Spalarnie odpadów medycznych jako źródło emisji dioksyn

Transkrypt

1 DIAGNOZOWANIE STANU ŚRODOWISKA. METODY BADAWCZE - PROGNOZY J.K. Garbacz (red.) BTN Bydgoszcz Tom V, s. od 203 do 210 G. Totczyk Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. J. Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Katedra Inżynierii Sanitarnej i Wodnej Spalarnie odpadów medycznych jako źródło emisji dioksyn Streszczenie Odpady medyczne należą do odpadów niebezpiecznych, gdyż stwarzają możliwość skażenia epidemiologicznego środowiska patogenami i bakteriami chorobotwórczymi. Podstawową metodą ich utylizacji jest spalanie, podczas którego skutecznie zwalczane są mikroorganizmy oraz następuje znaczne zmniejszenie objętości i masy odpadów. Wadą tej metody jest emisja szeregu substancji toksycznych, w tym także dioksyn. W artykule scharakteryzowano różne źródła emisji dioksyn. Omówiono procesy syntezy dioksyn podczas spalania odpadów medycznych i przedstawiono metody ograniczania ich emisji do atmosfery. Słowa kluczowe: odpady medyczne, spalarnie, dioksyny Wprowadzenie Nazwa dioksyny jest stosowana w odniesieniu do polichlorowanych dibenzodioksyn (PCDDs) i polichlorowanych dibenzofuranów (PCDFs). Związki te składają się z dwóch pierścieni benzenowych połączonych jednym lub dwoma atomami tlenu. Wprowadzając do każdego z pierścieni benzenowych, w miejsca atomów wodoru, od 1 do 4 atomów chloru można otrzymać 75 kongenerów PCDDs i 135 kongenerów PCDFs. Charakteryzują się one różną toksycznością, którą określa się poprzez międzynarodowy współczynnik równoważnej toksyczności TEF (ang. toxic equivlency factor), wyznaczany względem najbardziej toksycznej dioksyny, którą jest 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioksyna (TCDD). W 1999 r. WHO wprowadziła współczynnik - TEQ ( ang. toxicity equivalent quontity). Od tej pory, w praktyce analitycznej oznaczanie sumy PCDDs i PCDFs sprowadza się do oznaczania 17 dioksyn o najwyższym wskaźniku toksyczności [2]. Toksyczność próbki oblicza się mnożąc masy poszczególnych kongenerów przez odpowiednie współczynniki TEF i podaje się jako TEQ:

2 G. Totczyk TEQ = (m i TEF i ) gdzie: m i - masa pojedynczego kongeneru; TEF i - współczynnik toksyczności dla i-tego kongeneru PCDDs lub PCDFs. Toksyczność dioksyn, które należą do najsilniejszych trucizn, objawia się między innymi działaniem mutagennym i teratogennym. Mechanizm ich działania nie jest do końca poznany. Wiadomo, że bioakumulują się w tkance tłuszczowej zwierząt i ludzi. Wywołują choroby nowotworowe, uszkadzają płód, niszczą układ hormonalny, powodują bezpłodność oraz zaburzają działanie systemu immunologicznego. 1. Charakterystyka źródeł emisji dioksyn Dioksyny są niepożądanym produktem procesów termicznych, w których uczestniczy materia organiczna i obecny jest chlor. Procesy te można podzielić na procesy przebiegające w sposób naturalny i na zainicjonowane przez człowieka. Do procesów naturalnych należą np. pożary lasów czy wybuchy wulkanów. Naturalne źródła emisji dioksyn do środowiska istniały zawsze, a ich udział w całkowitej emisji PCDDs/PCDFs jest bardzo trudny do ilościowego określenia. Przypuszcza się, że ilość dioksyn pochodzących z naturalnych źródeł emisji jest porównywalna do ilości ze źródeł antropogenicznych. Poza źródłami naturalnymi dioksyny emitowane są do środowiska naturalnego w wyniku działań prowadzonych przez człowieka np.: spalanie odpadów przemysłowych, komunalnych i medycznych zawierających chlor; spalanie węgla kamiennego i paliw płynnych; odprowadzanie ścieków pochodzących z zakładów celulozowo-papierniczych; odprowadzanie ścieków z zakładów produkujących chlorowane pestycydy; hutnictwo stali i metali nieżelaznych; przetwórstwo surowców wtórnych. W 2000 r. głównym źródłem emisji dioksyn do powietrza w Polsce były procesy spalania w sektorze komunalnym i w gospodarstwach domowych, które stanowiły 36,65% całkowitej emisji dioksyn. Zagospodarowanie odpadów, wraz ze spalaniem odpadów szpitalnych było kolejnym źródłem emisji stanowiącym 30,18% [11]. Procentowy udział sektorów gospodarki w całkowitej emisji dioksyn do powietrza przedstawiono na rys. l.

