Kontynuując rozważania związane z budową i eksploatacją systemów ujmujących i zagospodarowujących biogaz na składowiskach, warto skupić się na ich poprawnej obsłudze.
Budowę takiego systemu, na którą składa się wiercenie studni, układanie gazociągów, instalacja odwadniaczy, pochodni, stacji ssaw i całej pozostałej infrastruktury, najbezpieczniej jest pozostawić wyspecjalizowanym firmom, posiadającym odpowiednią wiedzę i doświadczenie. Zakładając, że specyfikacja projektowa została przygotowana właściwie, a jedynym kryterium wyboru wykonawcy nie była cena, można założyć, że system będzie odpowiadał warunkom i oczekiwaniom zamawiającego.
Instrukcja obsługi systemu odgazowania
Pomyślne zakończenie inwestycji zaczyna etap eksploatacji systemu biogazowego. Odbiorowi powykonawczemu powinno towarzyszyć przekazanie inwestorowi przez wykonawcę instrukcji obsługi systemu. W rzeczywistości, niestety, bardzo często bywa tak, że takiej instrukcji brakuje lub jest bardzo ogólnikowa. Może to rodzić mnóstwo problemów, gdyż operator systemu niekoniecznie musi posiadać dostateczne doświadczenie w eksploatacji systemu odgazowania. Poza tym, każdego nowego systemu trzeba się „nauczyć” i nierzadko nawet doświadczeni eksploatatorzy potrzebują na to sporo czasu. Bez wytycznych obsługi systemu, nawet najlepiej zaprojektowana i skonstruowana instalacja odgazowania, w niewłaściwych i nieprzeszkolonych rękach nie będzie poprawnie działała. Dlatego zamawiający powinni pamiętać o tym, by wymagać od wykonawców przygotowania dobrej instrukcji obsługi. Jednak instrukcja to nie wszystko. Żywy organizm, jakim jest składowisko, należy odpowiednio i na bieżąco regulować, by móc efektywnie ujmować gaz wysypiskowy i w optymalny sposób wykorzystać go energetycznie bądź unieszkodliwić.
Nie ma 100-procentowo szczelnych składowisk odpadów
Aby osiągnąć to optimum, należy ze składowiska ujmować maksymalną ilość gazu o zawartości metanu nie niższej niż 50% objętościowo, przy jednoczesnej minimalizacji ilości powietrza wprowadzanego do zdeponowanej masy odpadów. Zasysanie powietrza do odpadów hamuje proces metanogenezy i powrót do fazy tlenowej. Trzeba jednak pamiętać, że nawet przy właściwej eksploatacji składowiska, nie unikniemy dopływu powietrza do instalacji odgazowania – nie ma bowiem idealnych, 100-procentowo szczelnych składowisk.
Zadanie osób odpowiedzialnych za poprawną eksploatację układu polega na regulacji zaworów na głowicach studni lub na manifoldach, a pomiary stężeń gazów, podciśnienia i natężenia przepływu gazu oraz obserwacja ich trendów są podstawą reagowania na zmiany zachodzące w studniach i w całym składowisku.
Odgazowanie składowiska – system naczyń połączonych
Regulując pojedynczą studnię, eksploatator musi pamiętać również o pozostałych studniach działających w jego systemie. Wynika to z tego, że system odgazowania dysponuje ograniczoną ilością energii, zależnej od mocy silnika ssawy. Regulacja polega zatem na efektywnym wykorzystaniu posiadanej energii, rozprowadzanej pomiędzy studniami. Na studniach, w których gazu jest więcej, należy zawory otwierać, tak żeby ujmować generowany w składowisku biogaz, a tam, gdzie jest go mniej – po prostu zawory przymykać. Wydaje się, że są to proste zasady, ale w praktyce wcale tak nie jest. Żeby bowiem efektywnie prowadzić regulację, trzeba rozumieć, co oznaczają wyniki wykonywanych pomiarów jakości biogazu. Tu na uwagę zasługują pojawiające się trendy stężenia metanu w biogazie – spadkowy, wzrostowy, chaotyczny czy stabilny. Trzeba analizować, jak w całym układzie rozkłada się podciśnienie i czy nie są zasysane nadmierne ilości powietrza.
