Archives of Waste Management and Environmental Protection Archiwum Gospodarki Odpadami http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 1 (2005), p-55-62 Uciążliwość ekologiczna utylizacji biogazu na składowiskach odpadöw Pikoń K. Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania OdpadÇw, 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 odpadñw nie posiadających systemu akwizycji biogazu oraz składowisk w ktñrych biogaz jest ujmowany i wykorzystywany do celñw energetycznych. Dokonane zostało porñwnania obu wariantñw pod względem ekologicznym biorąc pod uwagę zmianę składu oraz ilości gazñw. Całość rozważań została oparta na konkretnym przykładzie rozwiązań i instalacji funkcjonującej na Miejskim Wysypisku OdpadÑw 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 procesñw naturalnego rozkładu zachodzących w masie deponowanych odpadñw. Ze względu na swñj 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.
56 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) W Polsce istnieje około 800 ewidencjonowanych składowisk odpadñw komunalnych [1]. Składowiska te, głñwnie ze względu na wydzielający się biogaz, są źrñdłem zagrożenia dla środowiska naturalnego i mieszkańcñw 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, ktñry jest jego głñwnym 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,CO 2, dioksyn, furanåw 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 sposåb 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 wåd 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, wodñr, 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 mñzgu. Gazy powstające na wysypisku w rñżnym stopniu wpływają na jakość wñd gruntowych. Dwutlenek węgla z uwagi na dobrą rozpuszczalność w wodzie może być głñwnym czynnikiem zanieczyszczającym. Powstający kwaśny i nasycony roztwñr przyśpiesza korozję żelaza i stali oraz powoduje rozpuszczanie ołowiu. Wzrost twardości wñd spowodować może CO 2, gdy napotka materię nieorganiczną zawierającą węglan wapnia oraz rozpuszczone sole uwięzione w strukturze krystalicznej węglanu wapnia. Skład biogazu wskazuje na występowanie gazñw cieplarnianych przede wszystkim CO 2 i CH 4. Z tych dwñch gazñw 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, ktñrych budowa fizyko chemiczna pozwala na zatrzymywanie i magazynowanie energii
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) 57 cieplnej oraz przekazywanie jej do powierzchni Ziemi w postaci promieniowania podczerwonego. W powstawaniu efektu cieplarnianego najważniejszą rolę odgrywa dwutlenek węgla, ktårego udział wynosi 50%. Tak wysoki udział CO 2 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 CO 2 związana z przemysłem, połączona z gwałtownym zmniejszaniem się powierzchni terenñw zalesionych. Oblicza się, że globalna emisja CO 2 wynosi 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 råwnież metan (CH 4 ) 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 (CO 2 ) 350 45á55 stabilny a Freony (gazowe CFC) 0,0005 20á30 8á400 Metan (CH 4 ) 1,35 10á20 10 Podtlenek azotu (N 2 O) 0,30 5á0 170 Ozon troposferyczny (O 3 ) 0,02 b 5á10 ok. 1 d Inne 2á5 a Normalny składnik atmosfery b Czasami aż 0,2 do 0,4 ppm w zanieczyszczonym powietrzu Efekt cieplarniany może rñwnież doprowadzić do zmian systemu prądñw morskich, przesunięcia się stref klimatycznych na Ziemi ku biegunom, a nadmierne ogrzewanie mas powietrza może doprowadzić do zmian cyrkulacji lokalnych i wielkoskalowych prądñw powietrznych nad powierzchnią kuli ziemskiej. 3. Uciążliwość biogazu na przykładzie wybranego składowiska Jako podstawę analizy wzięto istniejące składowisko odpadñw 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], ktñrej zamknięcie przewidziano na koniec 2003 roku. Tym samym planuje się otwarcie nowej komory (o tej samej pojemności) na 2004 rok. Stara część składowiska, ktñra poddawana jest aktualnie rekultywacji zajmuje powierzchnię 11 ha [8]. Poddawana obecnie eksploatacji I komora ma pojemność 312 tys. m 3 [8], a docelowo składowisko
58 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) pomieści 1,9 mln m 3 odpadåw. Czas eksploatacji określono na 21 lat. Składowisko ma kształt nieregularnego wieloboku. Składowisko przyjmuje odpady komunalne z całkowitym wyłączeniem odpadåw niebezpiecznych, przy czym na terenie składowiska są pojemniki do zbierania odpadåw niebezpiecznych (strumień odpadåw komunalnych może zawierać odpady niebezpieczne typu: baterie, świetlåwki, akumulatory, itp.). Rocznie składowisko przyjmuje około 75 000 Mg odpadåw [8], ktåre pochodzą z terenåw Gminy Gliwice. Gliwickie składowisko charakteryzują następujące wielkości: : a) emisja gazu ze składowiska: 686m n 3 /h [10] b) średni objętościowy skład gazu po wykonaniu analizy chromatograficznej ujmowanego biogazu [20] : CH 4 = 55,7% CO 2 = 35,1% N 2 = 8% O 2 = 1,2% Tabela 3.1. Całkowita emisja gazowa ze składowiska odpadñw Komunalnych w Gliwicach. Emisja bez utylizacji biogazu Emisja z utylizacją biogazu Składnik biogazu Emisja roczna Emisja CH 4 2 390,85 1912,68 CO 2 4 141,46 5456,43 N 2 600,67 480,54 O 2 102,97 82,38 SUMA 7 235,95 7 932,03 Ekwiwalent cieplarniany CO 2 168 512,69 136 953,41 Ekwiwalent biologiczny CO 2 33 728,28 29 125,89 W tabeli 3.1 przedstawione zostały wielkości emisji poszczegålnych gazåw ze składowiska i reprezentantę negatywnego wpływu na środowisko w postaci efektu cieplarnianego oraz uciążliwości biologicznej przedstawione jako ekwiwalentną emisję CO 2. Badania wykonane w Wielkiej Brytanii wykazały, że 21% emisji metanu do atmosfery pochodzi z wysypisk odpadåw, a wywołany przezeń efekt cieplarniany poråwnywalny jest z efektem powodowanym przez spaliny samochodowe na Wyspach Brytyjskich [9].
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) 59 CO 2 57% N 2 8,5 O 2 1,5% CH 4 33% Rys. 3.1. Emisja składnikñw biogazu z wysypiska w Gliwicach [% wagowy]. 3.1 PorÜwnanie 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 CO 2 została uzyskana przeliczając emisje CH 4 z uwzględnieniem jego wpływu na efekt cieplarniany (1 kmol CH 4 jest rñwnoważny 25 kmolom CO 2 ). W konsekwencji otrzymano ekwiwalentną emisję CO 2 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 CO 2. 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 CO 2 przedstawionym w tabeli 3.1. W tabeli 3.3 przedstawiono emisje składnikåw gazowych, ktårym przypisuje się wpływ na efekt cieplarniany oraz na organizmy żywe. Zakładając, że udało się zutylizować 20% całkowitej emisji biogazu uzyskujemy znaczne zmniejszenie emisji CH 4 o około 478 Mg/rok. Całkowita emisja CO 2 uległa zwiększeniu ze względu na jego dodatkowe źrñdło jakim jest proces spalani uzyskanego CH 4. 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 CH 4 i jednoczesnego zwiększenia emisji CO 2 jako efekt spalania części biogazu. Wielkość jest znacząca i stanowi ekwiwalent 31559,28 Mg CO 2 w ciągu roku. Innymi
60 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) słowy zastosowanie utylizacji sprawia, że roczny wpływ składowiska na efekt cieplarniany jest mniejszy o rñwnowartość emisji ponad 30 Mg CO 2. Ze względu na mniejszą uciążliwość biologiczną CO 2 w stosunku do CH 4 zastosowanie utylizacji biogazu sprawia, że uciążliwość biologiczna jest mniejsza o ekwiwalent pond 4,5 Mg emisji CO 2 w ciągu roku. Tabela 3. 2. Emisja składnikñw biogazu odpowiedzialnych za efekt cieplarniany ze składowiska odpadñw przed i po zastosowaniu systemu akwizycji i utylizacji gazu. Składnik emitowany Roczna emisja do atmosfery ze składowiska Emisja roczna metanu do atmosfery po zastosowaniu utylizacji RÑżnica CH 4 2 390,85 1912,68-478,17 CO 2 4 141,46 5456,43 + 1314,97 Ekwiwalent cieplarniany CO 2 168 512,69 136 953,41-31 559,28 Ekwiwalent biologiczny CO 2 33 728,28 29 125,89-4 602,39 Na składowisku odpadñw zostały zainstalowane dwa agregaty prądotwñrcze każdy o mocy 260 kw. Biorąc pod uwagę możliwość sprzedaży wytworzonej energii elektrycznej (założono jednostkową cenę sprzedaży energii elektrycznej z odnawialnych źrñdeł energii do GZE na poziomie 225 zł za MWh netto) roczny dochñd 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 nakładñw 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 odpadñw jest źrñdłem pokaźnej emisji gazowej. Wytwarzane w dużych ilościach gazy należą do grupy szkodliwych gazñw cieplarnianych. Gazy te stanowią poważne zagrożenie dla środowiska naturalnego. Prawidłowe zorganizowanie układñw pozyskiwania gazu biogazu pozwoli na częściową kontrolę jego emisji. Utylizacja energetyczna może być nie tylko źrñdłem przychodu, ale rñwnież sposobem na ograniczenie uciążliwości składowiska odpadñw dla środowiska naturalnego. Podstawową zaletą utylizacji gazu biogazu jest obniżenie emisji CH 4, ktåry jest gazem zaråwno bardziej szkodliwym pod względem biologicznym (dla organizmu człowieka) ale råwnież powodującym w większym stopniu efekt cieplarniany i zastąpienia go emisją CO 2.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) 61 Biogaz może być źrådłem pokaźnych ilości energii, ktårą można w łatwy sposåb 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 CO 2 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 środkáw finansowych, ktáre 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 źrådła energii odnawialnej Witold. M. Lewandowski. Wydawnictwo Naukowo Techniczne 2001 [2] Podstawy gospodarki odpadami Czesława Rosik Dulewska. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2000. [3] Eksploatacja składowisk odpadåw. Poradnik decydenta Jan Oleszkiewicz. Wydawnictwo Lem Projekt. KrakÅw 1999 [4] Gospodarka odpadami komunalnymi Maria Żygadło. Kielce 1998 r. [5] Ochrona powietrza i problemy odpadåw. Pozyskiwanie i utylizacja gazu wysypiskowego J. Dudek, J. Rachwalski nr 6/1998. Wydawnictwo Naukowo Techniczne EcoEdycja. [6] Czysta technologia. Środowisko, technika, przyszłość Allan Johanson. Wydawnictwa 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] OprÅbowanie gazowe cz. II, omåwienie, 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. Gliwice listopad 1999 rok.
62 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)