1.Introducere privind sistemul de colectare a gazului de depozit …… …… 2.Reacții de descompunere in cadrul depozitului si fazele procesului de… [607150]

Cuprins

1.Introducere privind sistemul de colectare a gazului de depozit …… ……

2.Reacții de descompunere in cadrul depozitului si fazele procesului
de fermentare a eșeurilor …………………………………………………. .

3.Relații (modele) matematice de estimare a cantităților de gaz de
depozit………………………………………………………………………

4.Aplicarea modelelor matematice pentru depozite din
Romania și Italia…………………………………………………………. ..

5.Concluzii………………………………………………………………….

Bibliografie…………………………………………………………………

1. Introducere privind sistemul de colectare a gazului de depozit

Un sistem de colectare și evacuare a gazului este reprezentat de totalitatea echipamentelor
și instalațiilor prin care circula un gaz de depozit, din masa de deșeuri depozitata pana la
exhaustor. Acest sistem trebuie construit în așa fel încât sa se poată garanta atât o construcție
sigura cat și sănătatea personalului.
Gazul de depozit al deșeurilor poate fi colectat fie printr -un sistem de colectare pasiv, fie
printr -un sistem de colectare activ. Un si stem tipic de colectare, fie pasiv, fie activ, este compus
dintr -o serie de puțuri de colectare a gazelor plasate pe întregul depozit de deșeuri. Numărul și
distanța dintre puțuri depinzând de caracteristicile specifice depozitului de deșeuri, cum ar fi
volumul deșeurilor, densitatea, adâncimea și suprafața. Deoarece gazul este generat în depozitul
de deșeuri, puțurile de colectare oferă căi preferate pentru migrarea gazelor. Cele mai multe
sisteme de colectare sunt proiectate cu un grad mare de redundanță pentru a asigura funcționarea
continuă și pentru a proteja sistemul împotriva defecțiunilor. Redundanța într -un sistem poate
include gropi suplimentare de colectare a gazelor în cazul în care unul nu reușește.
Sistemele pasive de colectare a gazelor util izează variațiile existente în ceea ce privește
presiunea în depozitele de deșeuri și concentrațiile de gaze pentru a evacua gazele de depozitare
în atmosferă sau un sistem de control. Sistemele de colectare pasivă pot fi instalate în timpul
funcționării a ctive a unui depozit de deșeuri sau după închidere. Sistemele pasive folosesc sonde
de colectare, denumite și sonde de extracție, pentru a colecta gaze de depozitare. Găurile de
colectare sunt în mod tipic construite din HDPE perforat sau cu fantă și sunt instalate vertical pe
toată suprafața depozitului de deșeuri până la adâncimi cuprinse între 50% și 90% din grosimea
deșeurilor. Un sistem de colectare pasivă poate include, de asemenea, puțuri orizontale situate
sub suprafața solului pentru a servi ca și conducte de circulați e a gazului în cadrul depozitului de
deșeuri. Suprafețele orizontale pot fi adecvate pentru depozitele de deșeuri care necesită
recuperarea rapidă a gazelor (de exemplu, depo zitele de deșeuri cu probleme ale migrație i
subterane a gazel or), pentru depozitele de deșeuri adânci sau pentru depozitele de deșe uri active.
Eficiența unui sistem de colectare pasivă depinde parțial de cât de bine este gazul ț inut în
depozitul de deșeuri. Restrângerea gazelor poate fi controlată și modificată prin proiectarea
sistemului de colectare a deșeurilor.
Sistemele de colectare a gazelor active sunt considerate cele mai eficiente mijloace de
colectare a gazelor de ardere. Sistemele de colectare a gazelor active includ sondele de colectare
a gazelor pe vert icală și orizontală similare sistemelor de colectare pasivă. Spre deosebire de
puțurile de colectare a gazelor dintr -un sistem pasiv, cu toate acestea, puțurile din sistemul activ
ar trebui să aibă supape pentru a regla fluxul de gaz și a servi drept orificiu de eșantionare.
Eșantionarea permite operatorului de sistem să măsoare generarea, compoziția și presiunea
gazului. Sistemele active de col ectare a gazelor includ pompe de gaz pentru a muta gazele din
depozitele de deșeuri și conductele care leagă puțurile de colectare. Pompele trag gaz din
depozitul de deșeuri prin crearea unei presiuni scăzute în puțurile de colectare a gazelor.

