книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
..pdfСмеси «СН4—воздух—С02» и «СН4—воздух-Ы2» выраже ны в объемных долях; концентрации рабочей смеси отно сятся ко всей смеси [23].
Если газ может улетучиваться по всей поверхности по лигона и при этом в достаточной степени разрежаться ат мосферным воздухом, то непосредственной опасности взры ва нет. Опасность усиливается в местах возможного скоп ления биогаза или его увеличенного выхода в зонах трубопроводов и кабельных туннелей, водомерных уст- % ройств для грунтовых вод, контрольных шахт и скважин, а также в подпольях зданий и сооружений, глубоких тран шеях.
К опасным зонам, кроме рабочего тела полигона, могут быть отнесены здания и строения, расположенные в не посредственной близости от полигона (150—500 м), к кото рым биогаз может проникнуть через каналы, трубопрово ды или через газопроницаемые почвы (гравий, песок, по ристый камень).
Для многих категорий отходов (древесина, бумага, пла стмассы) существует опасность самопроизвольного возго рания. В уплотненных зонах происходят анаэробные про цессы с выделением метана. Выделяемое при этом тепло не отводится, температура массы повышается и начинает ся спонтанное горение. Присутствие незначительного ко личества кислорода, необходимого аэробным бактериям для окисления метана, способствует воспламенению отходов. Миграция метана, особенно в жаркие периоды года, уско ряет воспламенение и создает опасность возникновения по жара за пределами свалки. В результате возгорания состав выделяющихся газов резко изменяется, и не только пото му, что гидриды, в том числе метан, окисляются до окси дов. Сгорание органических фракций при недостатке кис лорода приводит к образованию канцерогенных полиароматических углеводородов и других опасных веществ. Отходы поливинилхлорида, сгорая, образуют разнообраз ные по составу и строению продукты вплоть до суперток сикантов диоксиновой группы, что делает дымовые выде ления горящего полигона ТБО чрезвычайно опасными и для человека, и для природной среды [26].
Скрытые пожары возникают на свалках повсеместно и создают большие проблемы для персонала. На полигонах
ТБО земли Баден-Баден с 1990-го по 1994 год было зареги стрировано 13 больших пожаров, из которых 11 —скры тые [27].
На большинстве эксплуатируемых свалок в России го рение происходит круглый год в течение многих лет. По данным [26], официально в Московской области на подоб ных объектах регистрируется до 30 пожаров в год. Площа ди пожаров варьируют от 0,01 до 2 га с выгоранием толщи отходов на глубину более 1 метра. Общая масса ежегодно сгорающих в Московской области ТБО составляет 210 000 тонн при средней площади усредненного пожара 1 га и плотности ТБО 0,7 т/м3. На полигоне «Софроны» г. Перми объем горящих отходов в 1999 году составил 37 500 тонн, или 10 % от принятых отходов [28].
Проведенное нами исследование причин горения мето дом экспертных оценок (Дельфы) выявило ряд факторов, вызывающих пожары на полигонах, в том числе наруше ние технологии складирования, избыточное уплотнение, выделение биогаза и т.д. (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Результаты экспертного ранжирования причин возгорания ТБО
А- морфологический состав ТБО; Б - избыточное уплотнение отходов;
В- экзотермические реакции, возникающие в процессе разложения ТБО; Г - нарушение технологии складирования; Д - нарушение техники безопасно сти; Е - сезонные климатические факторы; Ж - отсутствие предварительной подготовки ТБО перед захоронением.
Эти факторы были проранжированы экспертами по сте пени значимости методом парных сравнений и проанали зированы методом ранговой корреляции [29].
Согласованность мнений экспертов оценивалась с помо щью коэффициента конкордации Кендалла:
|
W = |
ы ъ - :? " ) 2 |
|
|
м |
( 1. 1) |
|
|
IS . |
—т2(„3- п) - т£ Т |
|
|
'max |
||
|
^ |
12 |
i =i |
где: Р.— |
- суммарный ранг j-ro фактора; |
||
1 |
j =1 |
|
|
Рср_ —т(п +1) ~ среднее отклонение по всем факторам;
Rtj —ранг, присвоенный i-м экспертом j -му фактору; т —число экспертов; п —число факторов; 7\ - поправоч ный коэффициент, который вводится при наличии совпа дающих рангов.
