استحصال انرژی از زباله جامد شهری

اهمیت رو به فزونی تصفیه و دفع زباله های جامد شهری از یک سو، و جست  وجو برای دست یابی و استفاده هرچه بیشتر از منابع جایگزین انرژی از سوی دیگر، نقش استحصال انرژی از زباله را در مدیریت دفع  زباله های جامد شهری، هرچه بیشتر برجسته نموده است.

قدیمی ترین و متداول ترین شکل استحصال انرژی از زباله، سوزاندن زباله و مهار انرژی حرارتی حاصل از آن است. این عمل، در عین کاهش حجم زباله، استفاده از منابع جایگزین انرژی را هم به همراه دارد. از دیگر مزایای آن، گندزدائی و سترون ساختن جریان زباله، با تخریب کامل همه ارگانیسم هایی است که، در صورت دفع زمینی،  میتوانند سبب بروز بیماری ها گردند.

ارزش حرارتی یا محتوای انرژی زباله جامد شهری به وسیله مواد زیادی تأمین  میگردد ،که در این میان بیشترین مشارکت را کاغذ، مقوّا، پلاستیکها و منسوجات دارند ،که از محتوای انرژی نسبتاً بالایی برخوردار می باشند. با افزایش میزان این مواد و کاهش محتوای رطوبت، ارزش حرارتی زباله افزایش می یابد. با افزایش درآمد ،میزان کاغذ، مقوّا و پلاستیک موجود در زباله، و درنتیجه، ارزش حرارتی زباله افزایش می یابد. علاوه بر این، میزان مواد فسادپذیر، و  به تبع آن، محتوای رطوبت زباله جمع آوری شده از مناطق پُردرآمد نیز، به طور نوعی کمتر است. به همین سبب، ارزش حرارتی زباله خانگی در کشورها و یا مناطق با درآمد بیشتر، بالاتر است.

روشهای استحصال انرژی از زباله

فن آوری های موجود برای بازیافت انرژی از زباله را می توان در دو دسته کلی (فرآیندهای ترموشیمیایی )یا سیستم های حرارتی( و فرآیندهای بیوشیمیایی ) یا سیستمهای بیولوژیکی دسته بندی نمود. فرآیندهای بیوشیمیایی نیاز به زباله جامد قابل تجزیه زیستی و یا  زیست توده تَر دارند؛  درحالیکه، فرآیندهای ترموشیمیایی با زباله جامدِ با محتوای رطوبت کمتر بهتر عمل می کنند.

مزیّت اصلی روش های ترموشیمیایی (یا تصفیه حرارتی) ،کاهش قابل ملاحظه حجم زباله ها، و تولید سریع تر و بیش تر انرژی است. از دیگر مزایای آن ها امکان انهدام مواد سمّی و گندزدائی و سترون ساختن زباله های بیماری زا (بیمارستانی) است. فن آوری های مختلفی برای تصفیه حرارتی زباله ها بسط یافته است که گسترده ترین آن ها زباله سوزی، آن هم از نوع توده سوزی است؛ که در آن زباله ها بدون هرگونه پیش پردازشی، مستقیماً به درون زباله سوز خورانده می شوند.

روش های دیگر، پیرولیز، گازی کردن و پلاسما می باشند که در آن ها زباله جامد شهری تبدیل به گازها و/ یا مایعات قابل احتراقی می شود که می توانند برای تولید حرارت و/ یا الکتریسیته مورد استفاده قرار گیرند. روش های پیرولیز و گازی کردن نیازمند پیش پردازش زباله می باشند؛ درحالی که، در روش پلاسما هیچ گونه پیش پردازشی نیاز نبوده و هر نوع زباله، به جز زباله های هسته ای را می توان به این روش پردازش نمود.

