Παραγωγή και διασπορά μεθανίου στην ατμόσφαιρα σε μονάδες εδαφικής διάθεσης αποβλήτων (ΜΕΔΑ)

Abstract

Το μεθάνιο αποτελεί σημαντική ένωση τόσο από ενεργειακή άποψη όσο και για τη συμβολή του στο φαινόμενο του θερμοκηπίου καθώς κάθε mole μεθανίου συμβάλει 25 φορές περισσότερο από κάθε mole διοξειδίου του άνθρακα (Rodhe, 1990). Η ραγδαία αύξηση του στην ατμόσφαιρα που άρχισε γύρω στο 1850 και συμπίπτει με τη ραγδαία αύξηση του πληθυσμού της Γης δείχνει τη συμβολή των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στην αύξηση των εκπεμπόμενων ποσοτήτων μεθανίου (Khalil et al, 1985). Η συγκέντρωση του μεθανίου στην ατμόσφαιρα σήμερα εκτιμάται σε 1,76 ppm με πιθανή μεταβολή για το 2100 από -0,19 ppm σε +1,97 ppm (IPCC, 2001). Οι ΜΕΔΑ ταξινομούνται ως η τρίτη πηγή στις εκπομπές μεθανίου ανάμεσα στις ανθρωπογενείς πηγές, μετά από τους ορυζώνες και τα μηρυκαστικά, συμβάλλοντας κατά 30 106 - 70 106 tn/yr ποσό που αντιστοιχεί στο 6 - 18% της συνολικής παραγωγής (Βingemer et al., 1987). Για τους λόγους αυτούς η ακριβής εκτίμηση της ποσότητας μεθανίου που παράγεται στις ΜΕΔΑ αποτελεί σημαντική πληροφορία. Η εκτίμηση της παραγωγής και διασποράς μεθανίου γύρω από ΜΕΔΑ είναι σημαντική. Αν και δεν υπάρχει άμεσος κίνδυνος από το μεθάνιο που εξέρχεται από μια ΜΕΔΑ κατά την ανάμειξη του με τον αέρα (όταν το μεθάνιο αναμειγνύεται με αέρα υπάρχει κίνδυνος ανάφλεξης), παρ' όλα αυτά μπορεί να συσσωρευτεί σε κοιλότητες αυξάνοντας τη συγκέντρωση του με άμεσο κίνδυνο την εκδήλωση πυρκαγιών. Επιπρόσθετα μπορεί να προκαλέσει αιτία ασφυξίας για το προσωπικό σε ένα κλειστό χώρο. Καθώς το μεθάνιο και οι υπόλοιπες ενώσεις που παράγονται σε μικροποσότητες στις ΜΕΔΑ υφίστανται αραίωση 104 φορές κατά την είσοδο τους στην ατμόσφαιρα, μπορεί το μεθάνιο να θεωρηθεί οδηγός ένωση στον καθορισμό των υπολοίπων (Bruckmann et al., 1982). Μερικά αέρια που παράγονται στις ΜΕΔΑ απαιτούν αραίωση 106 φορές για να βρεθούν κάτω του ανιχνεύσιμου ορίου οσμών (Young et al., 1983). Έτσι το ποσοστό αραίωσης του εκπεμπόμενου μεθανίου μπορεί να αποτελέσει οδηγό στη χάραξη κρίσιμης ζώνης γύρω από μια ΜΕΔΑ, αναφορικά με τις οσμές. Σε σχεδιασμούς νέων ΜΕΔΑ θα πρέπει να επιδιώκονται αποστάσεις που το ποσοστό αραίωσης του παραγόμενου μεθανίου να είναι το μεγαλύτερο δυνατό. Επιπρόσθετα η μέτρηση μεθανίου σε σημεία γειτονικά της ΜΕΔΑ μπορεί να εφαρμοστεί για επαλήθευση μοντέλων παραγωγής μεθανίου από το σύνολο της. Πειράματα επαλήθευσης τους εφαρμόζονται σε μικρή κλίμακα είτε στο εργαστήριο (Barlaz et al., 1987) είτε σε τμήματα