При Полностью совпадающих мнениях экспертов W —1. Поскольку это случается довольно редко, необходимо оце нить' степень согласованности мнений экспертов. Для это го выполняется проверка статистической значимости ко
эффициента конкордации из условия: |
|
m < n - l ) W > %l , m.(n -1) |
(1.2) |
Если условие выполняется, то, при заданном уровне значимости а, согласованность мнений экспертов, оцениваемая коэффициентом конкордации, существует.
Величина коэффициента конкордации W составила 0,526. Для группы из 12 экспертов (т = 12) и количества факторов л=7 при 1%-м уровне значимости критическая величина критерия х2кр=16,812. Так как рассчитанная ве личина x2=Wm(n—1)=37,872 больше критической, коэф фициент W является значимым, согласованность мнений экспертов —существенной [30].
Эксперты считают, что главной причиной пожаров на полигоне «Софроны» является нарушение технологии скла
дирования отходов, поэтому к мероприятиям, позволяю щим предотвратить возникновение пожаров, относят глав ным образом предварительную сортировку, уплотнение от ходов, своевременную земляную засыпку.
Методами, позволяющими достаточно быстро затушить пожары, признаны искусственные мероприятия (засыпа ние землей, песком, поливание водой).
В настоящее ьремя на полигоне «Софроны» усилен кон троль за соблюдением технологии складирования отхо дов, ведется мониторинг эмиссий биогаза в окружающую природную среду. В резуль?ате осуществления этих ме роприятий в ноябре 2002 года горение отходов прекра тилось.
1.3.3. Выделение неприятного запаха
Биогаз обладает типичным сладковато-гнилостным за пахом. Наряду со сложными эфирами жирных кислот и спиртами, входящими .в состав биогаза, запах формируют сероводород и органические сернистые соединения (мер каптаны и сульфиды). Основные компоненты, определяю щие неприятный запах: сероводород, 2-пропандиол, 2-бу- тандиол, диметилсульфид, диметилдисульфид, диметилтрисульфид:. Сернистые соединения имеют самые низкие пороговые значения запаха [31]. Известные пороговые зна чения запаха приведены в табл. 1.6.
Группу соединений с интенсивным запахом представля ют жирные кислоты и амины. Они образуются в свежих отходах и выделяются при анаэробном разложении орга нических веществ на стадии кислого брожения. Эти веще ства в основном накапливаются в фильтрате.
Запах может проявляться по всей территории свалки и зависит от доли свежих отходов, размера свалки и техно логии захоронения отходов. Целесообразно выделять че тыре характерные области: по периметру строений; с по верхности свалки; контролируемые и неконтролируемые точки эмиссии газа (включая системы сжигания и исполь зования); контролируемые и неконтролируемые системы отбора и наблюдения за фильтратом.
На распространение газа влияют местные климатичес кие условия в области полигона.
Таблица 1.6
Пороговые значения запаха некоторых веществ и их содержание в ТБО [31]
Вещество |
Бытовые отходы |
Пороговые значения запаха, мг/нм* |
|
Тетрахлорэтен |
2 |
|
з .б х ю ’-з .г х ю 2 |
Дихлоридфторметан |
21 |
|
- |
Трихлорфторметан , |
3 |
|
- |
Бензол |
2 |
|
З х к у -г .ы о 2 |
Толуол |
32 |
|
8 х Ю Ч .б х Ю 2 |
Этилбензол |
11 |
|
1.2x10* |
р-т-ксилол |
19 |
|
2,2x10°-1,8x10' |
о-ксилол |
5 |
|
7x10'2-9,5x10’ |
п-гексан |
3 |
|
- |
Циклогексан |
3 |
|
1,5x10° |
Сероводород |
48 |
. |
7x10^ -1,4x10“ |
Метандиол |
5 |
|
2 ,1x10^ -8,8x10“ |
2-пропандиол |
0.6 |
|
1,5x1 O'3 |
2-бутандиол |
1 |
|
2 ,8 x 1 0 M x 1 0 ' |
Диметилсульфид |
8 |
|
4,1 хЮ ^-б,5 x 1 0 “ |
Пахучее вещество регистрируется с помощью олфактометра. Индикатором служат органы обоняния человека. К чистому воздуху добавляют воздух исследуемой пробы до тех пор, пока запах не' будет различим. Таким образом, устанавливается пороговое значение; Количество воздуха, необходимое для разбавления, является мерой интенсив ности запаха:
К + К
(1.3)
К
Где: Z — безразмерный параметр запаха; Уч — объем чистого воздуха, м3; Уз — объем загрязненно го воздуха, м3.