Presiunea scăzută în puțuri creează o cale de migrare preferată pentru gazul de deșeuri. Mărimea,
tipul și numărul de pompe de gaze necesare într -un sistem activ pentru a trage gazul din
depozitul de deșeuri depind e de cantitatea de gaz produsă. Cu informații despre generarea,
compoziția și presiunea gazelor reziduale, un operator de depozitare a deșeurilor poate evalua
modificările de producție și distribuție a gazelor și poate modifica sistemul de pompare și valvele
de colectare pentru a conduce cel mai eficient un sistem activ de colectare a gazelor. Proiectarea
sistemului ar trebui să țină seama de nevoile viitoare de ge stionare a gazelor, cum ar fi cele
legate de expansiunea depozitului de deșeuri.

2. Reac ții de descompunere in cadrul depozitului si fazel e procesului de
fermentare a deș eurilor

Gazul de depozit este produs prin degradarea deșeurilor organice umede în co ndiții
anaerobe ale unui depozit de deșeuri. Biogazul este un gaz combustibil (CH4 și CO2) obținut
prin fermentarea anaerobă a biomasei cum ar fi: gunoi de grajd, canalizare, nămol, deșeuri solide
municipale. Fermentarea biomasei se face prin microorganism e speciale. Microbii de biogaz
constau într -un grup mare de specii complexe și cu acțiune diferită de microbi, notabilă este
bacteria producătoare de metan. Întregul proces de formare a biogazului poate fi împărțit în trei
etape: hidroliza, acidifierea și formarea metanului. Sunt implicate trei tipuri de bacterii.
Descompunerea anaerobă a compușilor org anici se realizează în strânsă c olaborare cu
bacterii specializate de ddiferite tipuri, incluzând în principal hidroliza, acidifierea și formarea
metanului. Un intere deosebit în procesul de digestie anaerobă rezultă în p rincipal din avantajele
sale, comparativ cu metodele a erobe . Principalele avantaje ale procesului de digestie cu metan
sunt producerea unei cantități nesemnificative de biomasă și o cantitate redusă de energie,
comparativ cu degradarea efectuată în condiții aerobe.

Hidroliza
În prima etapă (hidroliza), este un proces de defalcare a materiei organice în produse mai
mici care pot fi bacterii degradate. Materialul ligno celulozic constituie fracțiunea organică
majoră a deșeurilor municipale solide. Hidroliza materialului li gnocelulozic este un factor major
care influențează nivelul sursei de carbon nec esare producției de biogaz. În acest proces, materia
organică este produsă extern prin enzime extracelulare (celul oză, amilază, proteaza și lipaza) de
microorganisme. Bacteriile descompun lanțurile l ungi ale carbohidraților complecș i, proteine și
lipide în părți mai scurte. De exemplu, polizaharidele sunt transformate în mo nozaharide.
Proteinele sunt împărțite în peptide și aminoacizi.
Rezultatele unui studiu a u arătat că recircularea levigatului a redus timpul de stabilizare a
deșeurilor și a fost eficient în îmbunătățirea producției de gaze și îmbunătățirea calității
levigatului. Rezultatele, de asemenea au indicat că recircularea levigatului ar putea maximiza
eficiența și rata de reducere a volumului de deșeuri în depozitele de deșeuri (Mohammad javad
Asgari et. all, 2011).
În timpul hidrolizei , cea mai mare parte a compușilor organici, adică carbohidrați,
proteine, grăsimi, se descompun la monomeri solubili și dimeri, adică aminoacizi și acizi grași.
această etapă a procesului de digestie cu metan trece prin enzime extracelulare din grupul de
hidrolaze (amilaze, prot eaze, lipaze) produse de tulpini corespunzătoare hidrolizei.
Hidroliza polimerilor greu decompozabili, adică celuloză și celucotoni, este considerată a fi o
etapă care limitează viteza de digestie a deșeurilor. În timpul digestiei deșeurilor solide, numai
50% din compuș ii organici suferă biodegradare ( Ziemińsk i K., Frąc Magdalena , 2012).

