JP2004532736A - 廃棄物処分場における生物源有機物の分解を促進するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は廃棄物最終処分場地盤中の生物源有機物の分解を促進するための方法および装置に関し、この場合、少なくとも１つの吸引パイプが最終処分場堆積物中に設置されており、該パイプを介して生じる埋立地ガスを吸引する。本発明によれば最終処分場地盤の範囲で吸引されるガス量が、この範囲で分解により生じるガス量よりも大きく、従って外気によって酸素が堆積物中に浸透し、かつ分解プロセスは少なくともほぼ好気性の分解に変換される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物が最終処分場地盤上に堆積した堆積物として貯蔵され、該堆積物中で生じる埋立地ガスを吸引する少なくとも１つの吸引パイプが堆積物中に設置されている廃棄物最終処分場における生物源有機物の分解を促進するための方法に関する。
【０００２】
本発明はさらに、堆積物中に設置され、最終処分場地盤範囲まで延びる少なくとも１つの吸引パイプ、堆積物中で発生するガスの濃度を分析および測定するための少なくとも１つの測定センサ、および吸引性能、つまり測定センサにより確認される気体および気体濃度に依存して、吸引パイプ中に吸引されたガスの流量を調整するための制御装置を有する、前記方法を実施するための装置に関する。
【０００３】
廃棄物とは家庭ごみまたは家庭ごみに類似した工業廃棄物からなり、かつ分解されない無機成分とならんで、酸素および十分な湿度の存在下で好気性分解し、かつ酸素の非存在下で嫌気性分解する有機成分を含有する混合物であると理解する。
【０００４】
絶えず余裕がなくなっていく処分場において環境と相容性のある廃棄物処理を保証するために、ごみの分別による（好気性）コンポスト化により、または嫌気性プロセス（発酵槽または類似のもの）により、廃棄物処理を行う前提が生まれたのは最近になってからのことである。完全に好気性分解される有機廃棄物はコンポストとして使用することができる。嫌気性の廃棄物処理では、得られたメタンを使用可能なエネルギーとして利用することができる。廃棄物が十分に乾燥して安定化されており、かつ高発熱量を利用して燃焼させる場合にも同じことが該当する。
【０００５】
しかし特に最近では、生じる廃棄物をごみ捨て場に堆積させるか、または既存の、もしくは作られた穴に廃棄している。最終処分場の容量が限界となり、かつ閉鎖された後には程度の差はあるものの堆積物を覆い、それぞれ緑化する。堆積させた堆積物中で強制的に調整される有機成分の嫌気性分解は、特に都市部または都市付近の範囲で認容することができない濃度を有するメタンガスの形成につながる。
【０００６】
従ってこのような閉鎖された最終処分場には吸引パイプが設置されており、該パイプを介して生じる埋立地ガスを吸引していた。初期には６０体積％までの高いメタンガス濃度によって経済的な吸引およびブロック型火力発電所におけるメタンの燃焼が可能である。しかし時と共に分解プロセスが緩慢になるために、吸引された埋立地ガス中のメタンガス含有率は明らかに低下するので、一方では経済的な燃焼が行われず、他方では閉鎖された空間での爆発による危険性を生じうる濃度、たとえばなお２５体積％までの値が生じる濃度が最終的に達成される。ガスがたとえば地下室または排水溝に流出し、ここで危険な爆発性ガス混合物を形成する前に、ガスの移動によって大部分を除去することができる（著者には３００ｍまでが知られている）。
【０００７】
この危険性を最小化するために、従来技術によれば埋立地ガスの吸引をさらに数年間実施している。このために既存の吸引パイプ、ウェルなどによって全堆積物高さにわたって埋立地ガスを吸引し、その際、生じる埋立地ガスの量の吸引性能を相応して適切に調整する。
【０００８】
