Archives of Waste Management and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 1 (2005), p-55-62
Uciążliwość ekologiczna utylizacji biogazu
na składowiskach odpad…w
Pikoń K.
Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpad‚w, Politechnika Śląska w Gliwicach
ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, tel. (32) 232-12-13, fax (32) 232-11-67 e-mail: pikon@waste.ise.polsl.gliwice.pl
Streszczenie
W artykule dokonano analizy uciążliwości ekologicznej emisji gazowej ze składowisk odpad„w nie posiadających systemu akwizycji biogazu oraz składowisk w kt„rych biogaz jest ujmowany i wykorzystywany do cel„w energetycznych. Dokonane zostało por„wnania obu wariant„w pod względem ekologicznym – biorąc pod uwagę zmianę składu oraz ilości gaz„w. Całość rozważań została oparta na konkretnym przykładzie rozwiązań i instalacji funkcjonującej na „Miejskim Wysypisku Odpad„w” w Gliwicach.
Abstract
Environmental impact of biogas from waste dump
In the article environmental impact of gas emission from waste dump which is not equipped with biogas acquisition system and waste dump where biogas is being used for energetic purposes has been shown. On the basis of composition and quantity of biogas comparison of two scenarios – with and without biogas utilization – has been made. The comparison was made taking as an example real waste dump in Gliwice.
1. Wstęp
Biogaz jest produktem proces„w naturalnego rozkładu zachodzących w masie deponowanych odpad„w. Ze względu na sw„j skład – w tym przede wszystkim gazy cieplarniane – stanowi on potencjalne zagrożenie dla środowiska naturalnego. Wartość kaloryczna biogazu jest znaczna i pozwala na jego wykorzystanie energetyczne. Takie postępowanie jest elementem racjonalnej gospodarki odpadami.
W Polsce istnieje około 800 ewidencjonowanych składowisk odpad„w komunalnych [1]. Składowiska te, gł„wnie ze względu na wydzielający się biogaz, są źr„dłem zagrożenia dla środowiska naturalnego i mieszkańc„w pobliskich okolic. Biogaz nie jest toksyczny, można się jednak nim udusić ze względu na małą zawartość tlenu. Większe zagrożenie stanowi łatwopalność tego gazu – przy stężeniu metanu, kt„ry jest jego gł„wnym składnikiem, w granicach 5–15% powstaje (w połączeniu z powietrzem) mieszanina wybuchowa [1]. Pożar na wysypisku jest trudny do opanowania i może trwać miesiącami, emitując w tym czasie do atmosfery znaczne ilości CO,CO2, dioksyn, furan•w i sadzy.
Badania wykazały, że emisja metanu z wysypisk śmieci wywołuje 25–krotnie większy efekt cieplarniany niż dwutlenek węgla [1]. Dlatego koniecznością jest wykorzystanie w spos•b zorganizowany biogazu.
Biogaz stanowi realne:
zagrożenia dla roślin (degradacja strefy ukorzenienia) zagrożenia dla budowli (osiadanie, wybuchy, pożary)
zagrożenia dla ludzi (nieprzyjemny zapach, niedotlenienie, działanie toksyczne, wybuchy lub pożary)
zanieczyszczenie w•d gruntowych
zagrożenie dla atmosfery, zanieczyszczenie powietrza (w tym efekt cieplarniany) Najbardziej istotnym problemem związanym z obecnością metanu jest jego palność. Gdy metan uchodzi bezpośrednio do otwartej atmosfery istnieje niewielkie ryzyko jego wybuchu, lecz należy brać pod uwagę możliwość zapłonu. Zagrożenie samozapłonem na wysypiskach wzrasta, jeżeli nie zostaną poczynione działania mające na celu odzysk biogazu lub kontrola jego emisji.
Składniki biogazu jak metan, wod„r, azot oraz dwutlenek węgla stwarzają zagrożenie dla zdrowia ludzkiego działając dusząco. Związki te zajmują miejsce tlenu we wdychanym powietrzu w pomieszczeniach zamkniętych. Gdy stężenie tlenu spadnie poniżej 16 %, szybkość oddychania wzrasta, a poniżej 10 % brak tlenu może spowodować trwałe uszkodzenie m„zgu.
Gazy powstające na wysypisku w r„żnym stopniu wpływają na jakość w„d gruntowych. Dwutlenek węgla z uwagi na dobrą rozpuszczalność w wodzie może być gł„wnym czynnikiem zanieczyszczającym. Powstający kwaśny i nasycony roztw„r przyśpiesza korozję żelaza i stali oraz powoduje rozpuszczanie ołowiu. Wzrost twardości w„d spowodować może CO2, gdy napotka materię nieorganiczną zawierającą węglan wapnia
oraz rozpuszczone sole uwięzione w strukturze krystalicznej węglanu wapnia.
