BIULETYN WDROśEŃ - Główny Instytut Górnictwa

BIULETYN WDROśEŃ
CZYSTSZEJ PRODUKCJI
Egzemplarz bezpłatny
11/2012 (44)
Motto: Ziemi nie odziedziczyliśmy po naszych przodkach, Ziemię wypoŜyczyliśmy od naszych wnuków
Odpady nuklearne – czy powinniśmy się ich obawiać?
Spis treści
Wprowadzenie
1. Odpady nuklearne – czy powinniśmy się
Energetyka jądrowa (EJ) wywołuje szereg kontrowersji i
ich obawiać?
obaw, z których chyba najistotniejszy jest problem 2. Odcieki ze składowisk komunalnych –
unieszkodliwiania odpadów nuklearnych powstających w
technologiczne aspekty unieszkodliwiania
trakcie eksploatacji elektrowni. Szkodliwość tych
odpadów dla organizmów Ŝywych jest olbrzymia, a zagroŜenie wynikające z ich radioaktywności liczone
jest w tysiącach lat.
Rodzaje odpadów powstających w elektrowniach jądrowych
W czasie eksploatacji elektrowni jądrowej powstaje szereg odpadów o róŜnym stanie fizycznym oraz
róŜnej radioaktywności. Zalicza się do nich przede wszystkim:
zuŜyte filtry wody w reaktorach jądrowych i wymieniacze jonowe (jonity);
zuŜyte materiały, pojemniki, ubrania i narzędzia, które miały kontakt z materiałami
promieniotwórczymi;
zuŜyte elementy wyposaŜenia elektrowni (np. kanały i pręty sterujące);
odpady ciekłe (ścieki promieniotwórcze), powstające głównie w wyniku upustów, zrzutów i
dopuszczalnych przecieków z obiegu chłodzenia rdzenia reaktora;
zuŜyte paliwo jądrowe.
WyŜej wymienione odpady, z wyjątkiem zuŜytego paliwa, zaliczane są do grupy nisko- i
średnioaktywnych. Odpady nisko- i średnioaktywne stanowią 95% objętości wszystkich odpadów, ale ich
aktywność całkowita stanowi zaledwie ok. 1% całkowitej radioaktywności powstającej w reaktorze.
Ilość odpadów radioaktywnych
Pomimo tego, Ŝe odpady radioaktywne stanowią wielokrotnie mniejszą masę, niŜ
odpady z elektrowni konwencjonalnych o podobnych mocach, to są bardzo duŜym
zagroŜeniem. Wszystkie instalacje EJ na świecie generują rocznie ok. 10 tysięcy
ton zuŜytego paliwa jądrowego. Zaledwie 15% zuŜytego paliwa jest poddawane
ponownemu przetworzeniu na paliwo. Średnio kaŜda instalacja EJ produkuje
rocznie ok. 30 ton wysoce radioaktywnych odpadów, które mogą zachować
radioaktywność przez 250 tysięcy lat. Jednak dzięki temu, Ŝe ilości odpadów
promieniotwórczych są małe (tabela 1), moŜliwe jest stosowanie w gospodarce
odpadami jądrowymi innej strategii, niŜ w energetyce węglowej.
Na zdjęciu obok przedstawiono ilość odpadów wysokoaktywnych, odpowiadającą
wytworzeniu energii elektrycznej z EJ na potrzeby człowieka w całym jego Ŝyciu.
Tabela 1. Porównanie ilości odpadów powstających w przykładowej elektrowni konwencjonalnej opalanej węglem
kamiennym oraz elektrowni jądrowej
Roczne ilości odpadów z elektrowni
Roczne ilości odpadów z elektrowni jądrowej
konwencjonalnej [t/GWe]
[m3/GWe]
Popiół
Gips
Ścieki
Wysokoaktywne Średnioaktywne
Niskoaktywne
310 000
147 000
131 000
3
22
155
Coraz częściej w EJ stosuje się tzw. zamknięty cykl paliwowy, z przerobem (recyklizacją) paliwa.
W zuŜytym paliwie jądrowym nadal pozostaje ok. 95% energii potencjalnie moŜliwej do wykorzystania,
więc przeznaczanie go do składowania ostatecznego byłoby marnotrawstwem. Ponadto stęŜenie plutonu
GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA Zakład Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza
Krajowe Centrum WdroŜeń Czystszej Produkcji
Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice
tel.: 32 259 21 38 e-mail: [email protected] http://cp.gig.katowice.pl
Opracowanie biuletynu: Piotr Krawczyk, Krzysztof Korczak
Redakcja i skład: Jacek Boba
Biuletyn dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
w wypalonym paliwie jest tak duŜe, Ŝe moŜna z niego wytwarzać nowe paliwo bez wzbogacania uranu.
