SKŁADOWISKA ODPADÓW KOMUNALNYCH JAKO ŹRÓDŁA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA

Transkrypt

1 Kazimierz Gaj*, Hanna Cybulska*, Franciszek Knop*, Janina Mech*, Bożena Mendyka* i Janusz Robaszkiewicz* SKŁADOWISKA ODPADÓW KOMUNALNYCH JAKO ŹRÓDŁA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA MUNICIPAL LANDFILLS AS A AIR POLLUTION SOURCES Streszczenie: Przedstawiono zagrożenia dla powietrza atmosferycznego, związane z emisją biogazu ze składowisk odpadów komunalnych oraz wyniki badań poligonowych składu biogazu, uwalnianego z wrocławskich wysypisk. Słowa kluczowe: odpady komunalne, biogaz, skład

2 Wstęp Wskutek braku rozwiązań systemowych racjonalnej utylizacji odpadów w Polsce i radykalnego wzrostu ilości odpadów w ostatnich latach, ich składowanie jest dzisiaj niestety koniecznością. Wiąże się ono jednak z wieloma uciążliwościami dla środowiska, z których do najpoważniejszych należy emisja odoroczynnych i toksycznych składników biogazu, powstającego w wyniku rozkładu deponowanej materii organicznej. W Polsce, w ewidencji wysypisk odpadów komunalnych, znajduje się obecnie około 700 obiektów. Według szacunków Ministerstwa Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, emisja gazu wysypiskowego wynosi w Polsce około 830 mln m 3 rocznie (w tym około 500 mln m 3 metanu). Ilość metanu produkowanego na wysypiskach będzie systematycznie rosła i w roku 2030 wyniesie ok. 1 mld m 3 [1]. Ogólna charakterystyka procesu rozkładu odpadów W złożu odpadów zachodzą zarówno procesy tlenowe jak i beztlenowe. Faza tlenowa w przypadku składowisk zagęszczanych mechanicznie trwa krótko, zwykle od kilku do kilkunastu dni, czasem do kilku miesięcy. W gazie wysypiskowym wzrasta w tym czasie stężenie dwutlenku węgla oraz maleją stężenia tlenu i azotu. Reakcja jest egzotermiczna. Z chwilą zaniku tlenu środowisko zmienia się na beztlenowe, co pociąga za sobą zmianę rodzaju mikroorganizmów biorących udział w rozkładzie. Zaczynają wówczas dominować bakterie kwasogenne i metanogenne. Fazę niemetanogenną inicjują procesy hydrolityczne, zachodzące przy współudziale enzymów pozakomórkowych. W ich wyniku następuje przemiana złożonej materii organicznej w prostsze, rozpuszczalne w wodzie składniki. Produkty hydrolizy zawierają kwasy tłuszczowe, proste cukry, aminokwasy i inne związki organiczne o małej masie cząsteczkowej. W tej fazie powstają kwasy organiczne, amoniak, woda, wodór i dwutlenek węgla. Mikroorganizmy aktywne w fazie metanogennej to głównie bakterie metanowe (Methanobacterium). Pobierają one energię z dwóch reakcji: redukcji CO 2 za pomocą wodoru, z wytworzeniem CH 4 i H 2 O, oraz z rozkładu 2

