Entsorgung von Deponieschwachgasen durch modifizierte passive Methanoxidationsverfahren in der Oberflächenabdeckung

Bachelorarbeit von Alexander Kowalski

Einleitung:

1.1, Problemstellung:

Deponiegas sind Gase aus verschiedenen Kohlenwasserstoff- und anorganischen Verbindungen. Die Hauptanteile bestehen aus Methan (CH¬4) und Kohlendioxid (CO2). Diese Anteile können bis zu 99,7% im Deponiegas ausmachen. In Spuren sind noch aggressive Stoffe wie Chlor, Fluor und Schwefel in unterschiedlichen Verbindungen enthalten. Diese Stoffe werden u.a. über Abfälle wie Schäume, Öle, Lacke, Gips, etc. eingetragen. Methan und Kohlendioxid entstehen durch den Umbau der leicht- bis mittelschwer abbaubaren Kohlenstoffe. Die schwerabbaubaren Kohlenstoffe werden in der Regel nicht, bzw. gering erfasst. Hier kann der Stoffwechselprozess hundert Jahre und mehr betragen. Weiterhin ist der ursprüngliche Gedanke der Nutzung des Energiegehaltes des Deponiegases mit sinkendem Heizwert nicht mehr gegeben. In der DepV §13 (5) wird als Kriterium für die Entlassung aus der Nachsorge der Nachweis über die weitestgehend abgeklungenen Umsetzungs- und Reaktionsvorgänge der biologischen Abbauprozesse angegeben. Aufgrund dieser Aussage kann der Nachsorgezeitraum bei Anwendung aktiver Entgasung viele Jahre in Anspruch nehmen. Um den Nachsorgezeitraum zu verkürzen und die Instandhaltungsmaßnahmen und die damit verbundenen Kosten zu reduzieren tritt die Methanoxidation immer mehr in den Vordergrund. Durch die gleichmäßige passive Entgasung über die Deponieoberfläche soll es das Ziel sein, dass die Deponie weitestgehend sich selber überlassen werden kann.

1.2, Zielstellung:

In diesem Sinne ist das Ziel für diese Arbeit die Untersuchung der Einsatzmöglichkeit der Methanoxidation in der Oberflächenabdeckung. Es soll untersucht werden, unter welchen Vorraussetzungen und durch welche technischen Maßnahmen eine Methanoxidationsschicht zielführend ist und als Alternative zur aktiven Behandlung dient. Die möglichen Verfahren sind die zentrale und dezentrale Methanoxidation. Bezogen auf diese Möglichkeiten der Ausführung soll ein qualitativer und quantitativer Vergleich erfolgen um sowohl ökonomisch als auch emissionsbezogen die bestmögliche Schwachgasbehandlung zu finden.

Zur Gewinnung der dazu erforderlichen Erkenntnisse wird eine ausführliche Literaturrecherche in den entsprechenden Gebieten durchgeführt. In diesem Zusammenhang werden auch bereits vorhandene Versuche und vorliegende Messwerte herangezogen um einen Praxisbezug herzustellen.

1.3, Gesetzliche Rahmenbedingungen:

Nach der Abfallablagerungsverordnung und Deponieverordnung sollte die Ablagerung unbehandelter organikreicher Siedlungsabfälle zum 01.06.2005 beendet werden. Mit der EU-Deponierichtlinie vom 16.07.1999 wurden erstmals einheitliche Standards für Deponien bzw. für das Ablagern von Abfällen in Europa geschaffen. Zur Umsetzung in deutsches Recht trat am 01.03.2001 die Abfallablagerungsverordnung und am 01.08.2002 die Deponieverordnung in Kraft. Zeitgleich zur AbfAblV erschien die 30.BImschV. Am 16. Juli 2009 ist die neue, ‘integrierte’ oder ‘vereinfachte’ Deponieverordnung in Kraft getreten. Zeitgleich sind die bis dahin nebeneinander gültigen Verordnungen zu Deponien, die AbfablV, DepVerwV und die alte DepV sowie die damit noch verknüpften alten Verwaltungsvorschriften TA Abfall, TASi und die erste allg. VwV über Anforderungen zum Schutz des Grundwassers bei der Lagerung und Ablagerung von Abfällen (1990), außer Kraft getreten.

Für den Bereich der Methanoxidation liegen momentan noch keine direkten gesetzlichen Angaben vor. Im Sinne der DepV liegt die Regelung der Anwendung der Methanoxidationsschicht in der Gewalt der zuständigen Behörde. ‘Soll die Rekultivierungsschicht zugleich Aufgaben einer Methanoxidation von Restgasen übernehmen, sind zusätzliche Anforderungen an die Schicht mit der zuständigen Behörde abzustimmen.’

Inhaltsverzeichnis:

1	Einleitung	2
1.1	Problemstellung	2
1.2	Zielstellung	3
1.3	Gesetzliche Rahmenbedingungen	4
2	Thesen	6
3	Grundlagen und Verfahren der Schwachgasbehandlung	7
3.1	Deponiegasentwicklung	7
3.2	Aktive Schwachgasbehandlung	8
3.3	Passive Schwachgasbehandlung (Methanoxidation)	13
4	Methanoxidation in der Oberflächenabdeckung	18
4.1	Auswahl der Bodenart	18
4.2	Aufbau der Methanoxidationsschicht	25
4.3	Zentrale Methanoxidationsschicht	26
4.3.1	Oberflächenabdeckung	26
4.3.2	Deponiegasproduktion	28
4.3.3	Messtechnische Erfassung der Emissionsrate	31
4.3.4	Maßnahmen zur Behandlung von Schwachstellen	36
4.3.5	Standsicherheit	38
4.3.6	Aufbringung der Methanoxidationsschicht	41
4.3.7	Kontrolle der Oxidationsleistung	42
4.4	Dezentrale Methanoxidationsschicht	43
4.4.1	Bestimmung der Oxidationsfläche	43
4.4.2	Wahl eines geeigneten Systems	52
4.4.3	Aufbringung der Methanoxidationsschicht	57
4.4.4	Kontrolle der Oxidationsleistung	57
5	Entscheidungskriterien für den Umstieg aktiv / passiv	59
5.1	Ökonomische Aspekte	59
5.1.1	Verkürzung des Nachsorgezeitraums	59
5.1.2	Nachsorgefolgekosten	60
5.2	Technische Aspekte	61
5.2.1	Technische Grenzen der Hochtemperaturfackel	61
5.2.2	Messtechnische Erfassung der Gaszusammensetzung	61
6	Kostenbetrachtung 63
7	Fallbeispiel66
7.1	Allgemeine Situation	66
7.2	Entgasungsparameter und HT - Fackel	67
7.3	Umsetzung eines Methanoxidationsverfahren	68
7.3.1	Durchführungsvorschlag	68
7.3.2	Flächenauslegung	69
7.3.3	Kostenschätzung	70
7.3.4	Übersichtsplan	72
8	Schlusswort	73
	Abbildungsverzeichnis	I
	Tabellenverzeichnis	III
	Quellenverzeichnis	V
	Anlagenverzeichnis	X
	Anlagen

Textprobe:

Kapitel 4., Methanoxidation in der Oberflächenabdeckung:

4.1, Auswahl der Bodenart:

Für die Auswahl der Bodenart ist zunächst die Funktion der Oberflächenabdeckung mit der Methanoxidationseigenschaft zu klären. Da diese als endgültige Oberflächenabdeckung dienen soll, mit dem langfristigen Ziel der Selbstüberlassung der Deponie, ist neben der Funktion der Methanoxidation die Wasserspeicherfähigkeit und Grundlage der Rekultivierung zu beachten. ‘Der Aspekt des Schutzes der Dichtungsschicht steht hier nicht im Vordergrund, da das System zur Methanoxidation nach dem Speicher- und Verdunstungskonzept konzipiert werden muss’. Als Basis für die Methanoxidation können mineralische sowie organische Böden verwendet werden.

Für die maximale Funktionsweise der Methanoxidation sind mehrere Bodeneigenschaften erforderlich. Für die notwendige Sauerstoffversorgung und einen ungehinderten Gastransport ist ein ausreichendes Porenvolumen zu gewährleisten. Dieses wird durch eine Lagerungsdichte (Ld) von <1,6 g/cm3 und einer Luftkapazität von >10 % erreicht. Die Luftkapazität ist der Anteil des Porenraums im Boden, der nur kurzfristig, beispielsweise nach Starkniederschlägen, wassergefüllt ist. Als Stickstoffquellen werden hauptsächlich Ammonium und Nitrat verwendet. Die methanotrophen Arten nutzen Stickstoff in unterschiedlicher Form: Manche fixieren Luftstickstoff, andere assimilieren aber auch den Stickstoff in Ammonium oder Nitrat, in Aminosäuren oder Harnstoff. Eine zu hohe Ammoniumkonzentration kann jedoch einen kompetetiven Inhibitor der Methanoxidation darstellen, da durch die Oxidation von Ammonium durch das Enzym Methan - Monooxigonase Produkte entstehen, die von den metanotrophen Bakterien nicht genutzt werden können und die Milieubedingungen negativ beeinflussten. Nitratstickstoff hat hingegen keine hemmende Wirkung auf die Abbauleistung. Weiterhin wird für die Nährstoffversorgung Phosphor benötigt. Für die maximale Abbauleistung ist von einem Nährstoffbedarf von ca. 1 g N/(m² d) und 0,24 g P/(m² d) auszugehen. Für ein Jahr sind dementsprechend 365 g N/m2 TS und 87,6 g P/m2 TS erforderlich. Dabei soll der N-NH4 Anteil nicht größer 350 mg/kg TS sein. Aus Abbildung 16 ist abzuleiten, dass durch Steigerung des TOC auch das Nährstoffangebot steigt. Ein TOC – Gehalt größer 10 % ist also erforderlich, um ein ausreichendes Nährstoffangebot sicher zu stellen.

Der durchschnittlich in Komposten enthaltene Stickstoffanteil beträgt 1,31 %, wovon 15 % verfügbar sind. Der Phosphorgehalt liegt bei 0,36 % und ist vollständig verfügbar.

Für die erforderliche Wasserspeicherfähigkeit und Rekultivierung ist die nutzbare Feldkapazität von Bedeutung. Die nutzbare Feldkapazität (nFK) eines Bodens ist der Teil der Feldkapazität, der für die Vegetation verfügbar ist. Sie beinhaltet die Wassermenge, die ein grundwasserferner Standort in natürlicher Lagerung nach ausreichender Sättigung gegen die Schwerkraft zurückhalten kann und entspricht gemäß Konvention einer Saugspannung von pF 1,8 bis 4,2. Diese sollte größer 20 % sein. Um die Wasserdurchlässigkeit bei Böden mit zu geringer nFk zu erhöhen kann ORC (Oxygen Release Compound) dazu gegeben werden. Diese Magnesiumperoxid - Formulierung, setzt bei Kontakt mit Wasser Sauerstoff frei.

2MgO2 + 2H2O -> O2 + 2Mg(OH)2.

Abbildung 17 zeigt die Verringerung des durchgelassenen Wassers. Dabei haben Modelle 1 und 3 denselben Aufbau (schluffiger Sandboden + 4 % Kompost), wobei bei Modell 1 noch 4 kg/m3 ORC zu gegeben wurden.

Mineralische Böden besitzen einzeln nicht die notwendigen Eigenschaften und können somit nur als Gemische verwendet werden. In diesem Fall ist zu überlegen, ob Mischböden verwendet werden oder rein organische Böden. Diese bieten sehr gute Eigenschaften, welche jedoch bei Austrocknung in Kontakt mit Sauerstoff verloren gehen. Die Organik baut sich bis dahin nicht bzw. nur in geringem Maße ab. Dadurch ist gerade bei längerer Trockenheit eine ständige Befeuchtung notwendig. Der Nachteil von Mischböden ist die Aufbereitung und Aufbringung auf die Deponie. Es müssen genaue Mischungsverhältnisse (Bodenanteile, Nährstoffe, nFk, etc.) bestimmt und im Feld zusammengebracht werden. Zur Feststellung der Genauigkeit der Arbeit sollte eine erneute Laboruntersuchung erfolgen um die Zusammensetzung evt. zu adaptieren.

Für die Anwendung von Organik ist es wichtig, dass die organische Substanz bereits in stabiler Form vorliegt. Als Maß dafür kann die Atmungsaktivität genutzt werden. Ein Wert von AT4 < 5 mg O2/g TS ist einzuhalten. Dies entspricht einem Rottegrad von > V.

Für die Untersuchung liegen verschiedene Versuche vor. Die Versuche zeigen, dass organikreiche Böden eine höhere Abbauleistung aufweisen. Die größten Umsätze erfolgen in den untersten 30 – 40 cm.

Die Messungen erfolgten mittels Boxenmessungen. Aufgrund der Daten ist festzustellen, dass Oxidationsraten bis 14 l CH4/(m2 h) möglich sind.

Diese hohen Methanreduktionen müssen aber keinen Abbau darstellen sondern können ihre Ursache in einer Verdünnung des Methans mit Luft in den oberen Schichten haben. Dieser Effekt wurde durch einen Batchversuch mit Biomüllkompost gezeigt. Dabei wurde eine 70 cm mächtige Schicht mit Deponiegasbelastungen von 10 – 200 l/(m2 h) beströmt. Mit zunehmender Belastung konnte eine Verdrängung der Luft beobachtet werden. Trotz der Verdrängung der Luft durch das Deponiegas war an der Oberfläche bis zu einem Volumenstrom von 60 l/(m2 h) kein Methan nachweisbar.

Aufgrund dieser Untersuchung kann davon ausgegangen werden, dass bis zu einer Methanbelastung von 6 l/(m2 h) ein nahe zu vollständiger Abbau (bei guten Bodeneigenschaften) erfolgt. Da in den Wintermonaten ein Rückgang des Abbaus von 10-20 % zu erwarten ist muss dieser Wert auf 4 - 5 l/(m2 h) reduziert werden. Um einen dementsprechenden Luftdurchsatz zu gewährleisten sollte die intrinsische Permeabilität bzw. die Luftpermeabilität (ki) bei 100 % Wasserkapazität nicht geringer als 5 x 10-13 m2 sein. Dies würde einem Luftdurchsatz von 10 l/(m2 h) (bei einer Schichtdicke) von 1m entsprechen.

Für den Einsatz der Methanoxidationsschicht mit zusätzlichen Wasserhaushalts- und Rekultivierungseigenschaften ergeben sich die in Tabelle 4 dargestellten Eigenschaften.