Regulując jedną studnię, np. poprzez przymykanie zaworu, uzyskujemy do dyspozycji większą wartość podciśnienia na manifoldzie lub w stacji ssaw; czyli zmiana w jednej studni będzie powodowała zmiany w pozostałych studniach – nawet, jeśli nastawy pozostałych zaworów będą niezmienione. Dlaczego? System odgazowania przypomina układ naczyń połączonych i należy o tym pamiętać podczas analizy danych pomiarowych.
Poprawna, długofalowa eksploatacja systemu odgazowania i diagnozowanie jego stanu musi być oparta na wnikliwej analizie zgromadzonych danych. Owszem, technicy opiekujący się systemem z biegiem czasu, najczęściej metodą prób i błędów, zdobywają wiedzę praktyczną i doświadczenie, które pozwala im dobrze nim zarządzać, ale ta niewątpliwie bardzo cenna wiedza powinna być udokumentowana, gdyż ludzie pracujący przy systemie się zmieniają, a bez zapisu tych danych nowo zatrudnionym osobom będzie trudno zrozumieć, co aktualnie dzieje się w systemie odgazowania i w jaki sposób należy nim sterować.
Jakie parametry mierzymy?
Przede wszystkim należy mierzyć stężenia objętościowe metanu, dwutlenku węgla i tlenu. Z tych parametrów można w przybliżeniu obliczyć zawartość azotu, którego pomiary za pomocą przenośnej aparatury są niepraktyczne. Pomiary samego metanu i tlenu są niewystraczające do prawidłowej analizy eksploatacji systemu odgazowania. Dodatkowo można mierzyć również stężenie siarkowodoru i tlenku węgla. Siarkowodór jest związkiem toksycznym i silnie korozyjnym, więc pomiar jego stężenia jest istotny ze względu na bezpieczeństwo obsługi i eksploatację urządzeń wykorzystujących lub unieszkodliwiających biogaz. Ponadto należy sobie zdawać sprawę z tego, że jeśli będziemy mieli gaz silnie zanieczyszczony siarkowodorem, to w przypadku nieszczelności instalacji w sąsiedztwie składowiska pojawią się uciążliwości odorowe. Siarkowodór charakteryzuje się również szerszym niż metan zakresem stężenia wybuchowego i w większych stężeniach może wpływać na zmianę zakresu wybuchowości biogazu. To kolejny powód, dla którego należy mierzyć zawartość siarkowodoru w biogazie. Wzrost jego stężeń w gazie wysypiskowym może się zdarzyć zwłaszcza na tych składowiskach, na których deponowane są duże ilości odpadów budowlanych (w tym np. odpadów płyt gipsowych).
Kolejnym parametrem, wymagającym pomiaru, jest wartość podciśnienia, które powinno być regulowane odpowiednio do objętości gazu w danej studni. Trzeba przy tym pamiętać, że straty ciśnienia w systemie – na odwadniaczach, w rurociągach, na głowicach studni czy na zaworach – są normalnym zjawiskiem, zgodnym z zasadami mechaniki płynów. Oznacza to, że mierzone podciśnienie, obserwowane w oddalonych punktach pomiarowych, będzie niższe od wartości mierzonej w stacji ssaw. Jeśli wartości podciśnienia na głowicach studni będą niewiele niższe lub niemal identyczne ze wskazaniami w stacji ssaw, oznacza to, że możemy mieć problem polegający na braku przepływu gazu. Dlatego – aby upewnić się, czy rurociągi są drożne – co jakiś czas powinno się wykonywać audyt systemu odgazowania, którego elementem jest m.in. sprawdzenie spadków ciśnienia w wybranych punktach instalacji. W ten sposób oceniamy, czy system w dalszym ciągu nadaje się do eksploatacji, czy należy usunąć ewentualne blokady, które mogły powstać w wyniku osiadania rur lub gromadzącego się w nich kondensatu.
Posługując się wzorami matematycznymi lub wykresami, można obliczyć różnicę ciśnień pomiędzy stacją ssaw a studniami. Straty ciśnienia powinny być wyliczone już na etapie projektowania instalacji, co – niestety – rzadko jest wykonywane. Tymczasem wartość podciśnienia należy określić na etapie projektu, a później, już w trakcie eksploatacji, trzeba je okresowo sprawdzać, czy pokrywa się z wyliczeniami projektowymi. Jeżeli nie, to oznacza, że pojawił się jakiś problem. Może się np. okazać, że w systemie jest więcej gazu niż się spodziewano – i tutaj „kłania się” tzw. margines inżynieryjny, zgodnie z którym każda instalacja odgazowania powinna być tak zaprojektowana, by poradzić sobie zarówno z nadmiarem biogazu, jak i z jego brakiem. Szczególnie przy gazociągach o długich przebiegach powinno się stosować dodatkowe punkty pomiarowe, by móc sprawdzać drożność gazociągów oraz zgodność strat ciśnienia z obliczeniami teoretycznymi.
Dystrybucja energii ze stacji ssaw między studniami jest dość prostym zadaniem i polega zasadniczo na tym, że na studniach gromadzących duże objętości gazu stopniowo i powoli otwiera się zawory, obserwując, jak zmienia się skład gazu. Pewna amerykańska firma wymyśliła nawet wzór na obliczanie, o ile można otworzyć zawór, aby uzyskać pożądane parametry gazu. Jest to pewien punkt startowy, od którego można zacząć, jeśli ma się niewielkie doświadczenie w zakresie zarządzania systemem odgazowania, choć trzeba mieć na względzie fakt, że ten wzór nie zawsze sprawdza się w praktyce.
Idealnym rozwiązaniem byłaby regulacja studni na podstawie zmierzonego natężenia przepływu i stężenia gazu. Niestety, w związku z pracochłonnością i kosztami (taki pomiar wymaga specjalistycznej aparatury i dokładności wykonania), muszą wystarczyć pomiary podciśnienia i stężeń biogazu. Można zainstalować głowice studni, które umożliwiają pomiary przepływu, jednak ich wadą jest to, że nie są one tanie. Stosowanie rotametrów w modułach regulacyjnych jest rozwiązaniem nietanim i częściowym, z uwagi na niedokładności pomiarowe i częste blokowanie oraz zanieczyszczanie przepływomierzy.
Tlen a odgazowanie składowisk
Nawet jeżeli system odgazowania jest zbudowany prawidłowo, to – przy założeniu minimalizacji emisji biogazu do atmosfery – nie da się uniknąć zaciągania do odpadów niewielkich ilości powietrza. Przy zasysaniu znacznych objętości powietrza w kwaterze składowiska zachodzą efekty niepożądane: tlen hamuje metanogenezę, rozkład beztlenowy zmienia się w rozkład tlenowy, i mamy do czynienia ze spowolnieniem lub zanikiem produkcji metanu. Kolejnym negatywnym rezultatem jest – towarzyszący przechodzeniu z systemu beztlenowego w tlenowy – gwałtowny wzrost temperatury złoża odpadów, co może prowadzić do wystąpienia samozapłonów, kończących się, trudnymi do wykrycia i opanowania, pożarami podziemnymi.
Stąd też bardzo ważnym parametrem, wykorzystywanym przy regulacji pracy studni, jest pomiar stężenia tlenku węgla, który jest produktem niepełnego spalania, charakterystycznym dla podziemnego wytlewania odpadów. Dla przykładu, angielska Agencja Środowiska (Environment Agency) zaleca działanie prewencyjne czy też sprawdzające przy odczycie stężenia tlenku węgla w gazie składowiskowym powyżej 25 ppm. Z kolei w USA ze spokojem akceptowane są stężenia tlenku węgla w biogazie nawet na poziomie 100 ppm.
Prowadząc pomiary tlenku węgla za pomocą przenośnych analizatorów gazu, należy wziąć pod uwagę, że ich czujniki tlenku węgla mogą również reagować na obecny w gazie siarkowodór lub wodór, dając zafałszowane wyniki. Dlatego też, jeśli wykryte zostanie większe stężenie tlenku węgla, dla upewnienia się, należy zmierzyć obecność tlenku węgla inną techniką lub pobrać próbkę gazu i zlecić analizę w laboratorium, co udzieli jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, czy eksploatujący składowisko ma problem z podziemnym pożarem.
Regulacja w cyklu
Jeśli chodzi o regulację studni, to działania związane z otwieraniem lub przymykaniem zaworów powinny być dokonywane w zamkniętym cyklu. Cykl ten powinno rozpoczynać dokonanie pomiaru, później należy porównać uzyskany wynik z trendem, tzn. z danymi z przeszłości, wskazującymi, co działo się na tej studni wcześniej. W efekcie analizy tych danych można podejmować decyzje w zakresie regulacji. Po regulacji zaworu studnię należy pozostawić na jakiś czas (może to być kilka minut albo kilka dni – to zależy od indywidualnej charakterystyki danej studni) i sprawdzić efekt swoich działań.
