A passzívan gázmentesített hulladéklerakókból és a mechanikai-biológiai lerakódásokból származó metán-kibocsátás
A passzívan gázmentesített hulladéklerakók metánkibocsátása és a mechanikailag biológiailag kezelt hulladék lerakódása - emissziós prognózis és a biológiai metánoxidáció hatékonysága - zárójelentés Készítette: Dr.-Ing. Diplom.-Földrajzi címszó Matthias Kühle-Weidemeier * Dipl.-Ing. Heinz Bogon ** * Wasteconsult nemzetközi Robert-Koch-Str. 48B 30853 Langenhagen www.wasteconsult.de ** Marschstr. Tanácsadó mérnök. 24 31525 Neustadt am Rbge. www.oekobauconsult.de Az FKZ Szövetségi Környezetvédelmi Ügynökség nevében: 360 16 015, 2008. december
Tartalom 7.1 A szakirodalom értékelése 82 7.2 A biológiai metánoxidáció hatékonysága az MBT hulladéklerakók fedett területein (Singhofen hulladéklerakója) 83 8 A biológiai metánoxidáció hatékonysága alacsony maradékgáz-tartalmú hulladéklerakókban 85 8.1 Oszlopkísérletek 85 8.2 A klíma hatása a metánoxidációs rétegek hatékonyságára 92 8.3 Oszlop- és terepi kísérletek irodalmi értékelése Chanton és mtsai. 94 8.4 Terepi kísérletek irodalmi értékelése 96 8.4.1 Terepi vizsgálatok összeállítása (Berger, 2008) 96 8.4.2 Kuhstedt hulladéklerakó 97 8.4.3 Gunsleben 98 8.4.4 finn hulladéklerakók 99 8.4.5 osztrák hulladéklerakók 100 8.4.6 Fakse hulladéklerakók, Dánia 102 8.5 A fedőrétegek optimalizált felépítése a metán oxidációjához 104 8,6 A metán oxidációja felületi tömítéssel kombinálva 105 8,7 BMBF projekt MiMethox 108 8,8 További eredmények összeállítása 109 8,9 A metán oxidációs rétegekkel végzett terepi tesztek során keletkező maradék emissziók 110 8,10 Javaslatok a metán oxidációs rétegek alkalmazási területeihez és tervezéséhez 112 9 A metán oxidációjának javasolt értékeinek levezetése 114 10 Modell számítások 117 11 A módszer hitelességének ellenőrzése és bizonytalansága 121 12 Összegzés 124 13 Hivatkozások 126
2 A biokémiai metán oxidációjának alapjai Magas pH-tűrés (> 5,5-8,5) A hőmérséklet-tartomány csak nagyon szűk tartományban van feltüntetve (részben 20-37 C, részben szintén 2%). Az eddigi vizsgálatok azt mutatják, hogy a talaj felszínéről kiindulva, metánkoncentráció nélküli kis terület (tehát oxidáló aktivitás nélkül) után az oxidáló aktivitás gyors növekedése csúcsértékig, az értékek esetleg néhány centiméter felett állandóak, majd az aktivitások gyors csökkenése következik be. Az eddig elvégzett mérések azt mutatják, hogy ennek az oxidációs területnek a maximális vastagsága körülbelül 20-30 cm. A legkisebb laboratóriumi vizsgálatok informatív értékét különböző peremfeltételek mellett (beleértve a szobahőmérsékletet is) természetesen nem mindig adják meg. Az irodalomban megadott számokat ezért mindig körültekintően kell használni. Ebből nem következik sem az oxidációs sebesség szezonális lefolyása, sem az évek során történő hosszú távú oxidáció, vagy akár az FKZ 360 16 015 4
2 A biokémiai metán oxidációjának alapjai - a hőmérsékleti görbét azonban nem lehet egyszerűen a helyi helyzethez igazítani. 2-3. Ábra: A hőmérséklet hatása a metán oxidációjára (Gebert, 2007) 2-4. Ábra: Éves hőmérsékletváltozás a Königsberg melletti talaj mélységének függvényében (Schmidt & Leyst szerint, idézi Scheffer és mtsai, 2002) FKZ 360 16 015 6
