Menu

Biogaz wysypiskowy

WSTĘP

Jednym ze składników odpadów komunalnych są odpady organiczne, które ulegają procesowi biodegradacji. W odpowiednich warunkach składowania odpadów zachodzą w ich masie procesy beztlenowe, prowadzące do wydzielenia metanu. Sprzyjające warunki dla procesów fermentacji metanowej to: uszczelnienie dna i skarp wysypiska, ugniatanie i przykrywanie warstwy odpadów ziemią lub innym obojętnym materiałem, kontrolowanie wilgotności złoża (drenaż odcieków). Rozkład
biodegradowalnej (organicznej) frakcji odpadów składa się z szeregu spontanicznie zachodzących procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Najszybciej degradują się odpady żywnościowe zawierające cukry, białka i tłuszcze, wolniej - zielone ogrodowe, najwolniej - papier, tektura, drewno,  zawierające celulozę, jak też odpady włókiennicze . Tworzywa sztuczne, szkło, guma itp. substancje praktycznie nie ulegają biodegradacji.
Proces tworzenia się gazu wysypiskowego zależny jest od całego szeregu czynników, takich jak np.

- skład i gęstość odpadów,

- wysokość składowania odpadów,

- zawartość wody w odpadach,

- temperatura powietrza, ciśnienie atmosferyczne i ilość opadów.

 Przyjmuje się, że w praktyce z jednej tony odpadów można pozyskać 200-250 m3 gazu wysypiskowego o zawartości metanu ok. 45-65%. W Polsce całkowita liczba odpadów szacowana jest w przybliżeniu na 10 milionów ton rocznie (2017)

 

Skład biogazu wytwarzanego z materii organicznej deponowanej na składowisku odpadów komunalnych zmienia się w szerokim zakresie, zarówno podczas jego eksploatacji (deponowania odpadów), jak i po zakończeniu składowania i przeprowadzeniu rekultywacji składowiska.
Proces stabilizacji beztlenowej jest jedną z ekologicznie dopuszczalnych form utylizacji odpadów. Jest to proces biochemiczny zachodzący w warunkach beztlenowych. Wielkocząsteczkowe substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste, chemicznie ustabilizowane – głównie metan i dwutlenek węgla. W czasie tego procesu 60% substancji organicznych jest przetwarzanych w gaz fermentacyjny. Najogólniej proces pozyskiwania biogazu polega na redukcji ładunku zanieczyszczeń poprzez proces fermentacji beztlenowej, powodowany działaniem bakterii wytwarzających metan jako produkt ich aktywności

 

Powstający biogaz, nie odprowadzany w sposób kontrolowany, stwarza określone zagrożenia:
wybuchowe, samozapłonu składowisk, zanieczyszczenia wód gruntowych, zanieczyszczenia
powietrza - emisji gazów cieplarnianych i odorów. Dla każdego składowiska odpadów komunalnych
powinno być zapewnione odgazowanie, które może odbywać się w sposób pasywny lub aktywny.
Końcowym elementem każdego systemu odgazowania jest pochodnia, niezbędna nawet wówczas, gdy gaz wysypiskowy wykorzystywany jest jako paliwo w urządzeniach produkujących energię. Pochodnia spełnia swoje zadanie w sytuacjach awaryjnych lub w okresach, gdy występuje nadmiar produkcji gazu w stosunku do możliwości odbioru energii. W wyniku trwania procesów mikrobiologicznych z upływem czasu zmniejsza się ilość substancji organicznych w odpadach i tym samym następuje spadek ilości pozyskiwanego metanu oraz opłacalności jego pozyskania i wykorzystania energetycznego.

 

POWSTAWANIE GAZU WYSYPISKOWEGO

W trakcie składowania odpadów wyodrębnić można pięć podstawowych faz procesów chemicznych i biochemicznych, prowadzących do wytwarzania gazu:

ozebio212.jpgI – FAZA TLENOWA -  trwająca krótko, do kilku tygodni, do czasu wyczerpania się tlenu zawartego w masie odpadów; rozkład substancji organicznych odbywa się z udziałem mikroorganizmów w procesach tlenowych
II – FAZA ACETOGENEZY - Beztlenowa (fermentacja kwaśna), rozpoczyna się z chwilą wyczerpania zapasu tlenu; w tej fazie mikroorganizmy beztlenowe rozkładają substancje organiczne do kwasów organicznych, dwutlenku węgla i wodoru i trwa do kilku miesięcy
III – FAZA METANOGENEZY NIESTABILNA - następuje od chwili gdy w produktach przemian zaczyna się intensywnie uwalniać metan (CH4) oraz dwutlenek węgla (CO2) i trwa do dwóch lat
IV – FAZA METANOGENEZY STABILNA -  charakteryzuje się ustabilizowaniem składu produktów przemian, może trwać do 10 lat
V – FAZA METANOGENEZY ZANIKAJĄCA - tzw. faza wyciszenia, charakteryzuje się zmniejszeniem wydajności metanu aż do zera i znamionuje koniec aktywności biologicznej składowiska, trwa do trzydziestu lat od zamknięcia składowiska.

 

Trochę statystyki

 

ozebio223.jpg

Rys. Składowiska w roku 2017 (dane Infrastruktura komunalna 2017 GUS)

 

ozebio224.jpg

Około 37% instalacji do odgazowywania stanowiły instalacje z gazem uchodzącym bezpośrednio do
atmosfery (podobnie jak w 2016 r.), natomiast 6,6% takie, gdzie powstający na składowisku gaz był unieszkodliwiany z odzyskiem energii cieplnej (wzrost o 0,8 p.proc.). Około 20,3% stanowiły instalacje, przy pomocy których gaz składowiskowy został wykorzystany do produkcji energii elektrycznej (spadek o 0,7 p.proc.). W 2017 r. w wyniku unieszkodliwiania poprzez spalanie ujętego gazu składowiskowego odzyskano około 96 997 tys. MJ energii cieplnej (15,5% więcej niż w 2016 r.) oraz około 121 574 tys. kWh energii elektrycznej (9% mniej niż w 2016 r.).

 

 

ZAGROŻENIA POWODOWANE PRZEZ GAZ WYSYPISKOWY

Gaz wysypiskowy może powodować liczne zagrożenia należące do 5 kategorii:
1. Zagrożenie dla roślin – degradacja strefy ukorzeniania.
2. Zagrożenia dla budowli – osiadanie, wybuchy, pożary.
3. Zagrożenia dla ludzi – nieprzyjemny zapach, niedotlenienie, działanie toksyczne, wybuchy, pożary.
4. Zagrożenie wód – degradacja wód gruntowych.
5. Zagrożenie dla atmosfery – zanieczyszczenie powietrza ” gazami cieplarnianymi”.

Każde z tych zagrożeń może obejmować teren samego składowiska jak i jego otoczenie. Najbardziej istotnym problemem związanym z obecnością metanu jest jego palność. Gdy metan uchodzi bezpośrednio do atmosfery istnieje ryzyko jego wybuchu, należy więc brać pod uwagę możliwość jego zapłonu. Od wielu lat obsługa wysypisk zauważa niewielkie pożary związane z samozapłonem metanu i traktuje je jako jedną z większych uciążliwości związanych z składowaniem odpadów. Przy uzyskaniu odpowiedniego stężenia metanu w powietrzu może powstać mieszanina wybuchowa niosąca za sobą nieprzewidywalne skutki. Na składowiskach w większych aglomeracjach miejskich notuje się szereg wybuchów, szczególnie w ostatnich fazach ich eksploatacji jak i po zakończeniu przyjmowania odpadów. Nie można również pominąć bardzo niekorzystnego wpływu gazów wysypiskowych na atmosferę, przecież to właśnie dwutlenek węgla jak i metan są podstawowymi gazami niszczącymi warstwę ozonową, przy czym metan jest około 20 – 25 razy bardziej szkodliwy niż dwutlenek węgla. Metan ma 20% udział w przyczynach globalnego wzrostu temperatury na Ziemi w ostatniej dekadzie. Ocenia się, że około 10% emisji metanu pochodzi z wysypisk odpadów. Szybko rosnąca liczba mieszkańców Ziemi powoduje stałe zwiększanie się udziału odpadów wśród źródeł emisji metanu. Wzrost zagospodarowania metanu z wysypisk stał się koniecznością dla znaczącego ograniczenia efektu cieplarnianego.

