PROPRIETATILE FIZICO-CHIMICE ALE DESEURILOR

1.1. Proprietatile fizice ale deseurilor

O categorie importanta a deseurilor solide o reprezinta M. S. W.

Principalele proprietati fizice ale deseurilor solide sunt:

greutatea specifica;

umiditatea;

marimea si distributia particulelor;

permeabilitatea deseurilor compactate.

1.1.1. Greutatea specifica a deseurilor municipale

Prin greutatea specifica a deseurilor, se intelege greutatea unitatii de volum, in starea in care se gasesc depuse. Datorita formei multiple in care se afla, in special deseurile municipale, se determina greutatile specifice diferite si anume: greutatea specifica in recipient, in autogunoiera, in depozit, pentru materiale compactate si necompactate.

Greutatea specifica stabilita la materialele in stare afanata (inainte ca deseurile sa mai sufere vreo modificare) mai este denumita si greutate specifica de referinta.

Greutate specifica de referinta are in general o tendinta de scadere datorita cresterii continue a procentului deseurilor cu greutate specifica mica (hartie, carton, ambalaje diverse, plasticul) si scaderii procentului de materiale inerte (zgura, cenusa, pamant, moloz) urmare a imbunatatirii gradului de confort al locuintelor.

Greutatea specifica are variatii importante in cursul unui an (minima vara si maxima iarna). Media in Europa variaza intre 200÷350 kg/m³, in unele localitati chiar mai putin (100 kg/m³).

Greutatea specifica a deseurilor menajere variaza intr-o mare masura cu umiditatea, deoarece acestea sunt prin natura lor higroscopice, ceea ce face ca in zonele mai umede greutatea sa fie mai mare. In tabelul 1.1. sunt indicate greutatile specifice medii ale deseurilor menajere in stare afanata din unele tari de pe glob.

Greutatea specifica medie a deseurilor menajere din unele tari

Tabel 1.1.

In Romania deseurile menajere au greutatea specifica relativ mare (300÷400 kg/m³) in special datorita procentului ridicat de deseuri fermentabile (vegetale si animale).

In perspectiva se apreciaza ca aceasta va continua sa scada pentru ca procentul de ambalaje este in continua crestere si materiale inerte din ce in ce mai putine, astfel ca in anul 2010 greutatea specifica a deseurilor municipale din marile orase va fi de maxim 200 kg/m³.

Greutatea specifica medie a componentilor deseurilor menajere este indicata in tabelul 1.2.

Greutatea specifica medie a componentilor deseurilor menajere

Tabel 1.2.

Greutatea specifica a deseurilor menajere compactate in autogunoiere este functie de gradul de compactare care se poate realiza si care este de regula cuprins intre 2 si 5, ceea ce conduce la cresterea greutatii specifice de atatea ori cat indica gradul de compactare realizat.

In rampa de depozitare greutatea specifica creste cu gradul de compactare realizat, care este in general cuprins intre 1,5÷2,5; gradul maxim de compactare atingandu-se dupa cativa ani.

1.1.2. Umiditatea deseurilor

Pe langa influenta pe care o are asupra greutatii specifice a deseurilor si in special a celor menajere menajere, umiditatea are influenta directa si asupra puterii calorice si a proceselor de fermentare, cand acestea sunt destinate formarii compostului.

Umiditatea este direct influentata de clima regiunii respective, fiind diferita de la un anotimp la altul.

Umiditatea totala a deseurilor se exprima matematic prin formula:

in care:

W_t - umiditatea totala a deseurilor, (%);

W_r - umiditatea relativa, (%);

W_h - umiditatea higroscopica, (%).

Umiditatea relativa este reprezentata de continutul de apa ce se poate indeparta prin evaporare in aer liber la temperatura de 16÷20.

Umiditatea higroscopica sau absoluta reprezinta continutul de apa din deseuri ce nu poate fi indepartat decat prin uscare in etuve de laborator la temperatura de 105 ⁰C.

Umiditatea totala a deseurilor menajere variaza in general de la 25% la 60% din greutatea deseului fiind mai mare vara datorita procentului mare de vegetale.

Determinarea umiditatii deseurilor se poate face si cu ajutorul formulei:

unde:

W - continutul de umiditate, in %;

g_i - greutatea initiala a probelor livrate, kg;

g - greutatea probei dupa uscare la 105 ⁰C.

1.1.3. Marimea si distributia particulelor

Marimea si distributia particulelor materialelor componente a deseurilor solide sunt de o importanta deosebita in recuperarea materialelor. In acest scop se folosesc in special metode mecanice bazate pe ciururile rotative si separatoarele magnetice.

Dimensiunile componentilor deseurilor pot fi definite prin una sau mai multe din marimile determinate cu formulele urmatoare:

unde:

_c - marimea componentului, in mm;

L - lungimea, in mm;

l - latimea, in mm;

h - inaltimea, in mm.

1.1.4. Permeabilitatea deseurilor compactate

Conductivitatea hidraulica (permeabilitatea) deseurilor compactate este proprietatea fizica importanta care guverneaza miscarea lichidelor si gazelor in depozitele de materiale, reprezentate de deseuri. Coeficientul permeabilitatii este dat de relatia:

unde:

K - coeficientul permeabilitatii;

C - constanta dimensionala sau factor de forma;

d_m - marimea medie a porilor;

γ - greutatea specifica a apei;

η - vascozitatea dinamica a apei;

p - permeabilitatea intrinseca (permeabilitate specifica).

Termenul Cd² este cunoscut ca permeabilitate specifica. Permeabilitatea intrinseca depinde numai de proprietatile materialului solid, cum ar fi distributia marimii porilor, suprafata specifica, porozitatea. Valorile tipice pentru permeabilitatea intrinseca pentru deseurile solide compacte in depozit variaza intre 10^-11 si 10^-12 m² in directia verticala si 10^-10 m² in directia orizontala.

1.2. Proprietatile chimice ale deseurilor

Informatiile privind compozitia chimica a componentilor care constituie DMS. sunt importante in evaluarea proceselor alternative si a optiunilor de recuperare.

De exemplu posibilitatile de combustie depind de compozitia chimica a deseurilor solide. Deseurile municipale pot fi considerate ca o combinatie de combustibili semiumezi si materiale necombustibile si combustibile. Daca deseurile solide sunt utilizate drept combustibili, trebuie sa se cunoasca: compozitia chimica, temperatura de prelucrare, continutul de energie a deseurilor, care se pot determina prin:

Analiza chimica (rapida);

Punctul de topire al zgurii;

Analiza chimica finala (a tuturor elementelor);

Puterea calorica.

1.2.1. Analiza rapida (aproximativa)

Analiza rapida pentru componentii combustibili ai DMS, include urmatoarele teste:

Determinarea umiditatii adica pierderile de umiditate cand se realizeaza incalzirea la 105 ⁰C timp de o ora;

Determinarea materialelor combustibile volatile si care reprezinta pierderile suplimentare de greutate la aprindere, respectiv la 950 ⁰C in creuzete acoperite;

Analiza carbonului fix reprezentat de reziduu combustibil ramas dupa indepartarea materialelor volatile;

Determinarea compozitiei chimice a zgurii care reprezinta reziduu ramas dupa arderea in creuzet deschis.

Este important de mentionat ca testele utilizate la determinarea materialelor combustibile volatile prin analizele rapide sunt diferite de testele solidelor volatile utilizate in determinarile biologice.

1.2.2. Punctul de topire al zgurii

Punctul de topire al zgurii este definit ca fiind temperatura la care zgura rezultata prin arderea deseurilor va forma un clinker (solid) prin fuziune si aglomerare.

Temperaturile tipice de fuziune pentru formarea clinckerului pornind de la deseurile solide variaza in domeniul 110 ⁰C la 1200⁰C.

1.2.3. Analiza finala a componentilor deseurilor solide

1.2.3.1. Compozitia deseurilor municipale

Principala caracteristica a deseurilor menajere este aceea ca sunt foarte eterogene, cu variatii mari de la o localitate la alta, functie de anotimp, pozitie geografica, gradul de dezvoltare, specificul si nivelul de viata.

Datorita acestui fapt, compozitia chimica a deseurilor menajere este foarte variabila, ceea ce face necesara determinarea unei compozitii medii pe ani, sezoane, mai ales cand se pune problema valorificarii sau depozitarii acestora prin metode ecologice.

Deseurile municipale se compun din: hartie, cartoane, textile, lemn, plastic, cauciuc, oase, sticla, ceramice, metale, resturi alimentare, pamant, cenusa, zgura. Aceste materiale componente de obicei sunt grupate dupa caracteristicile lor principale, astfel:

materiale combustibile (hartie, cartoane, textile, lemn, plastic, cauciuc, oase);

materiale in special fermentabile (resturi alimentare, fructe, legume, carne);

materiale inerte (sticla, ceramice, metale);

materiale cu granulatie fina (pamant, cenusa, zgura).

