книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов

где: С, —концентрация i-ro компонента; G. —уровень гене­ рации i-ro компонента, прошедшего через толщу отходов с водным потоком q к основанию полигона площадью за время Tb; pCTJ —вероятность времени движения загрязни­ теля от точки образования до основания, полигона; erf — функция стандартной ошибки; ц —логарифмическая ско­ рость вертикального гидравлического потока; ст —стандар­ тное отклонение.

3.5. Модели переноса свалочных газов

Модели переноса используются в настоящее время для расчета параметров систем дегазации. В основу этих моде­ лей положен фундаментальный физический процесс пере­ носа потока газа через пористую среду, вызванный гради­ ентом давления. При этом принимается, что модельное свалочное тело является гомогенной средой.

Модель переноса, разработанная Lang (1989), определя­ ет уровень газовой генерации как функцию времени [15]. В ходе экспериментальной проверки разработанных урав­ нений он установил, что на мелких полигонах большой площади путь наименьшего сопротивления газовому пото­ ку направлен вверх даже с глиняным покрытием полиго­ на. Сорбция газов в засыпке приводит к нарушению про­ цесса переноса к поверхности. Lang показал, что массовый баланс элементарного объема газа в полигоне описывается уравнением:

где: р - плотность газа, кг/м3; t - время, с; V - объемная скорость, м/с; G —уровень газообразования, кг/м3 • с;

После ряда преобразований по закону идеальных газов и закону Дарси уравнение движения газа по Lang прини­ мает вид:

где: М —атомная масса биогаза (СН4+С02), кг/кг*моль; R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль* К; Т - температура газа, °К; д - вязкость газа, кг/м*с;

где: Q —расход газа, м3/ч; d —внутренний диаметр газопро­ вода, см; v —коэффициент кинематической вязкости, м3/с.

Это означает, что закон Дарси применим только к очень медленному перемещению воды или газа. Максимальная скорость газа (V) при соблюдении ламинарного режима составляет 0,3 см/с. В условиях активной дегазации поток биогаза рассчитывается как турбулентный (число Рейноль­ дса - более 4000).

Использование теоретических моделей, основанных на законе Дарси, требует оценки таких параметров, как гид­ равлическое сопротивление, газопроницаемость слоя отхо­ дов, текущий уровень газообразования, статическое давле­ ние в скважине, вязкость биогаза, радиус трубы, радиус влияния буровой скважины.

Гидравлическое сопротивление слоя отходов может силь­ но изменяться даже в пределах одного полигона. Обычно оно находится в интервале от 10‘7 до 1012 см2.

Газопроницаемость может быть измерена, принята по физическим характеристикам свалочного грунта или рас­ считана по формуле [15]:

Я ,-Л 3. 1 п М г ) - ц - р - е - £ .

(3.14)

' М-(Р2+Py){lVD!L) ’

где: k —проницаемость слоя отходов (см2); Pt —давление в теле полигона (Па/м2); Ру —давление в скважине (Па/м2); R - радиус влияния, (м); г —радиус буровой скважины (м); ц - вязкость биогаза (Па/с); D — плотность среды (кг/м3); Q - уровень газообразования (м3/с); Е — эффек­ тивность системы сбора (1 —100 %); М - емкость полиго­ на (кг); WD - длина экрана скважины (м); L - глубина полигона ТБО (м).

Применение этих уравнений возможно только при ус­ ловии, что уровень газообразования Q, или метановый по­ тенциал, известен, то есть либо измерен, либо определен теоретически с помощью моделей биоразложения.

3.6. Метод расчета эмиссий

Все перечисленные методы расчета газообразования до­ вольно сложны и требуют определенного качества и коли­ чества исходных данных. Их общим недостатком являет­

ся использование большого числа зависимых параметров, которые не могут быть должным образом определены или измерены. С практической точки зрения сомнительно, что вся требуемая информация будет когда-нибудь суще­ ствовать.

Зачастую известно лишь общее количество склади­ руемых отходов и их поступление на полигон за пос­ ледние несколько лет. Это влияет на точность прогно­ зирования и усложняет практическое применение мо­ делирования.

Так как характеристики отходов и условия работы по­ лигона существенно варьируют в различных регионах, ско­ рость выделения свалочного газа и его состав колеблются в широком диапазоне. Тем не менее, можно систематизи­ ровать основные требования к моделированию процессов метаногенеза.

Для прогноза эмиссий биогаза с российских полигонов параметры моделей должны учитывать их характерные особенности: отсутствие учета длительности воздействия складированных отходов на окружающую среду; отсутствие предварительной подготовки отходов перед захоронением; отсутствие системы дегазации; применение земляной за­ сыпки в качестве защитного покрытия; отсутствие изоли­ рующей пересыпки складируемых слоев отходов.

Поэтому моделирование должно рассматриваться, с од­ ной стороны, в качестве приблизительного индикатора ожидаемых тенденций образования биогаза [1], с другой - использоваться шире и более гибко, в зависимости от по­ ставленных задач. Идеальной была бы модель, которая позволяла бы решать практические задачи в реальные сро­ ки и при минимуме исходных данных. На данном этапе исследований разработать универсальную модель невоз­ можно, однако при наличии определенных исходных дан­ ных и методов расчета эмиссий, применяемых в практи­ ке проектирования полигонов, можно адаптировать су­ ществующие модели в соответствии с поставленными задачами для закрытых, эксплуатируемых и проектируе­ мых полигонов в зависимости от их емкости и специфи­ ческих особенностей.

На основе проведенного анализа можно сформулиро­ вать основные принципы разработки модели прогноза об-

разования биогаза на полигоне ТБО, с тем чтобы она стала надежным инструментом управления метаногенезом.

