Biooxidační filtry na skládkách odpadu

Odstraňování methanu na skládkách je legislativně stanoveno i na období následné péče, kdy na skládku již není navážen odpad. Technologických postupů existuje několik, tento příspěvek se věnuje jedné z nich: biooxidačním filtrům. V úvodu článku je popsána jejich konstrukce, princip a stručně podmínky pro instalaci. Následuje experimentální část, která měla za hlavní cíl prověření účinnosti biooxidačních filtrů při odbourání methanu. Jako náplň byla zvolena dřevní štěpka s malým podílem kompostu. Experiment probíhal jednak laboratorně na filtrační koloně a jednak na biooxidačním filtru na skládce komunálních odpadů. Při laboratorním měření byl krátkodobě vháněn methan do kolony. Výsledná účinnost odbourání methanu dosáhla 90%. Při měření na skládce byla účinnost 100%, což je výsledek prokazující vhodnost použití biooxidačního filtru na skládce.

Úvod

Lze použít přirovnání: když se na skládku přestane navážet odpad, odchází do pomyslného důchodu. Již není výdělečně činná, hospodaří ze svých finančních úspor a kontroly jsou povinné v pravidelných intervalech. Toto období se nazývá následná péče. V každém státě jsou stanovena různá legislativní pravidla. Česká republika je dle Skládkové směrnice 1999/31/EC povinna dodržovat období následné péče v době třiceti let. Během této doby jsou kontrolovány výluhy, skládkový plyn a sedání skládky.
Předkládaný článek se zaobírá právě skládkovým plynem a jeho možností odbourání v době následné péče, kdy na skládku se již neukládá odpad. Skládkový plyn (landfill gas, LFG) je stále produkován, i když jeho množství i kvalita klesají. Majoritní složky skládkového plynu jsou stejné jako v době aktivního ukládání odpadu, tedy methan činí 50 – 62 % a oxid uhličitý činí 30 – 36%. Složením patří skládkový plyn mezi skleníkové plyny, které nadměrně ohřívají planetu. Methan tedy představuje environmentální hrozbu, neboť má potenciál globálního oteplování (GWP) 25x větší než oxid uhličitý [9]. Mezinárodní úmluvy (např. Kjótský protokol, Montrealský protokol, Rámcová úmluva OSN o změně klimatu) i národní legislativa (Skládková směrnice, Plán odpadového hospodářství ČR) nás zavazují methan antropogenního původu eliminovat a pokud možno, tak využívat pro energetické účely.
Slabá produkce methanu v době následné péče je nedostatečná pro kogenerační jednotku, a proto dochází pouze k odstranění bez využití energie. Existuje několik technologií, jak methan odstranit. Prvním, nejstarším způsobem je spalování na fléře. Ovšem otevřená pochodeň představuje rizika, např. produkci emisí NOx. Proto se dnes používají fléry jako nouzová krátkodobá řešení. Mezi další technologické možnosti patří bioreaktorová skládka a in-situ aerace skládky (nízkotlaká, vysokotlaká, venting). Tyto technologie jsou charakteristické celkovým přístupem ke skládce, kdy je biodegradace skládky podpořena recirkulací výluhů a dalšími postupy, například drcením odpadu, zhutněním, úpravou pH nebo aerací s aktivním nebo pasivním jímáním plynů. Poslední skupinu představují biooxidační metody. Jde o pasivní systémy, které nepotřebují žádnou dodanou energii. Mezi ně patří biooxidační filtry (biofilters), biowindows, biocovers a biotraps [7, 11].

Bioxidační filtry (biofiltry neboli biologicky aktivní jednotky)

Konstrukčně se biooxidační filtry skládají ze dvou vrstev, kdy horní je tvořena biologickým materiálem, např. hoblinami z jehličnatého dřeva (borovice, smrk), drcené brikety z dřevěného uhlí, lesní dřevní štěpka nebo mulčovaný dřevní odpad smísený se zeminou nebo kompostem. Tato vrstva zajišťuje onu důležitou oxidaci methanu. Dolní vrstva je vyplněna koksem a slouží k zajištění plynotěsnosti drenáže. Místo umístění biofiltru na skládce je důležité. Methan má nižší hustotu než vzduch, a proto by biofitr měl být umístěn na nejvyšším místě skládky. Pokud se instalují 2 a více biofiltrů na jedno skládkové těleso, měly by být ve stejné výšce.
Princip biooxidačního filtru spočívá v oxidaci methanu na oxid uhličitý pomocí methanotrofních bakterií, které jsou v biooxidačním filtru přítomny v horní vrstvě biooxidačního filtru. Jejich životní podmínky jsou poměrně široké a není problém jim na skládce tuhého komunálního odpadu (TKO) vyhovět. Vlhkost v biofiltru se má pohybovat v rozmezí 30 – 100 %, pH 5,5 – 8,5 a teplota 24 – 40°C [3]. Při nižší teplotě je třeba biofiltr podtápět. Samozřejmě bakterie potřebují alespoň střídavou přítomnost kyslíku. Barometrický tlak by měl být ustálený, jeho změna ovlivňuje pohyb plynů. Vzrůstající barometrický tlak zatláčí plyn zpátky, zatímco klesající posiluje úniky plynu. V dlouhodobém měřítku jsou změny 100 Pa /den. Ovšem může se za několik hodin změnit i o 3000 Pa/den [12].
Při nedostatečné vlhkosti pod 10 % se v biofiltru vytvoří exopolymerní látky (EPS, exopolymeric substances) [4]. Biofiltr přestane fungovat, neboť oxidace methanu je omezena. Zpětné vlhčení již nepomůže, neboť organický materiál je silně spojen do hrud slepených bílou hmotou, která připomíná hašené vápno. Tento jev byl na skládce v ČR pozorován pouze jedenkrát.
Methanotrofní bakterie oxidují kromě methanu i minoritní složky skládkového plynu. Bylo prokázáno, že odbourávají benzen, toluen, další uhlovodíky a jejich kyslíkaté deriváty, organické látky nesoucí síru, dusík či halogeny [10]. Biooxidační filtry se kontrolují odbornou firmou 2 – 4x ročně. Jednou za 3 – 4 roky by měla být svrchní organická část filtru vyměněna. Dále nevyžadují náročnou údržbu, jedná se o vizuální zhlédnutí biofiltrů. Pokud je biofiltr dobře naprojektován a pravidelně je měněna svrchní část, dosahuje vysoké účinnosti 95 – 100 %. Vzhledem k  použitému materiálu a konstrukci jde finančně nenáročnou a o bezpečnou technologii bez vedlejších účinků [6, 8,13]. První biofiltr v České republice byl instalován v roce 1988. Dnes je zřízeno okolo 20 biooxidačních filtrů, např. Stráž nad Nežárkou, Louka u Litvínova, Kladruby, Prunéřov, Nelahozeves, Chotěboř, Němčičky, České Hamry. V zahraničí jsou biofiltry hojně používány, neboť trendem jsou biotechnologie, které fungují samočinně a bez emisí. Mezi země, které mají hojně biofiltry instalovány na svých skládkách, patří např. Austrálie, Německo, Rakousko, USA a Kanada. Popularita biofiltrů vzrůstá v dalších zemích, jako je Itálie, Belgie, Brazílie či Japonsko.
V České republice je zhruba 160 aktivních skládek tuhého komunálního odpadu, které budou v době následné péče methan odbourávat.
Zároveň se Česká republika zavázala ke snížení objemu biodegradabilního odpadu ukládaného na skládky, lze předpokládat, že skládek s menšími a středními výrony plynu přibyde, a proto bude tato technologie na odstranění methanu ze skládkového plynu žádoucí.
Zvýšit povědomí o biooxidačních filtrech, i jejich výzkum je cílem našich experimentálních měření.

