Σύγκριση της Θερμικής Επεξεργασίας Στερεών Αποβλήτων για Παραγωγή Ενέργειας και της Υγειονομικής Ταφής

Transcript

1 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No Σύγκριση της Θερμικής Επεξεργασίας Στερεών Αποβλήτων για Παραγωγή Ενέργειας και της Υγειονομικής Ταφής Ν. I. ΘΕΜΕΛΗΣ Χ. Ι. ΚΟΡΩΝΑΙΟΣ Professor Columbia University Research Associate Columbia University Περίληψη Τουλάχιστον 6% των δημοτικών στερεών αποβλήτων (ΔΣΑ), που παράγονται στις Η.Π.Α., είναι μη-ανακυκλώσιμα. Οι κύριες εναλλακτικές λύσεις για τη διάθεση είναι η καύση ή η υγειονομική ταφή. Ένα ποσοστό 55% των ΔΣΑ στις Η.Π.Α. οδηγείται σε χώρους υγειονομικής ταφής αποβλήτων (ΧΥΤΑ) και ένα 14% οδηγείται σε μονάδες θερμικής επεξεργασίας στερεών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας (Waste- To-Energy, WTE). Οι επιδράσεις τέτοιων διεργασιών στο περιβάλλον μπορούν να είναι ευεργετικές, παραδείγματος χάριν από την άποψη της ανάκτησης ενέργειας ή καταστρεπτικές, από την άποψη εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια περιεκτική εξέταση των περιβαλλοντικών επιδράσεων που προκύπτουν από αυτές τις δύο κύριες μεθόδους διαχείρισης στερεών αποβλήτων. Ακρωνύμια ΔΣΑ Δημοτικά στερεά απόβλητα ΧΥΤΑ Χώρος υγειονομικής ταφής αποβλήτων VOC Πτητικές οργανικές ενώσεις WTE Waste-To-Energy, θερμική επεξεργασία στερεών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μετά την παραγωγή τσιμέντου (1,38 δισεκατομμύρια τόνοι ετησίως), τα δημοτικά στερεά απόβλητα (ΔΣΑ) αντιπροσωπεύουν τη μεγαλύτερη μάζα στερεών, που παράγονται στον κόσμο. Τα κύρια μέσα για τη διαχείριση των ΔΣΑ είναι η ανάκτηση υλικών (ανακύκλωση και επαναχρησιμοποίηση), η ανάκτηση ενέργειας (καύση ή αεριοποίηση, πυρόλυση, τεχνική πλάσματος), η βιολογική μετατροπή και η υγειονομική ταφή. Τα περισσότερα αναπτυγμένα κράτη χρησιμοποιούν αυτές τις μεθόδους σε διαφορετική όμως έκταση. Παραδείγματος χάριν, από τα 21 εκατομμύρια τόνους ΔΣΑ που παράγονται ετησίως στις Η.Π.Α., 22% ανακυκλώνεται, 14% καίγεται στις εγκαταστάσεις WTE (Waste-to-Energy, θερμική επεξεργασία στερεών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας) και 55% καταλήγει σε υγειονομική ταφή [1]. Συγκριτικά, στην Ιαπωνία, ανακυκλώνεται το 13%, καίγεται το 74,5%, ενώ για ταφή καταλήγει μόνο 2,3% των ΔΣΑ, συμπεριλαμβανομένης και της τέφρας από την καύση. Οι αμερικανοί πολίτες παράγουν ετησίως περίπου,8 τόνους κατ άτομο, σχεδόν διπλάσιο ποσό παραγωγής ΔΣΑ απ ό,τι στην Ιαπωνία. Αυτές οι διαφορές έχουν αποδοθεί στην πυκνότητα του πληθυσμού και σε άλλους πολιτιστικούς παράγοντες [2]. Πρόσφατα, μια ομάδα μηχανικών και επιστημόνων εξέτασε το πρόβλημα της διάθεσης αποβλήτων για ένα αστικό κέντρο, στο οποίο έχουν εξαντληθεί οι χώροι για ΧΥΤΑ: την πόλη της Νέας Υόρκης (N.Y.). Το μακροπρόθεσμο σχέδιο της πόλης είναι να μεταφέρει ετησίως το 71% των ΔΣΑ της σε άλλες πολιτείες (σχήμα 1). Η ομάδα μελέτης ανέλαβε μια εξέταση σε βάθος των περιβαλλοντικών επιπτώσεων κάθε εναλλακτικής λύσης [3]. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η πρώτη προτεραιότητα πρέπει να είναι η ελαχιστοποίηση αποβλήτων, και η επόμενη, η ανάκτηση των υλικών με ανακύκλωση. Εντούτοις, δεν είναι όλα τα απορριπτόμενα υλικά ανακυκλώσιμα, είτε για πρακτικούς είτε για οικονομικούς λόγους. Παραδείγματος χάριν, από τα 23 εκατομμύρια τόνους των πλαστικών που χρησιμοποιούνται ετησίως στις Η.Π.Α., μόνο το 5% ανακυκλώνεται, παρά την αξιοσημείωτη προσπάθεια εκ μέρους των κοινοτήτων και των πετροχημικών εταιρειών. Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται τα συστατικά των ΔΣΑ της N.Y. και η δυνητική διαχείριση τους βασισμένη στις ιδιότητες των υλικών και στην πραγματική αξία. Το 4% της ροής ΔΣΑ της N.Y. είναι ανακυκλώσιμο, εάν υιοθετηθούν οι βέλτιστες διαθέσιμες τεχνολογίες συλλογής και ανακύκλωσης. Στην πραγματικότητα, μετά από μια εντατική εκστρατεία για ανακύκλωση, η N.Y. ανακυκλώνει μόνο το 17% των ΔΣΑ. Από το μη-ανακυκλώσιμο 6%, το ένα τρίτο μπορεί να κομποστοποιηθεί (να μετατραπεί σε λίπασμα = compost) αλλά, στην περίπτωση της N.Y., δεν υπάρχει αγορά για το προϊόν της κομποστοποίησης. Εκτός από την ανακύκλωση και την κομποστοποίηση, τα μόνα μέσα για τη διάθεση των ΔΣΑ είναι η ανάκτηση ενέργειας / υλικών με επεξεργασία σε εγκαταστάσεις WTE ή η υγειονομική ταφή. Σε αυτό το άρθρο συγκρίνονται οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις αυτών των δύο τεχνολογιών.

