Викиди метану з пасивно-дегазованих звалищ та механіко-біологічних родовищ

Викиди метану з пасивно-дегазованих звалищ та відкладення механічно-біологічно оброблених відходів - прогноз викидів та ефективність біологічного окислення метану - підсумковий звіт Підготовлено доктором-інж. Dipl.-Geogr. Маттіас Кюле-Вайдемейєр * Dipl.-Ing. Хайнц Богон ** * Міжнародний консультант з питань відходів Роберт-Кох-вул. 48B 30853 Langenhagen www.wasteconsult.de ** Інженер-консультант Marschstr. 24 31525 Нойштадт-ам-Рбге. www.oekobauconsult.de Від імені Федерального агентства з охорони навколишнього середовища FKZ: 360 16 015 грудня 2008 року

Зміст 7.1 Оцінка літератури 82 7.2 Ефективність біологічного окислення метану в покритих зонах звалищ МБТ (полігон Сінгофен) 83 8 Ефективність біологічного окислення метану на звалищах з низьким рівнем залишкового газу 85 8.1 Експерименти в колонці 85 8.2 Вплив клімату на ефективність шарів окислення метану 92 8.3 Експерименти з літератури Чантон та ін. 94 8.4 Оцінка літератури польових експериментів 96 8.4.1 Складання польових досліджень (Бергер, 2008) 96 8.4.2 Звалище Кухстедт 97 8.4.3 Звалище Гунслебен 98 8.4.4 Фінські звалища 99 8.4.5 Австрійські звалища 100 8.4.6 Полігон Факсе, Данія 102 8.5 Оптимізована структура покривних шарів для окислення метану 104 8.6 Окислення метану в поєднанні з поверхневим ущільненням 105 8.7 Проект BMBF MiMethox 108 8.8 Складання подальших результатів 109 8.9 Залишкові викиди в польових випробуваннях з шарами окислення метану 110 8.10 Пропозиції щодо областей застосування та проектування шарів окислення метану 112 9 Розрахунки запропонованих значень окислення метану 117 11 Перевірка правдоподібності та невизначеність методу 121 12 Резюме 124 13 Список літератури 126

2 Основи біохімічного окислення метану Висока толерантність до рН (> 5,5-8,5) Температурний діапазон вказується дуже по-різному (частково 20-37 С, частково також 2%) лише у вузькому діапазоні. На сьогоднішній день дослідження показують, починаючи з поверхні грунту, після невеликої площі без концентрації метану (отже, без окислювальної активності), швидке збільшення окислювальної активності до пікового значення, значення, можливо, постійні протягом декількох сантиметрів, а потім швидке зниження активності. Виконані до цього часу виміри показують, що ця зона окислення має максимальну товщину приблизно 20-30 см. Інформаційне значення найменших тестів у лабораторії при різних граничних умовах (включаючи кімнатну температуру), безумовно, не завжди дається. Тому цифри, наведені в літературі, слід завжди використовувати з обережністю. Звідси немає ні сезонного курсу швидкості окислення, ні тривалого окислення роками, ані навіть FKZ 360 16 015 4

2 Основи біохімічного окислення метану - однак, температурну криву не можна просто прийняти для місцевої ситуації. Рис. 2-3: Вплив температури на окислення метану (Gebert, 2007) Рис. 2-4: Річна зміна температури як функція глибини в ґрунті поблизу Кенігсберга (за Schmidt & Leyst, цит. У Scheffer et al, 2002) FKZ 360 16 015 6

2 Основи біохімічного окислення метану 2.3 Вплив вмісту води в ґрунті на окиснення метану На рис. 2-5 та рис. 2-6 на прикладі наведено вплив вмісту води в ґрунті на ефективність окислення. Цей параметр, безсумнівно, є навіть складнішим за температурний параметр, оскільки волога є необхідною для мікроорганізмів, крім іншого сильно впливає на рух газу в ґрунті, визначає дифузію обох газів (метану та кисню) у напрямку мікроорганізмів і в цілому утворює важливий параметр для структури грунту. Рис. 2-5: Вплив вмісту води в грунті на швидкість окислення метану (Czepiel et al., 1996) (а - вгорі ліворуч); Значення від нормованої до відносної швидкості окислення 1 при оптимальному вмісті води (b угорі праворуч); Вплив вмісту води в ґрунті на швидкість перетворення метану (Börjesson et al., 1997) (c нижче) Складання згідно Ehrig et al, 2000 FKZ 360 16 015 7