της (Halvadakis et al., 1988). Καθώς η αναερόβια βιοαποδόμηση των απορριμμάτων είναι πολύπλοκη διεργασία και πλήθος παραγόντων συντελούν στην παραγωγή μεθανίου από το σύνολο της ΜΕΔΑ, ο έλεγχος των αποτελεσμάτων τους σε τέτοια κλίμακα κρίνεται σημαντικός. Για την εκτίμηση των εκπομπών μεθανίου που παράγεται σε μια ΜΕΔΑ κατασκευάστηκε ο κώδικας MICROGEN-PLUS. Ο κώδικας αυτός βασίζεται στον κώδικα MICROGEN (Halvadakis, 1983) που υπολογίζει την παραγωγή βιοαερίου από μοναδιαία μάζα απορριμμάτων και στηρίζεται σε προσέγγιση των μικροβιακών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε μια ΜΕΔΑ. Ο κώδικας απαιτεί για τους υπολογισμούς του δυο είδη παραμέτρων. Το ένα είδος αναφέρεται σε χαρακτηριστικά των εμπλεκομένων μικροβιακών πληθυσμών και είναι οι βιοκινητικές σταθερές των βακτηρίων. Αυτές οι παράμετροι θεωρούνται ίδιες για όλες τις κατηγορίες των συστατικών των απορριμμάτων, αφού χαρακτηρίζουν αποκλειστικά τα μικρόβια. Το δεύτερο είδος παραμέτρων σχετίζεται με τη φυσική κατάσταση των απορριμμάτων (π.χ. υγρασία, πυκνότητα) δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα σε συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της κάθε κατηγορίας συστατικών, με αποτέλεσμα οι παράμετροι αυτοί να είναι διαφορετικοί για την κάθε μια κατηγορία. Το μοντέλο χωρίζει τα συστατικά των απορριμμάτων σε τρεις κατηγορίες με βάση την ταχύτητα υδρόλυσης και βιοαποδόμησης τους, σε ταχέα, μεσαία και βραδέα αποδομούμενα υλικά. Η κάθε μια από τις προαναφερθείσες κατηγορίες συστατικών χαρακτηρίζεται από μια σταθερά υδρόλυσης και έχει συγκεκριμένη υγρασία και ποσοστό βιοαεριοποιήσιμου οργανικού στερεού άνθρακα. Στη συνέχεια γίνεται χρήση του κινητικού μοντέλου Monod και με βάση την εξίσωση του, υπολογίζονται ανά μοναδιαία βάση (ανά Kg υγρών ή ξηρών απορριμμάτων), οι συγκεντρώσεις των μικροοργανισμών και των προϊόντων που παράγονται κατά τα ενδιάμεσα" στάδια της μεθανογένεσης. Από τη στιγμή που θα καθοριστεί η καμπύλη ρυθμού παραγωγής μεθανίου (και βιοαερίου) από μοναδιαία μάζα απορριμμάτων, το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του αντίστοιχου ρυθμού από συγκεκριμένη μάζα απορριμμάτων, όπως ένα κελί ή ταμπάνι ή από το σύνολο της ΜΕΔΑ. Αρχικά η ΜΕΔΑ διαιρείται σε τμήματα. Ο καθορισμός αυτός γίνεται βάσει της θέσης απόθεσης των απορριμμάτων, χωρίς να αποκλείεται ο καθορισμός να γίνει διαφορετικά. Σε κάθε τμήμα καθορίζεται η διάρκεια απόθεσης απορριμμάτων και η μάζα των ενταφιαζόμενων απορριμμάτων. Οι τιμές που προέκυψαν από τον κώδικα MICROGEN για το ρυθμό παραγωγής