2 µ = compost), N.Y., µ. 8 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 µ, µ µ µ 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ / µ WTE µ, µ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΩΝ ΔΣΑ µ.. µ 2. µ µ, Η διατήρηση των μη ανανεώσιμων πόρων είναι ένας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το σχήμα 2 παρουσιάζει αρχικός στόχος της βιώσιμης ανάπτυξης. Τα οφέλη της τη θερμογόνο δύναμη των ΔΣΑ, ως συνάρτηση της περιεκτικότητας σε υγρασία και της σύστασης των στερεών [5]. καύσης στις σύγχρονες εγκαταστάσεις WTE είναι η παραγωγή ηλεκτρικής-θερμικής ενέργειας και µ µ η ανάκτηση αποβλήτων [5]. Η σύνθεση µ του μίγματος των οργανικών των µ σιδηρούχων µ και μη σιδηρούχων μετάλλων. Η θερμότητα µ από την. καύση χρησιμοποιείται για την παραγωγή κέντρων, όπως C 6 Hη 1 ενώσεων, που περιλαμβάνονται N.Y., µ στα ΔΣΑ των αστικών N.Y., O 4 [5]. μπορεί να προσεγγιστεί από το ατμού, ο οποίος χρησιμοποιείται σε στροβίλους για την γενικό τύπο C 6 H 1 O 4 [5]. Present disposition of NYC MSW 4.5 million tons/y WTE -µ µ µ % 12.4% Recycling/ Waste-to-energy / WTE Landfilling / µ 71.% µ 1: µ Σχήμα 1: Υφιστάμενες πρακτικές διαχείρισης ΔΣΑ της πόλης της Νέας ( Υόρκης = 4,1 (σύνολο µµ = 4,1 εκατομμύρια / ). τόνοι/ετησίως). Figure 1: Present disposition of NYC MSW. Figure 1: Present disposition of NYC MSW. Πίνακας 1: 1: Ταξινόμηση µτων ΔΣΑ της NYC NYC ως προς την πιο κατάλληλη μέθοδο µ διάθεσης [4]. [4]. Table 1: Table Classification 1: Classification of NYC of MSW NYC by MSW most by appropriate most appropriate method method of disposal of disposal [4]. [4]. ( µ% ( µ% µ µ µ µ µ µ µ µ µ ) µ ) ( ( ( ( ( ( ( µ ( µ / ) / ) / ) / ) / ) / ) / ) / ) ( / ) 1 ( / ) 1 (9%) 28 (9%) 5.1% % µ (9%) 45 (9%) 9.9% % (5%) 79 (5%) 19.2% % ,5 39,5 / / % % (5%) (5%) (5%) 175 (5%) 4.3% % ,, % % , µ,.., (2%) µ,.. (2%) µµ µ µµ µ % % (%) (%) (%) 162 (%) 3.9% % % % (%) (%) (9%) (9%) % % µ µ 38.9% % 38 (1%) (1%) µ (1%) µ 168 (1%) 4.1% % 168 : : % % N.Y. N.Y. 4.3% 39.2% 4.3% 19.4% 39.2% 6.4% 19.4% 6.4% 1 Το ποσό για υγειονομική ταφή υποτίθεται ότι αποτελείται από 1% τέφρα από όλες τις καύσιμες ροές και 1% του μη-ανακυκλώσιμου γυαλιού. µ 1% µ 1% µ - µ.

