Povrchové emise metanu ze skládek komunálního odpadu a jejich měření pro provozní praxi

Úvod

Skládky komunálního odpadu jsou významnými zdroji znečišťování ovzduší. V důsledku rozkladných procesů uložených odpadů vzniká skládkový plyn, skládající se zejména z metanu a oxidu uhličitého. Protože je metan významným skleníkovým plynem, je nutné co nejvíce omezit jeho emise. Účinnost technických opatření k zabránění úniku metanu do atmosféry je potřeba průběžně ověřovat terénním měřením. Aktuální legislativa bohužel nestanovuje jednotný způsob a metodiku tohoto měření. Ke stanovení emisí metanu z povrchu skládek se v současnosti využívá zejména metoda statického flux-boxu, která je relativně nepřesná a časově velmi náročná. Z tohoto důvodu by rychlá a relativně přesná metoda přímého měření mohla zaplnit mezeru v monitoringu emisí ze skládek, a přispět tak ke zlepšení provozování těchto zařízení.

Obr. 1: Fotografie experimentálního vzorkovacího adaptéru a umělé skládky včetně systému čerpání plynu

Cíle

Cílem projektu je návrh, kalibrace a vyzkoušení měřícího adaptéru pro přímé měření emisí metanu na skládkách. Na základě získaných zkušeností by měla být sestavena podrobná metodika měření a vyhodnocování dat. Součástí projektu je ověření přesnosti a použitelnosti metody měřením přímo v terénu a srovnáním s jinými dostupnými technikami (flux-box, měření pachových látek). Výsledky projektu by měly být publikovány v odborném tisku a promítnuty do stávající legislativy ČR.

Obr. 2: Změny povrchových koncentrací metanu v závislosti na čase; průtok plynu odpovídá látkovému toku 3 l CH4/m2/hod

Materiál a metody

Přímé měření látkového toku v terénu je velmi obtížné a podmíněné použitím složité měřící techniky. Jeho hodnota proto musí být stanovována nepřímo na základě měření jiné veličiny. Za předpokladu, že je koncentrace metanu nad povrchem skládky přímo úměrná jeho látkovému toku, mohlo by tímto měřením být stanovování povrchové koncentrace metanu. Jedním z hlavních úkolů projektu je proto nalezení přepočtového faktoru mezi povrchovou koncentrací a látkovým tokem.

Obr. 3: Stanovení závislosti mezi měřenou povrchovou koncentrací metanu a látkovým tokem

Vzorkovací adaptér

Zkušební vzorkovací adaptér (dále jen adaptér) má tvar mělkého obráceného talíře o vnitřním průměru 20 cm a objemu cca 450 cm³. Po obvodu je vybaven pružným těsněním, umožňujícím lepší přilnutí k měřenému povrchu. Vnitřní konstrukce adaptéru byla navržena s ohledem na možné komplikace při měření. Aby v čerpaném prostoru nedocházelo k nežádoucím turbulencím plynu, byla vnitřní část adaptéru rozdělena příčným žebrováním. Současně byly v boční stěně provedeny malé otvory, sloužící k vyrovnávání tlaku uvnitř adaptéru během měření. Při čerpání vzorku vzniká podtlak, v důsledku čehož by mohlo docházet k „vysávání“ plynu z povrchové vrstvy odpadu, a tím i zkreslování výsledku měření. Díky otvorům je čerpaný objem plynu okamžitě nahrazován vzduchem zvenčí, čímž se omezuje riziko vzniku pístového efektu. Laboratorní měření ukázala, že pro přesnost metody má zásadní význam dodržení předepsané doby délky měření. Z tohoto důvodu byl na okraji adaptéru umístěn tlakový spínač s časovačem. Po přiložení adaptéru k povrchu je zahájen odpočet odpovídající předepsané délce sběru plynu. Na jejím konci vydá zvukový signál operátorovi pokyn ke spuštění čerpání vzorku k analýze. K měření koncentrace metanu v čerpaném vzorku plynu byl použit přenosný analyzér Ecoprobe 5 firmy RS Dynamics. Přístroj umožňuje velmi přesné měření koncentrací metanu v rozpětí hodnot 50 ppm až 60 %_obj. Součástí přístroje je výkonná pumpa s nastavitelným výkonem. Parametry čerpání a nastavení přístroje jsou nedílnou součástí metodiky měření.

Obr. 4: Srovnání metody přímého měření a statického flux-boxu při průtoku plynu ekvivalentnímu látkovému toku 2,85 l CH4/m2/hod.

Konstrukce simulátoru skládky

Zdrojem metanu je tlaková nádoba s technickým plynem o čistotě 99,5 %. S ohledem na to, že experimenty probíhají za velmi nízkých průtoků s minimálním tlakovým gradientem, musel být vyvinut speciální systém čerpání, založený na principu vytlačování plynu z uzavřeného zásobníku proudem vody. Plyn tak není do systému pouštěn přímo z tlakové lahve, ale skrz plastový zásobník o objemu 30 l. Ten je vybaven napouštěcím potrubím, vstupem a výstupem vody, výstupním potrubím do experimentální skládky a vyrovnávacím ventilem. Před měřením se naplní zásobník plynem, otevře se přívod do experimentální skládky a spustí přečerpávání vody do zásobníku. Přítok vody z nádrže je řízen peristaltickým čerpadlem nastaveným tak, aby na povrchu experimentální skládky bylo dosaženo odpovídajícího emisního toku metanu. Mezi napuštěním zásobníku a vlastním měřením je nutno ponechat systém několik hodin v klidu z důvodu ustavení rovnováhy. Minimální doba ekvilibrace systému byla určena experimentálně. Skutečný průtok plynu na výstupu ze zásobníku není možné měřit přímo, hodnota QCH₄ je proto stanovována nepřímo měřením průtoku kapaliny na vstupu do zásobníku. V případě potřeby je možné zásobník doplnit i během experimentu. Po uzavření přívodu vody a potrubí k experimentální skládce se otevře výpustné potrubí a přívod z tlakové lahve. Plyn během plnění zásobníku přečerpá vodu zpět do nádrže; po naplnění zásobníku plynem a uzavření všech armatur se otevře vyrovnávací ventil, který zajistí pokles tlaku v zásobníku na úroveň okolní atmosféry.

Obr. 5: Srovnání výsledků povrchového měření před a po provedení 10minutového měření statickým flux-boxem

Vlastní experimentální skládka má tvar nízkého válce z PE o vnitřním průměru 80 cm a výšce 40 cm. Ve své bazální části je vybavena dvěma ventily – vstupním pro přívod plynu a výstupním pro měření koncentrace plynu ve skládce. Ve výšce 5 cm nad dnem skládky se nachází nosný rošt, na kterém je pak položena textilní disperzní vrstva s minimální tlakovou ztrátou. Zbývající část umělé skládky je vyplněna keramickým granulátem (frakce 8 – 16 mm), případně svrchních 10 cm jiným materiálem dle charakteru experimentu. Správná funkce celého systému byla před zahájením laboratorních prací experimentálně ověřena. Především byla stanovena kinetika systému, rychlost plnění a dosažení rovnovážného stavu systému při různém průtoku plynu a ověřena těsnost systému.