O astfel de grupare a partilor componente ale deseurilor, da posibilitatea ca pe baza ponderii cu care intervine fiecare categorie sa se stabileasca directiile catre care trebuie indreptate eforturile in vederea proiectarii rationale a platformelor de depozitare ecologica a deseurilor municipale.

Trebuie avuta in vedere schimbarea in timp a compozitiei deseurilor care poate avea loc de la an la an. Aceasta schimbare, care pentru o perioada foarte mare de timp s-a efectuat in sensul scaderii procentului de materii organice usor fermentabile (resturi alimentare) si a cresterii materialelor combustibile, cunoaste astazi o oarecare incetinire si uneori chiar inversare de sens, ca urmare a tendintelor generale de introducere a reciclarii si precolectarii diferentiate in special la hartie, cartoane si textile.

In tabelul 1.3., orientativ, sunt prezentate limitele de variatie a componentelor deseurilor menajere, stabilite pe baza datelor existente in unele tari din Europa.

Limitele de variatie a compozitiei deseurilor menajere

Tabel 1.3.

Informativ in tabelul 1.4. sunt prezentate unele date comparative privind compozitia deseurilor municipale din diferite tari.

Compozitia medie a deseurilor municipale (in %) din Romania comparativ cu alte tari, in anul 2008

Tabel 1.4.

In tara noastra pe baza unor analize efectuate in orasele mari (Brasov, Cluj - Napoca, Iasi, Baia Mare, Oradea, Galati, Targoviste) compozitia medie a deseurilor municipale prezinta limite de variatie , tabel 1.5.

Compozitia fizica a deseurilor municipale din orase mari ale Romania

Tabel 1.5.

Din punct de vedere chimic, substantele care intra in compozitia deseurilor municipale sunt clasate pe grupe si anume:

substante celulozice;

substante albuminoide si proteinice;

substante grase;

substante minerale;

materiale plastice.

Proportia medie a acestor grupe in deseurile menajere este aproximativ cea prezentata in tabelul 1.6.

Compozitia deseurilor menajere pe grupe

de substante chimice

Tabel 1.6.

Compozitia chimica a deseurilor menajere este prezentata in tabelul 1.7.

Compozitia chimica a deseurilor menajere

Tabel 1.7.

1.2.3.2. Determinarea compozitiei deseurilor municipale

La determinarea compozitiei deseurilor menajere, o importanta deosebita trebuie acordata modului in care se realizeaza prelevarea probelor medii pentru ca acestea sa fie cat mai reprezentative.

In practica curenta, prelevarea probelor medii pentru stabilirea compozitiei deseurilor menajere se face astfel:

se fixeaza itinerariile pentru colectarea deseurilor menajere, astfel incat proba sa fie reprezentativa pentru o anumita categorie de imobile (blocuri cu incalzire centrala, scoli, locuinte individuale, unitati comerciale, piete) sau a unei anumite zone din localitatea respectiva;

cantitatea de deseuri menajere colectata pentru probele medii, trebuie sa fie de circa 2÷4% din cantitatea zilnica produsa in zona respectiva;

deseurile menajere ce se vor colecta pentru probele medii vor fi din cele produse in ultimele 24 de ore pentru a preintampina intrarea in fermentatie a acestora si deci a nu deforma rezultatul analizei;

colectarea se va face in vehicule fara compactare (autoplatforme, autobasculante) pentru a pastra pe cat posibil greutatea specifica initiala in stare afanata.

De preferat ca astfel de analize sa se faca lunar, si numai in cazuri exceptionale trimestrial sau semestrial (vara si iarna).

Vehiculul colector de deseuri pentru probe medii este cantarit plin si gol, astfel ca prin diferenta se poate stabili greutatea probei, iar prin raportarea acesteia la volumul deseurilor, se determina si greutatea specifica a acesteia, astfel:

unde:

γ - greutatea specifica a deseului menajer, in t/m³;

G₁ - greutatea vehiculului plin, in t;

G₂ - greutatea vehiculului gol, in t;

V - volumul deseurilor menajere (m³) stabilit in functie de dimensiunile vehiculului.

Determinarea compozitiei se face de regula la rampa de depozitare controlata, pe o platforma special amenajata, intr-un loc protejat de intemperii.

Dupa descarcarea deseurilor din autovehicul pe platforma exterioara, se face sortarea probei pe elemente componente. Deseurile sunt trecute mai intai prin ciurul cu ochiuri de 25 mm si apoi prin cel cu ochiuri de 5 mm. Fractiunea ramasa in ciurul cu ochiuri de 25 mm se separa manual in elemente componente. In continuare se cantaresc separat fiecare din componentii deseurilor menajere, inclusiv fractiunile ramase dupa ciurul cu ochiuri de 25 mm si cel cu ochiuri de 5 mm.

Se compara suma greutatilor componentilor deseurilor cu greutatea totala a probei, astfel:

G₁ - G₂ ≈ g₁ + g₂ + . .+g_n (t)

unde:

G₁ - greutatea vehiculului plin, in t;

G₂ - greutatea vehiculului gol, in t;

g₁, g₂, . .g_n - greutatile partiale ale componentilor deseurilor, in t.

Ponderea cu care intervine fiecare component se determina astfel:

unde:

p₁, p₂ . p_n - procentele din totalul probei medii ale componentilor g₁, g₂, . .g_n.

Compozitia deseurilor menajere va fi prezentata sub forma unui tabel conform modelului aratat in tabelul 1.8.

Modul de prezentare a compozitiei deseurilor menajere

Tabel 1.8.

Analiza finala a componentilor tipici ai deseurilor implica determinarea procentului de C, H, O, S, N, zgura, halogeni. Analiza finala se face pentru caracterizarea compozitiei chimice a materialelor organice din DMS si pentru a stabili amestecul de deseuri astfel incat sa se asigure raportul C/N corespunzator pentru procesele de conversie biologica.

Determinarea raportului C/N este foarte necesara in special pentru cunoasterea procesului de fermentare a deseurilor menajere si transformarea acestora in compost.

In deseurile menajere exista germeni de microorganisme termofile, de ordinul miliardelor pe gram care intra rapid in fermentatie si care prin mentinerea la o temperatura de 60÷70 ⁰C au ca efect distrugerea germenilor patogeni.

Experimental s-a aratat ca raportul C/N se situeaza intre urmatoarele limite:

deseuri menajere proaspete - C/N = 20 - 30;

compost - C/N = 1 - 25.

1.2.4. Puterea calorica a deseurilor menajere

Prin puterea calorica a deseurilor se intelege cantitatea de caldura degajata prin arderea unui kg de deseuri brute si se exprima in kJ/kg. Ca orice alt combustibil, deseurile au o putere calorica superioara (H_s) si o putere calorica inferioara (H_i).

Puterea calorica superioara presupune ca vaporii de apa au fost condensati si au restituit caldura prin evaporare. Deoarece in instalatiile de incinerare vaporii de apa formati sunt evacuati la cos impreuna cu gazele de ardere, fara a restitui caldura respectiva de evaporare, rezulta ca ceea ce caracterizeaza de fapt deseurile menajere este puterea calorica inferioara (H_i).

Aceasta putere calorica este destul de greu de determinat, pentru ca deseurile menajere au o compozitie foarte eterogena si variaza in mod cu totul aleatoriu in functie de numerosi factori.

Pentru determinarea unei valori medii cat mai apropiate de realitate se folosesc mai multe metode, care conduc la rezultate acceptabile.

Metodele cele mai folosite pentru determinarea puterii calorice sunt urmatoarele:

a)     Masurarea directa a puterii calorice cu ajutorul calorimetrului

Din proba de laborator pregatita pentru analize chimice se ia 1 kg si se arde in bomba calorimetrica, cand se obtine puterea calorimetrica superioara (Hs).

Puterea calorica inferioara (Hi) se obtine cu relatia:

unde:

H_s - puterea calorica superioara;

H_i - puterea calorica inferioara;

W - procentul de apa, (in greutate) din materialul prelevat pentru analiza si se determina astfel:

unde:

W_t - umiditatea totala din combustibil, in %;

H - procentul masic in hidrogen a combustibilului.

In practica, pentru determinarea puterii calorice inferioare, H­_i, se utilizeaza formula:

Aceasta metoda de determinare a puterii calorice inferioare are dezavantajul de a fi facuta pe esantioane mici.

a.      Calculul puterii calorice medii pe baza puterii calorice a componentilor deseurilor municipale

Aceasta metoda permite calcularea rapida a puterii calorice prin efectuarea mediei tuturor componentilor deseurilor menajere care aduc aport caloric.

Cunoscand procentele p₁, p₂ . p_n ale componentilor stabiliti si puterile calorice inferioare h₁, h₂ . h_n ale acestora, se stabileste puterea calorica inferioara astfel: