книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов

Формулу (3.25) можно использовать для расчета эмис­ сий метана (биогаза) на различных этапах жизненного цикла полигона.

Для действующего полигона необходимо учитывать сред­ негодовое накопление массы отходов Мсг. В этом случае Мм рассчитывается так:

Мвл = Мсгт г,

где т, - расчетный год эксплуатации полигона.

Формула (3.25) принимает вид:

На этапе рекультивации полигона масса отходов прини­ мается постоянной и равной общей массе на момент зак­ рытия Мт. Расчет ведется по формуле (3.25).

Особенностью захоронений ТБО в России является горе­ ние складированных отходов, так как происходит ряд эк­ зотермических реакций, приводящих к саморазогреву. При наличии кислорода в пограничных зонах, объем которых может быть достаточно большим, и метана, мигрирующе­ го в теле полигона, происходит самовозгорание, приводя­ щее к пожарам. На большинстве эксплуатируемых свалок горение происходит круглый год в течение многих лет. В результате часть отходов, а следовательно и органического углерода, выгорает. Поэтому в расчетах целесообразно при­ нимать это явление во внимание и уменьшать массу отхо­ дов на величину сгоревших, которую можно определить, пользуясь действующими Временными рекомендациями по расчету выброса вредных веществ в атмосферу в результа­ те сгорания на полигонах твердых бытовых отходов [38].

Решение системы уравнений (3.24) и (3.11) позволяет производить расчет систем дегазации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Проектирование и эксплуатация полигонов для захороне­ ния твердых бытовых отходов в странах с переходной экономи­ кой / Рабочие материалы. Доклад ЕРА на II Конгрессе по управ­ лению отходами. - М.: Вэйсттэк, 2001. 207 с.

2.Вайсман Я. И., Коротаев В. Н., Петров В. Ю. Управление отходами. Захоронение твердых бытовых отходов. - Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2001. 103 с.

3.Разнощик В. В. Проектирование и эксплуатация полиго­ нов для ТБО. - М., 1981.

4.Горбатюк О. В., Минько О. И., Лифшиц А. Б. Ферментеры геологического масштаба / Природа, 1989, № 9. С. 71—79.

5.Проскуряков А. Ф. Методы обезвреживания свалочных грунтов, фильтрата, биогаза. - М., 1993.

6.Ножевникова А. Н., Лебедев В. С., Заварзин Г. А., Ива­ нов Д. В., Некрасова В. К., Лифшиц А. Б. Образование, окисле­ ние и эмиссия биогаза на объектах захоронения бытовых отходов / Журнал общей биологии, 1995, т. 54, №2. С. 167—181.

7.Ножевникова А. Н. Мусорные залежи —«метановые бомбы планеты» / Природа, 1995. С. 25-34.

8.Ножевникова А. Н., Елютина Н. Ю., Некрасова В. К., Труфманова Е. П. Образование метана микрофлорой грунта по­ лигона твердых бытовых отходов / Микробиология, 1989, т. 58, вып. 5. С. 859-863.

9.Ham R.R. Sanitary landfill, state of the art / Second landfill symposium. - Sardinia, PortoConte,1989.

10.Ham R. R., Barlaz M. A. Measurement and prediction of landfill gas quality and quantity / ISWA International sanitary landfill symposium. Cagliari, 1987. P. VIII-1 —УП1-23.

11.Ehrig H.J. Prediction of gas production from laboratory scale tests / Proceedings Sardinia 91, Third international landfill symposium. - Cagliari, CISA publisher, 1991. Vol.l. P. 87-114.

12.Tchobanoglous G., Theisenh, Eliassen R. Solid waste. - Me. Grow-ffill, New Iork, 1977.

13.Christensen T., Kjeldsen P. Basic biochemical processes in L andfills. S anitary landfilling, Process, Technology and environmental impart. - London: Academic press, 1994.

14.Seigner C., Coughlin P., Robert E., Newburger H. Perceptions of Landfill Operations Held by Nearby Residents. - Philadelphia, Pennsylvania: Regional Science Research Institute, 1973.

15.Lang R. J., Stallard W. M., Chang D. P., Tchobanoglous G. 6 all. Movement of gases in municipal solid waste Landfills /

R eport C alifornia W aste management Board. - US EPA, 1989.

16.El-Fadel M., Findikakis A. N., Leckie J. O. A Numerical model for methane production in manage sanitary landfills / Waste management & Research, 1989, №7. P. 31-42.

17.El-Fadel M., Massoud M. Comparative assessment of methodologies for methane emissions estimation from MSW landfills / 7 International waste management and landfill symposium. Sardinia, 1999.Vol. IV. P. 63-70.

systems / Environmental impact, aftercare and remediation of landfills / / 7 International waste management and landfill symposium. - Sardinia, 1999. Vol. II. P. 449—456.

34.Deponiegas NiederOsterreich. Gefahrdungs und Nutzungpotential allgemeine grundlagen. Teil 1. - Amt der NO Landcsregierung, 1991.

35.Deponiegas NiederOsterreich. Deponieuntersuchungen Gashaushalt. Teil 2. - Amt der NO Landesregierung, 1991.

36..Marticorena B., Attai A., Camacho P., Manem G., Hesnault D., Salmon P. Prediction rules for biogas valorization in municipal solid Waste landfills / Wat. Sci. Tech., 1993. V.27, №2. P. 235241.

37.Municipal Solid Waste Landfills. Volume 1: Summary of the Requirements, for the New Source Performance Standards and Emission Guidelines for Municipal Solid Waste Landfills. - US EPA, 1996.

38.Временные рекомендации по расчету выброса вредных ве­ ществ в атмосферу в результате сгорания на полигонах твердых бытовых отходов и размеров предъявляемого иска за загрязне­ ние атмосферного воздуха. - Минэкологии РФ, 1992.

точность оценки ± 15...20%, особенно для малых полиго­ нов. Во-вторых, модель основана на данных, полученных при рекуперации выделившегося метана, которые по от­ ношению к метанообразованию являются косвенными. Поэтому такой способ расчета может использоваться лишь для приблизительных оценок общей эмиссии метана с по­ лигонов в масштабе региона.

Альтернативной моделью расчета является модель рас­ чета воздушных эмиссий полигона (Landfill Air Emissions Estimation Model) [1]. Она базируется на уравнении перво­

метана; t —текущий год; с —время, прошедшее с момента закрытия полигона (для действующих полигонов с=0); к —константа скорости распада 1-го порядка (1/год).

US ЕРА рекомендует принимать L0= 170 м3/т; к = 0,04 при уровне осадков более 635 мм, к = 0,02 —при уровне осадков менее 635 мм.

Модель LandGEM разработана в виде программного про­ дукта на основе уравнения (4.6) и позволяет определить общий объем метана, выделяемого тонной ТБО в момент

на площадке, т; L0 —потенциал генерации метана, м3/т; t —время от начала размещения отходов, годы; tt —время между размещением отходов и началом регенерации био­ газа, годы; k —константа скорости распада 1-го порядка, го д 1; s - фазовая константа увеличения скорости распада первого порядка, год1.

С помощью этой модели можно рассчитать величину максимальных ожидаемых эмиссий биогаза (по парамет­ рам Clean Air Act, 1990 (САА): k = 0,05 год-1; Lo= 100 м3/т) и так называемых типичных эмиссий (параметры Air

Pollution Emission Factor, 1995 (AP-42): k = 0,04 год-1; L = 170 M 3/ T ) .

Прогноз эмиссий по параметрам, характерным для кон­ кретного полигона, возможен в том случае, если поли­ гон оборудован скважинами, позволяющими определить поток метана, и точно известен состав складируемых ТБО, в частности содержание органически разлагаемого угле­ рода. Для расчета константы разложения (к) необходи­ мо знать количество и диаметр газосборных скважин, радиус их влияния, а для расчета метанового потенциа­ ла, Ь0, необходимы полевые измерения потока метана в скважинах.

Модель позволяет также рассчитать количество немета­ новых органических соединений (одорантов, летучих орга­ нических соединений, в т.ч. хлорорганических соедине­ ний), входящих в состав биогаза и выделяющихся в мик­ роконцентрациях .

Необходимо отметить, что значения эмиссий, получен­ ные по уравнению (4.6), могут отличаться от действитель­ ных на 38 —200% из-за особенностей, присущих каждому отдельному полигону. Однако многими исследователями отмечается приемлемая сходимость результатов экспери­ ментов на реальных полигонах с данными, полученными с помощью этой модели.

Согласно расчетам образования биогаза, выполненным Aprili Р., Bergonzoni М., Buttol Р., Cecchini, Neri Р. [4] по методу LandGEM, одной тонной твердых отходов в тече­ ние первых 30 лет эксплуатации полигона Поятика (Poiatica) производится 201 м3 биогаза. Органическая со­ ставляющая отходов на полигоне составляет 77% общей массы, 1 тонна органических отходов образует 250 Нм3 биогаза, содержание метана в биогазе 55%, плотность отходов —0,8 т/м3. В этих условиях константа генерации метана k = 0,089 l /год, потенциал генерации метана Lo= 106 м3/т.