Skład biogazu wskazuje na występowanie gaz„w cieplarnianych – przede wszystkim CO2i
CH4. Z tych dw„ch gaz„w zdecydowanie większą skłonnością do powodowania efektu
cieplarnianego odznacza się właśnie metan. Jego działanie jest około 25 razy silniejsze od dwutlenku węgla.
Gazy cieplarniane są lotnymi substancjami chemicznymi występującymi w atmosferze, kt„rych budowa fizyko–chemiczna pozwala na zatrzymywanie i magazynowanie energii
cieplnej oraz przekazywanie jej do powierzchni Ziemi w postaci promieniowania podczerwonego.
W powstawaniu efektu cieplarnianego najważniejszą rolę odgrywa dwutlenek węgla, kt•rego udział wynosi 50%. Tak wysoki udział CO2 w efekcie cieplarnianym, mimo
najmniejszej efektywności pochłaniania promieniowania podczerwonego jest możliwy dzięki jego wysokiej zawartości w atmosferze – ok. 0,03% (zaw. objętościowa). Rola dwutlenku węgla w efekcie cieplarnianym wciąż wzrasta, co jest skutkiem działalności człowieka: emisja CO2związana z przemysłem, połączona z gwałtownym zmniejszaniem
się powierzchni teren„w zalesionych. Oblicza się, że globalna emisja CO2wynosi ok. 1011
Mg/rok. W minionym stuleciu stężenie tego gazu wzrosło od ok. 270 ppm na początku XX w. do 360 ppm w latach 80 Wysoki udział w powstawaniu efektu cieplarnianego ma r•wnież metan (CH4) – 18%.
Tabela. 2.1. Gazy cieplarniane i ich udział w zmianach klimatu [6]. Gazy cieplarniane Stężenie w
atmosferze [ppm] Wpływ na zmianę klimatu [%] Czas przebywania w atmosferze [lata] Dwutlenek węgla (CO2) 350 45‡55 stabilny
a Freony (gazowe CFC) 0,0005 20‡30 8‡400 Metan (CH4) 1,35 10‡20 10 Podtlenek azotu (N2O) 0,30 5‡0 170 Ozon troposferyczny (O3) 0,02 b 5‡10 ok. 1 d Inne 2‡5 a
Normalny składnik atmosfery
b
Czasami aż 0,2 do 0,4 ppm w zanieczyszczonym powietrzu
Efekt cieplarniany może r„wnież doprowadzić do zmian systemu prąd„w morskich, przesunięcia się stref klimatycznych na Ziemi ku biegunom, a nadmierne ogrzewanie mas powietrza może doprowadzić do zmian cyrkulacji lokalnych i wielkoskalowych prąd„w powietrznych nad powierzchnią kuli ziemskiej.
3. Uciążliwość biogazu na przykładzie wybranego składowiska
Jako podstawę analizy wzięto istniejące składowisko odpad„w komunalnych w Gliwicach przy ul. Rybnickiej w południowo – wschodniej części miasta, w odległości około 4 km od centrum. Powierzchnia całkowita terenu składowiska z uwzględnieniem powierzchni pod obiekty towarzyszące wynosi 32 ha [7]. Obecnie trwa eksploatacja I komory o powierzchni 3,3 ha [7], kt„rej zamknięcie przewidziano na koniec 2003 roku. Tym samym planuje się otwarcie nowej komory (o tej samej pojemności) na 2004 rok. Stara część składowiska, kt„ra poddawana jest aktualnie rekultywacji zajmuje powierzchnię 11 ha [8]. Poddawana obecnie eksploatacji I komora ma pojemność 312 tys. m3 [8], a docelowo składowisko
pomieści 1,9 mln m3 odpad•w. Czas eksploatacji określono na 21 lat. Składowisko ma kształt nieregularnego wieloboku.
Składowisko przyjmuje odpady komunalne z całkowitym wyłączeniem odpad•w niebezpiecznych, przy czym na terenie składowiska są pojemniki do zbierania odpad•w niebezpiecznych (strumień odpad•w komunalnych może zawierać odpady niebezpieczne typu: baterie, świetl•wki, akumulatory, itp.). Rocznie składowisko przyjmuje około 75 000 Mg odpad•w [8], kt•re pochodzą z teren•w Gminy Gliwice.
Gliwickie składowisko charakteryzują następujące wielkości: : a) emisja gazu ze składowiska: 686mn
3
/h [10]
b) średni objętościowy skład gazu po wykonaniu analizy chromatograficznej ujmowanego biogazu [20] :
CH4= 55,7%
CO2= 35,1%
N2= 8%
O2= 1,2%
Tabela 3.1. Całkowita emisja gazowa ze składowiska odpad„w Komunalnych w Gliwicach.
