Oddziaływanie składowisk odpadów komunalnych na środowisko przyrodnicze.

Biogaz

Gaz wysypiskowy - biogaz ,to mieszanina głównie metanu i dwutlenku węgla, powstająca podczas beztlenowej fermentacji substancji organicznych.

ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA
z dnia 24 marca 2003 r.
w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących lokalizacji, budowy, eksploatacji i zamknięcia, jakim powinny odpowiadać poszczególne typy składowisk odpadów.
(Dz. U.2003.61.549)

§ 9. 1. Składowisko odpadów, na którym przewiduje się składowanie odpadów ulegających biodegradacji, wyposaża się w instalację do odprowadzania gazu składowiskowego.

§ 9. 2. Gaz składowiskowy oczyszcza się i wykorzystuje do celów energetycznych, a jeżeli jest to niemożliwe - spala się w pochodni.

Raport GUS 2005:

W 2004 roku ogólna liczba składowisk odpadów komunalnych wynosiła - 1049.

Liczba składowisk z instalacją odgazowania (ujęcia biogazu) - 207, co stanowi 19,7% ogółu, w tym:

• z bezpośrednią emisją do atmosfery 168;

• z instalacjami do unieszkodliwiania biogazu 41: 32 składowiska z odzyskiem energii, 9 bez odzysku energii - pochodnia.

Raport GUS 2007:

W 2006 roku ogólna liczba składowisk odpadów komunalnych wynosiła - 1008.

Liczba składowisk z instalacją odgazowania (ujęcia biogazu) - 262, co stanowi 26,0% ogółu, w tym:

• z bezpośrednią emisją do atmosfery 216;

• z instalacjami do unieszkodliwiania biogazu 49: 36 składowiska z odzyskiem energii, 18 bez odzysku energii - pochodnia.

ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA
z dnia 24 marca 2003 r.
w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących lokalizacji, budowy, eksploatacji i zamknięcia, jakim powinny odpowiadać poszczególne typy składowisk odpadów.
(Dz. U.2003.61.549)

§ 12. Składowisko odpadów, na którym przewiduje się składowanie odpadów ulegających biodegradacji, wyposaża się w urządzenia do mycia i dezynfekcji kół pojazdów opuszczających obiekt.

ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA
z dnia 24 marca 2003 r.
w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących lokalizacji, budowy, eksploatacji i zamknięcia, jakim powinny odpowiadać poszczególne typy składowisk odpadów.
(Dz. U.2003.61.549)

§ 15. 3. Na składowiskach, na których składowane są odpady ulegające biodegradacji, dopuszcza się wykorzystywanie odcieków do celów technologicznych.

Głównymi czynnikami wpływającymi na produkcję gazu są:

• skład odpadów;

• wilgotność złoża odpadów;

• temperatura złoża odpadów;

• wiek odpadów;

• przepuszczalność wysypiska;

• struktura odpadów.

Produkcja biogazu

Q (m³·Mg^-1) = 1,868 · TC

gdzie TC - ilość węgla w kg·Mg^-1 odpadów

Rzeczywistą produkcję opisuje wzór: Q (m³·Mg^-1) = 1,868 x TC x ft x fo x fa

gdzie:

• ft współczynnik uwzględniający czas od złożenia odpadów, faza tlenowa produkcja CO₂ wahania od 0,8-0,95)

• fa współczynnik rozkładu węgla 0,7

• fo współczynnik określający warunki składowania (temperatura, wilgotność) 0,7

• Produkcja biogazu

Rzeczywista produkcja gazu waha się w granicach

od 25 do 150 m³·Mg^-1 odpadów

(źródło: Manczarski P., 2008)

Zasadniczym palnym składnikiem gazu wysypiskowego jest metan CH₄ . Szacuje się, że powstaje on w wyniku rozkładu:

• celulozy w ilości około 91%,

• organicznych związków azotu w ilości około 8,5%

• cukrów w ilości około 0,5%

Proces tworzenia metanu można opisać schematycznymi reakcjami chemicznymi:

odtlenianie (redukcja) dwutlenku węgla wodorem

CO₂ + 3H₂ = CH₄ + H₂O

metaboliczny rozkład kwasu octowego

CH₃COOH = CH₄ + CO₂ + energia

W rzeczywistości proces ten jest bardziej złożony, co pokazuje rysunek.

Wytwarzanie gazu wysypiskowego można podzielić na 5 faz:

• I - faza tlenowa;

• II - faza kwasowa (acetogeneza);

• III - faza fermentacja metanowa niestabilna;

• IV - faza fermentacja metanowa stabilna;

• V - faza fermentacja zanikająca.

I faza - tlenowa

Bakterie aerobowe z wykorzystaniem tlenu z powietrza zawartego w wysypisku rozkładają substancje organiczne na dwutlenek węgla i wodę. Okres ten trwa krótko (około dwóch tygodni). Spada zawartość tlenu w środowisku reakcji, a zawartość azotu zmienia się nieznacznie.

II faza - kwasowa (acetogeneza)

Bakterie acidogenne są fakultatywne tzn. nie wymagają obecności tlenu, ale go tolerują. Charakterystyczny w tym stadium jest szybki wzrost zawartości dwutlenku węgla. Obok dwutlenku węgla w fazie gazowej występuje wodór powstały w reakcji kwasów organicznych i alkoholi z wodą. Faza fermentacji kwaśnej trwa około 2 miesięcy.

III faza - fermentacja metanowa niestabilna

Po całkowitym wyczerpaniu się tlenu, w złożu zaczynają dominować bakterie metanowe. W fazie fermentacji metanowej niestabilnej następuje gwałtowny wzrost stężenia metanu. Zmniejsza się zawartość dwutlenku węgla, azotu i wodoru w gazie. Faza metanogenezy niestabilnej trwa około 2 lat.

IV faza - fermentacja metanowa stabilna

Bakterie metanogenne przetwarzają kwasy organiczne na dwutlenek węgla i metan. Zmiany w składzie gazu uzyskanego w tym okresie są niewielkie. Faza fermentacji metanowej stabilnej trwa około 15 - 20 lat.

V faza - fermentacja zanikająca

Produkcja gazu stopniowo zanika na skutek wyczerpania się łatwo rozkładanej substancji organicznej w złożu.

Skład biogazu w różnych fazach rozkładu odpadów.

Wykazano, że rozwój bakterii octanogennych możliwy jest jedynie, gdy tworzący się wodór „konsumowany” jest natychmiast przez bakterie metanogenne.

W złożu odpadów dominującą rolę w produkcji metanu odgrywają dwie grupy bakterii, których przedstawicielami są:

• BAKTERIE OCTANOGENNE CH₃CH₂COO^- + 3H₂O → HCO₃^- + CH₃COO^- + H⁺ + 3H₂

• BAKTERIE METANOGENNE HCO₃^- + 4H₂ + H⁺ → CH₄ + 3H₂O

Znanych jest około 30 rodzajów bakterii metanogennych, najważniejsze to:

• Methanobacterium;

• Methanobacillius;

• Methanosarcinia;

• Methanococous

• inne

Skład biogazu powstającego na składowiskach odpadów komunalnych (źródło: Manczarski P., 2008)

Składnik biogazu	Zakres występowania [%]	Wartość średnia [%]
Metan	30-65	45
Dwutlenek węgla	20-40	35
Azot	5-40	15
Wodór	1-3	1
Tlen	0-5	1
Argon	0-0,4	0,1
Siarkowodór	0-0,01	0,003
Chlor ogólny	0-0,005	0,002

Emisja gazu wysypiskowego powoduje następujące rodzaje zagrożeń środowiska:

• wzrost w atmosferze stężenia gazów odpowiedzialnych za efekt cieplarniany;

• zanieczyszczenie atmosfery substancjami szkodliwymi dla zdrowia;

• niebezpieczeństwo wybuchu gazu wysypiskowego;

• zahamowanie wegetacji roślin w wyniku wypierania przez gaz tlenu z powietrza glebowego.