Для одиночных веществ установлены следующие поро
ги запаха:
—серосодержащие вещества —10 3 мг/м3;
-диоксид серы —10 *мг/м3;
-соляная кислота —7,6 мг/м3; —фтористая кислота —30 мг/м3.
Запах является одним из важнейших факторов, опреде ляющих зону влияния полигона, и одной из главных при чин негативного отношения населения к соседству полиго на. При неблагоприятных погодных условиях для рассеи вания вредных примесей он может распространяться в радиусе 2 км.
1.3.4.Воздействие на биоту
Взонах интенсивной эмиссии биогаза рост растений практически невозможен. Высокое содержание метана в биогазе способствует вытеснению кислорода из грунта. Вследствие дефицита кислорода и недостатка влаги рост прекращается, и растения отмирают. Высокая температу ра в теле свалки также способствует засыханию корневой системы.
Угнетение растительности может наблюдаться и за пре делами рекультивированной зоны вследствие миграции и накопления биогаза.
Можно отметить следующие признаки угнетения расте ний под действием эмиссий биогаза, повышенного содер жания тяжелых металлов в почве свалки:
—карликовый рост; —сухость верхушки;
—утолщение оснований ствола; —сильное разветвление корней; —пожелтевшие листья; —раннее старение листа.
Причиной угнетения растительности могут быть и ток сичные компоненты биогаза (табл. 1.7).
1.3.5.Загрязнение атмосферы
Глобальное влияние биогаза на атмосферу Земли при влекло серьезное внимание экологов и общественности толь ко в последние годы.
Полигон, выбрасывая в атмосферу метан и другие ток сичные газы, тем самым загрязняет воздушное простран ство не только локально, поблизости, но и в верхних сло ях атмосферы. Загрязнение атмосферы метаном и состав ляющими биогаза вносит свой вклад в создание парникового эффекта и разрушение озонового слоя.
|
|
Таблица 1.7 |
|
Негативное влияние компонентов биогаза |
|
||
|
на растения [24] |
|
|
Компоненты |
Концентрация |
Влияние на растения |
|
Метан |
0 -85 % об. |
Окисление-вьпеснение |
|
Оксид углерода |
0-83 % об. |
Окисление-вытеснение |
|
Аммиак |
. 0-0,4 ppm, 0-3,6 % об. |
Ядовитый |
, |
Водород |
0 -3 1 ,6 % об. |
Снижение pH |
|
Сероводород |
0-120 ppm |
Ядовитый |
|
Этилмеркаптан |
150 ppm |
Ядовитый |
|
Ацеталдиоксид |
100 ppm |
Ядовитый |
|
Толуол |
Незначительная |
Ядовитый, токсичный |
|
Этан |
Незначительная |
|
|
при 1 мг/м3 воздуха |
|
||
Этилен |
10 ppm |
|
|
|
|
Углеводородные газы участвуют в атмосферных фото химических реакциях, обеспечивающих сток и образова ние части активных радикалов, в число которых входит ОН-группа. Характерные реакции, протекающие в тропос фере с участием метана:
СН4 + ОН" -> СН3 + Н20 |
(метан —окислитель) |
СН4 + 0~ -> СН3 + ОН- |
(образование метила |
|
и ОН-радикала) |
СН4 + 0 “ -> Н2СО + Н2 |
(образование Н2 |
|
и формальдегида) |
Формальдегид является промежуточным продуктом, ко торый распадается на СО, С02, Н2.
