Yγειονομική Ταφή Απορριμμάτων

Transcript

1 Yγειονομική Ταφή Απορριμμάτων

2 Ποσοστό απορριμμάτων που καταλήγουν σε ΧΥΤΑ σε διάφορες χώρες

3 Τα σημαντικότερα προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπισθούν για τη δημιουργία ενός ΧΥΤΑ είναι: Χωροθέτηση Σχεδιασμός και λειτουργία Μακροπρόθεσμες εγγυήσεις και νομικές ευθύνες

4 Xωροθέτηση ΧΥΤΑ Oι παράγοντες που επηρεάζουν την απόφαση είναι οι εξής: Aπόσταση μεταφοράς Περιορισμοί χωροθέτησης, όπως κοντά σε αεροδρόμια, βιότοποι, σεισμικές περιοχές και ασταθείς περιοχές (καθιζήσεις κλπ.) Διαθέσιμη γη Προσβασιμότητα θέσεως Kατάσταση εδάφους και τοπογραφία Kλιματολογικές συνθήκες (βροχές, άνεμοι κλπ) Yδρολογία επιφανειακού νερού Γεωλογικές και υδρογεωλογικές συνθήκες (το πιο σημαντικό) Tοπικές περιβαλλοντικές συνθήκες Tελική χρήση περατωμένων ΧΥΤΑ

5 Τεχνική περιγραφή ΧΥΤΑ Κύτταρο Ταμπάνι επόμενο

6 Κύτταρο (cell) Πίσω Kύτταρο (cell) ονομάζεται ο όγκος του υλικού που τοποθετείται σε κάθε προκαθορισμένη λειτουργική περίοδο (αντίστοιχη φάση λειτουργίας), συνήθως μία μέρα. Κάθε κύτταρο έχει δικό του διαμορφωμένο και στεγανοποιημένο πυθμένα με σαφή υδραυλικά όρια από το προηγούμενο και το επόμενο και δικό του σύστημα συλλογής διηθημάτων. Κάθε κύτταρο πληρούται εξ' ολοκλήρου πριν την αρχή πλήρωσης του επομένου. Το κύτταρο αποτελείται από τα απορρίμματα συν το υλικό κάλυψης. H ημερήσια κάλυψη είναι cm χώματος ή εδαφοβελτιωτικού που τοποθετείται στο τέλος κάθε μέρας, προκειμένου να αποφευχθεί η διασπορά των απορριμμάτων και να ελεγχθεί η εισροή νερού στα απορρίμματα.

7 Ταμπάνι (lift) Ταμπάνι (lift) ονομάζεται ένα πλήρες στρώμα κυττάρων σε όλη την έκταση του ΧΥΤΑ. Όταν το ύψος υπερβαίνει τα m, χρησιμοποιούνται "τοιχεία" (benches) για να διατηρηθεί η κλίση των πρανών, για να τοποθετηθούν κανάλια για τα υγρά διηθήματα και για την τοποθέτηση αγωγών βιοαερίου. Το "τελικό ταμπάνι" (final lift) περιλαμβάνει το στρώμα κάλυψης. Το τελικό στρώμα κάλυψης εφαρμόζεται σε όλη την επιφάνεια κάθε κυττάρου αφού συμπληρωθούν όλες οι λειτουργίες. Tο τελικό κάλυμμα συνήθως αποτελείται από πολλαπλά στρώματα χώματος ή/ και υλικών γεωμεμβρανών σχεδιασμένων με σκοπό: την αύξηση των επιφανειακών απορροών, την παρεμπόδιση εισροής νερού και την υποστήριξη επιφανειακής βλάστησης φυτών. πίσω

8 Άλλα χαρακτηριστικά Το υγρό που συλλέγεται στον πυθμένα (ή και σε ενδιάμεσα σημεία για βαθιές χωματερές) ονομάζεται διήθημα (leachate). Προέρχεται από τη διήθηση βροχής και νερών αρδεύσεων και περιλαμβάνει και την αρχική υγρασία των απορριμμάτων. Στη χωματερή παράγεται βιοαέριο (μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα) με κάποια περιεκτικότητα σε άζωτο, οξυγόνο, αμμωνία και πτητικά οργανικά. Στον πυθμένα και στα πλευρικά τοιχώματα του ΧΥΤΑ υπάρχει στρώμα πηλού ή γεωμεμβρανών για αποφυγή διήθησης. Mία χωματερή "κλείνει" σε χρόνια ανάλογα με τον όγκο και τις ροές των απορριμμάτων και στη συνέχεια εξακολουθεί να ελέγχεται.

9 Στάδια ανάπτυξης ΧΥΤΑεκσκαφή και προετοιμασία Προετοιμασία χώρου υγειονομικής ταφής (εξασφάλιση απορροής υγρών, περίφραξη και δημιουργία οδών πρόσβασης). Εκσκαφή και προετοιμασία του δαπέδου (διαδοχικά κατά τμήματα). Τα χώματα χρησιμοποιούνται αργότερα για κάλυψη. Tοποθετούνται περιμετρικοί αισθητήρες μεταξύ του πυθμένα και του υδροφόρου ορίζοντα. Tοποθετείται δάπεδο από πηλό χαμηλής διαπερατότητας. Tο σύστημα συλλογής διηθημάτων τοποθετείται στον πυθμένα. Mπορεί να τοποθετηθούν και οριζόντια χαντάκια ανάληψης βιοαερίου στον πυθμένα, αν αναμένονται πολλά οργανικά πτητικά, τα οποία συλλέγονται με παροχή αέρα και καίγονται.

10

11 Στάδια στεγανοποίησης του πυθμένα ενός ΧΥΤΑ: (α) κατώτερη στεγανωτική στρώση από άργιλο, συμπυκνωμένου πάχους 0,3 μέτρων, (β, γ, δ, ε, στ) η γεωμεμβράνη προστατεύεται από αποστραγγιστικό γεωύφασμα πολυπροπυλενίου. Η σύνθετη στεγανοποιητική στρώση καλύπτεται από προστατευτική - αποστραγγιστική στρώση εδάφους, πάχους 0,4 μέτρων (Ενημερωτικό φυλλάδιο ΧΥΤΑ ΠΑΤΡΩΝ).

