Entstehung
Als Deponiegas wird die Gesamtheit der im Deponiekorper durch mikrobielle Ab — bauprozesse entstehenden gasformigen Stoffwechselprodukte (z. B. Methan (CH4), Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasserstoff (H2), Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoni — ak (NH3)) sowie die in die Gasphase ubergehenden Komponenten, die direkt den abgelagerten Stoffen (z. B. Fluor-Kohlenwasserstoffe, Siloxane) bzw. der die Stof — fe umgebenden Luft (Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2)), entstammen, bezeichnet /16-32/. Die gilt aber nur fur Deponien, in denen Abfalle mit hohen Organikantei — len abgelagert wurden. In quantitativer Hinsicht gehoren CO2, CH4, N2, O2 sowie H2 zu den Hauptkomponenten des Deponiegases. Es sind jedoch, in Abhangigkeit der Ablagerungsdauer der Abfalle auf der Deponie, zumeist nur zwei bis vier die — ser Komponenten im Deponiegas prasent.
Bei der mikrobiellen Umsetzung von 1 kg organischem Kohlenstoff konnen im Idealfall 1,868 m3n Gas gebildet werden /16-38/. Die auf einer Deponie tatsachlich entstehende Deponiegasmenge hangt aber hauptsachlich vom Anteil der umsetzba — ren Kohlenstoffverbindungen im Abfall ab. Als Erfahrungswerte werden 0,15 bis 0,25 m3 pro kg abgelagertem Abfall angegeben.
Die Deponiegasbildung ist bezuglich der Menge und hinsichtlich der Zusam- mensetzung starken zeitlichen Variationen unterworfen. Es konnen jedoch neun typische Phasen unterschieden werden, fur deren Auspragung neben anaeroben Abbauvorgangen auch aerobe Abbauprozesse sowie Diffusionsprozesse eine Rolle spielen. Auch kann die Deponiegasmenge und — zusammensetzung deponiespezi — fisch deutlich unterschiedlich ausfallen. Sie wird u. a. entscheidend vom Deponie- betrieb bestimmt, wobei der Grad der erreichten Homogenisierung der Abfalle in der Deponie sowie der Wassergehalt der abgelagerten Abfalle einen entscheiden- den Einfluss ausuben /16-21/.
Diese typischen Phasen der Deponiegasbildung werden im Folgenden kurz er — lautert (Abb. 16.24).
— Aerobe Phase (I). Die organischen Inhaltsstoffe der Abfalle werden nach der Deponierung zunachst so lange unter aeroben Bedingungen zu Kohlenstoffdi — oxid abgebaut, bis der Sauerstoff im freien Porenvolumen des Deponiekorpers verbraucht ist. Im gleichen Mafie, wie der Sauerstoff verbraucht wird, nimmt die CO2-Konzentration zu. Die weitere Sauerstoff-Zufuhr aus der Atmosphare bleibt aber infolge der Uberdeckung mit weiteren Abfallschichten bzw. infolge der starken Verdichtung der Abfalle aus. Diese Phase dauert normalerweise ei — nige Monate.
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Saure Garung (II). Aufgrund des Sauerstoffverbrauches in Phase I stellen sich im Deponiekorper anaerobe Verhaltnisse ein. Diese ermoglichen eine saure Ga — rung, bei welcher zunehmend, neben organischen Sauren, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff als Stoffwechselprodukte produziert werden. Dieses Biogas-
gemisch verdrangt allmahlich den im Deponiekorper noch vorhandenen Luft — stickstoff. Es kommt auBerdem zu einer sukzessiven Absenkung des Redoxpo — tenzials vom positiven in den negativen Bereich. Infolge von exothermen Reak — tionen konnen sich Zonen des Abfallkorpers wahrend dieser sauren Phase auf weit uber 60 °C aufheizen /16-45/. Auch diese Phase erstreckt sich uber einige Monate.
— Instabile Methangarung (III). In dieser Ubergangsphase, die zumeist mehrere Monate andauert, verandert sich die Population der Mikroorganismen im Deponiekorper von Saure verbrauchenden zu Methan bildenden Mikroorganismen. Neben Methan als Metabolismusprodukt entsteht weiterhin Kohlenstoffdioxid. Die sich verandernden Umsetzungsprozesse resultieren insgesamt in einer stei — genden Gasproduktion. Da nun jedoch der Methananteil uberwiegt, weist das Deponiegas steigende Methan — und sinkende CO2-Gehalte auf. Die H2- Produktion wird ebenfalls allmahlich eingestellt und aus Phase II stammendes H2 wird aus dem Deponiekorper verdrangt. Weitere wesentliche Kennzeichen dieser Phase sind steigende pH-Werte und eine allmahliche Abnahme der orga — nischen Sickerwasserbelastungen. Die Gehalte an organischen Sauren im Si — ckerwasser nehmen ebenfalls allmahlich ab.
— Stabile Methanphase (IV). In der nun folgenden stabilen Methanphase, die etwa zwei Jahre nach Ablagerungsbeginn erreicht wird, steht die Saureproduktion nahezu im Gleichgewicht mit der Umsetzung der Sauren zu Methan und Koh — lenstoffdioxid. Dieser Gleichgewichtszustand ist relativ stabil und dauert bei Siedlungsabfalldeponien, in Abhangigkeit von der Abfallcharakteristik, der Ab — fallmasse und dem Wasserhaushalt, etwa 15 bis 25 Jahre. Die Methan — und Kohlenstoffdioxidproduktion erreicht in diesem Stadium ihr Maximum. Die bis dahin verbliebenen bioverfugbaren organischen Verbindungen werden weitge — hend, nach ihrer Umsetzung, uber den Gaspfad und nur noch in geringem MaBe mit dem Sickerwasser ausgetragen. Das Verhaltnis der zwei Hauptkomponenten CH4 und CO2 des Deponiegases ist weitgehend stabil; der Methangehalt liegt bei etwa 55 bis 60 Vol.-%.
— Post-methanogene Phasen (V bis IX). In den Phasen V bis IX geht der Vorrat an organischen Substanzen zur Neige und die Deponiegasproduktion nimmt stark ab. Gleichzeitig sinkt der Heizwert des Gasgemisches aufgrund der sin — kenden Methangehalte deutlich. Solange noch CH4-Anteile im Gasgemisch ent — halten sind, wird dieses i. Allg. als Schwachgas bezeichnet. Langfristig wird die CH4-Produktion jedoch komplett eingestellt. Der bisher infolge der hohen Gas — produktion im Deponiekorper herrschende Uberdruck gleicht sich immer mehr dem Umgebungsdruck an, so dass, sofern keine luftundurchlassige Oberfla — chenabdeckung vorhanden ist, langsam Umgebungsluft in den Abfallkorper eindringen kann. Es stellen sich daraufhin nach und nach wieder aerobe Ver — haltnisse ein. Die Zusammensetzung des Gases im freien Porenvolumen des Deponiekorpers gleicht sich damit langfristig der Zusammensetzung atmospha — rischer Luft an.
Die Gaszusammensetzung in einer Deponie kann nur als statistisches Mittel vieler verschiedener Gaskompositionen aus verschiedenen Bereichen beschrieben wer — den. So finden in einem Deponiekorper aerobe und anaerobe Abbauprozesse zeit — gleich nebeneinander statt. Erst wenn die stabile Methanphase (Phase IV) erreicht ist, stellt sich eine weitgehend einheitliche Gaszusammensetzung ein. Nur das Deponiegas aus dieser Phase ist i. Allg. fur eine energetische Nutzung geeignet. So — wohl die Deponiegasproduktion insgesamt als auch der Methangehalt des Depo — niegases sind hier ausreichend hoch.
Das in den Phasen III, V, VI und VII entstehende Deponiegas enthalt ebenfalls Methan. Dieses Deponiegas ist jedoch i. Allg. fur eine energetische Verwertung ungeeignet, da die Methangehalte und/oder die insgesamt anfallende Deponiegas — menge meist zu gering fur eine Nutzung sind.