2 A biokémiai metánoxidáció alapjai 2.3 A talaj víztartalmának hatása a metán oxidációjára A 2-5. És a 2-6. Ábrán példaként a talaj víztartalmának az oxidációs teljesítményre gyakorolt hatását mutatjuk be. Ez a paraméter kétségtelenül még bonyolultabb, mint a hőmérsékleti paraméter, mivel a nedvesség elengedhetetlen a mikroorganizmusok számára, többek között erősen befolyásolja a talajban lévő gáz mozgását, meghatározza mindkét gáz (metán és oxigén) diffúzióját a mikroorganizmusok irányában, és összességében fontos paramétert képez a talaj szerkezetére nézve. 2-5. Ábra: A talaj víztartalmának hatása a metán oxidációs sebességére (Czepiel et al., 1996) (a - bal felső sarokban); Az optimális víztartalomnál (b jobbra) normalizált és relatív 1-es oxidációs sebesség 1-ig terjedő értékek; A talaj víztartalmának hatása a metán konverziós arányára (Börjesson és mtsai, 1997) (c alább), Ehrig és mtsai, 2000 FKZ 360 16 015 7
2 A biokémiai metán oxidációjának alapjai 2-6. Ábra: A talaj víztartalmának hatása a metán oxidációjára (Gebert, 2007) 2.4 A légnyomás változásainak hatása Gebert 2004-ben a hamburgi kikötőiszap-hulladéklerakóban egy nagyméretű, passzív kétkamrás biofilter-rendszert tesztelt metán oxidációra. A kiterjedt mérési programban nyomáskülönbség méréseket (légnyomás, a hulladéklerakó gázának nyomása a nyersgázvezetékben) is végeztek. Meghatároztuk a légnyomás változásának nagyon nagy hatását a kibocsátott gáz térfogatára. Az alábbiakban bemutatjuk a nyers gázvezeték légnyomásának, nyomáskülönbségének, térfogatáramának és gázösszetételének grafikus összehasonlítását a biofilterrel. FKZ 360 16 015 8
2 A biokémiai metán oxidációjának alapjai 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 Légkapacitás (térfogat%) Levegővel töltött pórustérfogat (térfogat%) 2-9. Ábra A tömörítés mértéke, a levegővel töltött pórustérfogat és a Diffúzivitás. 2.5.4 A konvektív hulladéklerakó gázáramának hatása az oxigén diffúziójára a hulladéklerakó fedőrétegeiben A levegővel töltött pórustérfogat és a 2-8. Ábra alapján kapott diffúziós együttható kapcsolatát Gebert, Gröngröft (2008) használta az oxigénkoncentráció-profilok fiktív szimulációjának alapjául. A konvektív hulladéklerakó gázáramlásának különböző forgatókönyveihez használt hulladéklerakó fedőréteg (2-10. Ábra). FKZ 360 16 015 12
2 A biokémiai metánoxidáció alapjai 0 20 D s = -8 2 eff = 8 * 10-8 m/s 2/s Levegővel töltött levegővel töltött PV = PV 11,03 = 11 térf. %% A Mélységmélység (cm) 40 60 80 100 0,83 lm -2 h -1 2 4 6 Konvektív áramlás 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 koncentráció -koncentráció (%) (Vol.%) 0 20 D s -7 2 eff = 5,7 * 10-7 m 2/s Levegővel töltött Levegővel töltött PV = PV 16 = Vol%% 16% B Mélység Mélység (cm) (cm) 40 60 80 100 0,83 lm -2 h -1 2 4 Konvektív 6 áramlás 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 O 2 -koncentráció O 2 -koncentráció (Vol.%) (%) 0 20 D s -6 2 eff = 1,06 * 10-6 m 2/s/s Levegővel töltött levegő- töltött PV = PV 21 = Vol.% 21% C Mélység Mélység (cm) 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 OO 2 -koncentráció (%) 2 -koncentráció (Vol.%) 2. ábra -10 O 2 koncentrációprofilok szimulációja alacsony (A), közepes (B) és magas (C) diffúziós és különféle konvektív hulladéklerakó gázáramlások esetén (Gebert és Gröngröft, 2008) FKZ 360 16 015 13
2 A biokémiai metán oxidációjának alapjai Egy anyag akkor értékelhető megfelelőnek, ha az ideális laboratóriumi körülmények között meghatározott metán lebomlási sebesség a körülbelül egy-két hetes alkalmazkodási fázis után a lehető legalacsonyabb és 100% -os (vagyis a teljes leadott metánt a lerakódás várható emissziós helyzete szerint kell lebontani. ). Ha a metánellátást a helyszínen várható gázmennyiség kétszeresére növelik, akkor a lebomlási sebesség nem csökkenhet 70-80% alá. 2-1. Táblázat: A metán oxidációs képessége szempontjából vizsgált összehasonlító anyagok néhány releváns jellemzési paraméterrel (Huber-Humer et al., 2008) m = medián (átlag), min max = értéktartomány a legkisebbtől a legnagyobbig mért értékig; LPV = levegővel töltött durva/közepes pórustérfogat, a víz visszatartó módszerrel meghatározva a vizsgálati oszlopokban FKZ 360 16 015 15