Rata procesului de hidrol iză depinde de parametri precum: dimensiunea particulelor, PH –
ul, producția de enzime, difuzia și adsorbția enzimelor pe particulele de deșeuri su puse
procesului de digestie.
Mai jos este exemplificată o reacție a hidrolizei în care deșeul organic este descompus
într-un singur zahar (glucoză):
C6H10O4+2H 2O →C 6H12O6+2H 2

Acidificarea
Deșeurile municipale solide conțin o fracție semnificati vă de material lignocelulozic.
Acidificarea acestor materiale influențe ază randamentul biogazului. Bacteriile producătoare de
acid, implicate în a doua etapă, transformă intermediarii bacteriilor de fermentare în acid acetic
(CH3COOH), hidrogen (H2) și dio xid de carbon (CO2). Aceste bacterii sunt facultative anaerob
și pot crește în condiții acide. Pentru a produce acid acetic, au nevoie de oxigen și carbon. Pentru
asta, ei folosesc oxigenul dizolvat în soluție sau oxigenul limitat. Astfel, bacteriile produ cătoare
de acid creează condiții anaerobe care sunt esențiale pentru microorganismele producătoare de
metan. În plus, ele reduc compuși i cu greutate moleculară mică în alcooli, acizi organici,
aminoacizi, dioxid de carbon, hidrogen sulfurat și urme de meta n. Din punct de vedere chimic,
acest proces este parțial endergonic (adică posibil numai cu introducerea de energie), deoarece
bacteriile singure nu sunt capabile să susțină acest tip de reacție.
În această etapă, bacteriile acidifiante convertesc substan țe chimice solubile în apă,
inclusiv produsele de hidroliză, la acizi organici cu catenă scurtă (formic, acetic, propionic etc.),
alcooli (metanol, etanol), dioxid de carbon, hidrogen. Din descompunerea proteinelor, apar
aminoacizi și peptide, care pot fi o sursă de energie pentru microorganismele anaerobe. Acest
proces poate fi bidirecțional datorită efectelor diferitelor populații de microorganisme. Se poate
împărți în două tipuri: hidrogenarea și dehidrogenarea. Calea de bază a transformărilor trece pr in
acetați, CO2 și H2, în timp ce alte produse de acidogeneză joacă un rol nesemnificativ.
Acumularea electronilor prin compuși cum ar fi etanol, propionat, acizi grași volatili este
răspunsul bacteriilor la o creștere a concentrației de hidrogen în soluție.
Descrierea convertirii glucozei în etanol, acid propionic și acid acetic este prezentată în
cele ce urmează:
C6H12O6 ↔2CH 3CH 3OH+2CO 2
C6H12O6+2H2↔2CH 3CH 2COOH+2H 2O

Formarea metanului sau metanogeneza
Bacteriile prod ucătoare de metan, implicate în a treia etapă , descompun compușii cu o
moleculă de greutate mică. De exemplu, ele utilizează hidrogen, dioxid de carbon și acid aceti c
pentru a forma metan și dioxid de carbon. În condiții naturale, microorganismele producătoare de
metan apar în măsura în ca re sunt prevăzute condiții anaerobe. Ele sunt obligatorii anaerobe și

foarte sensi bile la schimbările de mediu . Pentru funcțiile vitale ale acestor bacterii care consumă
hidrogen, de asemenea, modul de temperatură s tabilă este foarte important . Randamentul
biogazului variază datorită naturii eterogene a deșeurilor municipale solide . Teoretic, valorile
estimate ale biogazul ui bazat pe stoichiometrie (raporturile cantitative dintre elemente) variază
între 150 și 265 m3/tonă. Într-un studiu a fost o bservat că o bună gospodări re a deșeuril or după
separarea sursei produc 494 m3 de meta n pe tonă de deșeuri solide . Deși depozitele de deșeuri
sunt surse de metan, gazul de deșeuri trebuie purificat pentru a crește concentrația de metan .
Această fază constă în producerea de metan prin bacteria metanogenă. Metanul din
această fază a procesului este produs din substraturi care sunt produse din fazele anterioare, și
anume acid acetic, H2, CO2 și formiat, metanol, metilamină sau sulfurp de dim etil. În ciuda
faptului că doar câteva bacterii sunt capabile să producă metan din acid acetic, o mare parte de
CH4 care ajunge din procesul de digestie cu metan rezultă din conversia acidului acetic prin
bacterii de metan heterotrofice. Doar 30% din metan ul produs în acest proces provine din
reducerea emisiilor de CO2 realizate de bacteriile metanice autotrofice. În timpul acestui proces
se consumă H2, ceea ce creează condiții bune pentru dezvoltarea bacteriilor acide care dau
naștere unor acizi organici c u catenă scurtă în faza de acidulare și, prin urmare, producerea prea
scăzută de H2 în faza acetogenică. O consecință a acestor transformări poate fi gazul bogat în
CO2, deoarece numai partea sa nesemnificativă va fi transformată în metan.
Pentru a crește randamentul biogazului, se efectuează, de obicei, și presortarea și
pretratarea. Prin urmare, a fost raportat că, în cadrul unui proces de bio metanizare, 30% din
cheltuielile totale sunt suportate pentru prelevarea și pretratament.
Reacțiile care au loc în momentul procesului de metanogeneză sunt:
CO 2+4H 2→CH 4+2H 2O
2C2H5OH+CO 2→CH 4+2CH 3COOH

3. Relaț ii (modele) matematice de estimare a cantităț ilor de gaz de depozit

Pentru a se colecta gazul obținut din depozitele de deșeuri, operatorii acestora trebuie să
ia în calcul încă de la stadiul de proiect posibilele cantități de gaze ce vor fi generate. Astfel
pentru aceste estimări au fost create diverse modele de estimare în funcție de structura deșeurilor
ce au fost depozitate, modul în care sunt făcute depozitările în interiorul “instalației ”.
Pentru estimarea cantităților maxime de biogaz, cât și pentru a se realiza o evoluție a
producției de gaz de depozit au fost elab orate, în funcție de accesul la date și de un nivel cât mai
ridicat al sistemului , modele matematice utilizate pentru estimarea generării biogazului.
Mai jos sunt prezentate exemple ale modelelor matematice ce sunt utilizate pentru
estimarea generării bio gazului:

– Modelul empiric – descrie tendința în timp a datelor disponibile și consideră depozitul de
deșeuri similar unei ”cutii negre”. Modelul este reprezentat printr -o funcție ce realizează
anumite corelații între datele ce intră, adică fracția organiză și unele date de ieșire, adică
biogazul. Modelul empiric are la bază următoarea ecuație:

unde:
p – productivitatea specifică biogazului, (Nm3/t an);
A – constantă care depinde de compoziția deșeurilor și este influențată de conținutul
maxim de substanță biodegradabilă și de viteză de biodegradare;
n – constantă care include efectele parametrilor fizico -chimici cu rol de creștere a
biodegradabilității;
C – constantă care include fenomenele care pot întâr zia sau pot inhiba producția de
biogaz( temperatura, pH -ul);
l – timpul de latență, timpul pe care deșeul îl petrece în depozit înaintea începerii
colectării biogazului;
t – timp, anul pentru care se realizează operațiunile

– Modelul stoichiometric – are la bază reacția stoichiometrică, la care membrul din partea
stângă este o reprezentare chimică a compoziției deșeurilor, iar membrul din partea
dreaptă este o reprezentare a produșilor reacțiilor: metanul și dioxidul de carbon. Este
foarte util pentru esti marea debitului volumetric al biogazului care a fost produc în
depozitul de deșeuri. Acest model are la bază reacția generalizată pentru descompunerea
anaerobă a deșeurilor municipale solide:

– Modelul biochimic – este influențat de biodegradabilitatea matricei organice și descrie
mecanismele de biogaz eificare cu ajutorul parametrilor caracteristici ai cineticii
biologice. Se pot difere nția între ele printr -un tip de cinetică ales și sunt considerate a fi
influențate de anumiți parametrii: temperatura; pH; umiditate. Acești parametrii
condiționează dezvoltarea și creșterea biomasei active, care generează biogazul. Acest
model implică o d irectă proporționalitate între viteza cu care dispare fracția organică a
deșeurilor și viteza cu care se generează biogazul.

(m3/an)
unde:
este viteza de producție a biogazului, (m3/an)
A – masa de deșeuri depozitată, (t deșeuri municipale solide);
– factorul adimensional de generare, care ia în considerare doar fracția de deșeuri care
poate fi componentă a biogazului;
C – conținutul de carbon organic din deșeuri, (kg/t);
1,87 – volumul de biogaz care se poate forma din fiecare kg de carbon organic
biodegradabil, (m3);
δC/δt – variația de substanță organică din interiorul deșeului în timp

4. Aplicarea modelelor matematice pentru depozite din Romania și Italia

Pentru a se realiza analize comparative ale diferitelor depozite de deșeuri din Italia și
România, a fost utilizat un model al Bilanțului masic care este bazat pe o evaluare a balanței de
masă de apă din interiorul unui depozit de deșeuri, care poate face o diferență între faza activă și
cea pasivă. În lucrarea ” STUDII ȘI CERCETĂRI CU PRIVIRE LA EVALUAREA
ASPECTELOR TEHNOLOGICE PENTRU PERIOADA DE POSTÎNCHIDERE A
DEPOZITELOR DE DEȘEURI MUNICIPALE SOLIDE ” a lui Cosmin BELCIU, valorile
anuale ale volumului de levigat generat dintr -un depozit de deșeuri din Torino au fost comparate
cu o tendință de producție ce a fost calculată cu modelul Bilanțului masic. Aceste valori calculate
cu ajutorul modelului au subestimat datele reale din teren, dar au respectat tendin ța reală.
După cum se poate observa și în figura de mai sus, avem prezentată în perioada 1984 –
2010 cantitatea de levigat estimată cu culoare albastră și cantitatea de levigat ce a fost colectată
în aceeași perioadă pentru depozitul de deșeuri din Torin o. Astfel se dovedește faptul că acest
model subestimează datele din teren, însă respectă o tendință reală.

Mai sus este prezentată o situație similară de estimare a cantităților pentru depozitul de
deșeuri din Bihor, însă în cazul acesta datele disponib ile atât pentru calcul estimării cât și cele
alea cantității reale de levigat au fost doar pentru anul 2014. Și în acest caz se poate observa că
rezultatele modelului Bilanțului masic au un caracter de supraestimare, dar își păstrează tendința
reală.
În aceeași lucrare menționată mai sus, pentru o analiză comparativă între cantitatea de
biogaz din depozitele de deșeuri, unul dintre modele matematice estimative a fost cel
stoichiometric. Datele disponibile pentru a se realiza o comparație între depozitele din Italia și
cele din România au fost disponibile doar pentru depozitul din Torino și pentru depozitul din
Bihor .
Mai jos, este prezentată analiza comparativă între o cantitate reală de biogaz colectat
(linia albastră) și producția de metan (linia neagră ) și biogazul estimat (linia roșie) prin modelul
stoichiometric. De notat faptul că linia ce reprezintă biogazul estimat păstrează tendința cantității
de biogaz ce a fost colectat la depozitul de deșeuri din Torino cu o supraestimare la începutul
activităț ii, dar spre sfârșitul fazei active, cantitatea estimată se apropie de o tendință reală a
biogazului colectat din depozitul de deșeuri.
În figura de mai jos este prezentată analiza comparativă a cantității de biogaz colectat și
gazele ce au fost generate de depozitul de deșeuri din Bihor prin utilizarea modelului
Stoichiometric. Aceste estimări au fost realizate doar pentru anul 2004, deoarece a fost singurul
an în care datele au fost disponibile pentru a se efectua calcule și pentru a se realiza comparaț ia
cu valorile reale generate.

Mai jos putem observa o analiză comparativă între cantitatea reală de biogaz și estimarea
cu ajutorul Modelului LandGEM pentru producția de biogaz, metan, dioxid de carbon și compuși
organici non -metanici . Notabil este faptul că estimarea realizată cu ajutorul modelului LandGEM
pentru cantitățile de biogaz de la depozitul de deșeuri din Torino a fost de fapt o supraestimare a
volumu lui re al, după ce a existat o apropiere de lungă durată, a valorilor estima te cu cele reale.
Rzultatele modelului LandGEM, au demonstrat că a existat o producție notabilă de
biogaz produsă dupa 20 de ani de la închiderea activității. Tendința aceea de producție se poate
observa ca fiind relevantă pentru o perioadă de aproximativ 60 de ani de la începutul perioadei
de post -închidere a depozitului.
Pentru a fi cât mai clară o analiză între depozitu l din Italia și cel din România, a fost
considerată o analiză între valori calculate prin modelul Stoichiometric și valori reale ale
biogazului și ale metanului.
Tipurile de deșeuri diferite, cantitățile și compoziția acestora pentru fiecare depozit în
parte rezultă o analiză comparativă cu rezultate diferite.

Ținând seama de comparația între valori reale și cele calculate, putem spu ne ca modelul
ce a fost aplicat pentru depozitul de deșeuri din Torino Dublează valorile reale ale biogazului
generat. O diferență mult mai mare este în România, unde supraestimarea valorilor este de
aproximativ 100 de ori mai mare.
În același timp, prin aplicarea modelului, putem observa diferență între cele două
depozite:
– La depozitul de deșeuri din Torino sunt valorile calculate practic dublate față de cele
reale disponibile pentru biogaz
– La depozitul de deșeuri din Bihor sunt val orile calculate supraestimate cu peste 75 de ori
peste valoarea reală generată a biogazului.

5. Concluzii

Sistemele de colectare, evacuare și depozitare a gazului de depozit sunt reprezentate de
toate echipamentele și instalațiile traversate de gazul de depozit, din interiorul masei de deșeuri
pana la rezervoarele în care acesta este colectat. Aceste sisteme sunt construite astfel încât să
existe o garanție de protecție a mediului înconjurător cât și a personalului ce operează în cadrul
acelui depozit. To ate aceste sisteme sunt proiectate și realizate în primul rând prin aplicare unor
estimări cu ajutorul unor modele matematice .
Depozitarea deșeurilor reprezintă o parte esențială a unei strategii integrate de
gestionare a acestora, fără care nu va fi posibil un control sigur și eficient asupra deșeurilor.
Dezvoltarea unui depozit de deșeuri cu adevărat durabil va fi important pentru gestionarea și
controlul sigur și eficient al deșeurilor în viitor. În comparație cu multe țări dezvoltate, conceptul
de depozite de deșeuri . Indiferent dacă suntem sau nu pregătiți să plătim pe termen scurt, prețul
pentru dezvoltarea cu adevărat durabilă a depozitelor de deșeuri rămâne un subiect care trebuie
dezbătut continuu și care trebuie să se dezvolte în permanență.
Gazul rezultat de la depozitele de deșeuri reprezintă o importantă sursă de energie pe
viitor , iar d ezvoltarea unui depozit de deșeuri cu adevărat durabil va fi important pentru
gestionarea și controlul sigur și eficient al deșeurilor în viitor.

Bibliografie

1. Belciu Mihai -Cosmin, Studii și cercetări cu privire la evaluarea aspectelor tehnologice
pentru perioada de post -închidere a depozitelor de deșeuri municipale solide , Teză de
doctorat, Universitatea ”Vasile Alecsandri” din Bacău, 2016
2. Mohamma d javad Asgari, Kamran Safavi, Forogh Mortazaeinezahad, Landfill Biogas
production proces , International Conference on Food Engineering and Biotechnology
IPCBEE vol.9, 2011.
3. Ziemińsk i Krzysztof, Frąc Magdalena, Methane fermentation process as anaerobic digestion
of biomass: Transformations, stages and microorganisms. African Journal of Biotechnology ,
2012
4. Ali Shah Fayyaz, et al. , Microbial ecology of anaerobic digesters: the key players of
anaerobiosis. The Scientific World Journal , 2014
5. Obuli P. Karthikeyan, Kurian Joseph, Bioreactor landfills for sustainable solid waste
management , Centre for Environmental Studies, Anna University, Chennai,
https://www.researchgate.net/publication/237737748_BIOREACTOR_LANDFILLS_FOR_S
USTAINABLE_SOLID_WASTE_MANAGEMENT
6. Voicu Gh., Ingineria depozitării ecologice a deșeurilor solide , Editura Politehnica Press,
București, 2016.
7. Weiland Peter, Biogas production: current state and perspectives , 2010,
https://link.springer.com/article/10.1007/s00253 -009-2246 -7
8. *** United States Environmental Protection Agency, Landfill Gas Energy Data Project
https://www.epa.gov/lmop/landfill -gas-energy -project -data
9. *** Landfill Gas Control – Guidance on the landfill gas control requirements of the Landfill
Directive,
http://ec.europa.eu/environment/ waste/landfill/pdf/guidance%20on%20landfill%20gas.pdf