3 CH 3 COOH do CH 4 i CO 2. Podczas beztlenowego rozkładu może być produkowany również azot i siarkowodór. N 2 powstaje w mikrobiologicznym procesie denitryfikacji, w którym następuje redukcja azotanów. H 2 S produkowany jest w procesie mikrobiologicznej redukcji siarczanów. W obecności CH 4 wodór praktycznie nie występuje (H 2 powstały w fazie niemetanogennej jest konsumowany w fazie metanogennej). Zagrożenia środowiskowe związane z emisją biogazu wysypiskowego Skład biogazu zależy od aktualnie przebiegającej fazy procesu rozkładu materii organicznej, składu zdeponowanych odpadów oraz od warunków składowania (stopnia izolacji od otoczenia, podaży wody i in.). Biogaz powstający w trakcie zasadniczej fazy fermentacji beztlenowej, zwanej metanogenezą, zawiera głównie metan i dwutlenek węgla, które stanowią łącznie ponad 90 % jego objętości. Prócz tego w skład biogazu wchodzi tlenek węgla, amoniak, siarkowodór, oraz setki różnorodnych związków organicznych, nierzadko toksycznych (w tym o działaniu kancerogennym - m.in. z grupy węglowodorów chlorowcopochodnych, jak np. chlorek winylu) i odoroczynnych (jak n.p. merkaptany, siarczki, niektóre aminy, aldehydy, ketony, kwasy tłuszczowe i alkohole), które pomimo niskich stężeń, powodują uciążliwość wysypiska dla otaczającego powietrza. Metan i dwutlenek węgla uznaje się za tzw. gazy szklarniowe, odpowiedzialne za efekt cieplarniany (zwłaszcza CH 4 ). Metan bierze udział również w niszczeniu powłoki ozonowej. Metan jest lżejszy od powietrza a dwutlenek węgla cięższy - co może skutkować wypieraniem powietrza z zagłębień terenu i studzienek. Metan stwarza również zagrożenie pożarowe i wybuchowe. Przy braku odgazowania złoża może pojawić się migracja gazu na terenach otaczających składowisko, powodując zagrożenie wybuchem oraz szkody w procesie wegetacji roślin, będące skutkiem zakwaszania gleby przez CO 2 i H 2 S oraz wypierania z niej tlenu. 3

4 Zakresy cytowanych w literaturze stężeń składników biogazu wysypiskowego w zestawieniu z proponowanymi do analiz prognostycznych przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska EPA danymi i badaniami własnymi przedstawiono w tabeli 1. Własne badania składu biogazu Charakterystyka badanych obiektów Maślice Składowisko zlokalizowane jest w północno-zachodniej części Wrocławia, w obrębie osiedli Maślice i Pracze Odrzańskie. Obecnie jest to jedyne miejsce składowania odpadów komunalnych z terenu miasta, przyjmujące ok ton odpadów w ciągu roku. Eksploatowane jest od 1966 r. Łączną ilość zdeponowanych odpadów szacować można na ok ton. Powierzchnia zajmowana przez bryłę składowiska: 9.1 ha, wysokość wierzchowiny: 30 m (dane z lutego 1998 r.), kubatura: ok m 3. Odpady są rozgarniane, wyrównywane i ugniatane spychaczami a następnie ubijane kompaktorem. Po zagęszczeniu rozplantowana warstwa odpadów jest przykrywana izolacyjną warstwą ziemi, żwiru lub gruzu. Obecnie składowisko jest w fazie przebudowy, modernizacji i rekultywacji. Równocześnie prowadzona jest jego intensywna eksploatacja. Pomiary wykonano korzystając z odwiertów, sięgających 20 m w głąb składowiska, w których zainstalowano rury perforowane z PCV, wyposażone w górnej części w króćce pomiarowe. Swojczyce Składowisko zlokalizowane jest we wschodniej części Wrocławia, w rejonie osiedla Swojczyce, w miejscu wyrobiska pozostałego po eksploatacji gliny. Eksploatowane było w latach Całkowitą ilość zdeponowanych odpadów komunalnych można szacować na Mg. Objętość geometryczna składowiska (łącznie z częścią podpoziomową) wynosi ok. 1,6 mln m 3. Powierzchnia podstawy wysypiska wynosi ok. 8 ha, a średnia wysokość ok. 14 m. W czasie eksploatacji 4