زباله سوزی، احتراق کامل زباله با تأمین اکسیژن اضافی برای تولید  دی اکسید کربن، بخارآب، و خاکستر است .پیرولیز یک فرآیند احتراق جزئی است که در دماهای متوسّط و در نبود هوا صورت گرفته و معمولاً یک گاز  قابل احتراق و یک جامد برجا مانده قابل احتراق (زغال) تولید  می کند. گازی کردن در دماهای بالاتر و در حضور یک مقدارِ کنترل شده هوا یا اکسیژن صورت گرفته و بیش ترِ مواد جامد را به گاز قابل احتراق تبدیل  می کند. فن آوری پلاسما نیز، درواقع، یک سیستم گازی کننده است که در آن، حرارت موردنیاز برای پیشبرد فرآیند گازی کردن ،توسّط مشعل پلاسما ایجاد  می شود.

فن آوری های بیوشیمیایی (یا بیولوژیکی)  نسبت به فن  آوری های ترموشیمیایی ،  در دماهای پایین تر،  و با سرعت های کمتری عمل  میکنند. خوراک این فرآیندها مواد آلی قابل تجزیه زیستی است.  خوراکهای با محتوای رطوبت بیشتر، عموماً  گزینه های بهتری برای فرآیندهای بیوشیمیایی هستند. مواد آلی غیرقابل تجزیه زیستی مانند پلاستیکها، توسّط فرآیندهای بیوشیمیایی  قابل تبدیل  نمی باشند. دو روش متداول استحصال انرژی از زباله به طریق بیوشیمیایی (یا بیولوژیکی)  عبارتند از: استفاده از گاز متان حاصل از هضم بی هوازی زباله در یک هاضم؛ و جمع آوری و استفاده از گاز متان تولیدشده در دفنگاه زباله.

هضم بی هوازی یک فرآیند تخمیر باکتریایی است که طی آن مواد آلی قابل تجزیه زیستی، در غیاب اکسیژن توسّط باکتریهای  ویژه ای که ( تنها در غیاب اکسیژن زنده می مانند ) تجزیه شده، تولید یک گاز سوختی می نمایند .این فرآیند در محیط های مساعد برای رشد باکتری های  بیهوازی، نظیر  باتلاقها، شالیزارهای برنج،  دفنگاههای زباله، تأسیسات تصفیه فاضلاب و غیره نیز،  به طور طبیعی اتفّاق می افتد. گاز سوختی حاصل که بیوگاز نامیده  میشود، عمدتاً متشکّل از گازهای متان و دی اکسید کربن بوده و بعد از تمیز شدن  میتواند به عنوان یک سوخت در موتورهای احتراق داخلی، توربین های گازی، پیل های سوختی، بویلرها و  گرمکن های صنعتی، و یا در ساخت مواد شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد.

تباهی مواد فسادپذیر زباله مدفون در دفنگاه، فرآیندی است که  به طور طبیعی، در اثر هضم بی هوازی صورت  میگیرد. گاز دفنگاه (یا همان بیوگاز) محصول جانبی  اجتناب ناپذیر این فرآیند است که می بایست برای حفظ سلامت عمومی و رعایت الزامات  زیست محیطی، از انتشار آن به اتمسفر ممانعت به عمل آید. با  جمع آوری و استفاده از این گاز،  نه تنها از انتشار آن به اتمسفر جلوگیری  میشود، بلکه به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر و ارزان مورد استفاده نیز قرار  میگیرد.

فن آوری های بیوشیمیایی و ترموشیمیایی در مقایسه با یکدیگر، دارای مزایا و معایبی هستند. بازده تبدیل انرژی (انرژی تولیدی به ازای واحد وزن زباله ورودی)، میزان کاهش در مقدار زباله دفن شونده، و میزان انتشار  آلاینده ها ، سه جنبه اصلی در مقایسه فنی  روشهای موجود استحصال انرژی از زباله می باشند. بازده تولید الکتریسیته در هر یک از این  روشها، بسته به ترکیب زباله ورودی و فن آوری به کارگرفته شده تغییر می کند. انرژی بیوگاز یکی از بهترین انواع انرژی های جانشین است که برای استفاده های داخلی از انرژی و درمناطق دورافتاده تولید و استفاده آن ضروری است.

یکی از راه های عمده تولید بیوگاز(گاز متان) زباله های شهری است که به گفته کارشناسان در ایران حدود۴۵ تا ۵۰ هزارتن زباله شهری در روز تولید می شود و با توجه به این که از هر۱۵ کیلوگرم زباله شهری یک مترمکعب بیوگاز به دست می آید، به طورناخالص۸۴۱ پتاژول انرژی درروز از زباله های شهری ایران می توان به دست آورد. بیوگاز یا گازمرداب مخلوطی است قابل اشتعال که در اثر تخمیر موادآلی در یک دامنه دمای معین و PH مشخص درشرایط غیرهوازی توسط میکروب ها به وجود می آید. گاز مرداب از حدود۶۰ الی ۷۰ درصد گاز متان واکسیدهای کربن، هیدروژن سولفید، نیتروژن و هیدروژن تشکیل شده است.این گاز به صورت طبیعی درپساب ها و مرداب ها مشاهده می شود. در روستاها می توان با استفاده از فضولات دامی و انسانی همراه با گیاهان و چربی ها، بیوگاز تولید و درهمان محل به عنوان سوخت استفاده کرد.

پیرولیز:

در فرآیند پیرولیز از یکی از اصل های ترمودینامیک استفاده می شود و آن سطوح مختلف انرژی که مواد دارند.هر چه مواد سطوح انرژی بالاتری داشته باشند ناپایدارترند.وقتی انرژی اینها آزاد شود در کنارش محصولاتی تولید می شود که به آن پیرولیز گویند.اکثر ترکیبات و مواد آلی که از نظر حرارت ناپایدارند در اثر دریافت کمی گرما و در محیط عاری از اکسیژن به کمک ترکیبی از واکنش های حرارتی و کندانسیون به فراورده های جامد،مایع و گاز تبدیل می شوند :فراورده های جامد شامل : کربن خالص و یک سری مواد بی اثر که ابتدا در زباله وجود داشته اند. فراورده های مایع شامل : قیر،مایعی حاوی انواع و اقسام مواد مختلف،اسید استیک،استون،متانول و ترکیبهای هیدروکربنی اکسیژن دار. فراورده های گاز  : حاوی گازهای اصلی مثل هیدروژن،متان،دی اکسید کربن و مونواکسید کربن

پیرولیز یک واکنش حرارتی است اما درجه حرارت لازم برای پیرولیز پایین است حدود ˚c 800-400

از واکنش های پیرولیز بیشتر در صنایع پتروشیمی و تولید کک(زغال)و انواع روغن ها استفاده می شود.

گازیفیکیشن یا فرآیند تبدیل زباله به گاز:

هر فرآیندی که جسمی را از حالت جامد و مایع تبدیل به گاز کند را گازیفیکیشن گویند.فرآیندی  که در آن عمل احتراق عمدا با مقدار اکسیژنی کمتر از میزان اکسیژن استوکیومتری انجام شود.از دو جهت برای زباله فرآیند خوب شناخته می شود: کاهش حجم زباله و بازیابی انرژی آن

تفاوت پیرولیز با گازیفیکیشن:

از دو جهت تفاوت دارند: از لحاظ وجود اکسیژن در گازیفیکیشن و عدم وجود اکسیژن در پیرولیز و از لحاظ درجه حرارت . در گازیفیکیشن از اکسیژن خالص در درجه حرارت بالا استفاده می شود به همراه بخار آب. در گازیفیکیشن c ˚ ۱۱۰۰-۸۰۰  در مجاورت هوا و در مجاورت  اکسیژن خالصc ˚ ۱۴۰۰-۱۰۰۰

تهیه کنندگان  : مهندس سمیه عطاالهی کارشناس ارشد مهندسی محیط زیست – زهرا رنجبر