6 Javasolt értékek levezetése a reakcióállandóra ] k [1/a] T 1/2 [a] k [1/a] T 1/2 [a] 1 régi hulladéklerakó vagy régi hulladéklerakó szakasz (régi szövetségi államok) a biohulladék, kerti hulladék és más újrafeldolgozható anyagok nagyrészt átfogó gyűjtésének bevezetése előtt, gyakran jelentős mennyiségű építési törmelékkel és talajjal keveredve, kb. 1995 körül 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 régi hulladéklerakó (új szövetségi államok) viszonylag kevés szerves, de magas hamutartalommal, kb. 1990 körül 0,35-0,17 2,0 4,0 0,13 0,10 5,3 6,9 0,04-0,03 17-23 3 újabb Hulladéklerakók vagy hulladéklerakók a vegyes települési hulladék számára az újrafeldolgozható anyagok gyűjtésének bevezetése után, 1995 körülről 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 hulladéklerakó vagy hulladéklerakó szakasz a mechanikai-biológiai hulladék előkezeléséből származó hulladékokhoz (MBT hulladéklerakók), 2005 környékéről 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 A biológiai metánoxidáció hatékonysága alacsony maradékgáz-fejlettségű hulladéklerakókban 8-3. Táblázat: A metán lebomlásának eredményeinek összehasonlítása különböző szerzők által (oszloptesztek, Felske szerinti összeállítás, 2003) Ezek a kísérleti különbségek nem teszik lehetővé az eredmények pontosabb összehasonlítását. Mindazonáltal Felske, 2003 szerint a következő fő megállapítások levezethetők a bemutatott eredményekből: A magasabb szervesanyag-tartalmú szubsztrátok, különösen az érett komposzt, nagyon magas metán lebomlási arányt mutatnak. A metánhoz adaptált szubsztrátok magasabb kezdeti lebomlási sebességet biztosítanak. A metán lebomlási sebessége növekszik, amikor a felületi terhelés csökken. A metán és a szubsztrátban lévő metanotróf baktériumok érintkezési ideje kulcsszerepet játszik a lebomlási teljesítményben. A metánt a mikroorganizmusok csak oldott formában képesek felszívni. Mivel a metán oldhatósága a folyékony biofilmben viszonylag alacsony, bizonyos időre van szüksége ahhoz, hogy a mikroorganizmusok számára elérhetővé váljon. FKZ 360 16 015 91
8 A biológiai metán-oxidáció hatékonysága alacsony maradványgáz-képződésű hulladéklerakókban A hulladéklerakó metán-kibocsátását erősen befolyásolták a légnyomás ingadozása (8-2. Ábra). 8-2. Ábra Az Aikkala hulladéklerakó metánkibocsátása a légnyomás változásának függvényében. a) 2008. január 25., február 15., b) 2008. május 22. és június 19. között. Télen a metán oxidációja stabil légnyomás mellett 0,5 és 3,0 m³ ha -1 óra -1 között volt (1. ábra). Ez 33% -os oxidációs sebességet eredményezett annak ellenére, hogy a havas borítás talajhőmérséklete csak 0,5 C volt. Télen a Pikijärvi hulladéklerakóban 38% -os oxidációs arányt értek el. Nyáron az oxidáció mértéke nagyjából megduplázódott. FKZ 360 16 015 93
8 A biológiai metánoxidáció hatékonysága alacsony maradékgáz-képződésű hulladéklerakókban 8.4 A terepi vizsgálatok irodalmi értékelése 8.4.1 A terepi tesztek összeállítása (Berger, 2008) 8-5. Táblázat: A metán oxidációja a hulladéklerakók talajában terepi vizsgálatokból (összeállítás Berger, 2008 szerint) 1 Átlagos értékek, ha tartományok nincsenek megadva. Különböző mérési módszerekkel meghatározva: statikus és dinamikus motorháztető-mérés, tömegmérleg 2 Az eredeti értékekből átszámítva, feltételezve: Bomlási sebesség = kibocsátási ráta/(1 hatásfok) 3 Negatív értékek származnak a légköri metán felvételéből a hulladéklerakó padlójában FKZ 360 16 015 96