Systemy odgazowania na starych, zamkniętych składowiskach

Obowiązujące w Polsce przepisy wymagają stosowania systemów odgazowania na składowiskach – zarówno na obiektach eksploatowanych, jak i zamkniętych. W obu przypadkach warto jednak pamiętać o różnicach w projektowaniu instalacji systemów odgazowania, które powinny być zawsze uzasadnione względami bezpieczeństwa, ochrony środowiska, techniki i ekonomiki.

Przystępując do projektowania systemu odgazowania na składowisku zamkniętym, trzeba być elastycznym i szukać rozwiązań technicznych, które będą wyważone i dostosowane do sytuacji.

Przede wszystkim należy wziąć pod uwagę wielkość i miąższość składowiska, historię jego eksploatacji i rekultywacji i wynikającą z tych danych spodziewaną ilość biogazu, szacowaną metodą modelowania teoretycznego. Następnie trzeba przeanalizować stan techniczny obiektu, wyniki monitoringu, uwarunkowania środowiskowe i określić możliwe zagrożenia gazem.

Posiadając informacje na ten temat, należy zastanowić się, czy zastosować system odgazowania aktywny, czy pasywny. Aktywny będzie uzasadniony tam, gdzie biogaz stwarza zagrożenie dla środowiska lub obiektów znajdujących się w pobliżu składowiska. Pasywny ma zastosowanie w przypadku resztkowej produkcji biogazu i minimalnego, akceptowalnego ryzyka, powodowanego przez emisję i migrację podziemną gazu ze składowiska.

W tym miejscu warto podkreślić, że – niestety – polskie prawo odstaje w tym zakresie od wymagań powszechnie stosowanych na świecie, gdyż nasze rozporządzenia nie przewidują monitoringu powietrza glebowego wokół składowisk, co wiąże się z możliwym, acz nierozpoznanym ryzykiem wystąpienia zagrożenia wybuchem. Nie powinien nikogo uspokajać fakt, że tego gazu – w porównaniu do składowisk o standardach zachodnich – jest mniej, jak również to, że brak informacji o podziemnej migracji gazu jest dostatecznym usprawiedliwieniem w przypadku problemów. Niebezpieczeństwo istnieje, a zatem systemy zarówno odgazowania, jak i monitoringu powinny te kwestie uwzględniać – jeśli eksploatator składowiska traktuje sprawę odpowiedzialnie. Powszechnie znane są przypadki wybuchów czy samozapłonów gazów migrujących poza składowiska. Dlatego tak ważna jest decyzja, czy wybrać system pasywny, czy aktywny.

Infrastruktura odgazowująca – podejście etapowe

W następnej kolejności należy rozważyć, ile i jakiego typu studni odgazowujących zainstalować na danym obiekcie. Mogą to być studnie pionowe, wiercone lub poziome, czy np. hybrydowe. W przypadku systemu aktywnego studnie będą łączone gazociągami przesyłającymi gaz do punktów zbiorczych: kolektorów bądź manifoldów, skąd gaz przepływa do stacji ssawy i pochodni bądź urządzenia wykorzystującego energię ze spalania gazu. Jeśli gaz, mimo niskiej zawartości metanu, stwarza zagrożenie bezpieczeństwa otoczenia składowiska, system aktywny może przesyłać gaz do unieszkodliwiania go w aktywnym biofiltrze (fot. 1) lub pochodni do spalania gazu niskokalorycznego (fot. 2).

fot. 1. Aktywny biofiltr (projekt Acumen)

fot. 2. Pochodnia do spalania gazu niskokalorycznego (projekt Acumen)

Decydując się na system pasywny, niezbędne jest określenie technologii unieszkodliwiania gazu składowiskowego. Właściwie zinterpretowane prawo nie pozwala na emitowanie nieprzetworzonego biogazu do atmosfery, by nie potęgować efektu cieplarnianego. Najprostszymi rozwiązaniami są, montowane bezpośrednio na studniach, indywidualne biofiltry bądź pochodnie pasywne, które mogą też spalać gaz dopływający do nich pod własnym ciśnieniem z jednej lub kilku studni.

