Cap. 1 Consideratii generale 1.1 Notiuni de baza Deseu – Partea dintr-un material sau materie prima care este inlaturata in decursul unui proces tehnologic de prelucrare in vederea realizarii unui produs sau ca urmare a unor activitati umane, si care, in general, nu se poate valorifica direct pentru realizarea acelui produs sau in cazul activitatii respective. Reciclare– Activitatile organizate, intreprinse in cadrul unor societati, intreprinderi etc., care au ca scop pe de o parte, utilizarea deseurilor pentru obtinerea unor produse, materii, materiale sau a energiei secundare, iar pe de alta parte, neutralizarea deseurilor in vederea reducerii efectelor nocive, reducerea volumului ocupat de acestea si depozitarea in locuri special amenajate. Instalatie – Sistem ethnic, in general format din mai multe subsisteme (constructii, utilaje, masini, aparate, mecanisme etc.) destinat efectuarii unei anumite functii, operatii sau proces. Gospodarirea deseurilor ocupa un rol important in politica si strategia de dezvoltare economica si sociala durabila in care calitatea mediului si conservarea resurselor naturale ocupa un loc central. Deseurile reprezinta nu numai o potentiala sursa de poluare dar, in acelasi timp, pot constitui si o sursa importanta de materii prime secundare cat si o sursa de energie. Operatiunile de reciclare vizeaza doua obiective fundamentale: a) Valorificarea totala sau partiala a deseurilor prin realizarea unor produse sau materiale care sa reintre in circuitul economic precum si prin obtinerea energiei secundare sau a unor combustibili. b) Neutralizarea deseurilor sau a partilor acestora care nu pot fi valorificate, in vederea reducerii la maximum a posibilitatilor de poluare a mediului (aer, apa, sol) in care acestea pot fi depozitate. Cele doua componente ale reciclarii, valorificarea si neutralizarea, sunt strans legate intre ele, practic in marea majoritate a operatiunilor de reciclare fiind necesar a fi abordate impreuna, in orice proces de acest gen rezultand reziduuri care trebuiesc depozitate. Problemele din cadrul domeniului gospodaririi deseurilor au devenit prioritare ca rezultat al dezvoltarii economico-sociale. In stadiul de dezvoltare incipient si mediu, deseurile industriale erau in cantitate mica si erau constituite mai ales din deseuri de prelucrare. In urma cu cateva decenii (anii 60-70) o categorie importanta de deseuri era aceea rezultata din prelucrarea lemnului (rumegus, aschii) sau acelea prevenite din prelucrarea plantelor (coji de floarea soarelui, deseuri din cereale, deseuri de stuf). Caracteristica acestor deseuri era aceea ca, avand o putere calorica relativ mare puteau fi arse in instalatii obisnuite, iar daca nu erau arse, cantitatea lor fiind relativ mica, nu constituiau o problema pentru depozitare. De asemenea, deseurile nu constituiau o sursa majora de poluare a atmosferei, apei sau solului, astfel incat nu reprezentau o problema care sa necesite rezolvare de ansamblu. Nu in ultimul rand trebuie mentionat si faptul ca disponibilul mare de energie primara si costul redus al acesteia nu au favorizat aparitia unei conceptii economice in rezolvarea problemei reciclarii deseurilor. In ce priveste deseurile industriale chimice, inainte de dezvoltarea acestui sector, erau reduse cantitativ si putin nocive, astfel incat puteau fi deversate in emisarii naturali fara a deveni un pericol. Deseurile menajere s-au produs intotdeauna in gospodaria omului. In conditiile unei densitati mici de populatie, cand fiecare gospodarie putea dispune de un loc de depozitare, ele nu constituiau o problema. In condiile actuale ale dezvoltarii economice si exploziei demografice, a existentei marilor aglomerari urbane, gestionarea corecta a deseurilor devine o problema prioritara datorita cresterii impresionante a volumului lor si a imposibilitatii distrugerii la locul de producere. Reciclarea deseurilor in epoca moderna nu se poate realiza fara existenta unei puternice activitati de concepere, cercetare si producere a unor instalatii eficiente si performante, capabile sa prelucreze un volum cat mai mare de deseuri, la un pret de cost cat mai mic. Strategia moderna privind gospodarirea deseurilor include o ierarhizare a optiunilor de management al acestora, in care primul accent este pus pe prevenirea producerii lor. Aceasta este urmata de promovarea actiunilor de reciclare si refolosire si apoi de optimizarea metodelor de stocare finala a deseurilor. Se recomanda, din punctual de vedere al eficientei reciclarii, separarea deseurilor chiar la sursa, acordarea de prioritati pentru traseul urmat de diferite deseuri si promovarea securitatii depunerii finale. Intr-o lume perfecta, toate deseurile ar trebui sa fie complet reciclate. Producatorii de deseuri ar trebui sa fie capabili sa prelucreze orice tip de deseu fara a genera reziduuri.In realitate, in acest moment, nu toate deseurile sunt reciclate 100%, ca rezultat al prelucrarii lor generandu-se deseuri reziduale. Aceste deseuri trebuiesc depozitate. In tarile avansate mentinerea si depozitarea deseurilor ridica numeroase probleme economice (exemplu depozitarea deseurilor in Florida se poate efectua in conditiile unei plati de 40-50 USD/tona). In timp ce majoritatea deseurilor reziduale continua sa fie depozitate, se studiaza intens posibilitatea gasirii unor procedee si tehnologii care sa permita transformarea lor in deseuri reciclabile. Adevarata problema nu este cea a taxelor de depozitare ci a responsabilitatilor cu privire la mediu. Se pune problema cat timp de acum inainte se va mai dispune de spatii de depozitare sigure. Exemple: 1. In Portland – Oregon o societate fabrica incaltaminte din deseuri din cauciucuri uzate, polietilena, butelii de plastic, tevi de plastic, etc. Din aceste materiale se fabrica sandale, pantofi de sport, cisme si ghete, pentru lipire folosindu-se adezivi netoxici. 2. O alta societate recicleaza incaltaminte veche prin repararea fetelor de talpi. Talpile sunt faramitate si intra in compozitia suprafetelor salilor de sport iar din fete se executa pardoseli si izolatii casnice. 3. Cauciucul din anvelopele uzate intra in compozitia materialelor din care se fabrica: curele, genti, cravate, fuste, veste. Din deseurile industriale, cele mai cautate pe piata, datorita gradului mare de valorificare se mentioneaza: aluminiul, plumbul, fierul si otelul in general si otelul inox in special, hartia si materialele plastice. Dupa 1990 si in Romania s-a pus din ce in ce mai mult problema deseurilor reziduale: cat sunt de toxice si ce pagube poate aduce mediului depozitarea lor. 1.2 Clasificarea deseurilor A. Dupa provenienta: 1. Deseuri industriale provenite din procese tehnologice anorganice; 2. Deseuri industriale provenite din procese tehnologice organice; 3. Deseuri urbane; 4. Deseuri agricole si din industria alimentara; 5. Deseuri din constructii. Deseurile industriale anorganice sunt constituite in principal din : deseuri metalice noi sau vechi, deseuri chimice anorganice ca acizi, oxizi, baze si saruri. Deseurile industriale organice sunt constituite din reziduuri din industria chimica organica (reziduuri de blaz, gaze nocive, izomeri inactivi, reziduuri petroliere).
Deseurile urbane reprezinta totalitatea reziduurilor colectate din aglomerari urbane si cuprind deseuri menajere (produse de catre populatie dar si deseuri similare generate de agenti economici si comerciali: alimentatie publica, hoteluri, cantine, magazine, institutii de invatamant etc.), deseuri stradale rezultate in locuri publice, namoluri de la epurarea apelor uzate orasenesti. Deseurile menajere din zonele urbane variaza intre 0,5 si 0,9 kg/locuitor zi, rezultand o medie 8700 t /zi din care in prezent sunt incinerate ~5% restul fiind depozitate la rampe de gunoi care nu sunt prevazute cu sisteme de protectie a mediului. Deseurile agricole sunt reprezentate in principal de reziduuri din zootehnie, dar si deseuri din productia vegetala. B. Dupa posibilitatile de valorificare: 1. Deseurile ce se preteaza la o valorificare superioara: Aceste deseuri pot fi introduse in procese tehnologice de obtinere a unor produse finite. Exemplu: deseuri din lemn, deseuri metalice feroase si neferoase. 2. Deseuri ce nu pot fi valorificate si care trebuiesc distruse sau neutralizate: Procedeele cele mai utilizate sunt cele termice, in unele cazuri cantitatea de caldura rezultata fiind folosita. C. Dupa compozitie: 1. Deseuri organice de origine animala si vegetala; 2. Deseuri minerale sau metalice; 3. Deseuri provenite din transformari chimice; 4. Deseuri radioactive.
Cap. 2. Tehnologii de reciclare a deseurilor industriale 2.1 Tehnologii de prelucrare a deseurilor feroase Surse de colectare si recuperare a deseurilor feroase. Deseurile metalice feroase isi au sursele in reziduurile rezultate in industria metalurgica si siderurgica, in reziduurile provenite din industria prelucratoare precum si in obiectele metalice feroase rezultate in urma casarii organizate a unor masini si utilaje in unitati economice, a scoaterii din uz a unor obiecte sau aparate de uz casnic sau a inlocuirii unor subansambluri in procesul de reparare a produselor. Materiale feroase provenite din industria metalurgica si siderurgica. In aceste industrii se colecteaza materiale feroase sub doua forme: materiale feroase prafoase(sub forma de praf); materiale feroase sub forma de bucati. Materialele prafoase sub forma de praf sau mal provin din instalatiile de epurare a gazelor emanate la furnale,cuptoare electrice,convertitoare si la de la statiile de epurare a apelor uzate rezultate din procesele siderurgice si ca urmare a operatiilor de pregatire a minereurilor in sectorul furnale (concasare, aglomerare, transport). Procentul de Fe in gazele descarcate in atmosfera in sectiile siderurgice este de ~25%. In apele uzate evacuate in sectorul laminoare se gasesc materiale feroase cu un continut de 60-70% Fe. Sectorul de laminare din combinatele siderurgice constituie cea mai importanta sursa de poluare a apelor industriale, datorita oxidului de Fe si uleiului in suspensie rezultate in cazul diferitelor operatii de racire si curatire care au loc in procesul de laminare. Astfel, in apele reziduale de la laminare cantitatea de oxid de Fe variaza de la 1g/l la 5g/l. In general, materialele feroase sub forma de praf ce se pot recupera intr-un combinat sunt de circa 20.000 tone cu un continut de 70% Fe la un milion de tone de otel (2% din productia de otel). Colectarea materialelor prafoase se face atat din motive ecologice (evitarea poluarii aerului si apei) cat si din ratiuni economice, pentru valoarea lor intrinseca, ca materie prima. Materiale feroase sub forma de bucati rezulta nemijlocit din procesele de elaborare a fontei si otelului. Ele pot proveni in principal la: sectorul otelarie unde reprezinta 2-4% din productia de otel; sectorul laminate unde reprezinta pana la 27% din productia de otel laminat, fiind constituite din capete si laturi de produse laminate, zone cu defecte de laminare; sectorul forja (capete de bare, rupturi, bavuri, aschii, piese rebutate aproximativ 25%). O caracteristica importanta a acestor tiputi de deseuri este aceia ca reciclarea lor se poate realiza chiar la locul de producere. Materiale feroase provenite din industria prelucratoare Industria prelucratoare este industria constructoare de masini si de constructii metalice. Deseurile se prezinta sub forma resturilor rezultate prin taiere, stantare, ambutisare, rabotare, gaurire, alezare, strunjire, filetare etc. Valorile procentuale ale deseurilor metalice raportate la cantitatea de otel prelucrata pentru cateva categorii industriale, sunt: constructii metalice 3%; fabricare material rulant C.F 10%; fabricare recipienti si ambalaje metalice 12%; industria navala 23%; fabricare tractoare 24%; fabricare masini electrice 25%; fabricare masini unelte 27%; industria de autovehicule 30%. Apare evident ca in cazul economiilor puternic industrializate in care predomina constructia de masini volumul deseurilor feroase este cu mult mai mare decat in tarile cu economie putin industrializata. Conform datelor furnizate de organismele specializate ale ONU procentul mediu al deseurilor metalice in industria prelucratoare era de 14-18% din cantitatea de metal folosita la inceputul anilor 90, cu tendinta de crestere. Colectarea si prelucrarea aschiilor metalice Sistemele actuale de colectat aschii metalice, mai ales la sectiile mecanice de prelucrare prin aschiere au caracterul unei munci nemecanizate – aschiile rezultate de la masinile unelte sunt stranse manual in lazi care sunt evacuate la sfarsitul schimbului sau in timpul lucrului cu un mijloc oarecare de transport pana la locul de depozitare unde sunt puse in buncare. La prelucrarea pieselor pe masini unelte de mare productivitate, se formeaza o mare cantitate de aschii care pot bloca masina. Dupa unele date publicate, astfel de masini unelte produc in medie urmatoarele cantitati de aschii: m.u mici 3,5-4,5 kg/h; m.u mijlocii 4,5-7,5 kg/h; m.u mari 10-14 kg/h; m.u agregate speciale 14-18 kg/h. O solutie eficienta de colectare a aschiilor ar fi aceea in care sectiile sunt prevazute cu transportoare de aschii subterane (Rulmentul si Autocamioane Brasov).
La ultimele modele de strunguri automate multiaxe s-a prevazut evacuarea mecanizata completa: Astfel, in batiu este prevazut un jgheab longitudinal inclinat in care lucreaza un surub melc care preia aschiile si le deverseaza in lazi situate langa masina sau in santuri prevazute cu transportoare. Alte metode de evacuare mecanizata a aschiilor: pneumatic prin suflare sau aspiratie si mecanic cu diverse sisteme de transport cu melc, cu raclete etc. Dintre acestea, sistemele cu aspiratie pneumatica au avantajul ca impun si conditii normale de lucru, deoarece se purifica aerul de particulele de metal aflate in suspensie, mai ales in cazul aschiilor din fonta. Organizarea unei sectii pentru prelucrarea aschiilor metalice O linie tehnologica pentru prelucrarea aschiilor este compusa din: sisteme de sortare, foarfeca de portionare a aschiilor mari, sfaramator de aschii, presa de brichetat si transportoare. Sortarea se face in aschii lungi (>50mm) si scurte (<50 mm) cu ajutorul unui tambur rotativ (sita cilindrica) cu orificii asezat in pozitie inclinata. Aschiile marunte pot fi utilizate ca atare in incarcatura furnalelor sau cuptoarelor Martin sau sunt brichetate cu ajutorul utilajelor de presare la cald cu productivitati de 1,5-2,5 t/h. Brichetele au mase cuprinse intre 2 si 40 kg pe bucata si o masa volumica de 5000kg/m 3 si se pot utiliza in bune conditiuni si in cuptoarele electrice. Aschiile mari sunt maruntite si, dupa caz, sfaramate, dupa care sunt brichetate. In figura 2.1 se prezinta sectia de brichetat aschii metalice ZIS a carei functionare este urmatoarea: Aschiile sunt descarcate in buncarele 1, prevazute cu protectie impotriva patrunderii bucatilor mari in amestec (gratare cu orificii). Din buncar aschiile sunt duse cu trasportorul cu banda 2 la elevatorul cu cupe 3. Din partea superioara a elevatorului, aschiile aluneca pe jgheabul inclinat 4 si ajung in buncarul 5 situat deasupra presei automate de brichetat 6. Din buncar aschiile cad pe dispozitivul vibrator de alimentare a presei. Brichetele obtinute cad din presa pe jgheabul 7 in containerele 8. Containerele sunt trasportate cu podul rulant 10 si sunt depuse pe tranportorul cu role 9, respectiv 11 care reprezinta ultima veriga in circuit inainte de turnatorie. Exista si statii simple de brichetat care pot fi amplasate direct in atelierul mecanic. Aceasta amenajare este corespunzatoare la atelierele mecanice la care totalul deseurilor ce se prezinta sub forma de aschii este de maximum 0,5 t/h si 1600 t/an. Asemenea instalatii au buncarul situat deasupra presei de brichetat,el fiind umplut cu ajutorul unui elevator cu cos care are un volum de 0,5 m 3. De la masini, aschiile sunt transportate cu vagonete basculante sau cu un pod rulant si se descarca in cosul elevatorului. Containerele cu brichete in stare finita se transporta cu macaraua in vagoane. In figura 2.2 se prezinta schema bazei centrale de recuperare si prelucrare a schiilor de otel si fonta de la Tractorul S.A. Brasov. La aceasta baza aschiile de otel sau de fonta sunt aduse direct, separate, de la sectiile prelucratoare, in carucioare, camioane sau vagoane. Aschiile care nu trebuie maruntite se descarca pe transportoarele cu banda 1 (sageata A) care le transporta la elevatorul cu cupe 2 in buncarul 3, de unde prin banda 4 si elevatorul 5 ajung in buncarul 6 care alimenteaza presa de brichetat 7. Brichetele sunt aduse cu transportorul 8 in buncarele 9, amplasate in afara atelierului, deasupra sinelor de cale ferata, de aici fiind incarcate in vagoane. Aschiile care trebuie maruntite sunt preluate din camioane sau vagoane (sageata B) cu macaraua 10 care le transporta la platforma din sectia de maruntit, unde sunt preluate de alimentatorul 12 care le transporta la masinile de maruntit 11. Aschiile maruntite, prin intermediarul transportorului cu banda 13 si a elevatorului cu cupe 5 ajung in buncarul 6 al presei de balotat 7.
Calculul suprafetelor necesare depozitarii aschiilor metalice in vederea maruntirii lor De multe ori este necesar ca aschiile cu dimensiuni mai mari sa fie maruntite inainte de introducere in presa de brichetat. Pentru asigurarea unei functionari continui a masinii de maruntit si in consecinta a presei de brichetat se impune realizarea unui depozit de aschii. Exemplu de calcul pentru cazul unei mori de maruntire cu debitul de 1,5 t/h pentru aschii spirale obtinute la strunjire. Se considera ca moara functioneaza 22 ore/zi (2 ore pentru revizii, intretinere, reglaje). Cantitatea de aschii macinate pe zi : Q24 = 1,5 × 22 = 33 tone aschii /z.i Se calculeaza suprafata necesara pentru un depozit care sa poata oferii spatiul necesar depozitarii unei rezerve de aschii pentru 10 zile. Mtot =10 ⋅Q24 =330 tone/depozit. Considerand densitatea aschiilor
ρa = 280 kg/ m 3
pa = 500 daN / m = 5000 N / m p 5000 h= a = = 1,785 m . ρg 280 ⋅ 10 2
2
si presiunea admisibila pe suprafata de depozitare:
, inaltimea maxima a stratului de aschii este:
Suprafata de depozitare teoretica, necesara este:
St =
M tot 330 ⋅ 10 3 = = 660 m 2 h ⋅ ρ 1,785 ⋅ 280 Suprafata reala se considera St majorata cu 25 % (suprafete de trecere plus un coeficient de siguranta).
Materiale feroase rezultate in afara proceselor tehnologice In aceasta categorie intra materialele feroase vechi provenite din casari, reparatii sau colectate de la populatie. Perioada de recuperare a acestor tipuri de deseuri feroase variaza foarte mult, de la zile in cazul ambalajelor de conserve la zeci de ani in cazul utilajelor industriale (ex: la nave 50 ani). Conform unei metode propuse intr-un studiu al ONU, produsele cu continut feros se impart in doua categori: 1) cu durata de functionare < 5 ani; 2) cu durata de functionare medie de 25 ani. Pentru realizarea produselor din prima categorie, in C.E. se consuma ~ 12% din productia anuala de otel, restul de 88% fiind folosita pentru produsele din categoria a 2-a. Procentul de recuperare poate varia intre 30 si 60 %, functie de interesul si caracterul mai mult sau mai putin intensiv al colectarii. Colectarea si pregatirea acestor tipuri de deseuri feroase se realizeaza in centre de colectare special amenajate. Aici se realizeaza: depozitarea, sortarea, prelucrarea si livrarea. De regula, aceste activitati comporta executarea urmatoarelor activitati: 1. Dezmembrarea mijloacelor fixe (utilaje) casate sau scoase din uz, care se demonteaza sau se taie cu flacara oxigaz sau la rece (cu flexul); 2. Prelucrarea mecanismelor si a motoarelor, care se face in spatii inchise, pe bancuri dotate cu truse de scule, menghine etc, unde dupa demontare-dezmembrare, la nivel de reper se sorteaza pe calitati dupa compozitia chimica. Tot aici se sorteaza si otelurile aliate provenite din scule uzate. 3. Prelucrarea materialelor metalice cu grosimi de peste 10 mm care se realizeaza prin taiere cu flacara oxiacetilenica sau cu foarfeci mecanice sau hidraulice (prese) de 700÷1000 tf. 4. Prelucrarea materialelor usoare din otel cu grosimi de pana la 5 mm, care se face pe prese de balotat tip UNIO-Satu Mare sau pe presa de 250 tf. 5. Prelucrarea fontei care se sparge in bucati cu soneta de spart cu bile de 8000 kg. 6. Sortarea materialelor si livrarea acestora la sectiile de prelucrare ale unitatilor siderurgice si metalurgice care au in dotare prese de mare capacitate de 1000-1600 tf. 7. Prelucrarea aschiilor din otel prin sortare, sfaramarea si transportul la presa de brichetat. Spatiile destinate prelucrarii materialelor colectate (sortate, dezmembrate, balotate) sunt constituite din platforme betonate descoperite sau acoperite (soproane) exceptie facand activitatile de: - demontare mecanisme si motoatre; - intretinere, reparare, prelucrari mecanice cu utilaje hidraulice sau racite cu apa, pentru care se prevad hale inchise, de constructie usoara, din elemente prefabricate modulate, cu iluminare naturala si incalzite cu centrala termica proprie. Se prevad deasemenea cladiri pentru: - grup social, vestiare, laboratoare; - depozite de O2 si carbid, carburanti si lubrifianti. Intreaga incinta a centrului de colectare trebuie sa fie prevazuta cu platforma betonata pentru depozitarea materialelor metalice pe sortimente. Centrele de recuperare trebuie sa fie dotate cu macarale portal si poduri rulante deservite de o linie proprie de cale ferata avand un rulaj de minim 5 vagoane pe zi. 2.2 Tehnologii de prelucrare a deseurilor neferoase Recuperarea materialelor refolosibile neferoase a devenit o problema economica deosebita datorita faptului ca resursele de minereu si concentrate neferoase sunt in scadere, iar pretul de cost ale metalelor neferoase este in crestere. Recuperarea materialelor neferoase din reziduuri constituie o sursa care are o pondere de 20-40% din productia anuala de metale neferoase (Zn-20%, Al-30%, Cu-40%). In toate tarile, indiferent de gradul de dezvoltare, colectarea materialelor refolosibile neferoase ia o amploare din ce in ce mai mare. Sursele de recuperare a materialelor neferoase sunt constituite din: 1) reziduuri industriale din procesul de productie formate din capete de profile laminate, retele de turnare, aschii metalice neferoase, rebuturi definitive (iremediabile), cenusi, oxizi; 2) materiale rezultate din mijloacele fixe casate sau scoase din uz cu ocazia reparatiilor; 3) materiale colectate direct de la populatie sau din rampele de reziduuri menajere cum sunt obiectele de uz casnic si de folosinta indelungata. Materialele refolosibile neferoase se clasifica pe categorii, grupe si sortimente. Clasificarea pe categorii se efectueaza in functie de compozitia chimica, categoria fiind reprezentata de simbolul metalelor sau aliajelor din care provin materialele. Din punct de vedere al clasificarii pe grupe, aceasta depinde de forma si dimensiunile materialului si se noteaza astfel: grupa B – materiale neferoase sub forma de bucati;
-
grupa S – aschii; grupa Ox – oxizi, cenusi, zguri, grojdii; grupa C – cabluri si conducte cu izolatii; grupa D – alte materiale neferoase. Repartizarea pe sortimente se face in functie de caracteristicile materialului colectat si se simbolizeaza prin cifre arabe. In cadrul caracteristicilor la repartizarea pe sortimente se ia in cosideratie gradul de impurificare cu elemente straine ca pamant, pietre, resturi de izolatie, materiale feroase (otel, fonta) sau alte aliaje neferoase decat cele din materialul de baza. Categoria si grupa se depart cu o linie oblica si in continuare, dupa o liniuta orizontala se indica si sortimentul. Exemplu: Cu/B-1→ material refolosibil din categoria cupru sub forma de bucati, sortimentul 1 (fara impuritati) sau Zn/Ox-3 → material din categoria Zn sub forma de oxizi, sortimentul 3 (puternic impurificat). 2.2.1 Colectarea si pregatirea materialelor din Cu si aliaje din Cu Materialele din Cu prezinta un deosebit interes economic pentru industrie, dat fiind faptul ca elementul principal, Cu, prezinta o inalta conductibilitate electrica si termica si o plasticitate deosebita. Aliaje: Bronzul: Cu+Sn (3÷14%); Alama: Cu+Zn (20÷50%); ρCu = 8900 kg/m3; ρSn ≈ ρZn = 7100÷7300 kg/m3. Ca impuritati ce apar in cadrul reziduurilor industriale din Cu se pot exemplifica: fier, plumb, bitum, antimoniu, arsen, nichel, sulf, staniu, zinc, pietre, pamant, nisip, ulei, apa. Aceste elemente regasite in structura cuprului duc la afectarea unor proprietati fizico-mecanice ale acestora. Astfel: A) Plumbul, fierul si antimoniul in cazul produselor laminate determina fragilitatea materialului deoarece sunt insolubile sau putin solubile in cupru. Mn si fierul scade fluiditatea necesara turnarii. B) In cazul alamelor impuritatile daunatoare sunt antimoniul, arsenul si fosforul. Deasemenea prezenta staniului in alame da nastere la microsufluri care determina fragilitate la piesele turnate, inrautatind caracteristicile mecanice si de prelucrare prin deformare plastica. C) In cazul bronzurilor, Al mareste tendinta de crestere a cristalelor si tendinta de formare a microretasurilor, scazand proprietatile tehnologice. Se impune ca la pregatirea deseurilor sa se asigure o separare atenta a aluminiului. Depozitarea materialelor refolosibile din Cu nu necesita masuri speciale datorita rezistentei lor la coroziune. Cele marunte din grupa S (aschii) si Ox (oxizi, cenusi) trebuie depozitate in buncare pentru a fi evitata impurificarea cu alte materiale solide sau lichide (uleiuri). Transportul este efecuat in functie de distanta, cu mijloace auto sau vagoane de cale ferata. Incarcarea si descarcarea se face cu macarale, greifere, stivuitoare cu furca sau cu screpere de capacitate mica. In functie de cantitate si dimensiuni, transportul intern se face cu autotransportoare de containere, autobasculante si chiar transportoare cu banda, cu cupe sau transportoare oscilante. Pregatirea materialelor refolosibile din Cu – grupa B (bucati) consta din: 1. Dezmembrarea → se realizeaza in intreprinderi de profil sau la centrele de colectare si prelucrare folosindu-se utilaje, scule si dispozitive specifice (ex: foarfeci); 2. Sortarea se face de regula manual folosindu-se benzi cu separator magnetic pentru Fe, ciururi si sortatoare; 3. Balotarea se realizeaza cu ajutorul preselor mecanice sau hidraulice. Pregatirea materialelor refolosibile din Cu – grupa S (aschii) Aschiile se obtin in principal in atelierele de prelucrare, fiind in general imbibate cu ulei sau emulsii de la masinile unelte. Acestea impreuna cu alte impuritati ca pamantul, praful, fierul sub forma de pulberi sau aschii ingreuneaza topirea si inrautateste calitatile produselor din Cu. Pentru indepartarea acestor impuritati, aschiile din Cu sunt supuse unui proces de pregatire care se desfasoara in urmatoarea succesiune: - descarcarea in containere-depozit; - cernerea preliminara – indepartare praf; - sfaramarea; - centrifugarea – indepartare lichide; - depozitare in buncare; - cernere finala; - separare pe electromagnet (impuritati feroase); - depozitare in buncare de sarjare cu efectuarea de analize in vederea turnarii. Daca pregatirea se face in centrele de colectare dupa separarea impuritatilor feroase se face brichetarea si incarcarea in mijloace de transport pentru a fi duse la intrepriderile metalurgice. Pregatirea materialelor din Cu – grupa Ox Oxizii, cenusile cuprifere si praful de Cu din unitatile metalurgice se introduc intr-o instalatie mecanizata de aglomerare, dupa care se face granularea dupa o tratare in solutie sulfitica rezultata la fabricarea celulozei. Granularea se realizeaza cu presa de granulat folosind ca liant bitumul petrolifer. Operatiunea se executa la temperatura de 100÷150˚C, presiunea de 200÷400 daN/cm2, dupa care se calcineaza intr-un cuptor de uscare la temperatura de 200÷400˚C cu gaze arse. 2.2.2 Colectarea si prelucrarea materialelor din Al Din punctul de vedere al consumului de metal, pe plan mondial Al ocupa locul 2 dupa otel, iar in cadrul metalelor neferoase ocupa locul 1, reprezentand peste 45% din productia mondiala de metale neferoase. In functie de natura si provenienta reziduurilor si de sursa de colectare, materialele refolosibile din Al reprezinta cu aproximatie urmatoarele proportii din cantitatea totala de Al utilizat in procesul de productie: - 70 ÷ 75% din mijloacele de transport rutier, naval si aerian, instalatii de apa, sine si obiecte de uz casnic; - 60 ÷ 65% din produsele (piesele) utilizate in industria constructoare de masini, industria miniera, mecanica fina, industria optica, vagoane, indicatoare rutiere, articole de sport, jucarii, articole de voiaj, articole muzicale; - 85% din cabluri electrice si materiale electrotehnice, aparatura chimica si din produse pentru industria alimentara si agroindustriala; - 70% din aluminiul utilizat in constructii; - 90% in cazul ambalajelor din Al. In cazul colectarii din industria metalurgica si prelucratoare, pentru ca operatiile de colctare sa aiba rezultate bune cantitativ si calitativ, cu efort minim, este bine sa se faca la locul unde acestea rezulta, direct pe categorii, grupe si sortimente. In sectiile de prelucrare operatia de colcectare se efectueaza pe categorii cu aceiasi compozitie chimica, pentru ca din aschiile provenite din prelucrarea unor anumite piese din aliaje de Al, se pot turna aceleasi piese fara alte investigatii costisitore necesare determinarii compozitiei si calitatii aliajului necesar produsului respectiv.
