Vliv skládkového plynu na sedání skládek TKO

Vliv skládkového plynu na sedání skládek TKO Zdeněk Kudrna1 a Marek Hrabčák2 Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta, Ústav hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky, Praha – [email protected] 2 Geosofting, s.r.o., Solivarská 28, 080 05 Prešov - [email protected]

1

Abstrakt Geodynamické jevy jsou předmětem zkoumání nejen na přirozených svazích, ale také na antropogenních akumulacích. Na skládkách tuhého komunálního odpadu monitorujeme sedání povrchu skládkových těles, jež je důležité jak pro projektanta, tak i pro provozovatele skládky. Množství a složení skládkového plynu vznikajícího z biologicky rozložitelného komunálního odpadu jako směs především metanu a oxidu uhličitého je v určité korelaci k velikosti sedání skládkových těles. Předmětem článku je snaha o kvantifikování této korelace na dvou modelových lokalitách v České a Slovenské republice.

Klíčová slova: sedání skládky, skládkový plyn, biodegradace, geotechnický monitoring, model. 1 ÚVOD 1.1 Cíle práce Skládkování tuhého komunálního odpadu (TKO) představuje v České a Slovenské republice stále významný způsob likvidace odpadu. Provozovatele skládky zajímá informace o celkovém množství uloženého odpadu ve skládkovém tělese během životnosti skládky, projektanta mimo jiné zajímá nutné převýšení skládky o předpokládané sednutí, jež bude dosaženo po ukončení konsolidačních a zejména pak biodegradačních procesů skládkového tělesa. Na velkých skládkách, které jsou provozovány jako bioreaktor, sedání jejich povrchu dosahuje řádu prvních metrů. Ze skládky jsou během její životnosti průběžně odsávána velká množství skládkového plynu, který je dále zpravidla využíván na výrobu elektrické energie. Je všeobecně známo, že množství a složení skládkového plynu získaného z TKO je dáno podílem organického odpadu, tzv. biologicky rozložitelného komunálního odpadu (BRKO). Cílem článku je analyzovat sedání dvou modelových skládkových těles v ČR a v SR vlivem odsátého skládkového plynu, který je ovlivňován množstvím a druhy organického odpadu. 2 PŘEHLED SOUČASNÝCH POZNATKŮ 2.1 Skládkové těleso Pří navrhování každé skládky TKO jde obecně o dodržení metod inženýrského přístupu, který spočívá v respektování zásad bezpečnosti, tedy funkční způsobilosti a ekonomie stavby, jež musí být navrženy v optimálním poměru. Funkční způsobilost skládky úzce souvisí jak s chováním samotného tělesa skládky, souvisejícím s technickými vlastnostmi jednotlivých navržených vrstev skládkového tělesa, tak s výběrem lokality skládky, která je spojena s vlastnostmi jejího podloží. V podstatě jde o dodržení obdobných hlavních vlastností jako u hydrotechnických staveb, tedy o únosnost, stabilitu, sedání a propustnost budovaného tělesa a jeho podloží. V případě výstavby skládek TKO, kdy jde o ekologické stavby, k tomu dále přistupuje velmi malé avšak nenulové riziko případného výskytu kontaminace podloží. K předcházení výskytu výše uvedeného rizika je nezbytná realizace důsledného a systematického hydrogeologického monitoringu podloží skládky, aby se mohla v případě výskytu kontaminačního mraku urychleně realizovat účinná sanační opatření. Problematika geometrie (stability) svahů je často obtížnou geotechnickou úlohou hlavně v případě, že jde o vysoké přirozené svahy, resp. i o svahy člověkem vytvořené, např. hluboké zářezy či vysoké svahy násypů na liniových stavbách či v lomech. Poněkud příznivější situace nastává, když jde např. o násypy liniových staveb či hrázová tělesa vodohospodářských staveb, neboť jde o stavební konstrukce, jejichž materiálové charakteristiky jsou poměrně dobře známy a během výstavby jsou také vlastnosti sypaniny řádně kontrolovány. Je to sice obdobná situace jako je tomu při výstavbě, provozu, rekultivaci a následné péči skládek TKO, avšak problematika stability skládkových těles je značně