Způsob měření

Prvním bodem experimentálního programu bylo stanovení závislosti mezi přímým měřením na povrchu skládky a látkovým tokem metanu. Tato závislost byla stanovena pomocí velkého množství měření za přesně stanovených podmínek – konstantní průtok plynu, nastavení umělé skládky a analytických přístrojů, dodržení metodiky měření. Po ustavení stavu dynamické rovnováhy byl postupně proměřen celý povrch umělé skládky. K tomuto účelu byla měřená plocha rozdělena do 12 výsečí a označena dle hodinového ciferníku. V rámci jedné série pak byla prováděna měření v ustáleném pořadí na pozicích 1 – 4 – 7 – 10 – střed – 2 – 5 – 8 – 11 – střed – 3 – 6 – 9 – 12 a střed. Postup měření byl takto navržen proto, aby výsledky nebyly ovlivněny případným narušením tlakového pole z důvodu předchozích měření. Měření na sousedících pozicích dělila doba minimálně 5 minut, což by měla být dostatečná doba k obnovení stabilního proudění plynu. Měření jednoho měřícího bodu sestává z následujících úkonů: vzorkovací adaptér se nejprve umístí mimo měřenou plochu tak, aby z něj mohl uniknout vzduch nasátý v průběhu předchozího měření. Současně se spustí autokalibrační sekvence plynového analyzátoru (zhruba 30 sekund). Po té se adaptér přiloží k povrchu skládky a přitlačí, čímž dojde k sepnutí časového spínače. Doba sběru vzorku trvá přesně 30 sekund; po té se ozve zvukový signál, na jehož pokyn operátor spustí čerpání vzorku do analyzátoru. Po skončení běhu měřícího přístroje je možné přejít k dalšímu bodu.

Obr. 6: Situace měření emisí metanu ze skládky komunálního odpadu Radim, plocha kroužku je přímo úměrná látkovému toku metanu

Výsledky

Již v průběhu prvních experimentů se ukázalo, že mezi jednotlivými místy měřeného povrchu existují velké rozdíly v koncentracích metanu. Analýzou výsledků bylo zjištěno, že přes veškerá opatření není možné dosáhnout rovnoměrné emise metanu z povrchu umělé skládky. Při minimálním tlakovém gradientu je proudění plynu ovlivňováno celou řadou faktorů, jež vedou k tvorbě preferenčních cest a kanálkování. Výsledkem tohoto procesu je nerovnoměrné rozložení emisí plynu a s tím související tvorba míst s větší či menší koncentrací metanu. S ohledem na to, že se celkové množství unikajícího plynu musí rovnat přítoku vody do plynového zásobníku, rozdíly v látkovém toku na různých místech skládky by měly být navzájem úměrné, a tedy i vyhodnotitelné pomocí aritmetických průměrů z jednotlivých sérií měření. Hodnoty povrchových koncentrací metanu kolísají i v rámci opakovaného měření na jednom místě. Pro potřeby kvantifikování rozptylu takto vznikajících chyb byla na čtyřech místech umělé skládky provedena série 23 měření s časovým odstupem 5 minut. Výsledek měření je zobrazen na obrázku č.2. Koeficient variace se pohyboval v rozpětí 9,4 až 17 %, přičemž nižší rozptyl výsledků vykazovala místa s vyšším průtokem plynu. Pro následné vyhodnocování měření je důležité zjištění, že změny hodnot jsou nahodilé, a tedy i statisticky vyhodnotitelné. V rámci hlavní fáze pracovního programu bylo provedeno cca 120 sérií měření povrchové koncentrace metanu při průtocích odpovídajících látkovému toku 0,5 až 3 l CH₄/m²/hod. Protože se při pokusném měření v terénu ukázalo, že povrchové koncentrace metanu na skládce mohou reálně dosahovat hodnot až vyšších tisíců ppm, byl laboratorní program posléze doplněn o další měření při vyšších průtocích plynu (ekvivalent látkového toku 1 až 30 l CH₄/m²/hod). Tato doplňující měření byla prováděna na umělé skládce o menším průměru. Průtok plynu, respektive přítok vody do plynového zásobníku, byl stanovován vždy na začátku a konci měřící kampaně (zpravidla 4 až 6 na sebe navazujících sérií měření). Současně byl kontrolován stav a těsnost systému měřením koncentrace metanu v dolní části umělé skládky. Ke konstrukci závislostní křivky byly použity pouze ty měřící série, u nichž nebyl pozorován výrazný růstový trend v čase a které nevykazovaly příliš vysoký rozptyl dat. Za hraniční hodnotu platnosti byl zvolen koeficient variace < 35 %.

