ANALÝZA SLOŽENÍ KOMUNÁLNÍHO ODPADU. Michael Landsmann Článek se zabývá především problematikou spalování odpadů a to stanovením obsahu nebezpečných látek ve směsném komunálním odpadu. Klíčová slova: spalování, produkty spalování, odpad Nároky na ochranu životního prostředí se neustále zvyšují a zasahují stále širší problematiku. Tak se v posledních letech stala nesmírně aktuální otázka ekologicky vhodného využívání nebo zneškodňování komunálního a průmyslového odpadu. Předcházení vzniku odpadů a následnou recyklaci je potřebné vidět jako součást strategie odpadového hospodářství. Plán odpadového hospodářství ČR zpracovaný v roce 2002 se vztahuje na všechny druhy odpadů a je platný 10 roků v období let 2003 až 2012. Tento plán je v souladu s požadavky EU na řízení odpadového hospodářství. Plán informuje o prevenci vzniku odpadů, minimalizaci produkce odpadů, metodách recyklace a seznamu monitorovacích indikátorů. Jedním ze způsobů nakládání s odpady je také spalování odpadů. V ČR je jen malý díl odpadů odstraňován spalováním. Kapacity spaloven nejsou využity. Důvodem jsou vysoké ceny spalování ve srovnání se skládkováním. V současné době jsou v provozu 3 spalovny směsných komunálních odpadů (SKO) s využitím získané tepelné energie. Dále je v ČR v provozu celá řada spaloven nebezpečných odpadů v průmyslových závodech a nemocnicích. Při látkové recyklaci odpadů jsou využitelné složky získané separovaným sběrem recyklovány a jsou využívány jako druhotná surovina. V ČR dle údajů MŽP využití u jednotlivých složek je následující: 61% papír, lepenka 66% sklo 58% plasty Kompostovatelný odpad z údržby veřejné zeleně je z 36% využíván a z 27% skládkován. V ČR je v současné době biologický odpad odděleně sbírán a kompostován jen v 9 obcích. Vzhledem k přítomnosti toxických a nebezpečných látek ve složkách odpadu pro životní prostředí, zvláště v komunálním odpadu, je nutné znát koncentrace nebezpečných látek. Hlavním důvodem je bezpečné nakládání s odpady. Tyto údaje jsou těžko dostupné vzhledem k variabilitě odpadu a jeho složení. Projekt navrhuje využít spalovny jako prostředku pro analýzu problematických prvků v odpadech. Získané údaje o průměrném složení směsného a komunálního odpadu pak budou sloužit při řízení odpadového hospodářství. Proces spalování odpadů je využitelný pro stanovení obsahu nebezpečných látek ve směsném komunálním odpadu. Významný podíl vznikajících odpadů má alespoň jednu nebezpečnou vlastnost a nese sebou potenciální přímé riziko pro lidské zdraví a nebo pro přírodní prostředí. Přenesené riziko vzniká při nakládání s odpady (skládkování-kontaminace půd a spodních vod, únik skládkového plynu, spalování emise znečišťujících látek do ovzduší). Při spalování přejdou problematické prvky do zbytků po spalování a při analýze těchto zbytků, Ing. Michael Landsmann, VUT FSI, Technická 2, Brno 616 69, e-mail: ylands00@stud.fme.vutbr.cz - 121 -
tuhých i plynných, lze stanovit množství těchto látek v původním odpadu. Nutný předpoklad je znalost hmotnostních toků odpadu i zmíněných zbytků. Cílem projektu je vypracovat jednoduchou metodu na jejímž základě bude možno určit průměrné složení komunálního resp. směsného komunálního odpadu, včetně obsahu problematických prvků, těžkých kovů apod. Směsný komunální odpad má velmi proměnlivé složení z hlediska složek (obaly, papír, lepenka, textil, plasty, sklo, kovový odpad, zbytky potravin, prořez stromů, listí, tráva, chemikálie, léky, baterie a další), vlhkosti, výhřevnosti a velikosti kusů jednotlivých složek. Sestavení reprezentativního vzorku z cílem stanovit průměrné složení odpadu je prakticky vyloučeno. Spalovna spaluje odpad dodaný do bunkru ve stavu jak byl přijat (drtiče a nůžky pouze zmenšují objemné a rozměrné odpady). Zbytky po spalování (produkty spalování) obsahují prvky a chemické sloučeniny závislé na přítomnosti těchto prvků ve vstupním odpadu a na jejich koncentraci. Pro stanovení koncentrace sledovaných prvků v odpadu bude měřeno množství a složení produktů spalování a čištění spalin a koncentrace sledovaného prvku v těchto zbytcích. Tuhé zbytky po spalování tj. škvára a popílek jsou v porovnání se vstupním odpadem prakticky homogenní a je podstatně jednodušší připravit vzorek pro analýzu sledovaného prvku. Tuhý odpad z procesu čištění spalin lze taktéž snadno analyzovat. Ze zákona na ochranu čistoty ovzduší jsou dnes kontinuálně měřeny spaliny včetně měření koncentrací sledovaných plynných složek. Dále jsou ve spalinách sledovány toxické organické polutanty a jiné toxické látky např. těžké kovy. Během projektu budou soustavně sledovány hmotnostní toky vstupního odpadu, spalovacího vzduchu, pracovních medií, vody, páry, pomocných provozních chemikálií vstupujících do technologie spalovny (na hranicích bilančního prostoru) a taktéž všech druhů zbytků po spalování a čištění spalin. Výsledky budou zpracovány metodami matematické statistiky tak, aby výsledky byly reprezentativní a v praxi použitelné. Pro přesné analýzy budou navrženy vhodné postupy odběrů vzorků, homogenizace vzorků a použity standardní postupy stanovení koncentrace sledovaného prvku. NÁVRH ŘEŠENÍ, ROZSAH A PARAMETRY. Navržený projekt bude řešen ve spalovně SAKO Brno, a.s.. Spalovna spaluje směsný komunální odpad tvořený komunálním odpadem z městských částí a průmyslovým a živnostenským odpadem obdobného složení a charakteru komunálního odpadu. Spalovna je součástí POH a v budoucnosti bude spalovat odpad produkovaný v Jihomoravském kraji. Současná kapacita spalovny je 120 000 t/r směsného komunálního odpadu. Spalovna dodává tepelnou energii ve formě páry do městské teplárenské sítě. Je v celoročním provozu. ZÁKLADNÍ ENERGETICKÁ BILANCE ZA ROK 2003 SPALOVNY JE NÁSLEDUJÍCÍ: Hmotnost spáleného odpadu - 107 236 t Vyrobené teplo - 913 991 GJ Dodané teplo - 735 461 GJ Vlastní spotřeba tepla - 178 530 GJ Spotřeba el. energie - 2 101 193 kwh Spotřeba vody - 290 060 m 3 Spotřeba zemního plynu - 290 789 m 3 Spotřeba aktivního uhlí - 89,48 t Spotřeba vápna - 594,74 t práškového a 2 513 t karbidového vápna - 122 -
Během řešeného projektu budou též sledovány a měřeny toky spalovacího vzduchu, primárního a sekundárního, množství spalin a hmotnost vzniklých tuhých zbytků uvnitř technologie tj. bilančního prostoru. Na základě zjištěných hmotnostních toků a analýz tuhých zbytků po spalování bude možné stanovit transportní koeficienty, obsah a koncentraci sledovaných prvků a stanovit průměrnou koncentraci sledovaných prvků v odpadu. Transportní koeficienty jsou poměrná čísla vztažená na hmotnost vstupujícího odpadu, udávající kolik škváry, popílku a dalších složek vznikne z hmotnostní jednotky odpadu. Výsledky získané během prováděných měření a analýz budou zpracovány metodami matematické statistiky. Základní problém spočívá ve vhodné metodice měření, stanovení počtu odebíraných vzorků, hmotnosti vzorků a nejistot získaných výsledků. Sledovány budou indikátorové prvky, charakterizující odpad z hledisek působení na okolní prostředí. INDIKÁTOROVÉ PRVKY: C - uhlík, hlavní nositel chemické energie, základní konstituvní prvek organických látek, P - fosfor, ve formě fosfátů hlavní výživný prvek v odpadních vodách, lithofilní prvek, S - síra, při spalování snadno vytváří oxidy, F - fluor, fluorid hlavní anorganický ligand, Cl - chlor, vytváří lehce rozpustné soli, s organickými komponenty vytváří stabilní toxické látky PCB a PCDD/F, Fe - železo, vyskytuje se jako kov (železný šrot) v odpadech, chem. i fyz. lithofilní prvek, Zn - zinek, antikorozivní prostředek, baterie, aditivum v gumových výrobcích, Pb - olovo, vytváří stabilní komplexy s organickými ligandy, Cd - kadmium, aditivum v konzumních předmětech, chem. i fyz. atmofilní prvek Cu - měď, vytváří stabilní komplexy s organickýmí ligandy, Hg - rtuť, vytváří v redukčním prostředí toxické komplexy, typický atmofilní prvek, Al - hliník, součást obalů, přítomen jako kov, resp.oxidy ve škváře. Při stanovení indikátorů se vychází ze zahraničních zkušeností. Obdobné projekty se snahou získat přehled o tocích těžkých kovů a jiných toxických látek v komunální sféře proběhly v řadě spaloven v Evropě i zámoří. - 123 -
ZPRACOVÁNÍ VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ. Metodický problém při vyhodnocení výsledků je dán nesmírnou variabilitou odpadu a nemožností vytvořit reprezentativní vzorek s reálným zastoupením jednotlivých složek odpadu. Na základě odebraných vzorků tuhých zbytků bude stanovena průměrná hodnota koncentrace sledovaného prvku, nejistota měření, směrodatná odchylka, rozptyl dané veličiny a další statistické funkce. Naměřené hodnoty látkového obsahu jsou hodnotami náhodné veličiny Y. Pro vyjádření nejistoty těchto naměřených hodnot je možno aplikovat vícefaktorovou analýzu rozptylu (ANOVA) s náhodnými efekty bez interakcí s hierarchickým uspořádáním plánu [1]. Na základě předběžné zkoušky pak bude možno vytvořit optimální zkušební plán pro hlavní zkoušku. Jako ovlivňující faktory (efekty) jsou zvoleny faktory: den A, doba ve dni (dopoledne, odpoledne) B, zkušební vzorky za hodinu (zkušební jednotky) C. Model analýzy rozptylu má tvar: Y = µ + A + B + C + ε, ijkl i j[] i k[ ij] l[ ijk ] kde faktory ABC,, a náhodná chyba pokusu ε mají normální rozdělení pravděpodobnosti a jsou vzájemně nezávislé pro všechna i, j, k, l. Přitom předpokládáme, že střední hodnoty všech faktorů i náhodné chyby jsou pro všechna i, j, k, l nulové, takže µ je střední hodnota látkového obsahu. Rozptyl látkového obsahu Y bude pak možno pomocí naměřených hodnot vyjádřit ve tvaru: 2 2 2 2 2 σy σ A σb σc σ ε = + + +. Celkový rozptyl změřené koncentrace daného prvku má aditivní charakter a hierarchickou strukturu a bude stanoven jako součet rozptylů jednotlivých vlivů v průběhu pokusu. Rozptyl denní průměrné koncentrace, rozptyl průměrné hodinové koncentrace v rámci jednoho dne a rozptyl hodnot okamžité koncentrace daného vzorku udává rozptyl změřené hodnoty koncentrace. Na základě odhadu výběrových hodnot rozptylu, variačních koeficientů, výběrové kovariace lze stanovit nezbytný počet vzorků pro plánované analýzy. Na základě výsledků měření koncentrací sledovaných prvků ve složkách tuhých zbytků po spálení bude stanovena průměrná koncentrace prvku ve vstupním odpadu. - 124 -
VÝSLEDKY A INTERPRETACE. Stanovení hmotnostních toků sledovaných prvků v tuhých zbytcích. Stanovení hmot. toků sledovaných prvků v komunálním odpadu a SKO. Stanovení hmot. toků v komunálním odpadu z jednotl. městských částí (vliv separace). Stanovení transportních koef. do složek zbytků pro jednotlivé prvky. Stanovení bilance sled. prvků na obyvatele a rok. Srovnání výsledků s literárními údaji. Obdobná měření byla prováděna v řadě spaloven v Evropě i zámoří. Skýtají podrobnou informaci o hmotnostních tocích sledovaných prvků, v odpadech a komunální sféře. POUŽITÁ LITERATURA. [1] Anděl, J. (1993): Statistické metody. Praha: MATFYZPRESS [2] E. Schachermayer, G. Bauer, E. Ritter, P. H. Brunner (1995): Messung der guter-und stoffbilanz einer mullverbrennungsanlage. Wien, 105 s. [3] Podklady z provozu spalovny, Sako a.s. spalovna Brno - 125 -
- 126 -