Emisja bez utylizacji biogazu
Emisja z utylizacją biogazu Składnik biogazu Emisja roczna
[Mg/rok] Emisja [Mg/rok] CH4 2 390,85 1912,68 CO2 4 141,46 5456,43 N2 600,67 480,54 O2 102,97 82,38 SUMA 7 235,95 7 932,03 Ekwiwalent cieplarniany CO2 168 512,69 136 953,41 Ekwiwalent biologiczny CO2 33 728,28 29 125,89
W tabeli 3.1 przedstawione zostały wielkości emisji poszczeg•lnych gaz•w ze składowiska i reprezentantę negatywnego wpływu na środowisko w postaci efektu cieplarnianego oraz uciążliwości biologicznej przedstawione jako ekwiwalentną emisję CO2.
Badania wykonane w Wielkiej Brytanii wykazały, że 21% emisji metanu do atmosfery pochodzi z wysypisk odpad•w, a wywołany przezeń efekt cieplarniany por•wnywalny jest z efektem powodowanym przez spaliny samochodowe na Wyspach Brytyjskich [9].
CH4 33% CO2 57% N2 8,5 O2 1,5%
Rys. 3.1. Emisja składnik„w biogazu z wysypiska w Gliwicach [% wagowy].
3.1 Por†wnanie emisji gazowej ze składowiska przed i po zastosowaniu utylizacji biogazu
W oparciu o te dane dokonano przeliczenia emisji metanu na emisję dwutlenku węgla stosując przelicznik 25:1 (tzn. metan ma 25 – krotnie większy wpływ na efekt cieplarniany niż dwutlenek węgla, czego przyczyną jest większa zdolność do pochłaniania promieniowania podczerwonego).
W tabeli 3.1 przedstawione zostały wielkości emisji po zastosowaniu utylizacji (spalenia) 20% biogazu. Emisja ekwiwalentna cieplarniana CO2została uzyskana przeliczając emisje
CH4z uwzględnieniem jego wpływu na efekt cieplarniany (1 kmol CH4 jest r„wnoważny
25 kmolom CO2). W konsekwencji otrzymano ekwiwalentną emisję CO2 jako miarę
wpływu szkodliwości składowiska dla środowiska naturalnego pod względem jego wpływu na efekt cieplarniany.
Metan jest gazem odznaczającym się znacznie większą uciążliwością biologiczną niż CO2.
Biorąc pod uwagę dopuszczalne stężenie metanu i dwutlenku węgla w otoczeniu człowieka można przyjąć, że ta uciążliwość jest większa 4,5 razy. Znalazło to swoje odbicie w ekwiwalencie biologicznym CO2przedstawionym w tabeli 3.1.
W tabeli 3.3 przedstawiono emisje składnik•w gazowych, kt•rym przypisuje się wpływ na efekt cieplarniany oraz na organizmy żywe. Zakładając, że udało się zutylizować 20% całkowitej emisji biogazu uzyskujemy znaczne zmniejszenie emisji CH4 – o około 478
Mg/rok. Całkowita emisja CO2uległa zwiększeniu ze względu na jego dodatkowe źr„dło
jakim jest proces spalani uzyskanego CH4.
Z danych przedstawionych w tabeli 3.2 wynika, że uciążliwość emisji gazowej ze składowiska, w aspekcie wpływu na efekt cieplarniany, zmniejsza się w przypadku zastosowania instalacji do aktywnego odbioru biogazu. Wynika to z faktu zmniejszenia emisji CH4 i jednoczesnego zwiększenia emisji CO2 jako efekt spalania części biogazu.
słowy zastosowanie utylizacji sprawia, że roczny wpływ składowiska na efekt cieplarniany jest mniejszy o r„wnowartość emisji ponad 30 Mg CO2.
Ze względu na mniejszą uciążliwość biologiczną CO2 w stosunku do CH4zastosowanie
utylizacji biogazu sprawia, że uciążliwość biologiczna jest mniejsza o ekwiwalent pond 4,5 Mg emisji CO2w ciągu roku.
