Archives of Waste Management and Environmental Protection Archiwum Gospodarki Odpadami http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 2 (2005), p-11-20 Prognozowanie zasobności gazowej składowisk odpadów komunalnych w oparciu o teoretyczny model matematyczny Wandrasz J. W., Landrat M. ul. Konarskiego 18 A, 44 100 Gliwice (032) 237 12 13, 237 21 04 e-mail: janusz.wandrasz@polsl.pl e-mail: marcin.landrat@polsl.pl Streszczenie Składowiska odpadów komunalnych są poważnym źródłem emisji metanu i ditlenku węgla do atmosfery. Gaz składowiskowy tworzy się w wyniku procesów biochemicznych zachodzących w masie zdeponowanych odpadów. Czynnikiem mającym największy wpływ na ilość generowanego gazu jest zawartość w odpadach substancji organicznej, a konkretnie zawartość węgla biodegradowalnego. Polskie składowiska charakteryzuje wysoka zawartość odpadów pochodzenia organicznego, stąd wysoka emisja gazu składowiskowego. Decyzje dotyczące odzysku i zagospodarowania biogazu winne być poprzedzone wnikliwą analizą zasobności gazowej składowiska, którą określa się najczęściej w oparciu o model matematyczny procesu fermentacji metanowej. Model pozwala na prognozowanie bilansu gazowego składowiska w dowolnym okresie jego eksploatacji lub po jej zakończeniu, stanowiąc podstawę do analizy i wyboru rozwiązań unieszkodliwiania lub zagospodarowania gazu. Assesment of MSW landfill gas afluence Method of assessment of MSW landfill gas affluence is presented. Mathematic model of methane fermentation may be used in any time of dump operation as well as after its closing. On this basis analysis of gas utilization or management possibilities can be made. Wstęp W większości rozwiązań polska gospodarka odpadami nadal opiera się na jednoelementowym systemie, tj. składowaniu. Świadczy o tym chociażby liczba eksploatowanych składowisk. Według danych GUS z końca 2003 roku [1] na terenie kraju funkcjonowały 993 zorganizowane składowiska o łącznej powierzchni 3311,6 ha, a 107 było już zamkniętych. Zagrożeniem dla środowiska jest pozbawiona kontroli, skumulowana w jednym miejscu masa odpadów wraz z zachodzącymi w niej reakcjami. Gazowe produkty fermentacji są jednym z głównych zagrożeń dla zdrowia i życia ludzkiego.
12 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) Odpady komunalne deponowane na polskich składowiskach charakteryzują się wysoką zawartością frakcji organicznej, co powoduje wysoką emisję gazu składowiskowego. Doświadczenia krajowe w zakresie kontroli produktywności gazowej ograniczają się jedynie do niewielu nowoczesnych składowisk pomijając obiekty, których eksploatacja już się zakończyła. Sytuację dodatkowo pogarsza fakt, że w przypadku starych składowisk brak danych dotyczących ilości zgromadzonych odpadów, ich składu oraz sposobu deponowania, uniemożliwia zastosowanie już opracowanych modeli. W tym przypadku uzasadnione jest stworzenie modelu matematycznego uwzględniającego uwarunkowania krajowe (skład i właściwości deponowanych odpadów), który na podstawie zawartości pierwiastka węgla w złożu odpadów umożliwi ocenę wydajności gazowej już istniejących bądź zamkniętych składowisk. 