Krzysztof Jędrzejczyk Kontrola emisji gazu składowiskowego (biogazu) jako jeden z elementów monitoringu składowisk odpadów Krzysztof Jędrzejczyk

Co to jest biogaz (gaz składowiskowy) i jak powstaje Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Jakie czynniki wpływają na produkcję biogazu Pomiar emisji oraz składu gazu składowiskowego Interpretacja uzyskiwanych wyników pomiaru gazu składowiskopwego Szacowanie ilości uwolnień biogazu do powietrza Zagrożenia związane z gazem składowiskowym

Co to jest biogaz (gaz składowiskowy) i jak powstaje? Biogaz (gaz składowiskowy) – mieszanina gazów generowanych podczas beztlenowego rozkładu odpadów organicznych w składowisku, które pod wpływem czynników atmosferycznych i mikroorganizmów staje się bioreaktorem w którym zachodzą mikrobiologiczne i biochemiczne przemiany. Zawiera głównie metan i dwutlenek węgla oraz kilkaset związków śladowych. Jest nasycony parą wodną.

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Fazy aktywności według Christensen/Kieldsen Kilku etapowa faza IV i V według Rattenberga Faza I: Faza tlenowa Faza II: Faza octanowa Faza III: Faza metanowa - niestabilna Faza IV: Faza metanowa stabilna - beztlenowa Faza V: Faza długotrwała ( wygaszania) Faza 1: Faza metanowa stabilna (powolna) Faza 2: Faza metanowa długotrwała Faza 3: Faza wnikania powietrza Faza 4: Faza utleniania metanu Faza 5: Faza dwutlenku węgla Faza 6: Faza powietrzna

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Rys. 1 Produkcja gazu składowiskowego i aktywność biologiczna składowiska

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Fazy aktywności według Christensen/Kieldsen Faza I: Faza tlenowa Jest to krótka faza tuż po złożeniu odpadów na składowisku, podczas której rozkładana jest materia organiczna z jednoczesnym wydzielaniem się dwutlenku węgla. Początkowy rozkład odpadów jest procesem tlenowym, gdyż zaraz po załadowaniu składowiska istnieją w nim kieszenie powietrzne.

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Fazy aktywności według Christensen/Kieldsen Faza II: Faza octanowa W tej fazie , działanie bakterii fermentacyjnych a przede wszystkim octowych powoduje gwałtowne powstawanie lotnych kwasów tłuszczowych, dwutlenku węgla i niewielkich ilości wodoru. Zawartość azotu w gazie składowiskowym jest obniżona ze względu na wypieranie go przez produkowany dwutlenek węgla.

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Fazy aktywności według Christensen/Kieldsen Faza III: Faza metanowa – niestabilna W fazie tej rozpoczyna się powolny wzrost bakterii metanogennych. Stężenie metanu w gazie składowiskowym rośnie, natomiast stężenie wodoru, dwutlenku węgla i lotnych kwasów tłuszczowych maleje.

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Fazy aktywności według Christensen/Kieldsen Faza IV: Faza metanowa stabilna-beztlenowa Faza ta charakteryzuje się stabilnym poziomem produkcji metanu. Zawartość metanu w gazie składowiskowym kształtuje się na poziomie 50-60% obj. Stężenie lotnych kwasów tłuszczowych jest bardzo niskie.

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Fazy aktywności według Christensen/Kieldsen Faza V: Faza długotrwała (faza wygaszania aktywności składowiska) W miarę wyczerpywania się zapasów łatwo rozkładającego się węgla organicznego, produkcja metanu będzie malała do tak niskiego poziomu, że do gazu zacznie przenikać azot z powietrza atmosferycznego. W górnych warstwach złoża pojawią się strefy tlenowe o zbyt wysokich dla powstawania metanu potencjałach red-ox.

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Kilku etapowa faza IV i V według Rattenberga Faza 1: Faza metanowa stabilna (powolna) Faza ta odpowiada stabilnej fazie metanowej. Intensywna produkcja gazu powoduje lekkie nadciśnienie w złożu składowiska. Stosunek CH4:CO2 waha się między 1,2 a 1,5. Faza 2: Faza metanowa długotrwała Wysokie stężenie metanu. Stosunek CH4:CO2 rośnie do ponad 1,5. Faza ta podobnie ja faza 1 wykazuje nadciśnienie gazu w złożu składowiska. Faza 3: Faza wnikania powietrza Ze względu na zmniejszoną produkcję gazu, powietrze miejscami zaczyna wnikać do złoża. Objawia się to rozcieńczeniem gazu składowiskowego powietrzem (azot i tlen) i tworzenie dwutlenku węgla. W wyniku utleniania metanu.

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Kilku etapowa faza V według Rattenberga Faza 4: Faza utleniania metanu W górnych partiach składowiska zachodzi utlenianie metanu przez bakterie. Warunkiem życia tych bakterii jest jednoczesna obecność tlenu i metanu, warunki są w tej fazie spełnione. Faza 5: Faza dwutlenku węgla W dalszym ciągu zachodzą procesy utleniania metanu, produkcja metanu spada a większość część porowatości składowiska wypełnia powietrze. Gaz składowiskowy składa się z azotu, dwutlenku węgla, tlenu i śladowych ilości metanu. Faza 6: Faza powietrzna Faza ta następuje po zakończeniu procesu rozkładania odpadów. Składowisko jest całkowicie wypełnione powietrzem.

Fazy aktywności biologicznej składowisk odpadów Parametry modelowe gazu składowiskowego w fazie metanowej stabilnej: zawartość metanu: 60% obj. Zawartość dwutlenku węgla: 40% obj. Wartość opałowa: 21,5 MJ/Nm3 Temperatura zapłonu: 670-750 °C Ciśnienie krytyczne: 7,5-8,9 Mpa Gęstość w warunkach normalnych: 1,2 kg/m3 Gęstość względem powietrza: 0,928

Jakie czynniki wpływają na produkcję biogazu? Do głównych czynników wpływających na produkcję gazu należy zaliczyć: Skład odpadów Strukturę odpadów Przepuszczalność składowiska Wiek odpadów Wilgotność złoża Temperaturę złoża odpadów pH

Pomiar emisji oraz składu gazu składowiskowego Badanie gazu

Pomiar emisji oraz składu gazu składowiskowego Badanie gazu Odczyt metanu odbywa się w podczerwieni przy częstotliwości 3,41 µm, jest to częstotliwość specyficzna dla wiązań wodorowych, Odczyt dwutlenku węgla odbywa się w podczerwieni o częstotliwości 4,29 µm jest to częstotliwość specyficzna dla dwutlenku węgla

Pomiar emisji oraz składu gazu składowiskowego Badanie gazu w studniach gazowych Kolejność czynności powinna być następująca: Sprawdzić drożność i głębokość studni oraz prawidłowość jej wykonania Ponumerować studnie i nanieść na plan składowiska Zmierzyć poziom odcieków Przewentylować studnie, odczekać ok. 5 min. Zmierzyć temperaturę w studni, Dokonać pomiaru składu gazu zgodnie z instrukcją obsługi analizatora lub pobrać próbki do analiz laboratoryjnych Oczyścić z gazu i ponownie wyzerować aparat Powtórzyć pomiar

Pomiar emisji oraz składu gazu składowiskowego Badanie gazu w rurach przepływowych Kolejność czynności powinna być następująca: Ponumerować i nanieść na plan instalacji punkty pomiarowe Sprawdzić czy jest przepływ gazu w punkcie pomiarowym Wprowadzić przewód probierczy aparatu w taki sposób, aby ścianka rury, w której przepływa gaz nie zamykała światła przewodu Dokonać pomiaru składu gazu zgodnie z instrukcją analizatora przenośnego (lub pobrać próbkę gazu do analiz laboratoryjnych) Oczyścić z gazu i wyzerować aparat Dokonać następnego pomiaru

Interpretacja uzyskiwanych wyników pomiaru gazu składowiskopwego Stwierdzenie występowania metanu w powietrzu w ilości powyżej 1% obj. Informuje o istniejącym zagrożeniu wybuchowym na obszarze badanym. Ilościowe stwierdzenie zawartości metanu i dwutlenku węgla w biogazie, daje możliwość stwierdzenia, w której fazie biologicznej znajduje się składowisko odpadów oraz jaka jest wartość energetyczna gazu składowiskowego. Ilościowe określenie zawartości tlenu w biogazie ma znaczenie kontrolne, czy próbka została pobrana właściwie. Stwierdzenie, że zawartość metanu w gazie składowiskowym wynosi mniej niż 30% obj. świadczy o nie przydatności gazu do bezpośredniego spalania.

Interpretacja uzyskiwanych wyników pomiaru gazu składowiskopwego 5) Wykrycie w gazie składowiskowym zawartości metanu powyżej 65% może świadczyć o złym pobraniu próbki. 6) Wyniki badania temperatury gazu należy rozpatrywać pod kątem aktywności biologicznej składowiska . 7) Stwierdzenie wysokiego poziomu odcieków w studni gazowej może być powodem otrzymania błędnego wyniku składu gazu. Wyniki badań mogą dać wyobrażenie o wydajności gazowej złoża!

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Największe ilości metanu powstają na składowiskach dużych podpoziomowych bez względu na stopień zagęszczenia oraz na niedawno zamkniętych, na których stosowano zagęszczanie kompaktorem. Próg uwolnień do powietrza wg europejskiego PRTR Metan – 100 000 [kg/rok] Dwutlenek węgla 100 000 000 [kg/rok] Rozróżniamy emisję : Rozproszone (niekontrolowane), Kontrolowane.

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Szacowanie ładunku zanieczyszczeń gazowych dostających się do atmosfery ze składowisk odpadów komunalnych można dokonać na podstawie rzeczywistych pomiarów szybkości emisji lub na podstawie oszacowań teoretycznych. Żadna z tych metod nie daje 100 % dokładności ! Metody szacowania uwolnień do powietrza: Metody oparte na pomiarach i obliczeniach –M/C Metody oparte na szacowaniu – E Metoda standardowa IPCC Metoda oparta o metodykę Rattenbergera/Tabasarana

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Metody oparte na pomiarach i obliczeniach Nie ma jednej metody pomiaru wielkości emisji biogazu oraz poszczególnych składników w nim zawartych. Wytwarzanie gazu wewnątrz składowiska oraz szybkość przedostawania się do atmosfery jest bardzo zmienne i zależy od wielu czynników. Z dotychczasowych badań wynika, że zakres wielkości emisji mierzonej na jednym składowisku jest bardzo duży i wyniki mogą się różnic o kilka rzędów wielkości. Brak metody referencyjnej (Procedury badawcze)

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Metody oparte na pomiarach i obliczeniach Vobj. = 3600*W*A Ev = 0,01*Cp*Vobj. [m3/h]   Em = Ev*(M*p)/(R*T) [kg/h] gdzie: Vobj. – całkowite natężenie przepływu gazu w badanej studni [m3/h] W – prędkość gazu w przekroju pomiarowym [m/s] A – pole powierzchni przekroju pomiarowego [m2] Ev – emisja objętościowa badanego składnika gazu [m3/h] Cp – procent objętościowy badanego składnika gazu Em – emisja masowa badanego składnika gazu [kg/h] M – masa molowa badanego składnika gazu [kg/mol] p – ciśnienie w warunkach pomiarowych [Pa] R – stała gazowa [m3*Pa/mol*K] T – temperatura [K]

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Metody oparte na obliczeniach Emisja masowa badanego składnika gazu [kg/h] przedstawia szybkość emisji z całej strefy. Suma wszystkich emisji masowych da całkowitą emisje danego składnika gazu składowiskowego w kg/h. Po przeliczeniu jednostek otrzymamy wielkość rocznej emisji w kg/rok.

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Metody oparte na szacowaniu – E Metoda standardowa IPCC (metoda Rozkładu Pierwszego Rzędu) EmisjaCH4 = [(MSWT ·MSWF·LO)-R]·(1-OX) [Gg/rok] MSWT – całkowita masa odpadów komunalnych złożonych na składowisku w ciągu roku, MSWF - część odpadów komunalnych wysegregowanych ze składowiska, unieszkodliwionych w inny sposób lub odzyskanych LO - potencjalna produkcja metanu [GgCH4/Gg odpadów] R – ilość metanu unieszkodliwiona w ciągu roku [Gg] OX – wskaźnik utleniania w danym roku (ilość metanu, który został utleniony w gruncie lub w innym materiale pokrywającym odpady), dla składowisk uszczelnionych glebą, kompostem, wskaźnik ten wynosi 0,1, dla pozostałych składowisk wynosi 0

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Metody oparte na szacowaniu – E Metoda standardowa IPCC (metoda Rozkładu Pierwszego Rzędu) Potencjalna produkcja metanu obliczamy wg wzoru: LO= MCF·DOC·DOCF·F· 𝟏𝟔 𝟏𝟐 [GgCH4/Gg odpadów] MCF – wskaźnik korekcyjny metanu (zależny od typu składowiska), DOC – zawartość węgla w biodegradowalnej części organicznej złożonej na składowisku w danym roku [GgC/Gg-odpadów], DOCF – frakcja węgla, która ostatecznie ulega rozkładowi ( 0,77) F – objętościowa zawartość metanu w gazie składowiskowym, ( dla zawartości metanu na poziomie 50 %, F=0,5)

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Metody oparte na szacowaniu – E Wartość wskaźnika MCF należy przyjmować: Dla składowisk zorganizowanych, beztlenowych – 1 Dla składowisk zorganizowanych średnio natlenionych (np. przepuszczalne warstwy przykrycia, system odprowadzania odcieków) – 0,5 Dla składowisk niezorganizowanych, głębokich (więcej niż 5 m) – 0,8 Dla składowisk niezorganizowanych płytkich (mniej niż 5 m) – 0,4 Zawartość węgla obliczamy wg wzoru: DOC = 0,4 A+0,17 B+0,15 C+0,3 D A – papier , tektura B – odpady z parków, ogrodów oraz inne organiczne z wyłączeniem żywności C – żywność D – drewno, słoma

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Metody oparte na szacowaniu – E Metoda opracowana w OBREM w oparciu o metodykę Rattenbergena/Tabasarana Model pozwala na oszacowanie skumulowanej produkcji biogazu w okresie kilkudziesięciu lat, obejmującym okres przyjmowania odpadów, jak i okres po zamknięciu składowiska. Założenia modelu: Zawartość węgla wynosi 200kg/Mg odpadów, Wilgotność w złożu odpadów wynosi od 30 do 50 %, Odpady deponowane na składowisku są zagęszczane do wartości 0,4 do 1,2 Mg/m3, Do złoża odpadów dostarczana jest woda w ilości 20% opadu atmosferycznego, 1m3 biogazu zawiera 50 % obj. metanu i 50% obj. dwutlenku węgla, Efektywność wytwarzania biogazu – 60%

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Metody oparte na szacowaniu – E Metoda opracowana w OBREM w oparciu o metodykę Rattenbergena/Tabasarana Gsk = Gsk∞ (1 – e-kt) Gsk∞ = 1,87 x C (0,014 x Tm + 0,28) Gsk - skumulowana jednostkowa produkcja gazu po czasie t [m3/Mg odpadów], Gsk∞ - skumulowana produkcja gazu po czasie nieskończenie długim [m3/Mg odpadów], C – zawartość węgla w materii organicznej [kg/Mg odpadów], k – stała rozpadu metanogennego ( dla lat w których emisja jest w fazie wzrostu przyjmuje się dla k wartość wynoszącą 0,096, po zamknięciu składowiska wartość dla k wynosi – 0,105, Tm - temperatura w złożu [°C], t – czas [lata].

Szacowanie uwolnień biogazu do powietrza Metody oparte na szacowaniu – E Rzeczywista ilość metanu uwalniana do powietrza wynosi od 30 do 180 m3 z tony suchych odpadów. Teoretyczna ilość metanu powstałego z tony suchych odpadów wynosi 460 m3.

Zagrożenia związane z gazem składowiskowym Migracja, Wybuch i pożar, Zatrucie i uduszenie, Obumieranie korzeni roślin, Rozprzestrzenianie odoru, Zwiększenie efektu cieplarnianego.

Zagrożenia związane z gazem składowiskowym Migracja – ruch gazu na składowisku związany jest z konwekcją i dyfuzją. Metan, lżejszy od powietrza (masa właściwa metanu 0,717 kg/m3 , masa właściwa powietrza 1,29 kg/m3 ) skłonny jest dyfundować do góry. Jego rozprzestrzenianie w kierunku poziomym powodowane jest przez przeszkody ograniczające ruch pionowy. Metan migruje łatwo przez przepuszczalne warstwy i może ujawniać się nawet kilkaset metrów od granic składowiska. Dwutlenek węgla cięższy od powietrza ( masa właściwa CO2 = 1,977 kg/m3) migruje w dół w kierunku poziomym, łatwo rozpuszcza się w wodach podziemnych i odciekach. Migracja gazu zależy: Od szczelności pokrywy, Struktury oraz masy składowanych odpadów, Rodzaju otaczających składowisko warstw, Pionowego i poziomego gradientu ciśnienia gazu, Różnicy temperatur gazu i powietrza otaczającego, Zmian gęstości gazu.

Zagrożenia związane z gazem składowiskowym Palność i wybuchowość – głównym składnikiem gazu składowiskowego jest metan – gaz palny a w mieszaninie z powietrzem wybuchowy. Wybuchowość metanu jest funkcją stosunku pomiędzy stężeniem metanu a stężeniem tlenu z powietrza. W zakresie stężeń od 5 do 15% mieszanina metanu z powietrzem jest wybuchowa. Palność i wybuchowość są zależne od: Temperatura – w miarę wzrostu temperatury mieszaniny palnej gazów, granice zapalności rozszerzają się, Ciśnienie – w miarę obniżania się ciśnienia, zakres granic zapalności mieszanin zwęża się aż do zrównania dolnej i górnej granicy zapalności, Ilości gazu obojętnego w mieszaninie – np. obecność dwutlenku węgla czy dodanie azotu do palnej mieszaniny znacznie zmniejsza zakres granic zapalności, Składu – najbardziej wybuchowa jest taka , która ma pewną nadwyżkę łatwo zapalnej pary lub gazu, w stosunku do ilości tlenu zawartego w powietrzu, Stężenia tlenu w mieszaninie.

Zagrożenia związane z gazem składowiskowym Rys. 2 Trójkąt wybuchowości metanu

Zagrożenia związane z gazem składowiskowym Zatrucia i uduszenia – metan i dwutlenek węgla nie są gazami toksycznymi jednak, duże ich ilości w zamkniętej przestrzeni, wypierają tlen z powietrza działając dusząco. Zawartość tlenu w powietrzu poniżej 18% uznaje się za niebezpieczne dla ludzi i zwierząt, spadek poniżej 10 % obj. powoduje trwałe uszkodzenia mózgu. W gazie składowiskowym znajduje się 100 różnych związków chemicznych, z których wiele uznanych jest za toksyczne. Na składowiskach gdzie np. przyjmowane są odpady gipsu wzrasta znacznie w gazie zawartość siarkowodoru nawet do kilkudziesięciu ppm. Obumieranie korzeni roślin – obumieranie roślin związane jest z wypieraniem tlenu z powietrza glebowego. Rozprzestrzenianie odoru – zarówno metan jak i dwutlenek węgla są gazami bezwonnymi. Za występowanie odorów odpowiedzialne są związki śladowe występujące w gazie skaładowiskowym oraz przede wszystkim związki siarki (siarkowodór, merkaptany) . Zwiększenie efektu cieplarnianego – metan jest 28 razy bardziej aktywny niż dwutlenek węgla, szacuje się, że ilość metanu przedostającego się do atmosfery ze składowisk odpadów stanowi ok. 4 % ogólnej ilości metanu przenikającego z różnych źródeł do atmosfery.

Częstotliwość monitoringu biogazu na składowiskach odpadów Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 kwietnia 2013 r. w sprawie składowisk odpadów – załącznik nr 3 Faza eksploatacyjna – skład gazu oraz emisja co 1 miesiąc Faza poeksploatacyjna – skład gazu oraz emisja co 6 miesięcy

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