Emisiile de metan din depozitele de deșeuri degazate pasiv și depozitele mecanico-biologice
Emisiile de metan din depozitele de deșeuri degazate pasiv și depozitarea deșeurilor tratate mecanic-biologic - prognosticul emisiilor și eficacitatea oxidării biologice a metanului - raport final Întocmit de Dr.-Ing. Dipl.-Geogr. Matthias Kühle-Weidemeier * Dipl.-Ing. Heinz Bogon ** * Wasteconsult international Robert-Koch-Str. 48B 30853 Langenhagen www.wasteconsult.de ** Inginer consultant Marschstr. 24 31525 Neustadt am Rbge. www.oekobauconsult.de În numele Agenției Federale de Mediu FKZ: 360 16 015 decembrie 2008
Cuprins 7.1 Evaluarea literaturii 82 7.2 Eficacitatea oxidării biologice a metanului în zonele acoperite ale depozitelor de deșeuri MBT (depozitul de deșeuri Singhofen) 83 8 Eficacitatea oxidării metanului biologic în depozitele de deșeuri cu dezvoltare redusă a gazului rezidual 85 8.1 Experimente pe coloane 85 8.2 Influența climatului asupra eficienței straturilor de oxidare a metanului 92 8.3 Evaluarea literaturii a experimentelor pe coloană și pe teren de Chanton și colab. 94 8.4 Evaluarea literaturii experimentelor de teren 96 8.4.1 Compilarea studiilor de teren (Berger, 2008) 96 8.4.2 Depozit de deșeuri Kuhstedt 97 8.4.3 Depozit de deșeuri Gunsleben 98 8.4.4 Depozite de deșeuri finlandeze 99 8.4.5 Depozite de deșeuri austriece 100 8.4.6 Depozit de deșeuri Fakse, Danemarca 102 8.5 Structura optimizată a straturilor de acoperire pentru oxidarea metanului 104 8.6 Oxidarea metanului în combinație cu etanșarea suprafeței 105 8.7 Proiect BMBF MiMethox 108 8.8 Compilarea rezultatelor ulterioare 109 8.9 Emisii reziduale în teste de teren cu straturi de oxidare a metanului 110 8.10 Sugestii pentru domeniile de aplicare și proiectarea straturilor de oxidare a metanului 112 9 Derivarea valorilor sugerate pentru oxidarea metanului 114 10 Calcule model 117 11 Verificări ale plauzibilității și incertitudinea metodei 121 12 Rezumat 124 13 Referințe 126
2 Bazele oxidării biochimice a metanului Toleranță ridicată a pH-ului (> 5,5-8,5) Intervalul de temperatură este indicat foarte diferit (parțial 20-37 C, parțial și 2%) numai într-un interval îngust. Studiile anterioare arată, începând de la suprafața solului după o zonă mică, fără concentrații de metan (deci fără activitate de oxidare), o creștere rapidă a activității de oxidare până la o valoare de vârf, posibil valori constante pe o adâncime de câțiva centimetri și apoi o scădere rapidă a activităților. Măsurătorile făcute până acum arată că această zonă de oxidare are o grosime maximă de aproximativ 20-30 cm. Valoarea informativă a celor mai mici teste în laborator în diferite condiții limită (inclusiv temperatura camerei) nu este întotdeauna dată. Cifrele date în literatură ar trebui, prin urmare, să fie întotdeauna utilizate cu prudență. Din aceasta nu există nici un curs sezonier al ratelor de oxidare, nici oxidarea pe termen lung de-a lungul anilor sau chiar FKZ 360 16 015 4
2 Bazele oxidării biochimice a metanului - cu toate acestea, curba de temperatură nu poate fi adoptată pur și simplu pentru situația locală. Fig. 2-3: Influența temperaturii asupra oxidării metanului (Gebert, 2007) Fig. 2-4: Schimbarea anuală a temperaturii în funcție de adâncimea unui sol lângă Königsberg (conform Schmidt & Leyst, citat în Scheffer și colab., 2002) FKZ 360 16 015 6
2 Bazele oxidării biochimice a metanului 2.3 Influența conținutului de apă din sol asupra oxidării metanului În Figura 2-5 și Figura 2-6, influența conținutului de apă din sol asupra performanței de oxidare este prezentată ca exemplu. Acest parametru este, fără îndoială, mai complex decât temperatura parametrului, deoarece umiditatea este esențială pentru microorganisme, i.a. influențează puternic mișcarea gazelor în sol, determină difuzia ambelor gaze (metan și oxigen) în direcția microorganismelor și formează un parametru general important pentru structura solului. Fig. 2-5: Influența conținutului de apă din sol asupra ratei de oxidare a metanului (Czepiel și colab., 1996) (a - stânga sus); Valori de la o rată de oxidare normalizată la relativă de 1 la conținutul optim de apă (b sus dreapta); Influența conținutului de apă din sol asupra ratei de conversie a metanului (Börjesson și colab., 1997) (c mai jos) compilată din Ehrig și colab., 2000 FKZ 360 16 015 7
2 Bazele oxidării biochimice a metanului Fig. 2-6: Influența conținutului de apă din sol asupra oxidării metanului (Gebert, 2007) 2.4 Influența modificărilor presiunii aerului Gebert a testat un sistem de biofiltru cu 2 camere pasiv, la scară largă, pentru oxidarea metanului la depozitul de nămol al portului din Hamburg Francop în 2004. În cadrul programului extins de măsurare, s-au efectuat și măsurători ale presiunii diferențiale (presiunea aerului, presiunea gazului de depozitare în conducta de gaz brut). Au fost determinate influențe foarte mari ale modificărilor presiunii aerului asupra volumului de gaz emis. O comparație grafică a presiunii aerului, a presiunii diferențiale, a debitului volumic și a compoziției gazelor din conducta de gaz brut la biofiltru este prezentată mai jos. FKZ 360 16 015 8
2 Bazele oxidării biochimice a metanului 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 Capacitate aer (vol.%) Volumul porilor umpluți cu aer (vol.%) Figura 2-9 Relația dintre gradul de compactare, volumul porilor umplu cu aer și Difuzivitate. 2.5.4 Influența fluxului de gaz convecțional al deșeurilor asupra difuziei oxigenului în straturile de acoperire a depozitului de deșeuri Relația dintre volumul porilor umpluți cu aer și coeficientul de difuzie rezultat din Figura 2-8 a fost utilizat de Gebert, Gröngröft (2008) ca bază pentru o simulare a profilurilor de concentrație de oxigen într-unul fictiv Stratul de acoperire a depozitului de deșeuri utilizat pentru diferite scenarii de debit convectiv de gaz de depozitare (Fig. 2-10) FKZ 360 16 015 12
2 Bazele oxidării biochimice a metanului 0 20 D s = -8 2 eff = 8 * 10-8 m/s 2/s PV umplut cu aer PV = PV 11,03 = 11 vol. %% A Adâncime adâncime (cm) 40 60 80 100 0,83 lm -2 h -1 2 4 6 Debit convectiv 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 concentrație -concentrare (%) (Vol.%) 0 20 D s -7 2 eff = 5,7 * 10-7 m 2/s PV umplut cu aer PV = PV 16 = Vol.% 16% B Adâncime Adâncime (cm) (cm) 40 60 80 100 0,83 lm -2 h -1 2 4 Convectiv 6 debit 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 -concentrare O 2 -concentrare (Vol.%) (%) 0 20 D s -6 2 eff = 1,06 * 10-6 m 2/s/s Aer umplut cu aer- PV umplut = PV 21 = Vol.% 21% C Adâncime Adâncime (cm) 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 OO 2 -concentrare (%) 2 -concentrare (Vol.%) Fig. 2 -10 Simularea profilurilor de concentrație de O 2 pentru scenarii de difuzivitate scăzută (A), medie (B) și ridicată (C) și diverse fluxuri de gaze de convecție în depozit (Gebert și Gröngröft, 2008) FKZ 360 16 015 13
2 Bazele oxidării biochimice a metanului Un material poate fi evaluat ca fiind adecvat dacă ratele de degradare a metanului determinate în condiții ideale de laborator sunt cât se poate de constante la 100% după o fază de adaptare de aproximativ una până la două săptămâni (adică întregul metan furnizat trebuie degradat în funcție de situația de emisie preconizată a zăcământului ). Dacă alimentarea cu metan crește la dublul cantității de gaz de așteptat la fața locului, ratele de degradare nu ar trebui să scadă sub 70-80%. Tabelul 2-1 Materiale comparative cercetate pentru capacitatea de oxidare a metanului cu unii parametri de caracterizare relevanți (Huber-Humer și colab., 2008) m = mediană (medie), min max = intervalul de valori de la cea mai mică la cea mai mare valoare măsurată; LPV = volum de pori grosier/mediu umplut cu aer determinat de metoda de retenție a apei în coloanele de testare FKZ 360 16 015 15
6 Derivarea valorilor sugerate pentru constanta de reacție Tabelul 6-3 Intervalele de incertitudine ale constantei de reacție k sau timpul de înjumătățire T 1/2 în funcție de tipul de depozit (valori rotunjite) Categorie de deșeuri degradabilă rapid mediu-dificil degradabil lent depozitat tip de depozit k [1/a] T 1/2 [a ] k [1/a] T 1/2 [a] k [1/a] T 1/2 [a] 1 vechi depozite de deșeuri sau vechi secțiuni de depozitare (vechi state federale) înainte de introducerea colecției în mare măsură cuprinzătoare de deșeuri biologice, deșeuri de grădină și alte materiale reciclabile, adesea amestecat cu cantități considerabile de moloz și sol, până în jurul anului 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 vechi depozite de deșeuri (noi state federale) cu un conținut relativ mic de cenușă organică, dar ridicat, până în jurul anului 1990 0,35-0,17 2,0 4,0 0,13 0,10 5,3 6,9 0,04-0,03 17-23 3 mai nou Depozite de deșeuri sau secțiuni de deșeuri pentru deșeuri municipale mixte după introducerea colecției de materiale reciclabile în general, din 1995 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 depozite de deșeuri sau secțiuni de depozitare a deșeurilor din pretratarea deșeurilor mecanico-biologice (depozite de deșeuri MBT), din 2005 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 Eficacitatea oxidării biologice a metanului în depozitele de deșeuri cu dezvoltare scăzută a gazelor reziduale Tabelul 8-3: Comparația rezultatelor privind degradarea metanului de către diferiți autori (teste pe coloane, compilare conform Felske, 2003) Aceste diferențe experimentale nu permit o comparație mai precisă a rezultatelor. Cu toate acestea, conform Felske, 2003, următoarele afirmații principale pot fi derivate din rezultatele prezentate: Substraturile cu un conținut mai mare de organice, în special compostul copt, prezintă rate de degradare a metanului foarte ridicate. Substraturile adaptate metanului asigură rate de degradare inițiale mai ridicate Rata de degradare a metanului crește pe măsură ce scade încărcarea suprafeței.Timpul de contact al metanului cu bacteriile metanotrofe din substrat joacă un rol cheie în performanța de degradare. Metanul poate fi absorbit doar de microorganisme sub formă dizolvată. Deoarece solubilitatea metanului în biofilmul lichid este relativ scăzută, necesită un anumit timp de contact pentru a se transforma într-o formă disponibilă pentru microorganisme. FKZ 360 16 015 91
8 Eficacitatea oxidării biologice a metanului în depozitele de deșeuri cu dezvoltare scăzută a gazelor reziduale Emisiile de metan ale depozitului de deșeuri au fost puternic influențate de fluctuațiile presiunii aerului (Fig. 8-2). Fig. 8-2 Emisiile de metan din depozitul de deșeuri Aikkala în funcție de modificările presiunii aerului. a) 25 ianuarie, 15 februarie 2008, b) 22 mai - 19 iunie 2008 Iarna, oxidarea metanului în condiții de presiune atmosferică stabilă a fost cuprinsă între 0,5 și 3,0 m³ ha -1 oră -1 (Fig. 8-3), Acest lucru a dus la o rată de oxidare de 33%, în ciuda unei temperaturi a solului acoperite cu zăpadă de numai 0,5 C. La depozitul de deșeuri Pikijärvi, iarna s-a atins o rată de oxidare de 38%. Vara, rata de oxidare s-a dublat aproximativ. FKZ 360 16 015 93
8 Eficacitatea oxidării biologice a metanului în depozitele de deșeuri cu dezvoltare redusă a gazelor reziduale 8.4 Evaluarea literaturii testelor de teren 8.4.1 Compilarea testelor de teren (Berger, 2008) Tabelul 8-5: Oxidarea metanului în solurile de depozitare din testele de teren (compilare conform lui Berger, 2008) 1 Valori medii, cu excepția cazului în care sunt date intervale. Determinată prin diferite metode de măsurare: măsurarea statică și dinamică a hotei, echilibrul de masă 2 Conversie din valorile inițiale în ipoteza: Rata de degradare = rata de emisie/(1 eficiență) 3 Valorile negative rezultă din absorbția metanului atmosferic în podeaua depozitului de deșeuri FKZ 360 16 015 96