12 Σύστημα αποστραγγιστικών σωλήνων (Ενημερωτικό φυλλάδιο ΧΥΤΑ ΠΑΤΡΩΝ).

13 Τοποθέτηση στερεών απορριμμάτων Kάθε ημερήσιο φορτίο τοποθετείται συμπιεσμένο σε στρώμα 2,5-4 m. Τυπικό ύψος κάθε κυττάρου: 3-10 m. Κάλυμμα χώματος στο τέλος κάθε μέρας: cm. Στο τέλος με το κλείσιμο του κυττάρου τοποθετούνται κατακόρυφοι αγωγοί αερίου.

14

15 Σωλήνες συλλογής βιοαερίου από ένα ΧΥΤΑ και καύση του βιοαερίου (Ενημερωτικό φυλλάδιο ΧΥΤΑ ΠΑΤΡΩΝ).

16 Κλείσιμο ενός ΧΥΤΑ Xρειάζεται διαρκής έλεγχος και χειρισμός ενός ΧΥΤΑ μια και με τις αντιδράσεις ο χώρος καθιζάνει. H παρακολούθηση και συντήρηση εξακολουθεί για χρόνια μετά το κλείσιμο. Mέσα στο χώρο λαμβάνουν χώρα βιολογικές αντιδράσεις (αρχικά αερόβιες, έπειτα αναερόβιες) και χημικές και φυσικές μετατροπές (διαλυτοποίηση κ.ο.κ.) που οδηγούν σε διάφορα συστατικά τόσο στα υγρά όσο και στα αέρια απόβλητα.

17

18 Συνέχεια

19 1. Ο πυθμένας που αποτελείται από πολλαπλές στρώσεις συμπυκνωμένου πηλού και πλαστικών μεγάλης πυκνότητας. 2. Στα ενδιάμεσα των στρώσεων είναι τοποθετημένο ένα σύστημα διάτρητων σωλήνων που χρησιμεύουν για να συλλέγουν τα υγρά που διηθούνται μέσα από τα απορρίμματα και να τα διοχετεύουν σε μονάδα επεξεργασίας. 3. Γύρω στη χωματερή υπάρχουν γεωτρήσεις, από τις οποίες ελέγχεται ότι τα υπόγεια νερά της περιοχής δεν έχουν ρυπανθεί. 4. Μετά την εκφόρτωση τα απορρίμματα διαστρώνονται και συμπυκνώνονται και 5. κατόπιν σκεπάζονται με χώμα, που εμποδίζει τη διαφυγή οσμών και αποθαρρύνει τα ζώα (π.χ. τους γλάρους). 6. Μέσα στη μάζα των απορριμμάτων είναι τοποθετημένοι σωλήνες, που συλλέγουν το μεθάνιο που παράγεται κατά την αποσύνθεση. 7. Σε μερικές χωματερές το μεθάνιο καίγεται για να μη ρυπάνει την ατμόσφαιρα, αλλά επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού. 8. Όταν η χωματερή γεμίσει, σφραγίζεται με μια συνεχή στρώση αργίλου, 9. ενώ ένας περιμετρικός στραγγιστήρας απομακρύνει τα νερά της βροχής. 10. Η σκεπασμένη χωματερή μπορεί να χρησιμεύσει για αθλητικές εγκαταστάσεις 11. αεροδρόμια και 12. πάρκα (Πίσω)

20 Γήρανση Χώρου Υγειονομικής Ταφής Ι) αρχική προσαρμογή (αερόβια) ΙΙ) μεταβατική φάση (απονιτροποίηση, αποθείωση, μεταβατική αναερόβια) ΙΙΙ) όξινη φάση (οξεογένεση, διαλυτοποίηση Fe, Zn κλπ.) ΙV) μεθανογένεση (παραγωγή μεθανίου) V) ωρίμανση (παραγωγή δύσκολα αποδομήσιμων χουμικού και φουλβικού οξέος).

21 H διάρκεια των φάσεων εξαρτάται από: την κατανομή οργανικών, τη διαθεσιμότητα θρεπτικών, την υγρασία (αν δεν είναι αρκετή περιορίζεται η αποδόμηση) το βαθμό αρχικής συμπίεσης. Τα οργανικά διακρίνονται σε γρήγορα αποδομήσιμα (3 μήνες - 5 χρόνια) και αργά αποδομήσιμα (έως 50 χρόνια).

22 Το βιοαέριο μεταφέρεται με μεταφορά και διάχυση. O πρώτος μηχανισμός υπερισχύει όταν έχουμε μεγάλη παραγωγή, ενώ ο δεύτερος όταν έχει μειωθεί η παραγωγή αερίου. Το βιοαέριο μπορεί να συλλεχθεί είτε παθητικά (κυρίως όταν έχουμε μεγάλη παραγωγή) είτε ενεργητικά (αντλίες). Ο σχηματισμός του βιοαερίου στο χώρο της υγειονομικής ταφής και οι ανεξέλεγκτες εκλύσεις του είναι δυνατόν να προξενήσουν πυρκαγιές, εκρήξεις, επικίνδυνες συγκεντρώσεις αερίων, οσμές κλπ. Όταν το μεθάνιο είναι μεταξύ 5-15 %, το αέριο είναι εκρηκτικό.

23 Σύσταση βιοαερίου χωματερών (% σε ξηρά βάση) CH CO N O 2 0,1-1 σουλφίδια, δισουλφίδια, μερκαπτάνες 0-1 NH 3 0,1-1 H 2 0-0,2 CO 0-0,2 Ιχνοστοιχεία (περίπου 150 ενώσεις) 0,01-0,6 Θερμοκρασία ( C) Eιδική βαρύτητα 1,02-1,06 Υγρασία κορεσμένο Θερμογόνα δύναμη (Btu/sft 3 )

24 Η παραγωγή βιοαερίου παρουσιάζει μέγιστο σε 5-10 χρόνια ανάλογα με την υγρασία της χωματερής

25 Σχηματισμός, Σύσταση, Κίνηση και Ρύθμιση Διηθημάτων Tα διηθήματα συλλέγονται στο βυθό της χωματερής και στη συνέχεια διηθούνται στο έδαφος εκτός εάν υπάρχει δάπεδο από πηλό ή άλλο υλικό που να έχει χαμηλή διαπερατότητα. Tα διηθήματα μπορούν να ανακυκλωθούν στη χωματερή βελτιώνοντας τη βιολογική δραστηριότητα. Eναλλακτικά μπορούν να εξατμίζονται σε κατάλληλες δεξαμενές, να τυγχάνουν βιολογικής επεξεργασίας, ή να διατίθενται στο αποχετευτικό δίκτυο.

