POLITECHNIKA WARSZAWSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

Sprawozdanie z laboratorium z przedmiotu:

GOSPODARKA ODPADAMI

Prowadząca:

mgr inż.  Irena Roszczyńska

Wykonały:

Aleksandra Bachanek

Ilona Niewęgłowska

Justyna Zarzeczna

grupa OŚ

Badana próbka:

Miejsce poboru próbki: Warszawa, Żoliborz 2A

Data poboru próbki: 22.11.2004

1. Cel badań

Określenie właściwości technologicznych odpadów i wybór metody ich unieszkodliwiania.

1. Zakres badań

W celu wyboru metody unieszkodliwiania odpadów należy uprzednio przeprowadzić szereg badań stwierdzających ich przydatność do poszczególnych procesów unieszkodliwiania. Do najbardziej popularnych należy kompostowanie i spalanie odpadów. W celu wyboru procesu unieszkodliwiania określono wskaźniki charakteryzujące właściwości nawozowe oraz paliwowe odpadów komunalnych.

Wskaźniki charakteryzujące właściwości nawozowe odpadów komunalnych:

• Zawartość ogólnej substancji organicznej

• Zawartość węgla organicznego

• Zawartość azotu organicznego

• Zawartość fosforu

• Zawartość potasu

Wskaźniki charakteryzujące właściwości paliwowe odpadów:

• Zawartość wilgoci

• Zawartość składników palnych

• Zawartość składników niepalnych

• Zawartość składników lotnych

• Ciepło spalania

• Wartość opałowa robocza

• Zawartość składników agresywnych

• Skład elementarny (pierwiastkowy) części palnych

3. Określenie wskaźników charakteryzujących właściwości nawozowe odpadów komunalnych:

Zawartość ogólnej substancji organicznej

gdzie:

m₁ – masa próbki przed prażeniem

m₂ - masa próbki po prażeniu

m₁ = 18,93506g – 17,96355g = 0,97151g

m₂ = 18,1659g – 17,96355g = 0,20235g

Zawartość węgla organicznego

[% C_org s.m.]

gdzie:

a - objętość roztworu 6-wodnego siarczanu żelaza(II) i amonu zużytego na miareczkowanie próbki zerowej [ml]

b - objętość roztworu 6-wodnego siarczanu żelaza(II) i amonu zużytego na miareczkowanie próbki odpadów [ml]

f - współczynnik korygujący miano roztworu 6-wodnego siarczanu żelaza(II) i amonu na roztwór o c = 0,2 mol/l (dla którego f=1)

m - masa próbki odpadów [g]

0,0006 - ilość węgla odpowiadająca 1 ml roztworu soli Mohra o c = 0,2 mol/l

a = 57,5 ml

b = 37,8 ml

f = 1

m = 6,64855 – 6,55301 = 0,09554g

Zawartość azotu organicznego

N_org=0,66 % s.m.

Zawartość fosforu

Oznaczenie polega na spopieleniu próbki i przeprowadzeniu zawartego w niej fosforu, przy zastosowaniu kwasu solnego z dodatkiem kwasu azotowego (V), w postać rozpuszczalną w wodzie. Przeprowadzony do roztworu fosfor w postaci jonów PO₄^3- jest następnie wytrącany w postaci trudno rozpuszczalnego osadu soli fosforomolibdenianu chinoliny. Wytrącony osad oddziela się następnie od roztworu i rozpuszcza w nadmiarze mianowanego roztworu wodorotlenku sodu. Nadmiar wodorotlenku sodu odmiareczkowuje się mianowanym roztworem kwasu solnego wobec wskaźnika mieszanego zmieniającego zabarwienie z filetowego na żółte.

Zawartość fosforu w badanej próbce (X) należy obliczyć w stosunku do suchej masy odpadów według wzoru:

$$X = \frac{\left( a - b \right)*0,000273k}{m}*100\ \lbrack\%\ P_{2}O_{5}\text{s.m.}\rbrack$$

gdzie:

a - objętość mianowanego roztworu wodorotlenku sodu użytego do rozpuszczenia osadu [ml],

b - objętość mianowanego roztworu kwasu solnego użytego do miareczkowania nadmiaru wodorotlenku sodu [ml],

k – stosunek objętości roztworu w kolbie miarowej do objętości roztworu użytego do wykonania oznaczenia,

m - masa próbki odpadów [g]

0,0002732 – masa P₂O₅ odpowiadająca 1 ml mianowanego roztworu wodorotlenku sodu o c=0,1 mol/l [g]

m = 18,0484 ̶ 17,0485=0,9999 g

k = 100/25=4

a = 25 ml

b = 17,8 ml

$X = \frac{(25 - 17,8) \bullet 0,000273 \bullet 4}{0,9999} \bullet 100 = 0,786\ \%$ P₂O₅s.m.

Zawartość potasu

K₂O=0,11 %s.m.

Właściwości nawozowe odpadów komunalnych
Lp
1
2
3
4
5

4.Określenie wskaźników charakteryzujących właściwości paliwowe odpadów komunalnych

Zawartość wilgoci

W=45,2 %

Zawartość składników palnych, niepalnych i lotnych

Metoda polega na spopieleniu badanej próbki odpadów, a następnie wyprażeniu jej do stałej masy w piecu elektrycznym w temperaturze 800ºC i obliczeniu w procentach składników palnych i niepalnych. Można przyjąć, że zawartość składników palnych w wysuszonej próbce (straty prażenia w temp. 800ºC) jest o około 2-3 % większa, niż zawartość ogólnej substancji organicznej (po uwzględnieniu właśnie tych 2 % jako straty prażenia w temperaturze 800 ºC).

• Zawartość składników palnych obliczamy w stosunku do suchej masy odpadów ze wzoru:

gdzie:

m₁ – masa próbki przed prażeniem

m₂ - masa próbki po prażeniu

m₁ = 17,6460g – 16,6658g = 0,9831g

m₂ = 17,05415g – 16,66586g = 0,38829g

$$X_{1} = \frac{0,9831 - 0,38829}{0,9831} \bullet 100\% = 60,5\ \% s.m.$$

Zawartość składników palnych powinna stanowić wartość substancji organicznej powiększoną o 1-3%. W naszym przypadku nie uzyskano takiej wartości, zawartość ogólnej substancji organicznej była większa od zawartość składników palnych, co może wynikać z niedokładnego zważenia próbek.

• Zawartość składników niepalnych obliczamy w stosunku do suchej masy odpadów ze wzoru:

[%s.m.]

X₂ = 100 − 60, 5 = 39.5 % s.m.

• Zawartość składników palnych i niepalnych w przeliczeniu na odpady w stanie surowym obliczamy ze wzoru:

gdzie:

W_c - zawartość wilgoci

W_c = 45,2

$$X_{p} = \frac{100 - W_{c}}{100} \bullet X_{1} = \frac{100 - 45,2}{100} \bullet 60,5 = 33,154\ \lbrack\%\rbrack$$

$$X_{n} = \frac{100 - W_{c}}{100} \bullet X_{2} = \frac{100 - 45,2}{100} \bullet 39.5 = 21,646\ \lbrack\%\rbrack$$

• Zawartość części lotnych w suchej masie przyjęto jako 81,4% części palnych.

Ciepło spalania i wartość opałowa

• Ciepło spalania odpadów obliczamy ze wzoru wyjściowego:

[J/g s. m.]

gdzie:

K – stała kalorymetru [J/ºC]

D_t – ogólny przyrost temperatury okresu głównego [ºC]

k – poprawka na wymianę ciepła kalorymetru z otoczeniem [ºC]

(D_t – k) – przyrost temperatury w czasie spalania w bombie [ºC]

m – odważka odpadów

q₁ – ciepło spalania drucika

m₁ – masa drucika

6,0 – ciepło syntezy 0,0001 gramorównoważnika kwasu azotowego powstałego ze spalania azotu [J]

V₁ – ilość roztworu kwasu solnego użytego do miareczkowania roztworu po spaleniu w bombie [ml]

15,0 – ciepło syntezy 0,0001 gramorównoważnika kwasu siarkowego powstałego SO₃ [J]

V₂ – ilość roztworu wodorotlenku baru użytego do miareczkowania roztworu po spaleniu w bombie [ml]

Ze względu na to, że próbka była wysuszona, ciepło spalania liczy się w [J/g s.m.] a podaje w [kJ/kg s.m.]

Po uproszczeniu przybiera on postać:

[J/g s. m.]

[°C]

[°C]

gdzie:

k – poprawka na wymianę ciepła kalorymetru z otoczeniem [ºC]

d_h – średni przyrost temperatury na 1 minutę w okresie początkowym [ºC/min]

d_k – średni przyrost temperatury na 1 minutę w okresie końcowym [ºC/min]

n – czas trwania głównego okresu pomiarowego [min]

Okres pomiaru	Odczytana temperatura [˚C]	Przyrost temperatury w okresie	Średni przyrost temperatury na minutę
Początkowy	21,24	dh = 21,35– 21,24 = 0,11
	21,31
	21,34
	21,35
	21,35
Główny	21,49	Dt = 21,65– 21,49 = 0,16
	21,56
	21,60
	21,62
	21,63
	21,65
Końcowy	21,65	dk =21,65– 21,65 = 0,0
	21,65
	21,65
	21,65
	21,65

[°C]

Masa pastylki: 7,8769 – 75799 = 0,297 [g]

K = 13045 J/˚C

D_t = t_n-t₀ = 21,65-21,35 = 0,3 [˚C]

$$Q_{c} = \frac{13045*(0,32 - 0,011)}{0,297} = 12\ 693,62\frac{\text{\ J}}{\text{g\ s.m.}}$$

• Wartość opałowa odpadów wysuszonych obliczana jest ze wzoru:

[J/g s. m.]

gdzie:

W – wartość opałowa [J/g]

Q_c – ciepło spalania odpadów [J/g]

W_c – wilgotność całkowita odpadów (w tym przypadku, przy wysuszonych odpadach W_c=0 %)

H – zawartość wodoru w związkach organicznych [%]

24,42 – ciepło parowania wody w temperaturze 25ºC, odpowiadające 1% wody zawartej w odpadach [J/g]

8,9 – współczynnik przeliczeniowy wodoru na wodę

Q_c = 12 693,62 J/g s.m.

W_c = 0 %

H = 5,42%

W = Q_c ̶ 24,42·(W_c + 8,9H) = 12 693,62 ̶ 24,42·(0 + 8,9 · 5,42)=11 515,6 J/g s.m.

• Wartość opałowa robocza odpadów surowych ze wzoru (o wilgotności w stanie surowym):

[kJ/kg]

Zawartość składników agresywnych

• Oznaczenie zawartości chlorków metodą Volharda:

Oznaczenie to polega na strąceniu jonów chlorkowych w środowisku kwaśnym w postaci osadu chlorku srebra za pomocą nadmiaru mianowanego roztworu azotanu srebra AgNO₃. Niezwiązane jony Ag⁺ odmiareczkowuje się mianowanym roztworem rodanku potasu KSCN wobec jonów Fe³⁺ jako wskaźnika.