Rodzi się wreszcie pytanie, na jakim etapie należałoby zainstalować taką infrastrukturę. Trzeba pamiętać, że stare i zamknięte składowisko znajduje się już w ostatniej fazie produkcji biogazu, która jest dosyć niestabilna. Źródła produkcji biogazu są rozproszone, a co za tym idzie – część składowiska może dalej wytwarzać biogaz o zmiennej jakości, część może być w strefie tzw. wtórnego napowietrzenia w fazie tlenowej, wydzielając jedynie dwutlenek węgla. W rezultacie, zamknięte składowiska często emitują gaz o niskiej zawartości metanu, którego spalanie czy wykorzystywanie jest niezmiernie trudne. A zatem ta infrastruktura musiałaby być elastyczna i dostosowana do sytuacji na składowisku, którą można określić tylko eksperymentalnie, poprzez odpowiednie badania. Tutaj najrozsądniejsze byłoby podejście etapowe.

Zmienność jakości i ilości gazu, wstępnie określona metodą modelowania teoretycznego, powinna być uwzględniona w projekcie wraz z etapowym planem jego wykonania. Po wykonaniu pierwszego etapu warto wykonać opróbowanie zainstalowanego systemu, a na podstawie uzyskanych wyników – ustalić, czy emisje gazu ze składowiska są właściwie kontrolowane. Jeśli efekty nie będą zadowalające, należy przejść do kolejnego etapu instalacji infrastruktury, który ma na celu dalsze zmniejszenie emisji gazu.

Projektowanie systemu odgazowania – z zapasem

System odgazowania na zamkniętych składowiskach powinien być zaprojektowany ze znacznym zapasem inżynieryjnym, przynajmniej z dwóch powodów. Pierwszy wiąże się z opieką poeksploatacyjną. Aktualne przepisy wymagają minimalnego 30-letniego okresu tej opieki (europejska dyrektywa o składowaniu odpadów 1999/31/WE, art. 10). Z założenia więc taki system powinien działać przez co najmniej trzy dekady, przy minimalnych kosztach i obsłudze. Druga przesłanka dla zastosowania dużego marginesu inżynieryjnego to zmienne ilości produkowanego biogazu. Jednakże oczywistym nonsensem byłoby inwestowanie w system, który nie będzie działać z powodu braku gazu. Dlatego istotna jest wstępna „przymiarka”, czyli przeprowadzenie na składowisku testów, które wykażą, jaki system będzie najodpowiedniejszy dla danego obiektu. Wyniki testów służyć będą również do kalibracji modelu teoretycznego prognozy produkcji gazu, optymalizacji projektu i zapobiegną generowaniu nieuzasadnionych kosztów.
Oczywiście, każdy zastosowany system odgazowania musi być kompatybilny z projektem rekultywacji, żeby umożliwiać prace rekultywacyjne, a potem opiekę poeksploatacyjną składowiska. Rozwiązania konstrukcyjne głowic studni odgazowujących, ułożenie gazociągów, lokalizacje odwadniaczy muszą brać pod uwagę kierunek rekultywacji i późniejsze wykorzystanie terenu zamkniętego składowiska.

Nie wolno również zapominać o monitoringu. Tu trzeba się zastanowić nad oceną ryzyka. Jeśli mamy do czynienia ze starym, zamkniętym obiektem, ale istnieje realne ryzyko zagrożenia wybuchem czy pożarem w pobliżu składowiska, to wtedy ścisłe trzymanie się litery prawa, tj. monitoring co 6 miesięcy, nie jest najlepszym rozwiązaniem. W razie wypadku zarządzający składowiskiem będzie miał problem, gdyż sąd może uznać, że nie wykonano oceny ryzyka, właściwej dla danego obiektu. Należy zatem mieć na uwadze, że częstotliwość monitoringu zamkniętego składowiska nie zawsze musi wynikać literalnie z obowiązujących przepisów, ale powinna się opierać na ocenie ryzyka i w niektórych przypadkach może być zwiększona. Oczywiście, z tym wiążą się większe koszty.

Regulacja i serwisowanie systemu odgazowania – decyduje ekonomia

Regulacja studni odgazowujących na zamkniętym składowisku jest dużo trudniejsza niż w sytuacji eksploatacji systemu odgazowania na obiekcie znajdującym się w fazie stabilnej metanogenezy. Miarą sukcesu prawidłowej regulacji jest doprowadzenie systemu odgazowania do stabilności operacyjnej, umożliwiającej zmniejszenie częstotliwości regulacji studni. Niemniej jednak początkowo wymaga to znacznego wkładu czasu i środków oraz wnikliwej analizy zbieranych danych eksploatacyjnych.

Biogaz w zamkniętym składowisku generowany jest w rozproszonych w całej objętości odpadów mikroźródłach, stąd zastosowanie wysokich podciśnień do zbierania biogazu może okazać się niewłaściwe. Dlatego już w projekcie należy przewidzieć większą liczbę odbiorników gazu, czyli studni gazowych, albo np. uzupełnić siatkę studni wierconych studniami igłowymi, instalowanymi płyciej. Taki system, dający możliwość bardziej równomiernego rozkładu podciśnienia w masie odpadów, będzie łatwiej eksploatować i regulować, niż w przypadku rzadko rozstawionych, oddalonych od siebie studni, wymagających stosowania wysokiego podciśnienia.

Ważna jest także strategia postępowania z odciekami, bowiem ich poziom na składowisku wpływa znacząco na działanie systemu odgazowania. Wysoki poziom odcieków może całkowicie uniemożliwić kontrolę nad gazem. Dlatego też zalecane jest okresowe sprawdzanie poziomu odcieków w dostępnych punktach (np. studniach odgazowujących, studzienkach zbiorczych drenażu dennego itp.) i włączenie tych wyników do analizy efektywności odgazowania.

Na zamkniętych składowiskach najczęściej montuje się pochodnię do spalania biogazu, ponieważ rzadko kiedy daje się wykorzystywać energetycznie powstające w takim obiekcie resztkowe ilości biogazu o zmiennej jakości. Zdarza się, że pochodnia standardowa, działająca bezpiecznie przy stężeniach metanu w gazie powyżej 25%, będzie pracować okresowo wskutek braku ciągłości dopływu gazu. Więcej gwarancji na ciągłą pracę daje pochodnia do spalania gazu niskokalorycznego (powyżej 8% metanu), jednakże jest ona droższa od pochodni standardowej.

Oczywiście, istnieją sprawdzone rozwiązania unieszkodliwiania gazu o każdym składzie i można je stosować w uzasadnionych przypadkach, ale są one drogie (np. utleniacze termiczne różnych typów), tymczasem w branży z reguły decyduje ekonomia.

Brak wsparcia to większa emisja

Przy systemie aktywnym należy rozważyć kwestie zasilania w energię elektryczną, obsługi stacji ssaw i ewentualnego wykorzystania powstającego w niewielkich ilościach biogazu. Jeśli dzięki własnemu systemowi uda się wytworzyć do 40 kWe energii elektrycznej, teoretycznie możliwe jest zasilanie z tego źródła stacji ssawy i pochodni, jak również podłączenie agregatu prądotwórczego do sieci, bez skomplikowanych formalności. Wskazane jest skorzystanie z aktualnie dostępnych programów wsparcia generacji energii ze źródeł odnawialnych, w celu ewentualnej sprzedaży energii.

Aktualna polityka dotycząca wykorzystania energetycznego biogazu składowiskowego niezbyt sprzyja rozwojowi nowych projektów, co z kolei nie motywuje operatorów składowisk do skutecznego odgazowania składowisk. System odgazowania wraz ze ssawą i pochodnią, bez odzysku energii, będzie zawsze stanowił koszt. Odzysk energii elektrycznej lub cieplnej stanowi offset tego kosztu. O ile można się zgodzić z podejściem do wycofania się ze wsparcia gazu składowiskowego na nowych i eksploatowanych składowiskach (co z założenia ma zniechęcić operatorów do unikania składowania frakcji ulegających biodegradacji), to brak takiego wsparcia dla starych i zamkniętych składowisk skutkuje zwiększeniem emisji nieprzetworzonego metanu i innych szkodliwych gazów do atmosfery.

O ile możliwe jest wykorzystanie na składowisku lub w jego bezpośredniej bliskości ciepła procesowego, dobrze jest rozważyć i taką opcję. Wytwarzanie ciepła w kotle opalanym biogazem jest znacznie tańsze niż w przypadku kogeneracji. Idealnym rozwiązaniem byłoby takie perpetuum mobile, które by się samo zasilało z resztek produkowanego na składowisku biogazu. Są to rozwiązania wprowadzone i funkcjonujące na niektórych instalacjach, jednak nie zawsze pracujące zgodnie z pierwotnymi założeniami, głównie z przyczyn zmienności w generacji biogazu i potrzebie intensywnej regulacji systemu odgazowania. Regulacja systemu to osobny rozdział, który został poruszony w jednym z wcześniej opublikowanych artykułów (“Obsługa systemu odgazowania składowiska“). Na niewielkich i zamkniętych składowiskach jest to niełatwe zadanie, jeśli chce się uzyskać w miarę stały strumień gazu w zakresie stężeń metanu, wymaganym przez urządzenia.

Małe i mikrogeneratory prądotwórcze i kogeneracyjne demonstrowane były w praktyce wielokrotnie na różnych składowiskach, m.in. w ramach projektu ACUMEN (patrz ramka), w którym aktywnie uczestniczyła Politechnika Warszawska.

Jeśli ilość i jakość gazu nie pozwalają na jego unieszkodliwianie w procesach spalania, pozostaje utlenianie biologiczne – w biofiltrach. Biofiltr w systemie aktywnego odgazowania zamienia pochodnię na wylocie ze ssawy.

Uwzględniając czas stabilizacji odpadów, sięgający dziesiątek, a nawet setek lat, normalną koleją rzeczy będzie stopniowe przechodzenie z jednej technologii unieszkodliwiania biogazu do drugiej, w miarę zmniejszania się objętości gazu i pogarszania jego jakości, np. z agregatu kogeneracyjnego lub kotła do pochodni standardowej, następnie do pochodni do spalania gazu niskokalorycznego, a w końcu do biofiltrów.

Zastosowanie biofiltrów

Jeśli chodzi o systemy pasywne, to najczęstszym i najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem jest zastosowanie biofiltrów. Przetwarzają one gaz, utleniając wydobywający się ze składowiska metan i towarzyszące mu szkodliwe dla zdrowia i środowiska gazy i pary związków śladowych. Stosowanie biofiltrów jest technicznie i praktycznie uzasadnione w przypadkach stosunkowo niewielkich objętości biogazu, o składzie niepozwalającym na jego bezpieczne unieszkodliwiane przy zastosowaniu pozostałych wyżej wymienionych technologii. Skuteczność działania biofiltrów zależy od ich konstrukcji i parametrów operacyjnych, głównie wilgotności, temperatury i obecności czynników odżywczych dla bakterii metanotropowych. W biofiltrze w systemie aktywnym, montowanym na wylocie ssawy można z powodzeniem kontrolować te parametry, również w trybie automatycznym.

W systemach pasywnych nie jest to takie proste, bowiem z założenia są to instalacje nisko obsługowe lub bezobsługowe. Najczęściej są one pozostawiane na łasce losu lub są rzadko kiedy monitorowane. Są to podstawowe „grzechy” opieki poeksploatacyjnej, powodowane nieświadomością lub brakiem właściwej motywacji do kontrolowania biogazu.
Biofiltry pasywne mogą być montowane bezpośrednio na studniach odgazowujących, w tzw. oknach, umiejscowionych w pokrywie wierzchowiny składowiska, połączonych z drenażem gazowym. Biofiltrem może także być pokrywa wierzchowiny i skarp składowiska, odpowiednio skonstruowana z materiałów sprzyjających rozwojowi mikroorganizmów utleniających metan i związki śladowe zawarte w biogazie.

Mimo niskich wymagań obsługowych dla biofiltrów pasywnych, warto do nich od czasu do czasu zajrzeć, w celu skontrolowania ich skuteczności i stanu technicznego, a szczególnie wilgotności stosowanego materiału i emisji gazów na wylocie. Ocena sprawności systemu odgazowania, wymagana rozporządzeniem, odnosi się w równej mierze do składowisk w fazie eksploatacyjnej, jak i poeksploatacyjnej. Jednakże każdy system pasywny, nawet najbardziej efektywny, unieszkodliwiający jedynie nadmiar generowanego biogazu, dopływającego pod własnym ciśnieniem, zgodnie z definicją sprawności odgazowania wg Agencji Środowiska Anglii i Walii (bo polskiej definicji, mimo umieszczenia w rozporządzeniu dość kuriozalnego określenia „sprawności systemu odprowadzania gazu składowiskowego” – jak dotąd nie ma), będzie miał sprawność zerową.

Dobra sprawność przy braku kontroli procesowej

Biofiltry nie posiadają gwarancji ciągłego i skutecznego działania, mimo np. stosowania prostego, grawitacyjnego ich nawadniania. Zdarza się, że gdy z jakichkolwiek powodów znacznie wzrośnie objętość lub stężenie metanu w gazie, dojdzie do przesuszenia lub zawodnienia biofiltra, bakterie nie będą miały dostatecznej „mocy przerobowej”, żeby poradzić sobie z takimi zmianami. Wymagana jest wtedy interwencja operatora.

Na korzyść zastosowania biofiltrów przemawiają również inne aspekty: są stosunkowo tanie, nie są wymagające pod względem obsługi, znakomicie się sprawdzają w systemach pasywnych, wiele instalacji w Europie i na świecie udowodniło dobrą sprawność ich działania. Ich wadą jest praktyczny brak kontroli procesowej, co można złagodzić, stosując znaczny margines inżynieryjny przy ich projektowaniu i wykonawstwie.

Co ciekawe, aktualne polskie przepisy dotyczące biogazu nie wspominają o biofiltrach, ale z drugiej strony nie zabraniają ich stosowania.

Ogólna percepcja, że zamknięcie składowiska „z marszu” eliminuje problemy środowiskowe, jest błędna. Badania przeprowadzone w wielu krajach europejskich wykazały, że emisje biogazu z zamkniętych i starych składowisk, w sumie niewielkie, lecz trwające przez dekady, stanowią poważny udział w bilansie emisji gazów cieplarnianych z gospodarki odpadami. Dlatego też odpowiedzialne służby państwowe w krajach bardziej od Polski zaawansowanych pod względem ochrony środowiska kładą coraz większy nacisk na opiekę poeksploatacyjną nad składowiskami, a w szczególności na kontrolę i minimalizację emisji biogazu.

Jak wynika z powyższych rozważań, projektowanie i dobór odpowiedniego systemu odgazowania dla składowisk zamkniętych nie jest zadaniem prostym. Wymaga to sporej wiedzy oraz doświadczenia w zakresie funkcjonowania tego typu obiektów. W dalszej kolejności o efektywności instalacji decydować będzie właściwe jej wykonanie oraz umiejętna i rzetelna eksploatacja.

fot. na otwarcie sozosfera.pl