komplikována složitými biochemickými degradačními procesy, které se v čase postupně vyvíjejí během konsolidace skládkového tělesa a jeho podloží (KUDRNA, 2013). V případě antropogenních akumulací tvořených TKO nastává podstatně složitější situace. Zde pracujeme s materiálem, vykazujícím výrazné znaky nehomogenity a anizotropie, které jsou navíc výrazně časově variabilní působením postupujících oxidačně redukčních reakcí. Důsledkem tohoto stavu je skutečnost, že v případě stabilitní analýzy nemůžeme postupovat tradičními přímými geotechnickými postupy, založenými na odběru vzorků z vrtu, přípravě a testování vzorků v laboratoři, interpretaci charakteristik a následné kvantifikaci stabilitního chování pomocí matematických modelů, neboť prakticky nelze ze skládky odebrat tzv. reprezentativní vzorek. Z toho vyplývá, že při hledání inženýrských postupů k zajištění funkční spolehlivosti takových to velmi náročných staveb nelze postupovat běžně užívanými rutinními postupy, ale je třeba volit netradiční postupy, mající výzkumný charakter. Při inženýrské činnosti je prvořadým úkolem hledání optimální míry mezi primárním požadavkem na bezpečnost stavby a požadavkem na její hospodárnost. Vzhledem k tomu, že tělesa skládek jsou objekty podléhající řízení ve smyslu stavebního zákona, je třeba v průběhu navrhování, výstavby, skládkování, ale i při jejich uzavírání volit takové postupy, jež by nebyly v rozporu s výše uvedenými zásadami. V případě skládkových těles pojem bezpečné stavby implicitně obsahuje také pojem ekologicky bezpečné stavby, neboť je zřejmé, že požadavky na nepropustnost celkového systému bezprostředně souvisí i s jeho dostatečnou stabilitou. Z uvedených skutečností proto vyplývá, že reálný aktuální stav geometrie skládkového tělesa je možno dokumentovat pouze na základě systematického geodetického měření na fixních indikačních bodech na povrchu skládkového tělesa. Četnost a způsob sledování deformací po uzavření skládky a v období následné péče o rekultivovaný povrch se stanoví vždy individuálně. Z těchto důvodů byl požadavek systematického provádění geotechnického monitoringu také včleněn do provozních řádů skládek, aby bylo možné stanovit časový vývoj sednutí povrchu skládky a realizovat jeho případnou prognózu. Při řešení sedání skládky nelze opomenout také sedání jejího podloží. Deformace podloží je závislá na geologických podmínkách lokality a na časovém průběhu postupného přitěžování návozem vrstev odpadů. Výsledné hodnoty sednutí podloží (řádově v cm) jsou vzhledem k velikostem sedání povrchu skládky zanedbatelné. 2.2 Faktory ovlivňující sedání skládky Přetvoření povrchu tělesa skládky závisí na řadě hlavních působících faktorů (KUDRNA 2009a):  druh skládkovaného odpadu  množství a složení odpadu ve skládce, především biologicky rozložitelných komunálních odpadů (BRKO)  stáří skládky  použitá technologie zhutňování a s tím související hodnota objemové hmotnosti odpadu čili stupně zhutnění  rychlost návozu odpadu  celková doba skládkování odpadu  množství recirkulované skládkové vody  množství a složení skládkového plynu  rychlost čerpání skládkového plynu  podmínky pro optimální tvorbu skládkového plynu: pH 6,5 – 8, vlhkost w ≥ 40 – 50 %, teplota 25 – 40 oC  stupeň rozvinutí rozkladných biochemických procesů  objemový úbytek hmoty skládky vlivem anaerobního kvašení  stlačitelnost podloží skládkového tělesa  doba, způsob uzavření a rekultivace skládky  výška referenčních bodů ode dna skládky  doba monitorování indikačních bodů  atd.

2.3 Skládkový plyn Lze konstatovat, že množství jímané skládkové vody nemá na sedání povrchu skládky významnější vliv, neboť je zpravidla, vzhledem k naším klimatickým podmínkám, většina skládkové vody recirkulována zpět do skládky. Avšak jistě existuje významná korelace celkového množství odčerpaného skládkového plynu k hodnotě sedání povrchu skládky. Je třeba ale vzít v potaz, že závislost mezi sedáním tělesa skládky a uvolňováním skládkového plynu z něho není rovnoměrná, neboť důvodem je značná nehomogenita a variabilita odpadů. V praxi tak nelze použít množství uvolněného skládkového plynu za zcela jednoznačný ukazatel projevů sedání. Množství biogenního materiálu (BRKO) v odpadu se totiž mění a různé substráty produkují skládkový plyn v různém množství, složení a po různou dobu (SEDLÁČEK 2013). Obr. 1 znázorňuje závislost relativního sednutí povrchu skládky vlivem biodegradace TKO na vyprodukovaném množství skládkového plynu podle SIDDIQUIMA (2011). Je zřejmá velmi těsná korelace obou veličin, neboť korelační součinitel činí r = 0,97. Obr. 1 Korelace relativního sedání skládky TKO s produkcí skládkového plynu (SIDDIQUIM 2011)

Při výpočtu tvorby plynu je důležitý poločas rozkladu různých frakcí BRKO (čas, za který se rozloží 50 % organické hmoty), který je u snadno rozložitelného odpadu (např. kuchyňské odpady) asi 1 rok, u středně rozložitelného odpadu (např. papír, přírodní textilie) asi 5 roků a u obtížně rozložitelného odpadu (např. dřevo, impregnované lepenky) asi 15 let (www.biom.cz/cz/). Existují ale i další poznatky týkající se rozdělení biologicky rozložitelného komunálního odpadu (BRKO). XIMENEZ (2008) uvádí poznatky z výzkumu anaerobního rozkladu dřeva ze třech skládek z Austrálie, které byly uzavřené před 19, 29 a 46 roky. Na vykopaných vzorcích dřeva nebyly ani po těchto letech zjištěny žádné vizuální známky degradace. Chemické analýzy ukázaly, že došlo k bezvýznamným změnám v obsahu celulózy a ligninu v porovnaní s kontrolním dřevem. Pouze u vzorků dřeva pocházejících z nejstarší skládky byla dokumentována ztráta uhlíku 18% a 17% z původního obsahu. Tyto výsledky potvrzují již dřívější poznatky o tom, že se dřevo na skládkách v anaerobních podmínkách rozkládá velmi pomalu.

Podle PADGETTA (2009) je rozklad dřeva ve skládkách při anaerobních podmínkách v rozmezí od 1,12% do 15,11% konverze uhlíku. Také další autoři poukazují na to, že je dřevo v anaerobních podmínkách relativně málo biologicky odbouratelné. Přestože je zde poměrně široký interval výsledků od < 2 % až 40 % stechiometrického množstva konverze uhlíku, pouze 1 % až 20 % uhlíku se ze dřeva převede na metan. To upřesňuje dosavadní předpoklady, že se rozloží až 50 % dřeva uloženého v prostředí skládek a emituje, v případě že není spalován či využíván, jako metan do ovzduší. Obecně jsou biodegradační procesy zpravidla popisovány ve čtyřech fázích, v nichž se složitá organická hmota činností organismů postupně rozkládá v rámci hydrolýzy, acidogeneze, acetogeneze a metanogeneze jak je znázorněno na Obr. 2. Množství jímané a zpravidla zpět recirkulované skládkové vody ovlivňuje sedání povrchu pouze zprostředkovaně přes dosažení optimální vlhkosti odpadu (cca w ≥ 40 – 50 %) pro urychlení rozvoje biodegradačních procesů. U posuzované skládky Ďáblice činí podíl biologicky rozložitelného komunálního odpadu (BRKO) průmyslového původu: 10%. Tuto hodnotu je možno, vzhledem k současným trendům s využitím organického materiálu v bioplynových stanicích, považovat za relativně vysokou. Obr. 2 Schéma anaerobní digesce (KÁRA et al. 2007)

3 CHARAKTERISTIKA MODELOVÝCH LOKALIT 3.1 Skládka TKO v Ďáblicích Společnost .A.S.A., spol. s r.o. provozuje skládku tuhého komunálního odpadu v Ďáblicích od roku 1993 (Obr. 3). Byla postavena v souladu s rakouskými normami a splňuje tedy evropské standardy pro skládkování TKO. Je to první skládka ve východní Evropě, která využívá skládkového plynu k výrobě tepelné a elektrické energie. 3.1.1 Množství odpadu za dobu životnosti skládky - navezený odpad za období 1993 - 09/2013: 5 510 758 m3,

5 971 798,23 t

3.1.2 Maximální a průměrná výška skládky - maximální výška rekultivace nade dnem: 37 m - maximální výška odpadu nade dnem: 35,80 m - průměrná výška rekultivace nade dnem: 25 m 3.1.3 Procentuální složení odpadu podle katalogu odpadu do skupin - TKO 55% - Inertní materiál (TZS 25%) 35 % - Organický odpad prům. původu 10 % 3.1.4 Technologie zhutňování tělesa skládky - střední až vysoký stupeň zhutňování - stupeň zhutnění Ø 1,13 t/m3

Obr. 3 Letecký pohled na skládku TKO v Ďáblicích (archiv .A.S.A., spol. s r.o.)

3.1.5 Množství odčerpávaného skládkového plynu za rok s uvedením Ø procenta CH4 (Tab. 1) Tab. 1 Množství odčerpaného skládkového plynu s podílem obsahu metanu rok množství odčerpaného plynu podíl obsahu metanu v plynu 3 2000 4 446 350 m Ø 59,73% CH4 3 2001 5 619 216 m Ø 57,84% CH4 3 2002 6 112 799 m Ø 55,63% CH4 2003 9 420 456 m3 Ø 50,61% CH4 3 2004 10 991 426 m Ø 49,94% CH4 3 2005 12 931 179 m Ø 47,59% CH4 3 2006 13 943 849 m Ø 46,11% CH4 3 2007 13 708 490 m Ø 45,88% CH4 2008 12 111 023 m3 Ø 45,80% CH4 3 2009 10 326 905 m Ø 46,78% CH4 3 2010 9 724 583 m Ø 48,35% CH4 3 2011 11 397 867 m Ø 52,28% CH4 2012 11 759 152 m3 Ø 50,34% CH4 3 09/2013 8 846 476 m Ø 52,00% CH4 Z uvedených údajů je zřejmé, že se v letech 2000 – 09/2013 na skládce TKO v Ďáblicích celkem odčerpalo 141 339 771 m3 skládkového plynu při středně vysoké průměrné hodnotě obsahu metanu (50,63 % CH4) ve skládkovém plynu, který je využíván v kogenerační jednotce k výrobě elektrického proudu a k využití zbytkového tepla. Tyto statistické údaje svědčí o tom, že zde bylo dosaženo, vzhledem k situaci v ČR a v SR, enormních objemů skládkového plynu a skládku v Ďáblicích je možno označit za velmi významnou skládku.

