книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов

тельности микробных сообществ в теле полигона должны присутствовать питательные вещества. Основные из них — углерод, водород, кислород, азот и фосфор (макрокомпо­ ненты). В меньших количествах микроорганизмам нужны такие вещества, как натрий, калий, сера, магний (микро­ компоненты). Питательные вещества могут быть растворе­ ны в воде, а могут находиться в свалочных газах. Источ­ ники основных питательных веществ —это отходы расти­ тельного происхождения, пищевые отходы, то есть отходы с высоким содержанием легкоразлагаемого органического вещества, почвенное покрытие [1]. Содержание микроком­ понентов менее постоянно. Их источниками являются не­ которые отходы и почва. Увеличить содержание питатель­ ных веществ и тем самым обеспечить интенсивный рост бактериям можно путем добавления отходов сельского хо­ зяйства, животноводства или осадков сточных вод в муни­ ципальные отходы.

Количество питательных веществ для развития и жиз­ недеятельности метаногенного сообщества принято выра­ жать через содержание в отходах органически разлагаемо­ го углерода. Наличие органически разлагаемого (DOC) и неразлагаемого (секвестированного) углерода в сущности определяется морфологическим составом ТБО. Принято считать, что углерод свалочного тела в любой момент вре­ мени может находиться в одной из семи форм: неразлата­ емый углерод, гидрокарбонат, углерод ацидогенной био­ массы, ацетат-углерод, углерод, перешедший в диоксид углерода и в метан [5]. Согласно [4, 8] 1% органически разлагаемого углерода переходит в биогаз.

В таблице 2.3 для сравнения приводятся данные о со­ держании органического углерода в ТБО по регионам и отдельным полигонам.

Внедрение селективного сбора отходов в развитых стра­ нах способствует постоянному снижению содержания орга­ нического углерода в захораниваемых отходах.

На австрийских полигонах, где селективный сбор вне­ дряется с 1991 года, наблюдается следующая динамика изменения содержания органического углерода:

1991г. —160 кг/т ТБО; 1992 г. —150 кг/т ТБО; 1993 г. — 140 кг/т ТБО; 1994 г. - 125 кг/т ТБО; 1995 г. - 110 кг/т ТБО; 1996 г. - 100 кг/т ТБО [17].

Таблица 2.3

Среднее содержание органического углерода в ТБО

Концептуальная модель поведения микробиальной эко­ системы санитарного полигона во времени базируется на теории микробиального роста Monod [5, 18]. По Monod, рост микробной популяции зависит от количества субстра­ та, или питательной среды, и прекращается, когда запасы питательных веществ исчерпаны.

Реакции такого типа подчиняются кинетике первого порядка [4] и выражаются уравнением:

Это выражение, показывающее, что количество разло­ жившегося материала пропорционально количеству неразложившегося', является самым широко используемым при описании метановой генерации в полигоне [4, 19, 20, 21]. Допускается, что количество неразложившегося ма­ териала - единственный фактор, влияющий на метанообразование, а такие обстоятельства, как влажность, ток­ сичные субстанции и т.д., не учитываются. Эта модель разложения является наилучшей для описания разложе­ ния в лабораторных условиях при работе с малыми объе­ мами отходов.

Когда уровень влажности увеличив»ется, бактерии ста­ новятся более активными и размножаются, увеличивая образование метана. К сожалению, нет достоверного функ­ ционального соотношения между влажностью тела поли­ гона и уровнем образования биогаза. Steyer [22] предлага­ ет следующее уравнение, связывающее ежедневный уро­ вень образования биогаза и влажность:

2.1.5. Уровень pH поровой среды

Для городских отходов характерно значение кислотнос­ ти, равное 5—9 [8, 21]. Опасные отходы имеют кислую сре­ ду и требуют нейтрализации перед размещением на поли­ гоне ТБО. Важно отметить, что уровень pH управляется микробиологическими процессами, идущими в теле свал­ ки. Оптимальная реакция среды для ферментации СН4 — нейтральная и слабощелочная (7,0—7,2), но генерация газа протекает и при значении pH = 6,5—8. Буферность систе­ мы обеспечивает нужный уровень кислотности в отходах.

Растворенные в воде щелочные компоненты помогают поддерживать необходимый уровень pH и нейтрализовать органические кислоты, которые в больших концентраци­ ях снижают образование метана. Оптимальная величина pH среды для образования биогаза близка к нейтральной и находится между 6,8—7,2, щелочность —не менее 2000 мг/л.

Замечено, что после обильных дождей в странах с влаж­ ным и сухим климатом количество образуемого на полиго­ нах биогаза увеличивается. Однако если излишек влаги воз­ никает в короткий период времени, происходит снижение газообразования. По-видимому, избыточная влага вызывает излишнюю кислую ферментацию, а последующее снижение уровня pH приводит к торможению метаногенеза.

Высокие концентрации многих летучих кислот, солей тяжелых металлов, сульфидов, специфических органичес­ ких веществ могут оказывать ингибирующее действие на процессы метаногенеза. Так, ингибирующий эффект явно выражен при концентрации кальция 8000 мг/л, магнезии и аммония —3000 мг/л.

Сильными ингибиторами являются хлороформ (20 мг/л), карбонтетрахлорид (2,2 мг/л), винилхлорид (5—10 мг/л), метиленхлорид (1,8—2,2 мг/л), 1-хлоропрен (7,6 мг/л), акролеин (11 мг/л), формальдегид (72 мг/л), нитробензен (12,3 мг/л) и др. [8].

Интересно отметить, что многие вещества в малых концентрациях являются стимуляторами метаногенеза, а в больших —ингибиторами. Это справедливо для углекис­ лого калия, натрия, кальция, магнезии, аммония.

2.1.6. Температура внутри свалочного тела

Изменение температуры внутри тела полигона зависит от ряда факторов: глубины и плотности складированных отходов, температуры окружающей среды, интенсивности протекающих процессов, количества влаги в отходах, кли­ матических условий. Отмечено, что наиболее продуктив­ ные с точки зрения газообразования полигоны находятся в теплых климатических районах.

Температурные условия внутри свалки определяют тип метанообразующих бактерий и уровень газогенерации. Анаэробные процессы более полно протекают при темпе­ ратуре 25—40°С и зависят от сезонного колебания темпера­ туры. В теле полигона температура может изменяться от 30°С до 60°С за счет тепла, генерируемого процессом анаэ­ робного разложения и сезонного колебания температур наружного воздуха. При температурах ниже 10—15°С об­ разование метана резко снижается, при температуре 30°С-41°С анаэробное разложение интенсифицируется. Ос­ новное метанообразование происходит в глубоких слоях полигона, где температура постоянна в пределах 30—35°.

Максимальная температура, при которой образование метана обычно прекращается, 60°С (рис. 2.3).

Мезофильная группа метанообразующих бактерий ак­ тивно работает при температуре около 40°С, а термофиль­ ная —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 темпера­ туры внутри рабочего тела полигона не связан с колебани­ ем температуры 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 глуби­

не 2—4 м температура в течение трех лет наблюдений по­ степенно нарастала от 30 до 40°С [8].

На свалках, где преобладают аэробные процессы, тем­ пература колеблется от 29,5°С до 60°С, а если доминируют анаэробные процессы, то температура составляет 19—21°С.

Соотношение между температурой и степенью разложе­ ния органического углерода определяется соотношением [23]:

где Со — начальное содержание органического углерода, Сг —количество органического углерода, перешедшего в биогаз.

Рис. 2.2. Влияние температуры на интенсивность образования метана [20]

Для принятия решения при выборе системы дегазации необходимо производить замеры температуры в разных ча­ стях свалки, а затем усреднять полученные показатели [24].

2.1.7. Уровень грунтовых вод

На объемы образования биогаза влияют геологические условия, в частности сезонные и глубинные колебания уров­ ня грунтовых вод. Основание полигона всегда проектиру­ ется выше уровня грунтовых вод. Если сезонные колеба­

ния уровня грунтовых вод достигают экрана полигона, то изменение гидравлического давления может вызвать сле­ дующие негативные явления: нарушение системы трубо­ проводов, прорыв труб, утечку фильтрата, который заг­ рязняет грунтовые воды; замедление циркуляции воздуха в отходах; прекращение биологической активности вслед­ ствие изменения состава воды (уменьшение содержания кислорода или попадание фильтрата) [24].

2.1.8. Инженерная инфраструктура полигона

Сложившаяся практика эксплуатации санитарного по­ лигона является одним из факторов, оказывающих значи­ тельное влияние на величину эмиссий. Развитая инженер­ ная инфраструктура позволяет активно управлять образо­ ванием фильтрационных вод и биогаза. Большое значение имеют способ уплотнения отходов, наличие предваритель­ ного измельчения, систем сбора и утилизации биогаза.

Прессовые устройства, применяемые при сборе и удале­ нии ТБО, создают давление до 3—5 кг/см2 (0,3—0,5 МПа). При этом происходит ломка различного рода коробок и емкостей. Объем ТБО (в зависимости от его состава и влаж­ ности) уменьшается в 5-8 раз, плотность возрастает до 0,8-1 т/м3.

При повышении давления до 100—200 кг/см2 (10—20 МПа) происходит интенсивное выделение влаги (выделяется до 80—90% всей содержащейся в ТБО воды). Объем ТБО снижается еще в 2-2,5 раза при увеличении плотности в 1,3—1,7 раза. Спрессованный до такого состояния матери­ ал на некоторое время стабилизируется, так как содержа­ щейся в нем влаги недостаточно для активной жизнедея­ тельности микроорганизмов и доступ кислорода в массу затруднен.

Когда плотность отходов увеличивается, степень насы­ щения, т.е. способность к абсорбции воды, возрастает. Боль­ шая масса вызывает большее газообразование на единицу объема. Один из путей увеличения плотности —измельче­ ние отходов. Оно не только увеличивает плотность, но и уменьшает размер составляющих, которые обретают боль­ шую удельную поверхность для контакта с водой, бакте­ риями и питательной средой. Если измельченные отходы распределяются тонкими слоями (менее 0,3 м), а затем

уплотняются, объем отходов дополнительно снижается. Однако экстремально плотные отходы могут быть относи­ тельно непроницаемы для воды и, соответственно, образо­ вывать меньше биогаза.

С течением времени плотность захороненных отходов изменяется. Проведенные нами на полигоне «Софроны» исследования свалочной массы различного возраста пока­ зывают изменения плотности в значительных пределах: от 0,4—0,6 т/м3 при укладке до 1,2-1,4 т/м3 после 8 -10 лет разложения на глубине 6—10 м. Другие абиотические фак­ торы, которые могут повлиять на эмиссию, - это наличие и свойства верхнего изолирующего покрытия, системы сбо­ ра биогаза, емкость полигона.

Исследования, проведенные В. П. Трибис [25], показалщ нто в покровных почвах свалок образуется метанотрофный слой —естественное «приспособление» для улав­ ливания свалочных газов, в котором происходит активная трансформация (реутилизация) метана. Интенсивность окисления метана в покровных почвах свалок может дос­ тигать весьма больших величин —до 45 г/м2 в сутки.

Допускается использование для изолирующего слоя раз­ личных материалов: золы и шлаков ТЭЦ, котельных, ра­ ботающих на угле, торфе, сланцах; природного грунта; мелких фракций дробленых строительных отходов и т.д.

Процессу окисления метана способствует используемый в качестве насыпного грунта компост. Хорошо зарекомен­ довала себя смесь компоста и обезвоженных илов после биологической очистки сточных вод [26].

Определенное влияние на величину эмиссии биогаза имеет система сбора и утилизации биогаза. В России пока такие данные не накоплены, однако Американское агент­ ство по охране окружающей среды (US ЕРА) [27] и ряд нормативных документов Германии и Австрии [28, 29] указывают, что этот фактор необходимо учитывать при оценке эмиссий. К управляемым полигонам с коэффици­ ентом выхода метана MSF = 1 US ЕРА относит полигоны, имеющие изолирующие слои в основании и поверхност­ ной засыпке, с механическим уплотнением отходов. Ос­ тальные полигоны делятся на неуправляемые глубиной менее 5 м (MSF=0,4), неуправляемые глубиной более 5 м (MSF=0,8), несанкционированные свалки (MSF=0,6).

В европейских рекомендациях учитывается дополнитель­ но наличие и разновидность системы дегазации на полиго­ не [30].

2.1.9.Возраст отходов

Вреальных условиях свалок общий процесс разложе­ ния отходов представляет собой цепь взаимосвязанных микробиологических процессов, каждый из которых ха­ рактеризуется определенным уровнем выхода биогаза. Со временем в результате разложения сначала быстроразлагаемых, затем средне- и медленноразлагаемых отходов количество питательного субстрата уменьшается и процесс метаногенеза постепенно затухает. Поэтому чем больше времени прошло с момента закрытия полигона, тем ниже уровень метанообразования. Обычно выделяют следующие пять фаз разложения ТБО [31]:

• аэробное разложение (10-15 дней);

• анаэробное разложение без выделения метана (кислое брожение);

• анаэробное разложение с непостоянным выделением метана (смешаное брожение —180—500 дней);

• анаэробное разложение с постоянным выделением метана (10—30 лет);

• затухание анаэробных процессов.

Вреальных условиях эти процессы протекают при слож­ ном взаимодействии рассмотренных биотических и абио­ тических факторов (рис. 2.3), обладающих как синергети­ ческим, так и антагонистическим эффектом.

Для того чтобы эффективно управлять метаногенезом, необходимо иметь достаточно полную информацию о ме­ ханизмах биохимического разложения отходов.

2.2.Разложение органических веществ в аэробных

ианаэробных условиях

2.2.1.Разложение органических веществ

ваэробных условиях

Ваэробных процессах участвуют большие группы раз­ личных микроорганизмов, в том числе бактерии, актиномицеты, плесени, грибы.