Jeżeli stężenia gazu utrzymują się w założonych granicach, wówczas zawór należy pozostawić w ustawionej pozycji na dłużej i po jakimś czasie znów sprawdzić parametry gazu. W przypadku pojawienia się niepożądanych zmian, np. gwałtownego spadku stężenia metanu czy podwyższenia stężenia tlenu bądź azotu, należy przymknąć zawór i zmniejszyć podciśnienie w studni.
Trzeba pamiętać, że składowisko jest „żywym organizmem” i dlatego produkcja biogazu w w każdym punkcie kwatery będzie się zmieniała. Należy być na to mentalnie przygotowanym, a w przypadku zauważenia zmian – odpowiednio reagować i regulować studnie.
O czym mówią stężenia?
Nie należy oczekiwać, że ziści się „książkowy” scenariusz, zgodnie z którym na wszystkich studniach biogaz będzie się charakteryzował zawartością metanu na poziomie 60% i dwutlenku węgla – 40%. Taka sytuacja świadczyłaby o tym, że sprawność odgazowania nie jest zoptymalizowana, czyli gaz ze składowiska nie jest ujmowany w całości, co skutkuje emisjami jego nieujmowanej przez system odgazowania objętości do atmosfery lub – co gorsza – podziemną migracją poza składowisko. Migracja podziemna gazu naraża na niebezpieczeństwo wybuchu lub pożaru obiekty położone w pobliżu składowiska. Z kolei jeśli zaobserwujemy, że system odgazowania działa przy stężeniach rzędu 40% metanu, może być to sygnał, że gaz odsysany jest zbyt intensywnie i do złoża odpadów dostaje się za dużo powietrza, powodując hamowanie metanogenezy, obniżanie wartości kalorycznej gazu i narażanie składowiska na pożary podziemne. Niskie stężenia metanu, które nie poddają się regulacji, mogą wskazywać, że składowisko weszło w ostatnią, resztkową fazę produkcji biogazu. Wówczas zawory należy odpowiednio przymknąć, ponieważ zapotrzebowanie na podciśnienie wymagane do ujmowania gazu będzie dużo mniejsze. A zaoszczędzona energia wpłynie korzystnie na zmniejszenie faktury za energię elektryczną do napędu ssawy. Może też być wykorzystana z pożytkiem na pozostałych czynnych studniach czy kwaterach.
Stężenia tlenu w biogazie powyżej 2% są sygnałem, że system jest nieszczelny i zasysa powietrze. Wyższe stężenia mogą prowadzić do powstania w gazociągach mieszanin wybuchowych, czego – ze względów bezpieczeństwa – należy unikać. Z tego właśnie powodu większość elementów składających się na systemy odgazowania powinna być przystosowana do pracy w drugiej lub pierwszej strefie zagrożenia wybuchem (czytaj artykuł pt. „Problem zamiatany pod dywan”).
Można sobie zadać pytanie, czy istnieje możliwość niezaciągania takich ilości powietrza. Odpowiedź brzmi: tak. Jeśli nie jest za późno, receptą będzie przykręcenie zaworów danej studni, czyli zmniejszenie podciśnienia tak, by za mocno nie zasysać.
Bardzo ważnym wskaźnikiem, jeśli chodzi o eksploatację systemu odgazowania, jest również azot. Dlatego, że większość azotu w składowisku pochodzi z powietrza i jego duże stężenia, nieproporcjonalne do stężeń tlenu, wskazują, iż natleniamy odpady, co – jak wspomniano wyżej – przez fermentację tlenową o podwyższonych temperaturach prowadzi w efekcie końcowym do powstawania pożarów podziemnych.
Audyt – drogą do utrzymania efektywności
Dla prawidłowego funkcjonowania systemu odgazowania ważne jest przeprowadzanie jego okresowych audytów, co najmniej raz na rok, lub przy zauważeniu obniżenia efektywności działania systemu. Nawet najlepiej zaprojektowana i wykonana instalacja odgazowania po pewnym czasie zacznie wykazywać symptomy zużycia, np. w wyniku osiadania odpadów i mechanicznych uszkodzeń elementów instalacji, na skutek kolmatacji i „zarastania” studni odgazowujących. Celem takiego audytu jest wskazanie, czy system odgazowania wymaga interwencji, aby poprawić jego efektywność działania.
fot. na otwarcie sozosfera.pl