Модель должна отвечать некоторым общим требовани­ ям:

а) соответствовать поставленной задаче (оценка глобаль­ ных эмиссий или локальных воздействий);

б) соответствовать типу полигона (свалка или санитар­ ный полигон) и этапу его жизненного цикла (рекультиви­ руемый или действующий);

в) учитывать наиболее важные факторы, влияющие на эмиссию метана;

г) быть удобной для проектировщика и пользователя и не содержать большого количества эмпирически опреде­ ляемых констант;

д) давать результаты, достаточные для принятия прак­ тических решений.

Скорость и полнота протекания процессов биодеструк­ ции отходов зависят, главным образом, от их морфологи­ ческого, химического состава, климато-географических условий, стадии жизненного цикла полигона.

Источником биогаза являются биоразлагаемые фракции отходов, составляющие в среднем 60 —80% от массы ТБО, к которым относятся пищевые отходы, садово-парковые, бумага, древесина, некоторые виды текстиля.

^ Наиболее важной стадией, лимитирующей общую ско­ рость разложения органических веществ в теле полигона, является разложение целлюлозы. Считается, что 71—77% целлюлозы разлагается на последних этапах жизненного цикла полигона. Поэтому общее время разложения отхо­ дов определяется временем распада средне- и медленноразлагаемых фракций.

Факторами, которые целесообразно учитывать в прогно­ зах образования биогаза, являются влажность отходов и их морфология. Температуру в теле полигона и рН-среды можно рассматривать в оптимальных для метаногенеза диапазонах значений и не принимать во внимание их ко­ лебания, так как они всегда приводят к торможению или прекращению процесса. Таким образом, целесообразно, моделируя процесс, принять следующие допущения.

1. Температура и pH среды рассматриваются в диапазо­ не значений, оптимальных для метаногенеза.

2.Содержание метана в биогазе «оставляет 50% [24, 37].

3.Активная фаза метаногенеза наступеет через два года после формирования анаэробных условий.

4.При деградации отходов 1% от общего содержания биоразлагаемого углерода переходит в фильтрат.

5.Процесс разлож ения отходов подчиняется кине­ тическому уравнению первого порядка (3.3). Констан­ та скорости разлож ения к определяется по времени полураспада основных фракций отходов и их влаж ­ ности.

Величина константы разложения к может быть рассчи­ тана следующим образом.

Время полураспада —это время, за которое начальная концентрация С0 уменьшается наполовину, т.е.

В результате интегрирования кинетического уравнения первого порядка (3.3) получаем уравнение:

При С = У2С0 константа разложения определяется по формуле:

^ _ In2 _ 0,69

(3.18)

Т V *V

где т0 5 —время полураспада компонента.

Время полураспада для разных типов отходов зависит в первую очередь от влажности поступающих на захороне­ ние отходов и годового количества осадков, присущих ме­

стности, где расположен полигон. Значения периода полу­ распада и константы разложения для разных условий по­ казаны в табл. 2.2.

л Наиболее важной стадией, лимитирующей общую ско­ рость разложения органических' веществ в теле полигона, является разложение целлюлозы. Считается, что 71—77% целлюлозы разлагается на последних этапах жизненного цикла полигона и образует 90% общего количества метана [10, 11]. Поэтому общее время разложения отходов опре­ деляется временем распада средне- и медленноразлагаемых фракций, и величину константы скорости разложения можно принять как среднее для этих фракций значение, пренебрегая значением для быстроразлагаемых фракций: k = 0,072 для районов с годовым количеством осадков бо­ лее 650 мм (влажные условия), k = 0,037 для районов с годо­ вым количеством осадков менее 650 мм (сухие условия).

Принимая указанные допущения, можно считать, что величина эмиссии биогаза будет определяться количеством и морфологическим составом отходов, их влажностью. Изменение этих параметров можно выразить через вели­ чину метанового потенциала отходов, определенного с уче­ том коэффициента биоразложения. Максимальное коли­ чество биогаза, которое может выделиться из одной тон­ ны отходов, определяется стехиометрически. Однако реальное газообразование значительно меньше. Точность прогнозирования будет зависеть от того, как определен метацовый потенциал отходов. Экспериментально обосно­ ванную максимально возможную в реальных условиях степень разложения отходов —фактор биоразложения BF различных органических отходов - можно определить по таблице 2.2.

Таким образом, для моделирования эмиссий метана пользователю в качестве исходных достаточно определить следующие параметры: морфологический и химический состав биоразлагаемой части ТБО; зольность отходов А (доля ед.); влажность w (доля ед.); коэффициент биоразложения отходов на стадии полного метаногенеза Bf (доля ед.).

Первоначально на основе морфологического состава ТБО рассчитывается метановый потенциал Loi (нм3/т сухих от­ ходов) для каждой фракции отходов, с учетом коэффици­ ента биоразложения BF и зольности А, по формуле (3.19):

где пс —число киломолей углерода, содержащееся в 1 тон­ не фракции; р. —молярная масса фракции, кг/кмоль (табл. 2).

После соответствующих преобразований формула при­ нимает вид:

где xt —доли биоразлагаемых фракций.

Количество метана Q (нм8), выделившееся за время t, можно определить следующим образом:

Мс —масса сухих отходов (в тоннах), которую удобнее выразить через массу влажных отходов, Мчл, поступаю­ щих на полигон:

где w - влажность отходов, поступающих на полигон, доли ед. Интегрируя, а затем логарифмируя это уравнение, по­

лучаем объем выделившегося метана (нм3):

Дифференцируя уравнение (3.21), можно определить скорость образования метана (в нм3) в год:

где xz —время, необходимое для установления анаэробных условий.