Reklama

Rizika vzniku a kumulace hořlavých plynů při skládkovaní odpadů

Ing. Stanislav Cáb, Ing. Martina Šeděnková

Recenzovaný

Článek popisuje mechanismy vzniku skládkového plynu, včetně rozboru vlastností a problematiky možné kumulace plynu. Zmiňuje také základní požadavky pro snížení rizika výbuchu skládkového plynu uvedené v ČSN 83 8034 a zavedení organizačních opatření, mezi které patří například systém povolování prací v prostorech s nebezpečím výbuchu, pravidelné školení zaměstnanců a vybavení vhodnými ochrannými pracovními prostředky.

Reklama

Úvod

Široce využívaným způsobem odstraňování odpadů je skládkování. V roce 2015 bylo v ČR vyprodukováno 5,3 mil. tun komunálních odpadů. Z toho bylo 36 % využito materiálově a 11 % energeticky. Na skládkách bylo uloženo 47 % komunálních odpadů [1]. Při skládkování odpadů, obsahujících biologicky rozložitelné složky, je nutno posoudit možnost vzniku požáru či výbuchu v důsledku vznícení produkovaného skládkového plynu, tvořeného z převážné části metanem.

Z minulosti jsou známy případy výbuchu skládkového plynu v objektech v blízkosti skládek. V případě, že není vhodně odčerpáván, může skládkový plyn vrstvami uložených odpadů i vrstvami podloží skládky migrovat všemi směry, a to i do vzdálenosti několika set metrů od vlastní skládky. K jednomu z těchto případů došlo v roce 1986 ve městě Loscoe, v anglickém hrabství Derbyshire, kdy byl výbuchem skládkového plynu zničen rodinný dům, a došlo k vážnému zranění tří osob. K prvním projevům migrace skládkového plynu docházelo v okolí skládky již o dva roky dříve, kdy na zahradách rodinných domů v okolí skládky začaly usychat stromy a tráva, nicméně tyto jevy nebyly vyhodnoceny jako důsledek vyvěrání skládkového plynu. Po výbuchu bylo přistoupeno k pravidelnému měření koncentrací metanu v domech sousedících se skládkou a byla učiněna opatření k odvádění skládkového plynu pomocí horizontálních a vertikálních šachet ve skládce a jeho likvidaci spalováním. Naměřený vývin skládkového plynu s obsahem metanu 30 až 35 % činil 150 až 200 m³ za hodinu, což odpovídalo produkci 45 až 70 m³ metanu za hodinu [9].

V současné době jsou v České republice požadavky na odplyňovací systémy skládek řešeny normou ČSN 83 8034 Skládkování odpadů – Odplynění skládek, která stanovuje zásady pro navrhování, výstavbu, zkoušení a provoz souborů plynového zařízení povrchových skládek odpadů, v nichž se skládkový plyn tvoří.

Vlastnosti skládkového plynu

Skládkový plyn vzniká samovolně anaerobním rozkladem biologicky rozložitelného odpadu působením bakterií. Množství vznikajícího plynu a jeho složení závisí na složení odpadu, jeho stáří, vlhkosti a stupni zhutnění. Dále na pH vodného prostředí ve skládce, na rychlosti zavážení odpadů a dalších faktorech [3]. K tvorbě skládkového plynu dochází nejen v průběhu vlastního skládkování, ale i po dlouhou dobu po ukončení provozu skládky a její rekultivaci.

Hlavními složkami skládkového plynu jsou metan (CH₄) a oxid uhličitý (CO₂). Vedle těchto plynů obsahuje skládkový plyn ještě dusík a někdy velmi vysoké koncentrace sulfanu. Koncentrace dalších plynů jsou více než o jeden řád nižší [3].

V tabulce č. 1 je uvedeno typické složení skládkového plynu. Hodnoty odpovídají stabilizované metanogenní fázi, anaerobnímu prostředí a statickému stavu.

Tabulka 1: Typické složení skládkového plynu [3]
Komponenty		Typické hodnoty [% objemová]
Název	Značka	Typické hodnoty [% objemová]
Metan	CH₄	60 až 64
Oxid uhličitý	CO₂	30 až 36
Kyslík	O₂	0
Dusík	N₂	0 až 3
Vodík	H₂	0,0 až 0,05
Oxid uhelnatý	CO	0
Sulfan	H₂S	–
Oxid dusný	N₂O	0,0 až 0,2
Organicky vázané halogeny	–	–

Obrázek 1: Oblasti hořlavosti a výbušnosti směsí metanu se vzduchem a inertními plyny [3]

Měrná hmotnost skládkového plynu je silně závislá na procentuálním zastoupení jeho hlavních složek (CH₄ a CO₂) a v průběhu času se může měnit. V počátečních fázích rozkladu je vyšší než měrná hmotnost vzduchu v důsledku vysokého obsahu CO₂. V pozdější fázi metanogeneze se však pohybuje v rozmezí od 1,13 kg.m⁻³ do 1,25 kg.m⁻³, kdy je mírně lehčí než vzduch (1,29 kg.m⁻³) [3].

Výbušnost a zápalnost skládkového plynu závisí na obsahu metanu ve směsi s inertními plyny a vzduchem. Výbuch je možný tehdy, pokud se koncentrace metanu ve vzduchu pohybuje v rozmezí, které je definováno dolní a horní mezí výbušnosti. Pro metan ve směsi se vzduchem (při T = 20 °C a p = 101,3 kPa) uvádí norma [3] následující hodnoty mezí výbušnosti:

Dolní mez výbušnosti: 5 % obj.
Horní mez výbušnosti: 15 % obj.

Zápalná teplota metanu se vzduchem činí 540 °C [3]. Oblasti hoření a výbuchu jsou patrné z Coward-Jonesova diagramu (obrázek 1).

Odplynění skládek odpadů

Nutnost provedení technických opatření, zabraňujících poškození složek životního prostředí, ohrožení osob nebo poškození konstrukcí v důsledku úniku plynu musí být posouzena u skládek, které obsahují více než 10 % biologicky rozložitelné složky, kde výška uloženého odpadu je větší než 2,5 m a objem skládky je větší než 10 000 m³ [2].

Účelem odplynění skládky je odvádět vznikající plněn tak, aby bylo zabráněno jejich nekontrolovatelné migraci po okolí a aby bylo zabráněno možnému výbuchu nebo vznícení plynu na tělese skládky i v jeho okolí. Skládky, u nichž byl průzkumem prokázán vývin plynu, se podle intenzity tvorby plynu dělí do tří tříd (viz tabulka 2).

Tabulka 2: Zatřídění skládek z hlediska tvorby plynu [3]
Třída	Odplynění	Střední koncentrace CH₄ v hloubce 0,6 [% obj.]	Odplyňovací systém	Energetické využití plynu
I	není nutné	< 7,4	žádný	žádné
II	je nutné	7,4 až 35	pasivní	žádné
III	je nutné	> 35	pasivní nebo aktivní	podmíněně možné

Pro skládky třídy I není nutno navrhovat odplyňovací systém. Plyn, který je u těchto skládek tvořen ve velmi malém množství, odejde difuzí přes izolační bariéry.

Pro skládky třídy II musí být navržen pasivní odplyňovací systém. Skládkový plyn je odváděn vertikálními nebo horizontálními odplyňovacími drény, které tvoří svodné sítě a plyn je vlastním přetlakem kontrolovaně odváděn do zneškodňovací jednotky – biofiltru.

Pro skládky třídy III musí být navržen odplyňovací systém, který může být aktivní nebo pasivní. Odplyňovací systém pasivní u skládek třídy III je totožný jako třídy II. Aktivní odplyňovací systém je určen pro potřeby energetického využívání skládkového plynu nebo pro jeho nucené spalování. Volná ventilace plynu do atmosféry není přípustná. [3]

Nebezpečí výbuchu na skládkách odpadů

K prostorům, ve kterých lze očekávat výskyt výbušné atmosféry, patří zejména podzemní objekty skládky, jako jsou jímací studně plynu a čerpací stanice odpadních vod (viz obrázek č. 2). Dále jsou to regulační šachty, které jsou vybaveny armaturami pro regulaci sacího podtlaku a odběr vzorků plynu pro analýzu z jednotlivých studní a čerpací stanice plynu, ve kterých se nachází plynová čerpadla (ventilátory, dmýchadla), armatury, zabezpečovací, filtrační a odvodňovací zařízení.

Pro energetické využití skládkového plynu jsou využívány kogenerační jednotky, tvořené spalovacím motorem, generátorem, či kompresorem a příslušenstvím pro přívod, úpravu a regulaci tlaku plynu. Tyto kogenerační jednotky mohou být kontejnerového typu (viz obrázek č. 3), kdy vlastní kontejner je rozdělen na část čerpací se zařízením pro přívod, odlučování kondenzátu a regulaci skládkového plynu, motorovou část a část ovládací, ve které je zpravidla umístěn rozvaděč s prvky pro distribuci elektrické energie a ovládacími prvky kogenerační jednotky. S možným výskytem výbušné atmosféry je možno počítat zejména v části čerpací z důvodu výskytu velkého množství armatur, které zpravidla nejsou v trvale technicky těsném provedení ve smyslu přílohy B, ČSN EN 1127-1 ed.2 [4], tedy v provedení vylučujícím možnost výskytu výbušné atmosféry v jejich okolí. Dále je to prostor vyústění odfuku odvzdušňovacího potrubí, které je zpravidla umístěno na střeše kontejnerové kogenerační jednotky.

Obrázek 2: Čerpací stanice odpadních vod

Obrázek 3: Kontejnerová kogenerační jednotka

K výbuchu skládkového plynu může dojít v případě, přijde-li výbušná plynná atmosféra do styku s dostatečně účinným iniciačním zdrojem. Tím může být, mimo jiné, elektroinstalace v nevhodném provedení, elektrostatický výboj, práce s otevřeným ohněm, či s možností výskytu mechanických jisker, případně porušování zákazu kouření.

Základní bezpečnostní požadavky na skládky odpadů

Provedení staveb

V prostoru skládek a jejich okolí je nutno při stavbě zařízení a budov zohlednit možné nahromadění, či silné vyvěrání skládkového plynu ze stavebních objektů, jako jsou potrubní vedení a kabelové kanály, sběrače průsakových vod, jámy, šachty, studny, vrty a sondy úrovně hladiny podzemních vod, či vodní drenáže pod skládkou a v jejím okolí. Místa, která jsou ohrožená výbuchem, musí být vyznačena. Při návrhu jednotlivých objektů musí být určen druh prostředí pro elektrická zařízení dle ČSN 33 2000-5-51 ed.3 [5] a posouzena možnost vzniku výbušné atmosféry dle ČSN 60079-10-1, ed.2 [6], musí tedy být zpracován protokol o určení vnějších vlivů, který mimo jiné obsahuje také zařazení prostorů do příslušných zón s nebezpečím výbuchu.

Vzhledem k možné migraci plynu musí být u navrhovaných staveb na skládkách dodrženy následující zásady:

neprojektují se žádné podúrovňové části budov;
objekty se izolují od základové spáry dokonale ventilovaným meziprostorem;
nejnižší podlažní část objektu se provede nad ventilačním meziprostorem jako zcela plynotěsný prvek včetně plynotěsného uzavření všech prostupů inženýrských sítí;
prostor ventilační spáry i veškeré uzavřené objekty stavby nad terénem se vybaví detektory plynu a výstražným systémem;
prostory ohrožené výbuchem musí být účinně větratelné aktivně či pasivně;
veškerá elektrická zařízení ve výbuchem ohrožených prostorech musí být v provedení pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu.
k osvětlování smějí být používána jen svítidla v nevýbušném provedení, jejich spínače musí být rovněž v nevýbušném provedení, případně musí být umístěny mimo prostor s nebezpečím výbuchu;
podzemní i nadzemní technické prostory, ohrožené výbuchem, musí být opatřeny větracími otvory, větracími šachtami nebo mechanickými větráky tak, aby bylo dosaženo účinného větrání [3].

Průsakové vody ze skládek je nutno jímat do nepropustných bezodtokých jímek a následně zneškodňovat. Do jímky průsakových vod musí být přitom umožněn přístup pro obsluhu a kontrolu.

Bezpečnost a ochrana zdraví při práci

U skládek opadů s tvorbou skládkového plynu je vstup osob do jímek průsakových vod možný až po nuceném vyvětrání ventilačním zařízením a po analýze ovzduší v jímce [2].

Před vstupem do plynem ohrožených prostorů musí být provedeno měření stávající atmosféry přístroji v nevýbušném provedení. Pro povolení vstupu osob do uzavřených a polozavřených prostorů, ohrožených průnikem plynů, musí být splněná všechna kritéria, uvedená níže:

obsah kyslíku minimálně 19 % objemových;
obsah CO₂ maximálně 1,0 % objemové;
obsah CH₄ maximálně 0,5 % objemové
obsah H₂S maximálně 10 mg.m⁻³ [3].

Při překročení kteréhokoliv z těchto kritérií v průběhu práce osob se okamžitě musí zahájit evakuace pracoviště. Ve zvláště zdůvodněných případech je, za nepřetržité analýzy ovzduší, možná práce osob v dýchacích přístrojích. Pro práci v dýchacím přístroji platí následující kritéria:

obsah CH₄ maximálně 2 % objemová (40 % dolní meze výbušnosti)
obsah H₂S maximálně 100 mg.m⁻³ [3].

Určené práce v prostorech s nebezpečím výbuchu mohou být, po splnění podmínek pro vstup, provedeny na základě písemného povolení odpovědné osoby.

V případě, že v jednotlivých objektech skládky odpadů nelze vyloučit vznik výbušné atmosféry, je nutno, dle § 4 nařízení vlády č. 406/2004 Sb., zpracovat písemnou dokumentaci o ochraně před výbuchem. Tato dokumentace má sloužit především jako návod pro přijetí technických a organizačních opatření k zajištění ochrany před výbuchem.

Vypracovaná dokumentace o ochraně před výbuchem by měla obsahovat minimálně:

provedení identifikace nebezpečí a posouzení rizika výbuchu (provedení analýzy rizik),
provedení klasifikace prostorů s nebezpečím výbuchu do příslušných zón (jednotlivé zóny pro prostory s nebezpečím výbuchu hořlavých plynů jsou uvedeny v tabulce č. 3),
určení prostorů a zařízení, u kterých budou uplatňovány požadavky přílohy č. 2 nařízení vlády č. 406/2004 Sb. (jedná se o zařízení a ochranné systémy určené pro prostory s nebezpečím výbuchu, na které se vztahují požadavky nařízení vlády č. 116/2016 Sb. [8]),
přijetí preventivních ochranných opatření (technických a organizačních) pro zvýšení bezpečnosti a ochrany zdraví zaměstnanců vystavených riziku výbuchu.

Při změnách technologie, které mají vliv na zajištění bezpečnosti, musí být dokumentace o ochraně před výbuchem aktualizována [7].

Tabulka 3: Definice jednotlivých zón prostorů s nebezpečím výbuchu hořlavých plynů a par dle NV č. 406/2004 Sb. [7]
Zóna 0	Prostor, ve kterém je výbušná atmosféra tvořená směsí s hořlavými látkami ve formě plynu, páry nebo mlhy přítomna trvale nebo po dlouhou dobu nebo často.
Zóna 1	Prostor, ve kterém je občasný vznik výbušné atmosféry směsí vzduchu s hořlavými látkami ve formě plynu, páry nebo mlhy pravděpodobný.
Zóna 2	Prostor, ve kterém vznik výbušné atmosféry tvořené směsí vzduchu s hořlavými látkami ve formě plynu, páry nebo mlhy není pravděpodobný, a pokud výbušná atmosféra vznikne, bude přítomna pouze výjimečně a pouze po krátký časový úsek.

Poznatky z praktické činnosti

Obrázek 4: Elektroinstalace v prostředí s nebezpečím výbuchu v normálním provedení

Obrázek 5: Ventilátor systému odtahu vzduchu z jímky v normálním provedení

Mezi nejčastější nedostatky patří chybějící protokoly o určení vnějších vlivů dle ČSN 33 2000-5-51 ed.3, definující požadavky na provedení elektroinstalací v jednotlivých objektech skládky. Často se lze setkat i s případy, kdy protokol zpracovaný je, nicméně neobsahuje informace o zařazení jednotlivých prostorů s nebezpečím výbuchu do zón. Na obrázku č. 4 je zachyceno provedení elektroinstalace v prostoru jímky odpadních vod. V tomto prostoru lze očekávat výskyt výbušné atmosféry v důsledku možného vyvěrání metanu z odpadních vod. Prostor je trvale větrán pomocí ventilátorů pro přívod a odvod vzduchu. Na místě je zde zařazení vnitřního prostoru jímky odpadních vod a vnitřního prostoru potrubí pro odvod vzduchu z jímky, minimálně jako Zóna 2. Elektromotor (viz obrázek č. 4) a odtahový ventilátor systému nuceného odtahu vzduchu (viz obrázek č. 5) z jímky však není v provedení pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu.

Lze se setkat také s případy, kdy protokoly o určení vnějších vlivů obsahují zařazení prostorů do zón s nebezpečím výbuchu, pro jednotlivé objekty ohrožené vznikem výbušné atmosféry však není zpracována písemná dokumentace o ochraně před výbuchem. Práce, které by mohly být příčinou iniciace výbušné atmosféry, nejsou prováděny na základě písemného příkazu odpovědné osoby a prostory s nebezpečím výbuchu nejsou vhodně označeny.

Závěr

V případě, že jsou na skládkách odpadů ukládány materiály, které podléhají biologickému rozkladu, je nutno posoudit možnost vzniku výbušné atmosféry jak v objektech v areálu vlastní skládky, tak v objektech v okolí skládky, kde k výskytu výbušné atmosféry může dojít v důsledku migrace skládkového plynu. Objekty s možností výskytu skládkového plynu musí být na základě pravděpodobnosti výskytu výbušné atmosféry zařazeny do příslušných zón. Toto zařazení musí být uvedeno v protokolu o určení vnějších vlivů dle ČSN 33 2000-5-51 ed.3 a na něj navazující dokumentaci o ochraně před výbuchem dle NV č. 406/2004 Sb., obsahující vhodná technická a organizační opatření pro snížení rizika výbuchu.

V článku byly uvedeny základní požadavky pro snížení rizika výbuchu skládkového plynu, uvedené v ČSN 83 8034, mezi které patří vhodné provedení zařízení do prostorů s nebezpečím výbuchu, či vybavení prostorů systémy detekce hořlavých plynů. Neméně důležité je však také zavedení opatření organizačních, mezi které patří systém povolování prací v prostorech s nebezpečím výbuchu, pravidelné školení zaměstnanců a jejich vybavení vhodnými osobními ochrannými pracovními prostředky.

Použitá literatura

Ministerstvo životního prostředí: Souhrnná data o odpadovém hospodářství ČR v letech 2009–2015. Dokument dostupný na WWW https://www.mzp.cz/cz/souhrnna_data_2009_2017
ČSN 83 8030: Skládkování odpadů – Základní podmínky pro navrhování a výstavbu skládek (2018)
ČSN 83 8034: Skládkování odpadů – Odplynění skládek. Praha: Státní normalizační institut, 2018
ČSN EN 1127-1 ed.2.: Výbušná prostředí – Prevence a ochrana proti výbuchu – Část 1: Základní koncepce a metodika. Praha: Státní normalizační institut, 2012
ČSN 33 2000-5-51 ed.3: Elektrické instalace nízkého napětí -– Část 5-51: Výběr a stavba elektrických zařízení – Všeobecné předpisy. Praha: Státní normalizační institut, 2010.
ČSN EN 60079-10-1, ed.2: Výbušné atmosféry – Část 10-1: Určování nebezpečných prostorů – Výbušné plynné atmosféry. Praha: Státní normalizační institut, 2009.
Nařízení vlády č. 406/2004 Sb. o bližších požadavcích na zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci v prostředí s nebezpečím výbuchu. Sbírka zákonů 2004, částka 131.
Nařízení vlády č. 116/2016 Sb. o posuzování shody zařízení a ochranných systémů určených k použití v prostředí s nebezpečím výbuchu při jejich dodávání na trh. Sbírka zákonů 2016, částka 45.
Internetové stránky landfill-gas.com: Notorious Landfill Gas Explosions During the 1980s in the UK and the US [cit. 4. srpna 2017]. Článek dostupný z WWW https://landfill-gas.com/1980s-landfill-gas-explosions.html

English Synopsis

The Risk of Occurance and Accumulation of Flammable Gases during the Landfilling

In the introductory part of the article are described mechanisms of landfill gas formation and the analysis of its characteristic properties. The following is an analysis of possible gas accumulation and the balance of the possibility of a dangerous explosive atmosphere occurance.