Spośród 200-400 związków występujących w biogazie, do grupy gazów o istotnym znaczeniu dla środowiska należą:

Związek chemiczny	Wzór	Stężenie w biogazie [ppm]
siarkowodór	H2S	0-100
amoniak	NH4	0-100
merkaptan etylowy	C2H5SH	0-120
aldehyd octowy	CH3CHO	0-150
etan	C2H6	0-30
aceton		0-100
benzen		0-15
toluen		0-15
ksylen		0-15
związki chloroorganiczne		0-100

Skład biogazu oraz powietrza atmosferycznego i glebowego

Składnik	Jedn.	Biogaz z wysypiska	Powietrze atmosferyczne	Powietrze glebowe	Wartość dopuszczalna dla pow. atm.
Azot	% obj.	0 - 30	78,08	70,8 - 80,24	-
Tlen	% obj.	0 - 6	20,95	10,4 - 20,70	-
Argon	% obj.	-	0,93	ślady	-
Dwutlenek węgla	% obj.	30 - 45	0,03	0,15 - 0,65	-
H2O (para)	% obj.	100% nas.	0,8 - 1,5	100% nas.	-
Metan	% obj.	35 - 55	ślady	ok. 0,04	5
Tlenek węgla	% obj.	0,3 - 0,5	-	-	5
Siarkowodór	mg/m^3	0,6 - 35	-	-	0,03
Amoniak	mg/m^3	1,8 - 5	-	-	0,4
Propan	mg/m^3	130	-	-	5
Butan	mg/m^3	4	-	-	5
Aldehyd octowy	mg/m^3	1500	-	-	0,02
Mrówczan metylu	mg/m^3	35	-	-	0,05
Oktan	mg/m^3	83	-	-	2
Aceton	mg/m^3	1400	-	-	0,35
Akroleina	mg/m^3	3380	-	-	-
Aldehyd butylowy	mg/m^3	5600	-	-	-
Formaldehyd	mg/m^3	16400	-	-	0,05
Benzen	mg/m^3	530	-	-	0,01
Octan propanu	mg/m^3	640	-	-	0,01

Rysunek studni odgazowującej

Możliwe kierunki ostatecznego unieszkodliwiania lub wykorzystania biogazu:

• Wentylacja (odprowadzenie do atmosfery);

• Spalanie w pochodniach;

• Bezpośrednie spalanie (bez przetworzenia) - produkcja ciepła (CH₄ 25-40% obj.);

• Paliwo silnikowe (CH₄ > 40% obj.);

• Paliwo do turbin;

• Dostarczanie gazu do sieci.

Wykorzystanie energetyczne biogazu.

Zazwyczaj po pięciu latach od rozpoczęcia składowania rozpoczyna się czwarta faza rozkładu substancji organicznych - metanogeneza stabilna.

• Wówczas ilość i parametry biogazu są optymalne dla silników spalinowych.

• Wartość opałowa oscyluje wówczas około wartości 21 MJ/Nm³ biogazu.

Prognoza produktywności gazowej - Oparta o dane o składowisku:

• Lokalizacja;

• Sposób i czas składowania;

• Skład odpadów;

• Miąższość złoża

• Inne warunkujące rozkład odpadów (np. temperatura, wilgotność)

Weryfikacja prognozy

• Poprzez określenie aktualnej produktywności składowiska.

• Produktywność aktualną należy porównać z wartością z krzywej prognostycznej.

Metoda określania aktualnej produktywności polega na:

• pomiarze ciśnień gazu w złożu;

• określeniu składu gazu;

• pomiarze natężenia wypływu gazu ze składowiska.

Parametry te określa się dla otworów testowych rozmieszczonych na całym składowisku.

Wykorzystanie energetyczne biogazu.