5 odpady były rozplantowywane, zagęszczane spychaczem gąsienicowym, jednak nie ubijano ich kompaktorami. Aktualnie zakończono etap rekultywacji technicznej składowiska, który obejmował: stabilizację mechaniczną obrzeży wierzchowiny ziemią i gruzem budowlanym, wykonanie ziemnego wału wokół wierzchowiny, wykonanie systemu 29 studni odgazowujących i systemu drenarskiego, przykrycie złoża urodzajną ziemią i pokrycie powierzchni wysypiska roślinnością trawiastą. Pomiary przeprowadzono wykorzystując istniejące studnie odgazowujące (kominy z kręgów betonowych, wypełnione żwirem), po ich uszczelnieniu folią i zamontowaniu króćców pomiarowych. Żerniki Składowisko odpadów komunalnych Żerniki zlokalizowane zostało w jednym z wyrobisk powstałych w wyniku eksploatacji iłów, w odległości około 8 km na zachód od centrum Wrocławia. Wysypisko eksploatowane było w latach Całkowitą ilość zdeponowanych odpadów szacować można na ton. W ramach rekultywacji utworzono wyniesienie wierzchowiny z materiału nieaktywnego oraz zainstalowano studnie odgazowujące. Na ostatniej, zagęszczonej warstwie odpadów zastosowano: warstwę materiału nieprzepuszczalnego (glina), warstwę retencyjną podglebia (pospółka o uziarnieniu 0-20 mm), warstwę gleby w klasie III - IV, oraz ułożono ekran izolujący z membrany PEHD, drenaż wodny i warstwę podglebia i gleby pod zadarnienie. Do odgazowania złoża odpadów służy 13 studni odgazowujących wypełnionych żwirem, wykonanych z kręgów betonowych o średnicy 1 m. Studnie zostały osadzone bezpośrednio na odpadach. Obecnie poziom jego wierzchowiny w najwyższym punkcie wynosi ok. 4,5 m. Powierzchnia składowiska wynosi 2,6 ha, pojemność m 3, średnia głębokość ok. 9,8 m. W czasie eksploatacji odpady były rozplantowane, przykrywane warstwą izolacyjną i ubijane kompaktorem. 5

6 Metodyka pomiarów Stężenie CO 2, O 2, CO oznaczano metodą gazometryczną za pomocą aparatu Orsata, wg normy PN-73/C-04759/01. Stężenia H 2 S i NH 3 oznaczano metodami kolorymetrycznymi, wg PN-70/Z i PN-71/Z Stężenie metanu oznaczano na chromatografie firmy Perkin-Elmer 3920 z detektorem płomieniowo-jonizacyjnym i integratorem elektronicznym, przy wykorzystaniu kolumny z wypełnieniem PEG-2000, po pobraniu próbek gazu do pipet gazowych. Oznaczenia stężeń węglowodorów i ich pochodnych wykonano na chromatografie firmy Hewlet-Packard, wyposażonym w detektor FID i kolumnę kapilarną wypełnioną fazą HP-1. Aparat współpracował z komputerowym programem integracyjnym. Opis metody znajduje się m.in. w normie PN-89/Z-04016/03. Próby gazu do analizy pobierano metodą sorpcji na węglu aktywnym, który przygotowano zgodnie z normą PN-90/C Węgiel poddawano ekstrakcji dwusiarczkiem węgla. Do oznaczania merkaptanów zastosowano metodę opartą na reakcji soli sodowej kwasu o-hydroksyrtęciobenzoesowego z siarkowodorem i merkaptanami, tworzącej w środowisku alkalicznym bezbarwne i rozpuszczalne połączenia. Oznaczenie polega na zmiareczkowaniu sumy obydwu składników za pomocą roztworu HMB (kwas o- hydroksyrtęciobenzoesowy) w jednej części roztworu pochłaniającego, natomiast w drugiej części roztworu pochłaniającego merkaptan blokuje się akrylonitrylem i miareczkuje siarkowodór roztworem HMB. Różnica obu miareczkowań odpowiada zawartości merkaptanów. Wskaźnikiem w tych analizach jest ditiofluoresceina. Wyniki podano w przeliczeniu na merkaptan etylowy. W czasie poboru próbek do analizy kontrolowano nadciśnienie w króćcu pomiarowym (wahało się od 2 do 55 Pa), temperaturę ( K) i wilgotność względną gazu (82 98 %). 6