3.2 Skládka TKO Snina Obr. 4 Situace skládky ve Snině Při výběru modelové lokality na Slovensku pro posouzení výpočetních modelů sedání povrchu skládek s měřitelnými údaji z topografie těchto lokalit jsme museli přistoupit k určitým kompromisům. Přestože jsme měli poměrně zajímavá data z více lokalit v delších časových řadách, při podrobnějším rozboru se ukázalo, že způsob provozu těchto skládek vylučoval jejich využití pro zkoumaný účel. Jejich povrch byl i během měření opakovaně zhutňovaný nebo sloužil jako dočasná deponie inertního odpadu či příjezdová cesta do dalších kazet skládky. Sedání povrchu odpadu zjištěné geodetickým monitoringem tak nebylo způsobené pouze přirozeným sedáním, ale i jmenovanými externími vlivy. Nakonec jsme pro ověření výpočtových modelů použili poměrně malou skládku ve Snině (Obr. 4). Její výhodou bylo, že topografické údaje jako provozní poměry byly poměrně jednoduché a prověřené. Skládka Snina, ležící v sv. části Slovenska, byla vybudovaná v roce 2003. Představuje jednu kazetu o rozměrech cca 210 x 115 m a projektované kapacitě cca 180 000 m3. Ihned po zahájení provozu byl do časti kazety uložený komunální odpad z bývalé meziskládky TKO, který vytvořil geometrický jednoduchý tvar - tzv. starou haldu. 3.2.1 Množství odpadu na skládce V březnu 2004 byla skládka geodeticky zaměřená a kubatura uloženého odpadu byla stanovena 19 024 m3. Skládka se svým geometrickým tvarem blíží čtyřbokému hranolu s vrchlíkem. Tato část skládky byla po celé období provozu skládky nevyužívána až do konce roku 2013. V prosinci 2013 po geodetickém zaměření skládky byly v uvedené kazetě opakovaně přeměřené výšky vybraných bodů na povrchu této staré haldy podle souřadnic z úvodního měření v březnu 2004. Získali jsme tak soubor údajů o nadmořské výšce povrchu odpadu v roce 2004 (těsně po uložení) a v roce 2013 (po devíti letech konsolidace). 3.2.2 Rozměry skládky. Rozměry této části skládky jsou: šířka 45 m, délka 82 m a mocnost odpadu od 7,4 až do 14,3 m. Dočasné sklony svahů jsou zhruba 1:1,5. 3.2.3 Složení odpadu Podle údajů provozovatele skládky jde o TKO (cca 90 %) s malým množstvím inertního odpadu (do 10 %). Podíl BRKO v TKO je odhadnut na 25-33 % podle údajů z analýz odpadu v regionu. 3.2.4 Způsob zhutňování Odpad byl do této kazety skládky jednorázově převezen ze sousední meziskládky způsobem tzv. „sypáním přes hranu na sypný úhel“, t.j. bez řádného zhutnění a překrytí inertním odpadem. Vzhledem na složení a způsob uložení odpadu předpokládáme výsledný stupeň zhutnění max. 0,85 t/m3. 3.2.5 Množství skládkového plynu Ihned po uložení odpadu byl ve vrchlíku skládky vybudován odplyňovací vrt s pasivním odvětráváním do ovzduší. Přestože koncem roku 2013 existovalo přesvědčení, že vzhledem k malému

objemu odpadu bude produkce skládkového plynu pouze minimální, modelování produkce skládkového plynu pomocí programu model LMOP (GUZZONE a MULLER 2003) prokázalo aktuální produkci v roku 2014 cca 5,8 m3/hod, což znamená zhruba 50 000 m3/r. Podobný výpočet pomocí sofistikovanějšího holandského modelu (Afvalzorg Simple Methane Generation Model) SCHARFF (2011) předpokládá emise skládkového plynu v roce 2014 na úrovni 5,2 m3/hod. Celková teoretická produkce skládkového plynu z této části skládky při optimálních biodegradačních podmínkách za období 50 roků po odpočítání připovrchové oxidace (15%) bude zhruba 1,43 mil. m3. Měřením in situ přímo při ústi pažnice byla stanovena koncentrace metanu ve skládkovém plynu do 38 %, přičemž průtok plynu v pažnici byl naměřen 0,825 l/s. Tato hodnota představuje cca 26 000 m3 za rok.

4 SEDÁNÍ POVRCHU SKLÁDKOVÉHO TĚLESA 4.1 Skládka TKO v Ďáblicích V prostoru I. etapy výstavby skládky TKO v Ďáblicích byla zahájena v roce 1995 tzv. 0. fáze systematického geodetického monitorování referenčních bodů ještě před jejím uzavřením a zrekultivováním. Měření 2. etáže o výšce 13 až 18 m bylo ukončeno na podzim roku 1996. Celkem bylo monitorováno 28 ks bodů, z nichž polovina byla poškozena (ŠKOPEK a KUDRNA 1997). V tomto posudku bylo po 9 měsících měření konstatováno, že:  měření vykázalo velmi nestejnoměrné sedání povrchu skládky  relativní sednutí činilo 2 – 3 % mocnosti skládky  prognóza (extrapolace a analogie) relativního sednutí dosáhne zhruba 10 %, což při navrhované mocnosti skládky 30 m znamená, že převýšení bude cca 3 m. Po uzavření příslušné části ďáblické skládky v roce 1998 byla zahájena 24.7.1998 1. fáze a postupně další fáze systematického geodetického monitorování referenčních bodů, kdy je touto prací interpretována časová řada trvající 14 let nepřetržitého minimálně každoročního měření. Postupně byl v rámci instrumentace skládky zakládán po průběžné rekultivaci jednotlivých ploch systém dalších indikačních bodů, přičemž je v současnosti založeno 33 ks referenčních bodů. Předmětem posledního vyhodnocení (KUDRNA 2013) v jednotlivých časových období (fázích) byly referenční body 1 až 32. Celkem jde o 22 bodů, protože některé z bodů byly časem poškozeny, nebo z důvodů extrémně nízkých hodnot z analýzy vyřazeny. Na vybraných grafech jsou, vzhledem k omezenému rozsahu příspěvku, znázorněny pouze nejstarší části skládky (1. a 2. fáze) skládkování časovými průběhy absolutního sedání (Graf 1 a 2) a časovými průběhy relativního sedání (Graf 3 a 4). Předmětem vyhodnocení jsou fáze 1. až 5., protože 6. fáze (referenční body 33, 34 a 35) mají prozatím kratší časovou řadu pro zpracování časového průběhu sedání. Jestliže porovnáme hodnoty absolutního sedání při posledním měření dne 19.06.2012 v rámci jednotlivých fází, lze konstatovat, že se průměrné hodnoty od sebe příliš neliší (KUDRNA 2013):     

1.fáze (od 24.07.1998 do 19.06.2012): 2. fáze (od 15.10.1999 do 19.06.2012): 3. fáze (od 14.3.2003 do 19.06.2012): 4. fáze (od 7.10.2003 do 19.06.2012): 5. fáze (od 1.10.2004 do 19.06.2012):

Ø sednutí 2,21 m Ø sednutí 2,37 m Ø sednutí 2,11 m Ø sednutí 2,53 m Ø sednutí 2,16 m

Maximální sedání přesahující hodnotu 3 m je ve: 3. sekci (bod 24) – 3,05 m 4. sekci (bod 28) – 3,32 m Zcela největšího sedání povrchu tělesa ďáblické skládky je tradičně dosahováno v 2. sekci v bodě 19, kde dosahuje v současnosti hodnoty 4,36 m. Naopak minimální sednutí v rámci posuzovaných referenčních bodů je ve 3. sekci v bodě 23, kde činí 1,06 m. Z hlediska funkční způsobilosti skládky je vhodné věnovat pozornost také nerovnoměrnému sedání (KUDRNA 2009b). Obecně je možno konstatovat, že výše uvedené průměrné hodnoty sedání „stírají“ extrémní hodnoty. Ze zkoumání časových závislostí sedání vyplývá poznatek, že vyjma Grafu 1 a

hlavně jeho ekvivalentu Grafu 3, který specifikuje časový průběh relativních sedání, charakterizující rovnoměrné sedání, lze konstatovat, že všechny ostatní průběhy sedání v dalších fázích vykazují nerovnoměrné sedání (Graf 2 a Graf 4). Graf 1 Časový průběh absolutního sedání na skládce TKO v Ďáblicích v období

od 24.07.1998 do 19.06.2012

čas (dny) 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

3 5

100

7 150

9

200 250

Graf 2 Časový průběh absolutního sedání na skládce TKO v Ďáblicích v období od 15.10.1999 do 19.06.2012

čas (dny) 0

1000

2000

3000

4000

5000

0 11

sednutí (cm)

sednutí (cm)

1 50

100 200 300

13 15 17 19

400 500

Graf 3 Časový průběh relativního sedání na skládce TKO v Ďáblicích v období od 24.07.1998 do 19.06.2012

20

čas (dny)

relativní sednutí (%)

1

10

100

1000

10000

0 2

1

4

3

6

5

8

7

10

9

12

Graf 4 Časový průběh relativního sedání na skládce TKO v Ďáblicích v období od 15.10.1999 do 19.06.2012

čas (dny)

relativní sednutí (%)

1 0 2 4 6 8 10 12 14 16

10

100

1000

10000 11 13 15 17 19 20

Pokud jde o interpretaci relativního sedání (Grafy 3 až 4), kde je na vodorovné časové ose logaritmické měřítko a na svislé ose poměr absolutního sedání k výšce odpadu pod indikačním bodem, tak lze konstatovat, že časový údaj přechodu krátkodobého na dlouhodobé sedání t2,k = t1,l se pohybuje v intervalu 300 až 500 dní. Z Grafu 4 ve 2. fázi vyplývá, že maximální hodnota relativního sednutí byla dosažena 15,63 % v bodě 19, zatímco minimální hodnota relativního sednutí pak ve 3. fázi v bodě 23 a činí 4,04 %. Průměrná hodnota relativního sednutí na skládce v Ďáblicích v 1. až 5. fázi ke dni 19.6.2012 má hodnotu Ø 8,45 %. Z analýzy vyplývá, že přestože většina deformací skládkového tělesa byla minimálně osmi až čtrnáctiletým monitorováním doposud zachycena a je zřejmé, že během ukončování provozu skládky

i během období následné péče bude sedání skládky dále pokračovat. Výškově lze tedy vrchlík skládky převýšit zhruba o 4,5 m, což odpovídá uvedené maximální hodnotě relativního sednutí 17 %, kterou uvádí KOENIG et al. (1996). Současně zjištěné hodnoty relativního sednutí okolo 12%, odpovídají převýšení okolo 3,5 m. Během dlouhodobém procesu následné konsolidace po dobu následné péče (cca 30 let) se skládka stabilizuje a její povrch bude zhruba odpovídat úrovni uvedené v projektu. 4.2 Skládka TKO Snina Jak bylo v podkap. 3.2.1 řečeno, povrch skládky byl podrobně zaměřen v dubnu 2004 a následně bylo těleso skládky ponecháno bez vnějších zásahů. Vzhledem k tomu, že táto část aktivní kazety skládky se nezavážela odpadem, nevznikla u provozovatele potřeba během celého období geodetický zaměřovat povrch skládky. Až v souvislosti s problematikou sedání povrchu skládek z hlediska jejich dlouhodobého sledování proběhlo po devíti letech toto kontrolní geodetické zaměření. Naměřené údaje jsou uvedeny v Tab. 2. Z těchto údajů je zřejmé, že po devíti letech konsolidace nezhutňovaného tělesa skládky došlo k poklesu povrchu odpadu v průměru o 5,2 %. V indikačních bodech došlo k absolutnímu sednutí povrchu skládky v intervalu od 0,17 do 0,85 m při mocnosti odpadu od 7,4 do 14,3 m. Tab. 2 Výsledky sedání povrchu skládkového tělesa ve Snině súradnice bodov:

č. bodu:

Y

X

dno kazety

hrúbka odpadu

(m n m)

(m)

nadmorská výška III. 2004

nadmorská výška XII. 2013

(m n m)

(m n m)

pokles povrchu (m)

(%)

24

194 514,78

1 208 959,84

300,00

7,37

307,37

307,20

0,17

2,3%

25

194 520,61

1 208 940,13

297,70

11,53

309,23

308,73

0,50

4,3%

33

194 512,87

1 208 929,01

297,20

12,98

310,18

309,33

0,85

6,5%

26

194 517,13

1 208 953,22

298,40

9,80

308,20

307,65

0,55

5,6%

27

194 529,13

1 208 916,02

297,60

10,98

308,58

308,06

0,52

4,7%

29

194 519,05

1 208 910,03

297,30

12,71

310,01

309,23

0,78

6,1%

30

194 510,00

1 208 907,14

298,00

12,27

310,27

309,42

0,85

6,9%

34

194 508,67

1 208 927,04

297,00

13,48

310,48

310,09

0,39

2,9%

48

194 501,81

1 208 953,23

299,70

8,28

307,98

307,55

0,43

5,2%

49

194 498,34

1 208 946,75

299,72

8,82

308,54

307,95

0,59

6,7%

50

194 504,98

1 208 938,45

299,75

9,85

309,60

309,14

0,46

4,7%

51

194 504,66

1 208 919,44

296,50

14,26

310,76

309,93

0,83

5,8%

5 VÝPOČTY Je zřejmé, že jednou z cest jak prognózovat sedání povrchu skládek je aplikace vhodných výpočetních modelů, které budou s přijatelnou přesností simulovat chování tak specifických antropogenních akumulacích jakými jsou skládky TKO. V odborné literatuře lze v současnosti vyhledat celou řadu vypracovaných teorií a modelů, které se problematikou sedání v souvislosti s konsolidací a biodegradací materiálu TKO podrobně zabývají. Vzhledem na zaměření příspěvku jsme použili pouze takové jednoduché modely, které vycházejí ze všeobecně známých a praxí ověřených empirických konstant a nevyžadují nákladné testování vstupních parametrů ve velkoobjemových přístrojích nebo in situ, které ostatně nejsou v ČR ani v SR k dispozici. Naším cílem bylo ověřit do jaké míry se budou reálně naměřené topografické údaje shodovat s predikovanými daty určenými níže uvedenými výpočetními modely. Je zřejmé, že praktické využití naleznou pouze takové modely, které potvrdí přijatelnou shodu svých závěrů s reálnými monitorovanými hodnotami sedání.

Je všeobecně známo, že silně nehomogenní a anizotropní TKO mění v čase svůj objem vlivem účinku gravitace a biodegradace, která vede ke ztrátám hmoty skládkového tělesa. Složité procesy popisující změny objemu skládek musí být založeny na mechanickém stlačení (konsolidaci) a biodegradačním rozkladu. Potom lze výsledné sedání modelovat jako kombinaci obou procesů, tedy mechanické komprese a biodegradačního poklesu. Ukazuje se, že oba procesy se v čase vzájemně prostupují a ovlivňují. Pro prognózu těchto dlouhodobých poklesů povrchu skládky jsme použili tyto modely: 1. Půdně-mechanický model (SOWERS 1973) SM = Ho * Cae * log (t / to) kde

SM představuje sekundární pokles povrchu v čase t Ho je mocnost vrstvy odpadu v daném bodě po primárním poklesu Cae je koeficient sekundárního poklesu to je referenční čas od začátku sekundárního poklesu

2. Biodegradační model (PARK and LEE 1997) SB = Ho * ε * [1 – exp(-kt) ] kde

SB představuje pokles povrchu v čase t Ho je mocnost vrstvy odpadu v daném bodě po primárním poklesu ε je koeficient sekundárního poklesu k je degradační konstanta pro rozklad

Výsledné dlouhodobé sedání skládky (SLT) bude součtem SLT = SM + SB. 6 INTERPRETACE VÝSLEDKŮ Na rozdíl od výpočtů sedaní zemin je skládkové těleso TKO svojí významnou heterogenitou a anizotropií jako i časovou nestabilitou biodegradačních procesů velmi komplikovaný systém. Přesto některé zjednodušené empirické modely poskytují relativně dobré výsledky dlouhodobého sedání povrchu skládky. Nutnou podmínkou je ale správné zohlednění lokálních specifik a aplikace vhodných konstant. Pro výpočet očekávaného sedání povrchu skládky TKO jsme použili dva nejčastěji používané modely – SOWERS (1973) a PARK a LEE (1997). První z nich zohledňuje mechanické stlačení odpadu, druhý počítá s biodegradací organického odpadu ve skládce. Pro úbytek hmoty a prognózu sedání tělesa skládky vlivem produkce skládkového plynu jsme použili výpočet podle autora CHIANAN (2006). Po použití údajů z úvodního zaměření obou zkoumaných lokalit jako i z dalších geodetických měření v průběhu provozu těchto skládek byly provedeny výpočty podle uvedených modelů. Zjištěné výsledky jsou interpretovány v další časti příspěvku. Pro skládku Ďáblice je porovnání modelových výpočtů sedání se skutečnými zaměřenými údaji uvedeno v Grafech 5 a 6. Podle našich výpočtů představuje průměrné relativní sedání podle SOWERSA 3,5 % a podle PARKA a LEE 11 % mocnosti odpadu. Koeficient korelace vypočtených a naměřených údajů je 0,801, což považujeme za velmi dobrou shodu modelů se skutečností. Z histogramu (Graf 6) je zřejmé, že skutečný zaměřený pokles povrchu skládky Ďáblice dosahuje pouze cca 66-75 % z vypočteného celkového poklesu podle SOWERSA a podle PARKA a LEEA. Nejvýraznější rozdíly jsou v indikačních bodech 32-35, kde zatím uplynula pouze relativně krátká doba od uložení odpadu na skládku (3 - 4 roky). Podobný výrazný rozdíl mezi modelovým poklesem a skutečným zaměřeným poklesem je v indikačních bodech 2, 12, 16, 18. V těchto bodech je mocnost odpadu zhruba poloviční oproti ostatním bodům, což se logicky projevilo ve výpočtech. Uvedené

Graf 5 Porovnání shody skutečného poklesu skládky v Ďáblicích s modelovým výpočtem

Zameraný pokles (m)

5,0

Graf modelového poklesu vs skutočný zameraný pokles na skládke Ďáblice. 4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

Modelový pokles (m) -

-

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

výsledky jsou ve shodě s četnými publikovanými závěry, kdy reálna biodegradace je vždy menší než teoreticky vypočtená. Biodegradační konstanta totiž nemůže zcela reálně zohlednit vysokou míru heterogenity skládkového tělesa jako i časový vývoj rozkladu organické hmoty. Pro výpočet sedání tělesa skládky vlivem produkce skládkového plynu jsme nejprve modelovali teoretickou produkci skládkového plynu na základe empirického modelu LMOP (GUZZONE a MULLER 2003) dosazením vhodných konstant, při kterých bude maximální korelace modelu se skutečným odčerpaným množstvím skládkového plynu z této skládky v letech 2000-2013. Po extrapolaci nejvhodnější křivky produkce skládkového plynu byla přepočítána celková teoretická produkce skládkového plynu za celé dosavadní období. Podle stechiometrických propočtů byl vypočten úbytek hmoty na skládce rozkladem na skládkový plyn. Vypočítaný biodegradovaný organický odpad představuje 17 % z celkového objemu tělesa skládky, což v přepočtu na mocnost odpadu vykazuje průměrný pokles o 4,2 m. Reálny naměřený pokles povrchu skládky vzhledem ke geometrickému tvaru činí cca 2,77 - 3,21 m, což je v poměrně dobré shodě s naměřenými údaji v kap. 4.1: maximální zaměřený pokles 4,36 m, průměrný pokles 2,11 – 2,53 m. Na skládce Snina, vzhledem ke zcela odlišným podmínkám provozu skládky, a k diametrálně menším objemovým a váhovým poměrům než na skládce Ďáblice, byly získány výsledky, které jsou ve větším rozporu s realitou (Graf 7). Z výpočtů byl určen průměrný pokles podle SOWERSE 3,3 % a podle PARKA a LEE pouze 4,9 % mocnosti odpadu. V porovnaní se skládkou Ďáblice je modelový pokles vlivem biodegradace pro tuto skládku výrazně nižší, což vyplývá z mnohem slabších degradačních procesů na této malé skládce, i z faktu, že odpad nebyl řádně hutněn kompaktorem. Koeficient korelace mezi modelovým poklesem a skutečně naměřeným sedáním je r = 0,690. Vypočítaný úbytek objemu hmoty ve skládce vlivem rozkladu na skládkový plyn je 8,8 %, což v přepočtu na výšku skládky znamená pokles jejího povrchu v průměru o 0,55 m, přičemž průměrný zaměřený pokles povrchu skládky Snina byl 0,58 m.

Graf 6 Histogram zaměřeného poklesu skládky a modelových výpočtů na skládce Ďáblice Porovnanie výpočtových modelov a skutočného zameraného poklesu povrchu skládky Ďáblice. 5,0

Biodegrad. model

pokles (m)

4,5

5,0 Sowers. model 4,5

4,0

4,0

3,5

3,5

3,0

3,0

2,5

2,5

2,0

2,0

1,5

1,5

1,0

1,0

0,5

0,5

-

Zameraný pokles

1

2

3

4

7

9

10

11

12

13

15

16

17

18

19

20

21

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

Graf 7 Histogram zaměřeného poklesu skládky a modelových výpočtů na skládce Snina Porovnanie výpočtových modelov a skutočného zameraného poklesu povrchu skládky TKO Snina. 1,2

1,2

pokles (m)

Park a Lee model Sowers model pokles povrchu

1,0

1,0

0,8

0,8

0,6

0,6

0,4

0,4

0,2

0,2

-

24

25

33

26

27

29

30

34

48

49

50

51

7 ZÁVĚR Z našich výsledků vyplývá, že i relativně jednoduché modely procesu sedání skládky TKO mohou přinést dostatečně přesné výsledky pro prognózování budoucího tvaru skládkového tělesa. Jestliže máme k dispozici také údaje o ročním čerpaném množství skládkového plynu, je možné tyto údaje

verifikovat i s dalšími modely a upřesnit tak získané údaje. Měrná produkce skládkového plynu jako přímý důsledek rozvoje biodegradačních procesů indikuje, jestli z hlediska dlouhodobého poklesu bude mít na zkoumané skládce výraznější podíl SOWERSŮV model anebo model podle PARKA a LEE. Důležitou úlohu má při těchto výpočtech především výběr vhodných empirických konstant s přihlédnutím k publikovaným údajům. LITERATURA CHIA-NAN, L. Unsaturated consolidation theory for the prediction of long-term municipal solid waste landfill settlement. Waste Manage Res. 2006, 24, pp. 80–91, ISSN 0734–242X GUZZONE, B., MULLER, D. User's Manual Mexico Landfill Gas Model, Landfill Methane Outreach Program (LMOP). U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C., 2003. KÁRA, J., PASTOREK, Z. a PŘIBYL, E. Výroba a využití bioplynu v zemědělství. VÚZT, Praha: 2007, pp. 1-120. Manuscript. KOENIG, D., KOCKEL R., JESSBERGER, H.L.: Zur Beurteillung der Standsicherheit und zur Prognose der Setzungen von Mischabfalldeponien. In Proc. 12. Nürn. Deponieseminar, Nürnberg: 1996, pp. 95-117. KUDRNA, Z. Long-term deformations of municipal landfill bodies and their effects on functional safety of superficial sealing. Acta Geodyn. Geomater. 2009a, 6, No. 4, (156), pp. 465-473. ISSN 1214-9705. KUDRNA, Z. Riziko nerovnoměrného sedání po uzavření skládek tuhého komunálního odpadu. In Deponie workshop Zittau – Liberec, Zittau: Hochschule Zittau/Goerlitz 2009b, pp. 63-74. ISBN 978-3-98112655-4-5. KUDRNA, Z. Zpráva o vyhodnocení měření sedání skládky. Skládka TKO v Ďáblicích. ZK, Všenory: 2013, pp. 1-26. Manuscript. PADGETT, J.M. Biodegradability of Wood Products under Simulated Landfill Conditions. Raleigh, North Karolina. 2009. A thesis submitted for the degree of Master of Science. PARK, H.I., LEE, S.R. Long-term Settlement Behaviour of Landfills with Refuse Decomposition. Journal of Solid Waste Technology and Management. 1997, XXIV, pp. 159-165. SEDLÁČEK, V. Analýza faktorů ovlivňujících geotechnické parametry tuhých komunálních odpadů. PřF UK, Praha: 2013, pp. 1-29. Manuscript. SCHARFF, H. Afvalzorg Simple Methane Generation and Emission Model LFG production, ver. XI. 2011, personal communication with H. Scharff - 2012, NV Afvalzorg, Assendelft, The Netherlands. SIDDIQUIM, A.A., Biodegradation and Settlement Behaviour of Mechanically Biologically Treated (MBT) Waste, Thesis for the degree of Ph.D., University of Southampton, School of Civil Engineering and the Environment. April 2011. SOWERS, G. F. Settlement of Waste Disposal Fills. In Proc. Eighth International Conference on Solid Mechanics and Foundation Engineering. Montreal: ISSMF 1973, pp. 207 - 221. ŠKOPEK, J., KUDRNA, Z. Sedání skládky TKO v Praze – Ďáblicích. In Geotechnické symposium. Brno: FSv VUT 1997, pp. 97-100. XIMENES, F.A., GARDNER,W.D., COWIEM, A.L. The Decomposition of Wood Products in Landfills in Sydney, Australia. Cooperative Research Centre for Greenhouse Accounting, Australia. Waste Management, Volume 28, 11, 2008, pp, 2344-2354. www.biom.cz/cz/