Colectarea pe dimensiuni conduce la reducerea pierderilor de metal prin topire, pentru ca la dimensiuni mici pierderile prin ardere sunt mai mari, si astfel se poate aplica regimul corespunzator de elaborare al aliajului si functie de dimensiuni. In cazul prelucrarii aschiilor, colectarea pe sortimente ajuta foarte mult la cresterea randamentului. Astfel, prelucrarea aschiilor uscate, curatate si sortate prin cernere se poate face cu un randamen de ~ 95%. Daca aschiile nu sunt sortate si nu se pregatesc randamentul scade la 20÷25%. Sortarea este operatia care asigura o calitate superioara materialelor refolosibile. Este recomandabil sa se faca la locul de producere a materialului refolosibil, operatia fiind importanta deoarece unele elemente de aliere ale aluminului constituie impuritati pentru alte aliaje. Depozitarea materialelor recuperabile din Al si aliaje de Al, daca sunt sub forma de bucati, se face de regula in containere acoperite, iar daca sunt sub forma de aschii, zgura, cenusi, depozitarea trebuie facuta obligatoriu in hale inchise. Depozitarea in aer liber conduce la oxidari, randamentul de prelucrare scazand cu 3÷5%. Transportul materialelor din Al se realizeaza de la locul de depozitare la locul de prelucrare cu vagoane de cale ferata sau cu mijloace auto si se descarca cu macarale cu greifere, cu stivuitoare cu furca sau cu screpere de mica capacitate. In functie de cantitati si dimensiuni, pentru transportul intern se folosesc autotransportoare de containere, autobasculante si chiar transportoare cu benzi sau cupe. Pregatirea materialelor din Al se face in functie de dimensiunile si forma lor. Prima operatie consta in aducerea la dimensiuni care sa permita incarcarea in cuptoare de topire. Aceasta se realizeaza prin taiere cu flacara oxiacetilenica sau electric cu curenti de inalta frcventa, cu foarfeca ghilotina sau se maruntesc in mori cu ciocane care se utilizeaza pe scara larga pentru maruntirea pieselor turnate, chiuloaselor de motoare, cartere, pistoane, tevi, table. Separarea materialelor feroase se face cu separatoare electromagnetice cu banda sau cu tambur. Separarea de diverse impuritati din lemn, plastic, cauciuc si alte materiale neferoase se realizeaza in medii lichide dense. Se utilizeaza ca medii de separare suspensii solide in apa. Exemplu: ferosiliciu pulverizat fin in apa care conduce la o densitate de 3,8 g/cm 3 sau suspensie din magnetita (amestec de oxizi de fier) si ferosiliciu in apa avand densitate de 3÷3,2 g/cm 3. Amestecul care contine Al dupa ce a fost trecut printr-un separator magnetic pentru retinerea elementelor feroase este maruntit la 25÷75 mm si se introduce intr-un mediu lichid dens cu ajutorul unor transportoare oscilante. In prima faza mediul are densitatea de 3,2÷3,8 g/cm 3, fractiunea care pluteste fiind constituita din componente nemetalice, compusi de magneziu (ρMg=1,75 g/cm3), aluminiu si aliaje din aluminiu. Aceasta fractiune este antrenata de mediul dens care circula orizontal printr-un jgheab prevazut cu praguri care retin componentele grele (cu densitate mai mare decat a mediului): pietre, materiale ceramice, Cu si aliaje de Cu. In faza a doua se separa partile nemetalice si compusii de magneziu printr-un mediu cu ρ = 2÷2,2 g/cm 3 (ρAl = 2,7 g/cm3) in care partea grea o constituie auminiul. Dupa separare materialul se spala si se usuca. O instalatie moderna de pregatire a deseurilor de Al trebuie sa asigure o puritate a acestuia de 98%. 2.3 Reciclarea deseurilor industriale nerecuperabile si a apelor uzate 2.3.1 Deseuri industriale nerecuperabile Prin deseuri industriale nerecuperabile se inteleg acele reziduuri din procesele tehnologice organice, care, la nivelul actual al dezvoltarii tehnicii si tehnologiei nu si-au gasit nici un o utilizare din cauza toxicitati lor. Aceste deseuri trebuiesc distruse, stocarea lor necesitand spatii mari si reprezentand pericol pentru mediu. Cea mai utilizata metoda de distrugere a acestor deseuri este incinerarea. Principalele deseuri industriale nerecuperabile sunt reprezentate de: reziduuri de la fabricarea metioninei (aminoacid continand mari cantitati de sulf) si a acidului acrilic (lichid incolor cu miros intepator obtinut prin oxidarea acroleinei – aldehida nesaturata, si folosit la fabricarea unor materiale sintetice), deseurile de pe platformele petrochimice, deseurile de la fabricarea solventilor clorurati. La fabricarea metioninei si a acidului acrilic se obtin urmatoarele tipuri de deseuri: - reziduuri de distilare de la coloana de rectificare a metioninei → lichid vascos cu putere calorica relativ mica (30 000 kJ/kg) continand in principal C, N, S si H; - reziduuri de la purificarea metioninei reprezentand carbune activ imbibat cu metionina si carbonat de sodiu; - reziduuri de distilare de la obtinerea acidului acrilic → polimer cu densitatea de 1196 kg/m 3, puterea calorica mica (20 000 kJ/kg) si temperatura de solidificare de +42˚C; Observatie - Puterea calorica: pacura – 40 000 kJ/kg; benzina – 46 000 ÷ 50 000 kJ/kg. Deseurile industriale din industria petrochimica constau in principal din: - slam (amestec de apa cu particule fine de substante minerale) din rezervoarele de titei; - slam din rezervoarele de pacura si gudroane; - slam din rezervoarele de motorina; - slam din rezervoarele de benzina; - namoluri obtinute la treptele de separare mecanica; - gudroane acide aparute in procesul de rafinare a produselor petroliere si a celor de cocserie. In ciuda numeroaselor studii si cercetari aceste deseuri nu si-au gasit nici o utilizare, in cea mai mare parte fiind depozitate in halde. Gudroanele acide se prezinta sub forma unor lichide vascoase cu incluziuni de materiale solide si continut de acid sulfuric. In scopul combaterii coroziunii provocate de H2SO4 liber, inainte de ardere gudroanele acide se neutralizeaza cu Ca(OH) 2 sub agitare. La rafinarea produselor petroliere mai apare ca deseu solid pamantul decolorant uzat, imbibat cu produs petrolier care trebuie si el distrus prin incinerare. Deseuri industriale de la fabricarea solventilor clorurati La obtinerea solventilor clorurati (perclor etilena si tetraclorura de carbon) in faza de recuperare a solventilor din reziduuri apare un deseu industrial sub forma de reziduu de distilare, foarte lipicios, cu temperatura de solidificare de +150˚C, care are tendinta de intarire pe conducte, singura solutie de a-l indeparta fiind incinerarea. Arderea are loc la 1200 ÷ 1300˚C in exces de oxigen rezultand pe langa CO 2 si H2O (produse normale de ardere) si HCl. 2.3.2 Ape reziduale Apele reziduale toxice apar frecvent in industria chimica organica (petrochimica, de sinteza, farmaceutica, cosmetica, pesticide) in special acolo unde produsele finale sau intermediare sunt de toxicitate deosebita. Conform legii se interzice evacuarea in apele de suprafata (rauri, lacuri naturale sau artificiale), in Marea Neagra si in apele subterane a substantelor poluante provenite din industrie precum si a apelor uzate contaminate cu germeni patogeni provenite de la spitale, instalatii pentru pregatirea preparatelor biologice, unitati zootehnice, abatoare, etc., fara o prealabila prelucrare. Substantele poluante cu grad ridicat de periculozitate sunt: - pesticide organo-halogenice persistente si compusii care pot forma asemenea substante in mediul acvatic ca D.D.T., toxafen, aldrin, heptaclor brommetan; - pesticide organo-silicice persistente si compusii care pot forma asemenea substante in mediul acvatic ca de exemplu xiloxani;
- pesticide organo-fosforice: parathion, metil parathion, rogon, metathion; - pesticide organo-stanice: acetat de trifenilstaniu, hidroxid de trifenilstaniu; - substante cancerigene ca: benzopirenul si compusii sai, benzoantracenul si compusii sai; - compusi organici ai mercurului: alchil mercur; - deseuri radioactive. Apele reziduale toxice apar acolo unde materiile prime utilizate, produsii intermediari si (sau) produsele finale au un caracter toxic. Cele mai periculoase rezulta din fabricarea urmatoarelor produse: pesticide; coloranti; medicamente si odorizante. Apele reziduale toxice sunt, in procesul de distrugere termica, energofage. Din acest motiv se adopta solutia arderii in aceleasi instalatii cu apele reziduale si a deseurilor industriale care fiind combustibile determina scaderea consumului de combustibil suport exterior. 2.3.3 Scheme tehnologice pentru arderea deseurilor industriale toxice si a apelor reziduale toxice Instalatiile de ardere folosite pe plaformele industriale chimice si petrochimice sunt adaptate distrugeri atat a deseurilor industriale cat si a apelor reziduale toxice. Aceste instalatii, numite focare reprezinta elemental cheie in operatiunea de distrugere. Ele trebuie sa fie incadrate intr-o schema tehnologica care sa prevada parcurgerea urmatoarelor etape: A) Pregatirea deseurilor industriale si a apelor reziduale toxice: colectare, neutralizare, incalzire (daca e cazul), omogenizare, stocare; B) Incinerarea propriu-zisa cu sau fara combustibil support; C) Recuperarea caldurii din gazele de ardere, urmata sau nu de instalatii de neutralizare a lor, functie de produsele de ardere. A) Pregatirea deseurilor industriale si a apelor reziduale toxice Unele deseuri industriale si ape reziduale toxice rezulta in mod permanent si continuu fiind direct legate de procesul tehnologic de baza, iar altele au un caracter sezonier sau ciclic (exemplu: curatirea rezervoarelor de combustibil). Modul de colectare, transport, depozitare, omogenizare va fi diferit, tinand seama ca agregatul principal – focarul, trebuie alimentat cu o cantitate constanta de deseuri si ape, care sa aiba o calitate omogena, plus combustibil suport. Pentru reziduri sezoniere trebuie construite depozite capabile de a prelua intreaga cantitate care rezulta la o descarcare, aceasta urmand a fi trimisa la incinerare intr-o portiune bine definita. Inainte de depozitare (stocare) unele reziduuri toxice care au un caracter sensibil departat de neutru, in special acide, trebuiesc neutralizate pentru a nu provoca coroziunea materialului depozitului si focarului. Transportul rezidurilor se poate face prin cele mai diverse metode. Deseurile lichide sunt transportate prin conducte sau containere. Cele solide si pastoase se transporta in saci de hartie, bumbac, material plastic sau in butoaie (cele foarte toxice). In functie de limitele indicilor de calitate (in special puterea calorica) se decide asupra operatiei omogenizare si a tehnologiei celei mai adecvate. Multe deseuri, in special cele solide si pastoase, ard mai bine daca in prealabil sunt amestecate cu un carburant lichid de suport. In cazul in care prin arderea deseurilor rezulta o serie de cenusi foarte vascoase care maresc cantitatea de material nears, respectiv micsoreaza gradul de distrugere a deseurlor industriale si a apelor reziduale toxice, se adauga substante care micsoreaza temperatura de topire a cenusilor, facandu-le mai fluide. Un lucru deosebit de care trebuie tinut seama atat la depozitare –omogenizare cat si la ardere este compatibilitatea deseurilor in sensul ca nu trebuie amestecate deseuri care pot reactiona intre ele cu degajare de gaze nocive (exemplu reziduri de cianuri alcaline cu namoluri acide) sau pot duce la formarea de amestecuri detonante. B) Incinerarea propriu-zisa se reflecta in alegerea corecta a agregatului principal si in alegerea combustibilului suport. Se vor avea in vedere normativele privind capacitatea de depozitare si incalzire la temperatura optima pentru injectarea in focar. C) Recuperarea caldurii din gazele de ardere este in general o operatie de dorit din punct de vedere economic, dar de multe ori greu de realzat din cauza compozitiei gazelor de ardere. Astfel, in cazul arderii deseurilor industriale halogenate pe langa CO 2, N2Cl, N2, O2, SO2 si NO2 in gaze apar vapori de acizi halogenati ( HCl si HF) deosebit de corozivi in prezenta vaporilor de apa. In aceste conditii executarea focarului necesita materiale cu totul speciale si foarte costisioare. Caldura din gazele de ardere se poate recupera pentru fabricarea de abur, a apei calde sau pentru incalzrea aerului necesar arderii. De multe ori, normele sanitare impun spalarea gazelor de ardere dupa recuperarea caldurii de unele componente nocive, in general vapori de acizi sau anhidrida acida si praf, lucru care se poate face prin spalare cu solutii alcaline sau apa. 2.3.4 Instalatii de ardere Camerele de ardere industriale, utilizate pe platformele industriale chimice si petrochimice sunt adaptate distrugerii atat a deseurilor industriale nerecuperabile cat si a apelor reziduale toxice. In general instalatiile de ardere, numite facare, folosite pe platformele chimice sunt : a) focare ciclon; b) focare rotative; c) focare in strat fluidificat.
Fig.2.3 Focar ciclon vertical Focare ciclon Sunt de doua categorii: verticale si orizontale.
In figura 2.3 este reprezentata schema functionala a unui focar ciclon vertical pentru ape reziduale toxice. S-au notat: 1 - acces combustibil de baza (metan); 2 - acces oxigen sau aer; 3 – arzator; 4 - acces ape reziduale toxice pulverizate in camera superioara de ardere 5. Arderea are loc la temperatura ridicata (~1400 0 C) rezultand o viteza ridicata a gazelor de ardere care sunt dirijate in jos in camera inferioara 6. In camera inferioara gazele trec printr-o garda hidraulica formata din apa industriala unde sunt spalate de acizi si sunt evacuate prin conducta 7. In figura 2.4 este prezentata schema unui focar ciclon orizontal. Aceste tipuri de focare sunt preferate atunci cand trebuie sa fie arse atat reziduri cu componenta solida majoritara (namoluri) cat si deseuri industriale combustibile si ape reziduale. Ciclonul din figura este utilizat pentru distrugerea simultana a namolurilor si a deseurilor industriale combustibile. Namolurile cu o umiditate de 50 – 60 % sunt introduse in focar central prin conducta 1 fiind pulverizate cu abur, iar deseurile industriale toxice sunt introduse tangential prin conductele 2, aprinderea initiala fiind asigurata de arzatorul cu gaze 3. Cenusa rezultata este evacuate prin conducta 7 iar gazele de ardere cu un debit de circa 7000 – 8000 m3/h la o temperatura de 900 – 950 ºC parasesc focarul prin cutia de intoarcere 6 si merg mai departe pentru recuperarea caldurii, la un cazan recuperator. La trecerea din focarul propiu-zis in cutia de intoarcere a gazelor este prevazuta o ingustare care permite trecerea numai a gazelor nu si a cenusilor formate.
Fig.2.4 Focar ciclon orizontal In figura 2.5 se prezinta schema unui focar destinat incinerari apelor reziduale deosebit de toxice rezultate la fabricarea unor pesticide organo-fosforice care au o puternica incarcatura anorganica ce determina aparitia unor topituri de saruri.
Fig.2.5 Focar destinat incinerarii apelor reziduale toxice Combustibilul suport este pacura pulverizata in focar cu ajutorul aerului. Tot in arzatorul de pacura se pot injecta deseurile industriale combustibile stocate in rezervoarele 7. In camera focar se pulverizeaza apele reziduale toxice prin conducta 4 astfel incat temperatura ajunge la 850–900ºC ceea ce asigura distrugerea componentelor nocive continute in apele reziduale si deseurile industriale. Concomitent, rezulta sub forma de topitura saruri din continutul de substante anorganice (reziduu fin calcinat). Gazele de ardere trec in camera post combustie 5 unde se introduce controlat aer pentru definitivarea proceselor de ardere, dupa care parasesc focarul printr-un cos 8. Trebuie mentionat faptul ca, desi in proiect s-a prevazut posibilitatea indepartarii sarurilor sub forma de topitura inca in camera focar 1, ele continua sa se depuna in camera de post combustie si in canalul de fum care face legatura spre cos, fiind in mod curent antrenate si in atmosfera de curentul de gaze de ardere. In cazul apelor reziduale toxice care nu sunt combustibile, acestea sunt distruse prin injectare in focare de tip camera larga in care se arde un combustibil superior. Deoarece in final amestecul de gaze trebuie sa aiba o temperatura de ordinul a 800ºC, la care se distrug prin descompunere toate combinatiile poluante, consumul de combustibil este foarte ridicat, de ordinul a 200 ÷ 250 kg/m 3 apa poluanta. Pentru reducerea consumului de combustibil se utilizeaza doua solutii:
a) injectarea in focar a apei reziduale toxice incalzita la o temperatura de circa 250ºC sub presiune de 60 barr; b) marirea temperaturii aerului de ardere prin preincalzirea acestuia la cca 450ºC intr-un preincalzitor cu tevi concentrice. In figura 2.6 se prezinta o instalatie prevazuta cu sistemele de reducere a consumului de combustibil enuntate anterior. Instalatia se compune din focarul tip camera larga 1 in care se face arderea combustibilului lichid sau gazos folosind arzatoarele 2. Arzatoarele se alimenteaza cu aer preincalzit la temperatura ridicata in preincalzitorul de aer 6 alimentat de ventilatorul 9. Injectarea apelor reziduale se face in zona de ardere 3. Apele reziduale sunt comprimate la presiunea de 60 de barri cu pompa de presiune 8 si preincalzite, la aceasta presiune, pana la temperatura de 250ºC in serpentinele 7 amplasate ca a doua treapta de recuperare a caldurii dupa preincalzitoarele de aer. Pulverizarea apelor reziduale se face prin injectoarele 4.
Fig.2.6 Instalatie de ardere prevazuta cu sisteme de reducere a consumuluide combustibil Zona 5 a focarului este destinata omogenizarii amestecului de gaze de ardere si vapori cu obtinerea unei temperaturi finale de 800 – 900 ºC necesara denocivizarii. Gazele de ardere, dupa trecerea prin zonele de recuperare, sunt evacuate prin cosul 10.
Cap. 3 Reciclarea deseurilor urbane 3.1.Generalitati Planificarea si organizarea actiunilor de evacuare si neutralizare a deseurilor urbane au la baza masuratori referitoare la cantitatea si calitatea (compozitia) acestora. Acesti factori se modifica atat in functie de anotimpuri, cat si de la an la an, odata cu dezvoltarea economico-sociala. Parametrii modificarilor sunt: marimea si caracterul localitatilor, conditiile climaterice, sistemul de incalzire utilizat, modul de viata al locuitorilor (ponderea prepararii hranei acasa, utilizarea mancarilor gata preparate sau servirea mesei la restaurant sau cantine), nivelul de trai, stadiul de dezvoltare a tehnicilor de ambalare. Caracteristici cantitative ale deseurilor urbane 1. Cantitatea anuala de deseuri urbane generate. Conform datelor statistice in Romania, cantitatea anuala de deseuri urbane a evoluat de la 6,84 milioane tone in 1995 la 8,15 milioane tone in 2000 prevazandu-se circa 9,7 milioane in 2005. 2. Norma de deseuri urbane reprezinta cantitatea medie anuala sau zilnica a deseurilor ce revin pentru un locuitor. Aceasta caracteristica difera de la tara la tara datorita parametrilor enuntati anterior. In Romania in perioada 1995-2000 norma a fost de 293 kg/locuitor/an, respectiv 0,80 kg/locuitor/zi, aceste valori fiind comparabile cu cele din tarile U.E. In tabelul 3.1 se prezinta cateva valori medii ale normelor de deseuri urbane in unele tari si orase ale lumii [3]. Tabelul 3.1 – Norme de deseuri urbane in lume Nr. Tara Orasul Norma medie crt. Kg/loc./an Kg/loc./zi Berna 164 0,45 1. Elvetia Geneva 215 0,59 2. Rusia Moscova 190 0,52 3. Ungaria Budapesta 220 0,60 4. Brazilia Rio de Janeiro 235 0,64 Stuttgart 200 0,51 5. Germania Hamburg 210 0,58 6. Suedia Stockholm 242 0,64 7. Olanda Haga 275 0,75 8. Marea Britanie Media pe orase 280 0,76 Paris 290 0,80 9. Franta Lille 320 0,82 Calais 260 0,71 Calcutta 385 1,06 10. India Bombay 250 0,68 Los Angels 405 1,11 11. S.U.A. Media oraselor din California 340 0,93 Bucuresti 315 0,98 12. Romania Timisoara 235 0,72
Studii efectuate in diverse tari au evidentiat in mod clar oscilatia cantitatii de gunoaie in functie de anotimpuri. Astfel, in sezonul cald, minimele sunt in general in lunile iulie-august determinate in principal datorita plecarilor in concediu. In localitatile fara termoficare, in lunile de iarna cantitatea de gunoaie zilnica depaseste media anuala zilnica cu 10-30% datorita in primul rand cenusilor si zgurilor provenite din utilizarea combustibililor solizi (lemn si carbune). S-a constatat ca luarea sistematica a mesei in zilele de lucru in cantine restaurant uzinale, scolare etc. reduce cantitatea de deseuri menajere aproximativ la jumatate fata de cazul pregatirii si servirii mesei acasa. La elaborarea planurilor sistemelor de depozitare a gunoaielor menajere in afara modificarilor periodice a cantitatii se iau in considerare si oscilatiile ce apar zilnic. Astfel, cea mai mica preluare de gunoi menajer se inregistreaza la mijlocul saptamanii, maximele aparand la inceput. Valoarea coeficientului de neuniformitate este apreciata la 1,3 (cantitatea maxima zilnica / cantitatea medie zinica). 3. Masa volumica a deseurilor [kg/m3]. Reprezinta o caracteristica importanta care sta la baza determinarii numarului de recipiente de colectare, a numarului de autovehicule de preluare si transport cat si a marimii locurilor de depozitare. Masa volumica a deseurilor urbane oscileaza foarte mult in functie de diversele faze ale evacuarii, dar se modifica de asemenea si in functie de anotimpuri, caracterul zonelor de colectare si in functie de modul de viata. Masa volumica de referinta in cazul deseurilor menajere are in general o tendinta de scadere datorita cresterii continue a procentului deseurilor cu greutate specifica mica (hartie, cartoane, ambalaje diverse, plastice, etc) si scaderea procentului de materiale inerte (zgura, cenusa, pamant, moloz, etc). Media masei specifice in Europa variaza intre 100 si 350 kg/m 3 (cu o oarecare tendinta de crestere ca urmare a colectarii diferentiate a hartiei si cartoanelor). In Romania masa volumica a deseurilor menajere are valori relativ mari in special datorita procentului ridicat de materiale fermentabile (vegetale si animale) cat si a umiditatii ridicate a acestora. Aceasta variaza intre 300 si 350 kg/m 3. In tabelul 3.2 sunt prezentate masele specifice medii ale deseurilor menajere in stare normala (necompactate) in unele tari de pe glob. Caracteristici calitative ale deseurilor urbane Ca si caracteristicile cantitative, cele calitative difera pe tari si in cadrul acestora de la o localitate la alta in functie de parametrii amintiti anterior. Analizele calitative facute pe plan mondial sunt dificil de comparat datorita faptului ca metodele utilizate sunt variate si difera de la o tara la alta. Tabelul 3.2 - Masa specifica medie a deseurilor menajere in unele tari Nr.crt. Tara Masa specifica [kg/m3] 1 Canada 120 2 Cehia 250 ÷ 300 3 Germania 210 ÷ 230 4 Danemarca 150 ÷ 250 5 Marea Britanie 150 ÷ 250 6 Finlanda 100 ÷ 150 7 Franta 120 ÷ 180 8 Elvetia 120 ÷ 200 9 Israel 250 10 Suedia 140 ÷ 200 11 Polonia 250 ÷ 300 12 Norvegia 100 ÷ 220 13 S.U.A 200 ÷ 300 14 Rusia 350 ÷ 450 15 Romania 300 ÷ 350 Caracteristici calitative ale deseurilor urbane Ca si caracteristicile cantitative, cele calitative difera pe tari si in cadrul acestora de la o localitate la alta in functie de parametrii amintiti anterior. Analizele calitative facute pe plan mondial sunt dificil de comparat datorita faptului ca metodele utilizate sunt variate si difera de la o tara la alta. 1.Granulatia. Se determina prin cernere. In functie de granulatie, materialele se impart in: fine, mijlocii si grosiere. Materialele fine sunt cu o granulatie sub 8 mm, fiind constituite din cenusa, nisip si unele componente organice. Cantitatea de fractiuni fine este determinata in principal de sistemul de inaclzire, in compozitia acestei fractiuni componenta organica fiind mica. Fractiunea mijlocie este constituita din materiale cu granulatie de 8-40mm. Fractiunea grosiera are granulatia mai mare de 40 mm. 2.Compozitia. Se deosebesc urmatoarele grupe de materii: a) materiale compostabile: resturi organice de bucatarie, resturi vegetale, hartie, paie. Din aceasta grupa fac parte in general fractiunile mijlocii din punct de vedere al granulatiei. Grupa poarta denumirea generica de compost. In cadrul acestei grupe o importanta deosebita are determinarea raportului Carbon/Azot [C/N] care caracterizeaza gradul de fermentare a deseurilor si transformarea lui in compost. Raportul C/N se determina in laborator pe probe luate din diferite puncte ale deseului menajer. Raportul C/N se situeaza intre urmatoarele limite: -deseu menajer proaspat C/N = 20 ÷ 35; -compost C/N = 10 ÷ 20; -un bun sol de cultura C/N = 10. b) materiale combustibile: lemn, ambalaje de carton, cauciuc, textile. Aceste materiale se incadreaza in general in fractiunea grosiera. c) materiale neutre, necombustibile si necompostabile: sticla, portelan, ceramica, pietre, caramizi, metale. O importanta deosebita o are continutul de metale care sunt deosebit de poluante in special in cenusi si in composturi. Ponderea cea mai mare din totalul de metale o au : Zn (~36 %), Pb (~22%), Cu (~20%). Se constata ca datorita extinderii, in special in orase, a incalzirii prin termoficare sau alte sisteme centrale, resturile de hartie nu mai sunt arse in gospodarii, ponderea lor in deseurile menajere crescand pana la 3040% din masa lor, in unele localitati ajungand la 50%. Acest lucru este favorizat si de utilizarea pe scara larga a produselor preambalate in hartie sau cutii de carton. Pe langa faptul ca hartia arde bine, ea constituie si o materie buna pentru compostare, marind continutul de substante organice in deseurile menajere precum si capacitatea higroscopica. Pe de alta parte, prezenta hartiei constituie una din cauzele scaderii masei volumice a deseurilor urbane, lucru ce impune folosirea unor recipiente cu volum mai mare si a unor autovehicule de transport capabile sa asigure o compactare mai buna.
Cresterea utilizarii diferitelor produse din materiale plastice (materiale de ambalaj, folii, vase, recipiente, conducte, jucarii, articole de uz casnic) se resimte si in compozitia deseurilor menajere. Ponderea masica a materialelor plastice este de 5÷7%, marea majoritate provenind din ambalaje (75%). Prezenta crescanda a materialelor plastice in componenta deseurilor menajere are efecte similare cu aceea a hartiei si cartonului. Continutul de sticla pe plan european reprezinta ~8% din masa totala, fiind mai mare in tarile unde se folosesc butelii de sticla (ex. pentru bere) de unica folosinta. In tabelul 3.3 se prezinta evolutia caracteristicilor deseurilor menajere din Romania din punctual de vedere al componentei. Tabelul 3.3 – Evolutia componentei deseurilor menajere in Romania Compusi U.M. 1996 2000 Hartie, carton % 13,5 16 Sticla % 5,2 6 Plastic % 5 11 Metale % 5,3 5 Textile % 5 6 Lemn % 1 1 Deseuri alimentare % 46 39 Altele (organice si anorgance) % 20 16 3.Umiditatea. Aceasta caracteristica are un rol decisiv in alegerea procedeelor de neutralizare, ea influentand masa specifica, puterea calorica si intensitatea proceselor de fermentare. Ca valoare, umiditatea totala a deseurilor menajere variaza intre 25 si 60%. In Romania umiditatea este 5060%, fata de 25-40% in restul Europei. 4.Continutul de substante organice. Se determina prin masurarea pierderii in greutate la calcinarea unei mostre de deseuri la o temperatura de 600÷700˚C. Este important deoarece prin descompunerea lor biologica, reziduurile pot deveni materii prime utile pentru agricultura (compost). 5.Puterea calorica. Reprezinta cantitatea de caldura degajata prin arderea unitatii de masa a deseurilor si se exprima in kJ/kg. Importanta este puterea calorica inferioara (Hi), Hi variaza foarte mult in functie de compozitie si umiditate. Valoarea medie a puterii calorice inferioare a deseurilor din Romania este de 2500÷3000 kJ/kg. 3.2 Metode de neutralizare si valorificare a reziduurilor menajere 3.2.1 Aspecte generale Ca metode de administrare a deseurilor menajere se utilizeaza combinatii de tehnici de tratare care variaza de la tara la tara. Aceste tehnici au un impact diferit asupra mediului. Se poate spune ca principala cale de reducere a impactului negativ asupra mediului o reprezinta reducerea cantitatii de deseuri. Principalele obiective ale tehnicilor de tratare sunt: - reducerea volumului si greutatii acestora; - reducerea emisiilor poluante; - recuperarea si refolosirea resurselor. Realizarea acestor obiective este hotarator influentata de educatie si legislatie. Principalele metode de gestionare-administrare a deseurilor menajere sunt: A. Depozitarea simpla; B. Depozitarea controlata; C. Compostarea; D. Incinerarea; E. Piroliza; F. Descompunerea anaeroba. Descrierea sumara a acestor metode: A. Depozitarea simpla. Este prima metoda folosita, ea constand din descarcarea reziduurilor menajere in diverse gropi, foste cariere sau pe terenuri virane fara a se lua alte masuri speciale. Mult timp aceasta era sistemul cel mai des folosit in multe tari, fiind mai ieftin si comod, dar neigienic, inestetic, raspandind mirosuri neplacute, in general periculoase pentru sanatatea publica. Pe masura ce locurile propice depozitarii libere s-au epuizat, orasele s-au extins, cantitatile de deseuri au crescut pronuntat, s-a constat cat de ingrijoratoare este metoda si ce implicatii are asupra mediului. B. Depozitarea controlata. Reprezinta in prezent principala filiera de tratare folosita pe plan mondial. Metoda consta in depozitarea reziduurilor in straturi succesive alternand cu straturi de pamant sau nisip, fiecare fiind nivelat si compactat. In acest mod depozitul de reziduuri nu mai emite mirosuri neplacute, larvele de muste incep sa dispara, sobolanii nu se mai pot dezvolta datorita lipsei de aer si temperaturii de fermentare de circa 6070˚C. C. Compostarea. Se utilizeaza in cazul deseurilor cu un continut ridicat de materiale organice de origine vegetala rapid fermentabile (~50%). Metoda asigura tranformarea partilor fermentabile din deseuri, in urma unor prelucrari speciale, intr-un amendament humo-calcic al solului numit compost, ce contine elemente fertilizante ca azot, acid fosforic, potasiu, utile in tratarea terenurilor agricole. Compostarea se bazeaza pe accelerarea activitatilor naturale a microorganismelor existente in deseuri sau a unor microorganisme specializate inoculate in deseuri, ce transforma substanta organica continuta in acestea in substanta minerala. D. Incinerarea. Este utilizata in cazul deseurilor cu continut ridicat de materiale combustibile (plastic, hartie, carton). Este o metoda de distrugere termica a deseurilor care, in afara posibilitatilor de valorificare a caldurii obtinute, ofera avantajul transformarii deseurilor intr-un reziduu mai putin poluant, mai putin voluminos si redus ca pondere masica in raport cu materia prima initiala. Pe masura cresterii puterii calorice a deseurilor ca urmare a cresterii ponderii materialelor combustibile, sistemele de ardere au fost completate cu recuperatoare de caldura, generatoare de aburi, electrofiltre de epurare a gazelor de ardere, statiile de incinerare devenind adevarate centrale termice. 0 E. Piroliza. Este un procedeu termochimic de transformare a unei substante solide in substanta gazoasa ce condenseaza ulterior la diferite temperaturi separand fractiuni lichide combustibile. Valoarea energetica a produselor obtinute si gradul de extractie depind de conditiile de presiune si temperatura create in reactor cat si de calitatea materiei prime utilizate. Daca primele conditii pot fi controlate, cele de calitate si mai ales constanta acestora, in cazul deseurilor menajere sunt extrem de greu, daca nu imposibil de pastrat. Din acest motiv, in cazul pirolizei deseurilor apar o serie de subproduse ce ridica probleme deosebit de mari de neutralizare, utilizare, poluare. Se pot cita in acest sens: apele fenolice, gudroanele, zgura si semicocsul, ce constituie “reziduurile” reziduurilor primare prelucrate si a caror tratare este uneori cu mult mai
grea decat a deseurilor folosite ca materie prima (gunoi). In acest fel, avantajul obtinerii din deseuri a combustibililor lichizi valorosi este umbrit de problemele mari tehnologice si ecologice ridicate de subprodusele pirolizei. Pentru evitarea acestor inconveniente, produsele gazoase ale pirolizei se ard imediat dupa iesirea din reactor, iar caldura obtinuta se utilizeaza la producerea aburului si pe aceasta cale a energiei electrice. In acest caz, piroliza devine de fapt o gazeificare a deseurilor si daca se tine seama de consumul propriu de energie al reactorului si de pierderile mari de carbon in semicocsul si zgura produsa, randamentul energetic este in unele cazuri mai redus decat in cazul incinerarii. Cercetarile, in sensul dezvoltarii sistemului de pirolizare a deseurilor continua, motivul principal constituindu-l faptul ca piroliza reprezinta singura metoda de valorificare a deseurilor din material plastic, incinerarea lor separata ridicand serioase probleme tehnice si de poluare. E. Fermentarea anaeroba. Fermentarea anaeroba reprezinta una din tehnicile de reciclare a deseurilor care comporta un inalt grad de valorificare a acestora. Se aplica deseurilor cu un continut organic ridicat (exemplu: deseuri din zootehnie, industria alimentara, namoluri obtinute la statiile de epurare orasenesti, deseuri menajere cu faza organica preponderenta) si are ca rezultat obtinerea unui combustibil gazos (biogaz) cu largi utilizari: incalzire, prepararea hranei, generare de energie electrica si termica, reziduurile ramase constituind un material nepoluant care se poate utiliza cu rezultate foarte bune in agricultura ca ingrasamant. In tabelul 3.4 sunt prezentate sisteme de neutralizare-valorificare a deseurilor menajere folosite in unele tari si poanderea acestora. In ce priveste tara noastra, in momentul de fata sistemul depozitarii controlate constituie principala metoda de tratare a deseurilor menajere. S-a optat, ca o metoda de viitor, pentru incinerare ea reprezentand avantajul reducerii volumului deseurilor de circa 10 ori ceea ce duce la o micsorare importanta a spatiilor de depozitare. Apreciem deasemenea ca se vor extinde tehnicile de reciclare cu grad de valorificare ridicat a deseurilor organice: gazeificarea resturilor vegetale, fermentarea anaeroba. Tabelul 3.4 – Sisteme de tratare si eliminare a deseurilor menajere [%] Tara Depozitare controlata Incinerare Reciclare Compostare Netratare Australia 64 20 16 Canda 95 4 1 Danemarca 31 50 18 1 Finlanda 95 2 3 Franta 47,9 41,9 0,6 9,6 Germania 74 24 2 Italia 83,2 13,9 0,6 2,3 Jponia 29,6 27,6 2 Olanda 51 34 15 Polonia 99,9 0,1 Africa de Sud 69,2 20,6 3,1 3,6 3,5 Suedia 35 60 5 Elvetia 20 80 Marea Britanie 88 11 1 S.U.A. 83 6 11 3.2.2 Depozitarea controlata Depozitarea controlata constituie in prezent principala filiera de tratare pe plan mondial. Primele principii ale depozitarii controlate au fost emise in Anglia dupa primul razboi mondial. In Romania au fost aplicate tehnologii de depozitare controlata dupa anul 1948. La realizarea unei bune depozitari controlate a reziduurilor, trebuie avuta in vedere urmatoarea tehnologie: - reziduurile descarcate din autogunoiere se depoziteaza in straturi avand o grosime medie de 1,5 – 2 m; - straturile noi de reziduuri vor fi depuse dupa ce temperatura stratului precedent, rezultata din fermentarea aeroba, a scazut pana la valoare temperaturii solului natural; - reziduurile vor trebui sa fie suficient de compacte pentru a evita golurile mari de aer care favorizeaza autoaprinderea si deci riscul pentru incendierea rampelor pentru depozitare; - compactarea trebuie facuta astfel incat sa permita totusi aerarea reziduurilor in vederea asigurarii fermentarii aerobe; - este preferabil ca straturile de reziduuri sa fie acoperit zilnic cu un strat de 10-30 cm pamant, nisip sau alte materiale inerte. Prin luarea acestor masuri, depozitul de reziduuri nu mai emite mirosuri neplacute, larvele de muste incep sa dispara, sobolanii nu se mai pot dezvolta, datorita lipsei de aer si temperaturii de fermentare de circa 60-70˚C. Alegerea terenului pentru depozitarea controlata Terenul necesar pentru depozitarea reziduurilor menajere trebuie stabilit de comun acord cu organele locale agricole, sanitare si de protectie a mediului, avand la dispozitie studii hidrogeologice si topografice care sa permita stabilirea masurilor pentru a evita riscurile unei poluari a apelor subterane sau de suprafata prin infiltratii sau scurgeri de suprafata. Amplasarea terenurilor de depozitare controlata trebuie sa fie studiata si din punct de vedere a distantei fata de aglomerarile umane, al directiei vanturilor dominante, al pozititei fata de sursele de apa si de alte obiective fata de care trebuie pastrata o zona de protectie sanitara. In Romania conform “Codului European” pus la punct de Organizatia Mondiala a Sanatatii, distanta de protectie este limitata la 1000m. Pozitia rampei de depozitare se alege astfel ca directia vanturilor dominante sa fie dinspre obiectivele importante catre rampa de depozitare. Rampele de depozitare controlata trebuie sa fie amplasate in aval de obiectivele de alimentare cu apa din subteran, deoarece chiar in conditiile luarii de masuri de protejare a apelor subterane, pot apare exfiltratii de ape poluate din depozit catre apele freatice. Printre masurile de impiedicare a patrunderii apelor poluate din reziduuri in apele subterane, se numara impermeabilizarea stratului de baza al rampei de depozitare controlata. Impermeabilizarea se face cu argila bine compactata sau cu alte materiale sintetice cum ar fi cauciucul butilic. In ultimul timp s-a recurs la betonarea fundului rampei. Aceste procedee implica realizarea unor sisteme de drenaj a apelor din depozitul de reziduuri care vor fi captate in aval si evacuate, dupa o prealabila tratare, in apele de suprafata sau prin infiltrare in sol. Impermeabilizarea terenului rampei de depozitare controlata este foarte costisitoare, reprezentand aproximativ 50% din cheltuielile de investitii ale unei rampe. Pentru a mentine costurile relativ mici si pentru a se crea posibilitati de urmarire mai buna asupra poluarii mediului, exista tendinta de realizare a unor rampe mari, in dauna criteriilor economice privind costul transportului care indica construirea mai multor rampe de capacitate mai mica situate la distante optime de zonele de colectare. Se recomanda existenta unei rampe la 100 000 ÷ 300 000 locuitori. Terenurile folosite pentru depozitarea controlata a reziduurilor sunt de obicei urmatoarele: - vechi cariere de materiale de constructie; - zonele joase din albiile majore ale raurilor care trec prin apropierea localitatilor; - albiile unor foste rauri care au secat sau au fost deviate.
La alegerea terenurilor trebuie sa se tina seama de o serie de conditii geologice si hidrologice printre care: - depozitele realizate pe calcare fisurate nu se pot folosi decat in cazul in care in aval nu exista nici o captare de apa potabila; - in cazul realizarii depozitelor pe nisipuri nealuvionare, grosimea stratului de nisip trebuie sa fie suficient de mare pentru a se asigura epurarea apelor care strabat depozitul de reziduuri. Aceste depozite au avantajul ca nu exista riscul acumularii apelor toxice la baza depozitului care sa impiedice fermentarea aeroba a reziduurilor; - depozitele realizate pe marne si argile au avantajul impermeabilitatii, nepermitand patrunderea apelor toxice din depozit catre panza freatica, dar in acelasi timp permit acumularea apelor toxice la baza depozitului determinand fermentarea anaeroba a reziduurilor in aceasta zona si necesita cheltuieli suplimentare pentru realizarea de drenaje si pentru tratarea apelor provenite din depozit; - realizarea depozitelor pe aluviuni uscate este permisa numai in situatia cand din studiul hidrologic elaborat nu rezulta pericolul poluarii apelor subterane sau de suprafata prin inundare; - in lipsa unor depresiuni naturale este posibil ca depozitarea controlata sa fie realizata pe terenuri plate, neproductive sau putin productive. Se creaza astfel coline de reziduuri avand inaltimi care sa asigure stabilitatea acestora. Sistemul are avantajul unui control mai usor al comportarii in timp a depozitului. Dimensionarea rampelor de depozitare controlata Rampele de depozitare controlata trebuie sa asigure primirea reziduurilor pe o perioada de mai multi ani. Pentru calcularea suprafetei si a volumului disponibil pentru depozitare se recurge la planuri topografice si la unele profile transversale care dau o imagine exacta asupra terenului destinat viitoarei rampe. Dupa determinarea cantitatii anuale medii de reziduuri colectate din zona deservita se calculeaza capacitatea depozitului astfel:
Vteor = Q0 + ( 1 + k ) Q0 + ( 1 + k ) Q0 + ( 1 + k ) Q0 + ... + ( 1 + k ) 2
= Q0
3
n −1
Q0 =
(1 + k ) n − 1 (1 + k ) − 1
Vd =
Vteor m
;
Q (1 + k ) − 1 Vd = 0 m k n
[m3]
Vd este volumul rampei de depozitare necesar pentru “n” ani, in m 3; Q0 – cantitatea medie anuala de reziduuri, m3/an; k0 – coeficientul anual de crestere a cantitatii reziduurilor; Se poate considera o crestere de 5 % pe an, k 0 = 0,05. n – numarul de ani care intentioneaza sa se prevada depozitarea, n = 10 ÷ 25 ani. m – coeficient care tine seama de compactare in depozit, m = 2 ÷ 4 in functie de masa specifica a reziduurilor. Tehnica realizarii rampelor de depozitare controlata In functie de tehnologia aplicata rampele de depozitare pot fi realizate in mai multe moduri: a) rampe de depozitare controlata obisnuite (fara prelucrari speciale ale reziduurilor). Realizarea acestora se face luand in consideratie urmatoarele prescriptii cu caracter general: - inainte de inceperea depozitarii se vor lua toate masurile indicate in studiul hidrologic privind protectia apelor subterane si de suprafata: indiguiri, drenari, impermeabilizarea fundului, santuri de gard pentru protectia depozitului fata de scurgerea apelor de ploaie; - suprafata destinata formarii depozitului va fi separata in parcele de 1000 ÷ 10000 m 2 in functie de cantitatea zilnica ce urmeaza a fi depozitata; - reziduurile vor fi depozitate in straturi de 1,5 ÷ 2 m inaltime dupa ce in prealabil s-a decopertat stratul vegetal care va fi folosit fie la acoperirea finala a unui depozit mai vechi, fie la acoperirea finala a depozitului ce se realizeaza pe acelasi teren; - descarcarea reziduurilor din autogunoiere se face cat mai aproape de locul de depozitare, de unde vor fi imprastiate si compactate cu ajutorul buldozerului. Compactarea se face in straturi cat mai subtiri pentru a sfarama obiectele voluminoase si a micsora golurile mari de aer; - straturile astfel realizate vor fi acoperite zilnic sau cel mai tarziu la 48 ore (in caz de conditii favorabile, temperaturi scazute, aer uscat etc.) cu un strat de 10 ÷ 30 cm de material inert uscat; - in cazul in care se prevede realizarea rampei din mai multe straturi de 1,5 ÷ 2 m inaltime fiecare, urmatorul strat se va realiza numai dupa ce temperatura din stratul anterior a scazut la temperatura solului natural; - dupa depozitarea ultimului strat de reziduuri se va face o acoperire cu un strat de pamant vegetal - nisipuri neargiloase de 0,6 ÷ 1,5 m grosime, imprastiat si compactat cu aceleasi mijloace folosite pentru reziduuri; - rampele de depozitare trebuie sa fie imprejmuite cu garduri demontabile care trebuie sa inchida suprafetele pe care se depoziteaza reziduurile pe o perioada de 1 ÷ 2 ani. b) rampe de depozitare controlata compactate Se realizeaza o compactare mai mare decat in rampele obisnuite. Aceasta compactare se face cu compresoare de mare capacitate. Rampele de acest tip se realizeaza de regula in straturi de 0,8 m grosime. Avantajele acestui sistem rezida in utilizarea mai buna a volumului depozitului, reducerea riscurilor aparitiei inciendiilor, sunt diminuate tasarile ulterioare si au un aspect general mai placut. c) rampe de depozitare controlata cu prelucrare prealabila a reziduurilor Sistemul este de data mai recenta - inceputul anilor ’70. Inaintea de depozitare reziduurile sunt macinate. Compactarea trebuie sa fie usoara pentru a permite aerarea materialului in vederea fermentarii aerobe. Dimensiunile elementelor obtinute dupa macinare sa fie aproximativ 50 mm. Depozitarea se face in straturi foarte subtiri de 30 ÷ 40 cm, dupa care se face o compactare usoara. Sistemul nu necesita acoperiri intermediare cu pamant sau materiale inerte. Ca avantaje ale acestei metode mentionam: - cresterea capacitatii rampei de circa 2 ori; - creeaza posibilitatea trecerii de la o depozitare controlata la o compostare cu fermentare naturala; - aspect satisfacator din punct de vedere sanitar. Aceste avantaje trebuie puse in balanta cu cheltuieli suplimentare care le solicita in special pentru realizarea statiei de macinare si sortare. In general rampelor de depozitare controlata se pot da utilizarii dupa inchiderea acestora si terminarea procesului de fermentare aeroba. Experienta a aratat ca rampele pot fi redate in circuitul economic dupa 1 - 2 ani de la asezarea ultimului strat de acoperire, astfel: - transformarea in depozite de compost care se poate obtine prin cernerea reziduurilor fermnentate; - realizarea unor constructii usoare ca: terenuri de sport, parcuri etc.; - redarea in circuitul agricol. in care:
In Romania sunt multe realizari de acest fel, unele constituind excelente zone de agreement. Exemplu actualul parc de langa Circul Bucuresti realizat pe fosta rampa Tonola sau parcul din cartierul Giulesti. In figura 3.1 se prezinta detalii ale unei solutii de acoperire finala a unui depozit de deseuri [3].
Fig 3.1 Solutie de acoperire finala In figura 3.2 este prezentata schema unei solutii de etansare a bazei depozitului de deseuri pentru prevenirea contaminarii apelor subterane cu produse rezultate in depozit in urma fermentarii.
Fig. 3.2 Solutie de etansare a bazei depozitului In cazul in care terenul de amenajare a depozitului este plan iar panza de apa subterana este la o adancime suficienta (≥ 100 m) se poate adopta solutia din figura 3.3.
Fig.3.3 Amenajarea depozitului pe teren plan In cazul terenurilor denivelate se poate recurge la varianta de amenajare din figura 3.4.
Fig.3.4 Amenajarea depozitului pe teren denivelat In figurile 3.3 si 3.4 semnificatia notatiilor este: a – deseuri; b – strat de pamant; c – strat final de acoperire; d – etansare; e – strat drenant din piatra sparta sau pietris; f – rigola de colectare a apelor pluviale. 3.2.3 Principii de baza ale elaborarii tehnologiilor compostarii industriale Spre deosebire de marea majoritate a proceselor industriale, compostarea nu poate fi solutionata cu o tehnologie unitara si bine precizata. La elaborarea acesteia trebuie avute în vedere: - Sortimentele de materiale ce urmeaza a fi compostate; - Cantitatea, calitatea şi ritmul de producere a deseurilor; - Tipul compostului ce se doreste a se produce; - Posibilitatile economice si tehnice. Astfel, se stabilesc anumite elemente care trebuie luate in calcul. La amplasarea si proiectarea uzinei de compostare, trebuie luate masuri pentru impiedicarea inmultiri mustelor si rozatoarelor, degajari prafului si mirosurilor neplacute, poluari solului, a panzei freatice si a apelor de suprafata. Intre amplasamentul uzinei de compostare si localitatea cea mai apropiata se va asigura o distanta corespunzatoare in functie de tehnologia aplicata (200 m - tratare inchisa, 1000 m - tratare deschisa). Pentru evitarea degajari de mirosuri si a inmultirii mustelor ca urmare a descompuneri spontane a reziduurilor crude transportate si stocate in uzina, capacitatea acesteia trebuie astfel dimensionata incat reziduurile aduse sa poata fi prelucrate continuu (imediat). Se va avea in vedere prevenirea infestari muncitorilor prin verificarea conditiilor igenico-sanitare corespunzatoare. Produsul finit al uzinei (compostul) trebuie sa fie inofensiv (neutru) pentru ca in timpul transportului si al utilizari sa nu infesteze mediul si sa nu contamineze vegetatia. Din punct de vedere economic, compostarea, pe langa rolul de a produce ingrasamant, constituie si un procedeu de neutralizare a gunoaielor care este justificat a fi aplicat chiar daca compostul se vinde sub pretul de productie sau se da spre utilizare gratuit. Aplicarea procedeului de neutralizare prin compostare nu depinde exclusiv de nevoile agriculturi, el fiind in primul rand un serviciu de interes sanitar, in unele cazuri costurile fiind acoperite prin bugetul de stat sau comunal. Tehnologii si instalatii utilizate in uzinele de obtinere a compostului Succesiunea si numarul operatiilor care au loc pentru obtinerea compostului se pot modifica in functie de tipul procesului, insa se disting trei grupe principale: - pregatirea materiei prime; - maturizarea sau producerea compostului crud; - compostarea propriu-zisa.
Procesele mecanice si biologice care au loc in timpul prelucrarii nu pot fi despartite intre ele, acestea intercalandu-se, fiind chiar in mod voit unite pentru limitarea cheltuielilor la minim posibil. Tendinta generala in uzinele de compost este accelerarea proceselor de descompunere iar aceasta se obtine prin pregatirea corespunzatoare a reziduurilor crude si prin adaos de aer in cantitati necesare pentru descompunerea substantelor organice. Pentru executarea unor operatii specifice sunt utilizate diverse instalatii, mijloace si masini, mare parte dintre acestea fiind folosite si in alte ramuri industriale, in special cele folosite la pregatirea materiei prime, pentru manipularea, transportul si dozarea materialelor. Cerintele de baza pentru instalatiile si masinile utilizate in uzinele de compost sunt urmatoarele: - constructie simpla; - fiabilitate ridicata; - sa nu constituie elemente de strangulare a capacitatii de lucru in cadrul fluxului; - sa aiba rezistenta mare la uzuri mecanice si la actiunile corozive. In schema urmatoare se prezinta fazele de lucru la o uzina de compostare care prelucrează in comun reziduuri menajere solide si namoluri de epurare a apelor reziduale orasenesti. a a a a
CANTARIRE
STOCARE
c
c
b
b
CERNERE
Separare metale feroase
I
Sortare dupa dimensiuni
d
e
f
d
e
f
Sfaramare
Ardere
d
Deshidratare Uscare Namoluri
Stocare fractii fine
d
d
d
d AMESTECARE
g
h
SEPARARE MATERIALE DURE
i
II MATURIZARE
In care: I Pregatirea materiei prime; II Maturizare (producerea compost crud). a - gunoaie proaspete solide; b - maluri si ape fecalo-menajere; c - bucati metalice feroase; d - fractiune fina; e - gunoaie cu granulatie medie; f - fractiune grosiera; g - maluri deshidratate; h - cenusa; i - compost crud. Pregatirea materiei prime Rcomandari privind alegerea si utilizarea materiilor pentru realizarea compostului. a) Structura compostului sa cuprinda cat mai multe straturi de materiale deoarece in procesul de compostare acestea se completeaza reciproc fizic, chimic si biologic, asigurand cresterea valorii de utilizare a produsului finit. Este de preferat prelucrarea comuna a materialelor solide si lichide, procedeu foarte avantajos din punct de vedere sanitar, completarea reciproca fiind foarte buna (continut de umiditate foarte bun, raport carbon/azot [C/N] imbunatatit etc.).
b) Materialele daunatoare sau de strangulare a descompunerii (cele care se descompun greu) sa fie sortate si inlaturate, eventual compostate separat. c) Imbunatatirea calitatii compostului prin adaos de materiale complementare, marindu-se valoarea de utilizare. Astfel, la materialele de baza la care continutul pamantos si mineral este redus, se recomanda adaugarea de argila sau bentonita, fortandu-se formarea in procesul de descompunere a unor complexe argilo-humice utile. Procesul de compostare este ajutat prin adaugarea de ingrasaminte chimice (1 ÷ 2%). In cazul materiilor sarace in calcar se recomanda adaugarea de materiale cu continut calcaros, care impiedica si procesul de acidulare. Aplicarea directa a adjuvantilor se face dupa faza de pregatire, la maturizare. Principalele operatii de pregatire a materiilor prime sunt: 1. Cantarirea - Are drept scop introducerea controlata in flux a unei cantitati corespunzatoare capacitatii de lucru nominale a uzinei. Se utilizeaza cantare tip bascula. 2. Stocarea - Se face pe perioade limitate in buncare tampon care sa asigure alimentarea continua a utilajelor de pregatire. Buncarele de stocare vor fi echipate cu usi cu inchidere/deschidere mecanizata (eventual automatizate) iar in zona se vor monta instalatii de aspirare a prafului si aerului viciat. La uzinele mici si mijlocii buncarele sunt deservite de instalatii de transport montate la partea inferioara. Se utilizeaza transportoare cu banda de latime 1÷2 m, cu viteza de deplasare reglabila pentru modificarea capacitatii de transport in functie de necesitate. Cele mai adecvate sunt benzile de cauciuc cu insertie textila sau din material plastic in cazul transportorului gunoaielor crude. Benzile simple au dezavantajul ca functioneaza la unghiuri de inclinare < 20˚. Pentru distante scurte si diferente de nivel mari se folosesc benzi transportoare prevazute cu nervuri sau transportoare cu raclete ce functioneaza in jgheaburi formate din placi laterale, putandu-se asigura transportul pana la unghiuri de 75˚. Pentru transportul pe verticala sunt utilizate elevatoare cu cupe. In cazul distantelor de transport scurte in uzinele de compost sunt utilizate transportoare vibratoare sau elicoidale. Transportoarele vibratoare (la care transportul se produce prin alunecarea materialului in jgheaburi ce au miscare oscilatorie) au o rezistenta mare la actiuni mecanice iar in timpul transportului asigura o afanare si omogenizare a materialului. Transportoarele elicoidale nu sunt recomandate pentru gunoaie grosiere cu un continut mare de textile, acestea putandu-se infasura pe arborele melcului si bloca miscarea. La uzinele mari pe langa buncarele prevazute cu transportoare cu benzi, raclete, oscilante sau elicoidale se construiesc buncare de depozitare adanci care sunt deservite de macarale cu greifer in vederea golirii. 3. Cernerea (ciuruirea)- Cernerea reprezinta o operatie de baza a procesului de pregatire si are drept scop sortarea dupa dimensiuni (granulatie) a materialelor. Se utilizeaza: - ciururi rotative cu tambur cilindric, care au o constructie de inaltime relativ mare, datorata montarii in cascada a mai multe sectii in functie de numarul de fractiuni ce se realizeaza; - ciururi plane, formate din site oscilante plane care prezinta pericol mare de infundare (obturare a orificiilor). Pericolul de infundare apare datorita materialelor textile, resturilor vegetale si a unor materiale plastice ca si resturilor de sticla si ceramica. In prima faza se face separarea fractiilor fine care se adauga ulterior la materialele de compost. Separarea fractiilor fine usureaza efectuarea urmatoarelor operatii de pregatire: sortarea manuala, separarea magnetica, sfaramarea. 4. Separarea materialelor feroase - Se utilizeaza diverse tipuri de separatoare magnetice. Solutia cea mai utilizata este aceea in care, pe tamburul de actionare a benzii de transport se găsesc montate elemente magnetice (magneti permanenti) (fig. 3.5).
Fig.3.5 Separator magnetic Se mai folosesc pentru extragerea bucatilor de materiale feroase si benzi magnetice de lungime mica montate deasupra benzii principale de transport a reziduurilor. In partea din mijloc a benzii sunt montati electromagneti puternici ficsi, care atrag fierul din gunoi, urmand ca in procesul de transport in zona nemagnetica acesta sa fie separat pe un alt traseu prin cadere libera. Benzile magnetice pot fi longitudinale (fig. 3.6) sau transversale (fig. 3.7) in raport cu banda principla. In figurile 3.5, 3.6, 3.7 a reprezinta traseul corpurilor metalice feroase iar b traseul materialelor neferoase.
Fig.3.6 Banda magnetica longitudinala
Fig.3.7 Banda magnetica transversala Cu aportul separatoarelor mentionate nu pot fi extrase toate reziduurile feroase. Unele, cum ar fi cele de dimensiuni mici (lame, ace etc.) fiind inglobate in masa celorlalte componente nu sunt prinse de banda. Pentru acestea se prevede o noua etapa de separare cu electromagneti rotativi dupa afanarea gunoaielor cand acestea sunt transportate cu transportoare vibratoare. 5. Separarea altor tipuri de materiale - Materialele dure (pietre, sticla, ceramica, metale neferoase) chiar si in forma sfaramata inrautatesc calitatea compostului. Prin ciuruire se pot elimina numai cele cu dimensiuni relativ mari, astfel ca a fost necesara realizarea unor instalatii cu ajutorul carora sa poata fi extrase si fractiunile mai marunte ale acestor materiale dure. Se utilizeaza: buncare de separare, separator aruncator si separator cu banda inclinata; functionand pe principiul diferentelor intre proprietatile fizice ale materialelor separate fata de cele ale restului materialelor. Buncarul de separare (fig. 3.8) este alimentat de transportorul cu banda 1 care aduce materialele sfaramate in cosul de alimentare 2, de unde rotorul aruncator cu palete 3 le arunca cu viteza periferica relativ mare. Datorita densitatii, formei si coeficientului de rezistenta a aerului diferite, particulele sunt aruncate la distante diferite ajungand in compartimente diferite ale buncarului: a - materiale organice (fractie usoara); b - fractie grea. In cazul separatorului aruncator (fig. 3.9), materialul este aruncat de banda cu viteza mare pe suprafata unei placi fixe montata inclinat fata de verticala. Datorita coeficientului de restituire la ciocnire diferit, materialele dure vor ricosa pe placa in compartimentul b) al buncarului. Materialele usoare, cu coeficient de restituire mic, vor cadea prin alunecare pe placa pe suprafata unui cilindru care le antreneaza in compartimentul a).
Fig. 3.8 Buncar de separare
Fig.3.9 Separator aruncator
Separatorul cu banda inclinata (fig. 3.10) este format din transportorul de separare 2 montat inclinat sub transportorul cu banda 1 care aduce materialul in stare afanata aproximativ in zona centrala a separatorului 2. Unghiul α se alege intre valorile unghiurilor de frecare ale materialelor dure (grele) si materialelor organice (usoare). In acest fel, materialele grele, cu coeficient de frecare mai mic, se deplaseaza in jos prin alunecare sau rostogolire, iar materialele usoare cu coeficient de frecare mai mare se deplaseaza odata cu banda in sens ascendent si sunt deversate in compartimentul a). Viteza de deplasare a benzii de separare si unghiul α pot fi reglate in functie de natura materialelor ce trebuiesc separate. Pentru extragerea din gunoaie a materialelor foarte usoare (hartie, plastic, folii) sunt utilizate instalatii de separare pneumatica prin aspiratie sau refulare.
Fig. 3.10 Separator cu banda inclinata Maturizarea materiei prime pregatite Reprezinta cea mai importanta operatie a procesului de compostare, ea constand din descompunerea substantelor organice pe cale biochimica. Acest proces se desfasoara pe mai multe faze si este influentat decisiv de compozitia, omogenitatea si umiditatea substantelor organice folosite, cat si de cantitatea de aer utilizata in procesul de descompunere. Faza de inceput a maturitatii o reprezinta producerea compostului proaspat (crud), scopul operatiei fiind pe de o parte aerisirea, iar pe de alta parte amestecarea materiilor prime aflate in diferite stadii de descompunere. Cele mai bune dispozitive de intoarcere-amestecare sunt cele care asigura si o destramare-sfaramare a materialelor. Pierderile de umiditate aparute ca urmare a evaporarii in timpul dezagregarii pot ingreuna procesul de descompunere. Aceste pierderi sunt cel mai bine compensate prin stropirea uniforma in timpul operatiei de intoarcere-destramare. Daca materiile supuse compostarii sunt prea uscate trebuie asigurata si o stropire in timpul procesului de descompunere. Procese de compostare. Tipuri de uzine de compostare Procedeele simple de compostare sunt cunoscute de foarte mult timp. Dupa al II-lea razboi mondial in tarile Europei de Vest au fost intreprinse multe cercetarii in domeniu. Au fost astfel elaborate multe procedee de compostare aplicate in diverse tipuri de uzine in scopul satisfaceri cerintelor locale, foarte variabile cu privire la neutralizarea deseurilor menajere (in scopul protejarii sanatatii oamenilor si protectiei mediului) si cu privire la obtinerea unor materiale utile pentru agricultura. Uzinele de compostare pot fi grupate in trei categorii principale: 0 Sistem de compostare deschis → intregul proces de compostare are loc pe teren deschis, in aer liber; 1 Sistem de compostare inchis → intregul proces si toate operatiile componente au loc in spatii inchise; 2 Sistem de compostare partial inchis → o parte din proces (ex. prematurizarea) cu o durata de timp limitata, are loc in spatii inchise, in continuare compostarea facandu-se pe teren deschis, in aer liber. Sistemele de compostare deschise se pot clasifica in doua grupe: cu sau fara tratarea prealabila a deseurilor. In cazul sistemelor inchise, in timpul maturizarii materialele pot fi in miscare continua, in mişcare periodica sau nu sunt miscate. A1. Sistem deschis fara tratarea prealabila a materiei - Procedeul Van Maanen Gunoaiele transportate la uzina pe calea ferata sau cu autocamioane, sunt descarcate si stivuite pe terenul de compostare in halde prismatice de 6 m inaltime. Operatiile de descarcare si stivuire sunt realizate cu ajutorul unor macarale greifer rotative. Maturizarea in halde dureaza 6-8 luni, reziduurile de dimensiuni mari (cutii metalice, de carton, lazi de lemn etc.) ramase in halda permitand formarea de goluri in care se acumuleaza aerul necesar descompunerii (halda nu se compacteaza). Materia maturizata este ciuruita fara sfaramare, se separa materialele feroase cu separatoare magnetice si corpurile dure cu separatoare balistice. Materialele ramase dupa ciuruire sunt depozitate si utilizate la umplerea unor gropi (fractii de dimensiuni mari, pietre, ceramica). Materia organica maturizata se foloseste direct pe terenurile agricole. Procedeul permite compostarea unei cantitatati mari de reziduuri menajere cu mijloace tehnice reduse si investitii minime. Timpul de maturizare este insa foarte lung, cantitatea de material rezidual este mare iar calitatea compostului final lasa de dorit. Suprafata necesara este mare si apar probleme de poluare a atmosferei, fiind necesar ca amplasarea sa se faca la distanta mare fata de localitati. A2. Sistem deschis cu pregãtirea materiei - Sistemul Baden-Baden (fig.3.11) Gunoaiele colectate sunt descarcate din mijloacele de transport in bazine de stocare construite din beton. De aici sunt incarcate cu o macara greifer pe o banda rulanta si transportate intr-o cladire inchisa unde sunt ciuruite. Fractiunea fina (< 40 mm) este transportata partial la terenul de compostare realizat in aer liber, unde sunt folosite la acoperirea haldelor prismatice realizate din materialul prelucrat in cotinuare (fractiunea medie si grosiera). Cealalta parte din fractiunea fina se amesteca cu fractiunile obtinute dupa indepartarea materialelor mari necompostabile si obiectelor metalice feroase. Din fractiunea > 40 mm se sorteaza manual reziduurile de dimensiuni mari (textile, peturi, plastic, cutii etc.) iar fierul este extras cu electromagneti si presat in baloturi. Materialele compostabile ramase sunt amestecate cu namoluri fecalo-menajere fermentate si uscate si cu fractiunea fina. Amestecul este transportat cu vehicule pe terenul de compostare si depozitat in halde prismatice inalte de 3,5 m si late de 8 m. Maturizarea dureaza 8 luni fara intoarcerea materialului, temperatura in halde ajungand la 65 ÷ 75˚C. In partea inferioara a haldelor, pe directie longitudinala, sunt montate
o serie de conducte din beton, perforate, in scopul aerisirii. Prin aceste conducte sunt preluate gazele toxice rezultate in procesul de descompunere cu ajutorul unor ventilatoare si evacuate intr-un cos „de fum” de 25 m inaltime. Dupa maturizare materialele din terenul de compostare sunt macinte cu un concasor cu ciocane si cernute. Ca urmare a timpului mare necesar desfasurarii procesului de compostare, procedeul necesita o supafata mare de teren. Distanta minima fata de localitati este de 1000 m. Prima uzina de acest fel a fost realizata in Germania. In figura 3.11 se prezinta schema tehnologica a procedeului Baden-Baden, unde s-au notat: a) maluri de ape fecalo-menajere; b) gunoi proaspat; c) materiale rezultate la sortarea manuala (mari); d) fier; e) materii reziduuale (nefaramitate); f) compost maturizat; 1 – buncar gunoaie; 2 - melc de alimentare; 3 - ciur; 4 - sortare manuala; 5 - separare fier; 6 - presa balotat fier; 7 - amestecator; 8 - rezervor maluri fecalo-menajere; 9 - uscator; 10 - compostare pe teren liber in halde prismatice aerisite; 11 - instalatie de sfaramare-concasare (mori cu ciocane); 12 - ciuruire posterioara. b a
c d
e f
Fig. 3.11 Schema tehnologica a procedeului Baden - Baden A3. Procedeul BRNO Se aplica intr-o uzina de compostare mare, care functioneaza pe teren deschis cu maturizarea in halde prismatice inalte de 4-6 m si late de 8-10 m, prelucrand mai multe tipuri de reziduuri (gunoaie menajere, maluri de ape fecalo-menajere, maluri provenite din fabricile de zahar si alcool). Gunoaiele sunt supuse in primul rand la sfaramare si ciuruire. Malul lichid de ape fecalo-menajere este transportat in uzina prin pompare de la o statie de tratare aflata la o distanta de circa 1,5 km. Amestecarea malurilor cu gunoiul se face prin imprastiere cu ajutorul unei instalaţii speciale iar materialul rezultat este amestecat cu macarale greifer. Datorita faptului ca aerisirea pe parcursul maturizarii este necorespunzatoare, procesele de descompunere sunt in majoritate anaerobe ceea ce conduce la degajare de mirosuri neplacute, lucru care impune amplasarea acestor tipuri de uzine la distante mari de zonele locuite. O asemenea uzina a fost construita la 1,5 km de Brno, iar o alta similara la 15 km de Praga unde sunt aduse de la instalatiile de ardere din Praga numai gunoaiele cu granulatie fina separate anterior arderii fractiilor grosiere. In acest caz nu mai este necesara sfaramarea. Capacitatea de productie a uzinei este de 40.000 tone/an compost. A4. Procedeul DORR-OLIVER Esenta procedeului este reprezentata de ciurul special de sfaramare construit de Dorr (Olanda), cu ajutorul caruia, inainte de maturizare, materia prima este ciuruita si sfaramata. In cadrul uzinei gunoaiele sunt transportate cu doua benzi transportoare paralele si sunt sfaramate in doua ciururi. Cantitatea de reziduuri ramase pentru ciuruire (dupa separarea fractiilor de dimensiuni foarte mari si a fierului) este mare, ca si suprafata de teren necesara. Tehnologia este simpla dar implica multe operatii manuale. Costurile cu investitiile si exploatarea sunt reduse. Ciururile speciale de sfaramare, datorita calitatilor dovedite in procesul de lucru sunt folosite si in alte tipuri de uzine ca instalatii de sfaramare. In figura 3.12 este reprezentata schema procedeului Dorr-Oliver, schema in care s-au notat: - gunoaiele proaspete; - materii sortate (eventual utilizabile); - fier; - rest de ciur; - materii dure; - compost crud; - compost maturat; si cu: 1 - buncare primire; 2 - banda sortare manuala; 3 - separator magnetic; 4 - ciur de sfaramare; 5 - buncar separare materiale dure; 6 - instalatie sfaramare cilindrica; 7 - banda transportoare cu miscare de rotatie; 8 - halde prismatice de compost. Pe parcursul maturizarii, ca urmare a procesului de aerisire insuficient realizat se poate produce descompunerea anaeroba, caz in care se intervine si se intoarce materialul in halde sau se realizeaza orificii de aerisire prin strapungere.
g
Fig. 3.12 Procedeul Dorr - Oliver Sistem de compostare inchisa Procesul TECNITALIA Fiecare operatie (pregatirea materie prime, compostarea, arderea materiilor reziduuale etc.) este efectuata in hale inchise. Toate operatiile de manipulare a reziduurilor sunt realizate cu o macara greifer cu cupa de 1 m 3. Macaraua este montata pe o constructie metalica, deasupra liniei tehnologice si comandata de un singur operator dintr-o cabina inchisa ermetic cu aer conditionat. Reziduurile aduse cu vehicule de transport sunt descarcate intr-un siloz de stocare din beton armat, inchis cu o usa de intrare actionata automat. Din silozul de stocare reziduurile sunt incarcate cu macaraua greifer in instalatia de sfaramare. Urmeaza operatia de sortare in trei fractii: fina, mijlocie, grosiera, cu ajutorul unui ciur cu tambur cilindric. Fractiunea fina este depozitata pe pardoseala unei hale inchise, pe o inaltime de cativa metri si supusa maturizarii timp de 7 zile, dupa care este valorificata drept compost proaspat sub denumirea comerciala de NUTRISOL. Fractiunea mijlocie este depozitata de asemenea in gramezii si supusa maturizarii timp de 30-40 zile dupa care este readusa la instalatia de sfaramare, procesul repetandu-se de mai multe ori. Fractiune grosiera este sfaramata in doua instalatii de sfaramare si uscata intr-un tambur rotativ, dupa care este arsa in cuptoare de ardere. Pentru uscare sunt folosite gazele de ardere. Dupa ardere, fierul este extras cu electromagneti din zgura si cenusa si presat in baloturi de cate 30 kg. B.
Fig. 3.13 Procedeul Tecnitalia
Avantajul procedeului consta in faptul ca toate operatiile se desfasoara in spatii inchise, iar in procesul de maturizare materiile sunt recirculate. Se asigura o amestecare si o aerisire foarte buna, intensitatea descompunerii crescand. Tot procesul este realizat mecanizat, cea mai mare parte din operatii fiind automatizate, numarul personalului de exploatare fiind foarte mic. Uzina poate fi amplasata intr-un spatiu relativ restrans, situat in apropierea localitatilor. Cea mai mare uzina de acest tip din Italia este construita langa orasul Lucca si prelucreaza gunoaiele produse de 100.000 locuitori. Intregul proces este realizat cu 4 muncitori. In figura 3.13 este prezentata schema tehnologica a procedeului TECNITALIA. S-au notat: 1 - buncar stocare; 2 - macara deplasabila; 3 - greifer; 4 - cabina comanda; 5 - instalatie sfaramare (amestecator); 6 - ciur rotativ; 7 - fractie mijlocie recirculata; 8 - materii fine (Nutrisol); 9 - instalatie sfaramare; 10 - cazane de ardere; 11 – comanda; 12 - instalatie sortare zgura; 13 - separator magnetic; 14 - instalatie sfaramare; 15 presarea fierului; 16 - cenusa fina. 3.2.4 Arderea deseurilor menajere Consideratii generale Cel mai corespunzator procedeu pentru arderea gunoaielor este arderea fara adaos de combustibil auxiliar. Procedeele la care arderea se realizeaza prin amestecare cu alte forme de combustibil se utilizeaza numai in cazuri extreme. Astfel, daca se utilizeaza arderea gunoaielor in centrale de termoficare, este preferabil ca arderea carbunelui sau a altor combustibili sa se faca in cazane separate de cele care utilizeaza gunoiul, iar energia termica rezultata prin cele doua metode sa se foloseasca in comun. Alegerea incinerarii ca metoda de distrugere a gunoaielor asigura o neutralizare rapida si completa a acestora. Un avantaj indiscutabil este faptul ca statiile in care are loc incinerarea au nevoie de suprafata relativ mica si pot fi amplasate in apropierea localitatilor ceea ce duce la reducerea cheltuielilor de transport. Poluarea mediului poate fi redusa la minim prin utilizarea unor filtre corespunzatoare. Astfel, cenusa rezultata poate fi retinuta din gazele de ardere cu ajutorul unor instalatii adecvate astfel incat volumul materiilor poluante eliminate in atmosfera prin cosuri de fum de inaltimi corespunzatoare sa fie mic. Dazavantajul procedelui consta in principal in costurile mari de investitii si de exploatare, derivate din urmatoarele cerinte: instalatiile necesita personal bine pregatit si de innalta calificare; apar fenomene de coroziune, ceea ce necesita construirea unor instalatii de rezerva; trebuie avute in vedere variatiile ce pot apare in compozitia materiei destinata arderii; este necesar sa se imbunatateasca calitatile calorice ale materialului ars, in special datorita variatiilor provocate de modificarea compozitiei gunoaielor pe anotimpuri. Incinerarea este influentata de doua aspecte esentiale: calitatea materiei prime; tehnologia de ardere. In definirea calitatii materiei prime sunt de stabilit urmatoarele caracteristici de ardere ale deseurilor: umiditatea totala; puterea calorica inferioara; continutul de cenusa. Daca la un combustibil solid clasic aceste caracteristici se stabilesc precis fara a apare probleme, in cazul deseurilor menajere urbane situatia este cu totul alta. Deseurile sunt un amestec eterogen de reziduuri de tot felul a caror pondere in totalul masei de amestec variaza de la oras la oras si de la tara la tara, functie de o multitudine de factori. In marile orase ale lumii au fost facute determinari ale componentei medii a deseurilor menajere pe grupe de componente: hartie, carpe, cartoane, cauciuc, plastic, metale, deseuri organice rapid fermentabile, sticla, materiale inerte. Se constata ca, in majoritatea cazurilor peste 60÷70% din totalul masei de amestec il constituie mateialele din grupele: hartie, textile, cartoane, cauciuc, plastic, deseuri organice fermentabile. Se poate considera ca, indiferent de fluctuatiile de la un an la altul, caracteristicile de ardere medii anuale determinate pentru o perioada de 10-15 ani sunt urmatoarele: putere calorica inferioara 6900÷7300 kJ/kg; umiditate 36÷40%; cenusa totala 25÷30%. Conditiile necesare pentru arderea gunoaielor fara adaos de combustibil secundar sunt: continut de cenusa, maxim 60%; umiditate maxima 50%; continut de materii combustibile minim 25%; putere calorica inferioara minim 4200 kJ/kg. Clasificarea instalatiilor de ardere a gunoaielor dupa marime in functie de numarul de locuitori deserviti, de capacitatea de ardere si de debitul termic, este urmatoarea: instalatie mica < 1000 locuitori deserviti, < 0,5 t/h, 1,5 Gcal/h; instalatie mijlocie 10000÷150000 locuitori, 0,5÷3 t/h, 7,5 Gcal/h; instalatii mari > 150000 locuitori, > 3t/h, > 10 Gcal/h. Procesul de lucru efectuat in statiile de mare capacitate Instalatiile statiilor urbane de ardere a gunoaielor pot fi impartite in patru grupe: instalatii de pretratare (pregatire); instalatii de ardere propriu-zisa; instalatii de postardere; instalatii de valorificare a energiei termice obtinute. Instalatii de pretratare Din aceasta grupa fac parte instalatiile de cantarire a vehiculelor si buncare de depozitare. Instlatiile de cantarire a vehiculelor se amplaseaza in apropierea intrarii in statia de ardere. Sunt prevazute cu sisteme automate de inregistrare a numarului de vehicule de transport sosite, data, ora si cantitatea de gunoaie descarcate. Dupa cantarire, vehiculele sunt descarcate in buncare dimensionate astfel incat sa asigure o functionare continua, fara intreruperi a statiei de ardere. Buncarele trebuie sa asigure atat echilibrarea abaterilor de cantitati intre fazele de transport si ardere cat si amestecarea si omogenizarea gunoaielor. Deasuprea buncarului este amplasata o macara greifer care se poate deplasa longitudinal si transversal si care transporta gunoiul asigurand alimentarea cazanelor. Pentru a asigura separarea gunoaielor proaspat descarcate si neamestecate de gunoaiele amestecate si pregatite in spatiul de stocare, buncarele sunt despartite in doua compartimente printr-un perete intermediar. De importanta deosebita in functionarea buncarelor este asigurarea unei ventilatii corespunzatoare, deoarece aici au loc degajari de praf la descarcare si de vapori de apa in procesul de uscare si descompunere. Buncarele sunt dimensionate functie de numarul si capacitatea orara a instalatiilor de ardere, de timpul de functionare, de cantitatea gunoaielor transportate si masa lor volumica.
Se va tine seama si de capacitatea de ardere ce va fi atinsa in perspectiva si de faptul ca trebuie asigurat un stoc pentru o functionare de minim 3 zile. Perioada este justificata de faptul ca gunoaiele ard mai bine dupa o depozitare de 3-4 zile cand incep sa se degaje gaze combustibile (metan). Exemplu de calcul a capacitatii buncarelor pentru o statie cu n = 4 instalatii de ardere avand o capacitate de ardere de q = 10 t/h. Cantitatea de gunoaie arsa timp de o saptamana (t=7 zile x 24 h/zi=168 h) va fi:
M = nqt = 4 ⋅ 10 ⋅ 168 = 6720 t / sapt
Cantitatea medie descarcata zilnic, necesara pentru acoperirea necesarului instalatiilor va fi:
M 6720 m0 = = = 1344 t/zi 5 5 S-a considerat ca se face colectarea numai 5 zile pe saptamana. Cantitatea de gunoaie necesar a fi stocata este: t
M stoc = nqt stoc = 4 ⋅ 10 ⋅ 3 ⋅ 24 = 2880
Volumul buncarelor de stocare, considerand o masa volumica a gunoaielor de 0.3 −0.45 t / m 3 , va fi:
Vstoc =
M stoc 2880 = = 7200 m 3 ρ 0 ,4 In graficul urmator este reprezentat procesul transportului gunoaielor, al arderii si al depozitarii de la o statie cu functionare continua
analizata.
0 1 2
Cantitatea de gunoaie primite (1344 tone/zi); Cantitatea de gunoaie arse (960 tone/zi); Cantitatea de gunoaie stocate.
Transportul se efectueaza zilnic de la ora 900 la 1600 de luni pana vineri inclusiv. Pe baza acestor caracteristici se poate calcula numarul de vehicule de transport necesar. Lungimea buncarelor este determinata de numarul punctelor de descarcare, amplasate unul langa altul, pentru asigurarea unei descarcari continui, fara perturbatii. Pentru exemplul anterior, considerand capacitatea de transport a unui vehicul mv = 5 t, numarul de curse zilnice efectuate z = 3 (functie de distanta medie de locul de colectare pana la statia de incinerare si de timpul necesar incarcarii vehiculului), td = 5 minute - timpul necesar descarcarii unui vehicul T = 45 min – timpul de asteptare maxim al unui vehicul pentru a ajunge la punctul de descarcare, determinat prin analiza de optimizare a transportului, vom avea: 0 Numarul de autovehicule necesar pentru transportul masei zilnice de deseuri m 0:
nv = 1
nv 1
m0 1344 = = 90 vehicule ; mv ⋅ z 5 ⋅ 3 Numarul de vehicule deservit de un punct de descarcare:
T 45 = = = 9 vehicule ; t0 5
2
N=
Numarul punctelor de descarcare:
nv m0 t0 = ⋅ = 10 puncte de descarcare . nv1 mv ⋅ z T
Daca se considera ca un punt de descarcare deserveste o lungime de 4 metri de buncar, lungimea buncaruluiva fi de 40 de metri. Latimea buncarului ca fi determinata de volumul gunoaielor stocate cat si de dimensiunile macaralelor greifer si de innaltimea necesara a gramezii de gunoi care depinde de unghiul de taluz natural si de inaltimea punctelor de alimentare ale instalatiei de ardere. Dimensionarea corecta a buncarelor este o problema importanta deoarece cheltuielile de investitii pentru acestea reprezinta 20÷30% din cheltuielile intregii statii. Instalatii de ardere a gunoaielor Caracteristicile de ardere medii situiaza materia prima destinata arderii (gunoaiele) in randul combustibililor solizi saraci, cu umiditate mare si putere calorica scazuta. Arderea gunoaielor reprezinta o oxidare exotermica. In proces umiditatea din gunoaie se transforma in vapori de apa, substantele organice in substante volatile, gaze de ardere, zgura si cenusa. Cantitatea de zgura si cenusa, raportata la cantitatea de gunoaie, reprezinta 10÷15% din volum si 20÷50% din masa. Procesele de ardere se desfasoara cu parcurgerea urmatoarelor etape caracteristice:
Perioada de uscare - sub actiunea caldurii radiate in focar, a aerului introdus, in marea majoritate a cazurilor preancalzit, cat si a gazelor de ardere fierbinti recirculate, partea cea mai mare a umiditatii se transforma in vapori de apa care se elimina in amestec cu gazele de ardere. Perioada de transformare - prin aplicarea uniforma a caldurii, din gunoaie se elimina diferite substante volatile si gaze de semicocs care sunt in cantitate relativ mare. Caracteristica acestor gaze este ca se aprind la temperaturi relativ joase (~250 ºC). Arderea gunoaielor va incepe imediat dupa aprinderea gazelor degajate. Perioada de ardere - in cazul realizarii conditiilor corespunzatoare, gunoaiele vor arde continuu, fara ados de combustibil auxiliar. Viteza de ardere a gazelor degajate depinde de conductibilitatea termica, capacitatea de incarcare a gratarului de ardere, cantitatea de aer introdusa in focar. Viteza de ardere, poate fi marita prin micsorarea cantitatii de materiale aflata pe gratarul de ardere si prin preincalzirea aerului introdus. Perioada de post-ardere - reprezinta ultima parte a procesului de ardere in care particulele de materie cazuta de pe gratarul de ardere isi continua arderea pe un gratar suplimentar (gratar de post ardere) montat in prelungirea celui principal sau este introdusa intr-un put vertical montat la capatul inferior al gratarului de ardere si prin stratul de material se introduce de jos in sus un curent de aer, eventual cu adaos de aburi, sau se utilizeaza solutia in care zgura (materia supusa post-arderii) este introdusa intr-un tambur rotativ de post ardere cu viteza de rotatie foarte mica (4÷8 rot/h). Cea mai importanta parte a instalatiei de ardere o constituie focarul, al carui rol este de a asigura o ardere continua bine reglata si cat mai completa. Conditia de baza o constituie asigurarea unei cantitati de aer, introdusa sub gratarul de ardere si reglarea ei corespunzatoare. Temperatura de ardere trebuie mentinuta la 800÷1000 ºC. Focarele trebue sa fie voluminoase si innalte ceea ce asigura o turbulenta buna a aerului, conditie de baza pentru arderea corespunzatoare. Pentru aprinderea la pornire este necesara in toate cazurile utilizarea flacarii suport. Tipuri de instalatii de ardere Din punct de vedere constructiv, instalatiile de ardere pot fi clasificate in doua grupe mari: A. instalatii de ardere cu gratare; B.instalatii de ardere fara gratare. In cadrul primei grupe se intalnesc sisteme de gratare de ardere fixe sau mobile fara rascolirea materiei si sisteme de gratare mobile cu rascolirea materiei care se deplaseaza continuu impreuna cu gratarele asigurandu-se o buna amestecare a acesteia. Din cea de-a doua grupa cele mai cunoscute instalatii sunt: cuptorul cu tambur rotativ; cuptorul cu ciclon; cuptorul cu pat fluidizant. La instalatiile de mare capacitate, destinate arderii gunoaielor menajere sunt utilizate in special instalatii cu gratare mobile care asigura deplasarea si amestecarea continua a materiei. 0 Instalatii de ardere cu gratare A1 Sisteme fara autorascolire; A1a Sisteme cu gratare fixe; A1b Sisteme cu gratare mobile; A2 Sisteme cu autorascolire. In figura 3.14 se exemplifica schema unei instalatii din categoria A1b, cu gratare mobile fara autorascolire.
Fig.3.14 Sistem cu gratare mobile Este o instalatie utilizata in SUA si contine mai multe trepte cu gratare rulante. Coresopunzator fazelor de ardere, materia se deplaseaza pe gratare dispuse unul sub altul in cascada. Caderea de pe un gratar pe altul asigura si amestecarea corespunzatoare a materiei. Viteza fiecarui gratar se poate regla independent, corespunzator cerintelor procesului. Prima treapta de gratar este montata inclinat. In figura s-au notat: a) dozarea materiilor; b) evacuarea gazelor de ardere; 1-palnie de alimentare; 2 - gratar; 3 - evacuare cenusa fina; 4 - evacuare zgura. Din categoria sistemelor cu rascolire A2 se prezinta in figura 3.15 schema unei instalatii de ardere cu gratar cilindric Dusseldorf.
Fig.3.15 Sistem cu autorascolire Instalatia din figura 3.15 reprezinta una una din instalatiile de mare capacitate cu rezultate bune in arderea gunoaielor menajere si in ea s-au notat: a) alimentare cu gunoaie; b) evacuare gaze arse; 1 – dozator de gunoaie; 2 – cilindru rotativ; 3 – gura de control; 4 – colector zgura; 5 – evacuator zgura; 6 – introducere de aer; 7 – arzator de gaze naturale sau pacura. Gratarul propriu-zis este realizat din cilindri rotativi dispusi in cascada. Cilindrul consta dintr-un tambur montat pe lagare pe suprafata caruia sunt montati segmenti de gratar. Numarul cilindrilor este de 6÷8 montati in panta de ~30%. Viteza de rotatie poate fi reglata independent la fiecare tambur (n = 0,5÷6 rot/h). Deasemenea poate fi reglat si sensul de rotatie. La fiecare cilindru exista un circuit separat de aer. Acest sistem, cu gratar cilindric prezinta urmatoarele avantaje: viteza unghiulara diferita a tamburilor asigura o amestecare foarte buna; efectul de rascolire poate fi marit prin schimbarea sensului de rotatie al cilindrilor; introducerea aerului de jos in sus poate fi reglata foarte bine. Datorita solutiei tehnice destul de complicate si pretentioase, costurile de investitie si de exploatare sunt ridicate, insa pentru arderea gunoaielor cu proprietati si compozitie eterogene este un tip de instalatie adecvat. Sisteme de ardere cu gratare cu impingere superioara Steinmuller Reprezinta o constructie orizontala sau inclinata inspre aval, dispozitivul de ardere fiind format din mai multe gratare realizate fiecare din baze fixe care alterneaza cu baze mobile, avnd o miscare de translatie oscilatorie. Din miscarea relativa intre elementele fixe si mobile se obtine atat o impingere a materialului cat si o rasturnare a acestuia. Introducerea deseurilor se face cu ajutorul unui impingator aflat in partea superioara a buncarului de alimentare, actionarea acestuia fiind simultana cu a barelor mobile si realizandu-se printr-un sistem de parghii. Incineratoarele de acest tip au capacitati de lucru de 3÷6 t/h. In figura 3.16 este prezentata schema incineratorului Steinmuller, in care s-au notat: 1 – alimentator; 2 – gratare mobile; 3 – gratare fixe; 4 – arzator amorsare.
Fig.3.16 Incineratorul Steinmuller Sistem de ardere cu gratare cu impingere rasturnata (Martin) Un astfel de sistem de ardere este constituit in totalitate din elemente mobile actionate mecanic avand miscare oscilatorie astfel incat treptele vecine se misca in sensuri opuse. In figura 3.17 este prezentat un astfel de sistem de ardere in care s-au notat 1, 2 – elemente actionate; 3, 4 – dispozitive (mecanisme) de actionare. Ca urmare a miscarii in sens opus a barelor de gratar, avem de-a face atat cu un transport ascendent al stratului de material aprins cat si cu o alimentare spre aval, in special a materialului aflat in straturile superioare care nu este aprins. Datorita acestui proces cea mai mare parte a materiei arse revine la partea superioara unde asigura uscarea si aprinderea gunoaielor proaspete.
Amestecarea si miscarea sunt deosebit de intense asigurand un randament de ardere foarte bun. Aerul de ardere primar suflat pe la partea superioara se poate regla pe zone.
Fig.3.17 Sistem de ardere cu gratare cu impingere rasturnata Sisteme de ardere cu gratare cu sectoare basculante Din aceasta categorie fac parte: Incineratorul ESSLINGEN (fig.3.18). Acest tip de incinerator are dispozitivul de ardere format dintr-un numar variabil de trepte, formate din sectoare circulare basculante. Alimentarea se face cu un transportor cu banda metalica.
Fig.3.18 Incineratorul Eisslingen In figura 3.18 s-au notat: a – alimentare deseuri; b – evacuare gaze de ardere; c – aer ardere; d – evacuare cenusa; 1 – transportor banda; 2 – sectoare basculante. Incineratorul FLYNN-EMRICH (fig. 3.19) La acest tip de incinerator se deosebesc trei gratare inclinate constituite fiecare dintr-o serie de sectoare basculante actionate independent. Debitele sunt relativ mici(< 3 t/h).
Fig.3.18 Incineratorul Flynn – Emrich In figura 3.18 s-au notat: 1 - gratar de alimentare si uscare; 2- gratar combustie; 3- gratar post combustie. 1 Instalatii de ardere fara gratare B1. Incineratoare rotative - Incineratorul COMMENTRY(fig. 3.19) Avansarea materialului si combustia se realizeaza prin rotatia cilindrului inclinat. Alimentarea se face cu un transportor elicoidal.Procedeul foloseste si un arzator de combustibil lichid pentru arderea in paralel si a deseurilor combustibile industriale lichide (deseuri de la fabricarea metioninei si a acidului acrilic, deseuri de pe platforme petrochimice, deseuri de la fabricarea solventilor clorurati) acestea din urma avand o putere calorica mult mai mare decat a deseurilor menajere. Debitele de incinerare sunt mici: 1÷2,5 t/h iar aceste incineratoare se fac deobicei mobile.
Fig.3.19 Incineratorul Commentry In figura 3.19 s-au notat: a - alimentare deseuri menajere; b - gaze arse; c - aer; d - cenusa; e - deseuri combustibile lichide ; 1 transportor melc; 2 - cilindru rotativ; 3 - cuva apa. Incineratorul LILLERS (licenta Rousseau-Franta) (fig. 3.20) Acest tip de incinerator are focarul construit dintr-un cuptor de forma tronconica cu miscare de rotatie, alimentat cu aer printr-un sistem de distributie aflat in manta. In figura 3.20 au fost notate: a - deseuri; b - gaze arse; c - aer combustie; d - cenusa; e - combustibil suport; 1 alimentator; 2 - canal distributie aer; 3 - arzator demarare si sustinere ardere; 4 - extractor cenusa. In ultimii 20 de ani tipurile constructive de focare prezentate au evoluat dimensional pentru a face fata debitelor sporite de deseuri colectate in marile orase si au fost completate cu sisteme de recuperare a caldurii. In multe cazuri, acolo unde materia prima este selectionata iar puterea calorica a crescut simtitor, aceste focare servesc la producerea aburului energetic. In acest mod, uzinele de incinerare au devenit adevarate centrale termoelectrice.
Fig.3.20 Incineratorul Lillers Instalatii de tratare posterioara Evacuarea gazelor de ardere Cantitatea de gaze de ardere care ies din focar la temperatura de 800 ÷ 1000ºC rezultata din arderea unei tone de deseuri se apreciaza in medie la 4000 ÷ 5000 m 3 . Gazele de ardere antreneaza cu ele cantitati insemnate de praf si cenusa (~ 20 g/m 3 ). Ca urmare, montarea de instalatii de retinere a prafului si a cenusei este justificata in toate cazurile din punct de vedere al protectiei mediului. Inainte de introducerea in instalatiile de filtrare, gazele de ardere trebuie sa fie racite, deoarece aceste instalatii impun din punct de vedere functional temperaturi sub 300 ºC. Gazele de ardere, in special cele provenite de la instalatii de mare capacitate, contin cantitati insemnate de caldura. Exemplu la un incinerator de 3t/h rezulta o cantitate de caldura de peste 6 Gcal/h. Recupararea caldurii este avantajoasa si datorita faptului ca in acest proces gazele se racesc la temperatura admisa de functionare a instalatiilor de filtrare. Recuperarea caldurii din gazele de ardere
Caldura din gazele de ardere poate fi utilizata atat pentru preancalzirea aerului utilizat in instalatiile de ardere cat si pentru producerea de apa calda de consum, apa fierbinte si abur de termoficare. La amplasarea cazanului recuparator si stabilirea traseului gazelor de ardere trebuie sa se tina seama de faptul ca, in general, utilizatorul agentului termic produs (apa sau abur) este independent de instalatia tehnologica de ardere, aparand posibilitatea ca, in anumite perioade sa nu fie consum de agent termic si cazanul recuperator sa nu fie nevoit sa functioneze. In aceste cazuri este nevoie sa se prevada o conducta de ocolire care sa ofere posibilitatea trecerii gazelor de ardere direct la cos fara sa strabata cazanul. In general, se prevede o instalatie de automatizare carea are ca element masurat (de comanda) temperatura apei la iesirea din cazan sau presiunea aburului si care comanda modificarea pozitiei unei clapete care dirijeaza gazele de ardere fie prin cazanul recuparator fie direct la cos in cazul depasirii valorii superioare a parametrului masurat. Cazane de apa ignitubulare (fig. 3.21.a, fig. 3.21.b si fig. 3.22) Elementul constructiv principal al acestui tip de cazane il constituie un fascicul de tevi prin interiorul carora circula gazele de ardere. Tevile sunt prinse la capete in placi tubulare prin mandrinare. O manta exterioara numita tambur inchide in interiorul ei fasciculul de tevi si apa care circula in exteriorul acestora.
Fig.3.21 Cazan de apa ignitubular In functie de conditiile termice impuse, in special de diferenta intre temperatura gazelor la intrare si iesire, cazanul se executa cu unul sau doua drumuri de gaze. La cazanele orizontale este important sa se asigure o sicanare a drumului apei in exteriorul tevilor astfel ca viteza de circulare a apei sa fie de cel putin 0,1 m/s pentru a se evita eventuale stagnari cu produceri locale de abur, manifestate in exploatare prin pocnituri puternice datorate condensarii bruste, aleatoare a maselor de abur formate. In figurile 3.21 si 3.22 s-au notat: a – acces apa rece; b – evacuare apa calda; c – gaze arse aflate la 800 ÷ 1000ºC. La solutiile verticale de cazane, avand in vedere curentii de circulatie naturala ce se produc, pericolul stagnarilor este mai redus. Avantajele acestei clase de cazane, caracterizate prin volum mare de apa si circulatie prin tevi a gazelor de ardere sunt urmatoarele: - posibilitate mare de acumulare a caldurii si deci variatii relativ mici ale temperaturii apei la iesire, functie de fluctuatiile de debit si temperatura a gazelor de ardere; - posibilitate mare de acumulare a caldurii si deci variatii relativ mici ale temperaturii apei la iesire, functie de fluctuatiile de debit si temperatura a gazelor de ardere; - solutie constructiva compacta, usor de montat in instalatiile tehnologice; - gazele de ardere circula in interiorul tevilor, spatiu ce poate fi usor de curatat in cazul depunerilor. Principalele dezavantaje ale acestei clase de cazane ignitubulare sunt legate de un consum specific de metal [kg/kJ] mai mare, proportional cu debitul de gaze vehiculat, ceea ce limiteaza din punct de vedere economic debitul maxim de gaze de ardere. Tamburul cazanului trebuie sa cuprinda in interior toate suprafetele de schimb de caldura, astfel ca la debite mari ale gazelor trebuie sa aiba un diametru mare, iar cresterea diametrului tamburului impune cresterea grosimii tablei acestuia:
δ=
p ⋅ Dt +C 2 ⋅ σ ad ⋅ ϕ
unde:
p este presiunea apei; D t - diametrul tamburului;
σad
- tensiunea normala admisibila;
ϕ - coeficient de slabire;
C - adaos de coroziune.
Fig. 3.22 Cazan de apa ignitubular In aceste conditii apare un consum mare de metal care nu participa la schimbul de caldura. Numarul necesar de tevi pentru curgerea debitului normal de gaze DgN [Nm 3 /s] la temperatura medie de tgm ºC cu viteza wg va fi:
DgT = DgN
π ⋅ d i2 = ⋅ n ⋅ wg , T0 4
Tgm
de unde:
n=
4 ⋅ DgN ⋅ Tgm
T0 ⋅ Wg ⋅ π ⋅ d
2 i
=
4 DgN π ⋅ d ⋅ wg 2 i
⋅
t gm + 273
unde di este diametrul interior al tevilor si
273
t gm =
t gi + t ge 2
.
Valorile economice pentru viteza gazelor de ardere wg = 8 ÷ 18 m / s . Diametrele tevilor utilizate sunt (D x g): 38 x 3; 45 x 3; 51 x 3; 60 x 3; 70 x 3,5; 76 x 3,5, unde D este diametrul exterior iar g grosimea peretilor.
di = D − 2g
Suprafata de schimb de caldura a cazanului va fi: unde L este lungimea tevilor. Cazane de apa acvatubulare La aceasta categorie de cazane, gazele de ardere circula printr-un canal de zidarie sau de tabla in interiorul caruia se amplaseaza fascicule de tevi prin care circula apa. Variantele constructive difera dupa modul de asezare si legare a tevilor. Astefel, apar cel mai frecvent utilizate solutiile: - Cazane cu fascicule din serpentine simple; - Cazane cu fascicule din serpentine duble; - Cazane cu tevi formand panouri convective. 0 Cazane cu fascicule din serpentine simple La aceste cazane, doua colectoare, unul de intrare si unul de iesire, asigura prinderea unui sir de serpentine care sunt plasate in canalul de ardere. Colectoarele se plaseaza intotdeauna in afara canalului de gaze iar asezarea tevilor este efectuata sub forma de fascicule in linie. In figura 3.23 se prezinta schema de principiu a unui cazan cu serpentine simple care poate fi: a) cu tevi paralele; b) cu tevi convergente. Deoarece din punct de vedere tehnologic raza de indoire trebuie sa fie de minim 2,5d e (R ≥ 2,5de) rezulta un pas longitudinal al tevilor s ≥ 5de daca tevile pleaca paralel dupa indoire (d e - diametrul exterior al tevilor). Solutia se aplica la serpentine de lungime mica. O solutie care reduce spatiul longitudinal ocupat este aceea in care tevile nu pleaca paralel dupa indoire ci sunt convergente. Daca in capatul opus tevile sunt tangente atunci pasul minim smin va fi:
S = π ⋅ di ⋅ n ⋅ L
smin =
5d e + d e = 3d e 2
Numarul de serpentine este in mare masura determinat de conditia de curgere a gazelor de ardere. In general lungimea unei bucle este de 1÷2m. Limita inferioara este impusa de imposibilitatea de a face multe coturi (indoiri) si de a lungi mult canalul de gaze, iar limita superioara este impusa de posibilitatea de sustinere a serpentinelor cu ramuri foarte lungi.
Fig.3.23 Cazan cu serpentine simple Cazane cu fascicule din serpentine duble La aceste cazane (fig.3.24) in cele doua colectoare sunt racordate doua siruri de serpentine plecand din colectoare, pe generatoare decalate cu 30 ÷ 45º. Aceasta configuratie este avantajoasa atat din punct de vedere al schimbului de caldura ca si din acela al volumului ocupat. 1
Fig.3.24 Cazan cu fascicule cu serpentine duble Cazane cu tevi formand panouri convective La cazanele recuperatoare mari, necesitand suprafete mari de schimb de caldura, sistemele cu serpentine nu pot asigura densitati economice de tevi in fascicul. Una din solutiile moderne de cazan cu tevi in colectoare, care asigura indici economici ridicati este cazanul din panouri convective (fig 3.25).
Fig. 3.25 Cazan cu panouri convective Doi din peretii cazanului recuperator sunt realizati sub forma de pereti membrana avand tevi colectoare verticale. Din colectoare pornesc tevi care realizeaza panourile convective. Pentru a se asigura densitate mare de fascicule, panourile pornesc alternant din colectoarele ce se gasesc pe peretii opusi, fiind decalate cu jumatate de pas. Dimensiunile uzuale pentru tevile din panouri sunt: Ø25x3; Ø28x3; Ø32x3 iar pentu tevile colectoare Ø45x3; Ø50x3; Ø60x3. Colectoarele verticale se unesc in colectoare transversale (orizontale) principale cu dimensiuni mai mari la crcuitul pompelor. Purificarea gazelor de ardere Pentru evitarea poluarii mediului inconjurator la arderea deseurilor menajere trebuie acordata o atentie deosebita continutului de praf si substante chimice deversate in atmosfera. Cantitatea de praf si cenusa in gazele care parasesc schimbatorul de caldura la temperatura de 250300˚C este in general de 1÷25 g/m 3 iar in gazele brute care ies din instalatia de ardere poate ajunge si la 40g/m 3. Nu trebuie neglijat nici faptul ca de particulele de praf pot sa se lipeasca si materii organice cancerigene precum si cloruri de metale. In afara prafului, gazele de ardere contin in cantitati variabile si alte substante poluante ca: SO 2 500÷1000 mg/m3; oxizi de azot 150÷1000mg/m3; HCl 150÷1500mg/m3; HF 1÷5 mg/m 3. Sursa principala a emisiei de HCl si HF o constituie prezenta in deseurile menajere a clorurii de vinil (PVC) respectiv a politetrafluoretilenei si a altor materiale plastice fluorurate. Pentru reducerea continutului de praf si cenusa din gazele de ardere sunt folosite in aceeasi masura atat procedee de curatire uscata, cat si umede. Alegerea procedeului depinde de capacitatea instalatiei de ardere, de cantitatea de praf continuta, de distributia dimensiunilor particulelor de praf, viteza si temperatura gazelor. La instalatiile de ardere de capacitate mica sunt utilizate separatoare mecanice uscate (cicloane) si spalarea umeda. La instalatia de capacitate mare se folosesc echipamente de curatare electrica uscata (electrofiltre). Materialele poluante din gazele de ardere pot fi retinute foarte bine prin diferite procedee umede (spalator Venturi, pulverizatoare apa, flotare prin apa). La utilizarea acestor procedee trebuie luat in consideratie si faptul ca prin spalare se obtine o apa poluata care la randul ei trebuie tratata, ceea ce necesita alte instalaţii. Cosuri de fum Gazele de ardere ajung in straturile superioare ale atmosferei prin cosuri de fum cu inaltimea de 100÷150m, care depinde de directia si viteza vanturilor dominante, de gradul de poluare a gazelor evacuate, de valoarea admisibila sau impusa a emisiei poluante. In caz de necesitate tirajul este marit cu ajutorul unor ventilatoare. Tratarea si valorificarea zgurii cenusii Zgura si cenusa evacuata din instalatiile de ardere sunt eliminate in general prin procedee umede. Esenta acestor procedee consta in faptul ca zgura, cu ajutorul unui lant de transport, ajunge intr-un bazin cu apa, unde se raceste. Avantajul procedeului consta in aceea ca se poate preveni arderea in continuare, nesupravegheata a zgurii cat si degajarea prafului. Dezavantajul consta in consumul mare de apa necesara pentru
racire, cimentare si solidificare. Zgura se transporta in locul de depozitare definitiva sau se valorifica pentru diferite scopuri. Modul cel mai rational de utilizare a zgurii este valorificarea ei la constructia de drumuri sau ca material de constructii. Statiile de incinerare a deseurilor menajere trebuie sa cuprinda si urmatoarele instalatii si utilitati auxiliare: - retele de apa si canalizare; - retele de drumuri; - instalatii sanitare si grup social; - statii de epurare.
Cap.4 Piroliza deseurilor menajere 4.1 Consideratii generale Orientarea preocuparilor de valorificare a deseurilor menajere prin procedee de piroliza bazate pe descompunerea termica a substantelor organice a fost determinata pe de o parte de ideea crearii unei surse de energie, iar pe de alta parte datorita necesitatii de respectare a prescriptiilor din ce in ce mai severe referitoare la protejarea mediului. In principiu piroliza consta in descompunerea chimica a substantelor organice sub actiunea caldurii, intr-un mediu sarac in oxigen sau fara oxigen. Procesul este endoterm, desi pe parcursul descompunerii apar si reactii exoterme, acestea insa neconstituind reactii principale ci numai secundare. Pe parcursul procesului substanta organica din reziduuri poate fi transformata in produs final gazos, lichid sau solid. Compozitia si calitatea acestora depind de calitatea reziduurilor prelucrate cat si de conditiile de functionare si de exploatare a instalatiei de piroliza. Cu instalatii adecvate, unele produse pot fi separate si valorificate integral drept combustibil sau materie prima pentru industria chimica. In literatura se utilizeaza cu acelasi sens notiunea de piroliza si notiunile de distilare uscata sau distilare distructiva deoarece piroliza se poate compara cu procedeele de distilare. In functie de temperatura avem piroliza de joasa temperatura (250ºC) si piroliza de inalta temperatura (1200÷1300ºC). Schema tehnologica a procesului de piroliza si legatura dintre diferite trepte ale acestui proces este prezentata in figura 4.1.
Fig. 4.1 Schema tehnologica a procesului de piroliza In figura s-au notat: H - deseuri menajere; R - reactor; S - colectarea produsului solid; V - recuperare partiala; E - ardere; F1recuperare produs lichid; F2 - stocare produs lichid; G - obtinere produs gazos si stocare; a - stocare; b - uscare; c - maruntire; d - dozare; 1 deseuri menajere pretratate (intra in reactor); 2 - produse gazoase si sub forma de vapori cu particule solide antrenate; 3 - produse finale solide; 4 - produse gazoase si vapori; 5 - produse finale lichide; 6 - produse finale gazoase; 7 - produse gazoase pentru valorificare (ardere); 8 - aer ardere; 9 - caldura; 10 - particule solide. 4.2 Procesul de piroliza si factorii determinanti Procesul de descompunere termica al pirolizei este asemanator cu procesele de carbonizare care au loc in natura, insa timpul de reactie este mult mai mic. In timpul procesului in materiile prime apar atat modificari fizice cat si chimice. Factorii determinanti care au influenta asupra raporturilor cantitative ale produselor finite si asupra compozitiei acestora sunt: - regimurile de exploatare dominante in sistem; - tipul si constructia reactoarelor; - proprietatile reziduurilor prelucrate. Acesti factori nu pot fi analizati separat, ei fiind in stransa legatura. Conditiile de exploatare optima pot fi create numai daca se cunosc proprietatile calitative ale reziduurilor. In toate cazurile este necesar sa se stabileasca de la bun inceput scopul valorificarii, adica ce se doreste sa se obtina: uleiuri, gudroane sau gaze. In continuare se vor analiza care sunt factorii determinanti pe categorii de procese: 1. Procesele partiale cu caracter fizic sunt influentate de: granulatia substantelor solide, repartitia dimensionala a granulelor; forma, porozitatea, presiunea de lucru (factor hotarator), temperatura (influenta mai mica). 2. Viteza proceselor partiale chimice creste foarte mult cu temperatura in special la piroliza de joasa temperatura. In procesul de piroliza se deosebesc 3 perioade distincte: in prima si in a treia se produc in general substante cu greutate moleculara mica (in primul rand gaze) iar in perioada principala (a doua) produse cu greutate moleculara mare (gudroane). Pana la temperatura de 700ºC cantitatea de gudroane si uleiuri produse este mare, peste aceasta temperatura cantitatea acestor produse scazand. Rezulta ca in cazul in care se doreste obtinerea acestor produse vor trebui aplicate procedee de joasa temperatura. Viteza si directia reactiilor chimice depind pe langa temperatura si de presiune. Prin cresterea presiunii se mareste cantitatea produselor finale (gudroane) cu greutate moleculara mare. La presiuni scazute va creste ponderea produselor gazoase si a uleiurilor cu punct de fierbere scazut, cu molecule mici. Corelatia presiunii si temperaturii este una din problemele care apar in procesele de piroliza. 3. Timpul petrecut in reactor, respectiv in diferite zone ale acestuia, determina viteza reactiilor, calitatea si cantitatea produselor finite. Timpul scurt exclude desfasurarea totala a reactiilor chimice iar timpul prea lung va avea drept consecinta continuarea descompunerii produsului final obtinut. 4. Factorii analizati pana in prezent sunt in stransa legatura cu constructia reactoarelor. Spatiul de reactie al reactoarelor poate fi realizat in forma deschisa sau inchisa, astfel ca procesele sa se desfasoare la presiune atmosferica, in vid sau la suprapresiune. Variantele pot fi
exploatate in regim continuu sau intermitent. Reactoarele pot fi realizate cu sisteme de camere verticale sau orizontale in functie de modul de deplasare al reziduurilor (sub actiunea greutatii sau cu dipozitive mecanice). 5. Energia termica necesara pentru procedeu poate fi obtinuta prin arderea interioara (arderea partiala a gunoaielor incarcate, introducere de vapori sau gaze supraancalzite), prin arderea exterioara (gaze de ardere, pacura, incalzire electrica) sau prin procedee speciale (cocsificare in cuptoare cu arc electric). 6. Alegerea corespunzatoare a materialelor pentru constructia reactoarelor este foarte importanta deoarece trebuie sa asigure o foarte buna conductibilitate termica pentru asigurarea eficientei indicate a transmiterii caldurii. 7. Calitatea materiilor prime (deseurile) folosite. Materiile cu dimensiuni eterogene trebuie sa fie in prealabil maruntite deoarece bucatile mari se pirolizeaza greu (in timp mare). Umiditatea provoaca in general greutati, exceptand gazeificarea la care vaporii de apa iau parte la proces ca un mediu de reactie. La scaderea continutului de umiditate creste continutul de uleiuri iar in gazele obtinute, cantitatea de metan si monoxid de carbon. Particulele de substanta neorganica (metale, pietre, sticla) nu au o influenta asupra procesului de piroliza, ele putand fi usor recuperate. La procesul de gazeificare aceste substante sunt evacuate din retorta impreuna cu zgura topita. Produse finale In procesul de prelucrare, in functie de compozitia chimica si fizica a reziduurilor prelucrate, de conditiile dominante in sistemul de piroliza, cat si de constructia reactorului, se obtin simultan produse finale de cantitati si compozitii diferite: gazoase, lichide si solide. La piroliza de joasa temperatura se considera in general ca dintr-o tona de deseuri menajere se obtin 150÷200 kg de uleiuri si gudroane, 150÷250 kg reziduuri carbonizate (zgura), 50÷100 kg produse gazoase. Restul este CO 2, apa si cenusa. Materii lichide. Produsele obtinute sub forma de vapori sunt condensate in diferite instalatii de condensare, spalate si separate de produsele gazoase. In acest mod se obtine gudron, uleiuri si un mediu apos. Din analizele efectuate a rezultat ca, in conditii de exploatare si functionare similare in acelasi reactor, compozitia diferita a gunoaielor nu modifica esential calitatea gudroanelor. Puterea calorică a gudroanelor este de 33÷35 MJ/kg, cu un continut de sulf sub 1% ceea ce permite valorificarea acestora sub forma de combustibil. Cantitatea uleiurilor usoare este variabila, maximul obtinandu-se la 750ºC, cea mai mare parte a acestora fiind benzina. Mediul apos reprezinta o mare pondere a produselor finale lichide. Cea mai mare parte a acestuia este apa (92÷96%). Mediul apos este produsul final lichid care ramane in instalatiile de spalare dupa separarea gudroanelor si a uleiurilor. Produsele finale gazoase obtinute in procesul de piroliza contin in cantitati variabile hidrogen, monoxid de carbon, metan iar in cantitati mici si unele hidrocarburi saturate si nesaturate. Cantitatea de produse gazoase este variabila in functie de procedeele aplicate (250÷300 m3/tona) cu o putere calorică de 18÷22 MJ/kg. Produsele gazoase sunt utilizate in general pentru satisfacerea necesarului de caldura a sistemului iar ceea ce ramane este introdus in reteaua de gaze urbana. Puterea calorica relativ mica impune amestecarea cu gaze naturale. Produsele finale solide sunt materii cocsificate cu densitate mica (afanate, cu porozitate pronuntata), partea cea mai mare constituind-o carbonul solid (30÷50%) si cenusa. Produsele finale solide pot fi utilizate drept combustibil direct sau dupa brichetare. Puterea calorica este de circa 12÷27 MJ/kg. Se mai poate utiliza ca mediu filtrant pentru apa sau pentru producerea de carbune activ. Comparativ cu arderea reziduurilor menajere, prelucrarea prin piroliza conduce la un grad de poluare a mediului inconjurator mult mai redus. 4.3 Procedee de piroliza Procedeul GARETT (La Verne, California) Procedeul este aplicat intr-o uzina care functioneaza pe baza pirolizei de joasa temperatura cu o capacitate de lucru de 200 t/zi reziduuri solide. Obiectul pirolizei este recuperarea unei cantitati cat mai mari de uleiuri. Reziduurile sunt maruntite intr-o instalatie de sfaramare grosiera pana la o granulatie de 55mm dupa care sunt separate substantele organice de cele anorganice intr-un separator cu curenti de aer. Urmeaza in circuit separarea particulelor anorganice fine ramase in substantele organice dupa uscare, cu ajutorul unui ciur vibrator. Materialul ramas pe ciur este sfaramat pana la o granulatie fina (<3mm) asigurandu-se astfel conditiile pentru o piroliza rapida (se imbunatatesc conditiile pentru transmiterea caldurii). In reactor materiile prime sunt supuse procesului de piroliza la o temperatura de 450÷650ºC, in general la 500ºC, si la presiune atmosferica. Din produsul final particulele solide sunt separate in cicloane. Din produsele gazoase si sub forma de vapori partea lichida (uleiurile) este separata prin spalare in mediu apos (in turnuri de spalare). Dupa condensare mediul apos si uleiurile sunt separate pe baza principiului diferentei intre densitati. Produsele gazoase care ies din instalatia de spalare, in functie de necesitati, pot fi introduse in sistem pentru acoperirea (completarea) necesarului de caldura. Produsele solide separate in ciclon sunt utilizate de asemenea pentru incalzirea sistemului. Prin sistemul de functionare continua, din materia introdusa se valorifica circa 92%, numai 8% reprezentand reziduuri care se depoziteaza definitiv. Repartizarea produselor finite obtinute este: 40% uleiuri; 25÷35% substante solide; 17÷27% gaze; 13÷15% mediu apos. Uleiurile, in comparatie cu combustibilii clasici, au o putere calorica mai mica, continut de carbon si H 2 mai mic si continut de O2 mai mare. Calculata la unitatea de volum, cantitatea de caldura produsa de aceste uleiuri reprezinta circa 75% din cantitatea de caldura produsa de pacura. Produsul finit solid contine: 45÷50% carbon, si are o putere calorica de 21 kJ/kg iar produsul gazos are o putere calorica de 16÷22 kJ/m 3. In afara apei mediul apos contine acetona, acetaldehida, acid formic, fenol, metanol. Scopul principal al unei astfel de uzine este producerea uleiurilor combustibile din gunoaie menajere. Schema procesului tehnologic al procedeului GARETT In figura 4.2 urmatoare este prezentata schema procesului tehnologic al acestui procedeu.