Zawartość składnika agresywnego w przeliczeniu na sucha masę odpadów oblicza się ze wzoru:

[mgHCl /kg s.m.]

gdzie:

n₁ – normalność roztworu AgNO3

V₁ – objętość roztworu AgNO3 [ml]

n₂ – normalność roztworu KSCN

V₂ – objętość roztworu KSCN zużyta na zmiareczkowanie próbki [ml]

36,457 – milirównoważnik HCl [mg]

V - objętość kolby miarowej zawierającej roztwór przygotowany do oznaczania składników agresywnych [ml]

V_p – objętość próbki pobranej do badania [ml]

m – masa pastylki

n₁ = 0,01mol/l

n₂ = 0,01 mol/l

V₁ = 25 ml

V₂ = 23,5 ml

V = 250 ml

V_p = 100 ml

m = 7,8769 – 7,5799 = 0,297 g

$$X_{\text{HCl}} = \frac{\left( 0,0*25 - 0,01*23,5 \right)*36,457*250*1000}{0,297*100} = 4603,2\frac{\text{mg\ HCl}}{\text{kg\ s.m.}}$$

• Spektrofotometryczne oznaczenie azotanów (III) metodą Griessa

Podstawą spektrofotometrycznego oznaczania azotanów (III) jest barwnik azowy, który powstaje w wyniku reakcji sprzęgania soli diazoniowej (powstaje w wyniku reakcji azotanów (III) w środowisku kwaśnym z pierwszorzędowymi aminami) z odpowiednim związkiem aromatycznym.

Zawartość składnika agresywnego oznaczonego w postaci azotu azotanowego (III) w stosunku do suchej masy odpadu oblicza się ze wzoru:

[mgNO₂ /kg s.m.]

gdzie:

m – masa pastylki [g]

V - objętość kolby miarowej zawierającej roztwór przygotowany do oznaczania składników agresywnych [ml]

V_p – objętość próbki pobranej do badania [ml]

m_N – zawartość azotu azotynowego w próbce o objętości Vp [µg]

masa atomowa N = 14 g/mol, masa molowa NO₂ = 46 g/mol

m = 7,8769 – 7,5799 = 0,297 g

m_N = 3569µg

V = 250 ml

V_p = 25 ml

$$X_{\text{NO}_{2}} = \frac{3,569*250*46}{0,297*25*14} = 394,8\ \left\lbrack \frac{\text{mg\ }\text{NO}_{2}}{\text{kg\ s.m.}} \right\rbrack$$

• Spektrofotometryczne oznaczenie azotanów(V) metodą fenolodisulfonową

Podstawą spektrofotometrycznego oznaczania azotanów (V) jest zjonizowana forma kwasu nitrofenolodisulfonowego (zjonizowana forma powstaje po zalkalizowaniu roztworu zawierającego kwas nitrofenolodisulfonowy) o intensywnie żółtym zabarwieniu.

Zawartość składnika agresywnego oznaczonego w postaci azotu azotanowego (V) w stosunku do suchej masy odpadu oblicza się ze wzoru:

[mgNO₂ /kg s.m.]

gdzie:

m – masa pastylki [g]

V - objętość kolby miarowej zawierającej roztwór przygotowany do oznaczania składników agresywnych [ml]

V_p – objętość próbki pobranej do badania [ml]

m_N – zawartość azotu azotanowego (V) w próbce o objętości Vp [µg]

masa atomowa N = 14 g/mol, masa molowa NO₂ = 46 g/mol

m_N = 23,61 µg/10ml

m = 7,8769 – 7,5799 = 0,297 g

V = 250 ml

V_p = 10 ml

$$X_{\text{NO}_{2}}^{0} = \frac{23,61*250*46}{0,297*10*14} = 6529,9\ \left\lbrack \frac{\text{mg\ }\text{NO}_{2}}{\text{kg\ s.m.}} \right\rbrack$$

• Ogólna zawartość składnika agresywnego w postaci NO₂ w [mgNO₂/kg] badanych odpadów obliczamy według wzoru:

[mgNO₂ /kg s.m.]

394,8 + 6529,9= 6 924,7

• Oznaczenie siarczanów metoda bezpośredniego miareczkowania wobec arsenazo (III)

Oznaczenie to polega na miareczkowaniu badanej próbki w środowisku wodnoorganicznym mianowanym roztworem octanu baru próbki wobec arsenazo (III) jako wskaźnika jonów Ba²⁺

Zawartość składnika agresywnego oznaczonego w postaci siarczanów w stosunku do suchej masy odpadu oblicza się ze wzoru:

[mgSO₂ /kg s.m.]

gdzie:

m – masa pastylki [g]

V - objętość kolby miarowej zawierającej roztwór przygotowany do oznaczania składników agresywnych [ml]

V_p – objętość próbki pobranej do badania [ml]

n – normalność Ba(CH₃COO)₂

v – objętość Ba(CH₃COO)₂ zużyta na miareczkowanie próbki badanej o objętości V_p [ml]

32 – miligramorównoważnik SO₂ [mg]

f – empiryczny współczynnik przeliczeniowy

m = 7,8769 – 7,5799 = 0,297 g

V = 250 ml

V_p = 5 ml

n = 0,01

v = 0,28 – 0,07 = 0,21 ml

f = 1

$$X_{\text{SO}_{2}} = \frac{0,21*0,01*250*32*1*1000}{0,297*5} = 11313\ \left\lbrack \frac{\text{mg\ }\text{SO}_{2}}{\text{kg\ s.m.}} \right\rbrack$$

Analiza elementarna

Oznaczenie polega na całkowitym spaleniu odważki odpadów w strumieniu powietrza w obecności substancji i katalizatorów, a następnie:

• Absorpcji powstałych w wyniku spalania CO₂ i H₂O w urządzeniach absorpcyjnych

• Wagowym oznaczeniu powstałych produktów spalania

• Obliczeniu na podstawie uzyskanych wyników zawartości węgla i wodoru w badanych odpadach przy zastosowaniu odpowiednich współczynników przeliczeniowych

Wyniki oznaczenia wagowego:

Przed spaleniem:

Masa łódeczki: 2,0977 g

Masa łódeczki z próbką odpadów: 2,1490 g

Masa próbki: 0,0523 g

Po spaleniu:

Masa łódeczki: 2,09745 g

Masa łódeczki z próbką odpadów po spaleniu: 2,13345 g

Masa próbki: 0,036 g

Przyrost masy U-rurki po absorpcji ditlenku węgla:

m_C = 0,0322 g

Przyrost masy U-rurki pochłaniającą parę wodną:

m_H = 0,0079 g

• Zawartość węgla w badanej próbce (w procentach w stosunku do suchej masy odpadów) oblicza się stosując następujący wzór:

[% s. m.]

gdzie:

m_C – przyrost masy U-rurki do absorpcji CO₂

m – masa próbki odpadów

0,2727 – współczynnik przeliczeniowy masy molowej CO₂ na węgiel

• Zawartość wodoru oblicza się z następującego wzoru (także w procentach w stosunku do suchej masy odpadów):

[% s. m.]

gdzie:

m_H – przyrost masy U-rurki do absorpcji H₂O

m – masa próbki odpadów

0,1119 – współczynnik przeliczeniowy masy molowej H₂O na wodór

• Zawartość substancji organicznej w badanej próbce( w procentach w stosunku do suchej masy odpadów):

[% s.m.]

gdzie:

m – masa próbki odpadów przed spaleniem [g]

m₁ – masa próbki odpadów po spaleniu, obliczona na podstawie różnicy masy łódeczki z próbką odpadów po spaleniu i pustej łódeczki [g]

• Zawartość węgla w substancji organicznej:

[% cz.p.]

• Zawartość wodoru w substancji organicznej:

[% cz.p.]

Skład elementrany cześci palnych

Znając zawartość składników agresywnych oraz straty prażenia w temperaturze 800ºC, można oszacować udział chloru, azotu i siarki w częściach palnych.

• Chlor

Zawartość chloru w częściach palnych obliczono ze wzoru:

[% cz.p.]

gdzie:

X_HCl – zawartość składnika agresywnego w postaci HCl [mg HCl/kg s.m.]

0,97 – współczynnik przeliczeniowy mas molowych HCl na Cl

X₁ – straty prażenia w temperaturze 800 ºC (zawartość części palnych wysuszonych odpadów) [%]

X_HCl = 13957,66 mgHCl/kg s.m.

X₁ = 63,35%

• Azot

Zawartość azotu w częściach palnych obliczono ze wzoru:

[% cz.p.]

gdzie:

X_NO2 – zawartość składnika agresywnego w postaci mg NO₂ / kg s.m.

0,3 – współczynnik przeliczeniowy mas molowych NO₂ na N

X₁ – straty prażenia w temperaturze 800 ºC (zawartość części palnych wysuszonych odpadów) [%]

X_NO2 = 239,96 mgNO₂/kg s.m.

X₁ = 63,35%

• Siarka

Zawartość siarki w częściach palnych obliczono ze wzoru:

[% cz.p.]

gdzie:

X_SO2 – zawartość składnika agresywnego w postaci mg S/g s.m.

0,5 – współczynnik przeliczeniowy mas molowych SO₂ na S

X₁ – straty prażenia w temperaturze 800 ºC (zawartość części palnych wysuszonych odpadów) [%]

X_SO2 = 6796,33 mgSO₂/kg s.m.

X₁ = 63,35%

• Tlen

Zawartość tlenu w częściach palnych obliczono ze wzoru:

100%-(H_o+C_o+S_cz.p.+N_cz.p.+Cl_cz.p.)

gdzie:

H_o – zawartość wodoru w substancji organicznej (w cz.p.)

C_o - zawartość węgla w substancji organicznej (w cz.p.)

S_cz.p.- Zawartość siarki w częściach palnych

N_cz.p.- Zawartość azotu w częściach palnych

Cl_cz.p- Zawartość chloru w częściach palnych

H_o = 5,42%

C_o = 53,87%

S_cz.p = 0,93%

N_cz.p.= 0,02%

Cl_cz.p = 0,74%

100 - (5,42+53,87+0,93+0,02+0,74) = 39,02 [% cz.p.]

WŁAŚCIWOŚCI PALIWOWE ODPADÓW KOMUNALNYCH
Lp
1
2
3
4
5
6
7
8

Wnioski

Badana na ćwiczeniach laboratoryjnych próbka odpadów komunalnych z Pragi Północ wykazuje się dobrymi właściwościami nawozowymi. Możemy z tego wywnioskować, że badane odpady będą nadawały się do unieszkodliwiania metodą kompostowania.

Kompostowanie jest jedną z najkorzystniejszych form usuwania odpadów organicznych. Każda z otrzymanych przez nas wartości spełnia warunki normowe zawarte w powyższej tabeli.

Próbka natomiast nie nadaje się do spalenia, ponieważ jej właściwości paliwowe nie są w pełni zgodne z wartościami dopuszczalnymi z normy. Biorąc je pod uwagę, można zauważyć, że wartość opałowa robocza naszych odpadów jest dużo mniejsza od żądanej. Wynika stąd, że podczas spalania odpadów niezbędne będzie korzystanie z paliwa dodatkowego. Pozostałe wartości są zgodne z wymogami określonymi w tabeli.

Łatwo da się zauważyć, że unieszkodliwienie odpadów metodą spalania nie znajduje w przypadku naszej próbki większego zastosowania. Wadą tej metody jest również koszt jej zastosowania i wpływ na środowisko. Dużo lepszym sposobem unieszkodliwienia naszych odpadów jest kompostowanie. Niewątpliwą zaletą tej metody jest fakt iż jest ona bardziej przyjazna dla środowiska i zdrowsza dla człowieka. Zapewnia ona unieszkodliwianie mikroorganizmów chorobotwórczych przy wzroście temperatury związanym z mineralizacją. Kompostowanie jest kontrolowanym rozkładem materii organicznej, czyli wykorzystujemy tu procesy zachodzące naturalnie w przyrodzie.