Od przejścia z czwartej do piątej fazy rozkładu odpadów maleje ekonomiczne uzasadnienie wykorzystywania biogazu. W tym czasie:

• gaśnie produktywność gazowa składowiska;

• wzrasta stężenie dwutlenku węgla i azotu;

• maleje stężenie metanu

• obniża się wartość opałowa, a gdy spadnie poniżej 14 MJ/Nm³ biogazu wykorzystanie tego paliwa w silnikach spalinowych jest utrudnione.

Ze względu na parametry piątej fazy (metanogezezy zanikającej):

• niebagatelną ilość gazu (dla składowisk dużych aglomeracji nawet 100-500 Nm³/h);

• czas trwania piątej fazy rozkładu (nawet do 30 lat)

Warto podjąć tematykę uzdatniania biogazu i poprawienia parametrów fizykochemicznych biogazu.

Oczyszczanie biogazu. Wykorzystuje się tu zjawisko absorpcji - pochłaniania gazu przez ciecz.

Z mieszaniny gazów (CH₄, CO₂, N₂) składnikiem rozpuszczalnym jest CO₂, pozostałe są obojętne dla większości rozpuszczalników stosowanych w absorpcji.

Jako absorbenty można wykorzystywać:

• wodę,

• roztwór K₂CO₃

Instalacja składa się z:

• wieży absorpcyjnej pracującej na podwyższonym ciśnieniu;

• komory odprężającej, gdzie następuje usuwanie z wody CO₂ (po zmniejszeniu ciśnienia)

• wieży desorpcyjnej.

Wpływ uszczelnienia powierzchniowego na produkcję biogazu

Składnik	I	II
CH4 (%)	45-50	25-45
CO2 (%)	35-45	20-35
N2 (%)	4-16	16-45
O2 (%)	1-4	4-10

Biogaz ujmowany na składowiskach odpadów zawiera 10 - 400 ppm siarkowodoru.

• Takie stężenie siarkowodoru przekracza wartości dopuszczalne dla urządzeń energetycznych (silniki spalinowe, turbiny).

• W celu zmniejszenia stężenia H₂S biogaz powinien być poddany procesowi odsiarczania

Metoda biokatalicznego utlenienia:

• Metoda polega na wykorzystaniu mikroorganizmów, które redukują siarkowodór do siarki pierwiastkowej.

• Proces prowadzony w komorach fermentacyjnych, przy dozowaniu powietrza w ilości 4-6%.

• Wymogiem jest aby w komorach powierzchnia czynna osadu fermentacyjnego wynosiła co najmniej 60 m².

Odsiarczalniki z rudą darniową:

• Odsiarczanie następuje w czasie przepływu biogazu przez kilka warstw rudy darniowej zawierającej tlenki żelaza.

• Dochodzi do reakcji siarkowodoru z uwodnionym tlenkiem żelazowym:

• 2 Fe(OH)₃ + 3 H₂S = FeSO₃ + 6 H₂O + 42,4 kJ

• Zaletą metody jest prosta konstrukcja i dostępność rudy darniowej.

• Wadą konieczność wymiany złoża (1-2 razy do roku), duże zapotrzebowanie na teren pod skład zużytej i świeżej rudy darniowej.

Odsiaczanie mokre z użyciem ługu:

Siarkowodór oraz dwutlenek węgla są wiązane w wyniku reakcji zachodzących przy zraszaniu strumienia biogazu roztworem wodorotlenku sodu.

2 H₂S + CO₂ + 3 NaOH = 2 NaHS + NaHCO₃ + 2 H₂O

Zużyty ług poddaje się napowietrzaniu, dzięki czemu NaHS utlenia się do Na₂SO₄, związku który jest nieszkodliwy dla środowiska.

Bakterie metanogenne

Bakterie octanogenne

Bakterie fermentacyjne

Wytwarzanie metanu

Wytwarzanie kwasu octowego

Wytwarzanie kwasów

Bakterie fermentacyjne

Hydroliza

Metan

Wodór

CO₂

Kwas octowy

Kwasy organiczne alkohole

Kwasy tłuszczowe

Aminokwasy

Cukier

Substraty

Białko Węglowodany Tłuszcze

---