Fig. 4.2 Schema tehnologica a procedeului GARETT In figura s-au notat: A - instalatie de sfaramare (<55mm); B - instalatia de sortare in curent de aer; C - sortarea materiei neorganice; D - uscator; E - ciur; F - concasor cu ciocane (<3mm); G - reactor; H - separator ciclon; I - turn de spalare; iar cu: 1 - gunoaie crude; 2 - reziduuri norganice depozitate definitiv; 3 - sticla; 4 - fier; 5 - semicocs (produs final solid); 6 - uleiuri combustibile; 7 - produs final gazos; 8 - apa pentru spalare; 9 - apa uzata. Procedeul DESTRUGAS (DANEMARCA) Acest procedeu functioneaza pe principiul gazeificarii. Gunoaiele sunt maruntite intr-o moara cu ciocane la granulatia de 10mm dupa care sunt stocate intr-un buncar care asigura o cantitate de prelucrare pentru cateva zile. Din buncar materialul maruntit este cantarit si incarcat cu un elevator intr-o palnie de alimentare de unde ajunge in reactor unde sub greutatea proprie ajunge in diferite sectiuni de realizare a pirolizei. Produsul final solid rezultat in urma descompunerii este evacuat in partea inferioara a reactorului, ajungand intr-un sistem de racire umed care functioneaza si ca obturator hidraulic. Din sistemul de racire materialul este scos cu un transportor cu raclete, fierul fiind separat magnetic iar zgura este stocata. Produsele gazoase si vaporii sunt aspirati tot in partea inferioara a reactorului si sunt introduse direct in instalatia de spalare cu apa. Capacitatea zilnica a reactorului, inalt de 12m, de sectiune ovala si captusit cu silicat de carbid, este de 4,5÷5 tone/zi, in functie de calitatea reziduurilor. Temperatura de regim a pirolizei este de 900÷1000ºC iar timpul de prelucrare a materiilor este de 20 ore. Sistemul de incalzire al reactorului este realizat cu arzatoare de pacura sau gaz. In vederea evitarii pericolului de depunere a gudroanelor, vaporii de ulei si gudroanele care se produc sunt trecute printr-un strat de cocs incins realizat tot la partea inferioara a reactorului, unde se descompun in componente gazoase. In functie de compozitia gunoaielor, dintr-o tona se pot obtine 400÷600Nm 3 produse gazoase cu o putere calorica de 12,5MJ/Nm3. Sub aspect masic produsele gazoase reprezinta circa 75% din produsele finale, iar cele solide 25%. Analize de solubilitate efectuate cu apa din precipitatii si apa distilata imbogatita cu acid carbonic, au demonstrat ca actiunea poluanta a reziduurilor solide depozitate definitiv (zgura) rezultate la piroliza Destrugas este mai putin pronuntata decat a materiilor rezultate la arderea deseurilor menajere.
Fig. 4.3 Schema procedeului Destrugas In figura (fig.4.3) in care este reprezentata schema procedeului Destrugas s-au notat: a - buncar de gunoaie; b - instalatie de sfaramare; c - macara greifer; d - buncar de stocare; e - cantar; g - elevator; h - palnie de incarcare; i - reactor; k - racitor si evacuator zgura; l - separator magnetic; m - cantar; n - buncar stocare zgura; o - arzator de gaze (gaze imbuteliate); p - arzator de gaze (gaze introduse); 1, 2 -arzatoare de rezerva; q - epurator de gaze; r - separator de gudroane; s - racitor; t - supapa de suprapresiune; u - produse de gaze de ardere; v - flacara de veghe. Procedeul LANGARD (Baltimore, Maryland) Este un sistem combinat de piroliza-ardere, pe baza caruia s-a construit o uzina cu capacitatea de 1000t/zi. Prin solutia combinata, in comparatie cu arderea, pe langa abur si apa calda se poate obtine ca produs final si gaz combustibil. Materialul din buncarul de stocare este maruntit la inceput la granulatia de 7÷10cm, amestecat foarte bine si transportat in buncare de stocare intermediara. De aici materialul este dozat intr-un cuptor cu tambur rotativ sarac in oxigen si supus procesului de piroliza la temperatura de 1100ºC. In tambur se introduce, in cantitati reglabile, aer cald care prin ardere partiala acopera necesarul de energie termica iar produsul gazos obtinut este aspirat in contracurent. Continutul de caldura din gazele aspirate este transformat in schimbatoarele de caldura in abur si apa calda. Produsele de ardere sunt curatate prin trecerea lor printr-un turn de spalare cu pulverizoare si evacuate in atmosfera printr-un cos de fum. Produsul final solid (zgura) este racit prin recicularea apei uzate de la instalatia de spalare. Zgura bogata in material sticlos este utilizata la constructia de drumuri.
Fig. 4.4 Schema tehnologica a procedeului Langard In figura 4.4 este prezentata schema tehnologica a procedeului LANGARD in care: A - instalatia de sfaramare; B - buncar stocare; C cuptor cu tambur rotativ; D - camera de ardere gaze; E - schimbator de caldura; F - spalator de gaze; G - racitor de zgura; H - separator magnetic; I - bazin decantare apa spalare; 1 - gunoaie; 2 - zgura; 3 - evacuare produse ardere gazoase. Procedeul UNION CARBIDE (S.U.A.) Este o gazeificare speciala la temperaturi inalte. Echipamentul principal al instalatiei il constituie reactorul vetical, de constructie speciala, care functioneaza pe principiul gazeificării cu zgura topita. Reactorul este alimentat in cantitati reglabile cu reziduuri nesfaramate, iar necesarul de caldura al pirolizei este asigurat prin oxidarea partiala a acestora. Reziduurile nesfaramate se deplaseaza in reactor sub actiunea greutatii. Pe parcursul deplasarii mai intai se usuca la temperaturi de 80÷120ºC dupa care treptat se vor gazeifica. Componentele organice in procesul de piroliza se vor transforma in reziduuri de carbon si produse gazoase (CO2, vapori de apa, hidrogen). Componentele anorganice, impreuna cu reziduurile solide ale pirolizei vor ajunge in zona de ardere unde, sub actiunea gazului de oxidare introdus, vor arde integral la temperaturi de 1600ºC si se vor topi. Topitura, racita cu apa se granuleaza (obturatorul hidraulic de apa asigura o izolare a reactorului contra patrunderii aerului din exterior). Caldura necesara procesului se obtine prin ardere partiala introducandu-se in acest scop o cantitate de aer bogat in oxigen. Produsul gazos care trece prin zona de uscare se raceste si impreuna cu vaporii de apa proveniti din gunoaiele proaspete ajunge la temperatura de 210ºC in instalatia de spalare cu apa. Aici se curata de substantele poluante si se produce separarea vaporilor de apa. Cel putin jumatate din produsul gazos curat este CO2 si H2. La un regim de functionare bine reglat se poate ajunge la 70÷80%, cea ce atrage cresterea puterii calorice pana la 13MJ/Nm3. Produsul gazos este folosit drept combustibil in industria chimica pentru producerea gazului metan de sinteza. Materia reziduala solida (zgura) nu polueaza mediul, ea putand fi depozitata fara probleme speciale.
Fig. 4.5 Schema tehnologica a procedeului Union Carbide In figura 4.5 este reprezentat procedeul UNION CARBIDE s-au notat: A - aspiratie produs gazos; B - uscare; C - piroliza; D - ardere si topire zgura; a - clapeta de inchidere reglabila; b - gat de alimentare; c - clapeta de dozare; d - reactor; e - put evacuare zgura topita; f obturator hidraulic; g - condensator; h - spalator de gaze; i - tanc sedimentare; 1 - gunoaie; 2 - aer imbogatit cu oxigen; 3 - topitura de zgura; 4 zgura solidificata; 5 - produs gazos; 6 - gaz final; 7 - faza apoasa lichida cu gudroane; 8 - faza apoasa cu cenusa.
Cap.5 Reciclarea deseurilor organice din agricultura, zootehnie, industria alimentara si a apelor uzate menajere si deseurilor urbane prin fermentare anaeroba (producerea biogazului) 5.1 Scurt istoric Descoperirea legaturii cauzale dintre prezenta resturilor vegetale inglobate in malul apelor statatoare si formarea de „aer combustibil” este atribuita englezilor Boyle si Shirley in 1669 si italianului Volta in 1776. Volta este cel care a extras pentru prima data metanul din gazele colectate din mlastini iar Humphery Davy a realizat experimental eliberarea de gaze combustibile din gunoi de animale. In a doua jumatate a secolului al XIX-lea, in conditiile dezvoltarii microbiologiei ca stiinta, se defineste natura microbiologica a procesului prin care se formeaza gaze combustibile in cursul fermentarii anaerobe a substantelor organice. Ea a fost evidentiata prin cercetari efectuate in Rusia de Popov in 1873 asupra namolurilor de canal si in Franta de colaboratorii lui Pasteur (Reiset in 1886, Deherain in 1884 si Schloessing in 1892). In 1888, Gazon a constatat ca responsabile pentru producerea metanului din gunoi de animale sunt microorganisme capabile sa se dezvolte in conditii de anaerobioza (lipsa de oxigen molecular) pe medii bogate in carbon, indeosebi celuloza. Au fost identificate si izolate specii de bacterii care produc descompunerea celulozei la temperaturi medii (mezofile) (20 ÷ 45º) si la temperaturi mai ridicate (termofile) de pana la 60 ÷ 65º. Cercetari efectuate in prima jumatate a secolului XX (Barker, Buswell, Hatfield) au adus lamuriri esentiale privind biochimia producerii metanului prin fermentarea anaeroba si au pus bazele producerii la nivel uzinal a gazelor combustibile prin acest procedeu aplicat reziduurilor vegetale si animale din agricultura. Odata cu dezvoltarea biologiei moleculare in ultimele decenii se adancesc cunostintele privind bacteriile metanogene. Cercetari fundamentale efectuate in Franta, Japonia, Germania, S.U.A. au condus la orientari noi cu privire la taxonomia bacteriilor metanogene si la particularitatile lor structurale, biochimice si fiziologice. Aceste cercetari privind comportamentul specific bacteriilor metanogene si mecanismele de baza in formarea gazelor combustibile, folosesc in prezent la perfectionarea biotehnologiilor de obtinere a acestora la scara industriala, in vederea cresterii randamentelor si a reducerii costurilor de productie. 5.2.Principiile obtinerii biogazului prin fermentarea anaeroba a deseurilor organice Fermentarea anaeroba este un proces dirijat de descompunere a materiei organice umede, care se desfasoara in incinte inchise, in conditii controlate de mediu, in absenta oxigenului molecular si a luminii, in prezenta mai multor specii de bacterii. In acest proces microorganismele (bacteriile) descompun materia organica, eliberand o serie de metaboliti dintre care metanul si dioxidul de carbon. Amestecul gazos format din metan (max. 80%) si dioxid de carbon (min. 20%), alaturi de care se intalnesc cantitati mici de hidrogen (H 2), hidrogen sulfurat (H2S), mercaptani, vapori de apa si urme de amoniac, azot, indol si scatol constituie BIOGAZUL. Acest termen a adoptat ca recunoastere a rolului pe care-l au vietuiroarele microscopice in formarea amestecului de gaze combustibile prin fermentarea anaeroba a materiei organice in curs de descompunere, indiferent de sursa din care provine aceasta. Spre deosebire de alte procese microbiologice, fermentarea anaeroba nu foloseste culturi pure sau sterile. In sistemele naturale in care se gaseste, materia organica descompozabila este purtatoarea unei microflore foarte variate si active. Aceasta microflora mixta asigura anaerobioza si compusii metabolici specifici dezvoltarii metanobacteriilor. Materiile organice in curs de descompunere furnizeaza in permanenta o microflora activa in procesul de metanogeneza si reprezinta principala sursa pentru obtinerea inoculului de metanobacterii. De aceea, principalul obiectiv urmarit in procesul de metanogeneza dirijata il constituie optimizarea factorilor de mediu si tehnologici implicati in activitatea comunitatii de microorganisme responsabile de transformarile materiei organice. Cercetarile au relevat ca transformarea materiei organice in metan se face in doua faze: I Faza acidogena (dichefierea) In aceasta faza actioneaza microorganisme fermentative nespecifice cu capacitate de hidroliza a materiei organice si produce acizi organici. Lichefierea reziduurilor organice se produce prin hidroliza enzimatica a substantelor macromoleculare care trec in substante cu masa moleculara mica. In partea finala a fazei de acidogeneza, mono si dizaharidele sunt fermentate cu producere de acid lactic, hidrogen si dioxid de carbon, iar acizii cu catena lunga si acizii grasi volatili sunt degradati pana la acid acetic si gaze. La incheierea acestei faze predomina acidul acetic alaturi de care se mai afla substante organice si gaze precum si vitamine si enzime, care vor fi folosite de microorganismele metanogene in procesele lor metabolice. II Faza metanogena (gazeificarea) In aceasta faza actioneaza bacteriile metanogene, obligat anaerobe, care sunt specializate in producerea de metan. Hidrogenul si dioxidul de carbon reprezintă un substrat caracteristic pentru metanogeneza. Majoritatea metanobacteriilor cunoscute in prezent folosesc ca substrat numai hidrogenul si dioxidul de carbon. Faza de metanogeneza se incheie prin obtinerea biogazului. In figura 5.1 se prezinta schematic modul de desfasurare a fermentarii anaerobe. 5.3 Factorii care influenteaza fermentarea anaeroba In vederea obtinerii unor randamente ridicate de biogaz este necesar sa se asigure controlul factorilor de mediu si al celor tehnologici favorabili activitatii vitale a bacteriilor metanogene, precum si un anumit echilibru intre comunitatile de microorganisme care coexista si isi desfasoara activitatea in fermentator. Altfel, activitatea metanobacteriilor este stanjenita si, in situatii extreme, inceteaza complet. In general, procesul de metanizare a dejectiilor de animale este mai stabil si mai putin susceptibil la dificultati functionale decat procesul de fermentare anaeroba a namolurilor de la statiile de epurare a apelor uzate orasenesti. Principalii factori de mediu care influenteaza fermentarea anaeroba sunt: 1.TEMPERATURA Viteza de crestere a metanobacteriilor si prin urmare producerea biogazului depinde de temperatura din fermentator. Desi teoretic obtinerea biogazului este posibila in domeniul de temperaturi de la zero la 60°C cresterea metanobacteriilor este mult incetinita sub 6°C si peste 55°C. Au fost delimitate trei zone de temperatura in care se produce fermentarea anaeroba: zona psihrofila (criofila), 6 ÷ 20°C; zona mezofila, 20 ÷ 45°C; zona termofila, 45 ÷ 55°C. Atat in zona mezofila cat si in cea termofila, productia de metan este la fel de buna. Exista mai putine informatii asupra fermentatiei din zona criofila. In practica curenta, fermentarea anaeroba a namolurilor de la statiile de epurare orasenesti se face in zona mezofila, temperatura optima fiind cuprinsa intre 30 si 35°C. Fermentatoarele alimentate cu reziduuri organice din agricultura pot functiona in ambele zone de temperatura: mezo si termofila. Instalatiile de biogaz pentru gospodariile satesti, de capacitate mica, nu sunt echipate cu dispozitive interioare de incalzire. De aceea, temperatura din fermentator variaza, fiind influentata de temperatura mediului ambiant. In sezonul rece, aceasta coboara mult in domeniul psihrofil mai ales daca nu este asigurata o izolare termica corespunzatoare a fermentatorului. Temperatura optima pentru unitatile de biogaz de capacitate mica din zona temperata se considera a fi in domeniul 19 ÷ 20°C. Caracteristic acestor instalatii este durata mare de retentie a materiei in fermentator care variaza 30 si 90 de zile. Instalatiile de biogaz de capacitate medie si mare functioneaza in domeniul mezofil si termofil. Aceste regimuri termice sunt asigurate si mentinute relativ constante cu ajutorul surselor interioare de caldura si a izolatiei termice.
[l/kg materie organica]
Productia de biogaz
Fermentatoarele care functioneaza in zona termofila produc biogaz cu o viteza mai mare decat cele care functioneaza in zona mezofila. Viteza de producere a biogazului scurteaza timpul de retentie a substratului organic in fermentator, necesar pentru obtinerea aceleiasi cantitati de biogaz. Ca urmare, fermentatorul este mai mic si instalatia costa mai putin. Acest tip de instalatie este indicat in zone climatice calde. In zona temperata, costul mai redus al fermentatorului este, de regula, depasit de costul apreciabil aferent incalzirii materialului supus fermentarii pana la temperaturi din zona termofila. De aceea majoritatea fermentatoarelor din zona temperata functioneaza in zona mezofila, la temperaturi de 22 ÷ 38°C. Principalul dezavantaj al functionarii in zona mezofila este acela ca, determinand viteze relativ lente de producere a biogazului, necesita perioade mai mari de retentie a materialului organic in fermentator. In figura 5.2 se prezinta dinamica producerii biogazului pentru diverse temperaturi. Se constata ca la temperaturi ridicate se obtine o cantitate mai mare de biogaz intr-un timp mai scurt. Exemplu – la 30ºC, dintr-un kg de materie organica se obtin circa 800 l de biogaz dupa 25 zile, dupa care productia practic nu mai creste, iar la 20ºC se obtin 600 l de biogaz dupa 55 zile.
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Timpul de retentie(zile) Fig. 5.2 – Dinamica producerii biogazului la diverse tmperaturi
POLIZAHARIDE
Faza I-a de acidogeneza Bacterii coliforme Drojdii Bacterii acide Bacterii lactice Bacterii propionice Bacterii butirice
PROTEINE Microorganisme proteolitice
Bacterii Lipolitico Bacterii
Acizi grasi
(intuneric, microaerobioza)
Faza II-a de Metanogenez a (intuneric, anaerobioza)
GRASIMI
Bacterii coliforme Bacterii propionice Bacterii butirice Glicerina Gaze Acizi organici Alcooli (CO2,H2) (formic, acetic, (etilic, propionic,butibutilic ric,succinic)
Gaze Alcooli (CO2 , H2 (metilic, C4) etilic, Butiric)
Acizi organici Alti produsi (formic,acetic, (vitamine, propionic,butienzime) ric, lactic)
Aminoacizi Acizi grasi
CH4,CO2 Cantitati mici de H2 Urme de H2S,NH3, N2,indol scatol
Metanobacterii
CH4 CO2
Gaze (NH3,CO2 H2S, indol, Scatol)
Metanobacterii
Fig.5.1 Modul de desfasurare a fermentarii anaerobe
Metanobacterii
Tri- si dipoeptide
CH4 CO2
BIOGAZ
In principiu este necesar sa se efectueze un control periodic al temperaturii de fermentare si sa fie asigurata, totodata, sursa de energie prin care sa se redreseze sistemul din punct de vedere termic in caz de necesitate, variatiile mari de temperatura influentand in mod negativ activitatea microbiologica din fermentator. 2. pH-ul – ALCALINITATEA Stabilitatea procesului de producere a biogazului ca si calitatea acestuia (procentul de metan) depinde de pH-ul materialului supus fermentării. Metanobacteriile se dezvolta cel mai bine daca reactia este neutra, respectiv la un pH = 6,8 ÷ 7,2 putand tolera si un domeniu mai larg 6,5 ÷ 8,0. Capacitatea de tamponare a mediului, adica aptitudinea materialului de a se opune schimbarilor de pH, depinde de alcalinitatea prezenta. Aceasta controleaza fluctuatiile de pH datorate acumularii de acizi volatili (acid acetic, acid butiric, acid propionic), a caror aciditate o neutralizeaza. Daca alcalinitatea prezenta si respectiv capacitatea de tamponare este insuficienta pentru a controla efectul acumularii de acizi, pH-ul va incepe sa scada. Ca efect, in prima faza va creste in biogaz proporţia de dioxid de carbon fata de metan, pana la incetarea procesului de producere a biogazului. Pentru mentinerea pH-ului in domeniul optim prin prevenirea acidificarii excesive este indicata introducerea de substante alcalinizante, stabiliozatoare de pH ca: apa de var (10 kg var nestins la 100 l apa), var pasta (25 ÷ 30 kg var nestins la 100 l apa), carbonat de calciu pulbere, fosfat de calciu pulbere, apa amoniacala 15 ÷ 20 %, hidroxid de sodiu solutie 40%. 3. ELEMENTE NUTRITIVE Procesul de metanizare necesita existenta unui mediu nutritiv optim pentru dezvoltarea microorganismelor implicate in biodegradarea materiei organice. Produsele organice reziduale din agricultura contin cantitati suficiente si in raporturi echilibrate din toate elementele esentiale pentru nutritia microorganismelor (carbon, azot, fosfor, sulf, microelemente). Uneori este necesara ajustarea raportului dintre carbon / azot. Prezenta microelementelor ca: cobalt, zinc, fier si mangan favorizeaza dezvoltarea rapida a florei metanogene. Acestea joaca rol de biocatalizator in procesul de transformare a substantei organice complexe in substante simple si in imbogatirea mediului cu enzime si vitamine din complexul B. 4. SUBSTANTE TOXICE Orice substanta care inhiba activitatea microorganismelor metanogene sau care este letala pentru acestea, prezinta un pericol potential pentru procesul de fermentare anaeroba. Pana in prezent nu s-au inventariat toate substantele care au un efect negativ si nici nu s-au stabilit toate nivelurile concentratiilor toxice. In ultimele decenii folosirea produselor antimicrobiene a luat o amploare deosebita in sistemele de crestere industriala a animalelor, fie pentru imbunatatirea indicelui de conversie a hranei, fie pentru tratarea bolilor infectioase. Este necesar, de aceea, o utilizare judicioasa a acestora, daca dejectiile de animale urmeaza a fi folosite ca substrat pentru producerea de biogaz. In fermentatoarele alimentate cu dejectii de animale este indicat sa nu se foloseasca dejectii provenite de la animale care au fost tratate recent cu doze mari de antibiotice sau cu alte medicamente bacteriostatice sau bactericide. Deasemenea, cand adaposturile au fost dezinfectate cu substante chimice concentrate, este indicata indepartarea apelor de spalare. Un alt aspect de toxicitate pentru microorganisme este legat de prezenta unor cantitati excesive de amoniac sau concentratii ridicate de sulfuri. Factorii tehnologici care influenteaza fermentarea metanica si deci randamentul producerii biogazului sunt: a) compozitia materiei organice Cantitatea de biogaz care poate fi generata in cursul fermentarii anaerobe depinde de compozitia globala a materiei organice supusa fermentarii. Aceasta este data de compozitia principalelor grupe de produse participante: produse vegetale celulozice, dejectii de animale, reziduuri alimentare. O importanta deosebita in aprecierea compozitiei materiei organice o are valoarea raportului C/N (carbon / azot). Diferite produse reziduale prezinta valori situate in limite foarte largi ale acestui raport. Exemplu: zaharuri C/N = 200; celuloza C/N = 200; lignina C/N = 100; proteine C/N =66; frunze de copaci C/N = 41; iarba verde C/N = 25; lucerna C/N = 18; paie de cereale C/N = 56 ÷ 87; vrejuri de soia C/N = 32; dejectii proaspete fara asternut de furaje (fecale si urina) de ovine C/N = 12; de vaci de lapte C/N = 12; de porcine C/N = 9. Raportul optim este in limitele 15 ÷ 30. Ajustarea raportului (in sensul cresterii) se face prin adausuri de surse de carbon (paie sau reziduuri alimentare bogate in hidrati de carbon). b) omogenizarea In instalatiile de obtinere a biogazului in care nu se foloseste agitarea materialului sau se face o agitare slaba, materialul oragnic tinde sa se stratifice. Acest lucru reduce contactul intre microorganismele active si materialul in curs de descompunere, ceea ce determina incetinirea producerii si degajarii biogazului. In fermentatoarele moderne, omogenizarea continutului prin agitare (amestecare) este o operatiune tehnologica obligatorie. Ea asigura un contact intim permanent intre materia organica si microorganisme si o uniformizare a temperaturii din fermentator. Totodata, previne formarea crustei, ajuta degajarea mai rapida a biogazului format si confera materialului fermentat o consistenta convenabila pentru operatiunea de evacuare. c) incalzirea Incălzirea este o operatiune necesara pentru asigurarea unei temperaturi optime si constante in instalatia de fermentare. Cerinta globala de caldura rezulta din insumarea cerintei de caldura pentru ridicarea temperaturii influentului (materia ce intra in fermentator) la valoarea programata si a caldurii necesare pentru completarea pierderilor prin peretii, acoperisul si radierul fermentatorului. Asigurarea incalzirii se face folosind schimbatoare de caldura, ca de exemplu serpentine tubulare conectate la un boiler sau prin injectia de abur in masa de material. d) izolarea termica Izolarea termica a fermentatorului este necesara in toate zonele geografice in care temperatura mediului ambiant coboara sub temperatura optima de lucru a instalatiei, de regula 30 ÷ 35°C. In zona temperata, amplasarea fermentatorului sub nivelul solului (ingropat sau semiangropat) reduce pierderile de caldura, aspect ce a contribuit la extinderea acestor tipuri de constructii. La fermentatoarele de capacitate medie si mare, de randament ridicat, se folosesc materiale termoizolante folosite in constructii si industrie: vata de sticla, azbest, uretan, polistiren. e) imbogatirea cu microorganisme metanogene (inocularea) Cu toate ca bacteriile metanogene sunt prezente aproape in toate materiile organice reziduale, ele nu constituie o populatie dominanta. Este necesar sa treaca o perioada destul de lunga pentru ca ele sa se multiplice natural si sa actioneze eficient in producerea biogazului. Pentru a reduce perioada de inmultire a metanobacteriilor intr-un fermentator nou sau la repunerea in functiune, este necesar sa se adauge un inocul bogat in metanobacterii, actiune care sa ajute la amorsarea procesului de metanizare. Inoculul poate fi constituit din policulturi de bacterii metanogene spontane dezvoltate in malul de pe fundul lacurilor, canalelor sau haznalelor, in dejectiile de taurine sau cabaline sau in namolul de la statiile de epurare a apelor uzate orasenesti. Se mai pot folosi deasemenea culturi de bacterii metanogene selectionate in laborator, din materiale organice bogate in microflora spontana. 5.4 Metode de imbunatatire a performantelor fermentatoarelor In ultimii ani au fost depuse eforturi considerabile pentru gasirea unor cai de imbunatatire a performantelor procesului de fermentare anaeroba, in special in cazul folosirii deseurilor solide, caracterizate de prezenta intr-o proportie mai mare a macroparticulelor. Tratamentele pentru marirea gradului de biodegrabilitate pot fi biologice, fizico-chimice si mecanice. 0
1 Pretratarea biologica 2 Consta in adaugarea in masa de materie supusa fermentarii a unor complexe de enzime care imbunatatesc substantial performantele fermentarii anaerobe, avand ca efect cresterea cantitatii de metan si reducerea reziduurilor solide. Cercetatori japonezi (Hasegawa si Katsura) au raportat o crestere cu 50% a productiei de biogaz in cazul prevederii unei faze de fermentare aeroba cu o usoara incalzire, inaintea introducerii materialului in fermentator in vederea descompunerii anaerobe. Acestia sugereaza ca bacteriile aerobe termofile secreta enzime care dizolva deseurile intr-un mod mult mai activ. 3 Pretratare fizico-chimica Tratamentele fizico-chimice sunt utilizate des pentru cresterea solubilitatii materiei organice. Una din metodele folosite consta in adaugarea de hidroxid de sodiu in conditii de mentinere a substantei la o temperatura de 120 ÷ 175°C la un pH de 11 ÷ 12 timp de 30 minute pana la o ora, sub presiune. Se obtine astfel o solubilitate de 60 ÷ 70%. La cresterea presiunii si temperaturii, continutul organic al deseurilor este divizat in fragmente cu catena scurta care sunt usor procesate de microorganisme. 4 Pretratarea mecanica Pretratarea prin dezintegrare mecanica – reducerea dimensiunilor particulelor constituente – are un efect benefic asupra biodegrabilitatii biomasei. Scopul evident este cresterea suprafetei specifice de contact. Au fost observate doua efecte: in primul rand daca biomasa are un continut mare de fibre, greu biodegradabile, maruntirea conduce la o productie mai mare de biogaz, iar in al doilea rand, reducerea dimensiunilor particulelor are ca efect o fermentare mai rapida, deci la o perioada de retentie mai mica. S-a constatat o crestere cu 25% a cantitatii de biogaz obtinut din gunoi de grajd in urma pretratarii intregii cantitati intr-un macerator, inainte de fermentare. In general, cu cat dimensiunile fibrelor sunt mai reduse cu atat potentialul de generare a biogazului este mai mare. Dimensiunea recomandata a particulelor, pentru optimizarea procesului de fermentare anaeroba este de maxim 5 mm. Cercetari efectuate la instalatia de biogaz Kolinany (Nitra – Slovacia) au dovedit influenta semnificativa a pretratarii mecanice a biomasei asupra productiei de biogaz in sensul cresterii acesteia. 0 Materii prime utilizate pentru producerea biogazului Materia organica (M.O.) moarta inmagazineaza energie solara convertita in energie chimica, in componentele fotosintetizate de plantele din care a provenit. O cantitate apreciabila din energia solara acumulata in plante, este stocata in celuloza. Materia organica, raportata la substanta uscata (S.U.) reprezinta intre 92 si 98% in produsele secundare din agricultura, intre 80 si 85% in dejecţiile proaspete de animale, 73% in dejectiile proaspete de pasari si in jur de 90% in gunoiul de grajd. Celuloza este principala componenta a materiei organice din care rezulta metan prin bioconversie. Continutul de celuloza, raportat la substanta uscata este de 35 ÷ 50% in produsele secundare din agricultura, 12 ÷ 20% in dejectiile proaspete de rumegatoare si 6 ÷ 10% in dejectiile de pasari si porcine. Cantitati mai mari de celuloza se gasesc in gunoaiele de la animalele crescute pe asternut. In cursul fermentarii anaerobe a amestecurilor de materiale organice reziduale din agricultura se descompune, de regula, pana la 60% din materia organica initiala. Concomitent scade si continutul de substanta uscata, dar in mai mica masura. Dintre componentele chimice ale materei organice, grade mai ridicate de conservare in biogaz au celulozele, hemicelulozele si grasimile, in timp ce proteinile prezinta grade mai scazute si variabile de conversie (tabelul 5.1). Tabelul 5.1 Gradul de conversie in biogaz a diverselor substante Natura substantei Biogaz [l / kg M.O.] Continut in CH4 [%] Hidrati de carbon 886 50 Grasimi 1535 70 Proteine 587 84 Reziduul fermentat ramane cu cantitati apreciabile de materie organica si aproape neschimabte de azot si sulf. Materia organica se gaseste in componentele nedescompuse sau in diferiti compusi sintetizati de microflora microbiana, care este activa in fermentarea anaeroba. O proportie importanta de azot se regaseste in forma amoniacala. Reziduul contine cantitati apreciabile de aminoacizi, enzime si vitamine din complexul B (exemplu 2 ÷ 5 mg B12 / kg reziduu). Fosforul, potasiul si microelementele (Co, Mn, Zn, Fe) se mentin la acelasi continut, dar au grade de mobilitate mai ridicate decat in materialul initial. Reziduul fermentat are miros caracteristic de mal si este lipsit de agenti patogeni activi. In functie de caracteristicile lui chimice si de gradul de diluare, el poate fi folosit ca ingrasamant organic pentru sol, indeosebi pentru ridicarea fertilitatii solurilor din sere si solarii si chiar ca adaos vitaminoproteic in cazul unor furaje sau poate avea alte destinatii (suport pentru culturi de alge si rame, hrana pentru pesti etc.). In tabelul 5.2 se prezinta cantitatile de biogaz posibil de obtinut din diverse materiale organice. Tabelul 5.2 Cantitati de biogaz obtinut din diverse materiale organice Sursa Natura materialului organic Biogaz Continut de metan [l/kg S.U.] [%] Ierburi diferite 557 84,0 Lucerna 445 77,7 Agricultura Frunze de copaci 260 58,0 Paie de grau intregi 367 78,5 Paie de grau tocate la 0,2 cm 423 81,3 Frunze sfecla de zahar 501 84,8 Industria agro- Frunze sfecla furajera 496 84,0 alimentara Lujeri de tomate tocati 606 74,7 Drojdie de la distilerii 300 – 600 58,0 Dejectii de porcine 480 60,0 Zootehnie Dejectii de bovine 260 – 280 50 – 60 Dejectii de ovine 320 65 In tabelul 5.3 sunt prezentate cateva date care permit aprecierea potentialului de generare a biogazului din diferite dejectii de animale. Tabelul 5.3 Valori specifice pentru estimarea potentialului de generare a biogazului din dejectii de animale in sisteme de fermentare anaeroba de mare randament, de capacitate medie Specificatie Vaci de lapte Taurine la Porcine la Gaini ouatoare ingrasat finisare Dejectii proaspete nediluate impreuna cu urina [l&1000 kg animal viu si zi] 82 60 65 53 Cantitate totala de substanta uscata [kg S.U./ 1000 kg animal viu si zi] 10,6 7,4 5,9 12,9
Cantitate materie organica [kg M.O./ 1000 kg animal viu si zi] Fractiunea de materie organica convertita in biogaz [%] Cantitatea de biogaz produsa: m3/1000 kg animal viu si zi m3/l dejectii nediluate m3/kg M.O. m3/m3 fermentator si zi
8,6
5,9
4,8
9,5
35
45
50
60
3,28 2,89 2,62 6,21 0,040 0,048 0,040 0,117 0,38 0,49 0,54 0,65 1,1 1,3 1,1 1,3 Este evident ca fermentarea anaeroba reprezinta un procedeu complex de reciclare a energiei si a elementelor stocate in resturi organice lipsite altfel de valoare de intrebuintare, dar caracterizate printr-un potential ridicat de depreciere a calitatii mediului ambiant. 5.6 Tehnologii şi instalaţii pentru producerea biogazului 5.6.1 Producerea biogazului in Romania In Romania interesul pentru producerea biogazului a urmat un curs ascendent in a doua jumatate a secolului XX. Incepand cu 1958 la Centrul Experimental de Ingrasaminte Bacteriene (C.E.I.B.) de la Baneasa, s-au initiat cercetari de laborator pentru izolarea unor surse de bacterii metanogene si obtinerea de gaze combustibile pe cale biologica din diverse substraturi organice (dejectii de animale si gunoaie menajere). Din 1964 Tudor Ionescu a efectuat cercetari si pentru producerea biogazului din namoluri organice, prima lor materializare fiind instalatia pilot de valorificare integrala a apelor uzate de la abatorul Bucuresti. Problematica de cercetare si dezvoltare tehnologica circumscrisa la producerea si folosirea biogazului din dejectii de animale, in special de taurine si porcine, s-a concentrat in cateva directii principale. Cercetarile fundamentale s-au referit la aprofundarea microbiologiei procesului de metanizare si la selectia de surse de bacterii metanofore cu activitate maxima in vederea optimizarii bioconversiei energetice. Sub aspect tehnologic, cercetarile au urmarit perfectionarea tehnologiilor existente care folosesc ca materie prima dejectiile evacuate hidraulic din complexele de crestere industriala a animalelor sau dejectiile solide din sistemul de exploatare de tip gospodaresc. O alta directie a constat in elaborarea de tehnologii pentru sistemele in care dejectiile sunt evacuate prin raclare, fara consum de apa tehnologica. Inceputul a fost facut la Statia de Epurare a Apelor Uzate a municipiului Iasi de la Dancu, care a fost inzestrata cu o instalatie de tip industrial pentru producerea biogazului. Cu o productie initiala de 2000 m 3 biogaz / zi, statia si-a asigurat in general necesarul de energie tehnologica din productia proprie de biogaz, realizand ulterior si cantitati excedentare, in special in perioadele calde. In anii `80 functionau in conditii normale de producere – captare a biogazului instalatiile din cadrul statiilor de epurare a apelor reziduale de la Bacau, Iasi, Timisoara, Oradea, Suceava, Hunedoara, Roman, Piatra Neamt, Sibiu, Cluj s.a. producandu-se pe aceasta cale in jur de 85 000 m3 biogaz pe zi, respectiv 30 milioane m3/an. Pe principii similare s-au executat statii de biogaz produs din deseuri si namoluri organice pe platforma industriei alimentare din Vaslui, la abatoarele judetene ialomita si Timis, la distilaria de tescovina Tohani. Prima incercare, in conditii de statie pilot, de valorificare a dejectiilor de animale pentru obtinerea de biogaz s-a realizat in 1975 la complexul de cercetare a porcinelor de la Tomesti – Iasi. Experimentul a fost realizat in colaborare cu Institutul de Cercetari pentru Nutritia Animalelor de la Balotesti, intr-un fermentator cu capacitatea de 30 m 3. In 1979 a intrat in functiune la S.C.C.P. Peris, prima statie pilot de tip semiindustrial de producere a biogazului din dejectii de porc, cu o capacitate de 580 m3/zi biogaz. Dupa 1982 au intrat in executie si in functionare alte statii de capacitati similare sau mai mari, care folosesc tot dejectii de porc. Se mentioneaza cele de la fosta Intreprindere de Stat – 30 Decembrie – Giurgiu, I.S.C.I.P. Caracal (Olt), Codlea (Brasov), Roman (Neamt), Asociatia Economica Industriala Pecineaga (Constanta). Spre exemplu, statia de biogaz de la I.S.C.I.P. Caracl furniza o productie globala de 7000 – 8000 m3/zi biogaz. In aceeasi perioada s-au raspandit instalatiile de capacitate mica, care produc biogaz pentru colectivitati mici sau pentru gospodariile populatiei. Ele au aparut ca rezultat atat a unor actiuni centrale cat si al initiativelor unor gospodari intreprinzatori. Astfel, in 1979 s-a actionat pentru realizarea unor instalatii prototip de capacitate mica (5÷10 m 3), ulterior facandu-se si instalatii cu fermentatoare de 20, 30, 40 si 50 m3. Progrese notabile in realizarea de instalatii de mica capacitate s-au obtinut in judetele Iasi, Arges, Olt, Constanta, Braila, Timis. Din pacate, incepand cu 1990, in unele cazuri in mod total nejustificat, interesul pentru producerea biogazului prin reciclarea materiilor organice din zootehnie si industria alimentara, prin fermentare anaeroba, a scazut drastic, in conditiile in care in majoritatea tarilor lumii acest interes este de mare actualitate. In prezent se constata o tendinta de revenire la utilizarea instalatiilor de biogaz pentru reciclarea reziduurilor organice, tot mai multi intreprinzatori particulari manifestandu-si interesul pentru aceste tehnologii. INSTALATII DE BIOGAZ FOLOSITE IN ROMANIA 0 Instalatii de mica capacitate 1. Instalatia avand o capacitate de 14 m3 a fost conceputa de un colectiv de la facultatea de Hidrotehnica a Institutului Politehnic Iasi condus de dr.ing. Mihai Dima si a fost realizata in gospodarii rurale din judetele Iasi, Botosani si Suceava. Este compusa dintr-o camera de alimentare, un bazin de fermentare, gazometrul si camera de evacuare (fig. 5.3). De la baza peretelui exterior al camerei de alimentare pana la baza camerei de evacuare se realizeaza o diferenta de nivel de 1,1 m care permite deplasarea gravitationala a materialului supus fermentarii (podeaua camerei de alimentare si a fermentatorului se constituie intr-un plan inclinat). Camerele de alimentare si evacuare au forma unor camine de vizitare, cu capace de lemn si accesul pe trepte metalice. Instalatia functioneaza la temperatura mediului ambiant, izolarea facandu-se cu un strat de paie si gunoi de grajd. Productia de biogaz stagneaza daca temperatura in fermentator scade sub 8 ÷ 10°C. Pentru accelerarea procesului de fermentare se prevede un agitator cu palete care actioneaza pe fundul fermentatorului. Actionarea agitatorului este manuala prin intermediul unei manivele. Captarea gazului combustibil se face prin doua guri, una situata sub clopot iar cealalta in spatiul de refugiu al fermentatorului unde se inmagazineaza gaze rezultate din biomasa aflata in deplasare spre caminul de evacuare. In conditii normale de functionare, instalatia poate furniza cca 3 m3 gaz combustibil pe zi.
Fig. 5.3 Instalatie de biogaz de mica capacitate 1 – podea de lemn; 2 – agitator; 3 – perete exterior; 4 – conducta de evacuare gaz; 5 – lest de balast pe podea de lemn; 6 – clopot de tabla (gazometru); 7 – burlan de evacuare; 8 – bucsa de bronz; 9 – canal de evacuare; 10 – perete interior al camerei de alimentare; 11 – perete interior al camerei de evacuare. 2. Un alt tip de instalatie de capacitate mica (3 ÷ 5 m 3) a fost proiectata de C. Baron si functioneaza in comune din judetul Teleorman. Schema acestei instalatii este prezentata in figura 5.4.
Fig. 5.4 Instalatie de biogaz de capaciate mica (proiectata de C. Baron in 1979) Fermentatorul este semiangropat, are forma cilindrica si este alimentat discontinuu. Materia prima este constituita din amestec de balegar de bovine, dejectii de porc si de pasari, resturi menajere, frunze etc. La prima umplere a cuvei se adauga 1 ÷ 2 galeti de must de balegar, amestecat cu 3 ÷ 4 galeti de apa pentru inocularea materialului organic cu bacterii metanogene active. Pentru sarjele urmatoare se pastrează ca inocul 10 ÷ 20% din materialul fermentat anterior. Fermentatorul se umple cu materii organice circa 85% din capacitate prin scoaterea clopotului glisant. Clopotul poate culisa pe verticala, etansarea sa realizandu-se cu ajutorul unei garzi acvatice (garnitura cu apa). Producerea biogazului incepe dupa circa 3 zile, in acest timp volumul materiei organice crescand cu 10 ÷ 15%. 1 Instalatie de capacitate mijlocie Instalatia a fost proiectata de un colectiv din cadrul Institutului de Chimie Alimentara Bucuresti. Schema instalatiei este prezentata in figura 5.5. Capacitatea fermentatorului este de 25 ÷ 50 m 3, instalatia avand doua componente principale: cuva de fermentare, cilindrica cu ax vertical, izolata termic si un clopot multifunctional, care poate culisa pe verticala in cuva de fermentare. Cuva de fermentare este semiangropata, astfel ca cel putin 1,5 m din inaltimea ei este deasupra solului. In interiorul cuvei exista patru opritoare metalice, care limiteaza pozitia inferioara a clopotului. Instalatia functioneaza in regim mezofil, fiind prevazuta posibilitatea montarii unui schimbator de caldura interior. Diluarea materialului se face cu apa calduta. Alimentarea cu materiale organice se face printr-un tub care patrunde prin axul clopotului, iar evacuarea materialului fermentat se realizeaza prin preaplin, cu tub de evacuare.
Fig. 5.5 Instalatie de biogaz de capacitate mijlocie (25 – 50 m 3) 2
Instalatie de capacitate mare Statiile de biogaz de mare capacitate au fost proiectate de colectivul Institutului de Studii si Proiectari de Constructii pentru Agricultura si Industria Alimentara (ISPCAIA) pe baza tehnologiei stabilite de un colectiv de cercetare din cadrul Institutului de Chimie Alimentara (I.C.A.). Statia pilot de tip semiindustrial de producere a biogazului din dejectii de porc a intrat in functiune la Statiunea Centrala de Cercetari pentru Cresterea Porcilor Peria, actuala RomSuinTest (in prezent nefunctionala). Statia, cu o capacitate de 580 m 3 a fost dimensionata sa prelucreze dejectiile de la 5000 porci. Fluxul tehnologic adoptat este prezentat schematic in figura 5.6.
6 1
2
7 3
4
5 8
Fig. 5.6 Fluxul tehnologic al statiei de biogaz de la Peris 1 – Statie de pompare; 2 – Decantor gravitational; 3 – Ingrosator de namol; 4 – Statie de distributie a namolului; 5 – Reactor de fermentare anaeroba; 6 – Ape uzate; 7 – Biogaz; 8 – Namol fermentat. Dejectiile de porc, evacuate hidraulic din adaposturi, sunt prelucrate in cadrul statiei de epurare a apelor reziduale din complex. Namolul porcin, separat prin decantare mecanica, serveste ca materie prima pentru obtinerea biogazului. Namolul brut decantat are un continut de 3÷4 s.u., care dupa ingrosare ajunge la 5÷7,4% s.u. Continutul de materie organica din namolul ingrosat este de 80 ÷ 87%. Fermentarea anaeroba elimina treapta biologica de epurare a namolului, cu economisirea aferenta de energie conventionala. Biogazul obtinut este folosit ca sursa de combustibil in statia de epurare a apelor reziduale, iar excedentul poate fi utilizat ca sursa de energie in complexul de crestere a animalelor, pentru actionarea motoarelor de la intreprinderi invecinate sau imbuteliat sub presiune. Statia de biogaz de la Intreprinderea de Sere Adunatii Copaceni, judetul Giurgiu. Incadrata deasemenea intr-o statie de epurare a apelor reziduale, statia are doua fermentatoare cu o capacitate de 400 m3 fiecare si este alimentata cu namol de porcine. Cantitatea de biogaz produsa intr-un an echivaleaza cu 154 tone de combustibil conventional. Biogazul este folosit in centrala termica. Statia de biogaz de la S.C.P.C.P. Oarja – judetul Arges face parte dintr-o serie de statii proiectate de I.S.P.C.A.I.A. Bucuresti care au fost construite la mai multe intreprinderi de crestere a porcilor, ele fiind similare din punct de vedere al constructiei si tehnologiei de functionare, unele deosebiri fiind determinate de conditiile concrete, particulare de la fiecare beneficiar. Asemenea statii au mai fost puse in functiune la Intreprinderea de Cresterea si Industrializarea Porcinelor Roman, S.C.P.C.P. Avrig, I.A.S. Let-Ozun judetul Oradea. In principiu o astfel de statie consta dintr-un decantor primar, o statie de pompare a namolului, un ingrosator de namol, o statie de distributie a namolului ingrosat, doua fermentatoare de 750 m3 fiecare, un gazometru de 500 m3 si o centrala termica. In figura 5.7 se prezinta schema fluxului tehnologic al statiei, in care se evidentiaza urmatoarele parti componente principale: 1. ingrosator de namol; 2. fermentatoare; 3. statie de distributie a namolului; 4. gazometru; 5. centrala termica; 6. grup electric; 7. statie compresoare; 8. vas tampon; a. conducta namol primar; b. namol ingrosat; c. conducta golire; d. namol fermentat; e. conducta golire; f. agent termic. Functionarea statiei
Namolul primar pompat de la decantorul primar al statiei de epurare este adus la ingrosatorul de namol unde se stabileste procentul de substanta uscata la valoarea prescrisa pentru functionarea fermentatorului. Din ingrosator namolul este transportat la statia de distributie, de unde este repartizat in functie de necesitati la cele doua fermentatoare. Biogazul produs este preluat de la partea superioara a fermentatorului si introdus in gazometru unde se acumuleaza la presiune constanta.
Fig. 5.7 Schema statiei de mare capacitate tip I.S.P.C.A.I.A. De la gazometru, biogazul este trimis in functie de necesitati la: centrala termica a statiei de biogaz unde este consumat pentru producerea de agent termic necesar mentinerii temperaturii optime a materialului introdus in fermentatoare; grupul generator de energie electrica; statia de compresoare in vederea imbutelierii; centrala termica a complexului pentru producerea de apa calda si agent termic de incalzire. Namolul fermentat este transportat la platforma de namol unde se usuca si se foloseste ca ingrasamant. 5.6.2 . Instalaţii de biogaz utilizate in alte tari • CHINA Specific pentru aceasta tara este raspandirea pe scara mare a tehnologiilor neindustriale de producere a biogazului. Astfel, exista milioane de instalatii simple, de capacitate mica, la nivel familial, amplasate in special in mediul rural. Puterea calorica a biogazului generat este de 21.000 ÷ 23.000 kJ/m3. Estimandu-se la 0,2 ÷ 0,3 m3/persoana si zi cantitatea de gaz necesara pentru prepararea hranei si iluminat rezulta ca fermentatoarele cu capacitati de pana la 12 m 3 pot asigura necesitatile unei familii de 5 ÷ 6 persoane. Productia de la fermentatoarele de 50 si 100 m3 poate fi folosita si la alimentarea motoarelor sau incalzirea apei menajere. In mod frecvent cand cerintele depasesc capacitatea de productie a unui fermentator se leaga mai multe in paralel. In figura 5.8 este prezentata schema unui fermentator cilindric tipic. Pentru constructie se folosesc materiale traditionale locale (pietris, gresie, caramizi, argila, var) ciment si beton, otelul fiind in proportie foarte mica.
Fig. 5.8 Schema unui fermentator cilindric 1 – fermentator; 2 – conducta de alimentare; 3 – groapa de efluent; 4 – tub de gaz; 5 – evacuare efluent.
Prin amplasarea sub nivelul solului si acoperirea clopotului cu pamant, se reduc pierderile de caldura si se mentine constanta temperatura necesara procesului. • STATELE UNITE ALE AMERICII Sisteme de fermentare cu alimentare continua: Acest sistem include un tanc pentru prefermentarea dejectiilor, echipamentul pentru manipularea fluidului si fermentatorul. Tancul de prefermentare se dimensioneaza pentru a retine cantitatea de dejectii generate in circa 2 zile la o ferma zootehnica. Este construit din beton armat, de forma paralelipipedica si amplasat sub nivelul solului. In figura 5.9 se prezinta schema tehnologica a unui sistem de fermentare cu alimentare continua. O singura pompa asigura atat alimentarea fermentatorului din tancul de prefermentare precum si evacuarea reziduului din fermentator prin robinetii R 1 si R2.
Fig. 5.9 Schema tehnologica a unui sistem de fermentare cu alimentare continua In figura 5.10 este prezentata schema unui fermentator cu alimentare continua de capacitate medie (Pennsylvania). De retinut modul de agitare al fluidului din fermentator prin recircularea unei parti din biogaz, precum si sistemul de izolare.
Fig. 5.10 Schema unui fermentator cu alimentare continua, de capacitate medie (Pennsylvania)
1 – alimentator; 2 – compresor de biogaz; 3 – acoperis otel galvanizat; 4 – izolatie; 5 – siloz de beton D = 6 m, H = 5 m; 6 – transportor de namol; 7 – sursa de caldura; 8 – fermentator. Sisteme de fermentare cu alimentare in sarje alternative: Schema tehnologica a unui astfel de sistem este prezentata in figura 5.11. Acest sistem are fermentatorul format din doua compartimente de forma semicilindrica despartite de un perete separator vertical, central. In prima jumatate a timpului de retentie (de exemplu 10 zile) unul din compartimente este alimentat zilnic cu dejectii. In urmatoarele 10 zile, alimentarea inceteza in acest compartiment, dejectiile semilichide fiind lasate sa fermenteze ca intr-un sistem cu alimentare discontinua. Concomitent incepe alimentarea celui de al doilea compartiment. Alimentarea – fermentarea – evacuarea se repeta ciclic, cu alternarea fazelor intre cele doua compartimente. Legatura celor doua compartimente cu pompa se face prin intermediul robinetelor R 3 si R4.
Fig. 5.11 Schema unei instalatii de fermentare anaeroba cu alimentare in sarje alternative 0 Sistem de fermentare in structura lagunara cu alimentare in flux de tip piston: Sistemul este constituit dintr-un tanc de prefermentare, un fermentator lagunar cu flux de tip piston si un tanc de prefermentare, amplasate sub nivelul solului (fig. 5.12). Tancul de prefermentare are o capacitate de retinere pentru doua zile si alimenteaza fermentatorul prin dislocare gravitationala a dejectiilor semilichide din interiorul acestuia. Peretii laterali si podeaua sunt din pamant captusit cu argila, iar cei ai fermentatorului propriu-zis sunt din beton armat. Peretii fermentatorului sunt mai scurti, lasand la baza un spatiu suficient pentru a permite alimentarea si evacuarea fluidului din reactor. Invelisul este fixat, dar flexibil, incluzand o folie izolanta din material plastic, intarita. Ea este prinsa dealungul peretilor reactorului. Fermentatorul lucreaza la 25°C, regimul termic fiind asigurat prin introducerea de apa calda in mai multe puncte din fermentator, aceasta asigurand si dilutia dejectiilor.
Fig. 5.12 Schema unui sistem de fermentare cu alimentare in flux de tip piston • CANADA In Canada primele instalatii demonstrative de producere a biogazului, avand o capacitate medie, au fost puse in functiune dupa 1978. In figura 5.13 este prezentata schema unei instalatii de biogaz proiectata de Biomass Energy Institute din Manitoba. Ea functioneaza in regim continuu. Dejectiile cad prin podeaua cu gratar a grajdului intr-un sant adanc si ingust, unde se colecteaza si de unde sunt dirijate cu jet de apa spre fermentator.
Fig. 5.13 Schema unei instalatii prototip cu alimentare continuua (Canada) Sistemul de alimentare functioneaza astfel incat sa nu se produca scapari de gaze in grajd. Pe masura ce tancul de fermentare este incaract cu dejectii, efluentul se scurge spre o laguna. Namolul care se acumuleaza la fundul fermentatorului este indepartat cu o pompa de vid obisnuita. Dejectiile fermentate stocate in laguna sunt folosite pentru fertilizarea terenurilor agricole. Tancul de fermentare este din beton armat si are o forma cilindrica cu o baza conica. Are un capac fix, prevazut cu o supapa de siguranta si o gura de acces. Acoperisul fermentatorului si peretii lui sunt izolati termic cu straturi de 10 respectiv 5 cm de poliuretan si acoperite apoi cu un strat de placaj de 0,01 m tratat sub presiune. Capacitatea tancului se determina functie de volumul zilnic al dejectiilor si de timpul de retentie necesar pentru obtinerea unui randament ridicat al biogazului la temperatura de 35°C. Sistemul de incalzire consta dintr-un boiler, un schimbator de caldura si echipamentul necesar pentru mentinerea temperaturii constante in fermentator chiar in cazul in care temperatura mediului exterior atinge - 20°C. Incalzirea apei se face cu biogaz sau, in caz de nevoie cu propan. Omogenizarea dejectiilor din fermentator se face prin recircularea biogazului cu ajutorul unui sistem format dintr-o pompa si un sistem de tevi de polietilena. Biogazul rezultat prin fermentare anaeroba este condus la instalatia de purificare de vapori de apa si hidrogen sulfurat si apoi la unitatea de stocaj la presiune joasa, urmand a fi folosit pentru incalzire sau pentru obtinere de energie electrica. • ANGLIA In 1981 functionau in Anglia sase instalatii de producere a biogazului din dejectii de animale cu capacitati ale fermentatoarelor de 23 – 400 m3. Dintre acestea, cea proiectata de British Anaerobic and Biomass Association se remarca prin simplitatea conceptiei (fig. 5.14). Fermentatorul, avand o capacitate de 337 m3 este amplasat intr-o escavatie de pamant si are acoperisul format din cupole modulare. Fiecare cupola, de 6 × 2 m, este angrenata de celelalte cupole prin intermediul unor prese de beton in forma de T. In ansamblu, ele se constituie intr-un clopot plutitor. Presele de beton asigura si greutatea necesara pentru comprimarea gazului sub cupole, unde el se acumuleaza ca intr-un gazometru. Fermentatorul este alimentat cu dejectii diluate avand un continut de substanta uscata de 10 – 12%. Sub fiecare cupola se gasesc sisteme adecvate pentru agitarea fluidului, care s-au dovedit eficiente pentru combaterea formarii crustei, precum si posibilitati de inoculare cu metanobacterii active a dejectiilor proaspete. Dejectiile fermentate sunt evacuate prin pompare in lagune. Ele sunt aplicate pe terenurile agricole in timpul verii. Biogazul, inmagazinat sub cupole este trecut printr-un filtru de apa pentru indepartarea hidrogenului sulfurat si a altor substante. Biogazul se foloseste pentru incalzirea fermei, pentru producerea de apa calda si pentru producerea de electricitate.
