Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твер

но медленнее. Фаза образования уксусной кислоты проходит наиболее медленно. Бактериям необходимо много дней для расщепления питательных веществ и тем самым удвоения своей массы. Среди метановых бактерий также есть несколько медленных видов, в первую очередь чистые культуры требуют для этого 3–5 дней. Все остальные расщепляют уксусную кислоту на метан на протяжении от нескольких часов до трех дней.

Быстрее всех работают кислотообразовывающие бактерии, производящие первые преобразования органики уже на протяжении от нескольких часов до 2 дней. В идеальном случае между фазами расщепления устанавливается динамическое равновесие в концентрации веществ, а именно – между поступлением питательных веществ и их расщеплением. Наиболее часто совершаемой ошибкой является перекармливание бактерий быстрорасщепляемым субстратом, что приводит к накоплению кислот из-за кислотообразующих бактерий. В связи с этим может наступить слишком резкое падение уровня рН, которого не переживут другие бактерии. Кроме того, избыточная концентрация выработанного вещества приводит к задержке роста вырабатывающей ее группы бактерий.

Динамическое равновесие также определяется легкостью расщепления субстрата. Сахар и крахмал, например, через свою простую структуру расщепляются очень быстро и требуют лишь короткого времени пребывания в ферментаторе. Чем сложнее структура субстрата, тем дольше длится расщепление. Целлюлоза и гемицеллюлоза имеют широко разветвленную структуру и разлагаются медленно. Лигнин – одеревеневшее вещество у растений, количество которого увеличивается с возрастом растения, – разлагается бактериями очень плохо, поскольку он проявляет стойкость даже к кислотам [206].

Процесс образования биогаза на полигоне захоронения твердых бытовых отходов может длиться десятки и сотни лет, но фаза, в которой он усиленно образуется, ограничивается 10–30 годами. Период стабилизации газовыделения наступает после двухлетней выдержки отходов в толще полигона [145].

2.1.3.Движение биогаза в теле полигона и его выделение

вокружающую среду

Сложившаяся практика складирования отходов обусловливает неравномерность распределения очагов генерации биогаза как по площади, так и по высоте. Толща свалочных отложений по вертикали делится на несколько зон, отличающихся по физико-химическим условиям и характеру микробиологических процессов (сверху вниз): аэробную (глубина 0–1,5 м) и анаэробную (1,5–20 м и глубже). Награнице анаэробной иаэробной зонрасполагается переходная подзона [145].

Ванаэробной зоне генерируется биогаз, который мигрирует вверх по разрезу.

Впереходной зоне в микроанаэробных условиях протекают процессы неполного окисления восстановленных компонентов биогаза.

141

В аэробной зоне происходит частичное окисление компонентов биогаза. Зона является биохимическим барьером на пути проникновения атмосферного кислорода в нижние слои и газообразных, легколетучих компонентов биогаза в атмосферу («окислительный биофильтр»). Также в этой зоне окисляются попавшие на свалку отходы до СО2, Н2О, NO3 и т.д. По мере погружения под слой новых отходов и уплотнения газообмен с атмосферой ухудшается. Запасы кислорода уменьшаются и устанавливаются анаэробные условия. Наиболее часто максимальная метаногенная активность наблюдается в верхнем слое анаэроб-

ной зоны (рис. 2.3) [161].

Интенсивность генерации биогаза различна не только по высоте, но и по площади свалок. Активные метаногенерирующие зоны могут находиться в разных местах свалочного тела, в зависимости от возраста тех или иных участков.

Рис. 2.3. Вертикальное распределение микробиологических процессов в толще свалки [161] (ОВ – органические вещества, ЛОВ – летучие органические вещества)

142

Существуют следующие физические явления, обусловливающие перемещение биогаза внутри свалки: градиент давления от точки образования, молекулярная диффузия, изменение атмосферного давления, изменение почвенного давления из-за флуктуации грунтовой воды.

Как правило, градиент давления и молекулярная диффузия – основные причины перемещения биогаза [151]. Образующийся газ создает избыточное давление внутри свалочного тела, которое способствует перемещению газа сквозь любые трещины, щели и прочие слабые места в геологических структурах. Градиент давления возникает из-за разности в температуре воздуха днем и ночью, а также изменения барометрического давления (рис. 2.3).

Распространение биогаза может обусловливаться эффузионными, конвекционными или диффузионными процессами. Повышенное давление газа, обычно наблюдаемое в теле полигона, позволяет газу бесконтрольно истекать за пределы площадки в районы с более низким давлением – в результате конвективного газового переноса. Кроме того, газы с более высокой концентрацией CН4 и СО2 могут диффундировать в области, где их концентрации ниже.