2 Основи біохімічного окислення метану Рис. 2-6: Вплив вмісту води в ґрунті на окислення метану (Gebert, 2007) 2.4 Вплив змін тиску повітря Геберт випробував широкомасштабну пасивну 2-камерну систему біофільтра для окислення метану на гальмівному сміттєвому полігоні Франкоп у гамбурзькому районі. У розгалуженій програмі вимірювань також проводились вимірювання диференціального тиску (тиск повітря, тиск сміттєвого газу в трубопроводі необробленого газу). Визначено дуже великі впливи зміни тиску повітря на об’єм виділеного газу. Графічне порівняння тиску повітря, перепаду тиску, об’ємного потоку та складу газу в трубопроводі необробленого газу до біофільтра показано нижче. FKZ 360 16 015 8

2 Основи біохімічного окислення метану 3,0x10-6 75% Проктор 1,25 г/см 3 D eff (м 2/с) 2,5x10-6 2,0x10-6 1,5x10-6 1,0x10-6 5,0x10- 7 85% Proctor 1,42 г/см 3 95% Proctor 1,59 г/см 3 0,0 15 20 25 30 35 Потужність повітря (об.%) Об'єм пір, заповнених повітрям (об.%) Рисунок 2-9 Зв'язок між ступенем ущільнення, наповненим повітрям обсягом пор та Дифузійність. 2.5.4 Вплив потоку конвективного звалища на дифузію кисню в шарах покриття звалища Взаємозв'язок між наповненим повітрям обсягом пір та коефіцієнтом дифузії, отриманим на малюнку 2-8, був використаний Гебертом, Гронгрёфт (2008) як основа для моделювання профілів концентрації кисню в фіктивному Покривний шар звалища, що використовується для різних сценаріїв конвективного потоку газу на звалищі (рис. 2-10). FKZ 360 16 015 12

2 Основи біохімічного окислення метану 0 20 D s = -8 2 eff = 8 * 10-8 м/с 2/s Наповнене повітрям Повітряне наповнення PV = PV 11.03 = 11 об. %% A Глибина глибини (см) 40 60 80 100 0,83 лм -2 год -1 2 4 6 Конвективний потік 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 концентрація -концентрація (%) (об.%) 0 20 D s -7 2 eff = 5,7 * 10-7 м 2/с Наповнене повітрям Наповнене повітрям PV = PV 16 = Об'єм% 16% B Глибина Глибина (см) (см) 40 60 80 100 0,83 lm -2 h -1 2 4 Конвективний 6 витрат 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 -концентрація O 2 -концентрація (об.%) (%) 0 20 D s -6 2 eff = 1,06 * 10-6 м 2/с/с Повітря наповнене повітрям заповнений PV = PV 21 = об.% 21% C Глибина глибина (см) 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 OO 2 -концентрація (%) 2 -концентрація (об.%) Рис.2 -10 Моделювання профілів концентрації O 2 для сценаріїв низької (A), середньої (B) та високої (C) дифузійності та різних конвективних потоків газу на звалищі (Gebert and Gröngröft, 2008) FKZ 360 16 015 13

2 Основи біохімічного окислення метану Матеріал можна оцінити як придатний, якщо швидкість деградації метану, визначена в ідеальних лабораторних умовах, є якомога постійною на рівні 100% після фази адаптації приблизно від одного до двох тижнів (тобто весь поставлений метан повинен деградувати відповідно до очікуваної ситуації з викидами родовища ). Якщо поставка метану збільшиться до подвійної кількості газу, яку слід очікувати на місці, темпи деградації не повинні опускатися нижче 70-80%. Таблиця 2-1 Порівняльні матеріали, що досліджуються щодо здатності окислення метану з деякими відповідними параметрами характеристики (Huber-Humer et al, 2008) m = медіана (середнє значення), min max = діапазон значень від найменшого до найбільшого виміряного значення; LPV = заповнений повітрям грубий/середній об’єм пор, визначений методом утримання води в випробувальних колонах FKZ 360 16 015 15