Fig. 5.14 Schema unui fermentator de tip lagunar cu cupole mobile (Anglia)
1 – intrarea dejectiilor semilichide; 2 – evacuarea dejectiilor fermentate prin pompare; 3 – schimbator de caldura; 4 – panouri de incalzire a fermentatorului; 5 – sisteme de agitare a fluidului; 6 – inmagazinarea biogazului; 7 – conducta de evacuare biogaz; 8 – izolatie. 5.6. Aspecte privind reciclarea deseurilor organice prin fermentare anaeroba in secolul XXI Problema utilizarii tehnologiilor de fermentare anaeroba a dejectiilor de animale a revenit in actualitate spre sfarsitul secolului XX, la inceputul secolului XXI preocuparile in aceasta directie intensificandu-se in majoritatea tarilor. Aceste tehnologii ofera solutii pentru prelucrarea reziduurilor din fermele agricole si zootehnice cu efecte benefice asupra protectiei mediului pe de o parte, dar contribuie si la obtinerea unor beneficii materiale rezultate din utilizarea produselor finale (in principal a biogazului) cu efecte asupra scaderii cheltuielilor si cresterea veniturilor fermelor. Inasprirea cerintelor privind protejarea mediului inconjurator prin prelucrarea corespunzatoare a reziduurilor in general si a celor provenite din agricultura si zootehnie in particular, cuprinse in legislatia fiecarei tari si mai ales in cea a organizatiilor regionale precum si preocuparile tot mai frecvente pentru gasirea unor surse alternative de energie, au determinat si cresterea preocuparilor pentru punerea in functiune a unor instalatii pentru producerea biogazului prin fermentarea anaeroba a reziduurilor organice din fermele zootehnice. In continuare se prezinta unele aspecte privind aceste preocupari in unele state dezvoltate din AMERICA si EUROPA. In Statele Unite ale Americii, la inceputul anilor 2000 in statele din zona Marilor Lacuri: Ilinois, Indiana, Iowa, Michigan, Ohia, Winsconsin au luat o amploare deosebita utilizarea fermentatoarelor anaerobe in ferme zootehnice avand ca obiect cresterea vacilor de lapte, a porcilor ai chiar a pasarilor. In 2002 erau operationale circa 11 statii, un numar similar fiind in constructie sau in probe tehnologice (stadiu de finalizare). In toate aceste ferme biogazul este utilizat pentru generarea de electricitate si pentru producerea de energie termica utilizata pentru incalzirea apei si a incintelor sau uscarea unor materiale. In tabelul 5.4 sunt prezentate principalele ferme din Statele Marilor Lacuri care utilizeaza statii de fermentare anaeroba a dejectiilor de animale. Tabelul 5.4 Principalele ferme din zona Marilor Lacuri care utilizeaza statii de biogaz Numele fermei Statul Animale Numar Temp. de Acoperisul fermentare gazometrului Herrema Dairy IW Vaci lapte 3750 Mezofila Fix New Horizons Dairy IL Vaci lapte 2000 Mezofila Flexibil Northen Plains Dairy MN Vaci lapte 3000 Mezofila Flexibil Craword farm IA Porci 2800 Mezofila Flexibil Double S Dairy WI Vaci lapte 730 Mezofila Fix Futura Dairy IA Vaci lapte 750 Mezofila Fix Northeast IACC Farm IA Vaci lapte 110 Mezofila Fix Stenal Farm WI Vaci lapte 1200 Mezofila Flexibil Tinedale Farms WI Vaci lapte 2400 Termofila Tinut secret Tep Deck Holsteins IA Vaci lapte 700 Mezofila Fix Wholesome Dairy WI Vaci lapte 3000 Mezofila Fix Apex Pork IL Porci 8300 Mezofila Flotant Baldwin Dairy WI Vaci lapte 1100 Psihofila Flotant Bell Farms IA Porci 5000 Mezofila Flexibil Emerald Dairy WI Vaci lapte 1600 Psihofila Flotant Faingrowe Farms MI Vaci lapte 500 Mezofila Fix Gordondale Farms WI Vaci lapte 800 Mezofila Fix Haubenschild Farms MN Vaci lapte 900 Mezofila Flotant Maple Leaf Farms WI Rate 500.000 Mezofila Fix Se vor detalia in continuare unele aspecte privind constructia si functionarea unora dintre aceste statii. Statia Crawford – Nevada, Iowa Ferma are o capacitate de 3000 capete de porci, dar efectivul mediu este de 2800 capete. Aceasta populatie „genereaza” circa 57 m 3 de dejectii zilnic, ceea ce impreuna cu apa necesara conduce la o incarcare a fermentatorului cu 110 m 3 pe zi. Dejectiile cad prin gratarul ce constituie podeaua grajdului intr-un bazin de colectare cu apa reciclata de unde sunt pompate in fermentator impreuna cu apa, ajungandu-se la o concentratie de materie uscata de aproximativ 2%. Fermentatorul, proiectat de Universitatea Iowa si Fox Engineering, este un reactor anaerobic secvential in sarje. Rezervorul cilindric, cu diametrul de 15,24 m este acoperit cu un capac extensibil sub care se colecteaza gazul (gazometru). Volumul fermentatorului este de circa 625 m3 si este proiectat pentru un timp de retentie de 15 zile. Dupa fermentare, fiecare sarja este introdusa intr-un compartiment de sedimentare cu un volum de 95 m 3, unde timp de 30 minute are loc decantarea. Partea de la suprafata sarjei este introdusa intr-un rezervor pentru aerare timp de 15 minute, proces care are ca rezultat indepartarea amoniacului si corectarea pH-ului. Dupa aerare, faza lichida este introdusa in compartimentele de sub podeaua adapostului animalelor pentru a fi utilizata la transportarea si diluarea dejectiilor. Datorita acestei reciclari are loc si o reciclare a unor bacterii. Partea grosiera, din partea inferioara a compartimentului de decantare este depozitata intr-o laguna pana la utilizarea ca ingrasamant. Reactorul este conceput pentru a lucra in gama de temperaturi mezofilice cu un minim admis de 27ºC si optim de 30ºC. La o functionare continua fermentatorul a produs intre 1150 m 3 si 1275 m3 de biogaz zilnic. Biogazul rezultat, cu un continut de metan de 74% alimenteaza un boiler care incalzeste apa pentru fermentator si asigura energia termica necesara incalzirii cladirii. Costurile totale indica suma de 290 000 USD. S-au mai primit de la Statul Iowa 30 000 USD pentru cercetari privind sistemul de fermentator secvential in sarje, suma care nu este inclusa in cost. Sistemul a redus masiv mirosurile fata de depozitarea libera a dejectiilor utilizata anterior. Conform testelor efectuate se apreciaza un grad de reducere a mirosurilor de circa 80%. Proprietarul mentioneaza deasemenea producerea de propilen glycol si eliminarea unor costuri de incalzire fara a mentiona insa sume de bani. In figura 5.15 se prezinta schema de functionare a instalatiei de biogaz CRAWFORD – IOWA, preluata dupa Dr. Shih Wu Sung de la Iowa State University. Principalele parti componente ale instalatiei sunt: compartimente inchise, pentru colectarea dejectiilor, situate sub podeaua adaposturilor; reactor anaerobic secvential, in sarje; cazan termic functionand cu biogaz; rezervor de decantare; rezervor de aerare; rezervor de depozitare a materialului fermentat (grosier); a. biogaz; b. agent termic; c. sarja fermentata; d. Fosa apoasa; e. Fosa grosiera; f. Fosa apoasa aerata cu continut de bacterii metanogene.
Fig. 5.15 Schema functionala a statiei de biogaz Crawford – Iowa Instalatia de la ferma Apex – Pork – Rio, Ilinois Ferma are un efectiv obisnuit de 8 300 capete porci. Fermentatorul este produs de RCM Digesters si este o laguna in pamant, acoperita si incalzita. Volumul lagunei este de circa 3 000 m 3 si poate colecta dejectiile produse in 18 – 20 zile. In vara anului 1998 fermentatorul produce circa 1000 m3 de biogaz pe zi. Biogazul produs este utilizat pentru alimentarea unui boiler care are ca scop unic incalzirea fermentatorului. Materialul fermentat este administrat pe terenuri agricole cultivate prin rotatie cu porumb si soia. Costul fermentatorului este de 66 700 USD iar echipamentul pentru circulatia gazului si boilerul au o valoare de 85 600 USD ceea ce inseamna un cost total de 152 300 USD. Costurile de intretinere sunt sub 1000 USD anual. Principalul beneficiu al instalatiei consta in controlul mirosurilor care nu au mai deranjat vecinii, fermentatorul fiind autorizat de organismul federal de mediu. Statia Bell Farms, Thayer - Iowa Ferma Bell Farms are un efectiv de 5 000 scroafe gestante care genereaza aproximativ 80 m 3 de dejectii pe zi, din care 62 m3 sunt introdusi in fermentator. Continutul de materie uscata este de 4%. Fermentatorul, proiectat de RCM Digesters, este de tip laguna, incalzit, acoperit cu un invelis extensibil din vinil. In fermentator sunt plasate doua amestecatoare care sunt puse in functiune de doua ori pe zi. Capacitatea fermentatorului este de 2 650 m3, timpul de retentie fiind de 20 zile iar temperatura de operare este de 37 - 38ºC. Fermentatorul genereaza zilnic 850 m3 de gaz. Biogazul generat, cu un continut de metan de 65%, alimenteaza un set motor-generator de 80 kW care produce zilnic in medie 1090 kWh. In anul 2000 s-au raportat economii la factura de electricitate de circa 40 000 USD. Caldura recuperata din instalatia de racire a motorului este folosita pentru incalzirea fermentatorului. Costul total al instalatiei este estimat la 576 000 USD din care aproximativ 50% au provenit din subventii primite de la Departamentul de Resurse Naturale Iowa, Departamentul de Dezvoltare Economica si Serviciul de Conservare a Resurselor Naturale din Departamentul Agriculturii a SUA. In IRLANDA, la BALYTOBIN, functioneaza din 2000 o instalatie de fermentare anaeroba care utilizeaza dejectii semilichide colectate de la fermele din imprejurimi, impreuna cu reziduuri menajere si din industria alimentara aduse de la Dublin şi Cork. Biogazul produs este utilizat ca si combustibil pentru sistemul local de incalzire, de capacitate relativ redusa. Produsele de fermentare sunt returnate fermierilor si utilizate ca fertilizatori (ingrasamant) sau pentru ameliorarea solului. Proiectul, avand ca obiectiv satisfacerea cerintelor de energie termica pentru o comunitate de dimensiuni reduse, dar si imbunatatirea conditiilor de mediu a fost finantat in faza initiala printr-un Program de Dezvoltare Rurala iar in a doua faza prin Programul European „Leader Programme II”. O donatie a venit si din partea unei organizatii europene care sustine crearea de locuri de munca pentru persoane cu handicap. Pentru popularizarea proiectului, fondurile de diseminare a informatiilor, inclusiv prin desfasurarea unui seminar la fata locului, au fost acordate de programul UE „Altener”. Instalatia este compusa din doua fermentatoare care opereaza in serie. Primul consta dintr-un reactor orizontal din otel, cu volumul de 150 m3 in care se introduc la una din extremitati resturile alimentare amestecate cu dejectii semilichide pentru fluidizare. Materialul este deplasat cu un amestecator de tip transportor elicoidal cu viteza mica de rotatie, ajungand la punctul de descarcare dupa aproximativ 20 de zile. Continutul este mentinut la o temperatura de 55°C ceea ce conduce la distrugerea germenilor patogeni si a parazitilor, noile reglementari impunand o faza de pre-tratare a resturilor alimentare care consta din incalzirea pentru sterilizarea completa. Materialul partial fermentat este evacuat din primul fermentator impreuna cu fractiile nefermentate si pompat in al doilea fermentator. Acesta este un rezervor de 450 m3 acoperit cu o membrana flexibila dubla care are rol de gazometru pentru acumularea gazului si compenseaza fluctuatiile care apar in productia de gaz si consumul acestuia. In acest rezervor fermentarea are loc la 37°C timp de 30 zile. Materialul care este evacuat din al doilea rezervor este separat intr-o faza lichida si una solida. Lichidul este returnat fermierilor fara a se percepe vreun pret si este utilizat de catre acestia pentru fertilizare. Faza solida este compactata, deshidratata si comercializata ca ameliorator fara turba pentru soluri. Materia prima supusa fermentarii consta din dejectii semilichide colectate gratuit de la fermele locale in cantitate de aproximativ 14 tone/zi si resturi alimentare provenite din deseuri menajere in cantitate de 6 – 8 tone/zi. Periodic este colectata si supusa fermentarii si apa reziduala din sistemul public. Productia de biogaz este estimata la 600 m 3 pe zi. Acesta este utilizat pentru functionarea unui boiler de 200 kW pentru incalzirea apei necesare retelei locale de termoficare si a unui boiler de 85 kW care incalzeste apa destinata mentinerii temperaturii prescrise a fermentatorului. In statie este instalat si un motor termic alimentat cu gaz care antreneaza un generator de 105 kVA care functioneaza cand necesitatile retelei de termoficare o permit sau in situatii de urgenta. Continutul de energie al biogazului produs este de 5000 GJ/an. Din aceasta circa 500 GJ reprezinta pierderi iar 2000 GJ se consuma pentru incalzirea fermentatorului. Rezulta o productie neta de 2500 GJ pe an, care folosita in reteaua locala de incalzire inlocuieste circa 55 000 litri de gazolina care prin ardere ar degaja in atmosfera 165 tone dioxid de carbon pe an. Distrugerea germenilor patogeni si a parazitilor reduce riscul raspandirii bolilor intre animale sau de la animale la oameni. Lichidul de fermentare are un continut de substanta solida mai mic de 3% si este usor de imprastiat pe sol. Continand cea mai mare parte din azotul, fosforul si potasiul dejectiilor brute, se absoarbe rapid in sol, cu riscuri minime de a fi spalat de ape. Acest lichid este practic lipsit de miros, evitand astfel neplacerile care apar din acest punct de vedere la administrarea balegarului neprelucrat. Personalul de deservire este format din patru persoane angajate permanent care opereaza si intretin instalatia. In POLONIA – Regiunea POMERANIA, procesul de utilizare a biogazului a debutat la mijlocul anilor ’90, sisitemele fiind dezvoltate in special de companii locale, cu tehnologie poloneza si cu sustinere din partea autoritatilor locale si a fondurilor regionale si nationale de protectie a mediului, NUTEK Suedia si Agentia pentru Energie din Danemarca finantand de asemenea aceste proiecte. In 2003 functionau in regiune 3 uzine pentru generarea electricitatii pe baza de biogaz cu o putere instalata totala de 0,8 MW. Extinderea instalatiilor pentru obtinerea biogazului este inca limitata de necunoasterea oportunitatilor pe care biogazul le poate oferi si de
greutatile intampinate la obtinerea suportului financiar pe proiecte avand ca tema biogazul in agricultură de catre fermieri. Sunt planificate actiuni continui pentru cresterea interesului fata de acest domeniu: cursuri de instruire, workshopuri, excursii de studiu, pentru disiminarea know-how-ului legat de cele mai bune practici si pentru promovarea folosirii biogazului in regiune. Pe termen scurt (2005 – 2006) se prevede cresterea puterii instalate in statii de biogaz la 4 – 5 MW. Astfel in comuna Koczala se construieste o statie pilot pentru generarea de biogaz din dejectii de animale si alte reziduuri organice industriale. Pe termen mediu (pana in 2010) exista in continuare perspective foarte bune pentru cresterea utilizarii biogazului generat prin fermentarea materialului provenit din instalatiile de tratare a apelor reziduale oraseneati precum si a celui provenit din fermele cu exploatare intensiva din agricultura, pe fondul sporirii restrictiilor referitoare la protectia mediului. In GERMANIA biogazul reprezinta un domeniu in continua crestere economica si cunoaste o extindere considerabila de cand a fost adoptata legea prioritara privind energiile alternative. In vreme ce in anii ’90 existau sub 200 instalatii de producere a biogazului in toata Germania, in 2003 numarul acestora a crescut spectaculos. Puterea medie a acestor instalatii a crescut de la 70 kW la 330 kW. Exemplu, in Brandenburg functionau 22 instalatii cu puteri intre 200 si 1200 kW. Costul specific mediu al acestor instalatii este de 4000 E/kW. Datorita noilor tarife adoptate de parlamentul german in 20.04.2004 se asteapta o crestere a acestui sector. Astfel, uzinele care folosesc biogazul pentru producerea energiei electrice vor primi subventii cuprinse intre 8,4 si 9,9 eurocenti/kWh in functie de puterea instalata. Dintre companiile germane specializate in proiectarea, constructia, intretinerea si acordarea de consultanta in domeniul statiilor de biogaz mentionam: 5 FRANZ EISELE & SHONE GmbH 6 ENVI TEC BIOGAS GMBH 7 HESE UMWELT 8 BIOGAS NORD GMBH Firma EISELE & SHONE GmbH, cu o traditie de peste 100 ani a construir in 2003 in UNGARIA langa Nyirabator pentru firma Bator-Trade kft, cea mai mare fabrica de biogaz din lume la acea data. Valoarea totala a investitiei (inclusiv dobanzi, asigurari etc.) este de 7 milioane euro, estimandu-se o perioada de amortizare de 4 ani. Instalatia, de capacitate foarte mare, functioneaza in regim combinat – mezofil, la 37ºC si termofil, la 55ºC. Numarul total al fermentatoarelor este de 12, dintre care 6 mezofile, avand o capacitate totala de 7632 m 3 si 6 termofile, cu o capacitate totala de 9520 m 3. Fabrica poate prelucra 400 m3 deseuri organice pe zi ceea ce inseamna o capacitate anuala de prelucrare de 146 000 m3. In cazul functionarii la capacitate totala, uzina furnizeaza o putere electrica de 2,25 Mwe si o putere termica de 3,15 MWt. Din energia termica produsa 20% este folosita pentru incalzirea fermentatoarelor iar din cea electrica 2% este folosita pentru functionarea instalatiei. Restul de energie termica si electrica este disponibila pentru consumul propriu sau pentru vanzare catre distribuitori. DANEMARCA este tara cu cea mai vasta experienta in folosirea pe scara larga a instalatiilor de fermentare anaeroba, ocupand primul loc in Europa in constructia de uzine de biogaz. In prezent sunt operationale un număr foarte mare de uzine de dimensiuni mari care prelucreaza materii prime din ferme, reziduuri organice industriale si deseuri menajere, producand caldura si electricitate. Unul din instrumentele cheie pentru incurajarea dezvoltarii acestei tehnologii il constituie „green pricing” prin care li se permite producatorilor de electricitate din biogaz sa vanda produsul la un pret mai mare decat cel normal. 5.6. Oportunitati oferite de tehnologia de reciclare a deseurilor organice prin fermentare anaeroba Tehnologia de reciclare a deseurilor organice prin fermentare anaeroba permite realizarea simultana a doua obiective: - protejarea mediului; - obtinerea de profituri prin valorificarea produselor finale. Actualele tehnologii de gospodarire a deseurilor organice din agricultura, zootehnie, industria alimentara si statiile de epurare a apelor uzate orasenesti prevad depozitarea in bazine din beton, rezervoare si alte structuri proiectate pentru a corespunde cerintelor si regulilor de protectie a mediului si reprezinta un cost necesar. Tehnologia de obtinere a biogazului prin fermentare anaeroba poate conduce la o eficientizare a costurilor in conditii ecologice, in raport cu tehnologiile clasice. Ea reprezinta un instrument al managementului gestiunii deseurilor organice prin care se obtin, pe de o parte, biogazul, care poate fi folosit pentru obtinerea de energie iar pe de alta parte bioproduse rezultate in urma fermentarii, stabile din punct de vedere biologic, care pot fi utilizate in diverse moduri in functie de nevoile locale. 1. Protectia mediului Principalele elemente care sustin contributia fermentarii anaerobe la protejarea mediului sunt: a) Reducerea mirosurilor: Sistemul de obtinere si valorificare a biogazului prin fermentare anaeroba conduce implicit la reducerea mirosurilor agresive care se degaja in cazul depozitarii improprii a deseurilor organice, materia reziduala fermentata fiind slab mirositoare. Prin tehnologia expusa, mirosurile, care deterioreaza calitatea aerului si deranjeaza comunitatile umane sunt reduse foarte mult deoarece acizii organici volatili, sursa mirosurilor, sunt consumati in procesul de fermentare de catre bacteriile anaerobe. b) Reducerea poluarii apelor si solului: Materia reziduala fermentata este un produs preponderent lichid, mai omogen si mai controlabil decat deseurile netratate. Prin fermentare anaeroba cea mai mare parte a azotului organic se transforma in azot anorganic, usor asimilat de catre plante, ceea ce confera acestei materii calitati foarte bune de fertilizator. Deasemenea, proprietatile fizice ale materiei fermentate inlesnesc manipularea si administrarea pe sol. Manevrat corespunzator, lichidul de fermentare reduce simtitor posibilitatile de poluare a apelor si terenurilor. c) Reducerea germenilor patogeni: Fermentatoarele incalzite reduc drastic populatiile patogene in cateva zile. Tancurile de fermentare izoleaza bacteriile care mor inainte de depozitare sau administrare pe sol. Reducerea poluarii aerului si a poluarii sonore Un alt aspect care demonstreaza contributia acestei tehnologii la protejarea mediului se refera la utilizarea biogazului in calitate de combustibil pentru motoarele autovehiculelor de transport local. In multe tari, biogazul este privit ca o alternativa la combustibilii clasici, foarte atragatoare din punct de vedere ecologic. Nivelul de zgomot generat de motoarele alimentate cu biogaz este in general mai scazut decat in cazul motoarelor Diesel, aspect pozitiv in contextul mediului urban. Emisiile de gaze arse si fum au un nivel considerabil redus fata de motoarele Diesel, iar emisia de azot este foarte scazuta. 2. Valorificarea produselor finale a) Utilizarea biogazului: Biogazul produs in fermentator este preluat prin intermediul instalatiei de manipulare si transportat la utilizator. Instalatiile de manipulare includ: retele de tevi, pompe pentru gaz, debitmetru, regulatoare de presiune si drenaje pentru condensul care apare ca rezultat al condensarii vaporilor de apa din gaz datorita racirii acestuia. In unele situatii este necesara o instalatie pentru purificarea gazului de compusi corozivi cum ar fi hidrogenul sulfurat. Biogazul este un gaz combustibil cu un continut mediu de energie de 21200 Btu/m 3 pana la 28250 Btu/m3 care poate fi folosit pentru generare de electricitate, pentru alimentarea motoarelor vehiculelor de transport, drept combustibil pentru boilere, instalatii de incalzire sau refrigerare, sau poate fi utilizat direct pentru masinile de gatit sau iluminare. - generarea de electricitate: Sistemul consta dintr-un motor cu ardere interna alimentat cu biogaz, cuplat cu un alternator care furnizeaza energie electrica. Se utilizează motoare cu putere de până la 10 MW. Randamentul conversiei in energie electrica este de 25% in cazul utilizarii motoarelor cu puteri pana la 200 kW, putand ajunge pana la 38% in cazul utilizarii motoarelor cu puteri mai mari. In ultimul timp a luat amploare conceptul de generare a energiei electrice concomitent cu producerea si utilizarea caldurii (CHP). Tehnologiile CHP vizeaza
recuperarea caldurii din gazele de ardere si din sistemul de racire al motoarelor care antreneaza generatorul de energie electrica. Combinand recuperarea caldurii prin generarea de abur si apa fierbinte cu generarea de electricitate, randamentul total poate ajunge la 80 – 85%. Energia electrica generata poate fi intrebuintata in unitatea producatoare a biogazului sau poate fi comercializata in reteaua electrica locala. Dezvoltarea tehnologica si subventiile guvernamentale pentru generarea ecologica a energiea electrice sunt in continua crestere in multe state ale lumii. Productia combinata de caldura si energie electrica este adecvata aplicatiilor la scara mica, instalaţiile CHP alimentate cu biogaz reprezentand o alternativa la variantele clasice. Aceasta tehnologie relativ noua, a atins pragul comercializarii si poate inlocui boilerele conventionale in comunitati, producand atat electricitate cat si caldura. - alimentarea autovehiculelor de transport: Biogazul, din care se elimina dioxidul de carbon, hidrogenul sulfurat si apa este comprimat si folosit ca si combustibil alternativ pentru vehicule de transport. Tehnica alimentarii cu biogaz este practic identica cu cea utilizata in cazul alimentarii cu gaz natural comprimat. Alimentarea cu gaz presupune fie modificarea unui motor conceput pentru combustibil lichid, fie construirea unui motor special proiectat pentru a functiona cu combustibili gazosi. Gazul este stocat in rezervoare cilindrice din otel sau fibra de sticla, sub presiune. Datorita arderii complete a metanului, multi posesori de parcuri auto au raportat economii la costurile de exploatare a vehiculelor de 40 – 50%. - producerea caldurii: Biogazul poate fi folosit direct drept combustibil pentru orice echipament care in mod normal uitilizeaza propan sau gaze naturale, cu mici modificari. Boilerele si instalatiile de incalzire alimentate cu biogaz generaza caldura. Desi nu reprezinta utilizarea cea mai eficienta a gazului, in unele situatii poate constitui o varianta multumitoare. - racire – refrigerare: Fermele cu vaci de lapte necesita cantitati considerabile de energie pentru refrigerare. Un procent de 15 – 30% din energia consumata de o astfel de ferma este utilizata la racirea laptelui. Instalatiile de racire cu combustibil gazos sunt disponibile si pot fi utilizate in acest scop. Pentru unele ferme aceasta solutie poate fi cea mai eficienta din punct de vedere al costurilor. -alte posibilitati de utilizare: Exista si alte posibilitati de folosire a biogazului. Una din aplicatiile posibile se refera la incalzirea serelor cu instalatii alimentate cu biogaz, dioxidul de carbon rezultat din ardere contribuind la dezvoltarea pdantelor. b) utilizarea reziduurilor fermentate: Aplicatiile de succes ale reziduurilor fermentarii anaerobe includ folosirea ca fertilizatori in culturile agricole, ca amendament pentru ameliorarea solurilor si ca adaosuri in acvacultura. Dupa evacuarea din fermentator, efluentul poate fi prelucrat prin separare mecanica obtinandu-se o faza solida si o substanta organica lichida denumita in mod curent „filtrat”. Faza solida, bogata in fibre, are caracteristici fizice similare muschiului de turba, putand fi folosit pentru ameliorarea solului. Faza lichida, o solutie organica stabilizata, are o valoare ridicata ca fertilizator. Aceasta contine combinatii de azot, fosfor si 3 ÷ 4,5% potasiu (in materie uscata) si poate fi imprastiata direct pe terenul cultivabil. Continutul de amoniac al “filtratului” este de pana la de doua ori mai mare decat in gunoiul de grajd depozitat (nefermentat). Fermentarea duce la cresterea gredului de asimilare a azotului, peste valorile uzuale de 30 ÷ 60%, absorbtia fosfatului nu scade, gradul sau de asimilare de 50% nemodificandu-se, iar carbonatul de potasiu este asimilat in proportie de 75÷100%. Pentru a preantampina evaporarea amoniacului din compozitia „filtratului” este necesar ca administrarea acestuia sa se faca prin imprastiere cat mai aproape de sol si optim prin injectarea directa in sol, caz in care riscul de pierdere a amoniacului este extrem de mic.Utilizarea ingrasamantului natural fermentat ofera avantaje certe in ce priveste cresterea productiilor agricole. Astfel, studii egiptene au aratat ca utilizarea ingrasamantului natural fermentat pe soluri nisipoase a condus la cresterea continua a productiei agricole timp de 25 ani in comparatie cu utilizarea ingrasamantului nefermentat pe acelasi tip de sol. Un studiu intreprins pe baza datelor din China raporteaza cresteri ale productiei cu 6 – 20% datorate utilizarii fluidelor fermentate pentru necesarul de elemente nutritive ale culturilor agricole.