3 G. Totczyk Procesy spalania w sektorze komunalnym i mieszkaniowym 36,65%. Incineration processes in the municipal surd household sector 36,65%. 2.Procesy spalania w przemyśle 10,42%. Incineration processes in industry 10,42% 3.Procesy spalania w sektorze produkcji i transformacji energii 1,42%. Incineration processes in the energy production and transformation sector 1,42%. 4. Gospodarka odpadami 30,18%. Waste management 30,18%. 5. Procesy produkcyjne 7,61%. Production processes 7,61%. 6. Inne źródła emisji 13,72%. Other emission 13,72%. Rys. 1. Procentowy udział sektorów gospodarki w całkowitej emisji dioksyn do powietrza Fig. 1. Percentage share of economic sectors in the total dioxins emissions to the air Analizując dane z 2005 r., dotyczące wielkości emisji dioksyn, których źródłem było spalanie odpadów w Polsce (tab. l) stwierdzono, że największa emisja stanowiąca 44,6% spowodowana była nielegalnym spalaniem odpadów. Spalanie odpadów szpitalnych przyczyniało się do 10,03% emisji dioksyn [6]. Tabela 1. Emisja dioksyn podczas spalania odpadów w Polsce (2005 r.) Table 1. Dioxins emissions as a result of thermal waste incineration in Poland (2005) Źródło emisji dioksyn Source of dioxin emissions Spalanie odpadów: Incineration of waste: - odpadów przemysłowych / industrial waste - nielegalne spalanie odpadów/illegal waste incineration - odpadów niebezpiecznych/ hazardous waste - odpadów szpitalnych/ hospital waste Wielkość emisji [g I-TEQ/rok] Emissions [g I-TEQ/rok] Udział procentowy [%] Percentage share [%] 262,3 100,00 45,5 17,35 117,0 44,60 73,5 28,02 26,3 10,03 2. Termiczna utylizacja odpadów medycznych Odpady medyczne powstają podczas diagnozowania, leczenia i profilaktyki medycznej prowadzonej w placówkach lecznictwa otwartego i zamkniętego. Zaliczamy do nich również odpady powstające w związku z realizacją badań i doświadczeń naukowych w zakresie medycyny. Zgodnie z obowiązującymi aktami prawnymi [3] należą one do odpadów niebezpiecznych o kodzie 18. Takie zaszeregowanie odpadów medycznych wymaga stosowania określonych metod do ich utylizacji [5]. Nowe przepisy prawne [7] zezwalają na unieszkodliwianie zakaźnych odpadów medycznych metodami, które prowadzą do obniżenia zawartości ogólnego węgla organicznego do 5% w tych odpadach. Jednocześnie zakazuje się ich unieszkodliwiania przez

4 G. Totczyk współspalanie. Jednym z dopuszczalnych i zarazem skutecznych sposobów przekształcania odpadów medycznych jest ich termiczna utylizacja. Zaliczamy do niej spalanie odpadów przez utlenianie oraz pirolizę, zgazowanie i proces plazmowy, o ile substancje powstające podczas tych procesów są następnie spalane. Podczas spalania odpadów medycznych stosowane są procesy uwęglania i spopielania [2, 8]. Proces uwęglania polega na termicznym rozkładzie substancji organicznej w przedziale temperatur ok C bez dostępu tlenu. W procesie powstają stałe, płynne i gazowe produkty, toksyczne dla środowiska, które nadal posiadają właściwości palne. Proces spopielania jest natomiast procesem rozkładu substancji palnych stałych, który może przebiegać z ograniczonym dostępem tlenu (tzw. proces zgazowania) lub przy nadmiarze dostępu tlenu (tzw. spalanie). Oba procesy przebiegają z udziałem pirolizy. W wyniku procesu spopielania uzyskuje się produkt stały tzw. popiół, będący substancją prawie zupełnie pozbawioną palnych związków organicznych. 