6 Виведення запропонованих значень для константи реакції Таблиця 6-3 Діапазони невизначеності константи реакції k або періоду напіввиведення T 1/2 в залежності від типу звалища (округлі значення) Категорія відходів швидко розкладається середньо важко розкладається повільно розкладається звалище типу k [1/a] T 1/2 [a ] k [1/a] T 1/2 [a] k [1/a] T 1/2 [a] 1 старі звалища або старі ділянки сміттєзвалища (старі федеральні штати) до впровадження в основному всебічного збору біовідходів, садових відходів та інших матеріалів, що підлягають вторинній переробці часто змішується зі значною кількістю будівельного щебеню та ґрунту, приблизно до 1995 р. 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 старі звалища (нові федеральні штати) з відносно невеликим вмістом органіки, але високим вмістом золи, приблизно до 1990 р. 0,35-0,17 2,0 4,0 0,13 0,12 5,3 6,9 0,04-0,03 17-23 3 новіші Полігони та секції сміттєзвалищ для змішаних побутових відходів після впровадження збору вторсировини повсюдно, приблизно з 1995 р. 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 сміттєзвалища або ділянки звалища для відходів механіко-біологічної попередньої обробки (полігони МБТ), приблизно з 2005 р. 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 Ефективність біологічного окислення метану на звалищах із низьким рівнем розвитку залишкового газу Таблиця 8-3: Порівняння результатів деградації метану різними авторами (колонкові випробування, складання за Фельске, 2003) Ці експериментальні відмінності не дозволяють більш точно порівнювати результати. Тим не менше, згідно Фельске, 2003 р. З представлених результатів можна отримати наступні основні твердження: Субстрати з більшим вмістом органіки, особливо стиглий компост, демонструють дуже високі показники деградації метану. Субстрати, пристосовані до метану, забезпечують більш високі початкові швидкості деградації. Швидкість деградації метану зростає із зменшенням поверхневого навантаження. Час контакту метану з метанотрофними бактеріями в субстраті відіграє ключову роль у ефективності деградації. Поглинати метан мікроорганізми можуть лише у розчиненому вигляді. Оскільки розчинність метану в рідкій біоплівці відносно низька, для перетворення форми, доступної для мікроорганізмів, потрібен певний час контакту. FKZ 360 16 015 91

8 Ефективність біологічного окислення метану на звалищах із низьким рівнем розвитку залишкового газу На викиди метану на звалище значний вплив мали коливання тиску повітря (рис. 8-2). Рисунок 8-2 Викиди метану з полігону Айккала у залежності від зміни тиску повітря. а) 25 січня, 15 лютого 2008 р., б) 22 травня - 19 червня 2008 р. Взимку окислення метану при стабільних умовах атмосферного тиску становило від 0,5 до 3,0 м³ га -1 год -1 (рис. 8-3), Це призвело до швидкості окислення 33%, незважаючи на температуру землі засніженого покриву лише 0,5 С. На звалищі Пікіярві взимку було досягнуто швидкості окислення 38%. Влітку швидкість окислення приблизно подвоїлася. FKZ 360 16 015 93

8 Ефективність біологічного окислення метану на звалищах із низьким рівнем розвитку залишкового газу 8.4 Оцінка літератури польових експериментів 8.4.1 Складання польових досліджень (Berger, 2008) Таблиця 8-5: Окислення метану в ґрунтах звалищ із польових досліджень (складання за Berger, 2008) 1 Середні значення, якщо не вказані діапазони. Визначається різними методами вимірювання: статичне та динамічне вимірювання витяжки, баланс маси 2 Перераховане з вихідних значень за припущення: Швидкість деградації = швидкість викидів/(1 ефективність) 3 Негативні значення є результатом поглинання атмосферного метану на підлогу звалища FKZ 360 16 015 96