PL242076B1 - Sposób rekultywacji składowisk materiałów pylastych, zwłaszcza popiołów lotnych z węgla brunatnego stanowiących odpady przemysłu energetycznego - Google Patents

Abstract

Sposób rekultywacji składowisk materiałów pylastych, zwłaszcza popiołów lotnych z węgla brunatnego stanowiących odpady przemysłu energetycznego, polega na tym, że na powierzchnię składowiska nanosi się wysuszone wysłodki buraczane, po czym na warstwę wierzchnią składowiska, po nasyceniu jej wodą i spulchnieniu do głębokości wysiewu, wysiewa się kukurydzę i prowadzi się wegetację rośliny do uzyskania zamierzonego plonu stosując w razie potrzeby zraszanie wodą, przy czym po ukazaniu się 5-6-ego liścia ewentualnie stosuje się dokarmianie dolistne nawozem azotowym. Stosuje się odmiany kukurydzy o jak najmniejszych wymaganiach pokarmowych, odporne na niedobory wody oraz zdolne do wegetacji na glebach zwięzłych. Zasiew kukurydzy wykonuje się w okresie wiosennym.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób rekultywacji składowisk materiałów pylastych, zwłaszcza popiołów lotnych z węgla brunatnego stanowiących odpady przemysłu energetycznego, w celu wzbogacenia podłoża w brakujące i jednocześnie niezbędne mikro- i makroelementy, a tym samym ułatwienia zainicjowania procesów siedliskotwórczych.

W ostatnich latach obserwuje się na świecie wzrost produkcji i wykorzystania energii elektrycznej. Trendy światowe odzwierciedla Sytuacja w Unii Europejskiej. Według danych Eurostatu w roku 2014 niecała jedna piąta (19,4%) całkowitej energii pierwotnej wytworzonej w krajach EU-28 była wyprodukowana ze stałych paliw kopalnych, głównie węgla. W roku 2016 ilość wyprodukowanej energii netto w krajach EU-28 wyniosła 3,3 GWh. Prawie połowa tej energii (49,8%) została wyprodukowana przez elektrownie, przy czym głównym surowcem (80%) wykorzystywanym do wytworzenia energii był węgiel kamienny i brunatny. Podczas procesu wytwarzania energii z węgla powstają uboczne produkty spalania (UPS), w tym popiół lotny. Według danych GUS z 2017 roku wytworzono w Polsce 3,3 mln ton, a nagromadzonych i składowanych do końca tego roku było 25,9 mln ton tego odpadu. Popioły lotne powodują silne zasolenie gleb i wód gruntowych i migrację jonów metali w środowisku ze względu na wymywanie z nich łatwo rozpuszczalnych składników. Ponadto składowiska popiołów podatne są na erozję eoliczną, co z kolei podwyższa koszty eksploatacyjne, ponieważ wymusza wyposażenie tych składowisk w systemy zabezpieczające przed migracją substancji toksycznych do innych komponentów środowiska. Pomimo tych niedogodności popioły lotne mają szerokie zastosowanie, na przykład jako składnik przy produkcji cementu i betonu, w syntezie zeolitów o wysokiej pojemności wymiany kationów, jako substancja immobilizująca odpady w przemyśle i oczyszczaniu ścieków, jako substancja wzbogacająca w siarkę i bor gleby kwaśne ubogie w te pierwiastki, jako substancja adsorbująca podstawowe barwniki z roztworów wodnych, jako materiał stabilizujący grunty na obszarach kopalnianych, jako cenne źródło metali takich jak Al, Si, Fe, Ge, Ga, V, Ni. Mimo tego, ze względu na duże zróżnicowanie w składzie chemicznym, jak również właściwościach fizycznych tych popiołów zagospodarowanie popiołu sięga 50-60%. Tym samym, jedynym innym przeznaczeniem dla niewykorzystanych popiołów jest ich składowanie. Powstające hałdy popiołów winny być stabilizowane metodą techniczną poprzez wyposażenie składowiska w kosztowne systemy uszczelniające lub metodą biologiczną poprzez zadamianie lub zagospodarowanie w kierunku rolniczym. Jedna z metod stosowanych obecnie na składowiskach wykorzystuje odpowiednio dobrane gatunki roślin przy jednoczesnym dodatku materii organicznej w postaci żyznej gleby, humusu, ale także alternatywnych substancji bogatych w substancje organiczne, takich jak osady ściekowe, czy odpady z przemysłu papierniczego.

