване на газове, както и в резултат на химични, ядрени и верижни реакции. Газът (syngas), представляващ смес от въглероден оксид и водород, се отделя от плазмата, пречиства се и може да се използва като гориво. Засега това е една нова и скъпо струваща технология, но специалистите смятат, че има голямо бъдеще, предвид ефективността и нарастващите нужди от третиране на отпадъците с оползотворяване на енергията. На този етап такива инсталации действат в Япония, САЩ, Германия, Австрия, Италия и Испания.