3 µ 1: µ ( = 4,1 µµ / ). Figure 1: Present disposition of NYC MSW. 1: µ NYC µ [4]. Table 1: Classification of NYC MSW by most appropriate method of disposal [4]. Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No Σχήμα 2: Επίδραση της υγρασίας στη θερμογόνο δύναμη των υλικών των ΔΣΑ. Τα σημεία είναι τιμές της θερμογόνου δύναμης που αναφέρονται στη βιβλιογραφία µ [15]; µ οι στερεές γραμμές παρουσιάζουν. µ θερμοχημικές µ τιμές µ για διάφορες µ οργανικές ενώσεις [5]. µ 2: Figure 2: Effect of moisture on heating value of MSW materials. The points are heating values reported in the literature [15], solid lines [15]; µµ µµ µ [5]. show thermochemical values for various organic compounds [5] Συνδυασμένη καύση και καύση κινούμενης σχάρας Ο λιγότερο δαπανηρός τρόπος για να χρησιμοποιηθούν τα ΔΣΑ για την παραγωγή ενέργειας, είναι στις εγκαταστάσεις μαζικής «καύσης», όπου τα τοποθετημένα σε σάκους στερεά απόβλητα και άλλα υλικά φορτώνονται σε μια κινούμενη σχάρα, που τα μεταφέρει στο θάλαμο καύσης. Η «μαζική καύση» είναι η κυρίαρχη μέθοδος καύσης των ΔΣΑ παγκοσμίως, αλλά υπάρχουν τεχνολογίες WTE που υποβάλλουν την τροφοδοσία των ΔΣΑ σε προεπεξεργασία. Ο όρος «καύσιμα προερχόμενα από απόβλητα» (refuse-derived fuel - RDF) περιγράφει τα ΔΣΑ, που έχουν υποστεί προεπεξεργασία, προκειμένου να διαμορφωθεί ένα αρκετά ομοιόμορφο υλικό. Αυτό απαιτεί θρυμματισμό σε ένα σφυρόμυλο και μαγνητικό διαχωρισμό των σιδηρούχων υλικών. Μια τέτοια τεχνολογία αναπτύχθηκε από την εταιρία Energy Answers Corporation (Albany, Νέα Υόρκη) και χρησιμοποιείται στις εγκαταστάσεις SEMASS (Ρότσεστερ, Μασαχουσέτη) της εταιρείας American Ref-Fuel. Τα ΔΣΑ μεταφέρονται σε αυτές τις εγκαταστάσεις με καλυμμένους συρμούς και φορτηγά από περίπου σαράντα κοινότητες σε μια ακτίνα 95 χιλιομέτρων, που περιλαμβάνει τη νότια Βοστώνη, το ακρωτήριο Cape Cod, και τα νησιά Martha s Vineyard και Nantucket. Οι εγκαταστάσεις αυτές αποτελούνται από τρεις μονάδες καύσης, που επεξεργάζονται συνολικά,9 εκατομμύρια μετρικούς τόνους ετησίως. Ένας μέσος όρος 72 kwh ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται ανά τόνο ΔΣΑ και 61 kwh από αυτή πωλούνται στην τοπική ηλεκτρική εταιρία. Τα ΔΣΑ είναι τεμαχισμένα σε σωματίδια μικρότερα των 15 εκατοστών και διέρχονται από ηλεκτρομαγνήτες που αφαιρούν ένα μεγάλο μέρος του σιδηρούχου υλικού. Το τεμαχισμένο υλικό είναι αρκετά ξηρό, μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλες περιόδους και δεν προκαλεί δυσοσμία. Όταν τροφοδοτείται από το μεταφορέα στο θάλαμο καύσης, ανακλαστές στο κατώτατο σημείο του καναλιού τροφοδοσίας και ακροφύσια αέρα ψηλής ταχύτητας, διασκορπίζουν τα ελαφρότερα σωματίδια στο θερμό αέριο, όπου υποβάλλονται σε αιωρούμενη καύση. Τα βαρύτερα σωματίδια καθιζάνουν στην πιο μακρινή άκρη μιας κινούμενης σχάρας, που βρίσκεται στο κατώτατο σημείο του θαλάμου καύσης, και κινούνται αργά προς την άκρη της τροφοδοσίας. Κατά συνέπεια, ο αντιδραστήρας SEMASS συνδυάζει την εκτόνωση και την καύση κινούμενης κλίνης (σχήμα 3). Οι θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται στο θάλαμο καύσης είναι υψηλότερες απ ό,τι στη μαζική καύση και η απορριπτόμενη τέφρα από τη βάση του είναι κοκκώδης. Επιπρόσθετα σιδηρούχα και μη σιδηρούχα μέταλλα ανακτώνται από αυτήν την τέφρα από μαγνητικούς διαχωριστές και ρεύματος αυτεπαγωγής, αντίστοιχα. Η τέφρα του πυθμένα ικανοποιεί τα κριτήρια μη-τοξικότητας της EPA (Environmental Protection Agency), και μπορεί να χρησιμοποιηθεί, μεταξύ άλλων ευεργετικών χρήσεων, και για επίστρωση δρόμων. Το σύστημα καθαρισμού αερίων SEMASS είναι παρόμοιο με εκείνα που χρησιμοποιούνται στις περισσότερες εγκατα-