Tabela 3. 2. Emisja składnik„w biogazu odpowiedzialnych za efekt cieplarniany ze składowiska odpad„w przed i po zastosowaniu systemu akwizycji i utylizacji gazu. Składnik emitowany Roczna emisja do
atmosfery ze składowiska
[Mg/rok]
Emisja roczna metanu do atmosfery po zastosowaniu utylizacji [Mg/rok] R„żnica [Mg/rok] CH4 2 390,85 1912,68 - 478,17 CO2 4 141,46 5456,43 + 1314,97 Ekwiwalent cieplarniany CO2 168 512,69 136 953,41 -31 559,28 Ekwiwalent biologiczny CO2 33 728,28 29 125,89 -4 602,39
Na składowisku odpad„w zostały zainstalowane dwa agregaty prądotw„rcze każdy o mocy 260 kW. Biorąc pod uwagę możliwość sprzedaży wytworzonej energii elektrycznej (założono jednostkową cenę sprzedaży energii elektrycznej z odnawialnych źr„deł energii do GZE na poziomie 225 zł za MWh netto) roczny doch„d może wynieść około 500 tys. zł [11]. Koszt całej inwestycji to 1200 tys. zł. W związku z tym po uwzględnieniu amortyzacji przy podanych wyżej parametrach techniczno–ekonomicznych okres zwrotu nakład„w wyniesie zaledwie 1,7 – 2,5 roku [11]. Po tym czasie inwestycja nie będzie obciążona kosztami amortyzacji, a więc realny stanie się zysk na poziomie 500 tys. zł.
4. Podsumowanie
Składowisko odpad„w jest źr„dłem pokaźnej emisji gazowej. Wytwarzane w dużych ilościach gazy należą do grupy szkodliwych gaz„w cieplarnianych. Gazy te stanowią poważne zagrożenie dla środowiska naturalnego.
Prawidłowe zorganizowanie układ„w pozyskiwania gazu biogazu pozwoli na częściową kontrolę jego emisji. Utylizacja energetyczna może być nie tylko źr„dłem przychodu, ale r„wnież sposobem na ograniczenie uciążliwości składowiska odpad„w dla środowiska naturalnego.
Podstawową zaletą utylizacji gazu biogazu jest obniżenie emisji CH4, kt•ry jest gazem
zar•wno bardziej szkodliwym pod względem biologicznym (dla organizmu człowieka) ale r•wnież powodującym w większym stopniu efekt cieplarniany i zastąpienia go emisją CO2.
Biogaz może być źr•dłem pokaźnych ilości energii, kt•rą można w łatwy spos•b wykorzystać. W efekcie szybko można uzyskać dodatni wynik finansowy przedsięwzięcia polegającego na budowie systemu akwizycji biogazu i jego utylizacji.
W skrajnym przypadku przy utylizacji całości biogazu jesteśmy w stanie obniżyć ekwiwalentną emisję CO2– ze względu na efekt cieplarniany – aż 10 razy i ze względu na
uciążliwość biologiczną nawet 2 razy. Dzieje się to przy tym przy zaangażowaniu umiarkowanych środk‡w finansowych, kt‡re – jak pokazuje przykład gliwickiego wysypiska – mogą zostać szybko odzyskane. Ze względu na produkcję dość znacznych ilości energii elektrycznej ze spalanego gazu okres całkowitej amortyzacji przedsięwzięcia może wynieść zaledwie około 2 lat.
Literatura
[1] „Proekologiczne źr•dła energii odnawialnej” Witold. M. Lewandowski. Wydaw-nictwo Naukowo Techniczne 2001
[2] „Podstawy gospodarki odpadami” Czesława Rosik – Dulewska. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2000.
[3] „Eksploatacja składowisk odpad•w. Poradnik decydenta„ Jan Oleszkiewicz. Wydawnictwo Lem Projekt. Krak•w 1999
[4] „Gospodarka odpadami komunalnymi” Maria Żygadło. Kielce 1998 r.
[5] „Ochrona powietrza i problemy odpad•w”. „Pozyskiwanie i utylizacja gazu wysypiskowego” J. Dudek, J. Rachwalski nr 6/1998. Wydawnictwo Naukowo Techniczne EcoEdycja.
[6] „Czysta technologia. Środowisko, technika, przyszłość” Allan Johanson. Wydaw-nictwa Naukowo – Techniczne Warszawa 1997 r.
[7] Dane z UM w Gliwicach
[8] Materiały informacyjne Zakładu Budżetowego Gminy Gliwice.
[9] „Gospodarka odpadami na wysypiskach” praca zbiorowa pod redakcją Edwarda S. Kempy. ARKA KONSORCJUM s.c. Poznań 1993 rok.
[10] „Opr•bowanie gazowe” cz. II, om•wienie, Zakład projektowania i doradztwa technicznego GORPROJEKT sp. z o.o., Gliwice, listopad 1999
[11] Zakład projektowania i doradztwa technicznego GORPPROJEKT. Sp. z.o.o : „Analiza techniczno – ekonomiczna ujęcia gazu i jego zagospodarowania”. Gli-wice listopad 1999 rok.
