Długo uznawana hierarchia zarządzania odpadami, w kolejności preferencji składa się z zapobiegania, minimalizacji, recyklingu i ponownego użycia, obróbki biologicznej, spalania i usuwania na wysypisko (patrz rysunek poniżej).

Zapobieganie powstawaniu odpadów

Idealną alternatywą gospodarki odpadami jest zapobieganie powstawaniu odpadów w pierwszej kolejności. Dlatego też zapobieganie powstawaniu odpadów jest podstawowym celem wszystkich strategii zarządzania odpadami. Liczne technologie mogą być stosowane w trakcie produkcji, użytkowania lub po zakończeniu cyklu życia produktu w celu wyeliminowania odpadów, a tym samym zmniejszenia lub zapobiegania zanieczyszczeniom. Niektóre reprezentatywne strategie obejmują metody produkcji przyjazne dla środowiska, które wykorzystują mniej niebezpieczne lub szkodliwe materiały, stosowanie nowoczesnych systemów wykrywania wycieków podczas przechowywania materiałów, innowacyjne techniki neutralizacji chemicznej w celu zmniejszenia reaktywności lub technologie oszczędzania wody, które zmniejszają zapotrzebowanie na dopływ świeżej wody.

Minimalizacja odpadów

W wielu przypadkach odpady nie mogą być całkowicie wyeliminowane z różnych procesów. Można jednak wdrożyć liczne strategie w celu zmniejszenia lub zminimalizowania wytwarzania odpadów. Minimalizacja odpadów, lub redukcja źródeł, odnosi się do zbiorowych strategii projektowania i wytwarzania produktów lub usług, które minimalizują ilość generowanych odpadów i/lub zmniejszają toksyczność powstałych odpadów. Często wysiłki te wynikają ze zidentyfikowanych trendów lub konkretnych produktów, które mogą powodować problemy w strumieniu odpadów i kolejnych kroków podjętych w celu powstrzymania tych problemów. W przemyśle, odpady mogą być zmniejszone poprzez ponowne wykorzystanie materiałów, stosowanie mniej niebezpiecznych materiałów zastępczych lub poprzez modyfikację elementów projektu i przetwarzania. Wiele korzyści można osiągnąć poprzez minimalizację odpadów lub redukcję źródeł, w tym zmniejszone zużycie zasobów naturalnych i zmniejszenie toksyczności odpadów.

Strategie minimalizacji odpadów są niezwykle powszechne w zastosowaniach produkcyjnych; oszczędność zużycia materiałów pozwala zachować zasoby, ale także zaoszczędzić znaczne koszty związane z produkcją. Postęp w usprawnionym pakowaniu zmniejsza zużycie materiałów, zwiększona wydajność dystrybucji zmniejsza zużycie paliwa i wynikające z tego emisje do powietrza. Co więcej, materiały budowlane mogą być często projektowane z określonymi korzystnymi właściwościami, które, jeśli zostaną uwzględnione w ogólnym projekcie konstrukcji, mogą znacznie zmniejszyć ogólną masę i ciężar materiału potrzebnego do wykonania danej konstrukcji. Zmniejsza to zapotrzebowanie na nadmiar materiału i ogranicza ilość odpadów związanych z produkcją komponentów.

Przemysł pralni chemicznych stanowi doskonały przykład zastępowania produktów w celu zmniejszenia wytwarzania toksycznych odpadów. Przez dziesięciolecia pralnie chemiczne stosowały tetrachloroetylen, czyli „perc”, jako rozpuszczalnik do czyszczenia na sucho. Choć skuteczny, tetrachloroetylen jest stosunkowo toksycznym związkiem. Dodatkowo, łatwo przedostaje się do środowiska, gdzie ze względu na swoje właściwości fizyczne jest bardzo podatny na rozkład. Ponadto, gdy następuje jego degradacja, powstające pośrednie produkty pochodne są bardziej toksyczne dla zdrowia ludzkiego i środowiska.

Z powodu jego toksyczności i wpływu na środowisko, przemysł czyszczenia na sucho przyjął nowe praktyki i coraz częściej wykorzystuje mniej toksyczne produkty zastępcze, w tym związki na bazie ropy naftowej. Ponadto, nowe technologie wykorzystują dwutlenek węgla i inne stosunkowo nieszkodliwe związki. Podczas gdy te produkty zastępcze w wielu przypadkach zostały nakazane przez regulacje rządowe, zostały one również przyjęte w odpowiedzi na wymagania konsumentów i inne siły rynkowe.

