Емисии на метан от пасивно дегазирани депа и механично-биологични отлагания

Емисии на метан от пасивно дегазирани депа и депониране на механично-биологично третирани отпадъци - прогноза за емисиите и ефективност на биологичното окисляване на метан - окончателен доклад Изготвен от Dr.-Ing. Dipl.-Geogr. Matthias Kühle-Weidemeier * Dipl.-Ing. Хайнц Богон ** * Международен консултант по отпадъци Robert-Koch-Str. 48B 30853 Langenhagen www.wasteconsult.de ** Консултантски инженер Marschstr. 24 31525 Нойштадт ам Рбге. www.oekobauconsult.de От името на Федералната агенция по околна среда FKZ: 360 16 015 декември 2008 г.

Съдържание 7.1 Оценка на литературата 82 7.2 Ефективност на биологичното окисление на метан в покрити зони на депа за отпадъци MBT (депо за отпадъци в Сингхофен) 83 8 Ефективност на биологичното окисляване на метан в депа с ниско развитие на остатъчен газ 85 8.1 Експерименти в колона 85 8.2 Влияние на климата върху ефективността на слоевете за окисление на метан 92 8.3 от Chanton et al. 94 8.4 Оценка на литературата на полеви експерименти 96 8.4.1 Съставяне на теренни проучвания (Berger, 2008) 96 8.4.2 Депо Куштед 97 8.4.3 Депо Гунслебен 98 8.4.4 Финландски депа 99 8.4.5 Австрийски депа 100 8.4.6 Факе Депо, Дания 102 8.5 Оптимизирана структура на покривните слоеве за окисляване на метан 104 8.6 Окисляване на метан в комбинация с повърхностно запечатване 105 8.7 BMBF проект MiMethox 108 8.8 Съставяне на допълнителни резултати 109 8.9 Остатъчни емисии при полеви тестове с окислителни слоеве на метан 110 8.10 Предложения за области на приложение и проектиране на слоеве окисление на метан 112 10 Изчисляване на предложените стойности на окисляване на метан 117 11 Проверки на правдоподобност и несигурност на метода 121 12 Резюме 124 13 Литература 126

2 Основи на биохимичното окисляване на метан Висока толерантност на рН (> 5,5-8,5) Температурният диапазон е посочен много различно (отчасти 20-37 С, отчасти също 2%) само в тесни граници. Проведените досега проучвания показват, започвайки от повърхността на почвата след малка площ без концентрации на метан (следователно без окислителна активност), бързо нарастване на окислителната активност до пикова стойност, вероятно постоянни стойности на дълбочина от няколко сантиметра и след това бързо намаляване на дейностите. Извършените до момента измервания показват, че тази зона на окисление има максимална дебелина около 20-30 cm. Информативната стойност на най-малките тестове в лабораторията при различни гранични условия (включително стайни температури) със сигурност не винаги се дава. Следователно данните в литературата трябва винаги да се използват с повишено внимание. От това няма нито сезонен ход на степента на окисление, нито дългосрочното окисление през годините или дори FKZ 360 16 015 4

2 Основи на биохимичното окисляване на метана - температурната крива обаче не може просто да бъде възприета за местната ситуация. Фиг. 2-3: Влияние на температурата върху окисляването на метана (Gebert, 2007) Фиг. 2-4: Годишно изменение на температурата като функция от дълбочината в почвата близо до Кьонигсберг (според Schmidt & Leyst, цитирано в Scheffer et al, 2002) FKZ 360 16 015 6

2 Основи на биохимичното окисляване на метан 2.3 Влияние на съдържанието на вода в почвата върху окислението на метан На фигури 2-5 и фигура 2-6, влиянието на водното съдържание в почвата върху ефективността на окисляване е показано като пример. Този параметър несъмнено е дори по-сложен от параметъра температура, тъй като влагата е от съществено значение за микроорганизмите, т.е. оказва силно влияние върху движението на газовете в почвата, определя дифузията на двата газа (метан и кислород) по посока на микроорганизмите и като цяло формира важен параметър за структурата на почвата. Фиг. 2-5: Влияние на съдържанието на вода в почвата върху скоростта на окисляване на метана (Czepiel et al., 1996) (a - горе вляво); Стойности от нормализирана до относителна скорост на окисление 1 при оптимално водно съдържание (b горе вдясно); Влияние на водното съдържание в почвата върху степента на конверсия на метан (Börjesson et al., 1997) (c по-долу) Съставяне съгласно Ehrig et al, 2000 FKZ 360 16 015 7

2 Основи на биохимичното окисляване на метан Фиг. 2-6: Влияние на съдържанието на вода в почвата върху окисляването на метан (Gebert, 2007) 2.4 Влияние на промените във въздушното налягане Gebert тества широкомащабна, пасивна двукамерна система за биофилтър за окисляване на метана в депото за отлагане на хартия в Хамбург Francop през 2004 г. В обширната програма за измерване бяха извършени и измервания на диференциално налягане (въздушно налягане, налягане на депониращия газ в линията за суров газ). Определени са много големи влияния на промените в налягането на въздуха върху обема на отделяния газ. Графично сравнение на въздушното налягане, диференциалното налягане, обемния поток и състава на газа в тръбата за суров газ към биофилтъра е показано по-долу. FKZ 360 16 015 8

2 Основи на биохимичното окисляване на метан 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 Въздушен капацитет (об.%) Обем на порите, напълнен с въздух (об.%) Фигура 2-9 Връзка между степента на уплътняване, напълнения с въздух обем на порите и Дифузивност. 2.5.4 Влияние на конвективния поток от депо за отпадъци върху дифузията на кислород в покривните слоеве на депото Връзката между напълнения с въздух обем на порите и коефициента на дифузия в резултат на фигура 2-8 е използвана от Gebert, Gröngröft (2008) като основа за симулация на профили на концентрация на кислород във фиктивна Покривен слой на депото, използван за различни сценарии на конвективен депонен газ (Фиг. 2-10). FKZ 360 16 015 12

2 Основи на биохимичното окисляване на метан 0 20 D s = -8 2 eff = 8 * 10-8 m/s 2/s Напълнено с въздух PV напълнено PV = PV 11.03 = 11 об. %% A Дълбочина дълбочина (cm) 40 60 80 100 0,83 lm -2 h -1 2 4 6 Конвективен поток 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 концентрация -концентрация (%) (об.%) 0 20 D s -7 2 eff = 5,7 * 10-7 m 2/s Напълнено с въздух PV напълнено PV = PV 16 = Обем% 16% B Дълбочина Дълбочина (cm) (cm) 40 60 80 100 0.83 lm -2 h -1 2 4 Конвективен 6 поток 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 -концентрация O 2 -концентрация (об.%) (%) 0 20 D s -6 2 eff = 1,06 * 10-6 m 2/s/s Въздушен въздух- запълнен PV = PV 21 = обем% 21% C дълбочина дълбочина (cm) 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 OO 2 -концентрация (%) 2 -концентрация (об.%) Фиг. 2 -10 Симулация на профили на концентрация на O 2 за сценарии с ниска (A), средна (B) и висока (C) дифузивност и различни конвективни газови депа (Gebert and Gröngröft, 2008) FKZ 360 16 015 13

2 Основи на биохимичното окисляване на метан Материалът може да бъде оценен като подходящ, ако степента на разграждане на метана, определена при идеални лабораторни условия, е възможно най-постоянна при 100% след фаза на адаптация от около една до две седмици (т.е. общият доставен метан трябва да се влоши в съответствие с очакваната емисионна ситуация на находището ). Ако доставката на метан се увеличи до два пъти количеството газ, което се очаква на място, степента на разграждане не трябва да пада под 70-80%. Таблица 2-1 Сравнителни материали, изследвани за способността за окисляване на метан с някои съответни параметри за характеризиране (Huber-Humer et al, 2008) m = медиана (средна стойност), min max = диапазон на стойността от най-малката до най-голямата измерена стойност; LPV = напълнен с въздух груб/среден обем на порите, определен чрез метода на задържане на вода в тестовите колони

6 Извеждане на препоръчани стойности за реакционната константа Таблица 6-3 Диапазони на несигурност на реакционната константа k или времето на полуразпад T 1/2 в зависимост от типа на депото (закръглени стойности) Категория отпадъци бързо разградими средно трудно разградими бавно разграждащи се депа тип k [1/a] T 1/2 [a ] k [1/a] T 1/2 [a] k [1/a] T 1/2 [a] 1 стари депа или стари депа за депа (стари федерални щати) преди въвеждането на широкообхватното събиране на биоотпадъци, градински отпадъци и други рециклируеми материали, често се смесва със значителни количества строителни развалини и пръст, до около 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 стари депа (нови федерални провинции) с относително малко органично, но високо съдържание на пепел, до около 1990 0,35-0,17 2,0 4,0 0,13 0,10 5,3 6,9 0,04-0,03 17-23 3 по-нови Депа или секции за сметища за смесени битови отпадъци след въвеждането на събирането на рециклируеми материали, от около 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 депа или депа за депа за отпадъци от механично-биологична предварителна обработка на отпадъци (депа за отпадъци) от около 2005 г. 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 Ефективност на биологичното окисляване на метан в депа с ниско развитие на остатъчен газ Таблица 8-3: Сравнение на резултатите от разграждането на метана от различни автори (тестове в колона, компилация според Felske, 2003) Тези експериментални разлики не позволяват по-точно сравнение на резултатите. Въпреки това, според Felske, 2003, от представените резултати могат да се извлекат следните основни твърдения: Субстратите с по-високо органично съдържание, особено зрелият компост, показват много висока степен на разграждане на метана. Субстратите, адаптирани към метан, осигуряват по-високи начални нива на разграждане. Скоростта на разграждане на метана се увеличава с намаляването на повърхностното натоварване. Времето за контакт на метан с метанотрофни бактерии в субстрата играе ключова роля за ефективността на разграждането. Метанът може да се абсорбира от микроорганизмите само в разтворена форма. Тъй като разтворимостта на метана в течния биофилм е сравнително ниска, е необходимо известно време за контакт, за да се промени във формата, достъпна за микроорганизмите. FKZ 360 16 015 91

8 Ефективност на биологичното окисляване на метан в депа с ниско развитие на остатъчен газ Метановите емисии на депото са силно повлияни от колебанията на въздушното налягане (фиг. 8-2). Фиг. 8-2 Емисии на метан от депото Aikkala като функция от промените в налягането на въздуха. а) 25 януари, 15 февруари 2008 г., б) 22 май до 19 юни 2008 г. През зимата окислението на метан при стабилни условия на атмосферното налягане е между 0,5 и 3,0 m³ ha -1 час -1 (Фиг. 8-3), Това доведе до степен на окисляване от 33% въпреки температурата на земята на покритата със сняг покривка от само 0,5 C. На депото Пикиярви през зимата е постигната степен на окисление от 38%. През лятото скоростта на окисляване се удвои приблизително. FKZ 360 16 015 93

8 Ефективност на биологичното окисляване на метан в депа с ниско развитие на остатъчен газ 8.4 Оценка на литературата на полеви експерименти 8.4.1 Съставяне на полеви проучвания (Berger, 2008) Таблица 8-5: Окисляване на метан в депа от полеви проучвания (съставяне по Berger, 2008) 1 Средни стойности, освен ако не са дадени диапазони. Определя се чрез различни методи за измерване: статично и динамично измерване на абсорбатора, баланс на масата 2 Преобразувано от първоначалните стойности при предположение: Скорост на разграждане = степен на емисия/(1 ефективност) 3 Отрицателни стойности в резултат на поглъщането на атмосферен метан в пода на депото FKZ 360 16 015 96