Aritmetické průměry platných datových souborů byly vyneseny do závislosti mezi povrchovou koncentrací a látkovým tokem metanu. Jak je patrné z obrázku č.3, mezi zkoumanými veličinami platí přímá úměra a směrnice přímky tak může být použita jako přepočetní faktor. U velmi nízkých hodnot látkového toku se přesnost přepočtu z důvodu omezení použité měřící techniky snižuje, nicméně s ohledem na účel měření lze tuto nepřesnost zanedbat. V praxi se to týká situací, kdy je látkový tok < 0,25 l CH₄/m²/hod, což dle klasifikace Straky (2003) odpovídá I. třídě úniků se zanedbatelným vlivem na životní prostředí. V rámci ověřovacího programu bylo provedeno srovnávací měření s metodou statického fluxboxu. K experimentu byl použit flux-box ve tvaru obráceného komolého kužele o objemu 5,25 l a účinné ploše 0,035 cm². Ve vrcholové části byly umístěny dva prostupy s ventily sloužící k čerpání a vracení analyzovaného plynu zpět do akumulačního prostoru. Měření bylo provedeno na laboratorní skládce za přesně stanovených podmínek jako u předchozích experimentů. Nejprve bylo provedeno měření povrchové koncentrace metanu, po té byl na stejné místo přiložen flux-box a po uplynutí 5 a 10 minut změřen. Analyzovaný plyn byl zpětně vypouštěn do prostoru flux-boxu, aby nebyla ovlivněna přesnost měření odčerpáním části plynu. Na závěr bylo provedeno druhé měření povrchové koncentrace. Výsledky měření jsou zobrazeny na obrázku č.4. Je patrné, že zatímco výsledky přímého měření odpovídají skutečnému látkovému toku plynu, měření z flux-boxů tyto hodnoty systematicky podhodnocují. Zároveň se ukázalo, že s rostoucí dobou jímání plynu dochází ke snižování měřených hodnot. Tento jev je přičítán poklesu látkového toku v průběhu času. Zatímco na počátku měření proniká metan do prostředí s nulovým parciální tlakem, v pozdější fázi již musí překonávat odpor akumulovaného plynu. Pokles rychlosti plnění flux-boxu je úměrný koncentraci plynu, a tedy i délce měření. Přesnost metody závisí na zvolené délce měření, ta ale nemůže být příliš zkrácena z důvodu minimálních koncentrací a detekčního limitu použité přístrojové techniky. Z výsledků experimentu jsou jasně patrná omezení metody statického flux-boxu. Pro praktické použití by měla být stanovena přesná metodika, aby jednotlivá měření byla mezi sebou úměrná a vzájemně porovnatelná.

Jestliže při použití flux-boxu dochází k poklesu toku metanu do měřící prostoru, ten se zákonitě musí někde kumulovat a hledat jiné cesty k úniku do atmosféry. Pod flux-boxem tak dochází k přechodnému zvýšení koncentrace CH₄, což je dobře patrné z obrázku č.5. V grafu jsou zobrazeny výsledky povrchového měření před přiložením flux-boxu a po 10 minutovém jímání plynu. Již na první pohled je zřejmé, že povrchové koncentrace jsou po odstranění flux-boxu průměrně 1,5 až 2-násobně vyšší než před jeho položením. Toto zjištění je velmi důležité pro návrh metodiky měření. Jakákoliv překážka významným způsobem ovlivňuje proudění plynu. Operátor měření by proto měl věnovat odpovídající pozornost výběru místa měření. Nemělo by se jednat o místa s velkými kusy nepropustných materiálů, jako jsou například plasty, asfaltové lepenky a podobně. Měření by se nemělo provádět ani u okraje těchto předmětů, kde lze předpokládat zvýšený látkový tok. Měřený povrch nesmí být žádným způsobem upravován, ani z něj nesmí být odstraňovány žádné předměty, jakákoliv manipulace může výrazným způsobem ovlivnit přesnost měření. Praktická použitelnost metody byla ověřena terénním měřením na skládkách komunálního odpadu Přibyšice, Kosova Hora a Radim. Měření bylo nejdříve provedeno na předem připravených experimentálních plochách. Na ploše 10 x 10 m byla vytyčena pravidelná čtvercová síť, v níž bylo postupně prováděno měření pomocí přímého měření a statického flux-boxu. Obě metody vykazovaly poměrně vysoký rozptyl měřených hodnot; zatímco ale v případě flux-boxu každá odlehlá hodnota (položení na trhlinu, skrytá překážka pod povrchem) výrazným způsobem ovlivňovala celkový výsledek, v případě přímého měření je nakládáno s natolik rozsáhlým souborem dat, že se případné odchylky statisticky znivelizují. Praktické použití bylo ověřeno na SKO Radim, kde bylo provedeno měření pro potřeby stanovení měrné emise metanu ze skládky. Na skládkové ploše bylo provedeno celkem 97 měření, průměrný emisní tok činil 0,5 l/m²/hod. Z obrázku č.6 je patrné, že místa s většími úniky plynu jsou na skládkové ploše rozmístěny značně nepravidelně. Zatímco se většina hodnot (95 % provedených měření) pohybovala v rozmezí 0,00 ÷ 1,77 l CH₄.m^-2.hod^-1, na několika místech byly zaznamenány i mnohem vyšší toky metanu s maximální hodnotou 17,03 l CH₄.m^-2.hod^-1.