Nowe paliwo zwane MOX (mixed oxide - mieszanina tlenków) wykonuje się z mieszaniny tlenków uranu
wzbogaconego i plutonu. Takie paliwo pracuje w wielu elektrowniach jądrowych w Europie, Rosji i
Japonii. Ilość odpadów wysokoaktywnych powstających w takim procesie jest bardzo mała, np. w
elektrowniach francuskich na roczną pracę reaktora o mocy 1000 MWe przypada około 3 m3 odpadów
wysokoaktywnych, a więc około 3 m3/GWe na rok.
Co się robi z odpadami radioaktywnymi z elektrowni jądrowych?
Wszystkie odpady promieniotwórcze - gazowe,
ciekłe oraz stałe są przetwarzane juŜ na terenie
elektrowni. Odpady nisko- i średnioaktywne są
gromadzone w kilkusetlitrowych beczkach,
a następnie przechowywane w magazynach
zlokalizowanych na terenie kaŜdej elektrowni
(rys. 1) lub we wspólnych magazynach dla
wielu elektrowni. System zamykania odpadów
radioaktywnych i ich składowania dobiera się
do aktywności odpadów i długości czasu, w
ciągu którego odpady stanowią potencjalne
zagroŜenie dla człowieka i środowiska. Odpady
wysokoaktywne są zwykle umieszczane
głęboko pod ziemią w tzw. składowiskach
Rys. 1. Basen magazynowy w elektrowni jądrowej
głębinowych. W systemie tym stosuje się materiały naturalne, tak by układ składowiska geologicznego był
maksymalnie podobny do środowiska naturalnego. PoniewaŜ
odpady wysokoaktywne umieszczane są głęboko pod ziemią,
np. na głębokości 500 m (rys. 2), ich promieniowanie nie ma
Ŝadnego negatywnego wpływu na powierzchnię ziemi, bo juŜ
kilka metrów gruntu wystarcza, by stało się ono
niewykrywalnie małe. ZagroŜenie moŜe powstać jedynie
wtedy, gdy woda spowoduje skorodowanie pojemników, a
następnie wymyje odpady. Temu jednak zapobiega
stosowany obecnie system wielu barier, takich jak:
1. Tworzenie
trudno
rozpuszczalnych
związków
chemicznych
(koncentratów)
wiąŜących
izotopy
promieniotwórcze.
2. Stosowanie materiału wiąŜącego (np. masy ceramiczne)
zestalającego odpady, co zapobiega rozpyleniu,
rozsypaniu i wymywaniu substancji promieniotwórczych.
3. Dodatkowe metalowe lub betonowe opakowanie odpadów Rys. 2. Schemat głębokiego składowiska
zabezpieczające przed oddziaływaniami mechanicznymi
geologicznego
oraz wpływem czynników atmosferycznych i wody.
4. Betonowa konstrukcja składowiska: chroni dodatkowo przed działaniem czynników atmosferycznych,
zapobiega korozji opakowań oraz migracji substancji promieniotwórczych z miejsca ich składowania.
5. Struktura geologiczna terenu: wybiera się teren asejsmiczny, niezatapiany (np. w czasie powodzi),
mało przydatny gospodarczo i oddalony od skupisk ludzkich, gdzie skład podłoŜa przeciwdziała
migracji radionuklidów. Ponadto w przypadku składowisk płytkich poziom wód gruntowych musi być
niŜszy od poziomu dna składowiska.
6. Impregnująca warstwa bitumiczna pokrywająca wierzchnią warstwę betonu: zapobiega przenikaniu
wód opadowych, uniemoŜliwia korozję opakowań i wymywanie substancji promieniotwórczych. (PK)
Materiały źródłowe:
• http://www.atom.edu.pl
• Jezierski G.: Wpływ elektrowni jądrowej na otoczenie. Automatyka - Elektryka – Zakłócenia. Nr 6/2011
• Marzec A.: Co naleŜy wiedzieć o energetyce jądrowej. Czysta Energia. Nr 7-8/2011
• śuliński M.: Atomowa Polska? Energetyka Cieplna i Zawodowa. Nr 3/2007
2
Odcieki ze składowisk komunalnych – technologiczne aspekty unieszkodliwiania
Wprowadzenie
W Krajowym Planie Gospodarki Odpadami załoŜono redukcję do 2014 r. masy odpadów składowanych
do 60% odpadów wytworzonych oraz ograniczenie liczby składowisk z 633 obecnie funkcjonujących do
200. Zamknięcie składowiska odpadów ograniczy, ale nie zlikwiduje problemu odcieków powstających w
wyniku infiltracji wód opadowych w bryłę odpadów. Deponowane na składowiskach odpady mogą stać
się długotrwałymi ogniskami zanieczyszczeń środowiska naturalnego. W bryle składowanych odpadów
wytwarzają się trudno rozkładalne odpady płynne, kwalifikowane jako ciecz z beztlenowego rozkładu
odpadów komunalnych – kod 19 06 03 (Dz. U. nr 112 poz. 1206).
Powstawanie odcieków
Jednym z najistotniejszych problemów jest ochrona wód gruntowych przed odciekami, czyli ściekami
powstającymi podczas przesiąkania wód opadowych przez złoŜe składowiska. Woda zawarta w odpadach
moŜe pochodzić z samych odpadów lub z opadów atmosferycznych. Część tej wody ulega odparowaniu,
część pozostaje w odpadach, natomiast pozostałość przenika przez złoŜe tworząc odcieki. Odcieki
zawierają mieszaninę związków chemicznych i zawiesin. Zmiany w składzie i ilości odcieków zachodzą
równieŜ w funkcji czasu. Odcieki są najdłuŜej emitowanym rodzajem zanieczyszczeń na składowisku
odpadów. Skład odcieków jest odzwierciedleniem zmian Tabela 1. Zakres stęŜeń wybranych
zachodzących w bryle składowiska, a tym samym w wskaźników zanieczyszczeń w odciekach
aktywności mikrobiologicznej odpadów. Parametry fazy metanogennej
odcieków zmieniają się w zaleŜności od: rodzajów
Wskaźnik
Jednostka Zakres stęŜeń
zgromadzonych odpadów (skład chemiczny, stopień
rozkładu), warunków składowania na składowisku (faza Przewodność
2500 ÷ 35 000
µS/cm
właściwa
degradacji, wilgotność, temperatura itp.), zarządzania
pH
7,0 ÷ 9,0
warstw, Odczyn
składowiskiem
(warstwy,
wysokość
zabezpieczenie itp.) oraz warunków meteorologicznych Substancje
mg/l
2000 ÷ 40 000
(wilgotność, temperatura, wiatr). Po rozpoczęciu rozpuszczone
gromadzenia stałych odpadów komunalnych rozpoczyna ChZT
500 ÷ 4500
mgO2/l
się faza kwasogenna, w której powstaje duŜa ilość BZT
20 ÷ 550
mgO2/l
5
odcieków organicznych (pH od 3,7 do 6,4). Wysokie
30 ÷ 29 000
mgC/l
stęŜenia biochemicznego zapotrzebowania tlenu (BZT5) i OWO
150 ÷ 4500
mgCl/l
chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZT) są Chlorki
spowodowane obecnością lotnych kwasów tłuszczowych Siarczany
10 ÷ 420
mgSO4/l
(masłowy, octowy). W kolejnym etapie wzrasta odczyn Azot amonowy
50 ÷ 2200
mgN/l
pH odcieków (do odczynu obojętnego) i rozpoczyna się
0,02 ÷ 1,5
mgCr/l
faza metanogenna. Zakres stęŜeń wybranych wskaźników Chrom
0,03 ÷ 4
mgZn/l
zanieczyszczeń przedstawiono w tabeli (tabela 1). Cynk
Większość węgla organicznego ulega przekształceniu w Kadm
0,0001 ÷ 0,4
mgCd/l
dwutlenek węgla i metan, a stęŜenie związków Miedź
0,005 ÷ 10
mgCu/l
organicznych w odciekach systematycznie spada. ObniŜa
0,015 ÷ 13
mgNi/l
się teŜ stosunek ilościowy między zawartością substancji Nikiel
0,001 ÷ 5
mgPb/l
ulegającej degradacji biologicznej, a całkowitą masą Ołów
organiczną. Ujawnia się to w postaci zmniejszających się Rtęć
0,00005 ÷ 0,16
mgHg/l
wartości stosunku BZT5 do ChZT. Aktywność
biologiczna odpadów komunalnych (na składowisku) osiąga stabilność, gdy: średnia temperatura
odcieków wynosi +25°C, średni odczyn pH odcieków mieści się w przedziale 7÷9, średni stosunek
BZT5/ChZT odcieków osiąga wartość 0,3, a wskaźnik produkcji metanu wynosi 5 m3/Mg/rok.
Metody unieszkodliwiania odcieków
Odcieki z niewielkich składowisk mogą być unieszkodliwiane w komunalnych oczyszczalniach ścieków.
Odcieki mogą być skierowane do oczyszczalni poprzez podłączenie do kanalizacji sanitarnej lub mogą
być dowoŜone wozami asenizacyjnymi do punktu zlewnego. Metoda jest skuteczna przy równomiernym
dozowaniu odcieków, gdy ich udział nie przekracza 5% w dopływie chwilowym ścieków do
oczyszczalni. Nadmierny ładunek azotu amonowego i zanieczyszczeń specyficznych moŜe być przyczyną
załamania procesów biologicznych w oczyszczalni ścieków.
3
Zastosowanie wyspecjalizowanych oczyszczalni odcieków przy składowiskach, których eksploatacja jest
przewidziana w okresie kilkunastu lat, jest rozwiązaniem racjonalnym ekonomicznie i ekologicznie.
Nowoczesne instalacje do oczyszczania odcieków wykorzystują między innymi technologie filtracyjne,
membranowe, utleniania z wykorzystaniem ozonu do rozkładu (usuwania) substancji szczególnie
szkodliwych zawartych w odciekach. Ze względu na wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne ich
zastosowanie do unieszkodliwiania niewielkich ilości odcieków jest mało efektywne.
Analiza skuteczności usuwania zanieczyszczeń z odcieków w oczyszczalniach wykorzystujących metodę
hydrofitową (roślinną), a funkcjonujących w umiarkowanych warunkach klimatycznych (Skandynawia,
Kanada, Polska, Niemcy) wskazuje na moŜliwości szerszego wykorzystania tej metody. Na podstawie
udokumentowanych doświadczeń eksploatacyjnych moŜna wskazać to rozwiązanie jako korzystne dla
niewielkich składowisk czynnych i składowisk likwidowanych. W przypadku wielu składowisk dostępne
są tereny, które moŜna wykorzystać do zabudowy systemów hydrofitowych słuŜących do oczyszczania
ujmowanych odcieków.
Hydrofitowe oczyszczanie odcieków ze składowiska
W wyniku lat doświadczeń w budowie i eksploatacji oczyszczalni hydrofitowych, opracowano wytyczne,
które zawierają ogólnie akceptowane zasady i uwzględniają zgromadzoną wiedzę na temat tego rodzaju
oczyszczalni. Zasada działania oczyszczalni hydrofitowych jest następująca: wstępnie oczyszczone ścieki
wpływają na teren oczyszczalni, gdzie utrzymywany jest wysoki poziom wody, który umoŜliwia
wegetację roślin częściowo zanurzonych, charakterystycznych dla ekosystemów bagiennych, takich jak
trzcina, pałka wodna. Usuwanie zanieczyszczeń w hydrofitowym systemie oczyszczalni następuje w
wyniku procesów mikrobiologicznych, fizyczno-chemicznych oraz wskutek procesów fizjologicznych
zachodzących w roślinach. W praktyce stosowane są róŜne konstrukcje złoŜa gruntowego oraz pionowy
lub poziomy kierunek przepływu ścieków. Na poniŜszym rysunku (rys. 1) przedstawiono schemat
oczyszczalni hydrofitowej. Ścieki dopływające są dostarczane do oczyszczalni w sposób ciągły, ze
zbiornika magazynowego ścieków wstępnie oczyszczonych.
Rys. 1. Uproszczony schemat działania hydrofitowej oczyszczalni ścieków
Podsumowanie
Osiągniecie celów środowiskowych związanych z Krajowym Planem Gospodarki Odpadami, wymaga
podjęcia działań związanych z unieszkodliwianiem odcieków ze składowisk czynnych i likwidowanych.
Jedną z metod moŜe być zastosowanie systemów hydrofitowych do skutecznej redukcji zanieczyszczeń
obecnych w odciekach ze składowisk odpadów komunalnych, a stanowiących powaŜne zagroŜenie dla
środowiska gruntowo-wodnego. (KK)
Materiały źródłowe:
• Krajowy plan gospodarki odpadami 2014, uchwała Nr 217 Rady Ministrów z dnia 24.12.2010 r. w sprawie
„Krajowego planu gospodarki odpadami 2014” (M. P. Nr 101, poz. 1183)
• Rozporządzenia Ministra Środowiska w sprawie katalogu odpadów z dnia 8.10. 2001 r. (Dz. U. Nr 112, poz. 1206).
• Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24.07.2006 r. w sprawie warunków, jakie naleŜy spełnić przy
wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska
wodnego. (Dz.U. Nr 137, poz. 984 z późn. zm.)
• Kjeldsen P. i inni. Present and Long-Term Composition of MSW Landfill Leachate: A Review. Environmental Science
and Technology, 2002, 32 (4) 297 - 336
4