3. Procesy powstawania dioksyn podczas termicznej utylizacji odpadów Powstająca podczas termicznej utylizacji odpadów emisja obejmuje zarówno dioksyny zawarte w odpadach, które w procesie spalania nie uległy destrukcji, jak i nowe - powstałe na drodze syntezy. Na podstawie prowadzonych badań określono następujące procesy powstawania dioksyn podczas spalania [9]: - synteza dioksyn w fazie gazowej, w temperaturze ponad 500 C, z chlorowanych prekursorów tj. chlorobenzenów, chlorofenoli, polichlorowanych bifenyli, polichlorowanych dibenzoeterów itp.; - powstawanie dioksyn w temperaturze poniżej 400 C, podczas reakcji na powierzchni cząstek pyłu zawierającego metale np. Cu, Fe, Ni, Al, Zn, katalizujące reakcję syntezy z prekursorów organicznych tj. związki aromatyczne, złożone związki organiczne (np. papier, lignit, węgiel brunatny, drewno, tworzywa sztuczne) oraz związków zawierających chlor (np. PCV, NaCl lub HC1, CL); - dioksyny powstające w temperaturze C, w wyniku tzw. syntezy de novo" z rodników organicznych lub węgla elementarnego (sadzy) oraz chloru, katalizowanej przez metale: Cu, Fe, Ni, Al, Zn; - dioksyny powstające w zakresie temperatur C, w wyniku reakcji na powierzchni cząstek pyłu, w obecności metali (np. Cu, Fe, Ni, Al, Zn), katalizujących proces syntezy z wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych połączony z chlorowaniem pierścienia (z polichlorowanych: naftalenów, chlorofenoli, chlorobenzenów, bifenyli, dibenzoeterów i innych). Z przedstawionych możliwości powstawania dioksyn główną rolę w procesie spalania odgrywa synteza de novo. Dioksyny ulegają rozkładowi termicznemu już w temperaturze powyżej 700 C. Jednak optymalny zakres temperatur dla syntezy de novo wynosi C. Dlatego podczas schładzania gazów spalinowych od temperatury 700 C do ok. 200 C dochodzi do ich syntezy Ilość powstających w ten sposób dioksyn zależy od szybkości schładzania gazów. Syntezę de novo wspomaga obecność tlenku węgla, sadzy i pyłu zawierającego metale katalizujące reakcję. 4. Metody ograniczania emisji dioksyn Metody ograniczania emisji dioksyn pochodzących z procesów termicznych dzielimy na pierwotne i wtórne. Metody pierwotne polegają na wprowadzaniu zmian

5 Spalarnie odpadów medycznych jako źródło emisji dioksyn do procesu technologicznego mających na celu stworzenie warunków, które ograniczą możliwości powstawania dioksyn [1, 10]. Do tego typu metod zalicza się: - unikanie obecności chloru w procesach termicznych; - budowa bardzo wydajnych systemów odzysku ciepła (wymienników) oraz ewentualne schładzanie gazów za pomocą wtrysku zimnej wody, co ogranicza powstawanie dioksyn na drodze syntezy de novo; - dopalanie gazów spalinowych (w celu zmniejszenia obecności tlenku węgla i sadzy); - włączenie odpylania gazów gorących, bądź dobranie odpowiedniej szybkości przepływu gazów przez systemy odzysku ciepła aby zapobiec powstawaniu stref osiadania, pyłu i sadzy zawartych w gazach; - dążenie do prowadzenia spalania tak aby było ono jak najbardziej zbliżone do spalania całkowitego, gdyż stężenie tlenku węgla ma istotne znaczenie na ilość dioksyn powstających w procesie spalania; - obecność dwutlenku siarki w spalinach ze względu na jego inhibicyjne działanie w stosunku do syntezy dioksyn. Metody pierwotne mogą w znaczący sposób zmniejszyć ilość powstających dioksyn. Przyczyniają się również do obniżenia stężenia innych emitowanych zanieczyszczeń, co przedstawiają dane zawarte w tabeli 2. Jednak efekt ich stosowania nie jest na tyle wysoki aby spełnić obowiązujące wymagania dotyczące standardów emisyjnych z instalacji [4]. Tabela 2. Efekt zastosowania metod pierwotnych w redukcji emisji zanieczyszczeń w spalarni odpadów [1] Table 2. Effect of the primary methods application on the reduction of pollution emissions in the waste incineration plant [1] Zanieczyszczenie Pollution Jednostka Unit Instalacja bez zastosowania metod pierwotnych System without primary methods application Instalacja z zastosowaniem metod pierwotnych System with primary methods application Dopuszczalne stężenie wg obowiązującego rozporządzenia [4] Admissible concentration according to the currentiy binding regulation [4] Pył/Fine particles mg/m Tlenek węgla/ Carbon monoxide mg/m Suma związków organicznych/ Sum of organie compounds mg/m , Dioksyny/Dioxins ngteq/ m ,6-1,2 0,1 Wtórne metody ograniczania emisji dioksyn polegają na oczyszczaniu gazów odlotowych. Największe znaczenie mają następujące metody [9, 10]: - adsorpcja na węglu aktywnym (adsorpcja na złożu stałym lub adsorpcja strumieniowa); wadą tych metod jest problem z zagospodarowaniem zużytego adsorbentu zawierającego dioksyny i metale ciężkie, a w przypadku adsorpcji na złożu stałym dodatkowo możliwość samozapłonu węgla w temperaturze ponad 200 C; 207

6 - katalityczny rozkład dioksyn na katalizatorze wanadowo-wolframowym (V 2 O 5 -WO 3 ) na nośniku z dwutlenku tytanu (TiO 2 ) polega na odchlorowaniu oraz utlenieniu dioksyn do produktów końcowych tj. CO 2, H 2 O oraz HC1; skuteczność usuwania dioksyn tą metodą wynosi około 95-99%; - metoda filtracyjno-katalityczna REMEDIA " łączy adsorpcję, odpylanie i rozkład katalityczny; wstępna adsorpcja dioksyn zachodzi na warstwie pyłu wydzielonej na membranie wykonanej z włókien teflonowych i szklanych z naniesioną warstwą związków wanadu; pozostałe dioksyny ulegają pdchlorowaniu i utlenieniu za pomocą związków wanadu obecnych na membranie; skuteczność metody wynosi powyżej 95%; - metoda absorpcyjno-adsorpcyjna ADIOX " jest metodą nową, polega na absorpcji dioksyn w elementach systemu mokrego oczyszczania spalin wykonanych z polipropylenu z dodatkiem węgla aktywnego; cząsteczki dioksyn, które zostały zaabsorbowane w polipropylenie są dodatkowo adsorbowane na powierzchni węgla i eliminowane ze strumienia gazów spalinowych w sposób trwały. Wpływ systemu oczyszczania spalin na wielkość emisji dioksyn przypadającą na 1 mg spalanych odpadów medycznych [6] obrazują dane zamieszczone w tabeli 3. Tabela 3. Emisja dioksyn podczas spalania odpadów medycznych w zależności od stosowanej metody oczyszczania spalin Table 3. Emissions of dioxins which coincide with médical waste incinération depending on the flue gas purification method Wielkość emisji Metoda oczyszczania spalin/flue gas purification Emissions [ g I-TEQ/mg] bez systemu