Кроме сооружений, находящихся на полигоне, подвергаться воздействию газа, служить проводниками или накопителями газа могут следующие объекты: заполненные гравием или камнем траншеи (например, закрытый дренаж); подземные трубопроводы или коммуникации; подземные колодцы, погреба и зоны расположения фундаментов; высокопроницаемые слои грунта [162]. Эта миграция носит пассивный характер, так как возникает под действием неуправляемых процессов. В зависимости от типа покрытия захоронения и степени уплотнения основания полигона миграцию биогаза можно разделить на вертикальную игоризонтальную.

Горизонтальная миграция возникает при слабопроницаемом (синтетическом) покрытии и неуплотненном основании полигона (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Горизонтальная миграция газа в теле полигона

143

Вертикальная миграция бывает, наоборот, при хорошо уплотненном основании полигона и высокопроницаемом покрытии (рис. 2.5).

Нужно учитывать, что вследствие усадки на границе слоев образуются трещины и разрывы, которые приводят к неконтролируемому движению биогаза. Контроль за распространением биогаза возможен с помощью специально организованных систем мониторинга биогаза.

Рис. 2.5. Вертикальная миграция газа в теле полигона

При удалении от тела свалки эмиссии уменьшаются. Максимальное расстояние от тела полигона, на которое может удалиться биогаз в зернистом грунте, составляет [153]:

где D – расстояние, на которое удаляется биогаз, м; Н – глубина отходов, м. На перемещение биогаза в наибольшей степени влияют: пористость грунта

(чем больше объем пор, тем больше эмиссия газа и его распространение); влагосодержание (рыхлый грунт с незначительным влагосодержанием способствует выделению газа, и наоборот, плотный влажный – препятствует), состав отходов, конструкция полигона.

Барьерами миграции могут служить глубокий снег, водонасыщенные грунты, грунтовые воды, канавы, наполненные водой, в окрестностях полигона

ина полигоне, естественный плотный слой грунта.

Взависимости от расстояния, на которое продольно перемещается биогаз в результате конвекционных и диффузионных процессов сквозь разломы и неровности свалочной и грунтовой толщи, необходимо размещать полигоны на безопасном расстоянии от жилой застройки с целью предотвращения накопления биогаза в подпольях зданий и сооружений.

144

В связи со способностью биогаза удаляться на значительное расстояние, которое пропорционально глубине накопленных отходов, при проектировании полигона необходимо предусматривать санитарно-защитную зону [145].

Согласно требованиям СанПин 2.2.1/2.1.1.1200–03 [163] « Санитарно-защит- ные зоны и классификация предприятий, сооружений и иных объектов» санитар- но-защитная зона для усовершенствованных свалок составляет 1000 м, для полигонов и участков компостирования ТБО – 500 м.

Размер санитарно-защитной зоны уточняется при расчете газообразных выбросов в атмосферу.

2.1.4. Факторы, влияющие на образование биогаза

На образование биогаза влияет ряд биотических и абиотических факторов. К важнейшим из них можно отнести атмосферные явления, морфологический состав отходов, рН, плотность отходов, температуру, возраст тела полигона, уровень грунтовых вод. Биогаз является продуктом анаэробного разложения органических составляющих отходов.

Содержание в ТБО пищевых отходов, растительных остатков, бумаги, текстиля, древесины и других органических фракций определяет количество образующегося биогаза и концентрацию в нем метана. Удельный вес органики в составе ТБО определяет также и количество питательных микроэлементов, требующихся для метанобразующих бактерий. Со временем в результате разложения сначала быстроразлагаемых, затем средне- и медленноразлагаемых отходов количество питательногосубстрата уменьшаетсяипроцесс метаногенеза постепенно затухает.

Ниже рассмотрены основные факторы, влияющие на интенсивность образования биогаза, а также на его качественный состав.

Атмосферные условия. Важным фактором, оказывающим влияние на эмиссию биогаза, являются атмосферные условия. Атмосферное давление оказывает существенное влияние как на поверхностные слои отходов, так и на отходы в толще полигона. Ветер уменьшает концентрацию газов над поверхностью и тем самым влияет на давление внутри массива отходов.

Атмосферные осадки способствуют переносу в глубокие слои растворенного кислорода и питательных веществ, необходимых для жизнедеятельности бактерий. В то же время вода способна экстрагировать из отходов некоторые органические вещества и металлы, которые являются ингибиторами процесса образования биогаза. Замечено, что после обильных дождей количество образуемого на полигонах биогаза увеличивается. Однако иногда большое количество осадков может привести к затоплению некоторых участков полигона, что затрудняет выход свалочного газа.

145

В исследованиях, проведенных US EPA, была получена корреляция между уровнем биогаза и годовым количеством осадков, основанная на данных 12 «влажных» полигонов (годовое количество осадков – более 580 мм) и 8 полигонов, расположенных в зоне с годовым количеством осадков менее 580 мм. Эмиссия биогаза с«влажных» полигонов былав 2,6 раза больше, чем с«сухих» [146].

Практика свидетельствует, что процессы разложения будут проходить медленно на современных полигонах с плотным покрытием, попадание воды в которые затруднено, и, наоборот, отходы на свалках и полигонах, имеющих проницаемое покрытие в виде засыпки, будут разлагаться интенсивнее, особенно врайонах свысоким годовым количеством осадков.

Для минимизации воздействия атмосферных явлений в современной практике используют геомембранные покрытия.

Морфологический состав отходов. Источником биогаза являются биоразлагаемые (органические) фракции отходов (пищевые отходы, садово-парковые, бумага, древесина, некоторые виды текстиля), составляющие в среднем 60–80 % массы ТБО [145]. Морфологический состав ТБО характеризуется такими основными компонентами, как бумага, пищевые отходы, дерево, металл, текстиль, кости, стекло, резина, кожа, пластмасса и др. Существенная часть фракций ТБО повсеместно представлена различными органическими материалами. Основными группами среди них являются пищевые остатки и бумага. Их соотношение меняется в зависимости от уровня развития страны, ее географического положения

икультурных особенностей [147].

Впоследние годы в ТБО увеличивается доля макулатуры, полимерных материалов, что значительно ухудшает процесс биодеградации.

Всвою очередь, биоразлагаемые фракции отходов по скорости разложения можно разделить на три группы: быстроразлагаемые, средне- и медленноразлагаемые. Длительность разложения, или время, необходимое для полной минерализации ТБО, зависит от условий ферментации. В научной литературе приводятся самые различные данные: большинство авторов считают, что этот процесс длится 20 лет. Findikakis приводит данные о том, что тот процесс завершается через 12 лет [149]. Marticorena сообщает, что отходы, взятые на полигоне V. с глубины 25 м, были полностью минерализованы после 6 лет разложения, тогда как пробы с полигона F. с той же глубины показали лишь легкое разложение по-

сле 10–15 лет [150].

Наиболее полный эксперимент по определению степени разложения отходов был поставлен Barlaz [151]. Впоследствии этот подход был развит Tchobanoglous и Chandler [152], которые определили фактор биоразложения для различных типов отходов Bf, исходя из содержания в них лигнина Lc как наименее разлагаемого компонента:

146

Значение этого фактора указано в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Время полураспада и фактор биоразложения отходов различных типов

Для других компонентов отходов, не вошедших в таблицу, принимается значение фактора 0,83. Однако надо полагать, что для резины, кожи, пластика, текстиля его значение должно быть ниже, чем для пищевых и садовых отходов, а инертные фракции вообще не должны приниматься во внимание [194]. Существует тенденция к снижению количества легкоразлагаемых отходов, поступающих на захоронение, что приводит к уменьшению объема образуемого биогаза. Однако совсем отказаться от захоронения таких отходов нельзя, поскольку это может привести к потере питательной среды для бактерий и полному торможению метаногенеза.

Наличие питательных веществ. Важную роль в процессе газообразования играет наличие питательных веществ для микроорганизмов, участвующих в биоразложении отходов. Необходимым условием жизнедеятельности микроорганизмов является наличие таких макрокомпонентов, как углерод, водород, кислород, азот и фосфор. В меньших количествах микроорганизмам необходимы микрокомпоненты – натрий, калий, сера, магний. Наиболее оптимально соотношение углерода (органического), азота и фосфора – 100 : 3,2 : 1,1. Нарушение этого соотношения тормозит процесс метаногенеза. Подавлению метаногенеза может способствовать наличие кислорода в больших концентрациях. Кроме того, ингибирующее действие могут оказывать летучие кислоты, соли тяжелых металлов, сульфидов, специфических органических веществ. Многие вещества в малых концентрациях являются стимуляторами метаногенеза, а в больших – ингибиторами (углекислый калий, натрий, кальций, аммоний) [152].

Реакция среды. Метаногенерирующие бактерии чувствительны к реакции среды и наиболее эффективно работают в диапазоне рН = 6…8. В условиях кислой реакции среды процесс метанообразования может быть подавлен и продуктами биоразложения будут масляная и пропионовая кислоты.

147

Но растворенные в воде щелочные компоненты обеспечивают буферность системы, поддерживая необходимый уровень рН и нейтрализуя органические кислоты [145].

Влажность ТБО. Влажность отходов является важнейшим параметром, определяющим скорость и степень их разложения (рис. 2.6).

Микроорганизмы могут усваивать необходимые им питательные вещества только в виде водных растворов. Недостаточная влажность приводит к гибели микробов, так как останавливается обмен веществ между ними и окружающей средой. Вода выполняет роль транспорта, перемещает питательные вещества, распределяет микрофлору, разбавляет ингибиторы. При содержании влаги в биоразлагаемых отходах менее 20 % активность анаэробных процессов значительно снижается. Оптимальное для метаногенеза значение влажности составляет 55–80 %. Но на практике отходы защищают от воздействия влаги, чтобы уменьшить образование фильтрата, поэтому содержание влаги в ТБО достигает 50–60 %. На городских свалках влагосодержание считается высоким, если составляет 30–40 %, низким – 15–20 % и нормальным – 25 %.

Рис. 2.6. Зависимость образования биогаза от влажности

При налаженных системах сбора и отвода фильтрата, а также при наличии системы рециклинга фильтрата становится возможным управление влажностью на полигонах [145].

Температура внутри тела полигона. Изменение температуры внутри те-

ла полигона зависит от ряда факторов: глубины и плотности складированных отходов, температуры окружающей среды, интенсивности протекающих процессов, количества влаги в отходах, климатических условий. Понижение температуры наружного воздуха подавляет биологическую активность в верхних слоях полигона, уменьшая общий объем газовыделения. При температурах ниже

148

10–15 ° С образование метана резко снижается. Установлено, что наиболее продуктивные с точки зрения газообразования полигоны находятся в теплых климатических районах. В более глубоких слоях понижение температуры наружного воздуха компенсируется теплом, вырабатываемым в процессе жизнедеятельности бактерий. В глубоких слоях полигона температура постоянна в пределах 30–35 ° С, здесь образуется наибольшее количество биогаза, поскольку анаэробные процессы более полно протекают при температуре 25–40 ° С. Максимальная температура, при которой образование биогаза прекращается, составляет 60 ° С [153] (рис. 2.7).

Мезофильная группа метанобразующих бактерий активно работает при температуре около 40 ° С, а термофильная – около 70 ° С. При повышении температуры от 20 до 30–40 ° С в лабораторных условиях было установлено, что скорость метаногенеза возрастает в 100 раз. Рост температуры внутри рабочего тела полигона не связан с колебаниями наружного воздуха и примерно одинаков на глубине 2–4 м. При температурах наружного воздуха от 1–3 ° С зимой и 17–19 ° С летом в теле полигона на глубине 2–4 м температура в течение трех лет наблюдений постепенно возрастала до 30–40 ° С [154].

Рис. 2.7. Влияние температуры наинтенсивность образования метана

Зависимость между температурой и степенью разложения органического углерода определяется соотношением [145]

где С0 – начальное содержание органического углерода; Сг – количество органического углерода, перешедшего в биогаз.

149

Уровень грунтовых вод. На объемы образования биогаза влияют геологические и гидрогеологические условия, в частности сезонные колебания уровня грунтовых вод. Основание полигона всегда проектируется выше уровня грунтовых вод. Если сезонные колебания уровня грунтовых вод достигают экрана полигона, то изменение гидравлического давления может вызвать следующие негативные явления: нарушение системы трубопроводов, прорыв труб, утечку фильтрата, который загрязняет грунтовые воды; замедление циркуляции воздуха в отходах; прекращение биологической активности вследствие изменения состава воды (уменьшение содержания кислорода или попадание фильтрата) [151].

Возраст отходов. Процесс разложения отходов во времени проходит ряд стадий, каждая из которых характеризуется определенным уровнем выхода биогаза. Обычно выделяют следующие пять фаз разложения:

1)аэробное разложение (10–15 дней);

2)анаэробное разложение без выделения метана (кислое брожение);

3)анаэробное разложение с непостоянным выделением метана (смешанное брожение – 180–500 дней);

4)анаэробное разложение с постоянным выделением метана (10–30 лет);

5)затухание анаэробных процессов (рис. 2.8, 2.9) [145].

Рис. 2.8. Фазы процессов, происходящих в теле полигона (ХПК – химическое потребление кислорода, ЛЖК – летучие жирные кислоты; объем газа указан в объемных процентах)

150