Recykling i ponowne wykorzystanie

Recykling odnosi się do odzyskiwania użytecznych materiałów, takich jak szkło, papier, tworzywa sztuczne, drewno i metale ze strumienia odpadów, aby mogły być włączone do produkcji nowych produktów. Wraz z większym wykorzystaniem materiałów pochodzących z recyklingu, zmniejsza się wymagane zużycie surowców do identycznych zastosowań. Recykling zmniejsza potrzebę eksploatacji zasobów naturalnych dla surowców, ale także pozwala na odzyskiwanie i wykorzystywanie odpadów jako cennych materiałów. Recykling odpadów bezpośrednio chroni zasoby naturalne, zmniejsza zużycie energii i emisje powstające przy wydobyciu pierwotnych materiałów i ich późniejszej produkcji w gotowe wyroby, zmniejsza ogólne zużycie energii i emisje gazów cieplarnianych, które przyczyniają się do globalnych zmian klimatycznych, a także zmniejsza spalanie lub składowanie materiałów poddanych recyklingowi. Ponadto, recykling przynosi szereg korzyści ekonomicznych, w tym potencjał tworzenia rynków pracy i napędzania wzrostu gospodarczego.

Powszechne materiały poddane recyklingowi obejmują papier, tworzywa sztuczne, szkło, aluminium, stal i drewno. Dodatkowo, wiele materiałów budowlanych może być ponownie wykorzystanych, w tym beton, materiały asfaltowe, murarskie i stal zbrojeniowa. „Zielone” odpady roślinne są często odzyskiwane i natychmiast ponownie wykorzystywane do produkcji mulczu lub nawozów. Wiele gałęzi przemysłu odzyskuje również różne produkty uboczne i/lub rafinuje i „ponownie wytwarza” rozpuszczalniki w celu ich ponownego wykorzystania. Przykłady obejmują odzyskiwanie miedzi i niklu z procesów wykańczania metali; odzyskiwanie olejów, tłuszczów i plastyfikatorów poprzez ekstrakcję rozpuszczalników z mediów filtracyjnych, takich jak węgiel aktywny i gliny; oraz odzyskiwanie kwasów poprzez prażenie rozpyłowe, wymianę jonową lub krystalizację. Ponadto, szereg używanych olejów na bazie żywności są odzyskiwane i wykorzystywane w „biodiesel” aplikacji.

Numeryczne przykłady udanego recyklingu i ponownego wykorzystania wysiłków są spotykane każdego dnia. W niektórych przypadkach, materiały z recyklingu są wykorzystywane jako materiały wejściowe i są mocno przetworzone na produkty końcowe. Typowe przykłady obejmują wykorzystanie makulatury do produkcji nowego papieru lub przetwarzanie starych puszek aluminiowych na nowe produkty aluminiowe. W innych przypadkach materiały z odzysku są przetwarzane w niewielkim stopniu lub nie są przetwarzane w ogóle przed ich ponownym wykorzystaniem.

Niektóre popularne przykłady obejmują wykorzystanie odpadów drzewnych jako wiórów drewnianych lub wykorzystanie cegieł i innych elementów w nowych konstrukcjach budowlanych. W każdym przypadku sukces recyklingu zależy od skutecznego zbierania i przetwarzania surowców wtórnych, rynków ponownego wykorzystania (np. produkcji i/lub zastosowań, które wykorzystują materiały z recyklingu) oraz publicznej akceptacji i promocji produktów z recyklingu i zastosowań wykorzystujących materiały z recyklingu.

Przetwarzanie biologiczne

Usuwanie na wysypiska odpadów zawierających znaczne frakcje organiczne jest coraz bardziej odradzane w wielu krajach, w tym w Stanach Zjednoczonych. Takie praktyki unieszkodliwiania są nawet zabronione w kilku krajach europejskich. Ponieważ składowanie odpadów na wysypiskach nie stanowi atrakcyjnej opcji gospodarowania nimi, zaczęto stosować inne techniki. Jedną z nich jest przetwarzanie odpadów w taki sposób, aby materiały ulegające biodegradacji uległy degradacji, a pozostała frakcja odpadów nieorganicznych (zwana pozostałościami) mogła być następnie usunięta lub wykorzystana w korzystnym celu.

Biodegradacja odpadów może być osiągnięta poprzez zastosowanie metod kompostowania tlenowego, fermentacji beztlenowej lub mechaniczno-biologicznego przetwarzania (MBT). Jeżeli frakcja organiczna może być oddzielona od materiału nieorganicznego, kompostowanie tlenowe lub fermentacja beztlenowa mogą być stosowane do degradacji odpadów i przekształcenia ich w użyteczny kompost. Na przykład, odpady organiczne takie jak odpady spożywcze, odpady z podwórka i obornik zwierzęcy, które składają się z naturalnie rozkładających się bakterii mogą być przekształcone w kontrolowanych warunkach w kompost, który może być następnie wykorzystany jako naturalny nawóz. Kompostowanie tlenowe uzyskuje się poprzez umieszczanie wybranych proporcji odpadów organicznych w stosach, rzędach lub zbiornikach, albo w warunkach otwartych, albo w zamkniętych budynkach wyposażonych w systemy zbierania i oczyszczania gazów. W trakcie procesu do odpadów dodaje się środki spęczniające, takie jak wióry drzewne, w celu zwiększenia tlenowego rozkładu materiałów organicznych. Na koniec, materiał jest stabilizowany i dojrzewa w procesie utwardzania, podczas którego jednocześnie niszczone są patogeny. Produkty końcowe procesu kompostowania obejmują dwutlenek węgla, wodę i użyteczny materiał kompostowy.

Materiał kompostowy może być używany w różnych zastosowaniach. Oprócz stosowania jako poprawka do gleby w uprawie roślin, kompost może być stosowany do rekultywacji gleb, wód gruntowych i burzowych. Kompostowanie może być pracochłonne, a jakość kompostu w dużym stopniu zależy od właściwej kontroli procesu kompostowania. Nieodpowiednia kontrola warunków operacyjnych może skutkować kompostem, który nie nadaje się do pożytecznych zastosowań. Mimo to kompostowanie staje się coraz bardziej popularne; w 2009 r. dzięki kompostowaniu usunięto ze strumienia odpadów na wysypiskach 82 miliony ton odpadów, co stanowi wzrost w porównaniu z 15 milionami ton w roku 1980. To przekierowanie zapobiegło również uwolnieniu około 178 milionów ton metrycznych dwutlenku węgla w 2009 roku – ilość odpowiadająca rocznej emisji dwutlenku węgla przez 33 miliony samochodów.

W niektórych przypadkach procesy aerobowe są niewykonalne. Jako alternatywę można wykorzystać procesy beztlenowe. Fermentacja beztlenowa polega na degradacji mieszanych lub posortowanych odpadów organicznych w zbiornikach w warunkach beztlenowych. W procesie rozkładu beztlenowego powstaje połączenie metanu i dwutlenku węgla (biogaz) oraz pozostałości (biosolidy). Biogaz może być wykorzystywany do ogrzewania i produkcji energii elektrycznej, podczas gdy pozostałości mogą być stosowane jako nawóz i dodatek do gleby. Fermentacja beztlenowa jest preferowanym sposobem rozkładu dla odpadów mokrych w porównaniu do kompostowania dla odpadów suchych. Zaletą fermentacji beztlenowej jest gromadzenie biogazu; to gromadzenie i późniejsze korzystne wykorzystanie sprawia, że jest to preferowana alternatywa dla składowania odpadów na wysypiskach. Ponadto, odpady są szybciej degradowane w procesie fermentacji beztlenowej w porównaniu do składowania na wysypiskach.

Inna alternatywa przetwarzania odpadów, mechaniczno-biologiczne przetwarzanie (MBT), nie jest powszechne w Stanach Zjednoczonych. Jednak ta alternatywa jest szeroko stosowana w Europie. Podczas wdrażania tej metody, materiał odpadowy jest poddawany kombinacji operacji mechanicznych i biologicznych, które zmniejszają objętość poprzez degradację frakcji organicznych w odpadach. Operacje mechaniczne, takie jak sortowanie, rozdrabnianie i kruszenie, przygotowują odpady do późniejszego przetwarzania biologicznego, polegającego na kompostowaniu tlenowym lub fermentacji beztlenowej. Po procesach biologicznych, zredukowana masa odpadów może być poddana spalaniu.

Spalanie

Degradacja odpadów nie tylko wytwarza użyteczne stałe produkty końcowe (takie jak kompost), produkty uboczne degradacji mogą być również wykorzystane jako korzystne źródło energii. Jak omówiono powyżej, fermentacja beztlenowa odpadów może generować biogaz, który może być wychwycony i włączony do produkcji energii elektrycznej. Alternatywnie, odpady mogą być bezpośrednio spalane w celu wytworzenia energii. Spalanie polega na spalaniu odpadów w bardzo wysokich temperaturach w celu wytworzenia energii elektrycznej. Produktem ubocznym spalania jest popiół, który wymaga odpowiedniej charakterystyki przed usunięciem lub, w niektórych przypadkach, korzystnym ponownym wykorzystaniem. Jest on powszechnie stosowany w krajach rozwiniętych ze względu na ograniczenia powierzchni składowisk. Szacuje się, że około 130 milionów ton odpadów jest spalanych rocznie w ponad 600 zakładach w 35 krajach. Ponadto, spalanie jest często wykorzystywane do skutecznego łagodzenia odpadów niebezpiecznych, takich jak chlorowane węglowodory, oleje, rozpuszczalniki, odpady medyczne i pestycydy.

Pomimo zalet, spalanie jest często postrzegane negatywnie z powodu wysokich początkowych kosztów budowy oraz emisji popiołu, który jest toksyczny (patrz tabela powyżej). Obecnie wiele systemów „następnej generacji” są badane i opracowywane, a USEPA opracowuje nowe przepisy w celu dokładnego monitorowania emisji spalarni powietrza w ramach Clean Air Act.

Usuwanie na wysypiskach

Mimo postępów w ponownym wykorzystaniu i recyklingu, usuwanie na wysypiska pozostaje podstawową metodą usuwania odpadów w Stanach Zjednoczonych. Jak wspomniano wcześniej, wskaźnik wytwarzania odpadów komunalnych stałych nadal rośnie, ale ogólna pojemność składowisk maleje. Nowe przepisy dotyczące właściwego usuwania odpadów oraz stosowanie innowacyjnych systemów wykładzin w celu zminimalizowania możliwości skażenia wód gruntowych w wyniku infiltracji i migracji odcieku spowodowały znaczny wzrost kosztów usuwania odpadów na wysypiskach. Ponadto, opozycja społeczna wobec składowisk nadal rośnie, częściowo zainspirowana wspomnieniami o historycznych praktykach niekontrolowanego składowania odpadów i wynikających z nich niepożądanych efektów ubocznych w postaci niekontrolowanych nosicieli, zanieczyszczonych wód gruntowych, nieprzyjemnych zapachów i późniejszego spadku wartości nieruchomości.

Figura 1: Nowoczesne składowisko

Składowiska mogą być zaprojektowane i dopuszczone do przyjmowania odpadów niebezpiecznych zgodnie z przepisami RCRA Subtitle C, lub mogą być zaprojektowane i dopuszczone do przyjmowania stałych odpadów komunalnych zgodnie z przepisami RCRA Subtitle D. Niezależnie od przeznaczenia odpadów, składowiska są konstrukcjami technicznymi składającymi się z systemów wykładziny dolnej i bocznej, systemów zbierania i usuwania odcieków, systemów pokrywy końcowej, systemów zbierania i usuwania gazu oraz systemów monitorowania wód gruntowych. Przy lokalizowaniu, projektowaniu i eksploatacji składowisk wymagany jest obszerny proces uzyskiwania zezwoleń. Monitorowanie składowisk po zamknięciu jest również zazwyczaj wymagane przez co najmniej 30 lat. Ze względu na swoją konstrukcję, odpady na składowiskach są rozkładane beztlenowo. Podczas rozkładu wytwarzany jest biogaz, który następnie jest gromadzony. Systemy zbierania zapobiegają niekontrolowanej migracji gazu podpowierzchniowego i ograniczają możliwość wystąpienia stanu wybuchowego. Wychwycony gaz jest często wykorzystywany w instalacjach kogeneracyjnych do ogrzewania lub wytwarzania energii elektrycznej. Ponadto, po zamknięciu, wiele składowisk odpadów poddawanych jest „recyklingowi gruntów” i przekształcanych w pola golfowe, parki rekreacyjne i inne pożyteczne zastosowania.

Odpady powszechnie występują na składowiskach w stanie suchym, w wyniku czego tempo ich degradacji jest zazwyczaj bardzo wolne. Te powolne tempo degradacji jest połączone z powolnym tempem osiadania spowodowanego degradacją, co z kolei może komplikować lub ograniczać potencjał korzystnego ponownego wykorzystania terenu na powierzchni. Ostatnio pojawiła się koncepcja składowisk bioreaktorowych, która obejmuje recyrkulację odcieku i/lub wstrzykiwanie wybranych cieczy w celu zwiększenia wilgotności odpadów, co z kolei indukuje szybki rozkład. Zwiększone tempo degradacji zwiększa tempo produkcji biogazu, co zwiększa potencjał korzystnej produkcji energii z wychwytywania i utylizacji biogazu.

.