W zgłoszeniu patentowym P.301405 ujawniono sposób rekultywacji składowisk popiołów lotnych polegający na pokryciu powierzchni składowiska biowłókniną zawierającą nasiona roślin motylkowych oraz stokłosy.

Z kolei ze zgłoszenia patentowego P.312929 jest znane zastosowanie do rekultywacji składowisk popiołów lotnych warstwy włókien syntetycznych, na którą nanosi się cienką warstwę materiału rekultywacyjnego w postaci gleby i całość pokrywa włókniną z wszczepionymi nasionami traw.

Z opisu patentowego PL 78293 jest znany sposób rekultywacji składowisk odpadów przemysłowych, zwłaszcza paleniskowych, polegający na tym, że powierzchnię składowiska wyrównuje się, skrapia roztworem kwasu fosforowego oraz roztworem kwasu azotowego i po co najmniej 24 godzinach zasiewa się mieszanki roślin z nawozami, po czym skrapia się powierzchnię zasianą roztworem wodnym asfaltowej emulsji kationowej lub anionowej.

Sposób ten, wymaga stosowania znacznych ilości kwasów (do 2 kg na 1 m² powierzchni), z których kwas azotowy tworzy łatwo rozpuszczalne sole z metalami ciężkimi.

Z opisu patentowego PL 154916 znany jest sposób rekultywacji składowisk elektrownianych odpadów paleniskowych, polegający na tym, że w pierwszej fazie utrzymuje się poziom wody w składowisku poniżej 2 do 4 cm od powierzchni i nanosi się warstwę pulpy składającą się z nadmiernego osadu czynnego fenolowego z oczyszczania ścieków koksowniczych, nadmiernego osadu czynnego z biologicznego oczyszczania ścieków sanitarnych, osadu pokoagulacyjnego z uzdatniania wody przemysłowej i zawierającego związki glinu oraz wody i tak naniesioną warstwę utrzymuje się w stanie powietrzno-suchym przez minimum 180 dni, po czym nanosi się warstwę nawożącą z nasionami mieszanki roślin w postaci pulpy z osadów jak w pierwszej warstwie, ale o innej proporcji składników, w takiej ilości aby uwodnienie wynosiło minimum 88% wagowych, a następnie obniża się i utrzymuje poziom wód w składowisku od 10 do 40 cm poniżej ostatecznego poziomu składowiska.

Sposobem tym wprowadza się do środowiska duże ilości zanieczyszczeń, gdyż z założenia stosowane są tu osady o dużym ładunku związków glinu, nienadające się do celów nawozowych w rolnictwie.

W opisie patentowym PL176580 przedstawiono sposób rekultywacji terenów (m.in. składowisk popiołów), na których jest niemożliwa praca maszyn rolniczych, polegający na tym, że powierzchnię przeznaczoną do rekultywacji pokrywa się pojemnikami rekultywacyjnymi z dnem wykonanym z siatki pokrytej substancją chłonną, wypełnionymi mieszaniną co najmniej gleby i węgla brunatnego, zawierającą także taką ilość nasion, sadzonek i kłączy roślin, która zapewni ukorzenienie się przynajmniej jednej rośliny na 1 m² rekultywowanej powierzchni na głębokość co najmniej 25 cm w czasie krótszym od 1 roku.

Sposób rekultywacji odpadów energetyki przemysłowej według opisu patentowego PL223964 polega na tym, że odpad paleniskowy w postaci substratu popiołowego deponuje się w sposób kontrolowany, tak aby utworzyć powłokę składowiska z żużli popiołów paleniskowych, następnie wykonuje się hydroobsiew osadami pościekowymi przemieszanymi z nasionami traw oraz stosuje startowe nawożenie mineralne NPK, po czym wprowadza się gatunki z rodzaju olsz w dołki z podsypką miału węgla brunatnego przemieszanego z substratem popiołowym. W ten sposób teren jest przygotowany pod zalesianie bardziej wymagającymi gatunkami drzew.