Odpady představují velmi heterogenní prostředí s různou prostupností pro skládkový plyn, který pak proudí prostředím s nejmenším odporem. Ve skládce se vytváří síť kanálků a preferenčních cest, výsledkem tohoto procesu je pak existence míst s mnohem vyšším tokem metanu než na povrchu s převažujícími úniky prostou difuzí.

Závěr

Výsledky dosavadního výzkumu ukazují, že navržená metoda je funkční a použitelná v běžné praxi. Byl vyvinut regresní model, který byl následně testován při různých úrovních emisního toku metanu ze simulátoru skládkového povrchu. Měřící postupy byly provozně ověřovány i na experimentálních plochách v terénu na provozovaných skládkách komunálního odpadu. Navržená metoda byla podrobena srovnání s konvenční technikou měření emisí metanu pomocí statického flux-boxu. Výsledky ukázaly, že navržená metoda přímého měření poskytuje přesnější výsledky než použití běžného flux-boxu. Je také značně efektivnější pokud se jedná o čas potřebný k měření, není náročná na vstupní podmínky měření a je tedy vhodná pro měření emisí metanu ze skládek v praxi.

Literatura

1. Fisher C., Maurice C., Lagerkvist A.: Gas Emission from Landfills – An overview of issues and research needs. Swedish Environmental Protection Agency, Stockholm, 1999.
2. Czech Standard CSN 83 8034 Landfill of Waste – Landfill degasification
3. Straka F. (2003): Bioplyn, GAS s.r.o., Říčany, ISBN 80-7328-029-9
4. Walker, B. L. (1991), “Flux Chamber Design and Operation for the Measurement of MSW
5. Landfill Gas Emission Rates,” Masters Thesis, University of Central Florida, Orlando, Florida.
6. Bogner, J. and Smith, K.A. (1996) “Measurement and Modeling of Methane Fluxes from Landfills,” Joint North American-European Workshop, Argonne National Laboratory, Illinois, U.S., 21-24 October, 1996.
7. Czepiel, P.M., Shorter, J.H., Mosher, B., Allwine, E., Mcmanus, J.B., Harriss, R.C., Kolb, C.E., Lamb, B.K. (2003) “The Influence of Atmospheric Pressure on Landfill Methane Emissions,” Waste Management 23, 593-598.
8. Straka F. (2003): Bioplyn, GAS s.r.o., Říčany, ISBN 80-7328-029-9 ČSN 83 8034 Skládkování odpadů – odplynění skládek

Grantové údaje

Projekt Landfill surface methane emissions direct measurement byl spolufinancován Finančními mechanizmy EHP a Norska a českým státním rozpočtem z Fondu pro podporu výzkumu pod číslem A/CZ0046/1/0023Účastníci projektu: ARTEZIS s.r.o., ODOUR s.r.o., Miljoe-Technology AS

Článek vyšel ve sborníku ODPADOVÉ FÓRUM 2010 (21. - 23. dubna 2010, Kouty nad Desnou).

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu