Gaz wysypiskowy – rodzaj biogazu, powstający w wyniku fermentacji związków organicznych na składowiskach odpadów.

Powstawanie biogazu na wysypiskach Po raz pierwszy wydzielanie się metanu na wysypiskach odpadów stwierdzono w 1934 roku w Wielkiej Brytanii. Pierwsze instalacje odprowadzające gaz do atmosfery zaczęły powstawać w różnych krajach w końcu lat sześćdziesiątych, od roku 1980 odzyskiwano go i utylizowano.

Odpady składowane na wysypisku są mieszaniną materiałów organicznych i nieorganicznych o różnej wilgotności. Jeżeli zostaną stworzone odpowiednie warunki składowania tj. ugniatanie i przykrywanie warstwy odpadów ziemią lub innym materiałem, to okres w którym podlegają one działaniu tlenu jest bardzo krótki, co stwarza warunki dla zachodzenia procesów rozkładu beztlenowego. Rozkład ten jest następstwem szeregu spontanicznie zachodzących procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Największy udział w procesach rozkładu ma rozkład biologiczny. Procesy biologiczne wywierają bezpośredni wpływ na potrzebie procesów chemicznych i fizycznych poprzez zmianę takich czynników jak pH i potencjał redoks.

Jedną z charakterystycznych cech odpadów wysypiskowych jest ich heterogeniczność. Średnio około 75% odpadów miejskich stanowią biodegradowalne materiały organiczne. Substancje zawarte w odpadach znacznie różnią się między sobą szybkością rozkładu. Szybkiej degradacji ulegają odpady żywnościowe. Odpady ogrodowe należą do grupy o średnim okresie półtrwania – 5 lat. Papier, tektura, drewno, odpady włókiennicze ulegają powolnemu rozkładowi (okres półtrwania -15 lat). Natomiast tworzywa sztuczne i guma nie ulegają degradacji.

Martwa materia organiczna ulega procesom gnicia. Pod wpływem mikroorganizmów następuje degradacja aerobowa, trwająca tak długo, jak w środowisku jest obecny tlen. Produktem końcowym rozkładu jest mieszanina gazów składająca się głównie z dwutlenku węgla i metanu w różnych proporcjach. Po zakończeniu procesu fermentacyjnego, pozostała masa organiczna przekształca się bardzo wolno. Układ osiąga stan stabilizacji; jest to początek procesu karbonizacji.

Objawem stabilizacji wysypiska jest zakończenie wydzielania gazów. Powstawanie metanu rozpoczyna się w środowisku beztlenowym. Zespół mikroorganizmów powodujących ten proces charakteryzuje się dynamiczną koegzystencją różnych gatunków powiązanych łańcuchem żywieniowym: pierwsza grupa bakterii fermentacyjnych jest odpowiedzialna za hydrolizę złożonych surowców spożywczych przez egzoenzymy. W wyniku tych procesów powstają proste cukry, aminokwasy i kwasy tłuszczowe. Monomery te są następnie przetwarzane przez te same lub inne bakterie na różne związki pośrednie, np. octany i wodór lub propioniany, maślany, walerianiany, mleczany i etanol. druga grupa bakterii produkuje octany i wodór z poprzednio powstałych produktów pośrednich, z substancji organicznych zawierających azot produkują jony amonowe, a z zawierających siarkę – jony wodorosiarczkowe. trzecia grupa mikroorganizmów – bakterie metanogenne produkują metan wykorzystując octany.

Stwierdzono, że metan może powstawać nie tylko z wodoru i dwutlenku węgla, lecz także z mrówczanów, metanolu i metyloamin. Duże jest zagrożenie zapachowe, największe zaś w ciągu pierwszego roku po złożeniu odpadów. Długo utrzymujące się zapachy są powodowane obecnością węglowodorów. Substancje powodujące występowanie przykrych zapachów mogą być obecne w odpadach jako składniki (np. większość chlorowęglowodorów) lub powstawać w wyniku rozkładu (np. organiczne związki siarki).

W ciągu całego okresu eksploatacji wysypiska konieczne jest przewidywanie emisji odpadów. Wydzielanie się zapachów z wysypiska do otoczenia może być określone poprzez poziom stężenia siarkowodoru przy powierzchni gruntu. Wskutek złożonych oddziaływań pomiędzy różnymi rodzajami zapachów, określenie intensywności zapachu najlepiej jest dokonywać poprzez grupę badanych osób. Z tym sposobem badania wiąże się problem indywidualnych różnic w reagowaniu na zapachy i zmęczenia zapachowego. Wadą metody jest również jej duża pracochłonność. Obecnie stosuje się technikę olfaktometrii, której zasada polega na rozcieńczeniu próbki powietrza, aż do osiągnięcia poziomu progowego dla danego zapachu.

Ze względu na miejsce powstawania zapachów, wysypisko można podzielić na warstwę powierzchniową, gdzie odpady są wysypywane, warstwę wewnętrzną lepiej lub gorzej przykrytą, oraz spadki i miejsca gromadzenia ścieków. Szybkość wydzielanie się zapachów z tych miejsc jest różna i w mniejszym lub większym stopniu związana z ich charakterystyką: ilością wysypywanych odpadów, częstotliwością operacji, czy powstawaniem pęknięć.

Jako skuteczną metodę likwidacji zapachów wysypiskowych często zaleca się spalanie gazu, gdyż związki śladowe są trudne do usunięcia innych może wynosić jedynie 35 – 75% wartości teoretycznej.

Wpływ czynników środowiskowych Do czynników środowiskowych wpływających na proces biologicznej metanogenezy należą: temperatura pH anaerobioza wilgotność zawartość azotu obecność lub nieobecność związków promujących lub inhibitujących szczepienia mikrobiologiczne.

Powstawanie metanu zachodzi najefektywniej w dwóch przedziałach temperatur: mezofilowym 30-37 °C, termofitowym 50-65 °C.

Przy zmniejszeniu temperatury do 20 °C powstawanie metanu i wzrost organizmów metanogennych zachodzi coraz wolniej. Przy temperaturze 20 °C metan jeszcze powstaje, ale wzrost mikroorganizmów nie trwa długo.

Obecność bakterii metanogennych jest podstawowym warunkiem powstawania metanu. Podczas badań mikroflory w glebie na wysypiskach odpadów domowych, stwierdzono, że mikroorganizmy te nie przemieszczają się nawet na odległość kilku centymetrów.

Zagrożenia powodowane przez gaz wysypiskowy Gaz wysypiskowy może powodować liczne zagrożenia należące do 5 kategorii: Zagrożenia dla roślin – degradacja strefy ukorzeniania. Zagrożenia dla budowli – osiadanie, wybuchy, pożary. Zagrożenia dla ludzi – nieprzyjemny zapach, niedotlenienie, działanie toksyczne, wybuchy lub pożary. Zanieczyszczenie wód, degradacja wód gruntowych. Zagrożenia dla atmosfery, zanieczyszczenie powietrza.

Każde z tych zagrożeń może obejmować teren samego wysypiska i jego otoczenia.

Zagrożenia dla wegetacji roślin W ciągu lat poczyniono wiele obserwacji obumierania lub stałego wzrostu drzew i innych roślin na rekultywowanych terenach wysypisk (parki, tereny rekreacji, pola uprawne). Podobne objawy wystąpiły na obszarach przyległych. Przyczyną tego zjawiska jest obecność gazu wysypiskowego w strefie wzrostu korzeni. Składniki gazu wypierając powietrze, wytwarzają warunki beztlenowe, powodujące w konsekwencji uduszenia lub zatrucie. Działają również szkodliwie pośrednio poprzez powodowanie zmian składu mineralnego gleby.

Zagrożenia dla budynków Osiadanie wysypisk i powstawanie gazu lub oba te zjawiska naraz wywierają niekorzystny wpływ na różne budowle wzniesione na terenie wysypisk lub w jego pobliżu. Niezmiernie ważne jest uświadomienie sobie faktu, że gaz wysypiskowy stanowi poważne potencjalne zagrożenie. Stąd wypływa konieczność oszacowania potencjalnych ilości metanu przed podjęciem decyzji budowlanych oraz późniejsze monitorowanie jego poziomu pozwalające na uniknięcie bardzo poważnych problemów.

Zachowanie się gazu wysypiskowego zależy szczególnie od proporcji dwutlenku węgla do metanu. Stosunek ten steruje gęstością gazu i jego palnością oraz wpływa na szybkość emisji i rozpraszania wielkości określających zdolność do gromadzenia się tej palnej mieszaniny. Budynki można odpowiednio zabezpieczyć, lecz podnosi to znacznie koszt. Niezbędne jest w tym przypadku instalowanie sprawnych systemów wentylacyjnych zdolnych do pracy przez wiele lat. Z tego powodu prawdopodobnie bardziej opłaca się wznosić duże budynki, takie jak fabryki czy bloki mieszkalne, posiadające skuteczne zabezpieczenia, niż budować domki jednorodzinne. Alternatywnym rozwiązaniem jest usuwanie gazu z terenu wysypiska poprzez efektywny system odwiertów.

Osiadanie Znaczące osiadanie terenu wysypiska występuje wskutek: rozkładu składowanej materii organicznej, niewystarczającego ugniecenia odpadów, ciężaru własnego odpadów, nadmiernego nacisku budowli na powierzchnię wysypiska.

Rozmiary osiadania zależą od rodzaju odpadów, stosunku ilości użytego przykrycia do ich objętości oraz gęstości powstałej w wyniku ugniecenia. Im materiału przykrywającego jest więcej i im większa jest gęstość odpadów tym ma miejsce mniejsze osiadanie.

Jeżeli np. gęstość wynosi 0,6 t/m³, to stopień osiadania sięga 35%. Natomiast przy gęstości odpadów powyżej 1 t/m³ osiadanie z przyczyn fizycznych jest praktycznie nieprawdopodobne.

Główną przyczyną osiadania jest rozkład odpadów połączony z wydziela­niem gazu wysypiskowego.

Osiadanie występuje na wszystkich zamkniętych wysypiskach po upływie pewnego czasu, zależnego od występowania czynników wpływających na biodegradację odpadów np. wielkości opadów atmosferycznych. W przypadku głębokich wysypisk problemy z osiadaniem mogą być przezwyciężone poprzez zastosowanie fundamentów na ruszcie oraz rur z podatnymi połączeniami. Nowoczesne metody cienkowarstwowego rozmieszczania odpadów i łączone z zastosowaniem ciężkich ugniatarek doprowadzają składowane odpady do gęstości ponad 1 t/m³, co minimalizuje osiadanie.

Osiadanie stwarza również problem niekontrolowanego wydobywania się gazu wysypiskowego na zewnątrz oraz dostawania się wody poprzez pęknięcia i szczeliny. Najczęściej stosowanym sposobem naprawy tych szkód jest zasypanie ubytków ziemią lub żwirem i zabrukowanie. Metoda ta zabezpiecza również przed podpowierzchniowymi pożarami wysypiska.

Pożary Gdy metan uchodzi bezpośrednio do otwartej atmosfery istnieje niewielkie ryzyko jego wybuchu, lecz należy brać pod uwagę możliwość zapłonu. Od wielu lat obsługa wysypisk akceptuje niewielkie pożary powstałe w wyniku samozapalenia się metanu i traktuje to jako jedną z mniejszych uciążliwości związanych z gromadzeniem odpadów. Lecz zagrożenie samozapłonem na wysypiskach będzie rosło, jeżeli nie zostaną poczynione działania mające na celu odzysk gazu wysypiskowego oraz kontrolę jego emisji i migracji. Przy ocenie możliwości zagospodarowania przestrzeni i zabudowy tere­nów wysypiska należy brać pod uwagę spełnienie następujących kryteriów: wysypisko powinno być zamknięte przynajmniej od 10 lat głębokość wysypiska nie powinna przekraczać 10 m wysypisko powinno być usytuowane na stabilnym, niskowodnym podłożu nie składowanie materiałów toksycznych lub niebezpiecznych, szczególnie odpadów ciekłych.

Zasady konstrukcji powinny uwzględniać możliwość pękania ścian i przerywania przewodów. Na wysypiskach, gdzie nie przestrzega się zasad właściwego składowania odpadów, można się spodziewać wystąpienia ich gęstości rzędu 0,4 t/m³. Wstępny zapłon i rozwój podpowierzchniowych pożarów na wysypiskach zależy od wielu czynników: składu odpadów, zawartości wilgoci, obecności tlenu, ciśnienia wywieranego przez otoczenie na przestrzeń zapłonu. Samozapalenie produktów rozkładu, takich jak metan, zachodzi przy dostatecznym dostępie powietrza i powstaniu odpowiednio wysokiej temperatury. Podczas procesów egzotermicznego rozkładu biologicznego, lub chemicznego utleniania zapłon zachodzi wówczas, gdy dany produkt rozkładu osiągnie temperaturę samozapłonu. Dla metanu temperatura ta wynosi 235 °C. Wzrost temperatury rozpoczyna się w momencie zapoczątkowania biologicznego rozkładu substancji organicznej.