7 Wyniki badań Wyniki badań, wykonanych w wybranych studniach odgazowujących (oznaczonych literą S) w kwietniu 1998 r. na wrocławskich składowiskach odpadów komunalnych, zestawiono w tabeli 2. 7

8 Wnioski Wyniki pomiarów uzyskane na składowisku Maślice wskazują, że znaczna część odpadów znajduje się obecnie w fazie niestabilnej, beztlenowej fermentacji metanogennej. Dotyczy to zwłaszcza studni S2 i S3, w obrębie których intensywnie składuje się w ostatnich trzech latach świeże odpady. Biogaz emitowany z tego obszaru charakteryzuje się zawartością metanu ok. 40 % oraz podwyższonymi stężeniami m.in. siarkowodoru, tlenku węgla, merkaptanów, acetonu, toluenu, ksylenu, aldehydu benzoesowego, alkoholu amylowego i benzylowego. Natomiast pomiary przeprowadzone na składowiskach nie eksploatowanych od kilku lat, t.j. Swojczyce i Żerniki, wskazują, że zdeponowane tam odpady są w fazie stabilnej, beztlenowej metanogenezy (średnia zawartość metanu przekracza 60 %). Oprócz substancji wyszczególnianych w literaturze wykryto znaczące ilości alkoholu benzylowego (substancja normowana wg [8]), butylobenzenu i alkoholu amylowego. 8

9 Literatura [1] Dudek J., Rachwalski J.: NAFTA - GAZ, 1995, 1, 64. [2] Kozak E.: Fizyko-chemiczne i mikrobiologiczne zagrożenia środowiska przez odpady, wyd. przez Państwową Inspekcję Ochrony Środowiska, BMŚ, Warszawa 1995, 132. [3] Makles Z., Smal Z.: Stan Metod Analizy Odpadów w Kraju - mat. z seminarium naukowego, wyd. przez Wojskowy Instytut Chemii i Radiometrii, Warszawa, XI 1994, 82. [4] Kerth M.: Stare składowiska, Rozpoznanie i ocena, Wyd. Akademii Rolniczej, Wrocław 1997, 163. [5] Zarzycki R., Zawadzka A. Sikora K.: POL-IMIS 97, II Symp. - Ocena wielkości imisji zanieczyszczeń powietrza, PZiTS, Szklarska Poręba 1997, 126. [6] Dudek J., Rachwalski J.: Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, 1998, 5, 170. [7] Landfill Air Emissions Estimation Model, Office of Air Quality Planning and Standards US Environmental Protection Agency, [8] Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia w sprawie dopuszczalnych wartości substancji zanieczyszczających w powietrzu (Dz.U. nr 55, poz. 355). 9

10 SKŁADOWISKA ODPADÓW KOMUNALNYCH JAKO ŹRÓDŁA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA Streszczenie Przedstawiono zagrożenia dla powietrza atmosferycznego, związane z emisją biogazu ze składowisk odpadów komunalnych oraz wyniki badań poligonowych składu biogazu, uwalnianego z wrocławskich wysypisk. Słowa kluczowe: wysypisko, biogaz, skład MUNICIPAL LANDFILLS AS A AIR POLLUTION SOURCES Summary This paper included some hazards for atmospheric air relevant to biogas emission from municipal waste degradation in landfills and results of field investigations of biogas composition generated by municipal landfills in Wrocław. Key words: landfill, biogas, composition 10

11 Tabela 1. Skład biogazu wysypiskowego wg badań literaturowych Stężenie Substancja wg [2-6] wg EPA [7] wg badań własnych ppm v metan CH dwutlenek węgla CO tlenek węgla CO , amoniak NH ,04-10,4 etylen C 2 H etan C 2 H propan C 3 H 8-11,1 - aceton C 2 H 6 CO , ,13 siarkowodór H 2 S , ,81 merkaptan etylowy C 2 H 5 SH ,28 0-8,82 x) merkaptan metylowy CH 3 SH ,33 benzen C 6 H ,91 0,5-4,62 toluen C 7 H ,3 0,05-18,29 ksylen C 8 H ,1 0,02-41,29 etylobenzen C 8 H ,61 0,13-2,11 chlorek winylu C 2 H 3 Cl ,34 - chlorowcopochodne (1,1-dwuchloroetan, dwuchlorometan, czterochlorometan) butan C 4 H ,03 - pentan C 5 H ,29 - heksan C 6 H , ,46 heptan C 7 H ,34-3,11 oktan C 8 H ,41-6,66 nonan C 9 H ,47-10,4 dekan C 10 H ,21-37,01 aldehyd octowy CH 3 CHO ,09 alkohol metylowy CH 4 O ,01 alkohol etylowy C 2 H 6 O ,2 - alkohol propylowy C 3 H 8 O ,6 - alkohol butylowy C 4 H 10 O ,67-5,93 alkohol izoamylowy C 5 H 12 O ,15 aldehyd propionowy C 3 H 6 O metyloetyloketon C 4 H 8 O ,09 - cykloheksan C 6 H glikol etylenowy C 2 H 6 O metyloizobutyloketon C 6 H 12 O 0-4 1,21 0-2,58 octan butylu C 6 H 12 O kumen C 9 H ,5-6,72 aldehyd benzoesowy C 7 H 6 O ,44-36,39 1,3,5-trójmetylobenzen C 9 H pseudokumen C 9 H

12 cymen C 10 H ,88 krezol C 7 H 8 O undekan C 11 H ,68 akroleina C 3 H 4 O naftalen C 10 H 8 0-0, cyjanowodór HCN chloroetylen C 2 H 3 Cl ,1,1-trójchloroetan C 2 H 3 Cl ,48-1,1,2,2-czterochloroetan C 2 H 2 Cl 4 0-0,2 1,11-1,1,2-trójchloroetan C 2 H 3 Cl 3 0-0,1 0,1-1,1-dwuchloroetan C 2 H 4 Cl ,35-1,1-dwuchloroetylen C 2 H 2 Cl 2 0-3,7 0,2-1,2-dwuchloroetan C 2 H 4 Cl 2 0-0,79 0,41-1,2-dwuchloropropan C 3 H 6 Cl 2 0-0,17 0,17 - bromodwuchlorometan CHBrCl ,13 - chlorobenzen C 6 H 5 Cl 0-0,002 0,25 - chlorodwufluorometan CHClF 2 0-1,22 1,21 - chloroetan C 2 H 5 Cl 0-1,17 1,37 - chloroform CHCl 3 0-2,4 0,02 - chlorometan CH 3 Cl 0-1,14 1,21 - dwuchlorobenzen C 6 H 4 Cl 2 0-0,2 0,21 - dwuchlorodwufluorometan CCl 2 F ,17 15,7 - dwuchlorofluorometan CHCl 2 F ,4 - dwuchlorometan CH 2 Cl ,3 - trójchlorofluorometan CCl 3 F ,76 - trójchloroetylen C 2 HCl ,82-1,2-dwuchloroetylen C 2 H 2 Cl ,84 - czterochloroetylen C 2 Cl ,73 - siarczek dwumetylu (CH 3 ) 2 S 0-76,16 7,82 - akrylonitryl C 2 H 3 CN 0-7,56 11,5 - dwusiarczek węgla CS ,58 - czterochlorek węgla CCl 4-0,04 - x) - suma merkaptanów jako merkaptan etylowy 12

13 Tabela 2. Wyniki pomiarów składu biogazu Stężenie Substancja Jedn. Maślice Swojczyce Żerniki S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 metan 38,6 43,8 43,4 65,8 61,7 57,7 58,4 65,4 dwutlenek węgla % obj. 46,4 42,2 36,1 32,4 33,5 39,2 28,4 27,2 woda 1,24 1,31 1,82 1,50 1,31 1,42 0,76 0,86 tlen 0,2 0,9 0,5 0,1 0,2 0,3 0,1 0,1 pozostałe, w tym azot 13,56 11,79 18,18 0,2 3,29 1,38 12,34 6,44 tlenek węgla 11,2 94,16 62,64 4,0 30,0 8,0 7,68 5,76 siarkowodór 17,26 239,81 58,64 0 0,08 0,03 0,15 0,01 amoniak 7,38 10,4 9,62 0,82 0,36 2,78 0,04 0,32 merkaptany b.p. 8,82 b.p. b.p. 0,003 b.p. n.w. b.p. alkohol metylowy n.w. n.w. n.w. n.w. n.w. n.w. n.w. 1,01 aldehyd octowy n.w. n.w. 0,1 n.w. 0,25 n.w. 12,07 19,09 aceton n.w. 8,3 32,13 0,66 1,31 0,7 10,5 11,0 alkohol butylowy 0,67 3,9 5,93 4,57 4,12 3,15 3,0 1,36 benzen 0,52 4,62 4,02 2,41 2,56 0,75 1,47 0,81 heptan 0,34 2,02 3,11 1,59 2,02 0,52 0,78 0,4 alkohol izoamylowy n.w. 4,15 1,91 0,51 0,84 0,1 1,09 2,95 metyloizobutyloketon 0,81 2,58 1,68 0,54 0,78 0,07 n.w. n.w. alkohol amylowy 3,84 9,70 10,51 2,85 5,7 1,22 1,81 1,15 toluen 8,65 18,29 13,42 2,07 4,53 8,35 0,05 0,07 oktan 3,34 6,66 6,56 1,41 2,34 1,57 0,55 0,41 inne zw. org., lżejsze od ksylenu - w przeliczeniu na oktan ppm v 12,65 1,29 5,49 2,53 2,22 0,71 2,49 1,27 etylobenzen 1,75 2,11 1,27 0,21 0,57 0,85 0,25 0,13 ksylen 33,34 41,29 16,06 0,53 3,09 9,74 0,02 0,08 nonan 7,93 10,4 6,37 0,86 1,45 3,57 0,58 0,47 inne zw. org., cięższe od ksylenu - w przeliczeniu na nonan 11,84 21,22 12,28 0,91 2,5 5,31 0,73 0,59 kumen 5,94 6,72 4,26 0,52 0,88 2,35 0,71 0,5 aldehyd benzoesowy 17,73 36,39 16,99 0,61 1,16 4,59 0,44 0,49 dekan 21,16 37,01 11,7 0,82 1,51 3,86 0,25 0,21 inne zw. org., cięższe od aldehydu benzoesowego - w przeliczeniu na dekan 19,84 37,72 10,97 0,38 0,77 2,93 0,8 0,82 butylobenzen 10,75 20,8 6,82 0,42 0,69 1,47 n.w. n.w. cymen 18,2 70,88 14,84 1,92 13,49 8,93 n.w. n.w. alkohol benzylowy 80,93 177,21 32,4 0,08 2,18 5,68 n.w. n.w. undekan 5,17 15,68 4,74 0,16 0,27 0,52 n.w. n.w. heksan n.w. 14,46 11,8 4,31 n.w. 2,71 n.w. n.w. cykloheksanon n.w. n.w. n.w. 0,69 n.w. n.w. 1,92 1,21 n.w. - nie wykryto, b.p. - brak pomiaru 13

14 14