その際、ＣＨ_４の濃度が約２５〜２７体積％以下に低下すると、該ガスはもはや燃焼性を失う。ガス混合物を燃焼させるためにガスの添加混合によってＣＨ_４の濃度を３０体積％以上に高めるか、またはガスの添加混合を行わずにガス混合物をたとえば触媒段階でＣＨ_２へと酸化しなくてはならない。
【０００９】
通常どおりに構成された、表面近くまで到達する濾過装置(Verfilterung)を有するガス井に基づいて、比較的強力な吸引は表面付近の換気および場合により生物源有機体の反応につながるのみである。より深い層、埋立廃棄物の大部分では反応条件は変化しない。生分解によって他方では加水分解プロセスに基づいて有機化合物が水中に溶解した形になり、かつ浸出水によって運び出される。従ってこのことにより地下水が汚染される可能性が生じる（浸出水中のＣＳＢ−およびＮＨ_４−含有率として測定）。目下の認識レベルによればガス放出の危険ならびに浸出水放出の危険は５０〜１００年間継続する。
【００１０】
従って本発明の課題は、冒頭に記載した、廃棄物最終処分場中の生物源有機物分解を著しく促進し、さもなければ増加するであろうコストを最小化することができる方法および装置を提供することである。生分解性有機物のいわば完全な分解までの時間は通常は明らかに１０年以下に短縮されるべきである。
【００１１】
前記課題は請求項１記載の方法ならびに請求項５記載の装置により解決される。本発明によるさらなる実施態様は請求項２〜４および６〜１２に記載されている。
【００１２】
本発明の中心思想は、堆積物中で好気性条件が調整され、その条件下で生分解プロセスは実質的に嫌気性条件下におけるよりも迅速に進行することに基づいている。最終処分場地盤範囲で吸引されるガス量が、この範囲で分解により生じるガス量よりも多いという措置により吸引性能に依存してしばらくしてから堆積させた堆積物中に必然的に好気性条件が発生する。最終処分場の覆いを介して外気から酸素が浸透する。従来技術による公知の吸引装置とは異なり、吸引は下方の最終処分場範囲で、有利には下１／３において行われる、つまり有利には一般に最終処分場地盤から最大６ｍの高さまででなおガスが充満している範囲において行われる。吸引はいずれの場合でも底部の近くで行われ、可能である限りにおいて、前記の範囲にわたって上部へと拡散すべきでない。しかし吸引帯域の高さは堆積した堆積物の高さにも依存する。最終処分場は吸引され、その際、吸引によって埋立廃棄物がほぼ一定の負圧下にあるように、いくつかの吸引レベルは最終処分場の中心範囲に設置されている。最終処分場は、埋立廃棄物中の流速が吸引レベルから、外気の流入する外側範囲へむかって著しく低下するように吸引される。広い面積におけるわずかな流速に基づいて局所的な過熱、収縮亀裂または有利に空気が流入するその他の流路の形成にはつながらない。
【００１３】
これは主として従来技術による公知の方法において、ランスまたはガス井を介して空気が埋立廃棄物中に圧入される場合である。入口部分では、比較的小さい埋立廃棄物体積において流量が大きいことにより多量の空気酸素が供給される。これは生物源有機物の集中的で局所的な生物学的および化学的反応につながる。従ってこのことにより入口範囲で局所的な過熱が生じ、これは部分的に熱ポケット(Glutnester)を生じうる。温度上昇に基づいて該ガスは、導入された冷たい空気により導入されうるよりもはるかに大量の水分を有する。埋立廃棄物は部分的に乾燥し、生物学的反応は抑制される。乾燥によって部分的に収縮亀裂が生じ、ひいては集中的な換気にもかかわらず、導入される空気の制御されない流れが生じる。
【００１４】
従って基本的に、堆積物中に導入されたランスによって通常の、もしくは酸素が富化された空気を吹き込むことが可能であるが、しかしこのようなプロセ技術は著しく高価であるのみでなく、前記の問題以外にさらに測定技術的およびプロセス技術的にもより高価である。
【００１５】
本発明によれば全堆積物を均一に換気することによって酸素過剰が生じ、この過剰によって好気性反応がもたらされ、その気体状の最終生成物はＣＯ_２およびＨ_２Ｏである。ガスの吸引をできる限り最終処分場地盤の深いところ、有利には下の三分の一において実施することも重要である。というのは、さもないと吸引された空気量の全てが最終処分場堆積物の最上層において、ここに存在する吸引スリットを介してわずかな埋立廃棄物体積を通過して吸引されるにすぎず、このことによってたしかに上方の範囲では好気性化および分解が可能であるが、しかし堆積物の下方の帯域では最終処分場底部まで嫌気性分解に関して何も変化しないという危険が生じるからである。本発明による好気性化の場合、一方では好気性条件を調整することによりメタン形成が低減し、かつ他方ではＣＯ_２への好気性反応は著しく上昇する。低いメタン濃度でありながら、酸素濃度も低い場合にＣＯ_２濃度が高いことは開始段階における良好な好気性化のための測定可能な指標である。
【００１６】
従って本発明による方法は、まず存在する吸引パイプまたはウェルにおいて、適切な技術的措置により下方範囲で、有利には下の３分の１でフィルター範囲および吸引範囲を切り替える場合に、メタンガスを得るためにこれまで実践されていた措置とも組み合わせることができる。その後、埋立地ガスは相応する高いメタン含有率によって、ガス中のメタン含有率がもはや、メタンの経済的な利用、たとえばブロック型火力発電所での燃焼により使用されない値に低下するまでポンプにより除去する。
【００１７】
異なった高さで測定センサ（フィルターキャンドル）がウェル（マルチレベルウェル(Multilevelbrunnen)）中であるが、しかし引き込まれたパイプの外側に留まるべきことが想定されるのであれば、これらのフィルターキャンドルは濾過砂利床(Filterkiesbett)に配置されている。これらの濾過砂利床もしくはフィルターキャンドルの間には、粘土遮断層(Tonsperre)が設置されているので、異なった最終処分場高さでこれらの測定センサを介して埋立地ガスの発生を、ガス試料採取によって制御することができることが保証されている。
【００１８】
埋立地ガスの発生およびガス組成は、最終処分場堆積物を全体積にわたって十分に換気するために十分な大きさに所望の吸引性能が選択されているかどうかを表示する。
【００１９】
本発明の別の実施態様によればガス吸引はもっぱら最終処分場地盤の範囲で、有利には堆積物の下方の１／３および／または有利には最終処分場地盤の最大で６ｍ上方まで延びた帯域中、ガスが充満した範囲（不飽和の範囲）で実施する。少なくとも実質的に予め規定された帯域の上方でガス吸引を行うべきでない。というのもこれは若干のフィルターキャンドルにより採取されたガス試料であり、該試料を用いて下方の最終処分場範囲における吸引性能を高く、もしくは低くするためにガス組成を堆積物の高さに依存して試験するからである。
【００２０】
有利には、最終処分場地盤範囲に配置され、さらに有利には相互に等間隔で存在する複数の個所でガス吸引を実施する。このことにより最終処分場は多くの場合、同じ面積で広がるので相応して多数の吸引パイプもしくはウェルが有利であるという状況が考慮される。
【００２１】
すでに前記でいわゆるマルチレベルウェルの例において示唆したように、ガスの組成を堆積物中の異なった高さにおいて異なった場所で測定し、測定を評価し、かつ吸引性能をこれに応じて制御するので、堆積物中のいずれの場所でも好気性分解のために必要な酸素含有率が調整される。複数のウェルまたはその他の吸引パイプを使用する場合、個別的に任意の吸引パイプもしくは任意のウェルにおいて、なお嫌気性分解が著しい範囲を換気し、かつ好気性分解によって最適化するために、吸引された埋立地ガスの流量を変化させることができる。
【００２２】
記載した方法は請求項５記載の装置を用いて実施し、本発明によれば吸引パイプの吸引開口部が最終処分場地盤の範囲に配置されており、有利には堆積物の下方１／３の範囲もしくは最終処分場地盤から有利には最大で最終処分場地盤の６ｍ上方まで延びている範囲に配置されていることを特徴とする。有利には堆積物中に複数の、特に相互に等間隔で配置された吸引パイプが設置されている。本発明のもう１つの実施態様では、吸引パイプの位置、間隔および吸引性能は吸引作用範囲が少なくとも接触し、有利にはわずかに重複するように選択されているように設置されている。特に吸引性能は任意の吸引パイプにおいて個別的に制御可能であり、有利にはその該当する作用範囲中で測定されるガス濃度に依存して制御可能である。吸引パイプはその上方範囲に（ここでは埋立地ガスは吸引されるべきではない）、スリットを有していない吸引管に対して平行なガスの短絡を防止するために、気密なジャケットならびに外部に存在する粘土遮断層を有している。
【００２３】
本発明を実施例に基づいて説明する。図面は次のものを示す：
図１は廃棄物最終処分場の断面図、
図２はマルチレベルウェルの部分断面図。
【００２４】
図１によれば穴（１０）中にごみが堆積物（埋立廃棄物）（１１）として堆積されており、これは上からたとえば最終処分場緑化の形で天然の覆い（１２）によりふさがれている。記載されている実施例では２つのウェル（１３）および（１４）が設置されており、これらの中へそれぞれ、閉鎖されたジャケットを有する管（１６）が設置されている。この場合、さらに２つのフィルター管（１７）が設置されており、その周囲に気体を透過する砂利床（（１８）が配置されている。その上方もしくはその間に存在する粘土遮断層（１９）は、ガスが埋立廃棄物を回避しながらフルジャケットパイプ(Vollmantelrohr)を通過するか、または濾過用砂利層を通って吸引ウェルへと吸引され、ひいては吸引ウェル（吸引範囲）の効率を低下させることを防止する。記載の事例では単に砂利フィルターにより、ならびに相応するフィルター管および相応するフルジャケットパイプ（１６）および（１７）により、モーター駆動ポンプ（２）によってガスを吸引する。底部に近い埋立廃棄物もまたガスが貫流することを保証するために、下方のフィルター部分／砂利床のみを、両方の砂利層を分離する粘土遮断層の下で吸引しなくてはならない。これは上部のフィルター部分の、引き込まれたライナー(Auskleidung)によって実現することができる。本発明の別の実施態様によれば、ライナーは高さを変更できるように配置されていてもよい（図１）。このことは、たとえば上方のフィルター層（１８）を閉鎖し、かつ吸引をさらに深いところまで敷設することができるために有利である。
【００２５】
最後にウェルは地下水面まで延びてもよく、相応する付加的な吸引パイプまたは圧力ポンプによって地下水の問題を排除することができる。両方のウェル（１３）および（１４）は、適切なポンプにより水の問題を排除することができるために、最終処分場地盤より下まで延びており、かつ地下水面の下で終了することができる。
【００２６】
有利には数ヘクタールであってもよい全最終処分場面にわたって均一にウェル（１３、１４）または吸い込みパイプが分布しており、これらは単一もしくは複数の吸引装置と接続している。全装置の吸引性能は周波数変換器制御による吸引モーターによって達成される。
【００２７】
吸引性能ならびにそれぞれの吸引パイプ中に存在するバルブの制御により、堆積物（１１）中でほぼ均一な負圧が調整されるように制御することができる。これは分解プロセスにより生じるよりも多くのガスが搬出されるように吸引性能を選択することにより達成される。従来、好気性化の開始前に嫌気性条件下で測定されたガス形成速度よりも約３０倍高い吸引性能が達成された。覆い（１２）の気体透過性によって最終処分場の外部の環境から空気が流入し、ひいてはその成分として酸素が堆積物（１１）中に流入する。この空気は必然的に最終処分場堆積物を貫流するので、少量の試料採取を別として、ガスの吸引は最終処分場地盤（２１）上に存在する範囲、たとえば層高さの下側の３分の１に局所的に制限される。それぞれの吸引パイプにおける流量の制御により最終処分場堆積物の広い部分で制御されたガス交換を達成することができる。
【００２８】
フィルターキャンドル（２２）により有利には前記のウェルにおいて採取されるガス試料もしくはウェル頭部において吸引されたガスから把握されるガス濃度または有利には別々に設置されたマルチレベルウェル（図２）から、ガス組成および時間単位あたりに生じる埋立地ガス量を空間的な観点で測定することができるので、所望の最適な状態から若干逸脱する場合には、吸引される埋立地ガス量を局所的に増加するか、または低減することができる。従って測定センサ（２２）もしくはフィルターキャンドルは使用すべきポンプ性能のためのそのつどの操作量を提供する。
【００２９】
場合により効果的な吸引範囲をさらに下方へと推移させることができるために、場合により高さにおいて変更可能なフルジャケットパイプが吸引ウェル中で移動可能であるように設置されていてもよく、これにより上方の砂利堆積物（１８）の範囲のガス吸引は排除することができ、かつ吸引が下方の砂利堆積物（１８）に制限される。このような移動可能な管を備えているかどうか、または最終処分場地盤（２１）のどの高さでほぼ単独の関連するガス吸引を実施するかどうかは、実質的に最大で可能な吸引性能の堆積物（１１）の気体透過性ならびになお嫌気性および／または好気性で進行しうる分解の種類により決定される。堆積物（１１）中の有機物の分解を促進するために、いずれの場合でも、分解が嫌気性分解よりも数倍迅速に進行する可能な均一な好気性分解が所望される。
【００３０】
本発明のもう１つの実施態様によれば、気体の組成ならびにそのつど異なった深さで調整される最終処分場堆積物中の負圧を別々のマルチレベルウェルによって把握する（図２）。配管されていないウェルには、有利にはそれぞれ１メートルの砂利層（１８）および粘性の粘土（１９）を層状に導入する。砂利層では砂利を設置する間に、それぞれ測定ガスホースを有するフィルターキャンドルを敷地表面の端部まで組み込む。粘土層により個々の砂利層は空気によって相互に分離されている。
【００３１】
個々の測定ガスホースによってガスを単独の、分離した層から分析のために取り出すことができる。さらに個々の層中の負圧を把握することができる。
【００３２】
具体的な実施例では、ガス形成速度は嫌気性条件下で約３０ｍ^３／ｈである。メタン濃度は約３０体積％である。ガスは２８のガス井を有する吸引装置から得られる。
【００３３】
新たに設置される、底部の近くで吸引される２つのガス井により最初に１００ｍ^３／ｈが搬送され、その後、吸引性能は約５００ｍ^３／ｈに上昇する。最初のＣＨ_４濃度はまず約５０体積％である。吸引性能を４００〜５００ｍ^３／ｈに上げることにより埋立地ガス中のメタン濃度は５体積％未満に低下する。同時に、吸引された埋立地ガス中のＣＯ_２含有率は約２５体積％から２２体積％へとわずかに低下するのみである。酸素は検出されなかった。全ての酸素は好気的にＣＯ_２へと反応した。メタンガス含有率の低下は一方では空気酸素が貫流した範囲で嫌気性状態から好気性状態へと変化し、ひいてはメタンの形成が低減したことに起因し、かつ他方では希釈効果もまた貢献している。ＣＯ_２濃度は大部分、生物源有機物と、導入された空気酸素との反応に起因する。
【００３４】
この好気性化措置の目的は、メタンを形成する有機物の嫌気性の反応を、はるかに迅速で、かつ集中的な好気性の、二酸化炭素を伴う反応へと変えることである。
【００３５】
危機的な放出経路は、一方ではメタンによる爆発の危険性を防止することにより、および他方では迅速な好気性分解によって浸出水中に溶解した、ＣＳＢとして測定される炭素を著しく低減することにより防止される。
【００３６】
記載の措置は地下式の最終処分場(Grubendeponien)でも地上式の最終処分場(Haldendeponien)でも適切である。
【００３７】
本発明は特に大きな（堆積物）高さを有する最終処分場において、埋立廃棄物が結合材料（ローム、粘土などの物質）からなる中間層により複数の「水平範囲」に分割されている実施態様も含む。このような場合、それぞれの水平範囲は「別々の最終処分場」として見なさなければならない。ガス吸引を実施し、かつ特別なガス濃度の測定を実施する前試験によって、本発明による方法実施に相応してガス吸引が実施される個々の水平範囲を確認する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】廃棄物埋立処分地の断面を示す図
【図２】マルチレベルウェルの断面を示す図
【符号の説明】
【００３９】
１０ 穴、 １１ 堆積物、 １３、１４ ウェル、 １６ フルジャケットパイプ、 １７ フィルターパイプ、 １８ 砂利床、 １９ 粘土層、 ２０ ポンプ、 ２２ フィルターキャンドル

Claims (11)

1. 廃棄物が最終処分場地盤（２１）上に堆積させた、その中に少なくとも１つの吸引パイプが設置されている堆積物（１１）として貯蔵されており、該パイプにより堆積物中で発生する埋立地ガスを吸引する、廃棄物最終処分場における生物源有機物の分解を促進するための方法において、最終処分場地盤の範囲で吸引されるガス量が、この範囲で分解により生じるガス量よりも多く、従って外気により酸素が堆積物（１１）中に浸透し、かつ分解プロセスが少なくともほぼ好気性分解へと変換されることを特徴とする、廃棄物最終処分場における生物源有機物の分解を促進するための方法。
2. ガスの吸引をもっぱら最終処分場地盤の範囲で、有利には堆積物（１１）の下３分の１において、および／または廃棄物最終処分場地盤（２１）の６ｍ上まで延びている帯域で実施する、請求項１記載の方法。
3. 最終処分場地盤範囲に配置された、有利には相互に等距離で存在する複数の箇所でガス吸引を実施する、請求項１または２記載の方法。
4. 堆積物中の異なった高さで測定されるガス組成に依存して、堆積物中のすべての箇所で好気性分解のために必要とされる酸素含有率が調整されているように、吸引性能を制御する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 堆積物中に設置され、最終処分場地盤範囲まで延びる少なくとも１つの吸引パイプ、堆積物中で生じるガスの濃度を分析および測定するための少なくとも１つの測定センサ、およびポンプ性能、つまり吸引パイプ中の吸引ガスの流量を測定センサにより確認されるガスおよびその濃度に依存して調整するための制御装置を有する請求項１から４までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置において、吸引パイプの吸引開口部が最終処分場地盤の範囲に配置されており、有利には堆積物の下３分の１に、および／または廃棄物最終処分場地盤（２１）から廃棄物最終処分場地盤（２ｅ）の最大６ｍ上まで延びている範囲に配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置。
6. 堆積物（１１）中に有利には相互に等距離で配置された複数の吸引パイプが設置されている、請求項５記載の装置。
7. 複数の吸引パイプが敷設されており、その位置、間隔およびそのポンプ性能は、その吸引作用領域が少なくとも接触し、有利にはわずかに重複するように選択されている、請求項５または６記載の装置。
8. それぞれの吸引パイプにおけるポンプ性能が個別的に制御可能であり、有利には該当する作用領域で測定されるガス濃度に依存して制御可能である、請求項７記載の装置。
9. 吸引パイプ（フィルター部分）が、その上方の範囲に場合により設置されているライナーを介して気密な覆いを有しており、かつその下方の範囲にのみ１つもしくは複数のガス吸引開口部を有する、請求項５から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 吸引レベルが地下水面の下まで延びている、請求項５から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 異なった深さにおけるガス組成を測定するための装置において、ガス試料採取のためのフィルターキャンドルがウェル中の、有利には厚さ１ｍの砂利層の中に埋め込まれており、その際、有利にはそれぞれ濾過砂利および粘土からなる厚さ１ｍの層が上下に積層されていることを特徴とする、異なった深さでのガス組成を測定するための装置。