Experimentální část

Se záměrem dosáhnout komplexnosti měření byla měření prováděna jak v laboratoři na filtrační koloně, tak i přímo na skládce tuhého komunálního odpadu (TKO).

1. Laboratorní filtrační kolona

Cílem laboratorního měření bylo prověřit krátkodobou reakci filtrační kolony hned po jejím naplnění a rozjezd účinnosti v době 8 hodin. Jednalo se o „nájezd kolony“, kdy do ní začal vstupovat methan.
Vstupní koncentrace plynu byla 2,2 % CH4 ve směsi se vzduchem. Nízká koncentrace methanu byla zvolena kvůli výbušnosti plynu.

Okolní teplota filtru byla 20°C. Teplota uvnitř kolony byla měřena v hloubce 30 cm a 50 cm. Během měření vzrostla teplota z 20 na 21°C . Vlhkost byla celou dobu ustálená na 78 %. Průtok byl zvolen malý, v průběhu měření vzrůstal od 0,103 do 0,114 l/min. Jako testovaný materiál byl zvolen mix dřevní štěpky (90 %) a kompostu (10 %).

Laboratorní kolona byla sestavena z těchto částí:

• skleněné kolony o výšce 1,0 m a objemu 0,02 m3 s výplní materiálu
• tlakové nádoby
• zvlhčovací komory
• methanometru Sewerin Multitec 540, vyrobené společností Hermann Sewerin GmbH
• průtokoměru Sensidyne, TSI model 4199, vyrobeno firmou TSI Incorporated.

Laboratorní kolona byla naplněna a následně byl vháněn zespodu methan. Plyn dále procházel kolonou a na výstupu se methanometrem měřily objemové koncentrace methanu, oxidu uhličitého a kyslíku.

2. Měření na skládce

Měření bylo prováděno na malé skládce TKO. Plocha uzavřené části skládky je 15 000 m2 a je uloženo 85 000 tun odpadu. Na skládce je instalován jeden biooxidační filtr a 4 kontrolní šachty. Filtr je správně umístěn na nejvyšším místě skládky. Jeho rozměry jsou 470 x 400 cm a výška 70 cm. Stav filtru je dobrý, svrchní vrstva je kyprá, pružná, v udržovaném stavu a tím pádem by měla být dobře prostupná pro plyny. Funkčnost biooxidačního filtru a plnění emisního limitu je kontrolováno 2x za rok odbornou firmou.
Biooxidační filtr jako emisní zdroj má povinnost mít měřeny úniky methanu. V současné době je stanoveno, že povrchové koncentrace methanu v těsném kontaktu materiálu filtru mají být za bezvětří nejvýše do 0,3 % objemového [1]. Bližší požadavky ani metodika na měření biooxidačních filtrů však neexistuje.
Pro účely měření bylo zvoleno celkem 11 kontrolních bodů: na filtru, v profilu filtru v hloubce 30 cm, v kontrolních bodech skládky a jeden zcela mimo filtr.

Výsledky a diskuse

1. Laboratorní filtrační kolona

Průběh experimentu

Po 15 minutách od začátku experimentu došlo k průniku methanu do výstupního proudu z kolony. Po 3 hodinách při ustáleném stavu dosahovala koncentrace methanu na výstupu počátečních 0,1 % obj., v další hodině na 0,2 % obj., kde se tato hodnota ustálila. Během průchodu kolonou došlo ke snížení z 2,2 % obj. na 0,2 % obj., neboli o 90 %.

Výsledky

Výsledky měření prokázaly, že přítomné methanotrofní bakterie jsou na testovaném materiálu schopny odbourávat methan, a to s účinností 90% během 8 hodin od začátku nájezdu kolony. Teplota v koloně byla pouze o jeden stupeň vyšší než teplota okolí.

Diskuse

Na Grafu 1 je znázorněna závislost koncentrací CH4, CO2 a O2 na výstupu z kolony v čase při nájezdu kolony. Oxidu uhličitý je zde dvojího původu. Jednak vzniká z methanu a dále rozkladem dalších organických látek dřevní štěpky. Tím je daná vysoká koncentrace CO2 na začátku nájezdu kolony.

Graf 1: Průběh vývoje plynů na filtrační koloně

Jako následující rozšíření laboratorních experimentů by bylo vhodné testovat různé biologické substráty a jejich účinnost. Mezi vhodné by bylo měření na materiálech málo oživených methanotrofními bakteriemi (např. drcené brikety), přes středně oživené (např. hobliny) až po vzorky, u kterých se předpokládá vysoká účinnost (jako byl námi testovaný mix dřevní štěpky a kompostu). Toto bude též zájmem našeho dalšího měření na filtrační koloně.

2. Měření na skládce

Průběh experimentu

Měření probíhalo na 11 bodech: K1 – K4 byly kontrolní body na skládce, K5 – K10 byly kontrolní body na filtru. Na povrchu filtru byly zvoleny dva body. Pro hloubkový profil byly zvoleny filtru 4 body, které byly za sebou v řadě přes délku 470 cm.
Pro porovnání byl zvolen poslední bod K11, který představuje složení plynu nad skládkou ve vzdálenosti cca 3 metry od filtru.

Tabulka 1: Měření dne 22. 7. 2016, 9:00 slunečno, atmosférický tlak 94 kPa

	CH4 [ % ]	CO2 [ % ]	O2 [ % ]	H2S [ppm]	Teplota [°C]
K1	49	20	0,2	0	31,5
K2	48	20	0,3	0	26,3
K3	52	19	0,1	2	27,0
K4	58	21	0,2	0	26,5
K5 – povrch filtru	0	0	20,6	0	22,2
K6 – povrch filtru	0	0	20,6	0	22,2
K7 – sonda 30 cm	0,7	1	19,9	0	27,6
K8 – sonda 30 cm	0	0	20,6	0	29,6
K9 – sonda 30 cm	0	0	20,6	0	27,3
K10 – sonda 30 cm	0,2	1	20,1	0	25,1
K11 – mimo filtr	0	0	20,6	0	22,2

Výsledky

Výsledky měření prokázaly, že přítomné methanotrofní bakterie jsou schopny odbourávat methan a to s účinností 100 %. Hodnoty naměřené nad biofiltrem byly totožné s hodnotami nad skládkovým tělesem mimo biofiltr.
Z daného experimentu se potvrdilo, že biooxidační filtr uvedených konstrukčních rozměrů dobře zneškodňuje skládkové plyny. Tedy spodní vrstva je vyplněna koksem a svrchní vrstva směsí dřevní štěpky a kompostu.

Diskuse

V kontrolních šachtách skládky se nacházel skládkový plyn s klasickým zastoupením methanu 50 – 55 % a oxidu uhličitého 40 %. Ještě v tělese filtru v hloubce 30 cm se vyskytoval methan, ale ve velmi nízké koncentraci, a to 0,3 – 1,5 %. Na povrchu filtru již žádný methan nebyl naměřen. To vypovídá o schopnosti filtru methan odbourávat. V tělese skládky se vyskytoval i sulfan, což je jeden z minoritních prvků skládkového plynu.
Neboť biooxidační filtr na skládce nebyl svrchně izolován, není do měření započítána uhlíková bilance systému. Výpočet uhlíkové bilance je zajímavým tématem jednak pro bilanci v samotném biofiltru a jednak jako uhlíková stopa biofiltru v prostředí.

Závěry

Laboratorní měření potvrdilo odstranění methanu přes materiál dřevní štěpky smíchané s kompostem. Tím pádem je tato směs vhodným organickým prostředím pro methanotrofní bakterie. Během nájezdu kolony se v 8 hodinách dosáhlo 90 % odbourání methanu. Protože se jedná pouze o „nájezd“ kolony, je to vysoká úspěšnost. U déle trvajícího měření by populace methanotrofů narostla a velmi pravděpodobně by byla naměřena vyšší účinnost.
Z výsledků měření na skládce vyplývá, že instalovaný biooxidační filtr funguje velmi dobře. Vstupní plyn s obsahem methanu okolo 50 % obj. je zcela zoxidován. Nízké měrné koncentrace methanu byly zaznamenány pouze v sondách filtru a nad biooxidačním filtrem byly hodnoty nulové. Podle provedených měření je funkčnost biofiltru 100%.
Úspešnost odbourání methanu na měřené skládce TKO vypovídá o dobré konstrukci a i údržbě filtru a filtr plní emisní limit.
Biooxidační filtry jsou vhodným materiálem pro eliminaci methanu ze skládek TKO, kde právě skládkový plyn je tvořen převážně methanem. Z obou experimentů lze konstatovat, že dřevní štěpka smíchaná s kompostem je vhodný materiál pro použití na biooxidačních filtrech.

Seznam symbolů

GWP – global warming potential, potenciál globálního oteplování
LFG – landfill gas, skládkový plyn
TKO – tuhý komunální odpad

Literatura

[1] Česká Technická Norma (ČSN) 83 8034, Skládkování odpadů – Odplynění skládek, Český normalizační institut, prosinec 2000.
[2] Dever S. A., 2008. Passive Drainage and Biofiltration of Landfill Gas: Behaviour and Performance in a Temperate Climate. PhD. Thesis. University of New South Wales.
[3] Gebert J., Singh B.K., Pan Y. and Bodrossy L. 2009.Activity and structure of Methanotrophic communities in landfill cover soils, Environmental Microbiology Reports (2009) 1(5), 414 – 423.
[4] Handbook for the design, construction, operation, monitoring and maintenance of a passive landfill gas drainage and biofiltration system, Department of Environment, Climate Change and Water NSW 59-61 Goulbourn Street, Sydney, 2010.
[5] Heyer K.-U,.Hupe K.,Stegmann R., Landfill aftercare – scope for actions, duration, costs and quantitative criteria for the completion, Proceedings Sardinia 2005, Italy.
[6] Humer, M.H., and Lechner, P., 2001. Design of a Landfill Cover Layer to Enhance Methane Oxidation – Results of a two year Field Investigation. Proceedings of Sardinia 2001, Eighth International Waste Management and Landfill Symposium, Cagliari, Italy.
[7] Humer, M.H., Gebert J., Hilger H., 2008. Biotic systems to mitigate landfill methane emissions. Waste Management & Research 26, 33 – 46.
[8] Humer, M.H., Roder, S., Lechner, P., 2009. Approaches to assess biocover performance on landfills. Waste Management 29, 2092 – 2104.
[9] IPCC (2014) Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change Working Group III. Contribution to the Fifth Assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Endehofer O.,Pichs-Madruga R., Sokona Y., Minx J.C., Farahani E., Kadner S., Seyboth K., et al.. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. http://ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg3/ipcc_wg3_ar5_full.pdf , str.360.
[10] Scheutz, C., and Kjeldsen, P., 2001. Methane oxidation and Biodegradation of Halogenated Organic Compounds in Landfill Soil Covers. Proceedings of Sardinia 2001, Eighth International Waste Management and Landfill Symposium, Cagliari, Italy.
[11] Stern, J.C., Chanton, J., Abichou, T., Powelson, D., Yuan, L., Escoriza, S. & Bogner, J. ,2007. Use of a biologically active cover to reduce landfill methane emissions and enhance methane oxidation. Waste Management 27, str. 1248 – 1258.
[12] Straka František, Bioplyn, Praha 2006, str. 544 – 549.
[13] Streesse J., Stegmann R., Microbial oxidation of methane from old landfills in biofilters, Waste management, Volume 23, Issue 7, 2003, str. 573 – 580. Ing. Klára Vondráková

Článek byl publikován v časopisu Waste forum 5/2016,
www.tretiruka.cz/media-a-odpady/waste-forum/archiv/a2016/wf-2016-5-str-245-337/

zpět na seznam článků