4 1 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 στάσεις WTE στις Η.Π.Α. Ένα διάλυμα ουρίας (CO(NH 2 ) 2 ) σε νερό εγχέεται συνεχώς στο φούρνο για να ελέγξει το επίπεδο οξειδίων του αζώτου. Τα αέρια καύσης περνούν μέσω των ανακτητών θερμότητας αέρα και νερού και μπαίνουν έπειτα σε ένα θάλαμο «ξηρού καθαρισμού αερίων». Εδώ, ένα διάλυμα ασβέστου εγχέεται για να εξουδετερώσει τα όξινα αέρια και να παγιδέψει οποιαδήποτε χλωρίδια και διοξίνες / φουράνια, τα οποία μπορεί να είχαν διαμορφωθεί κατά τη διάρκεια του σταδίου ψύξης του αερίου. Σχήμα 3: Ο θάλαμος καύσης του SEMASS. Figure 3: SEMASS combustion SEMASS chamber. (µ 4) Ενεργός 7 MW άνθρακας εγχέεται στο απαέριο για να συλλέξει τον υδράργυρο και 36. άλλες πτητικές ρυπογόνες ουσίες. 5. Τέλος, σακόφιλτρα µ συλλέγουν µ τα περισσότερα. από τα λεπτά µ σωματίδια προτού τα απαέρια αποβληθούν από την καπνοδόχο. Η συλλεχθείσα ιπτάμενη τέφρα αντιπροσωπεύει περίπου το 7,7% των εισερχόμενων µ µδσα, περιέχει τα περισσότερα από τα βαρέα μέταλλα, που υπήρχαν στα ΔΣΑ, και διατίθεται για ταφή µ σε ιδιαίτερο µ ΧΥΤΑ. 5.., Ευεργετικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις από WTE µµ. WTE 21 Οι εγκαταστάσεις SEMASS (σχήμα 4) παράγουν περίπου 7 MW ηλεκτρικής ενέργειας για πώληση και γίνεται ανάκτηση 36. τόνων σιδηρούχων και 5. τόνων μη σιδηρούχων μετάλλων ετησίως. Εάν η θερμική απόδοση αυτών των εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας ήταν η ίδια με τη θερμική απόδοση εγκαταστάσεων καύσης άνθρακα σε λέβητα, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας θα ήταν ισοδύναμη με σχεδόν 5. τόνους άνθρακα ετησίως. Με την τωρινή απόδοση και λειτουργία τους, αυτές οι εγκαταστάσεις αποφεύγουν την εξόρυξη περίπου 3 εκατομμυρίων τόνων άνθρακα. Αυτό δείχνει ότι υπάρχει χώρος για την ανάπτυξη της τεχνολογίας WTE στον 21 ο αιώνα, αναλογικά όπως αναπτύχθηκαν οι λέβητες καύσης άνθρακα τα τελευταία εκατό χρόνια Δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις της τεχνολογίας WTE 4, Το πιο εριστικό ζήτημα σχετικά με την ανάκτηση ενέργειας από ΔΣΑ είναι αυτό των εκπομπών στην ατμόσφαιρα.. Κατά το παρελθόν, οι εκπομπές του υδραργύρου, του υδροχλωρικού οξέος και των διοξινών ήταν ιδιαίτερα ανησυχητικές. µ Εντούτοις, μέχρι το τέλος του 2 ού αιώνα, τέτοιες 2.3. εκπομπές από WTE σύγχρονες εγκαταστάσεις WTE μειώθηκαν σε πολύ χαμηλά επίπεδα. Αυτό επιτεύχθηκε με τη μείωση των µ µ προδρόμων στο ρεύμα τροφοδοσίας, αλλά και με τη χρήση βελτιωμένων συστημάτων ελέγχου απαερίων. µ Ο πίνακας 2 µ. δείχνει ότι τα επίπεδα εκπομπής, του SEMASS µ είναι αρκετά κάτω από τις προδιαγραφές της ΕΡΑ. Παραδείγματος, χάριν, σύμφωνα με μια έκθεση [6], στο παρελθόν χιλιάδες., µ οικιακοί αποτεφρωτήρες και 32 δημοτικοί αποτεφρωτήρες 2 στην, πόλη της Νέας µ Υόρκης, εξέπεμψαν συνολικά περίπου WTE,8 εκατομμύρια µ τόνους σωματιδίων µ (PM),. ή 1% των ΔΣΑ που αποτεφρώθηκαν. µ µ Συγκριτικά, µ η εκπομπή,45 µ gr PM από τον SEMASS ανά m, 3 αερίου καπνοδόχου αντιστοιχεί σε µ µ λιγότερο από,3% των ΔΣΑ που υποβάλλονται σε επεξεργασία στις εγκαταστάσεις. SEMASS WTE. 2 µ µ SEMASS. µ, µ µ Συνολικές εκπομπές άνθρακα από τις αμερικανικές WTE µ [6], εγκαταστάσεις 32 µ, µ,8 µµ Τα ΔΣΑ της NYC µ περιέχουν (PM), άνθρακα 1% περίπου 33% 3. Στην ίδια βάση, οι ατμοσφαιρικές εκπομπές άνθρακα από., µ,45 gr PM την καύση των 3 εκατομμυρίων τόνων ΔΣΑ των Η.Π.Α. υπολογίζονται SEMASS σε 9,8 m 3 εκατομμύρια τόνους.,3% SEMASS WTE Εκπομπές υδραργύρου από τις εγκαταστάσεις WTE Ο υδράργυρος είναι ένας καλός δείκτης της δραματικής μείωσης των εκπομπών WTE κοντά στο τέλος του 2 ού αιώνα. Μια μελέτη από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμης Ενέργειας (National Renewable Energy Laboratory [7]) ανέφερε ότι το 1989, οι εκπομπές από όλες τις αμερικανικές WTE εγκαταστάσεις περιελάμβαναν 81,8 τόνους υδραργύρου. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 9, οι συνολικές

5 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No Σχήμα 4: Διάγραμμα ροής μιας από τις τρεις μονάδες SEMASS WTE (9 τόνοι ΔΣΑ/day). µ 4: µµ µ µ SEMASS WTE (9 /day). Figure 4: Flowsheet for one of the three SEMASS WTE units (9 tons MSW/day). Figure 4: Flowsheet for one of the three SEMASS WTE units (9 tons MSW/day). 2: µ 1999 SEMASS No. 3 µ EPA. Πίνακας Table 2: Σύγκριση 2: Comparison των εκπομπών of 1999 emissions του 1999 from από SEMASS No. Μονάδα 3 Unit with No. US 3 Environmental με τα πρότυπα Protection EPA. Agency (EPA) standards. Table 2: Comparison of 1999 emissions from SEMASS No. 3 Unit with US Environmental Protection Agency (EPA) standards. µ EPA 2 SEMAS µ µ 3,1 EPA 1,2 SEMAS µ parts per million dry volume (ppmdv) 2 3,1 16,6,2 Ppmdv 25 3,6 parts per million dry volume (ppmdv) 3 16,6 Ppmdv Ppmdv 25 3,6 Ppmdv 15 56,3 µ Ppmdv µ µµ , Ppmdv µ ( g/dscm) 15 56,3 µ µ µµ µg/dscm 2 2 3,3 1,24 µ µg/dscm ( g/dscm) 8 5,9 µg/dscm µµ µ 3 2,86 3,3 / (ng/.dscm ) µg/dscm 8 5,9 / TEQ µ ng (TEQ)/dscm.6 µµ µ 3.17,86 / (ng/.dscm ) 2 / TEQ µ 7% 2, ng (TEQ)/dscm µ gr/dscf = 2,28 g/ µ 2 Τα πρότυπα και τα στοιχεία αναφέρονται για 7% Ο 2, ξηρά βάση και για κανονική θερμοκρασία και πίεση. 3 1 gr/dscf = 2,28 g/ ξηρό κανονικό κυβικό μέτρο

6 12 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 εκπομπές από τις εγκαταστάσεις WTE στις Η.Π.Α. είχαν μειωθεί σε 26,9 τόνους υδραργύρου [8]. Ο πίνακας 3 παρουσιάζει εκπομπές υδραργύρου από διάφορες εγκαταστάσεις WTE στις πολιτείες της Νέας Υόρκης και του Νιου Τζέρσευ και από τις μονάδες SEMASS [9]. Η τελευταία στήλη δείχνει όλα τα στοιχεία στο κοινό μετρικό σύστημα σε kg υδραργύρου, που εκπέμπονται ανά εκατομμύρια τόνους επεξεργασμένων ΔΣΑ. Εφαρμόζοντας τη μέση τιμή των 6 kg υδραργύρου ανά εκατομμύρια τόνους ΔΣΑ (πίνακας 3) σε 3 εκατομμύρια τόνους ΔΣΑ που καίγονται στις Η.Π.Α., οι εκπομπές υδραργύρου από τις αμερικανικές εγκαταστάσεις WTE το 1999, υπολογίζονται να είναι λιγότερο από δύο τόνους, δηλ. 13 φορές μικρότερες από τις εκτιμήσεις της EPA το 1995 και σχεδόν σαράντα φορές χαμηλότερες από τις εκπομπές από εγκαταστάσεις WTE το Αντίθετα, οι εκπομπές υδραργύρου το 21 από όλες τις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας με καύση άνθρακα των Η.Π.Α., ήταν περίπου 43 μετρικοί τόνοι ετησίως [1]. Η μείωση στις εκπομπές υδραργύρου από τις εγκαταστάσεις WTE στις Η.Π.Α. φαίνεται στο σχήμα 5. Πίνακας 3: Εκπομπές υδραργύρου από εγκαταστάσεις WTE (1999). Table 3: 1999 mercury emissions from waste-to-energy plants. ( / ) ( g/dscm) µ (kg/ ) (kg. ) Camden, New Jersey 41 25,1 51,3 125 Essex, New Jersey ,8 73,5 82 Gloucester, New Jersey , 6,8 36 Union, New Jersey ,2 14,5 28 Warren, New Jersey ,4 1,8 12 Onondaga, New York 3 8,1 15,3 52 SEMASS, Massachusetts 999 5,1 33, 37 tons/year 9 NREL, EWG, 2 EPA, 1995 Themelis & Gregory, 21 < WTE plants > Coal-fired plants Σχήμα 5: Μείωση των εκπομπών υδραργύρου σε εγκαταστάσεις WTE στην τελευταία δεκαετία του 2 ού αιώνα [4]. Figure 5: Decrease of mercury emissions from all US WTE plants in the last decade of the 2 th century [4].

7 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No Πίνακας 4: Πηγές εκπομπών διοξινών Η.Π.Α Table 4: Sources of dioxin emissions in the U.S., µµ µ 1987 EPA µ 1995 EPA µ µ 22 EPA W E () ,42% ,76% 12 1,8% 64 4,31% ,47% ,78% ,5% ,13% 7,63% 983 7,2% 271 8,4% 3,27% µ 117,8,84% 156,1 4,84% 25 2,26% ( ) µ 76,6,55% 76,6 2,38% 76 6,87% 89,6,64% 62,8 1,95% 62 5,61% 5,8,36% 6,1 1,86% 6 5,42% 27,8,2% 35,5 1,1% 35 3,16% µ 16,3,12% 29,1,9% 29 2,62% µ µ 32,7,23% 28,87% 27 2,44% µ µ µ 26,4,19% 27,6,86% 27 2,44% µ 356 2,54% 19,5,6% 15 1,36% ( ) 99,7,71% ,4% 1 9,4% % % 16 1% Εκπομπές διοξινών από τις εγκαταστάσεις WTE Η εφαρμογή των κανονισμών της Μέγιστης Διαθέσιμης Τεχνολογίας Ελέγχου (Maximum Available Control Technology - MACT) της U.S.E.P.A. το είχαν ως αποτέλεσμα τη μείωση των εκπομπών διοξινών από όλες τις πηγές των Η.Π.Α. κατά ένα συντελεστή 1 και των διοξινών από εγκαταστάσεις WTE κατά ένα συντελεστή 6 (πίνακας 4). Αυτή την περίοδο, οι συνολικές μετρημένες εκπομπές διοξινών όλων των εγκαταστάσεων WTE των Η.Π.Α. είναι λιγότερες από 15 γραμμάρια τοξικών ισοδύναμων (<15 grams TEQ). Τα στοιχεία της ΕΡΑ δίνονται στο σχήμα 6, όπου φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο οι εγκαταστάσεις WTE στις Η.Π.Α. έχουν καταστεί μια πολύ μικρή πηγή διοξινών. Συνοψίζοντας, η εφαρμογή του ξηρού καθαρισμού, η έγχυση ενεργού άνθρακα και τα σακόφιλτρα στις εγκαταστάσεις WTE, έχουν βοηθήσει στην μείωση των εκπομπών τόσο των πτητικών ουσιών όσο και των βαρέων μετάλλων και διοξινών. 3. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΥΓΕΙΟΝΟΜΙΚΗΣ ΤΑΦΗΣ 3.1. Περιβαλλοντικά μέτρα Τα περιβαλλοντικά μέτρα των σύγχρονων ΧΥΤΑ περιλαμβάνουν τη συλλογή του μεθανίου από βιοαέριο και τη συλλογή και επεξεργασία διαλυμάτων προϊόντων διήθησης. Το αναφερόμενο συνολικό ποσό βιοαερίου αμερικανικών ΧΥΤΑ, που συλλέγεται ετησίως, είναι 8,1 δισεκατομμύρια Nm 3 ημερησίως [11]). Σε μια υποτιθέμενη περιεκτικότητα 54% CH 4 (βλ. εξίσωση 1) το μεθάνιο, που έχει συλλεχθεί, υπολογίζεται στα 4,3 δισεκατομμύρια Nm 3.

8 14 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 Σχήμα 6: Μείωση των εκπομπών διοξινών από WTE και άλλες πηγές στις Η.Π.Α. μετά την εφαρμογή των κανονισμών MACT. Figure 6: Decrease of dioxin emissions from WTE plants and other sources in USA after the implementation of MACT regulations Αρνητικές επιπτώσεις Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας των σύγχρονων ΧΥΤΑ και για μια απαιτούμενη περίοδο μετά από αυτήν, τα υγρά απόβλητα αποχέτευσης συλλέγονται και υπόκεινται σε χημική επεξεργασία. Εντούτοις, χημικές αντιδράσεις μέσα στους ΧΥΤΑ μπορούν να συνεχιστούν για δεκαετίες ή ακόμα και για αιώνες, μετά από το κλείσιμο τους. Υπάρχει έτσι δυνατότητα για μελλοντική μόλυνση των παρακείμενων υδάτων. Ο κίνδυνος τέτοιων κρυμμένων εκπομπών είναι μεγάλος, επειδή η πυκνότητα των υλικών που καταλήγουν σε υγειονομική ταφή αυξάνεται με το χρόνο, καθώς το υλικό συμπιέζεται και το έδαφος υποχωρεί. Επίσης, στους σύγχρονους αμερικανικούς ΧΥΤΑ γίνεται προσπάθεια να συλλεχθεί το βιοαέριο που παράγεται κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Παρ όλα αυτά, ο υφιστάμενος αριθμός φρεατίων αερίου είναι περιορισμένος (περίπου ένα φρεάτιο ανά 4. m 2 επιφάνειας ΧΥΤΑ [11]), έτσι ώστε να συλλέγεται μόνο ένα μέρος του βιοαερίου, όπως αναλύεται πιο κάτω Εκπομπές μεθανίου στην ατμόσφαιρα Η αναερόβια αποσύνθεση των ΔΣΑ στους ΧΥΤΑ οδηγεί στην παραγωγή μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα, κατά την ακόλουθη απλουστευμένη αντίδραση [12]: C 6 H 1 O 4 + 1,5H 2 O = 3,25CH 4 + 2,75CO 2 (1) Το αέριο που παράγεται από αυτήν την αντίδραση αποτελείται από σχεδόν 54 % μεθάνιο και 46% διοξείδιο του άνθρακα. Έχει υπολογιστεί ότι το συστατικό των ΔΣΑ που προκαλεί τη βιολογική διάσπαση, αντιπροσωπεύει το 25% της συνολικής ροής ΔΣΑ όπως συλλέγεται (δηλ., συμπεριλαμβανομένης της υγρασίας, των πλαστικών, του γυαλιού, των μετάλλων κ.λπ.) [12]. Το μέγιστο ποσό αερίου που μπορεί να παραχθεί από τα ΔΣΑ υπολογίζεται από την εξίσωση (1.1), να είναι 13 Nm 3 /μετρικό τόνο. Αλλά καθώς οι οργανικές αλυσίδες μορίων γίνονται μικρότερες, ο ρυθμός της βιολογικής διάσπασης μειώνεται. Σύμφωνα με μια μελέτη [3], ΔΣΑ που έχουν καταλήξει σε ΧΥΤΑ παράγουν 62 κανονικά κυβικά μέτρα CH 4 ανά τόνο ΔΣΑ, δηλ. περίπου το μισό της ανωτέρω θεωρητικής τιμής. Η αντίστοιχη θερμογόνος δύναμη του αερίου αυτού είναι 194 MJ ανά τόνο ΔΣΑ, δηλαδή μόνο το 2% της τιμής θερμότητας των ΔΣΑ, που έχουν καεί (σχήμα 2). Σε αυτή τη βάση, το μεθάνιο που παράγεται από τα ΔΣΑ στους ΧΥΤΑ στις Η.Π.Α. ανέρχεται σε 7,2 δισεκατομμύρια Nm 3 ετησίως. Δεδομένου ότι μόνο 4,3 δισεκατομμύρια Nm 3 του μεθανίου συλλέγονται πραγματικά στους ΧΥΤΑ [11], 2,9 δισεκατομμύρια Nm 3 πρέπει να εκπεμφθούν στην ατμόσφαιρα. Η μετατροπή αυτού του όγκου αερίου σε τόνους άνθρακα (1,55 εκατομμύρια τόνοι), και λαμβάνοντας υπόψη ότι η συνεισφορά του μεθανίου στο φαινόμενο του θερμοκηπίου (global warming potential - GWP), κατά τη διάρκεια ενός χρονικού πλαισίου 1 ετών, είναι 23 φορές μεγαλύτερη αυτής του διοξειδίου του άνθρακα [14], η απώλεια μεθανίου από τους ΧΥΤΑ στην ατμόσφαιρα αντιστοιχεί σε 35,7 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου άνθρακα, δηλαδή περίπου 2% των ανθρωπογενών εκπομπών του άνθρακα των Η.Π.Α Συνολικές εκπομπές άνθρακα από τους ΧΥΤΑ των Η.Π.Α. Οι συνολικές εκπομπές άνθρακα από τους ΧΥΤΑ είναι ίσες με 35,7 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου άνθρακα, όπως υπολογίζονται ανωτέρω, συν 3,29 εκατομμύρια άνθρακα υπό

9 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No μορφή CO 2 στη συνολική ροή βιοαερίου, συν 2,3 εκατομμύρια τόνους άνθρακα από την καύση του μεθανίου που έχει συλλεχθεί. Συνεπώς, οι συνολικές εκπομπές άνθρακα από τους ΧΥΤΑ των Η.Π.Α. είναι 41,3 εκατομμύρια τόνοι ετησίως. ταφής στις Η.Π.Α., η αντίστοιχη άμεση χρήση του εδάφους είναι 3.8 στρέμματα (1.5 εκτάρια). Φυσικά, ανάλογα με το μέγεθος των ΧΥΤΑ, πολύ περισσότερο περιβάλλον έδαφος γίνεται ακατάλληλο για τους ανθρώπους και τα οικοσυστήματα Εκπομπές υδραργύρου από τους ΧΥΤΑ 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η τρέχουσα ροή εισόδου του υδραργύρου στα ΔΣΑ των Η.Π.Α. είναι περίπου 1 ppm [9]. Σε αυτή τη βάση, το ποσό υδραργύρου που αποβάλλεται ετησίως στους αμερικανικούς ΧΥΤΑ είναι 115 τόνοι (περίπου 25% της παρούσας κατανάλωσης υδραργύρου στις Η.Π.Α. [9]). Ένα σημαντικό ζήτημα είναι η κινητικότητα του υδραργύρου. Θεωρώντας ότι αρκετός υδράργυρος που περιέχεται στα ΔΣΑ είναι σε μεταλλική μορφή (λαμπτήρες φθορίου, θερμόμετρα, κ.λπ.) και ότι η πίεση ατμών υδραργύρου στις θερμοκρασίες των ΧΥΤΑ (4 C) είναι,7 mmhg, σε σύγκριση με την πίεση ατμών του νερού (5,67 mmhg σε 4 C), μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι εάν ένα σταγονίδιο νερού εξατμίζεται σε μια ώρα, ένα σταγονίδιο υδραργύρου του ίδιου μεγέθους θα εξατμιστεί σε 81 ώρες (4 εβδομάδες). Επιπλέον, οι συνθήκες σε ΧΥΤΑ με ΔΣΑ (θερμοκρασία, υγρασία, μειωμένη ατμόσφαιρα) είναι ευνοϊκές για την υγρή κινητικότητα του υδραργύρου (π.χ. υπό μορφή μεθυλικού υδραργύρου). Εντούτοις, και οι δύο αυτές εκπομπές αντιπροσωπεύουν τις πηγές περιοχής και επομένως δεν είναι εύκολο να μετρηθούν Πτητικές οργανικές ενώσεις Όπως σημειώνεται ανωτέρω, η ετήσια ροή βιοαερίου που δεν έχει συλλεχθεί από τους ΧΥΤΑ, υπολογίστηκε σε 2,9 δισεκατομμύρια Nm 3 μεθανίου συν 2,47 δισεκατομμύρια Nm 3 διοξειδίου του άνθρακα, δηλαδή συνολικά 5,37 δισεκατομμύρια Nm 3. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον αριθμό και τις αναφερόμενες συγκεντρώσεις πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC) στο αέριο των ΧΥΤΑ [15] οι υπολογισμένες εκπομπές VOC από τους ΧΥΤΑ παρουσιάζονται στον πίνακα ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΓΕΙΟΝΟΜΙΚΗ ΤΑΦΗ Η χρήση αγρών και ορεινών περιοχών για υγειονομική ταφή καύσιμων υλικών, όπως γίνεται στις Η.Π.Α., γιατί είναι πιο φθηνοί από τις εγκαταστάσεις WTE, δεν αντιπροσωπεύει μια βιώσιμη χρήση του εδάφους, επειδή λίγα μπορούν να γίνουν σε αυτό το έδαφος, αφότου κλείσουν οι ΧΥΤΑ. Βάσει του σύγχρονου σχεδιασμού ΧΥΤΑ, έχει υπολογιστεί [5] ότι ένα στρέμμα γης (,4 εκτάρια) χρησιμοποιείται για την ταφή 3. τόνων ΔΣΑ. Με τον παρόντα ρυθμό υγειονομικής Μια σύγχρονη μονάδα WTE παράγει καθαρά 61 kwh ανά μετρικό τόνο ΔΣΑ και μειώνει έτσι την εξάρτηση από την εξόρυξη άνθρακα ή τις εισαγωγές πετρελαίου. Αυτή τη στιγμή, τριάντα εκατομμύρια μετρικοί τόνοι ΔΣΑ καίγονται ετησίως στις αμερικανικές εγκαταστάσεις, παράγοντας έτσι είκοσι δισεκατομμύρια kwh. Αυτό είναι ισοδύναμο με μια αποταμίευση σχεδόν σαράντα εκατομμυρίων βαρελιών πετρελαίου ετησίως. Επιπλέον, οι σύγχρονες εγκαταστάσεις WTE μπορούν να ανακτήσουν τα περισσότερα από τα σιδηρούχα μέταλλα που περιέχονται στα ΔΣΑ και μερικά από τα μη σιδηρούχα μέταλλα. Εντούτοις, οι αμερικανικές εγκαταστάσεις WTE εκπέμπουν λιγότερο από δύο τόνους υδραργύρου και 15 γραμμάρια TEQ διοξινών και φουρανίων ετησίως. Τέτοιες εκπομπές έχουν μειωθεί δραστικά την τελευταία δεκαετία λόγω της εγκατάστασης συστημάτων ελέγχου απαερίου, που υπερτερούν των περισσότερων εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας με καύση άνθρακα. Ένα κατ εκτίμηση ποσοστό 6% του μεθανίου που παράγεται στους ΧΥΤΑ συλλέγεται και χρησιμοποιείται ως καύσιμο ή φλέγεται. Το μεθάνιο είναι 21 φορές πιο ισχυρό ως αέριο θερμοκηπίου από το διοξείδιο του άνθρακα. Συνολικά, οι εκπομπές αερίου θερμοκηπίου από τους ΧΥΤΑ των Η.Π.Α. είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερες από εκείνες των εγκαταστάσεων WTE και αυτό χωρίς να περιλαμβάνεται το όφελος της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, κατ εκτίμηση 2.35 τόνοι των χλωριωμένων και άλλων πτητικών οργανικών ουσιών, καθώς επίσης και σχεδόν 8. τόνοι σουλφιδίων / μερκαπτάνων και αμμωνίας, εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα. Περίπου 115 τόνοι υδραργύρου αποβάλλονται ετησίως στους ΧΥΤΑ των Η.Π.Α. και έχει καταδειχθεί ότι ο μεταλλικός υδράργυρος που εκτίθεται στην ατμόσφαιρα θα εξατμιστεί, ενώ η θερμοκρασία, η υγρασία και η παρουσία μειωμένων οργανικών υλικών στους ΧΥΤΑ παρέχουν ευνοϊκές συνθήκες για την κινητικότητα του υδραργύρου. Εντούτοις, οι ΧΥΤΑ, με εξαίρεση τις ροές βιοαερίου μέσω των φρεατίων αερίου, είναι επιφανειακές πηγές και επομένως πολύ δύσκολα μετρώνται. Ακόμη και αν επιτραπεί η συλλογή και επεξεργασία των υγρών αποβλήτων που παράγονται από τους ΧΥΤΑ, οι αντιδράσεις μέσα σε τέτοιες περιοχές μπορούν να συνεχιστούν για ένα σημαντικό χρονικό διάστημα μετά από το κλείσιμο των ΧΥΤΑ, με την πιθανότητα μελλοντικής ρύπανσης των παρακείμενων υδάτων και ουσιαστικά, την αποτροπή της περαιτέρω χρήσης της περιοχής που βρίσκονται οι ΧΥΤΑ. Κατά συνέπεια, η υγειονομική ταφή πρέπει να περιοριστεί στη διάθεση των μηανακυκλώσιμων και μη αναφλέξιμων υλικών. Φυσικά, αυτός είναι και ο τελικός στόχος των Οδηγιών για Υγειονομική Ταφή

10 16 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ , Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 Πίνακας 5: Υπολογισμένες εκπομπές πτητικών οργανικών ενώσεων VOC από ΧΥΤΑ των Η.Π.Α. Table 5: Estimated emissions of Volatile Organic Compounds from US landfills. kg (ppbv) (ppbv) 58, , , µ 119, ,1-98, µ 84, , , ,1,1-133, , , , , , , , µ VOC 235 µµ µ (Landfill Directive) της Ευρωπαϊκής Ένωσης [16]. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Council on Environmental Quality, 1997, available on website http: // 2. Matsunaga, K., Themelis, N. J. Effects of affluence and population density on waste generation and disposal of municipal solid wastes, Earth Engineering Center Report, May 22, 3. Columbia Earth Institute Report, Life After Fresh Kills, 4. Themelis, N. J. Integrated Management of Solid Wastes for New York City, Proceedings of NAWTEC 1 Conference, American Society of Mechanical Engineers, Themelis, N. J., Kim, Y. H. and Brady, M. H. Energy Recovery from New York City Solid Wastes, ISWA Journal of Waste Management and Research, in press, Walsh, D. C. Solid Wastes in New York City; A History, Waste Age, 1989, 2(4). 7. Shepherd, P. Mercury Emissions from Municipal Solid Waste Combustors: An Assessment of the Current Situation in the United States and Forecast of Future Emissions, NREL/TP , Solid Waste Association of North America and National Renewable Energy Laboratory, 1993, USDOE, Golden, CO. 8. US Environmental Protection Agency, Mercury Study Report to Congress, Volume II. Inventory of Anthropogenic Emissions in the US, EPA-452/R-97-4, December Themelis, N. J. and Gregory, A. F. Mercury Emissions from Hightemperature sources in the NY/NJ Hudson-Raritan Basin, Proceedings of 1th NAWTEC Conference, American Society of Mechanical Engineers, Environmental Working Group, Analysis of mercury pollution from coal-burning plants, Natural Resources Defense Council, 21, Washington, DC, US, Berenyi, E. Methane Recovery from Landfill Yearbook, 5th Edition, Governmental Advisory Associates, 1999, Westport, Connecticut, US. 12. Themelis, N. J. and Kim, Y. H. Material and Energy Balances in a large-scale aerobic bioconversion cell, ISWA Journal of Waste Management and Research, in press, Franklin Associates, The role of recycling in integrated waste management in the US, Rep. EPA/53-R-96-1, USEPA, 1995, Munic. Industrial Waste Division, Washington, DC. 14. Climate Change 21: The Scientific Basis, IGPCC, Cambridge Press, Tchobanoglous, G., Theisen, H., and Vigil, S. Integrated Solid Waste Management, McGraw-Hill, 1993, New York, US. 16. Landfill Directive of EU (1999/31/EC) Ν. Ι. Θέμελης Stanley-Thompson Professor of Earth and Environmental Engineering, and Director of the Earth Engineering Center, at Columbia University, New York, U.S.Α. ( Χ. Ι. Κορωναίος Research Associate of Earth and Environmental Engineering, and the Earth Engineering Center, at Columbia University, New York, USΑ. Εργαστήριο Μετάδοσης Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Ελλάδα (