 

Odpady Powinny być składowane na wysypiskach w taki sposób, aby nie stwarzały ryzyka niekontrolowanej migracji gazu. Oznacza to, że zarówno urządzanie jak i eksploatacja każdego wysypiska musi obejmować system przeciwdziałania migracji gazów wysypiskowych do środowiska. Do ochrony przed skutkami niekontrolowanej migracji gazu wysypiskowego stosować można:

– Odgazowanie bierne.
– Odgazowanie aktywne (zasysanie).
– Systemy mieszane.

 

ODGAZOWANIE BIERNE – polega na wykonaniu odwiertów w składowisku, przez całą jego głębokość i zainstalowaniu pochodni spalających gaz wydobywający się pod własnym ciśnieniem, lub tylko kominków wentylacyjnych. Technologia wykonania studni poboru gazu, przy odgazowaniu biernym, zbliżona jest do studni wykonanej do celów odgazowania aktywnego. Jest to jednak mało efektywny sposób odgazowania składowiska, nie dający możliwości wykorzystania gazu do dalszych celów.

ozebio214.jpg

Rys.1 Schemat studni odgazowującej wysypisko odpadów typu biernego.

 

ODGAZOWANIE AKTYWNE (Rysunek 1 poniżej) – różni się od odgazowania biernego tym, iż studnie poboru gazu połączone są ze sobą kolektorami poziomymi, a całość podłączona jest do odpowiednich urządzeń wytwarzających w układzie podciśnienie o stałej wartości. Metoda ta daje większą efektywność odgazowania i pozwala zarazem wykorzystać pozyskany gaz do procesów przetwórczych. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem zagospodarowania gazu wysypiskowego, jest spalanie go w specjalnie przygotowanych pochodniach lub ciepłowniach zasilających w energię cieplną sąsiednie zakłady lub osiedla mieszkalne. Jednak najkorzystniej jest zastosować gaz wysypiskowy jako paliwo do agregatów prądotwórczych wyposażonych w wymienniki ciepła. Uzyskuje się nie tylko „czystą” ekologicznie energię elektryczną, jak i również ciepło, które można dowolnie wykorzystać.

ozebio213.jpg

 

Studnie odgazowujące aktywne

ozebio217.jpg

Rys. Budowa studni aktywnej ozn. 1-odpowietrzenie, 2-studnia (obudowa), 3-kołnierz, 4-przepustnica, 5-przyłącze elastyczne, 6-przedłużka (w razie potrzeby), 7-rura wypływowa, 8-warstwa wyrównawcza, 9-przesuwany pierścień uszczelniający, 10-rura płaszczowa, 11-kołnierz uszczelniający, 12- warstwa rekultywacyjna, 13-przykrycie warstwy filtracyjnej, 14-warstwa filtracyjna, 15-płaszcz uszczelniający, 16-geomebrana, 17- warstwa mineralna, 18-warstwa drenażowa dla gazu, 19-warstwa odpadów, 20-rura drenażowa, 21-obsypka żwirowa, 22-klin uszczelniający, 23-warstwa filtracyjna, 24-przekładka, 

ozebio216.jpgozebio225.jpg

Fot. Zakończenie studni (głowica) z przyłączem gazu elastycznym, po prawej pochodnia

 

Najczęściej stosowane są studnie wiercone. Warto pamiętać, by nie przesadzić z ich średnicą. Studnie o średnicy 500 i więcej mm mogą powodować problemy z uzyskanie wymaganego podciśnienia, które pozwoliłoby odsysać biogaz z odpadów – potwierdza to zarówno praktyka, jak i badania naukowe. Budowa systemów biogazowych, opartych na studniach z tak dużymi średnicami – ze względu na koszty związane z materiałem oraz z dużą trudnością ich wykonania – generuje tylko niepotrzebne, znaczne koszty. W przypadku decyzji o wykorzystaniu studni wierconych najczęściej zastosowanie znajdują studnie o średnicy 300-400 mm i filtry o przekroju rzędu 100-250 mm. Większe średnice studni i filtrów są uzasadnione w zasadzie tylko wtedy, gdy służą one do odpompowywania odcieków.

Warto wspomnieć, że studnie mogą mieć nie tylko budowę pionową ale i horyzontalną (poziomą, rys. poniżej). Pozostawiam przy tym rysunku oryginalną pisownię z języka niemieckiego.

ozebio218.jpg

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});