Thrupp G. и др. указывают, что на австралийском поли­ гоне Нарре Варен (Narre Warren), оборудованном систе­ мой сбора газа из 188 скважин [5], при соответствующей корректировке входных данных по плотности отходов рас­ четы по параметрам АР-42 более близки к реальным зна­ чениям, полученным в полевых условиях.

Особенности российских полигонов захоронения ТБО не позволяют использовать модель LandGEM без изменений, учитывающих высокое содержание активного углерода в отходах и повсеместное отсутствие систем дегазации. По­ этому достоверное определение численных значений кон­ станты скорости генерации метана к и потенциала генера­ ции метана L0 представляет определенные трудности.

Мы провели верификацию параметров по значениям k

иL0 в соответствии с фактическими данными, характери­ зующими состояние городской свалки г. Перми «Софроны».

Среднегодовое поступление ТБО составляет 247,7 тыс. тонн. Массив ТБО сложен из разновозрастных отходов сме­ шанной морфологии (бумага — 22,5%; стекло — 17,2%; пищевые отходы —10,5%; текстиль, дерево, кости —7,2%; строительный мусор —7,1%; пластмасса —5,6%; металлы

ипрочее — 28%). Содержание органического вещества в

ТБО составляет (С ) —41,5% [6].

В модели LandGEM значение константы скорости генера­ ции метана k = 0,04—0,05 принято для зон с годовым коли­ чеством осадков не более 400 мм/год. Для нашего климати­ ческого района с годовым максимальным количеством осад­ ков 600—700 мм/год k должна иметь величину 0,07—0,09. При этом значения метанового потенциала L0в российских условиях должны быть не менее 170 м3/т. Для полигона «Со­ фроны» принято 170 м3/т, в соответствии рекомендациями АР-42. Результаты расчета эмиссий представлены на рис. 4.1.

Значения эмиссий, которые могут быть получены при использовании этой модели, в большой степени зависят от качества вводимых исходных данных. Помимо константы разложения и метанового потенциала, величины которых на большинстве российских полигонов можно установить лишь теоретически, необходимо иметь точную информа­ цию о ежегодном поступлении отходов на захоронение в течение всего периода эксплуатации. Российские полиго­ ны эксплуатируются десятки лет. Часто время начала эк­ сплуатации установлено приблизительно, а год закрытия определен с точностью в 5—10 лет. Мониторинг состояния окружающей среды отсутствует. В таких условиях приме­ нение модели LandGEM оправданно только для оценки общих эмиссий и времени воздействия полигона на окру­ жающую среду (правая часть кривой).

где С0 —содержание органического углерода в отходах (кг/т ТБО); Т —температура (°С), принимается для ограни­ ченной области температур от 25 до 40°С.

Константа разложения k назначается равной 0,025 или 0,05, так как считается, что 75% отходов разлагаются в период от 24 до 12 лет.

В реальных условиях полигона ТБО образуется лишь часть теоретически возможного количества биогаза, газо­ образование рассчитывается с учетом поправочных коэф­ фициентов по формуле, предложенной Weber [8]:

в, =wmcjj„ (■*•«)

где М —количество отходов, т; С0 —то же, что и в (4.7); fao —коэффициент, принимаемый при послойном уплотне­ нии 2-метровыми слоями и заделке отвалов по краям 0,95 и 0,8 - при заделке тонкими слоями; fa —коэффициент разложения, учитывающий содержание в отходах неразлагаемого и трудноразлагаемого углерода, принимаемый 0,7; fo —коэффициент, отражающий соотношение между образованием газа в оптимальных и реальных условиях, принимаемый 0,7; Д —фактор регистрации, учитывающий наличие или отсутствие систем дегазации на полигоне (по­ казывает соотношение между собранным системой газом и фактическим его количеством).

Величина фактора регистрации принимается следующим образом:

—fB= 0,0—0,1 —полигоны без систем дегазации;

—f, = 0,1-0,2 —пассивная дегазация;

—fs= 0,25-0,5 —активная дегазация;

—fs = 0,3-0,7 —активно-пассивная дегазация;

—f, = 0,7 -1,0 —загерметизированный полигон;

где k —коэффициент разложения первого порядка, прини­ мается по литературным данным — от 0,05 до 0,15; т - время разложения.

Для примера приведем расчеты образования биогаза на полигонах «Люнебург» в Германии и «Корнебург» в Австрии.

Новый полигон ТБО «Люнебург» заложен в 1989 году рядом со старым, существовавшим с 1959-го по 1986 г., площадью 12 га. С 2002 г. отходы подвергаются предвари­ тельной механико-биологической обработке [10].