26 Tυπική σύσταση διηθημάτων χώρου υγειονομικής ταφής: Tιμή (mg/l) Συστατικό Nέα χωματερή(< 2 έτη) Ώριμη χωματερή Φάσμα Tυπικά (> 2 έτη) BOD TOC COD TSS Oργ. N NH 4+ - N NO ολικός P ορθοφωσφορικά αλκαλικότητα ph 4,5-7,5 6 6,6 7,5 σκληρότητα Ca Mg K Na Cl SO ολ. σίδηρος

27 Θεωρούμε ότι το βιοέριο παράγεται από κάθε τύπο αποβλήτου με ετήσιο ρυθμό που περιγράφεται από το τρίγωνο του σχήματος. Για τα γρήγορα αποδομήσιμα απόβλητα n max =1, n f =5, r max =0,5 m 3 /kg, Για τα αργά n max =5, n f =15 και r max =0,18 m 3 /kg. Η συνολική παραγωγή βιοερίου ισούται με το εμβαδόν του τριγώνου και είναι επομένως n f r max /2. Αρα είναι r max1 =1,25 m 3 /kg για τα γρήγορα αποδομήσιμα και r max2 =1,35 m 3 /kg για τα αργά.

28 Άσκηση Ένας ΧΥΤΑ έχει 5 χρόνια ζωής. Το 35% κ.β. των απορριμμάτων είναι γρήγορα αποδομήσιμα και το 4% κ.β. είναι αργά αποδομήσιμα. Βρείτε την παραγόμενη ποσότητα βιοαερίου κατά τα 5 χρόνια λειτουργίας του ΧΥΤΑ και την ετήσια παραγωγή για τα επόμενα 15 χρόνια μετά το κλείσιμο του ΧΥΤΑ. Υποθέσατε ότι η πόλη που εξυπηρετεί έχει κατοίκους με μέση παραγωγή απορριμμάτων 1 kg/(κάτοικο.d).

29 Η ετήσια εναπόθεση είναι κάτοικοι x 1kg/(κάτοικο.d) x365 d/yr=36.500ton/yr=3,65χ10 7 kg/yr. Από αυτά, το 35% ή 1,2775χ10 7 kg/yr=α 1 είναι γρήγορα βιοαποδομήσιμα και 4% ή 0,146χ10 7 kg/yr=α 2 είναι αργά αποδομήσιμα. 1 kg γρήγορα αποδομήσιμων σύμφωνα με το τρίγωνο του σχήματος παράγει: Τον πρώτο χρόνο 1/2x1xrmax 1 =0,5 rmax 1 Tον δεύτερο 1/2(rmax 1 +3/4 rmax 1 )=0,875 rmax 1 Tον τρίτο 1/2(3/4rmax 1 +2/4 rmax 1 )=0,625 rmax 1 Tον τέταρτο 1/2(2/4rmax 1 +1/4 rmax 1 )=0,375 rmax 1 Tον πέμπτο 1/2(1/4rmax 1 )=0,125 rmax 1 Μια και εναπόθεση ποσότητας α 1 θα έχουμε για κάθε ένα από τα πρώτα πέντε χρόνια η παραγωγή βιοαερίου από τα γρήγορα αποδομήσιμα θα είναι: Χρόνος 1 0,5 α1.rmax1 Χρόνος 2 0,5+0,875=1,375 α1.rmax1 Χρόνος 3 0,5+0,875+0,625=2 α1.rmax1 Χρόνος 4 0,5+0,875+0,625+0,375=2,375 α1.rmax1 Χρόνος 5 0,5+0,875+0,625+0,375+0,125=2,5 α1.rmax1 Χρόνος 6 0,875+0,625+0,375+0,125=2 α1.rmax1 Χρόνος 7 0,625+0,375+0,125=1,125 α1.rmax1 Χρόνος 8 0,375+0,125=0,5 α1.rmax1 Χρόνος 9 0,125 α1.rmax1

30 Αντίστοιχα η παραγωγή βιοαερίου από 1kg αργά αποδομήσιμου θα είναι: Τον πρώτο χρόνο 1/2x1/5xrmax 2 =0,1 rmax2 Tον δεύτερο 1/2(1/5rmax2+2/5 rmax2)=0,3 rmax2 Tον τρίτο 1/2(2/5rmax2+3/5 rmax2)=0, 5 rmax2 Tον τέταρτο 1/2(3/5rmax2+4/5 rmax2)=0,7 rmax2 Tον πέμπτο 1/2(4/5rmax2+5/5 rmax2)=0,9 rmax2 Τον έκτο 1/2(10/10 rmax2+9/10rmax2)=0,95 rmax2 Τον έβδομο 1/2(9/10 rmax2+8/10rmax2)=0,85 rmax2 Τον όγδοο 1/2(8/10 rmax2+7/10rmax2)=0,75 rmax2 Τον ένατο 1/2(7/10 rmax2+6/10rmax2)=0,65 rmax2 Τον δέκατο 1/2(6/10 rmax2+5/10rmax2)=0,55 rmax2 Τον ενδέκατο 1/2(5/10 rmax2+4/10rmax2)=0,45 rmax2 Τον δωδέκατο 1/2(4/10 rmax2+3/10rmax2)=0,35 rmax2 Τον δεκατοτρίτο 1/2(3/10 rmax2+3/10rmax2)=0,25 rmax2 Τον δεκατοτέταρτο 1/2(3/10 rmax2+1/10rmax2)=0,15 rmax2 Τον δεκατοτοπέμπτο 1/2(1/10 rmax2)=0,05 rmax2

31 Μια και εναπόθεση ποσότητας α 2 θα έχουμε για κάθε ένα από τα πρώτα πέντε χρόνια η παραγωγή βιοαερίου από τα αργά αποδομήσιμα θα είναι: Χρόνος 1:0,1 α2.rmax2 Χρόνος 2:0,1+0,3=0,4 α2.rmax2 Χρόνος 3:0,1+0,3+0,5=0,9 α2.rmax2 Χρόνος 4:0,1+0,3+0,5+0,7=1,6 α2.rmax2 Χρόνος 5:0,1+0,3+0,5+0,7+0,9=2,5 α2.rmax2 Χρόνος 6: 0,3+0,5+0,7+0,9+0,95=3,35 α2.rmax2 Χρόνος 7: 0,5+0,7+0,9+0,95+0,85=3,9 α2.rmax2 Χρόνος 8: 0,7+0,9+0,95+0,85+0,75=4,05 α2.rmax2 Χρόνος 9: 0,9+0,95+0,85+0,75+0,65=4,1 α2.rmax2 Χρόνος 10: 0,95+0,85+0,75+0,65+0,55=3,75 α2.rmax2 Χρόνος 11: 0,85+0,75+0,65+0,55+0,45=3,25 α2.rmax2 Χρόνος 12: 0,75+0,65+0,55+0,45+0,35=2,75 α2.rmax2 Χρόνος 13: 0,65+0,55+0,45+0,35+0,25=2,25 α2.rmax2 Χρόνος 14: 0,55+0,45+0,35+0,25+0,15=1,75 α2.rmax2 Χρόνος 15: 0,45+0,35+0,25+0,15+0,05=1,25 α2.rmax2 Χρόνος 16: 0,35+0,25+0,15+0,05=0,80 α2.rmax2 Χρόνος 17: 0,25+0,15+0,05=0,45 α2.rmax2 Χρόνος 18: 0,15+0,05=0,20 α2.rmax2 Χρόνος 19: 0,05 α2.rmax2

32 Προσθέτοντας την παραγωγή από γρήγορα και αργά ανά έτος (με rmax 1 =0,5 m 3 /kg,rmax 2 =0,18 m 3 /kg) προκύπτει ο ρυθμός ετήσιας παραγωγής (δεύτερη στήλη του πίνακα) ενώ η τρίτη στήλη δίνει το συνολικά παραχθέν βιοαέριο:

33 Έτος Ρυθμός ετήσιας παραγωγής βιοαερίου (10 7 m 3 ) Συνολικά παραχθέν βιοαέριο (10 7 m 3 ) ,322 0, ,889 1, ,301 2, ,559 4, ,663 5, ,366 7, ,821 7, ,426 8, ,188 8, ,099 8, ,085 8, ,072 8, ,059 8, ,046 8, ,033 8, ,021 8, ,012 8, ,005 8, ,001 8,967

34

35 Τα απορρίμματα, καθώς τοποθετούνται νέα ταμπάνια, έχουν ολοένα αυξανόμενο υπερκείμενο βάρος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη συμπίεση τους και τη μείωση της υγρασίας που μπορούν να συγκρατήσουν (την ικανότητα πεδίου). Συγκεκριμένα έχουμε: FC = 0,6 0,55B B Η ικανότητα πεδίου είναι το κλάσμα νερού στα απορρίμματα με βάση το ξηρό τους βάρος. Εδώ Β(kg) είναι το υπερκείμενο βάρος, υπολογιζόμενο στο μέσο ύψος των απορριμμάτων στο συγκεκριμένο ταμπάνι.

36 Δημιουργία διηθήματος Το εάν και κατά πόσο θα σχηματισθεί διήθημα εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η αρχική υγρασία των απορριμμάτων σε σχέση με την ικανότητα πεδίου και η βροχόπτωση κατά κύριο λόγο. Εξαρτάται όμως και από άλλες παραμέτρους. Ένα ισοζύγιο σε ετήσια βάση για κάθε ταμπάνι μας προσδιορίζει την ποσότητα του διηθήματος που θα σχηματιστεί. Το ισοζύγιο για έναν όγκο ελέγχου, τυπικά ένα ταμπάνι δίνεται στο σχήμα

37 Ισοζύγιο νερού σε ταμπάνι

38 Ο όγκος ελέγχου λαμβάνεται ως επιφάνεια 1 m 2 ενός ταμπανιού. Σε ένα χρόνο υπολογίζουμε την ποσότητα του νερού που θα δημιουργηθεί μέσα στον όγκο ελέγχου. Αν αυτή ξεπερνά την ικανότητα πεδίου θα δημιουργηθεί διήθημα προς το πιο κάτω ταμπάνι. Αν όχι δεν θα δημιουργηθεί. Τους υπολογισμούς τους αρχίζουμε από το πάνω-πάνω ταμπάνι, όπου το εισερχόμενο νερό από πάνω είναι η ετήσια βροχόπτωση, και συνεχίζουμε προς τα κάτω. Το εξερχόμενο από το τελευταίο ταμπάνι θα είναι το διήθημα που θα παραχθεί για το συγκεκριμένο έτος.

39 Το ισοζύγιο παίρνει την μορφή: Βsw (νέο)= Βsw (περσινό)+βa(r)-βe-βlg-βwv-βb(l) Αν το άθροισμα Βsw (περσινό)+βa(r)-βe-βlg-βwv ξεπερνά την ικανότητα πεδίου τότε: Βsw (νέο)=fcx(ξηρό βάρος) και η εξίσωση μπορεί να επιλυθεί για να ευρεθεί το διήθημα Βb(l). Αν όχι, τότε Βb(l)=0 και η εξίσωση μας δίνει το Βsw (νέο).

40 Άσκηση Θεωρήσατε τον ΧΥΤΑ της προηγούμενης άσκησης. Υποθέσατε σταθερή ετήσια βροχόπτωση 400mm και αμελητέα εξατμισοδιαπνοή. Θεωρήσατε κατανάλωση 0,122 kg/m 3 νερού για την παραγωγή βιοαερίου και περιεκτικότητα υγρασίας 0,0122 kg/m 3 στο βιοαέριο. Το ειδικό βάρος του βιοαερίου είναι 1 kg/m 3. Θεωρήσατε ακόμη ότι η αρχική περιεκτικότητα σε υγρασία των απορριμμάτων είναι 20% κατά βάρος, ότι το ειδικό βάρος των συμπιεσμένων απορριμμάτων είναι 592,5 kg/m 3 και ότι το ύψος κάθε ταμπανιού είναι 2,3 m. Προσδιορίστε την ποσότητα του διηθήματος στο τέλος του πρώτου και στο τέλος του δεύτερου χρόνου.

41

42 Η ετήσια εναπόθεση είναι 3,65x10 7 kg/yr. Με ειδικό βάρος συμπιεσμένων 592,5 kg/m 3 ο όγκος που καταλαμβάνει η ετήσια εναπόθεση είναι m 3 /y. Με ύψος ταμπανιού 2,3 m, η επιφάνεια είναι /2,3= m 2. To βάρος ανά m 2 επομένως είναι 3,65x10 7 /27.000=1.352kg. Αυτό είναι κατά 80% ή 1.082kg ξηρό και 270kg υγρασία (Βsw). Το βάρος της εισερχόμενης βροχής ανά m 2 ετησίως θα είναι 0,4mx1000kg/m 3 =400kg (Βa(r)). Άρα το συνολικό βάρος με τη βροχή είναι 1.752kg.

43 Κατά το πρώτο έτος: Το παραγόμενο βιοαέριο είναι 3,22x10 6 m 3 για όλη την εναπόθεση που αντιστοιχεί σε 3,22x10 6 /27.000=119 m 3 για κάθε m 2. Αυτό έχει βάρος 119kg. Για να παραχθεί καταναλώνονται 0,122 kg/m 3 x 119 m 3 =14,5kg νερού = Βlg Το νερό που φεύγει με το βιοαέριο είναι 0,0122 kg/m 3 x119 m 3 =1,45kg νερού = Βwv Το ξηρό βάρος των απορριμμάτων στο τέλος του πρώτου έτους θα είναι επομένως 1082kg-(119kg- 14,5)kg=977,5kg

44 Άρα έχουμε ότι το συνολικό νερό που προστέθηκε είναι Βsw (περσινό)+βa(r)-βe-βlg- Βwv=270kg+400kg-14,5kg-1,45kg=654kg. Το μέσο βάρος Β της εναπόθεσης στο ταμπάνι είναι 0,5x1.752=876kg. Εφαρμογή της σχέσης δίνει FC=0,576. Άρα το νερό που μπορεί να συγκρατηθεί είναι 0,576χ977.5kg=563kg. Άρα θα παραχθεί διήθημα =91 kg/m 2 το πρώτο έτος. Το ολικό βάρος του ταμπανιού θα είναι 977,5+563=1540,5 kg/m 2.

45 Το δεύτερο έτος: Για το ταμπάνι 2 θα γίνει ό,τι ακριβώς έγινε για το ταμπάνι 1 το πρώτο έτος. Δηλαδή στο τέλος του δεύτερου έτους θα έχει ανά m 2 συνολικό ξηρό βάρος 977,5 kg και 563 kg νερού, δηλαδή συνολικό βάρος 1.540,5kg. Για το πρώτο ταμπάνι κατά το δεύτερο έτος έχουμε: Το παραγόμενο βιοαέριο κατά το δεύτερο έτος είναι 8,88x10 6 m 3. Μια και από αυτό 3,22x10 6 m 3 θα παραχθεί από το δεύτερο ταμπάνι, η παραγωγή από το πρώτο θα είναι 5,66 x10 6 m 3 για όλη την εναπόθεση που αντιστοιχεί σε 5,66x10 6 /27.000=210 m 3 για κάθε m 2. Αυτό έχει βάρος 210kg. Για να παραχθεί καταναλώνονται 0,122 kg/m 3 x 210 m 3 =25,6kg νερού = Βlg

46 Το νερό που φεύγει με το βιοαέριο είναι 0,0122 kg/m 3 x 210 m 3 =2,56kg νερού = Βwv Το ξηρό βάρος των απορριμμάτων στο τέλος του πρώτου έτους θα είναι επομένως 977,5kg-(210kg-25,6kg)=793,1kg Άρα έχουμε ότι το συνολικό νερό που προστέθηκε είναι Βsw (περσινό)+βa(r)-βe-βlg-βwv=563kg+91kg-25.6kg- 2.56kg=625,84kg. Το μέρος βάρος W της εναπόθεσης στο ταμπάνι είναι όλο το ταμπάνι 2 βάρους και το μισό του ταμπανιού 1, δηλαδή 0,5x(977,5+563)+1.752=2.522kg. Εφαρμογή της σχέσης δίνει FC=0,535. Άρα το νερό που μπορεί να συγκρατηθεί είναι 0,576x793,1kg=456,8kg. Άρα θα παραχθεί διήθημα 625,84-456,8=169 kg/m 2 το δεύτερο έτος. Το ολικό βάρος του ταμπανιού θα είναι 793,1+456,8=1.249,9 kg/m 2.

47 Καθίζηση ΧΥΤΑ και εξοικονόμηση χώρου Καθώς καταναλώνεται η οργανική ύλη μετατρεπόμενη σε βιοαέριο και καθώς τοποθετούνται νέα ταμπάνια πάνω από τα υπάρχοντα, παρατηρείται καθίσηση στο ΧΥΤΑ, κάτι που έχει τα προβλήματα του γιατί δημιουργεί ανομοιομορφίες στην επιφάνεια, αλλά ταυτόχρονα οδηγεί και σε εξοικονόμηση χώρου. Υποθέτοντας ένα αρχικό ειδικό βάρος 592,5 kg/m 3, το ειδικό βάρος μεταβάλλεται με την υπερκείμενη πίεση (εκφρασμένη σε kg/m 2 ) με βάση τη σχέση: SW P = 592,5 + p 22,5 + 0, 0017 P

48 Άσκηση Για τα δεδομένα της προηγούμενης άσκησης προσδιορίστε την εξοικονόμηση χώρου που θα προκύψει στο τέλος του δεύτερου χρόνου από την ενδεχόμενη καθίζηση.

49 Λύση Στο τέλος του δεύτερου χρόνου θα έχουμε: Βάρος ταμπανιού kg Βάρος ταμπανιού kg Άρα στο μέσο του ταμπανιού 1 θα έχουμε /2= kg Άρα αντικαθιστώντας στην εξίσωση ευρίσκουμε SW p = 592,5 + = 22,5 + 0,0017x kg 3 m Άρα αν h είναι το νέο ύψος του ταμπανιού θα έχουμε: 1.249,9 kg/m 2 =675xh εξ ου h=1,85m. Άρα θα μειωθεί το ύψος του ταμπανιού 1 κατά 2,3-1,85=0,45m εξοικονομώντας συνολικά 0,45x27.000=12.150m 3.

50 ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ AΠOΡPIMMATΩN

51 Η θερμική επεξεργασία εξυπηρετεί: Υγιεινή: έτσι ξεκίνησε πριν από 130 χρόνια Παραγωγή ενέργειας Μείωση του CO 2

52 Διεργασίες θερμικής επεξεργασίας ΑΣΑ Καύση (incineration): θερμική οξείδωση παρουσία περίσσειας οξυγόνου Πυρόλυση (pyrolysis): θερμική επεξεργασία των αστικών στερεών απορριμμάτων σε απουσία αέρα Αεριοποίηση (gasification): συναφής διεργασία με την πυρόλυση, όπου πραγματοποιείται προσθήκη αερίων (οξυγόνο, ατμός ή υδρογόνο) με σκοπό την ενίσχυση του σχηματισμού αερίων προϊόντων και/ ή την απελευθέρωση θερμότητας μέσα στον αντιδραστήρα.

53 Σημαντικοί παράγοντες για την καύση: η σύσταση των αστικών στερεών απορριμμάτων και ιδιαίτερα η θερμογόνος δύναμή τους. Κυριότερη πηγή θερμογόνου δύναμης: κυτταρίνη (π.χ. στο χαρτί). Συνήθης τιμή θερμογόνου δύναμης (άμεση συνάρτηση της υγρασίας των απορριμμάτων): ~ Kcal/ Kg απορριμμάτων. Στην Ελλάδα, τυπική τιμή θερμογόνου δύναμης (λόγω αυξημένης υγρασίας των απορριμμάτων) : ~ Kcal/ Kg

54 Τυπική μονάδα καύσης Ανάκτηση ενέργειας μέσω εξάτμισης νερού Παραγωγή ηλεκτρισμού μέσω τουρμπίνας ατμού Γίνεται επιλογή των απορριμμάτων για ομοιόμορφη υγρασία στο τελικό μείγμα. Απομακρύνονται τα ογκώδη και μη καύσιμα αντικείμενα Θάλαμος καύσης Τ>900º C Υφασμάτινο φίλτρο για απομάκρυνση σωματιδίων Καθαρά καυσαέρια Στάχτη χαντάκι με ικανότητα αποθήκευσης απορριμμάτων 2 ημερών Ξηρό φίλτρο για έλεγχο των SΟ 2 και των όξινων αερίων Χρήση ΝΗ 3 για έλεγχο των ΝΟ Χ

55 Ενδεικτικό Μέσο Ενεργειακό Περιεχόμενο και Υπόλειμμα Διαφόρων Συστατικών Συστατικό Υπόλειμμα (%) Ενεργ.περιεχόμενο kj/kg Υπολείμματα τροφών Χαρτί Χαρτόνι πλαστικά υφάσματα 6, ελαστικά 9, Υπολ. αυλών 4, ξύλο 1, γυαλί λευκοσίδηρος αργίλιο 96 - Άλλα μέταλλα Σκόνη, στάχτη

56 Σύσταση του Υπολείμματος (%κατά βάρος) Συντελεστής Φάσμα Τυπικά Mερικώς καμμένα ή μη καύσιμα υλικά Kονσέρβες Αλλα Fe Αλλα μέταλλα Γυαλί Kεραμικά, πέτρες, τούβλα Στάχτη

57 Τα κύρια στοιχεία των στερεών απορριμμάτων είναι C, O, N και S. Υπό ιδανικές συνθήκες τα καυσαέρια θα περιέχουν κυρίως CO 2, H 2 O, N 2 και μικρές ποσότητες SO 2. Οι κύριες αντιδράσεις κατά την καύση είναι οι εξής: C + O 2 CO 2 2H 2 + O 2 2H 2 O S + O 2 SO 2 Θεωρούμε ότι ο ξηρός αέρας περιέχει 23,15% οξυγόνο κατά βάρος, οπότε 1 kg C απαιτεί 11,52 kg αέρα. Τα αντίστοιχα ποσά για το H 2 και το S είναι 34,56 και 4,31 αντίστοιχα.

58 Γενικά η στοιχειομετρική απαίτηση οξυγόνου για απόρριμμα με σύσταση CH a O b S c είναι: 1+a/4+c-b/2 moles O 2 / mole απορρίμματος ή (1+a/4+c-b/2)*32/(12+a+16b+32.1c) kg οξυγόνου/kg απορρίμματος.

59 Προκειμένου να αποφύγουμε ημιτελή καύση συνήθως λειτουργούμε με περίσσεια αέρα μέχρι και 100%. Όσο υψηλότερη η περίσσεια αέρα ωστόσο, τόσο περισσότερη είναι η ενέργεια που θα αναλωθεί για θέρμανση των αερίων με αποτέλεσμα να επιτυγχάνουμε χαμηλότερη θερμοκρασία καύσης.

60 Η θερμοκρασία των καυσαερίων (της καύσης) προκύπτει από ένα ισοζύγιο θερμότητας. Υπολογίζεται η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την καύση και αφού αφαιρεθούν απώλειες υπολογίζεται η θερμοκρασία των καυσαερίων με δεδομένη τη σύσταση τους, μια και χρειάζεται ενέργεια για να ανυψώσει τη θερμοκρασία των καυσαερίων.

61 Άσκηση Προσδιορίστε το ποσό (kg και m3) του αέρα που απαιτείται για πλήρη καύση ενός τόνου οργανικών στερεών απορριμμάτων. Θεωρείστε ότι η σύσταση του οργανικού απορρίμματος που θα καεί είναι C5H12, και το ειδικό βάρος του αέρα είναι 1,2 kg/m3.

62 Λύση Eχουμε C5H12 + 8O2 5CO2 + 6H2O Άρα αν έχουμε αέρα C5H12 + 8O2 + 30,1N2 5CO2 + 6H2O + 30,1N2 Άρα η απαίτηση σε O2 είναι 256/72x1000 kg/ton) = 3556 kg/ton και ο απαιτούμενος όγκος αέρα είναι: 3556 kg/ton / 0,2315 = kg/ton= 15361/1,2=1280

63 Διαχειριστικά θέματα βάση της επιλογής της καύσης Επιλογή της τοποθεσίας Αέριες εκπομπές Διάθεση των υπολειμμάτων Υγρές εκροές Οικονομικό κόστος

64 Με τον όρο RDF υποδηλώνεται το στερεό απόβλητο το οποίο πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σαν καύσιμο σε λέβητες για την παραγωγή ατμού ή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει το RDF είναι τα ακόλουθα: α) Αρκετά σταθερή ποιότητα καυσίμου. β) Καλή θερμική απόδοση. γ) Μικρότερη περιβαλλοντική επιβάρυνση.

65 Παράγονται δύο είδη καύσιμης ύλης από απορρίμματα: αλεσμένη μορφή (έχει υποστεί ελαφρά προεπεξεργασία όπου απαλλάσσεται από τυχόν μέταλλα και γυαλιά) ποιοτικά αναβαθμισμένη μορφή υπό μορφή σφαιριδίων (αποτελείται αποκλειστικά από χαρτί και πλαστικό)

66 ΚΑΥΣΗ (RDF) - Σε ειδικά εργοστάσια καύσης αστικών απορριμμάτων MSW (Municipal Solid Waste) - Συναποτέφρωση σε εργοστάσια τσιμέντου Εξάτμιση νερού- παραγωγή ηλεκτ. ενέργειας Ηλεκτροστατικό φίλτρο Καύση RDF Τ~850 C, 1-2sec Υπολείμματα καύσης - Τέφρα

67 Το μεγαλύτερο εμπόδιο στην ευρεία εφαρμογή αυτής της μεθόδου είναι η αγορά του RDF. H αγορά του RDF αποτελείται από: θερμικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, βιομηχανίες τσιμέντου και χαρτιού και μεταλλουργίες.

68 Σύγκριση του RDF με άνθρακα με βάση MJ ωφέλιμης παραγόμενης θερμικής ενέργειας Xαρακτηριστικό RDF Άνθρακας Kαύσιμο που καταναλώθηκε (Kg) 1, Kαύσιμο που καταναλώθηκε (m 3 ) 2,11 1,03 Tέφρα (Kg) Πτητικά (Kg) Aνθρακας που κάηκε (Kg) Aπαιτούμενος στοιχ. αέρας (Kg) 6, Διοξείδιο του θείου (Kg) 4,1 21 Yδροχλώριο (Kg) 10,4 2.2

69 Πυρόλυση Πυρόλυση είναι η θερμική διάσπαση των οργανικών ενώσεων και ειδικότερα η καταστρεπτική αποστακτική διαδικασία που διενεργείται απουσία οξυγόνου και σε θερμοκρασίες C ανάλογα με τα επιθυμητά προϊόντα Προϊόντα ΑΣΑ πυρόλυση (αέρια, υγρά, στερεά, μικρότερος όγκος κατά 50% του αρχικού) Ενέργεια Διάθεση

70 Ιστορικό Παλιά χρησιμοποιόταν για παραγωγή αερίου πόλης από άνθρακα Στη Γερμανία στα 70 κατασκευάστηκε κοντά στο Μόναχο εργοστάσιο δύο σταδίων τόνων ετησίως Πλέον μόνο πιλοτικές εγκαταστάσεις

71 Προϊόντα πυρόλυσης Αέριο ρεύμα: Η 2, CH 4, CO, CO 2 και διάφορα άλλα αέρια, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του οργανικού κλάσματος των ΑΣΑ. Υγρό ρεύμα: πίσσα ή λάδι το οποίο περιέχει οξικό οξύ, ακετόνη, μεθανόλη και περίπλοκους οξυγονωμένους υδρογονάνθρακες. Χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο του συμβατικού λαδιού Νο 6 με περαιτέρω επεξεργασία. Στερεό υπόλειμμα (char): σχεδόν καθαρός άνθρακας όλα τα αδρανή υλικά που περιείχαν αρχικά τα ΑΣΑ.

72 Ισοζύγια μάζας για την πυρόλυση Θερμοκρασία ( C) Μάζα ΑΣΑ (tn) Αέρια (tn) Πίσσα & πυρολυτικά έλαια (tn) Char (tn) 481, ,30 610,80 247,10 648, ,40 591,80 218,00 814, ,90 596,70 172,40 925, ,60 587,00 176,70

73 Σύσταση αερίων πυρόλυσης σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας Αέριο Ποσοστό κατ όγκο 481,7 C 648,2 C 814,7 C 925,7 C Η 2 5,56 16,58 28,55 32,48 CH 4 12,43 15,91 13,73 10,45 CO 33,50 30,49 34,12 35,25 CO 2 44,77 31,78 20,59 18,31 C 2 H 4 0,45 2,18 2,24 2,43 C 2 H 6 3,03 3,06 0,77 1,07

74 Αεριοποίηση Ως αεριοποίηση θεωρείται η διεργασία της μερικής καύσης κατά την οποία τα ΑΣΑ καίγονται με ποσότητες αέρα μικρότερες από τις στοιχειομετρικά απαιτούμενες. Η αεριοποίηση είναι μια αποδοτική μέθοδος η οποία στοχεύει στη μείωση του όγκου των ΑΣΑ με ταυτόχρονη ανάκτηση ενέργειας. Μέσω της μερικής καύσης των ΑΣΑ παράγεται καύσιμο αέριο πλούσιο σε μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και μερικούς κορεσμένους υδρογονάνθρακες, κυρίως μεθάνιο. Το αέριο αυτό μπορεί στη συνέχεια να καεί σε μηχανές εσωτερικής καύσεως, σε αεροστρόβιλους, ή σε λέβητες σε συνθήκες περίσσειας αέρα.

75 Κατά τη διεργασία της αεριοποίησης λαμβάνουν χώρα πέντε βασικές αντιδράσεις: C + O C + H O C + CO C + 2H CO + H O CO 2 2 CO + H CO 2 CH 4 CO + H εξώθερμη ενδόθερμη ενδόθερμη εξώθερμη εξώθερμη Η θερμότητα που απαιτείται για να συντηρήσει αυτοδύναμα τη διεργασία προέρχεται από τις εξώθερμες αντιδράσεις.

76 Όταν ένας αντιδραστήρας αεριοποίησης λειτουργεί σε ατμοσφαιρική πίεση με αέρα ως οξειδωτικό μέσο, το τελικό προϊόν της διεργασίας είναι ένα αέριο με χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο με τυπική κ.ό. σύσταση: 10% CO 2, 20% CO, 15% H 2, 2% CH 4 και 53% Ν 2. Παράλληλα, παράγονται συμπυκνώσιμα υγρά όμοια με τα πυρολυτικά έλαια καθώς και στερεό ανθρακούχο υπόλειμμα (char) μαζί με τα αδρανή υλικά που περιείχαν αρχικά τα ΑΣΑ.

77 Παραδείγματα αεριοποίησης Η Siemens κατασκεύασε στην Καρσλρούη εργοστάσιο τόνων/έτος το οποίο έκλεισε προ 8αετίας Στην Ανατολική Γερμανία υπήρχε εργοστάσιο τόνων/έτος που παρήγαγε αέριο πόλης από λιγνίτη και το οποίο έκλεισε μετά την ενοποίηση της Γερμανίας.

78 Buggenum, (The Netherlands - Holland): Μονάδα αεριοποίησης ικανότητας 23 kg/s στερεού καυσίμου σε μέσες τιμές λειτουργίας του αεριοποιητή (πίεση 28 bar και θερμοκρασία 1500 ο C) εγκατεστημένης ισχύος 253 MWel. Η παραγωγή οξυγόνου ανέρχεται σε 20 kg/s και είναι καθαρότητας 95%. Στην μονάδα λειτουργεί εγκατάσταση αεριοστροβίλου ισχύς 156 ΜW και εγκατάσταση ατμοστροβίλου ισχύος 128 ΜW. Ο καθαρός βαθμός απόδοσης της εγκατάστασης είναι 43%. Δυνατότητα λειτουργίας και με μίγμα (30%) Βιομάζας (wood chips) γαιάνθρακα.

79 The gasification plant in Buggenum, The Netherlands

80 Puertollano (Spain): Αποτελεί το μεγαλύτερο σε λειτουργία σταθμό IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) με εγκαταστημένη ισχύ 335 MWel. Η μονάδα αεριοποίησης είναι Prenflo (gasifier) με μέσες τιμές λειτουργίας του αεριοποιητή πίεση 23 bar και θερμοκρασία 1500 ο C. Η καθαρότητα του οξυγόνου είναι 85%. Περιλαμβάνει εγκατάσταση αεριοστροβίλου (ισχύος 195 ΜW) και εγκατάσταση ατμοστροβίλου (ισχύος 145 ΜW). Ο καθαρός βαθμός απόδοσης της εγκατάστασης είναι 45%.

81 The gasification plant in Puertollano (Spain)

82 Σήμερα κυρίως καύση! 17 εκ.τόνοι στη Γερμανία και 40 εκ.τόνοι ετησίως στην Ευρώπη Στη Γερμανία αξιοποιείται το 20% της παραγόμενης ενέργειας (εγκαταστάσεις μακριά από τις πόλεις) και δεν αξιοποιείται η θερμική ενέργεια Περιορισμός είναι η διάβρωση από το χλώριο (προσπάθεια αφαίρεσης PVC αλλά πρόβλημα με το αλάτι) που περιορίζει τους καυστήρες (σε 400 ο C και 40 bar)

83

84 Ο ρόλος του ανέμου στη διασπορά Τα αερολύματα που διοχετεύονται στην ατμόσφαιρα ακολουθούν την διεύθυνση του ανέμου και διαχέονται λόγω του τυρβώδους χαρακτήρα του. 0 τυρβώδης χαραχτήρας του ανέμου οφείλεται σε στροβιλισμούς που προέρχονται τόσο από μηχανικούς όσο κύρια από θερμικούς λόγους. 0 άνεμος επομένως αποτελεί καθοριστικό παράγοντα στην διάχυση των αερολυμάτων και οι παράγοντες που τον επηρεάζουν, θα επηρεάζουν και την διαδικασία της διάχυσης.

85

86

87

88

89 Τύποι διασποράς Οι τύποι αυτοί εμφανίζονται όταν δεν υπάρχουν επιδράσεις επιφανειακών ανωμαλιών όπως κτίρια κλπ. Η κατακόρυφη κατανομή της θερμοκρασίας και τα τυρβώδη χαρακτηριστικά που συνδέονται μ' αυτή, παίζουν σημαντικό ρόλο στον τύπο της διασποράς Τα τυρβώδη χαρακτηριστικά καθορίζονται από την τυπική απόκλιση στην κάθετη και οριζόντια μεταβολή της διεύθυνσης του ανέμου Το πρώτο διάγραμμα δείχνει την μεταβολή της θερμοκρασίας κατά τη διάχυση Τα σ θ και σ φ : σταθερές αποκλίσεις στις μεταβολές της οριζόντιας και κατακόρυφης διεύθυνσης του ανέμου (κυμαίνονται μεταξύ 0 και 25 μοιρών)

90

91

92