SKŁADOWANIE ODPADÓW
14.4. Gazy powstające na składowisku
Fermentacja odgrywa istotną rolę w metabolizmie i procesach rozkładu odpadów.
Sprzyjają jej liczne bakterie beztlenowe oraz grzyby (drożdże). Podstawowymi produktami przemiany substratów jest metan, dwutlenek węgla, siarkowodór, woda oraz niewielka ilość biomasy organicznej. Część z wymienionych substancji zostaje spożytkowana przez bakterie, a reszta wydziela się jako mieszanina gazów o nazwie biogaz (gaz składowiskowy).
Biogaz jest mieszaniną różnych gazów (tabela 15). W jego skład wchodzi przede wszystkim metan, w ilości około 40÷60% i dwutlenek węgla w ilości około 30÷40%.
Pozostałe domieszki to śladowe ilości innych gazów, na które składają się azot (N2), argon (Ar), wodór (H2), tlenek diazotu (N2O) oraz lotne związki organiczne silnie odoroczynne:
merkaptany, siarkowodór (H2S), amoniak (NH3), pary rtęci (Hg). Ponadto w biogazie zwarych jest około 130 do 350 innych gazowych związków chemicznych, w tym gazów szlachetnych z atmosfery.
Naturalne środowisko zewnętrzne (otaczające składowisko) oraz środowisko wewnętrzne złoża odpadów znacząco wpływa na intensywność produkcji i wydzielania się biogazu. Ilość wydzielanych składników gazowych zależy od prędkości wymiany pomiedzy fazą ciekłą i gazową. Powstające gazy rozpuszczane są w wodzie aż do osiągnięcia stanu
144 równowagi dla określonego ciśnienia parcjalnego gazu nad fazą ciekłą. Gdy równowaga fazowa zostaje osiągnięta, gaz ulatnia się z szybkością równą szybkości jego powstawania w biochemicznych procesach. Podstawowymi parametrami wpływającymi na intensywność ulatniania się gazów są: rodzaj mikroorganizmów, ich ilość, temperatura otoczenia zewnętrznego i wewnętrznego złoża odpadów, pH środowiska, potencjał redox, ilość wody powstającej w procesie rozkładu i wód opadowych, skład chemiczny odpadów, ciśnienie zewnętrzne i wewnętrzne złoża odpadów, a także wiek składowiska.
Tabela 15. Główne lotne składniki biogazu składowiskowego (J.Lemański, 1993)
Procentowy udział składników gazu wysypiskowego (objętościowo)
CH4 – metan 15-60%
CO2 – dwutlenek węgla 10-14 %
N2 – azot 1 – 6 %
O2 – tlen 1 – 8 %
H2S – siarkowodór 1 %
Ponadto w śladowych ilościach występuje: etan, węglowodory aromatyczne, węglowodory alifatyczne, tlenek węgla i inne.
14.4.1. BIOGAZ - zagrożeniem dla środowiska naturalnego?
Składowiska odpadów są budowlami, a raczej bioreaktorami, które oddziałują na środowisko naturalne przez wiele lat. Szacuje się, że średni „czas życia” składowiska wynosi około 20÷30 lat. Jednostkowe składowisko charakteryzuje pewna różnica ciśnień pomiędzy jego wnętrzem a otoczeniem. Różnica ciśnień wpływa na uruchomienie procesu dyspersji (migracji) biogazu z warstw o ciśnieniu większym do warstw o ciśnieniu mniejszym.
Migrujący biogaz napotyka opory przepływu, które zależą od przepuszczalności podłoża składowiska i jego ścian, przepuszczalności wykonanych warstw izolacyjnych. W przypadku znalezienia ujścia może migrować poza strefę składowiska na znaczne odległości. Penetracja gruntu następuje we wszystkich możliwych kierunkach. Gaz wykorzystuje do tego różnego rodzaju pory i szczeliny w skałach i w gruncie, podziemne studzienki, pomieszczenia piwniczne budowli podziemnych i nadziemnych. Może być także, w postaci rozpuszczonej, wynoszony z wodą.
Skutki tej penetracji to możliwość:
niekontrolowanych, nagłych eksplozji gazu,
niekontrolowanego samozapłonu a tym samym pożaru,
toksycznego oddziaływania na ludzi i zwierzęta,
obumieranie roślin w wyniku blokady dostępu do ich korzeni tlenu,
145
zwiększenia efektu cieplarnianego, bowiem uznany jest za gaz szklarniowy.
Uwalniający się ze składowiska biogaz stanowi poważne zagrożenie i zanieczyszczenie dla środowiska naturalnego. Posiada bowiem właściwości wybuchowe już przy koncentracji CH4 w powietrzu około 5÷15%. Powyżej 15% koncentracji w powietrzu jest palny.
Właściwości toksyczne biogazu spowodowane są obecnością w nim siarkowodoru.
Siarkowodór powstaje w przemianach, jakim podlega substancja organiczna, zawierająca np.
aminokwasy i białka, w których siarka jest ważnym drugorzędnym składnikiem. Podczas rozkładu martwej materii organicznej zawierającej siarkę, przy współudziale mikroorganizmów i w warunkach beztlenowych, wydziela się siarczek wodoru (H2S).
Związek ten częściowo ulatnia się jako gaz, a częściowo może reagować w obecności wody z jonami metali ciężkich (np. Ag, Cu, Cd, Hg, Sn, As, Sb) tworząc łatwo rozpuszczalne siarczki.
Biogaz, z uwagi na znaczną zawartość metanu, charakteryzuje się wysoką wartością opałową, która wynosi około 20 – 25 MJ/m3 gazu. Dla porównania: wartość opałowa gazu ziemnego wynosi ok. 38 MJ/m3 gazu, a wartość opałowa 1 t węgla umownego 29,3 MJ/kg.
Optymalny stosunek stężeń powietrza i biogazu, przy którym następuje jego całkowite spalenie wynosi około 94% CH4 w powietrzu. Stosunek ten, w przypadku biogazu, ulega zmianie z uwagi na zawartość w nim składników niepalnych.
Ilość biogazu, jaką można otrzymać ze składowanych odpadów, obliczyć można z reakcji stechiometrycznych rozkładu celulozy. Zawiera ona około 30÷90% całkowitej liczby atomów węgla występujących w roślinach i stanowi główny materiał budulcowy ich komórek, białek, tłuszczów i innych składników organicznych.
Źródła literaturowe podają teoretyczne wartości, jakie można otrzymać z 1 kg:
węglowodanów około 0,415 m3n CH4 i 0,145 m3n CO2;
białek około 0,547 m3n CH4 i 0,516 m3n CO2;
tłuszczów około 1,095 m3n CH4 i 0,449 m3n CO2.
Natomiast z 1 tony surowych odpadów organicznych otrzymać można około 50÷120 m3n CH4.
Podane liczby stanowią wartość teoretyczną, bowiem w warunkach rzeczywistych, na skutek naturalnych procesów zachodzących w złożu odpadów, składowisko jest swoistym
„bioreaktorem”. Zachodzą w nim, omówione wyżej, bardzo skomplikowane procesy tlenowe i beztlenowe oraz pośrednie pomiędzy tymi procesami. Rodzaj i liczba mikroorganizmów oraz ich metabolizm ulega zmianom, w zależności od warunków środowiskowych panujących
146 wewnątrz i na zewnątrz składowiska. Część substratów zużywana jest przez mikroorganizmy na podtrzymanie ich procesów życiowych, część wchodzi w reakcje chemiczne ulegając wytrąceniu lub rozpuszczeniu w wodzie naturalnej zawartej w masie odpadów.
Ilość powstającego biogazu na składowisku obliczyć można na podstawie poniższego wzoru (M.Żygadło, 1998):
„t” (wyrażonego w latach) ilość biogazu Ge’ obliczyć można ze wzoru (M. Żygadło, 1998):
Ge’ = 157 (1 – e-0,07· t) [m3n/Mg].
W przypadku składowisk starych do obliczenia ilości możliwego do powstania biogazu posłużyć się można jednostką powierzchni składowiska, według wzoru (M.Żygadło, 1998):
Gp = 0,03 – 0,08 [m3n CH4/(m2 · h)]
Szacuje się, że w Polsce do atmosfery emituje się rocznie około ponad 80 tys. m3 biogazu, co odpowiada 120 MW energii elektrycznej.
Metan, podstawowy składnik biogazu, jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i palnym. Spala się bez dymu, bez zapachu, sadzy i popiołu, przez co nie traci ciepła unoszonego z popiołem. Podczas spalania wytwarza znacznie mniej dwutlenku węgla niż inne spalane paliwa (około 0,2 kg CO2/1 kg paliwa). Charakteryzuje się równomierną temperaturą spalania i łatwością dostosowania płomienia (i jego regulacji) do wielkości palnika.
Podstawowymi właściwościami fizykochemicznymi metanu są:
współczynnik ściśliwości: 0,288 (wyznaczony w temperaturze krytycznej i pod ciśnieniem krytycznym),
ciepło właściwe:
przy stałym ciśnieniu: 2,2 KJ/(kg · K),
przy stałej objętości: 1,69 KJ/(kg · K),
ciepło spalania: 35,8 tys. KJ/m3 (w temp. 00C i p = 0,1013 MPa), granica wybuchowości w mieszaninie z powietrzem w warunkach normalnych:
147
dolna: 5,0 % objętości,
górna: 15,0% objętości,
zużycie powietrza przy spalaniu: 9,53 m3/m3,
liczba oktanowa oznaczona metodą silnikową (LOM): 100.
Metan i dwutlenek węgla, obok związków azotu i związków fenolowych, uznawane są za gazy szklarniowe (cieplarniane). Efekt cieplarniany oparty jest na zjawisku promieniowania słonecznego. Promieniowanie słoneczne, jakie dociera do atmosfery ziemskiej, równoważone jest taką samą ilością promieniowania opuszczającego atmosferę.
Wzrost ilości cząsteczek absorbujących widmo promieniowania podczerwonego w atmosferze powoduje wzrost jej temperatury. Proces ten trwa do momentu ustalenia się nowego stanu równowagi pomiędzy ilością promieniowania emitowanego a pochłoniętego.
Metan, podobnie jak dwutlenek węgła, posiada zdolność absorpcji widma promieniowania podczerwonego. Jednak metan wykazuje dwudziestokrotnie większą aktywność absorpcji widma od dwutlenku węgla.