μεθανίου (και βιοαερίου) από μοναδιαία μάζα απορριμμάτων πολλαπλασιάζονται με την ημερήσια μάζα τους και έτσι προκύπτει ο ρυθμός παραγωγής σε ημερήσια βάση. Αθροίζοντας τους ρυθμούς αυτούς σε κάθε τμήμα της ΜΕΔΑ προκύπτει ο ρυθμός παραγωγής του αντίστοιχου τμήματος. Με άθροιση των ρυθμών αυτών απ' όλα τα τμήματα της ΜΕΔΑ προκύπτει ο ρυθμός παραγωγής από το σύνολο της. Ακόμα παρέχεται η δυνατότητα κατασκευής της αθροιστικής καμπύλης παραγωγής μεθανίου και βιοαερίου. Καθώς ο κώδικας υπολογίζει το αναερόβιο στάδιο της διεργασίας, για τη σωστότερη χρονική κατανομή των ρυθμών παραγωγής, εισάγεται η διάρκεια αεροβίωσης της ημερήσιας ποσότητας των απορριμμάτων. Ο χρόνος αυτός αναφέρεται στο χρόνο κατανάλωσης του οξυγόνου που υπήρχε εγκλωβισμένο στις κοιλότητες της ποσότητας αυτής από τους αερόβιους μικροοργανισμούς και είναι συνήθως μερικές ημέρες. Η ακρίβεια καθορισμού του χρόνου αυτού δεν είναι σημαντική για το σύνολο μιας ΜΕΔΑ καθώς η παραγωγή βιοαερίου διαρκεί μερικές δεκάδες χρόνια. Ο κώδικας επίσης υπολογίζει τη θεωρητικά μέγιστη παραγωγή βιοαερίου από κάθε τμήμα και εξάγεται για μια καθορισμένη χρονική στιγμή το ποσοστό βιοαερίου που ήδη έχει παραχθεί. Ο καθορισμός αυτός είναι απαραίτητος στη σχεδίαση Συστήματος Ανάκτησης Βιοαερίου (ΣΑΒ), καθώς έτσι θα αποφασιστεί το βάθος των πηγαδιών ανάκτησης βιοαερίου, στην περίπτωση που η εγκατάσταση ΣΑΒ δεν γίνεται ταυτόχρονα με την απόθεση των απορριμμάτων. Οι παράμετροι που επηρεάζουν περισσότερο το ρυθμό παραγωγής μεθανίου από μια ΜΕΔΑ, όπως προέκυψε από την ανάλυση ευαισθησίας του κώδικα MICROGEN-PLUS είναι η σύσταση των απορριμμάτων και οι σταθερές υδρόλυσης των συστατικών του. Οι βιοκινητικές σταθερές των μικροοργανισμούς αν και επηρεάζουν το ρυθμό παραγωγής μεθανίου και βιοαερίου από μοναδιαία μάζα απορριμμάτων (MICROGEN), στο σύνολο της ΜΕΔΑ (MICROGEN-PLUS) δε φαίνεται να προκαλούν σημαντική μεταβολή. Για τη διασπορά του παραγόμενου μεθανίου χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο CALPUFF (Scire et al., 2000a) που θεωρείται από τα πιο αξιόπιστα μοντέλα για τη διασπορά αερίων ρύπων. Η U.S. EPA προτείνει (guideline model) το μοντέλο αυτό για εφαρμογές που περιλαμβάνουν μεταφορά ρύπων σε μεγάλες αποστάσεις καθώς και σε μικρές όταν η επίδραση συνθηκών μη σταθερής κατάστασης (χωρική κατανομή μετεωρολογικών πεδίων, ήρεμοι άνεμοι, επίδραση εδάφους κ.λ.π.) είναι σημαντική. Είναι ένα Λαγρατζιανό Γκαουσιανό μοντέλο μη σταθερής κατάστασης που περιλαμβάνει κώδικες για ξηρή απόθεση, υγρή απόθεση, χημικούς μετασχηματισμούς των ρύπων, επίδραση υδάτινων όγκων, επίδραση κτιρίων και για πολύπλοκο έδαφος. Το μοντέλο δέχεται εκπομπές σημειακών και γραμμικών πηγών καθώς και πηγών επιφανείας και όγκου με σταθερό ή μεταβαλλόμενο ρυθμό. Δίνει τη δυνατότητα υπολογισμού μέσων συγκεντρώσεων για πολλούς ρύπους τόσο σε κάθε πλέγμα της κανάβου στα οποία έχει διαιρεθεί η περιοχή μελέτης όσο και σε συγκεκριμένα σημεία-δέκτες, σε πολλαπλά επίπεδα. Το μοντέλο CALPUFF απαιτεί τη λήψη μετεωρολογικών δεδομένων της περιοχής μελέτης. Μπορεί να χρησιμοποιήσει ένα τριών διαστάσεων μετεωρολογικό πεδίο που παράγεται από το μετεωρολογικό μοντέλο CALMET (Scire et al., 2000b), όσο και ανεμολογικά δεδομένα μεμονωμένων σταθμών για τον καθορισμό του μετεωρολογικού πεδίου. Η χρήση όμως αυτών των μεμονωμένων σταθμών για τον καθορισμό του μετεωρολογικού πεδίου δεν δίνει τη δυνατότητα στο CALPUFF να εκμεταλλευτεί τη χωροχρονική μεταβολή των μετεωρολογικών συνθηκών και έτσι θα πρέπει να χρησιμοποιούνται με επιφύλαξη. Το μετεωρολογικό μοντέλο CALMET είναι ένα διαγνωστικό μοντέλο και για την κατανομή του ανεμολογικού πεδίου απαιτούνται δεδομένα σταθμών επιφανείας, σταθμών ανώτερης ατμόσφαιρας σταθμών πάνω από υδατικούς όγκους και γεωφυσικά δεδομένα της περιοχής. Εφαρμογή της μεθοδολογίας έγινε στη ΜΕΔΑ "Λεμονού". Η ΜΕΔΑ του Δήμου Μυτιλήνης "Λεμονού", συνολικής έκτασης 40 στρεμμάτων, εξυπηρετεί από το 1986 το Δήμο Μυτιλήνης και γειτονικές κοινότητες. Από το 1990 έως το 1993 σταδιακά εναποτίθενται σε αυτή τα απορρίμματα ευρείας περιοχή του νησιού συνολικού μόνιμου πληθυσμού 40392 κατοίκων (απογραφή 1991). Για την εκτίμηση της παραγωγής και διασποράς του μεθανίου απαιτείται η γνώση της ποσότητας των ενταφιαζόμενων απορριμμάτων. Από το 1989 έως το 1998 οργανώθηκαν 7 μελέτες διακίνησης απορριμμάτων στη ΜΕΔΑ "Λεμονού", σε διαφορετικές χρονικές περιόδους του έτους. Στις μελέτες αυτές καταγράφηκαν στοιχεία ταυτότητας των οχημάτων που εισέρχονται στη ΜΕΔΑ – αριθμός κυκλοφορίας, προέλευση, διαστάσεις καρότσας, είδος απορριμμάτων- καθώς και οι χρόνοι εισόδου - εξόδου από τη ΜΕΔΑ και στο σημείο απόθεσης απορριμμάτων. Για κλειστά απορριμματοφόρα (γνωστής χωρητικότητας) χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία του κατασκευαστή για τον όγκο του κάδου και το συντελεστή συμπίεσης των απορριμμάτων, ενώ η πληρότητα τους εκτιμήθηκε από τον οδηγό του οχήματος. Τα υπόλοιπα οχήματα διαστασιολογήθηκαν με μετροταινία και έγινε εκτίμηση της πληρότητας τους. Η ημερήσια καταγραφή κάλυπτε τη μεγαλύτερη χρονική διάρκεια λειτουργίας της ΜΕΔΑ τη συγκεκριμένη περίοδο. Με βάση τον όγκο των ενταφιαζόμενων απορριμμάτων, το συντελεστή συμπίεσης των απορριμματοφόρων οχημάτων και την πυκνότητα των απορριμμάτων που υπολογίστηκε με ζυγίσεις κάδων απορριμμάτων σε 99.5 Kg ανά m3 ασυμπίεστων απορριμμάτων, εκτιμήθηκε η ποσότητα των απορριμμάτων που καταλήγει στη ΜΕΔΑ από την έναρξη λειτουργίας της μέχρι σήμερα. Επιπρόσθετα υπολογίστηκε η Μοναδιαία Παραγωγή Απορριμμάτων (ΜΠΑ) των κατοίκων της πόλη της Μυτιλήνης μεταξύ 1.06-1.63 Kgr/κάτοικο/ημέρα. Η ποσότητα των απορριμμάτων που καταλήγουν σε μια ΜΕΔΑ αποτελεί σημαντική πληροφορία. Η έλλειψη γεφυροπλάστιγγας όμως στην είσοδο της ΜΕΔΑ. των περισσοτέρων στο ελλαδικό χώρο όσο και σε άλλες χώρες, που θα παρείχε ακριβή ποσοτικά στοιχεία των ενταφιαζόμενων απορριμμάτων μπορεί να ξεπεραστεί με τη μεθοδολογία που ακολουθήθηκε. Με εφαρμογή του κώδικα MICROGEN-PLUS η ποσότητα του παραγόμενου μεθανίου από τη συνολική ΜΕΔΑ στο τέλος του α! εξαμήνου του 2001 εκτιμάται σε 2645 ± 484 m3/μέρα. Η διασπορά του παραγόμενου μεθανίου εξαρτάται από τις επικρατούσες ατμοσφαιρικές συνθήκες και κυρίως από τη διεύθυνση και ταχύτητα του ανέμου. Καθώς οι συνθήκες αυτές μεταβάλλονται συνεχώς, υπάρχει μεγάλη διακύμανση της συγκέντρωσης του στα σημεία γύρω από τη ΜΕΔΑ. Επιπλέον η γνώση του ανεμολογικού πεδίου κατακόρυφα στην ατμόσφαιρα που επηρεάζει τη διασπορά των αερίων ρύπων, δεν είναι πάντα εφικτή, καθώς υπάρχουν λίγοι σταθμοί τέτοιων μετρήσεων στον ελλαδικό χώρο. Μεγαλύτερη σημασία επομένως έχει να εκτιμηθούν οι μέγιστες συγκεντρώσεις μεθανίου γύρω από τη ΜΕΔΑ κάτω από συνθήκες που ευνοούν την ύπαρξη τέτοιων συγκεντρώσεων. Για το λόγο αυτό απαιτείται ανάλυση ευαισθησίας του μοντέλου για τον εντοπισμό των παραμέτρων που ευνοούν την ύπαρξη υψηλών συγκεντρώσεων μεθανίου. Συνοψίζοντας τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας, παρατηρείται αύξηση των μέγιστων συγκεντρώσεων για μικρές τιμές της ταχύτητας τόσο του ανέμου επιφανείας όσο και κατακόρυφα στην ατμόσφαιρα. Το χαμηλό ποσοστό νέφωσης αυξάνει τις τιμές αυτές των συγκεντρώσεων ενώ η κατακόρυφη μεταβολή της θερμοκρασίας και πίεσης δεν επιφέρει μεταβολές. Έτσι εκτιμήθηκαν οριακές ατμοσφαιρικές συνθήκες που αυξάνουν τις μέγιστες συγκεντρώσεις μεθανίου: ταχύτητα ανέμου επιφανείας U10 =0.5m/s, μεταβλητή υπολογισμού κατακόρυφης διαμόρφωσης της ταχύτητα p=0.1 και ποσοστό νέφωσης μηδενικό. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στη διεύθυνση του πνέοντος ανέμου καθώς μικρή μεταβολή στη διεύθυνση του κατευθύνει αλλού τις αέριες μάζες με αποτέλεσμα τη μεταβολή των συγκεντρώσεων στις γειτονικές περιοχές. Η συγκέντρωση του μεθανίου στην ατμόσφαιρα παρουσιάζει μεγάλη μείωση τιμών στα αρχικά μέτρα γύρω από τη ΜΕΔΑ και μικρότερη σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 300 m από το κέντρο της ΜΕΔΑ. Για την επιβεβαίωση της αξιοπιστίας των μοντέλων απαιτούνται μετρήσεις της συγκέντρωσης του μεθανίου στην περιοχή γύρω από τη ΜΕΔΑ με ταυτόχρονη καταγραφή του ανεμολογικού πεδίου, σύγκριση των μετρούμενων με εκτιμώμενων συγκεντρώσεων και στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων τους. Σε μια πρώτη προσπάθεια έγινε επαλήθευση κάθε μοντέλου ξεχωριστά με δεδομένα από τη ΜΕΔΑ της πόλης Falkoping στη Σουηδία (Galle et al., 2001). Με τον κώδικα MICROGEN-PLUS η παραγωγή μεθανίου εκτιμάται σε 55 kgr/h αντί των 51 Kgr/h που υπολογίζεται ότι παράγονται. Η απόκλιση που παρουσιάζεται (7.8%) κρίνεται ικανοποιητική λόγω έλλειψης ποιοτικών και ποσοτικών στοιχείων κατά τη διάρκεια λειτουργία της συγκεκριμένης ΜΕΔΑ. Από μετρήσεις καθ' όλη τη διάρκεια ενός εικοσιτετραώρου στη διεύθυνση του πνέοντος ανέμου και σε απόσταση 500m από το κέντρο της ΜΕΔΑ η μέγιστη ποσότητα μεθανίου που προέρχεται από τη ΜΕΔΑ μπορεί να θεωρηθεί 11.8 ppm. Με τη βοήθεια του μοντέλου διασποράς CALPUFF, για ρυθμό παραγωγής μεθανίου από το σύνολο της ΜΕΔΑ 51 Kgr/h, η μέγιστη συγκέντρωση μεθανίου σε απόσταση 500m από το κέντρο της, εκτιμάται 11.9 ppm, τιμή αντίστοιχη της μετρούμενης. (Η τιμή αυτή με ρυθμό εκπομπής 55Kgr/h, όπως εκτιμήθηκε από τον κώδικα MICROGEN-PLUS είναι 13 ppm). Καθώς όμως για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των μοντέλων απαιτούνται περισσότερες μετρήσεις μεθανίου, μετρήσεις πεδίου πραγματοποιήθηκαν στην περιοχή γύρω από τη ΜΕΔΑ του Δήμου Μυτιλήνης "Λεμονού", με ταυτόχρονη καταγραφή του ανεμολογικού πεδίου. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε 9 διαφορετικές θέσεις ισοκατανεμημένες σε όλη την προσβάσιμη έκταση γύρω από τη ΜΕΔΑ καθώς με τον τρόπο αυτό μπορεί να μελετηθεί η ανταπόκριση του δείγματος ομοιόμορφα στην περιοχή μελέτης. Επιτεύχθηκε ένας συνολικός αριθμός 46 μετρήσεων. Η στατιστική ανάλυση προβλεπόμενων με μετρούμενων συγκεντρώσεων δίνει συντελεστή συσχέτισης (correlation coefficient) 0.913 και δείκτη συμφωνίας (index of agreement) 0.881, επιβεβαιώνοντας την πολύ καλή προσέγγιση από τα μοντέλα. Έτσι η εκτίμηση της συγκέντρωσης του παραγόμενου μεθανίου γύρω από μία ΜΕΔΑ με την εφαρμογή της ακολουθούμενης μεθοδολογίας, αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο.