Emisie metánu z pasívne odplynených skládok a mechanicko-biologického ukladania
Emisie metánu z pasívne odplyňovaných skládok a ukladania mechanicky-biologicky upraveného odpadu - prognóza emisií a účinnosť biologickej oxidácie metánu - záverečná správa Vypracoval Dr.-Ing. Dipl.-Geogr. Matthias Kühle-Weidemeier * Dipl.-Ing. Heinz Bogon ** * Wasteconsult international Robert-Koch-Str. 48B 30853 Langenhagen www.wasteconsult.de ** Konzultačný inžinier Marschstr. 24 31525 Neustadt am Rbge. www.oekobauconsult.de V mene Federálnej agentúry pre životné prostredie FKZ: 360 16 015 december 2008
Obsah 7.1 Vyhodnotenie literatúry 82 7.2 Účinnosť biologickej oxidácie metánu na pokrytých plochách skládok MBT (skládka Singhofen) 83 8 Účinnosť biologickej oxidácie metánu na skládkach s nízkym vývojom zvyškového plynu 85 8.1 Stĺpcové experimenty 85 8.2 Vplyv podnebia na účinnosť vrstiev oxidácie metánu 92 8.3 Vyhodnotenie literatúry stĺpcových a poľných experimentov autori Chanton a kol. 94 8.4 Hodnotenie literatúry o poľných experimentoch 96 8.4.1 Zostavenie terénnych štúdií (Berger, 2008) 96 8.4.2 Skládka odpadu Kuhstedt 97 8.4.3 Skládka odpadu Gunsleben 98 8.4.4 Fínske skládky odpadu 99 8.4.5 Rakúske skládky odpadu 100 8.4.6 Fakse skládka odpadu, Dánsko 102 8,5 Optimalizovaná štruktúra krycích vrstiev na oxidáciu metánu 104 8.6 Oxidácia metánu v kombinácii s povrchovým tesnením 105 8.7 Projekt BMBF MiMethox 108 8.8 Zostavenie ďalších výsledkov 109 8.9 Zvyškové emisie pri terénnych skúškach s vrstvami oxidácie metánu 110 8.10 Návrhy oblastí použitia a návrhu vrstiev oxidácie metánu 112 9 Odvodenie navrhovaných hodnôt pre oxidáciu metánu 114 10 Modelové výpočty 117 11 Kontroly hodnovernosti a neistota metódy 121 12 Zhrnutie 124 13 Odkazy 126
2 Základy biochemickej oxidácie metánu Vysoká tolerancia pH (> 5,5-8,5) Teplotný rozsah je uvedený veľmi odlišne (čiastočne 20 - 37 ° C, čiastočne tiež 2%) iba v úzkom rozmedzí. Doterajšie výskumy ukazujú, počnúc povrchom pôdy, po malej ploche bez koncentrácií metánu (teda bez oxidačnej aktivity), rýchly nárast oxidačnej aktivity až po maximálnu hodnotu, hodnoty možno konštantné v priebehu niekoľkých centimetrov a potom rýchly pokles aktivít. Doterajšie merania ukazujú, že táto oxidačná oblasť má maximálnu hrúbku približne 20 - 30 cm. Informatívna hodnota najmenších testov v laboratóriu za rôznych okrajových podmienok (vrátane teplôt v miestnosti) nie je určite vždy uvedená. Čísla uvedené v literatúre by sa preto mali vždy používať opatrne. Z toho nie je možný sezónny priebeh oxidačných rýchlostí ani dlhodobá oxidácia v priebehu rokov alebo dokonca FKZ 360 16 015 4
2 Základy biochemickej oxidácie metánu - teplotnú krivku však nie je možné jednoducho prevziať pre miestnu situáciu. 2-3: Vplyv teploty na oxidáciu metánu (Gebert, 2007) Obr. 2-4: Ročná zmena teploty ako funkcia hĺbky v pôde blízko Königsbergu (podľa Schmidt & Leyst, cit. Scheffer et al, 2002) FKZ 360 16 015 6
2 Základy biochemickej oxidácie metánu 2.3 Vplyv obsahu vody v pôde na oxidáciu metánu Na obrázku 2-5 a obrázku 2-6 je ako príklad uvedený vplyv obsahu vody v pôde na oxidačnú schopnosť. Tento parameter je nepochybne ešte zložitejší ako teplota parametra, pretože pre mikroorganizmy je vlhkosť nevyhnutná, okrem iného silne ovplyvňuje pohyb plynov v pôde, určuje difúziu oboch plynov (metán a kyslík) v smere mikroorganizmov a celkovo predstavuje dôležitý parameter pre štruktúru pôdy. Obr. 2-5: Vplyv obsahu pôdnej vody na rýchlosť oxidácie metánu (Czepiel et al., 1996) (a - vľavo hore); Hodnoty od normalizovanej po relatívnu rýchlosť oxidácie 1 pri optimálnom obsahu vody (b vpravo hore); Vplyv obsahu vody v pôde na rýchlosť premeny metánu (Börjesson et al., 1997) (c nižšie) zostavený z Ehrig et al, 2000 FKZ 360 16 015 7
2 Základy biochemickej oxidácie metánu Obr. 2-6: Vplyv obsahu pôdnej vody na oxidáciu metánu (Gebert, 2007) 2.4 Vplyv zmien tlaku vzduchu Gebert v roku 2004 testoval rozsiahly pasívny dvojkomorový systém biofiltrov na oxidáciu metánu na skládke bahna v prístave Francop v roku 2004. V rozsiahlom programe merania sa uskutočňovali aj merania rozdielového tlaku (tlak vzduchu, tlak skládkového plynu v potrubí surového plynu). Boli stanovené veľmi veľké vplyvy zmien tlaku vzduchu na objem emitovaného plynu. Grafické porovnanie tlaku vzduchu, rozdielového tlaku, objemového prietoku a zloženia plynu v potrubí surového plynu do biofiltru je uvedené nižšie. FKZ 360 16 015 8
2 Základy biochemickej oxidácie metánu 3,0x10-6 75% Proctor 1,25 g/cm 3 D eff (m 2/s) 2,5x10-6 2,0x10-6 1,5x10-6 1,0x10-6 5,0x10- 7 85% Proctor 1,42 g/cm 3 95% Proctor 1,59 g/cm 3 0,0 15 20 25 30 35 Kapacita vzduchu (obj.%) Vzduchom naplnený objem pórov (obj.%) Obrázok 2-9 Vzťah medzi stupňom zhutnenia, objemom vzduchu vyplneným pórom a Difúznosť. 2.5.4 Vplyv konvekčného prúdenia skládkového plynu na difúziu kyslíka v krycích vrstvách skládky Vzťah medzi objemom pórov naplneným vzduchom a difúznym koeficientom, ktorý vyplýva z obrázku 2-8, použil Gebert, Gröngröft (2008) ako základ pre simuláciu profilov koncentrácie kyslíka vo fiktívnom Krycia vrstva skládky použitá pre rôzne scenáre konvekčného prúdenia skládkového plynu (obr. 2-10). FKZ 360 16 015 12
2 Základy biochemickej oxidácie metánu 0 20 D s = -8 2 eff = 8 * 10-8 m/s 2/s Plnené vzduchom Plnené vzduchom PV = PV 11,03 = 11 obj. %% A Hĺbka hĺbky (cm) 40 60 80 100 0,83 lm -2 h -1 2 4 6 Konvekčný prietok 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 koncentrácia -koncentrácia (%) (objem.%) 0 20 D s -7 2 eff = 5,7 * 10-7 m 2/s Plnené vzduchom Plnené vzduchom PV = PV 16 = Objem% 16% B Hĺbka Hĺbka (cm) (cm) 40 60 80 100 0,83 lm -2 h -1 2 4 Konvekčné 6 prietok 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 -koncentrácia O 2 -koncentrácia (obj.%) (%) 0 20 D s -6 2 eff = 1,06 * 10-6 m 2/s/s Vzduchom naplnený vzduch- naplnené PV = PV 21 = objem% 21% C hĺbka hĺbka (cm) 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 OO 2 -koncentrácia (%) 2 -koncentrácia (objemové%) Obr. 2 -10 Simulácia profilov koncentrácie O 2 pre scenáre nízkej (A), strednej (B) a vysokej (C) difúznosti a rôznych prúdov konvekčného skládkového plynu (Gebert a Gröngröft, 2008) FKZ 360 16 015 13
2 Základy biochemickej oxidácie metánu Materiál možno považovať za vhodný, ak sú rýchlosti degradácie metánu stanovené za ideálnych laboratórnych podmienok čo najstálejšie pri 100% po adaptačnej fáze približne jedného až dvoch týždňov (t. J. Celý dodaný metán by sa mal degradovať podľa očakávanej emisnej situácie ložiska) ). Ak sa prívod metánu zvýši na dvojnásobok množstva plynu, aké sa dá očakávať na mieste, rýchlosť degradácie by nemala klesnúť pod 70-80%. Tabuľka 2-1 Porovnávané materiály skúmané pre oxidačnú kapacitu metánu s niektorými relevantnými charakterizačnými parametrami (Huber-Humer a kol., 2008) m = medián (priemer), min max = rozsah hodnôt od najmenšej po najväčšiu nameranú hodnotu; LPV = vzduchom naplnený hrubý/stredný objem pórov stanovený metódou zadržiavania vody v testovacích kolónach FKZ 360 16 015 15
6 Odvodenie navrhovaných hodnôt pre reakčnú konštantu Tabuľka 6-3 Rozsahy neistôt reakčnej konštanty k alebo polčasu rozpadu T 1/2 v závislosti od typu skládky (zaokrúhlené hodnoty) Kategória odpadu rýchlo rozložiteľný stredne ťažký rozložiteľný pomaly rozložiteľný typ skládky k [1/a] T 1/2 [a ] k [1/a] T 1/2 [a] k [1/a] T 1/2 [a] 1 starých skládok alebo starých častí skládok (staré spolkové krajiny) pred zavedením rozsiahleho komplexného zberu biologického odpadu, záhradného odpadu a iných recyklovateľných materiálov, často zmiešané so značným množstvom stavebnej drviny a zeminy, až okolo 1995 0,46 0,20 1,5 3,5 0,17 0,12 4,1 5,8 0,045 0,035 15,4 19,8 2 staré skládky (nové spolkové krajiny) s relatívne nízkym obsahom organických látok, ale s vysokým obsahom popola, približne do roku 1990 0,35-0,17 2,0 4,0 0,13 0,10 5,3 6,9 0,04-0,03 17-23 3 novšie Skládky alebo časti skládok zmesového komunálneho odpadu po zavedení plošného zberu recyklovateľných materiálov, približne od roku 1995 0,28 0,15 2,5 4,5 0,12-0,085 5,8 8,2 0,035-0,028 19,8 24,8 4 skládky alebo sekcie skládok odpadu z mechanicko-biologického predčistenia odpadu (skládky MBT), od roku 2005 0,23 0,14 3,0 5,0 0,10-0,06 6,9 11,5 0,035 -0,028 19,8 24,8 FKZ 360 16 015 81
8 Účinnosť biologickej oxidácie metánu na skládkach s nízkym vývojom zvyškového plynu Tabuľka 8-3: Porovnanie výsledkov degradácie metánu rôznymi autormi (stĺpcové testy, kompilácia podľa Felske, 2003) Tieto experimentálne rozdiely neumožňujú presnejšie porovnanie výsledkov. Podľa Felske z roku 2003 však z predložených výsledkov možno odvodiť nasledujúce hlavné tvrdenia: Substráty s vyšším organickým obsahom, najmä zrelý kompost, vykazujú veľmi vysoké rýchlosti degradácie metánu. Substráty upravené na metán poskytujú vyššie počiatočné rýchlosti degradácie. Rýchlosť degradácie metánu stúpa so znižovaním povrchového zaťaženia. Doba kontaktu metánu s metanotrofnými baktériami v substráte hrá kľúčovú úlohu pri degradácii. Metán môžu mikroorganizmy absorbovať iba v rozpustenej forme. Pretože je rozpustnosť metánu v kvapalnom biofilme relatívne nízka, vyžaduje si určitý čas kontaktu, aby sa zmenil na formu dostupnú pre mikroorganizmy. FKZ 360 16 015 91
8 Účinnosť biologickej oxidácie metánu na skládkach s nízkym vývojom zvyškového plynu Emisie metánu zo skládky boli silne ovplyvnené kolísaním tlaku vzduchu (obr. 8-2). Obr. 8-2 Emisie metánu zo skládky Aikkala v závislosti od zmien tlaku vzduchu. a) 25. januára, 15. februára 2008, b) 22. mája až 19. júna 2008, v zime sa oxidácia metánu za podmienok stabilného atmosférického tlaku pohybovala medzi 0,5 a 3,0 m³ ha -1 h -1 (obr. 8-3), To malo za následok rýchlosť oxidácie 33% napriek teplote pôdy zasneženej pokrývky iba 0,5 ° C. Na skládke Pikijärvi sa v zime dosiahla rýchlosť oxidácie 38%. V lete sa rýchlosť oxidácie zhruba zdvojnásobila. FKZ 360 16 015 93
8 Účinnosť biologickej oxidácie metánu na skládkach s nízkym vývojom zvyškového plynu 8.4 Hodnotenie literatúry poľných testov 8.4.1 Zostavovanie poľných testov (Berger, 2008) Tabuľka 8-5: Oxidácia metánu na skládkach z poľných testov (kompilácia podľa Berger, 2008) 1 Priemerné hodnoty, pokiaľ nie sú uvedené rozpätia. Určené rôznymi metódami merania: statické a dynamické meranie kapoty, hmotnostná bilancia 2 Prepočítané z pôvodných hodnôt za predpokladu: miera degradácie = miera emisií/(1 účinnosť) 3 negatívne hodnoty sú výsledkom absorpcie atmosférického metánu v podlahe skládky FKZ 360 16 015 96