DE202004013278U1

DE202004013278U1 - Methanoxidationsfilter für die Behandlung von Deponieschwach- bzw. Deponierestgasen aus Siedlungsabfalldeponien

Info

Publication number: DE202004013278U1
Application number: DE202004013278U
Authority: DE
Original assignee: CONTEC INGENIEURGESELLSCHAFT F; Contec Ingenieurgesellschaft fur Energie und Umwelttechnik Mbh; LANDKREIS FREUDENSTADT ABFALLW; LANDKREIS FREUDENSTADT ABFALLWIRTSCHAFTSBETRIEB
Current assignee: CONTEC INGENIEURGESELLSCHAFT F; Contec Ingenieurgesellschaft fur Energie und Umwelttechnik Mbh; LANDKREIS FREUDENSTADT ABFALLW; LANDKREIS FREUDENSTADT ABFALLWIRTSCHAFTSBETRIEB
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2014-08-26

Abstract

Methanoxidationsfilter für die Behandlung von Deponieschwachgasen bzw. Deponierestgasen aus Abfalldeponien als zweistufiger, offener Flächenfilter, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter im wesentlichen aus 2 Filteretagen mit einer dazwischenliegenden Gasverteilschicht besteht und der Filter vom zu behandelnden Deponiegas/Luftgemisch von unten nach oben durchströmt wird,

Description

Anwendungsbereich – Fachgebiet
Die Erfindung betrifft den Aufbau eines Methanoxidationsfilters für die Behandlung von Deponieschwachgasen bzw. Deponierestgasen aus Siedlungsabfalldeponien.
Mit Hilfe der Erfindung können Deponiegase aus Altablagerungen und vor allem sog. Altdeponien in der Stillegungs-/Nachsorgephase – nach Beendigung der Deponiegasverwertung – behandelt werden. Darüber hinaus können abgesaugte Deponierestgase aus Maßnahmen zur Stabilisierung/Aerobisierung von Deponien bzw. Deponieabschnitten behandelt werden.
In modifizierter Form kann der Methanoxidationsfilter auch für die Behandlung von Schwach- und Restgasen von Siedlungsabfalldeponien und Altablagerungen in den Gasphasen „Methanoxidationsphase" und „Kohlendioxidphase" Anwendung finden. Auf eine aktive Luftzuführung zum Methanoxidationsfilter kann dann verzichtet werden.
Deponiegasemissionen
Bei der Deponierung organischer Abfälle auf Siedlungsabfalldeponien entstehen durch eine Reihe komplexer biologischer Abbauprozesse im Laufe der Zeit die gasförmigen Endprodukte Methan und Kohlendioxid sowie eine Vielzahl nicht weiter abbaubarer Reststoffe. Als Spurenstoffe enthält Deponiegas u. a. Schadstoffe wie Schwefelwasserstoff, Mercaptane, Halogene und aromatische Kohlenwasserstoffe.
Deponiegas entweicht unkontrolliert in die Atmosphäre, falls keine entsprechenden technischen Maßnahmen ergriffen werden. Die Umweltbeeinträchtigungen aufgrund der Gasemissionen sind erheblich:

– Deponiegas unterstützt den Treibhauseffekt in der Atmosphäre und schädigt damit das Klima. Methan als Hauptbestandteil des Deponiegasgemisches trät 21 mal mehr zum Treibhauseffekt bei als Kohlendioxid (1 kg Methan hat die gleiche klima-beeinflussende Wirkung wie 21 kg Kohlendioxid).
– Kohlenwasserstoffe und Fluorkohlenwasserstoffe, obwohl nur in Spuren vorhanden, sind maßgeblich an der Zerstörung der Ozonschicht beteiligt.
– Geruchsintensive Spurenstoffe im Deponiegas können zu Belästigungen und Beeinträchtigungen der Lebensqualität im Umfeld der Deponien führen.
– Auf Deponien besteht infolge der Gasemissionen Explosions- und Brandgefahr,

Die Notwendigkeit einer effektiven und kontrollierten Fassung und Behandlung der Deponiegase steht daher außer Frage.
Problemstellung
Siedlungsabfalldeponien müssen zur Minimierung der Restgasemissionen und der durch methanhaltiges Deponiegas vorhandenen Explosionsgefahren entgast werden. Die sog. „aktive" Entgasung – Absaugung der Deponiegase mittels Gebläse – ist Stand der Technik.
Wird eine Deponie im Unterdruckbereich zur Atmosphäre „aktiv" entgast, so werden dadurch – je nach Intensität der Absaugung und Phase des Gashaushaltes – die Abbauprozesse im Deponiekörper unterschiedlich stark beeinflusst.
Mit fortschreitendem Ablagerungsalter einer Deponie bzw. eines Deponieabschnittes nehmen die Bereiche mit stabilen anaeroben Abbauprozessen ab. Gleichzeitig reagiert der Gashaushalt zunehmend empfindlicher auf externe Einflüsse wie Luftdruckschwankungen und die Intensität der Absaugung.
Auf Deponien bzw. Deponieabschnitten, bei denen eine wirtschaftliche Betriebsweise der Gasverwertung aufgrund zu geringer Absaugmengen und zunehmend instabilem Gashaushalt nicht mehr aufrecht gehalten werden kann, rückt das Problem der Behandlung der Restgase- bzw. -emissionen zunehmend in den Vordergrund.
Behandlungsmöglichkeiten von Deponieschwach- bzw. -restgasen
Für die Behandlung von Schwach- und Restgasen aus Hausmülldeponien stehen grundsätzlich unterschiedliche Behandlungstechniken zur Verfügung.
Bisher werden Deponiegase aus Altablagerungen vorrangig mittels passiver Biofilter (sog. Entgasungsfenster auf dem Deponiekörper), durch Hochtemperaturverbrennung in einer Muffel mit Stützfeuerung oder mittels flammenloser nichtkatalytischer Oxidation behandelt. Daneben werden Membranverfahren zur Aufkonzentrierung des Methangehaltes erprobt. Die katalytische Schwachgasbehandlung sowie die stationäre Wirbelschichtfeuerung befinden sich derzeit noch in der Entwicklungsphase.
Die genannten Verfahren besitzen eine Reihe von Nachteilen. Passive Biofilter zeigen in der Regel nur sehr geringe Abbauleistungen. Bei Hochtemperaturmuffel mit Stützfeuerung fallen Kosten für den zusätzlichen Energieträger negativ ins Gewicht. Nichtkatalytische Oxidationsverfahren sind vergleichsweise teuer. Die übrigen genannten Techniken sind noch nicht Stand der Technik.
Als alternaive Behandlungsmöglichkeit zur Minimierung der Restgasemissionen von Hausmülldeponien und Altablagerungen bietet sich der mikrobielle Abbau der Geruchs- und Methanemissionen mittels kontrollierter kontinuierlicher Absaugung der Deponie und anschließender kontrollierter Ableitung in einen „aktiven" Methanoxidationsfilter mit zusätzlicher Luftversorgung an.
Beschleunigung der Abbauprozesse im Deponiekörper
Die Abbauprozesse im Deponiekörper können durch die Steigerung der Absaugung mehr oder weniger gezielt beeinflusst werden. Durch die „aktive" Entgasung im Bereich der abgesaugten Gasfassungselemente wird Luftsauerstoff über die Außenluft in die oberen Bodenschichten der Erdabdeckung und den Deponiekörper transportiert.
Bei entsprechend präziser Einstellung des Absaugsystems kann der angesaugte Luftsauerstoff annähernd vollständig umgesetzt werden.
Durch die aktive Versorgung des Deponiekörpers mit Luftsauerstoff wird ein Wechsel der Milieubedingungen und damit eine Verschiebung des Verhältnisses zwischen anaeroben und aeroben Abbauprozessen erzielt. Die Aerobisierung führt zu einer verstärkten Kohlendioxidproduktion und einer Veränderung des Methan/Kohlendioxidverhältnisses. Dabei treten mehrere, gleichzeitig ablaufende Prozesse auf:

– Hemmung der Methanbildung durch die Veränderung der Milieubedingungen
– Reduktion des Methanbildungspotentials durch direkten aeroben Abbau von organischen Abfallstoffen
– Beschleunigung des Abbaus der organischen Abfallstoffe durch die Schaffung aerober Milieubedingungen
– Steigerung der Methanoxidationsprozesse infolge verbesserter Sauerstoffversorgung in den oberen Abfall-/Bodenschichten

Schwach-/Restgasbehandlung mittels Methanoxidationsfilter
Bei vorhandenem Gasfassungssystem und bestehender Gasabsauganlage (Stand der Technik) lässt sich der neu entwickelte Methanoxidationsfilter zur Behandlung der Schwach- bzw. Restgase nutzen. Das gefasste Deponiegas wird hierzu druckseitig zum Methanoxidationsfilter geleitet. Bei der Passage des Deponiegases durch den Filter erfolgt die weitergehende mikrobielle Umsetzung/Methanoxidation des abgesaugten Deponiegases.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Methanoxidationsfilter dergestalt auszubauen und auszulegen um eine möglichst hohe Abbauleistung – bei gleichzeitig einfacher und kostengünstiger Ausführung – zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den nachfolgend beschriebenen Methanoxidationsfilter gelöst.
Aufbau des Methanoxidationsfilters
Der Methanoxidationsfilter ist als zweistufiger, offener Flächenfilter mit Durchströmung von unten nach oben konzipiert. Der prinzipielle Aufbau des Methanoxidationsfilters einschließlich Zuleitungssystem Gas/Luft ist in 1 u. 2 dargestellt.
1: Schnitt durch den Filter (Regelquerschnitt)
2: Methanoxidationsfilter einschl. Zuleitungssystem Gas/Luff (Draufsicht)
Die Seitenflächen des Filters sind zur Minimierung von Gasrandgängigkeiten mit einem, im Durchschnitt ca. 1 m mächtigen Erddamm (Dammkrone ca. 0,5 m, Material: bindiger Boden) gestützt (vgl. Zif. 1, 1).
Aufbau des Filters von unten nach oben (vgl. 1 bzw. 2).

– Ausgleichsschicht aus Sand, Stärke: 5 cm (Zif. 2)
– gelochte bzw. geschlitzte Gasdrainrohre aus PE-HD im Abstand von 2 m (Zif. 3)
– Gasverteilschicht 1 aus Kies 16/32, Stärke: ca. 20 – 30 cm (Zif. 4)
– Gas-/Wasserdurchlässiges Vlies (Zif. 5)
– Filteretage 1: Kompostmaterial, vermischt mit 10 – 20 Gew.-% gebrochenes Tongranulat, Schichtstärke: ca. 70 cm, Filterfläche abhängig von der Dimensionierung/Auslegung des Filters >/= 500 m² (Zif. 6)
– Gasverteilschicht 2: Rindenmulch, Schichtstärke: ca. 10 cm (Zif. 7)
– Filteretage 2: Kompostmaterial, Schichtstärke: ca. 70 cm (Zif. 8)

Dem Kompostmaterial wird in der unteren Schicht (Stärke: ca. 0,70 m) gebrochenes Tongranulat als inerter Zuschlagsstoff zugemischt, um die Stoffaustauschfläche zu erhöhen, die Wasserhaltung zu verbessern und zusätzliche Aufwuchsflächen für Mikroorganismen zu schaffen, Die Materialmischung der Filterfüllung wird geschichtet, möglichst ohne Verdichtung eingebaut.
Die Befeuchtung des Methanoxidationsfilters wird grundsätzlich über natürliche Niederschläge gewährleistet. Darüber hinaus ist das einströmende Deponiegas in der Regel wassergesättigt.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein – je nach Standort – zur Verbesserung des Feuchtigkeitshaushaltes des Filters technische Maßnahmen zur Bewässerung der Filteroberfläche und/oder der Befeuchtung des Gas-/Luftzustroms einzusetzen.
Entwässerung
Der Filter wird praktischerweise als Hochpunkt auf der Deponiefläche mit definierter Entwässerungsrichtung ausgeführt. Die Entwässerung des Filters erfolgt über eine querliegende Drainageleitung (Zif. 11). Das Überschusswasser (Zif. 12) wird abgeleitet und je nach Belastung dem Sickerwasser- bzw. Oberflächenwasserableitungssystem zugeschlagen.
Deponiegas-/Luftzuführung und Verteilung
Deponiegas- und die für die Methanoxidation erforderliche Luftmenge wird über separate Verdichtereinheiten angesaugt. Die Leitungssysteme Deponiegas und Luft werden danach druckseitig zusammengeführt. Die Vermischung des Deponiegases und der Luft erfolgt damit bereits vor Eintritt in den Filter (Zif. 9).
Für die ausreichende Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen im Filter ist eine „aktive" Luftzuführung notwendig. Dies wird durch die Nachrüstung eines separaten Zuluftgebläses gewährleistet. Das Zuluftgebläse kann i. d. R. in der vorhandenen Gasförderstation installiert werden.
Zur optimalen Verteilung des Gas-/Luftgemisches im Filter sind vor Eintritt in den Filter – jeweils auf der gegenüberliegenden Seite – zwei Mess-/Regel- und Kontrollschächte mit stufenlos verstellbaren Klappen und Mess-/Kontrollstutzen (Zif. 10) vorgesehen.
Der Filter kann dadurch einerseits von beiden Seiten im Gegenstrom beaufschlagt werden. Andererseits sind beide Teilströme zusätzlich regelbar.
Die Verteilung des Deponiegas-/Luftgemisches im Filter erfolgt vor der 1. Filteretage durch mit Kies umhüllte Gasdrainagen. Unmittelbar vor der 2. Filteretage übernimmt eine 2. Gasverfeilschicht aus Rindenmulch diese Funktion.
Auslegung des Methanoxidationsfilters
Biofilter werden üblicherweise nach den Hinweisen der VDI-Richtlinie 3477 ausgelegt, Für Methanoxidationsfilter sind diese Auslegungsgrundsätze jedoch aufgrund der nur sehr niedrigen Reaktionsgeschwindigkeiten und der damit erforderlichen langen Verweilzeiten nur eingeschränkt anwendbar.
Die wichtigste Dimensionierungsgröße für Biofilter ist die spezifische Filterbelastung – für Flächenfilter entsprechend die spezifische Flächenfilterbelastung.
In der Literatur wurden für Kompost als Filtermaterial Methan-Abbauraten in einer relativ weiten Spanne von 4,5 bis 70 I CH₄/h × m² angegeben (* vgl. Quellenauszüge). Für die Auslegung von Methanoxidationsfiltern kann in 1. Näherung mit einer spezifische Flächenfilterbelastung von ca. 20 – 40 I CH₄/h × m² gerechnet werden.
Bei einem kontinuierlichen Gasdurchsatz von z. B. 200 Nm³/h und einer – bei effektiver Absaugung – erzielbaren durchschnittlichen Methankonzentration von 5 – 10 Vol.-% ergibt sich in 1. Näherung eine erforderliche Filterfläche von ca. 500 m². Die erforderliche Zuluftmenge liegt dabei ebenfalls bei ca. 200 m³/h. Damit werden Abbauleistungen im Methanoxidationsfilters > 60 – 65 % erzielbar.
Integration des Methanoxidationsfilters in die Rekultivierungsschicht
Siedlungsabfalldeponien müssen nach Abschluss der Ablagerung mit einem Oberflächenabdichtungssystem einschl. Rekultivierungsschicht ausgestattet werden. In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Methanoxidationsfilter in die Rekultivierungsschicht integriert werden kann.
Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten für den Filter senken. Zusätzlich ergeben sich betriebstechnische Vorteile wie z. B. geringere Temperaturschwankungen, einfachere Überwachung, Instandhaltung und Pflege des Filters.
Quellenauszüge

(*) Mennerich, A. (1986) Oxidation von Deponiegas auf biologischen Wege – Möglichkeiten und erste Ergebnisse aus Laborversuchen, Müll und Abfall, Nr. 7, S. 271 – 277 bzw.
Figueroa, A. (1998) Untersuchungen zur mikrobiellen Methanoxidation in Rekultivierungsschichten von Abfalldeponien, Müll und Abfall, Nr. 5, S. 340.
Die spezifischen Methan-Abbauraten sind bei Mennerich für CH₄-Gehalte von 15 – 30 Vol.-% angegeben, Bei Figueroa werden spezifische Abbauleistungen von 17,6 g CH₄/m² h = 24,6 I/CH₄/h m² bei einem CH₄-Gehalt von ca. 15 Vol.-% genannt.
Weitere in der Literatur angegebene Methanoxidationsraten:
Stegmann (1991) Filtersubstrat: Bioabfallkompost, (70 cm) Methanabbauraten: 4,5 I/CH₄/h m²
Figueroa (1993a) Filtersubstrat: Tort, Baumrinde, Kompost, Methanabbauraten: 15 – 70 I/CH₄/h m²
Mennerich (1996) Filtersubstrat: Rindenkompost, (85 cm), Methanabbauraten: 15 – 41 I/CH₄/h m²
Figueroa (1993b) Filtersubstrat: Bioabfallkompost, (30 cm), Methanabbauraten: 8 I/CH₄/h m²
Humer (1996) Filtersubstrat: Hausmüllkompost, (60 cm), Methanabbauraten: 28 I/CH₄/h m2

Claims

Methanoxidationsfilter für die Behandlung von Deponieschwachgasen bzw. Deponierestgasen aus Abfalldeponien als zweistufiger, offener Flächenfilter, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter im wesentlichen aus 2 Filteretagen mit einer dazwischenliegenden Gasverteilschicht besteht und der Filter vom zu behandelnden Deponiegas/Luftgemisch von unten nach oben durchströmt wird,
Methanoxidationsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen des Filters zur Minimierung der Gasrandgängigkeiten mit einem Erddamm (1) gestützt werden,
Methanoxidationsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Filter wie folgt aufgebaut wird (Aufbau von untern nach oben): Ausgleichsschicht (2), gelochte bzw. geschlitzte Gasdrainrohre (3), Gasverteilschicht 1 (4), Vlies (5), Filteretage 1 (6), Gasverteilschicht 2 (7), Filteretage 2 (8).
Methanoxidationsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das als Filtermaterial für die Filteretage 1 aus Kompost, vermischt mit gebrochenem Tongranulat, gebildet wird,
Methanoxidationsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Filter als Hochpunkt auf der Deponiefläche mit definierter Entwässerungsrichtung ausgeführt wird und die Entwässerung im Filter durch eine querliegende Drainageleitung (11) erfolgt.
Methanoxidationsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Sauerstoffversorgung im Filter durch eine „aktive" Luftzuführung mittels separater Verdichtereinheit bewerkstelligt und das Deponiegas-/Luftgemisch druckseitig vor Eintritt in den Filter gemischt wird.
Methanoxidationsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur optimalen Verteilung des Gas-/Luftgemisches vor Eintritt in den Filter – jeweils auf der gegenüberliegenden Seite – zwei Mess-/Regel- und Kontrollschächte mit stufenlos verstellbaren Klappen und Mess-/Kontrollstutzen vorgesehen werden, der Filter dadurch von beiden Seiten im Gegenstrom beaufschlagt werden kann und die beiden Teilströme zusätzlich regelbar sind.
Methanoxidationsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Methanoxidationsfilter in die Rekultivierungsschicht oberhalb eine Oberflächenabdichtungssystemsintegriert wird.