1. Przyjęte założenia modelowe. Opracowując model wydajności gazowej odpadów przyjęto następujące założenia: - analiza prowadzona jest uwzględnieniem czasu składowania z uwagi na różną produktywność gazu z masy odpadów składowanych w pierwszych i końcowych latach rozważań, - składowisko jest zapełniane równomiernie w czasie, - w trakcie eksploatacji składowiska nie ulega zmianie skład morfologiczny deponowanych odpadów, - gaz składowiskowy traktowany jest jako równomolowa mieszanina CH 4 i CO 2, - wilgotność w złożu jest stała i wynika z wilgoci wprowadzonej z masą odpadów, - ruch gazu nie wpływa na kinetykę procesu metanogenezy, - obecność tlenu wprowadzana wraz z odpadami jest niewielka i nie ma wpływu na proces tlenowego rozkładu w pierwszej fazie rozkładu biochemicznego frakcji organicznej. Model uwzględnia: - masę odpadów, - ich morfologię (zawartość substancji degradowanej), - wilgotność, - podatność na proces biodegradacji, - czas zapełniania składowiska.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 13 1. Określenie ilości gazu składowiskowego uzyskanego w wyniku rozkładu węgla organicznego zawartego we frakcji organicznej odpadów. Podstawowym czynnikiem determinującym ilość powstającego gazu składowiskowego jest zawartość w substancji organicznej odpadów biodegradowalnego węgla organicznego, który w wyniku przemian biochemicznych przy współudziale mikroorganizmów metanogennych ulega rozkładowi do metanu i ditlenku węgla. Na ilość zawartego w odpadach węgla biodegradowalnego wpływ ma ich skład morfologiczny. Dla określenia ilości węgla biodegradowalnego w odpadach wykorzystano zależność [2]: C deg i = C org i f deg i (1-w i ) p i (2.1) gdzie: C deg i ilość węgla ulegającego rozkładowi biochemicznemu w i-tym składniku odpadu [kg C deg /kg odpadu] C org i ilość węgla organicznego w suchej masie i-tego składnika odpadu [kg C org i /kg odpadu suchego] f deg i udział frakcji biodegradowalnej w węglu organicznym [kg C deg /kg C org ] w i zawartość wilgoci w i-tym składniku odpadu [kgh 2 O/kg odpadu wilgotnego] p i udział wagowy składnika i [kg i/kg odpadu] Jako odpady łatwodegradowalne zdefiniowano odpady pochodzenia spożywczego, średniodegradowalne odpady pochodzenia ogrodniczego, a trudnodegradowalne: tekstylia, papier i tekturę. Tabela 2.1 przedstawia przyjęty, określony doświadczalnie skład morfologiczny odpadów wraz z zawartością wilgoci w poszczególnych frakcjach [3]. Tabela 2.1. Skład morfologiczny odpadów komunalnych. udział [%] zawartość wilgoci [%] odpady kuchenne 38,2 71 odpady roślinne 23,8 52 papier 14,3 15 drewno 3,1 17 tekstylia 1,1 6 tw. sztuczne i guma 2,4 2 pozostałe 17,2 5 Korzystając z danych dotyczących morfologii oraz zawartości wilgoci w poszczególnych frakcjach odpadów, model w oparciu o zależności (2.1) oblicza udziały węgla
14 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) biodegradowalnego w każdej z grup odpadów. Wyniki uzyskane dla składu określonego na podstawie badań własnych przedstawia tabela 2.2: Tabela 2.2. Wyznaczona zawartość węgla biodegradowalnego we frakcji organicznej odpadów komunalnych odpady kuchenne 0,04254 odpady roślinne 0,03838 papier 0,02674 tw. sztuczne i guma 0,00180 tekstylia 0,00113 drewno 0,00588 suma 0,11648 Udział węgla biodegradowalnego [kg C deg /kg m.s. odpadu] W modelu założono, że tylko substancja biodegradowalna (a nie cały węgiel organiczny) ulega rozkładowi do metanu i ditlenku węgla. Korzystając z założenia o równomolowej mieszaninie biogazu uzyskano, że z 1kg substancji biodegradowalnej w wyniku całkowitego rozkładu można uzyskać maksymalnie 1,867 m 3 gazu (mieszaniny CH 4 i CO 2 ) [2]. Na tej podstawie, przy znajomości zawartości węgla biodegradowalnego, możliwe jest obliczenie całkowitej maksymalnej wydajności gazowej odpadów L 0 : L 0 =1,867C deg (2.2) Przykładowo dla badanego odpadu wartość ta będzie wynosiła 0,217 m 3 /kg m.s. odpadu. 3. Emisja gazu składowiskowego w funkcji czasu składowania Modelowanie procesu wydzielania się metanu ze składowisk odpadów komunalnych wymaga nie tylko znajomości produktywności gazowej odpadów, lecz również wiedzy o tym, z jaką szybkością następuje rozkład substancji organicznej. W obliczeniach przyjęto model dwustopniowy, w którym wykorzystano podział procesu metanogenezy na dwie fazy: przed i po czasie połowicznego rozkładu. W pierwszej fazie (w początkowym okresie metanogenezy) szybkość wytwarzania biogazu jest wprost proporcjonalna do ilości gazu, który został wytworzony, a w drugiej fazie do ilości gazu, który może jeszcze powstać. Poniżej przedstawiono równania charakteryzujące poszczególne fazy [3] Faza I (t<t h ) G L 0 1 = {exp[ k 1 ( t h t )] exp[ k 1 ( t h 0 )]} (3.1) 2 1 exp[ k ( t t )] 1 t 1 h 0
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 15 Faza II (t>t h ) G L0 = L0 exp[ k 2 ( t t )] (3.2) 2 2 h gdzie: G 1 ilość biogazu, która powstała do czasu t G 2 ilość biogazu, możliwa do uzyskania po czasie t L 0 ilość biogazu, która powstaje w wyniku całkowitego rozkładu frakcji biodegradowalnej k 1, k 2 stałe szybkości rozkładu charakterystyczna dla fazy I i II t h czas, po którym przereaguje połowa zawartej w odpadach frakcji organicznej t czas składowania Kinetyka przemian biochemicznych zachodzących w masie odpadów ściśle zależy od stałej szybkości rozkładu biologicznego powiązanej z czasem połowicznego rozpadu frakcji biodegradowalnej. Poszczególne grupy odpadów charakteryzują różne wartości w/w wielkości. Ze względu na szeroki zakres wartości stałych podawanych w literaturze [2] oraz brak dostępnych wartości dla modelu dwustopniowego, w Katedrze TiUZO przeprowadzono badania laboratoryjne, które miały na celu określenie tych stałych [4]. Uzyskane wartości przedstawiono w tabeli 3.1. Tabela 3.1. Wyznaczone doświadczalnie stałe szybkości rozkładu i czas połowicznego rozkładu dla frakcji łatwo- i średniodegradowalnej odpadów. czas połowicznego rozkładu t h [a] stała szybkości rozkładu k [1/a] stała szybkości rozkładu k 1 (do czasu t h ) [1/a] frakcja łatwodegr. 0,43 0,694 1,059 0,548 stała szybkości rozkładu k 2 (po czasie t h ) [1/a] frakcja średniodegr. 1,36 0,511 0,584 0,402 4. Obliczenia modelowe W oparciu o stworzony model różnicowy składowiska odpadów przeprowadzono obliczenia mające na celu pokazanie wpływu składu morfologicznego odpadów na zasobność gazową oraz kinetykę procesu metanogenezy. Jako hipotetyczne składowisko przyjęto obiekt, na który trafiają odpady komunalne z gminy o liczbie 50000 mieszkańców. Przyjęto następujące dane i założenia:
16 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) liczba mieszkańców 50000 wskaźnik nagromadzenia odpadów gęstość nasypowa odpadów gęstość odpadów na składowisku po kompaktowaniu częstotliwość zapełniania jednej kwatery współczynniki stałej rozkładu: dla frakcji łatwodegr. k1 k2 dla frakcji średniodegr. k1 k2 dla frakcji trudnodegr. k1 k2 czas połowicznego rozkładu substancji degradowanej: dla frakcji łatwodegr. th dla frakcji średniodegr. th dla frakcji trudnodegr. th czas zapełniania składowiska czas eksploatacji składowiska 1,4 m3/m rok 250 kg/m3 800 kg/m3 1 miesiąc 0,08825 1/m-c 0,04566 1/m-c 0,04866 1/m-c 0,03350 1/m-c 0,009583 1/m-c 0,009583 1/m-c 5,16 m-cy 16,32 m-cy 72,00 m-cy 10 lat 30 lat Dla przyjętych danych obliczono zasobność gazową dla poszczególnych frakcji oraz szybkość produkcji biogazu. Wyniki przedstawiono na rysunkach 4.1 i 4.2:
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 17 ilość biogazu *10 6 [m 3 n] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 czas [miesiąc] frakcja łatwodegr. frakcja średniodegr. frakcja trudnodegr. Rysunek 4.1. Ilość biogazu uzyskana z odpadów o składzie morfologicznym określonym na podstawie badań własnych[3]
18 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 180 szybkość produkcji biogazu [m 3 /h] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 czas [miesiąc] frakcja łatwodegr. frakcja średniodegr. frakcja trudnodegr. Rysunek 4.2. Szybkość produkcji biogazu dla odpadów o składzie morfologicznym określonym na podstawie badań własnych [3] Analiza wyników obliczeń daje następujące rezultaty: ilość biogazu uzyskana w wyniku rozkładu frakcji łatwodegradowalnej wynosi 14,3 10 6 m 3 n ilość biogazu uzyskana w wyniku rozkładu frakcji średniodegradowalnej wynosi 12,9 10 6 m 3 n ilość biogazu uzyskana w wyniku rozkładu frakcji trudnodegradowalnej wynosi 11,4 10 6 m 3 n Maksymalną produkcję biogazu składowisko osiąga w chwili jego zamknięcia. Frakcję łatwo- i średniodegradowalną charakteryzuje krótki czas rozkładu, stąd do momentu zaprzestania składowania odpadów gaz składowiskowy pochodzi głównie z rozkładu tych frakcji. Po zamknięciu składowiska szybkość rozkładu dla wymienionych frakcji maksymalnie spada, co jest następstwem szybkiego wyczerpywania się substratu. Gaz wydzielający się z zamkniętego składowiska pochodzi głównie z rozkładu frakcji trudnodegradowalnej, którego krzywa wyczerpywania ma łagodniejszy przebieg niż pozostałe.
4.Podsumowanie Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 19 W artykule pokazano możliwości wykorzystania opracowanego modelu matematycznego w rozwiązaniach zagadnień praktycznych, dotyczących np. projektowania czy eksploatacji istniejących składowisk. W części eksperymentalnej przebadano proces rozkładu biochemicznego frakcji organicznej odpadów. Stwierdzono, że zależnie od składu morfologicznego badanego materiału, jak również czasu trwania procesu, przebiega on z różnym natężeniem. Badania kinetyki rozkładu węgla biodegradowalnego przeprowadzono w celu określenia współczynników korekcyjnych i czasu połowicznego rozkładu substancji degradowalnej do produktów gazowych. Na podstawie uzyskanych wielkości dopasowano zależność stężenia węgla biodegradowalnego od czasu trwania procesu metanizacji. Analizując wyniki badań procesu metanizacji złoża odpadów stwierdzono, że wydajność gazowa zależy od zawartej w odpadach pochodzenia organicznego frakcji ulegającej rozkładowi do CH 4 i CO 2, tzw. zawartości węgla biodegradowalnego, a nie całej zawartości węgla organicznego. Jednak nie wszystkie frakcje odpadów cechuje ta sama podatność na proces rozkładu biochemicznego. Badaniom doświadczalnym procesu rozkładu poddano dwie z trzech grup odpadów różniących się podatnością na proces metanizacji. Ze względu na czas trwania eksperymentu z badań wykluczono odpady cechujące się długotrwałym okresem rozkładu, tzw. odpady trudnodegradowalne, do których należy papier, tworzywa sztuczne, tekstylia i drewno. Wyniki badań potwierdziły słuszność założenia o podziale trafiających na składowisko odpadów organicznych na trzy podstawowe grupy (łatwo-, średnio- i trudnodegradowalnych) Literatura [1] GUS Ochrona Środowiska 2004. Informacje i opracowania statystyczne. Warszawa 2004 [2] Christensen T. H.: Landfilling of Waste: Biogas, E&FN Spon, London, 1996 [3] Landrat M.: Model matematyczny oceny zasobności gazowej składowisk odpadów komunalnych, rozprawa doktorska w przygotowaniu [4] Landrat M., Wandrasz J.W.: Ocena zasobności gazowej składowisk odpadów komunalnych na podstawie zawartości frakcji biodegradowalnej, Paliwa z odpadów tom 4, Wydawnictwo Helion 2003, 339-344