Sposób biologicznej rekultywacji podłoży pustynnych, piaszczystych i pylistych, według opisu patentowego PL 213 509 B1 polega na tym, że na podłożu nakłada się dwie warstwy spodnią i wierzchnią, spodnią warstwę z półpłynnej masy celulozowej utworzonej z odpadowych rozdrobnionych produktów celulozowych oraz wody, korzystnie z dodatkiem rozdrobnionej odpadowej masy roślinnej i/lub rozdrobnionych odpadów biologicznych z gospodarki leśnej i/lub z przycinki miejskiej i/lub z odpadów tytoniowych i/lub rozdrobnionych płyt gipsowo-kartonowych i/lub rozdrobnionych skór naturalnych i/lub mechanicznie wydzielonych odrzutów z przeróbki makulatury i/lub ustabilizowanych komunalnych osadów ściekowych i/lub kompostu i/lub hydrożelu i/lub nawozów i/lub szczepów grzybni osłaniających nasiona roślin i/lub nasiona roślin i rośliny, wierzchnią warstwę z odpadowych rozdrobnionych materiałów włóknistych z tkanin i włókien naturalnych i/lub odpadowych rozdrobnionych materiałów celulozowych, hydrożelu, adsorbentów, środków wspomagających wegetację roślin oraz nasion roślin i/lub roślin osłoniętych szczepami grzybni, po czym nawadnia się obie warstwy po rozłożeniu i po wysianiu nasion roślin oraz zasadzeniu roślin już ukształtowanych, w zależności od warunków klimatycznych.

W opisach patentowych PL 221222, PL 221226, PL 221428, PL 221429, PL 221430 oraz PL 222552 ujawniono sposób rekultywacji składowisk odpadów, w tym pylastych, mineralnych, poprzez wzruszenie kultywatorem wierzchniej warstwy na maksymalną głębokość i wyrównanie broną, następnie naniesienie nawozu NP o odpowiedniej dawce, mieszanie z materiałem mineralnym, którym jest mieszanina piasku i żwiru i materiałem organicznym pod postacią trocin (opisy patentowe PL 221222 oraz PL 221430) lub sieczki słomy (pozostałe opisy patentowe). Kolejnym etapem jest wysiew prosa rózgowatego i komonicy rożkowej (opisy patentowe PL 221226 i PL 221429) lub życicy trwałej, wiechliny łąkowej i komonicy rożkowej (opisy patentowe PL 221222, PL221428, PL 222552), po czym stosuje się drugą dawkę nawożenia NP w okresie zależnym od wegetacji roślin. W opisie patentowym PL 221430 stosuje się zamiast wysiewu roślin nasadzenia wierzby wiciowej. Po ich ukorzenieniu wykonuje się drugie, a w połowie okresu wegetacyjnego roślin trzecie nawożenie NP.

Sposób rekultywacji nieużytków poprzemysłowych lub komunalnych, a zwłaszcza składowisk odpadów przemysłowych takich jak fosfogipsy lub elektrowniane odpady paleniskowe, znany z opisu patentowego PL 175432, polega na tym, że w pierwszym etapie osad pościekowy z oczyszczalni przemysłowych zawierający poliakryloamidy miesza się z substancjami organicznymi lub silnie uwodnionymi osadami z oczyszczalni komunalnych. Do tego dodaje się nawozy sztuczne, szczepionkę biologiczną oraz korę, słomę lub trociny. W drugim etapie, otrzymaną pulpę transportuje się na składowisko odpadów, gdzie formuje się pryzmy przy zastosowaniu napowietrzania wewnątrz pryzmy i kontroli stopnia wilgotności. Pryzmy te poddaje się transformacji biologicznej. Po tym okresie sztucznie otrzymana gleba jest wykładana na skarpach i powierzchni składowiska. W ostatnim etapie wykonuje się obsiew i nasadzenia roślin.

Opisane powyżej sposoby rekultywacji wymagają nakładów finansowych i materiałowych związanych ze stabilizacją powierzchni hałd, regulacją odczynu podłoża, stosowania technologii mającej na celu łatwiejsze ukorzenienie się nasion, czy przygotowywania i nakładania na powierzchnię syntetycznych gleb.

Z kolei z opisu patentowego PL 222381 znany jest preparat do oczyszczania powietrza, wody i gleby składający się z kwasu azotowego, krzemowego lub fosforowego, korzystnie aktywowany epoksydowym olejem roślinnym oraz z co najmniej jednego alkoholu polihydroksylowego z grupy obejmującej sorbitol, mannitol, glicerol, ksylitol i erytritol. Jako nośnik preparat zawiera białko pochodzenia roślinnego albo skoncentrowany wywar z wysłodków cukrowych.

Natomiast w opisie patentowym patencie PL 229070 ujawniono sposób otrzymywania biopreparatu mającego zastosowanie m.in. w procesach remediacyjnych. Preparat otrzymuje się z mieszaniny pożywki płynnej, nośnika mineralnego w postaci hydrofitowego proszku ditlenku krzemu, nadtlenku wodoru w postaci roztworu, składnika aktywnego w postaci mikroorganizmów, którą poddaje się inkubacji w bioreaktorze. Po zakończonej inkubacji płynną pożywkę usuwa się, a komórki mikroorganizmów rozprowadzone na nośniku mineralnym liofilizuje się, po czym proszek uzyskany w procesie liofilizacji rozpuszcza się w wodnym roztworze alginianu sodu i uzyskaną mieszaninę wtryskuje się do zbiornika z roztworem chlorku wapnia, a powstałe granulki preparatu oddziela się od roztworu chlorku wapnia poprzez filtrację.

Przedstawione powyżej sposoby remediacji są skomplikowane, czasochłonne i kosztochłonne, natomiast stosowane preparaty wymagają specjalnego przygotowania. Dodatkowo powoduje to wprowadzanie do środowiska dodatkowych substancji, które również muszą ulec biodegradacji.

W opisie zgłoszenia patentowego P.423305 ujawniono sposób rekultywacji składowisk odpadów z przemysłu energetycznego, zwłaszcza popiołów lotnych z węgla brunatnego, który polega na tym, że na wierzchnią warstwę odpadów, nasyconą wodą i spulchnioną w pierwszym etapie wysiewa się ziarna zbóż jarych, po 4-7 dniach od wysiania wykonuje bronowanie posiewne i po 25-35 dniach od wschodów zbóż przeoruje się podłoże z materiałem roślinnym oraz bronuje, w drugim etapie na nasycone wodą podłoże wysiewa się partię zbóż w dawce jak w pierwszym etapie, po 4-7 dniach wykonuje się bronowanie posiewne i po 25-35 dniach od wschodów rośliny przeoruje się podłoże z materiałem roślinnym oraz bronuje, po czym ewentualnie stosuje się trzeci etap uprawy zbóż, w którym powtarza się operacje wysiania zbóż, bronowania posiewnego i przeorania podłoża z materiałem roślinnym w warunkach jak w drugim etapie. Operację obsiewania powierzchni składowisk, bronowania i przeorania wykonuje się w okresie wiosenno-letnim. Stosuje się ziarna zbóż jarych z gatunków owsa, jęczmienia lub pszenicy.

Sposób rekultywacji składowisk materiałów pylastych, zwłaszcza popiołów lotnych z węgla brunatnego stanowiących odpady przemysłu energetycznego, w drodze prowadzenia uprawy zboża w nasyconej wodą i spulchnionej do głębokości wysiewu warstwie wierzchniej tych składowisk, według wynalazku charakteryzuje się tym, że na powierzchnię składowiska nanosi się wysuszone wysłodki buraczane w ilości 20-25 t/ha suchej masy podłoża, po czym na warstwę wierzchnią składowiska, po nasyceniu jej wodą i spulchnieniu do głębokości wysiewu, wysiewa się kukurydzę stosując na 1 m² powierzchni podłoża o 10-20% masowych ziaren kukurydzy więcej niż jest zalecane dla danej odmiany kukurydzy i prowadzi się wegetację rośliny do uzyskania zamierzonego plonu stosując w razie potrzeby zraszanie wodą. Po ukazaniu się 5-6. liścia ewentualnie stosuje się dokarmianie dolistne nawozem azotowym. Uzyskaną masę zieloną po ścięciu wykorzystuje się jako wysoko energetyczną biomasę lub jako materiał użyźniający podłoże do dalszej uprawy. Zasiew kukurydzy wykonuje się w okresie wiosennym. W sposobie według wynalazku stosuje się odmiany kukurydzy o jak najmniejszych wymaganiach pokarmowych, odporne na niedobory wody oraz zdolne do wegetacji na glebach zwięzłych. Do wysiewu kukurydzy korzystnie jest stosować precyzyjne siewniki punktowe, które wysiewają ziarniaki na równej głębokości oraz w regularnym rozstawie i odstępach zależnych od odmiany kukurydzy.

Szczególna zaleta sposobu według wynalazku polega na nawożeniu składowiska biomasą zawierającą mikro- i makroelementy, przy całkowitym wyeliminowaniu etapu nanoszenia warstwy glebotwórczej. Zastosowana roślina ma system wiązkowy korzeni sięgający przeważnie do 60-70 cm w głąb gleby, a niekiedy nawet do 2 m. Dzięki temu poprawia ona warunki powietrzne podłoża, a także przeciwdziała erozji powietrznej występującej na zdegradowanym terenie. Dodatkowo kukurydza wykazuje swoistą odporność na wysokie zasolenie gleby, po przeoraniu stanowi materiał użyźniający lub też może być wykorzystana jako wysokoenergetyczna biomasa. Zastosowanie do nawożenia wysuszonych wysłodków w połączeniu z nawodnieniem składowiska powoduje spulchnienie podłoża i poprawia warunki wodno-powietrzne tego podłoża.

Sposób według wynalazku może być wykorzystywany do wstępnej rekultywacji składowisk popiołów lotnych z węgla brunatnego, a także składowisk innych stałych odpadów o frakcji granulometrycznej piaskowej i pylastej.

Sposób według wynalazku ilustruje poniższy przykład.

P rzy kład

Rekultywację popiołów lotnych z węgla brunatnego przeprowadzono w wazonach w skali laboratoryjnej. W wazonach umieszczono popioły lotne z węgla brunatnego, o granulacji < 630 μm. Popioły tworzyły warstwę o powierzchni 95 cm² i wysokości 7 cm. Do wazonów z popiołem dodano wysuszone wysłodki buraczane w postaci peletu o łącznej masie 10, 15, 25 i 30 g, po czym wierzchnią warstwę popiołu w każdym wazonie nasycono wodą, spulchniono do głębokości 5-7 cm i w każdym wazonie wysiano po 10 ziaren kukurydzy (odmiany: Zawisza, Kresowiak, Opoka), następnie uprawy zraszano wodą. W warunkach prowadzenia eksperymentu, w temperaturze pokojowej, bez doświetlania, kiełkowanie kukurydzy następowało po 2 dobach. Po zakończeniu doświadczenia (po 4-8 tygodniach w zależności od stopnia wzrostu rośliny) wykonano pomiary suchej masy - części nadziemnych, korzeni kukurydzy oraz pH podłoża. Okazało się, że kukurydza wzrastająca na podłożu z dodatkiem 30 i 25 g wysłodków wykazała wzrost części nadziemnych odpowiednio o 30-55% większy niż kukurydza uprawiana na podłożu zawierającym dodatek 10 i 15 g wysłodków. W zależności od stosowanej odmiany zaobserwowano pobór przez kukurydzę metali toksycznych zawartych w popiele, jak Cd, Ni, Pb i ich kumulację w korzeniach rośliny. Odczyn popiołów po rekultywacji był silnie alkaliczny (średnia wartość pH wynosiła 11,6). Uprawa roślin spowodowała obniżenie odczynu podłoża średnio o ponad jednostkę pH.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób rekultywacji składowisk materiałów pylastych, zwłaszcza popiołów lotnych z węgla brunatnego stanowiących odpady przemysłu energetycznego, w drodze prowadzenia uprawy zboża w nasyconej wodą i spulchnionej do głębokości wysiewu warstwie wierzchniej tych składowisk, znamienny tym, że na powierzchnię składowiska nanosi się wysuszone wysłodki buraczane w ilości 20-25 t/ha suchej masy podłoża, po czym na warstwę wierzchnią składowiska, po nasyceniu jej wodą i spulchnieniu do głębokości wysiewu, wysiewa się kukurydzę stosując na 1 m² powierzchni podłoża o 10-20% masowych ziaren kukurydzy więcej niż jest zalecane dla danej odmiany kukurydzy i prowadzi się wegetację rośliny do uzyskania zamierzonego plonu stosując w razie potrzeby zraszanie wodą, przy czym po ukazaniu się 5-6. liścia ewentualnie stosuje się dokarmianie dolistne nawozem azotowym.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się odmiany kukurydzy o jak najmniejszych wymaganiach pokarmowych, odporne na niedobory wody oraz zdolne do wegetacji na glebach zwięzłych.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że uzyskaną masę zieloną po ścięciu przeznacza się na wysokoenergetyczną biomasę lub na materiał użyźniający podłoże do dalszej uprawy.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zasiew kukurydzy wykonuje się w okresie wiosennym.