Атмосферная доля метана увеличивается в результате человеческой деятельности на 1—2% ежегодно. При этом надо учесть, что срок жизни молекулы метана в атмос фере составляет 7 -8 лет, а диоксида углерода - 100 лет
[21, 22].
Конечный продукт фотохимического окисления метана — монооксид углерода (СО) - оказывает влияние на цикл озона в верхнем слое тропосферы.
В стратосфере, на высоте 30 км от Земли, произойдет охлаждение воздуха на 4°С в результате поглощения инф ракрасного излучения. Последствия подобных изменений климата проявятся в таянии ледников и, как следствие, подъеме уровня океана, морей, а также переносе зон осад ков [20, 21]. На рис. 1.3 показан вклад различных газов в образование парникового эффекта.
1.4. Минимизация' воздействий полигонов ТБО на окружающую среду как побудительная причина
развития системы управления метаногенезом
Основной целью управления метаногенезом является минимизация воздействий на окружающую среду, что оз начает, в первую очередь, снижение всех экологических рисков, возникающих в результате процесса метаногенеза как на глобальном^ т&к и на локальном уровнях. Анализ экологических рисков, возникающих в связи с проявлени ями метаногенеза, позволяет их сгруппировать по возмож ному воздействию на человека, биоту, опасности возник новения взрывов и пожаров, .загрязнению атмосферного воздуха, выражающемуся в формировании парникового эф фекта и разрушении озонового слоя, а также препятствию в инженерном освоении территорий, задолженных под свал ки, полигоны, закрытые под прием отходов.
Методология системного анализа позволяет перевести многокритериальные задачи подобного рода в разряд структуризованных, к решению которых уже можно приложить аппарат математического моделирования и выбора оптималь ных решений. Для получения информации о взаимосвязи факторов или критериев в системном анализе используется экспертная оценка. Эксперты в значительной мере воспол няют недостаток количественной информации относитель но элементов системы. Поскольку полученная с помощью экспертов информация о воздействиях полигона ТБО на окружающую среду имеет условный характер и шкала ко личественного определения признаков отсутствует, для при нятия окончательного решения необходимо воспользовать ся непараметрическими критериями, или рангами.
Для определения основных направлений минимизации применима методология FMEA-анализа, которая позволя
ет анализировать и оцениват! риски, разнородные по ха рактеру и направлению воздеютвия, силе и времени про явления [32, 33]. В сочетании кметодами экспертных оце нок она широко используется дхя решения подобного рода задач в смежных областях науьч и техники.
Методология предполагает оценку рисков проводить по ранговому показателю RPZ, который является произве дением рангов, полученных при эсспертной оценке объек та по частоте возникновения аварийных ситуаций, тяже сти последствий и вероятности ^обнаружения. Приме няя этот метод для ранжирования воздействий полигона ТБО, целесообразно вместо параметра частоты возникно вения аварийных ситуаций использовать параметр «про должительность воздействия на окружающую среду». Тя жесть последствий для окружающей среды и человека оп ределяется с учетом юридической ответственности за последствия. Ранжирование осуществляется методом пар ных сравнений, что дает возможность согласования соот ношений между объектами с помощью подбора коэффици ента а„ [30, 35]:
а..= 1, если i предпочтительнее j; а.;. = —1, если j предпочтительнее i;
а..= 0, если i и j равноценны.
Ранжирование неблагоприятных воздействий метаногенеза с помощью FMEA-анализа проводилось нами на приме ре пермского полигона ТБО «Софроны». Это позволило определить показатель риска RPZ для каждого из воздей ствий и ранжировать их по времени воздействия (А), сте пени тяжести последствий (В) и вероятности необнаружения (С) (табл. 1.8) [34]. Ранги параметров определялись на основе экспертных оценок методом парных сравнений.
Среди факторов риска от горящего полигона ТБО преоб ладают токсичные вещества, выделяющиеся в атмосфер ный воздух. При этом значение самого риска от полигона возрастает.
Для снижения степени риска, возникающего на вновь сооружаемых полигонах в связи с образованием биогаза, необходимо надежное инженерно-техническое оснащение сооружения. Система управления полигоном должна быть спроектирована таким образом, чтобы величина RPZ сни зилась до значений, не превышающих 100.