oczyszczania spalin/without flue gas purification system 453,3 z system oczyszczania spalin o niskiej sprawności - odpylanie/with the low r -performance flue gas purification system; dust collection 83,0 z system oczyszczania spalin o wysokiej sprawności/with the high-performance flue gas purification system 1,38 W polskich spalarniach odpadów, zarówno medycznych jak i przemysłowych, dominują systemy usuwania dioksyn poprzez adsorpcję strumieniową na rozdrobnionym węglu aktywnym z dodatkiem tlenku wapnia tzw. Sorbalitu. Obiekty te spełniają wymagania dotyczące standardów emisyjnych z instalacji [4]. Wnioski Wszystkie procesy termicznej obróbki odpadów, również medycznych, powodują powstawanie organicznych produktów ubocznych, niebezpiecznych dla środowiska. Szczególną uwagę należy zwrócić na dioksyny, które powstają przede wszystkim w rezultacie reakcji chłodzenia gazów wylotowych. Głównymi czynnikami mającymi wpływ na tą reakcję, są: szybkość chłodzenia spalin, występowanie chloru, obecność tlenku węgla, sadzy i pyłu zawierającego metale katalizujące syntezę dioksyn. Proces powstawania dioksyn jest dobrze poznany, co pozwala skutecznie ograniczać ich emisję poprzez stosowanie nowoczesnych urządzeń ochronnych i zabezpieczających. Tym

7 samym dotrzymanie standardów emisyjnych w tego typu obiektach nie stanowi problemu Stężenia dioksyn, w spalinach spalarni zaawansowanych technicznie i najbardziej profesjonalnie sterowanych, wynoszą poniżej 0,1 ng TEQ/m 3. Są to stężenia, nie stanowiące zagrożenia z punktu widzenia zdrowia publicznego i środowiska. Należy jednak pamiętać, że dioksyny są bardzo stabilne chemicznie i odporne na rozkład mikrobiologiczny, w środowisku zalegają przez wiele lat, krążąc we wszystkich ogniwach ekosystemu. Literatura 1. Pająk T., 1999, Metody pierwotne ograniczenia emisji dioksyn w procesach spalania odpadów komunalnych, Konferencja Dioksyny w Przemyśle", Politechnika Krakowska. 2. Piecuch T., 2006, Zarys metod termicznej utylizacji odpadów, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej. 3. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia w sprawie katalogu odpadów - Dz. U nr 112, poz Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia w sprawie standardów emisyjnych z instalacji - Dz. U nr 260 poz Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia zmieniające rozporządzenie w sprawie dopuszczalnych sposobów i warunków unieszkodliwiania odpadów medycznych i weterynaryjnych - Dz. U nr 200 poz Tałałaj I., 2008, Dioksyny w procesach unieszkodliwiania i przetwarzania odpadów, Ochrona Środowiska, nr Ustawa o zmianie ustawy o odpadach oraz niektórych innych ustaw z dnia Dz. U r. nr 28, poz Wandrasz J., 2000, Gospodarka odpadami medycznymi, Wydawnictwo Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Poznań. 9. Wielgosiński G., 2008, Czy emisja dioksyn stanowi istotny problem w spalarni odpadów?, Konferencja Perspektywy energetycznej utylizacji odpadów komunalnych", Politechnika Rzeszowska. 10. Wielgosiński G., 2001, Powstawanie dioksyn w procesach termicznej utylizacji odpadów, Konferencja Dioksyny w przemyśle i środowisku", Politechnika Krakowska. 11. Żurek J., Sadowski M., 2003, Trwałe zanieczyszczenia organiczne, IOŚ, Warszawa.