книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов

ни после захоронения отходов на полигоне. В основу рас­ чета были положены результаты определения уровня газо­ образования для отдельных разлагающихся компонентов в трех фазах: неметаногенной; гиперболически возрастаю­ щего разложения (активного метаногенеза); медленного экспоненциального разложения (стабильного метаногенеза).

В России изучением метаногенеза занимались: Инсти­ тут микробиологии РАН, Всероссийский институт ядерной геологии и геодезии, Академия коммунального хозяй­ ства им. Памфилова, фирма «Геополис», ГУП «Экотехпром». Для прогноза образования биогаза в настоящее время используются разновидности модели биологическо­ го разложения [5, 18].

С развитием технологии захоронения и изменениями законодательства в области захоронения ТБО, в конце 90-х годов в моделировании появился многофазный подход с целью создания комплексных, или мультиплетных, моде­ лей прогноза, учитывающих взаимодействие между газом, жидкостью и твердой фазой [19, 20]. В России, в Институ­ те водных проблем РАП Вавилин В. А., Щелканов М. Ю., Локшина Л. Я. разрабатывали модель активной биохими­ ческой среды [21]. Пока эти модели в силу сложности не нашли широкого применения на практике и остаются в поле зрения узкого круга специалистов-исследователей.

Благодаря активным исследованиям полигонов и на­ блюдениям за эмиссиями метана, предпринятым в мире в последние десятилетия, наряду со сложными подходами к оценке эмиссий появились простые модели, основанные на статистических исследованиях. Примером такого под­ хода может служить способ оценки эмиссий, разработан­ ный US ЕРА [22]. Количество выделившегося метана (тонн/год) определяется в зависимости от общего количе­ ства захороненных отходов W (тонн) по формулам 4.1—4.4.

Хотя в целом методология оценки эмиссий парнико­ вых газов, в число которых входит и метан, образующий­ ся на полигонах ТБО, развивается и совершенствуется, методика оценки эмиссий биогаза с полигонов ТБО носит рекомендательный характер, как в России [18, 23], так и за рубежом. Существующие модели в вычислительном от­ ношении остаются весьма громоздкими и предъявляют высокие требования к качеству исходных данных. Отсут­

ствуют и методики определения некоторых ключевых па­ раметров: содержания органического углерода, метаново­ го потенциала, константы разложения.

Для того чтобы математическое моделирование стало полноценным инструментом управления метаногенезом, необходимо определить критерии выбора методики оцен­ ки газового потенциала полигонов ТБО из существующего обилия методических подходов и адаптировать эту мето­ дику к российским условиям.

Моделирование как метод исследования состоит из трех общих уровней: создание содержательной теории или ги­ потезы; интерпретация содержания в виде формальной системы - математической зависимости; разработка мето­ да, с помощью которого можно наметить пути решения отдельных задач.

Для описания процессов разложения отходов целесо­ образно применить теорию, основные принципы кото­ рой заложены Brunner Р. [24] и развиты в работах Коротаева В. Н. [25].

Осуществление и завершение жизненного цикла ТБО происходит в рамках глобального природно-ресурсного цикла и является его неотъемлемой частью [24].

Отходы, размещаемые в окружающей среде, ассимили­ руются путем метаболизма в естественные геологические субстанции —торф, каменный уголь, гидроксиды, сульфа­ ты и др. Эмиссии, сопровождающие процесс ассимиляции, по величине и продолжительности наносимого ущерба зна­ чительно превышают соответствующие показатели по дру­ гим стадиям жизненного цикла ТБО (рис. 4.1, 4.2 [25]).

Основное воздействие ТБО на окружающую среду в про­ цессе ассимиляции связано с микробиологическими про­ цессами и биохимическими реакциями, проходящими на объекте захоронения отходов на стадии ацидогенеза и метаногенеза. Полигон является динамичной экосистемой, проходящей через стадии гидролиза компонентов, роста и разложения ацидогенной и метаногенной биомассы и за­ канчивающейся утилизацией кислот в результате образо­ вания метана и диоксида углерода.

Для понимания природы моделей образования биогаза на полигоне необходимо знать свойства объекта и опреде­ лить параметры, благодаря которым устанавливается ана-

логия между моделью и действительностью. Знание свойств объекта, а также математических зависимостей, описыва­ ющих механизм биодеградации отходов, позволяет подой­ ти к третьему уровню моделирования — решению задач управления метаногенезом. Такой подход к процессу мо­ делирования позволяет дать достоверное отражение свойств объекта, прогнозировать его состояние на любом этапе его жизненного цикла и наметить рекомендации для практи­ ческого использования.

Критерии выбора модели и методика расчета основных параметров могут быть разработаны на основе анализа из­ вестных моделей прогноза эмиссий биогаза с полигонов ТБО. Рассмотрим их область применения, достоинства и недостатки.

3.2. Стехиометрическая модель

Стехиометрическая модель является классическим под­ ходом, принятым в общей химии и основанным на исполь­ зовании брутто-формулы разложения основных составля­ ющих отходов: белков, жиров и углеводов [17, 26].

В общем виде уравнение полного разложения может быть представлено в виде:

Расчетные коэффициенты и индексы в уравнении мож­ но определить по табл. 3.1.

В настоящее время использование этой модели для рас­ четов ограничено, так как она не учитывает реальные ус­ ловия разложения, такие как степень аэробной и анаэроб­ ной деструкции, питательных ограничений, биологичес­ кого ингибирования процесса, ф изико-химических взаимодействий. Поэтому полученные значения эмиссий оказываются выше значений, полученных путем натурных испытаний. По данным US ЕРА [27], стехиометрические расчеты показывают максимальный выход биогаза на уров­ не 200—500 м3/т ТБО в год. В действительности уровень образования биогаза, по многочисленным полевым изме-

рениям, колеблется от 7 до 80 м3/т ТБО в год [22, 27, 28 и др.]. Однако стехиометрический подход может использо­ ваться для определения некоторых ключевых параметров в более сложных моделях биологического разложения, осо­ бенно при отсутствии данных о морфологическом составе

ТБО.

Таблица 3.1

Морфологический и химический состав биоразлагаемых ТБО типичного полигона

3.3. Модели биологического разложения

Модели этого типа находят все большее применение бла­ годаря накоплению экспериментальных данных, которые показывают приемлемую сходимость результатов прогно­ за и реальных значений эмиссий. М. El-Fadel и М. Massoud [17] провели сравнительную оценку эмиссий метана теоре­ тическими и экспериментальными методами. Полевые из­ мерения уровня биогаза в скважинах показали, что про­ гноз, выполненный на основе модели биоразложения, со­ ответствует реальным значениям эмиссий. Для сравнения на рис. 3.1 показана величина эмиссий, рассчитанных стехиометрически.

Процесс биологического разложения описывается ки­ нетическим уравнением реакции первого порядка [10, 16, 26].

Рис. 3.3. Сравнение величин эмиссий биогаза, полученных экспериментальными и теоретическими методами [17]

Метановый потенциал —это количество метана, выделя­ емое 1 тонной отходов данного морфологического состава.

Значение метанового потенциала трудно определить эмпирически. Оно может иметь величину от 6,2 до 270 м3СН4/т ТБО в зависимости от содержания органичес­ кого компонента и условий разложения. Вследствие этого большинство исследователей устанавливают его различны­ ми теоретическими способами или принимают усреднен­ ное эмпирическое значение. Например, Lo = 100 м3/т ре­ комендуется US БРА, как в наибольшей степени совпада­ ющее с эмпирическими данными при значении константы разложения k = 0,04. В таблице 3.2 приводятся установ­ ленные различными авторами значения метанового потен­ циала отходов.

Так как максимальный метановый потенциал све­ жих отходов является их внутренним свойством, неза­ висимым от условий полигона, то в настоящее время преобладают теоретические или. лабораторные методы его определения.

Таблица 3.2

Значения метанового потенциала (по данным различных источников)

[36]Франция 65

Максимальный метановый потенциал может опреде­ ляться с помощью ускоренного биотеста [10] с учетом всех видов ТБО или только с учетом целлюлозы, как преобладающей фракции. Объем образующегося мета­ на определяется в лабораторных условиях за 60-днев­ ный период по методике, аналогичной методике Опре­ деления ВПК. Он может быть также рассчитан стехиометрически [37].

Тем не менее, не существует единого мнения о величи­ не метанового потенциала отходов в целом и морфологи­ ческих компонентов в частности. Tabasaran, Findikakis указывали величину 150-200 м8/т ТБО [16], Barlaz - 35 м3/т сухих отходов [10]. Большая разница между пока­ зателями может быть результатом излишней формализа­ ции в использовании большого количества данных, необ­ ходимых для теоретических вычислений. Лабораторные тесты, как правило, не позволяют достичь полного разло­ жения ТБО, особенно трудноразлагаемых фракций, таких как древесина, целлюлоза, что также ведет к искажению реальных показателей.

Некоторые модели первого порядка (например, разра­ ботанные Marticorena [36], Tabasaran—Retenberger [24]) оп­ ределяют количество образуемого биогаза в зависимости

от содержания в отходах разлагаемого органического уг­ лерода (degradable organic carbon DOC).

Содержание такого углерода в отходах может быть опре­ делено по формуле, предложенной Bingemer и Crut'zen [28]:

где А1—содержание в отходах бумаги и текстиля, % ; В - содержание садово-парковых и других непищевых отхо­ дов, %; С —содержание пищевых отходов, %; D —дерево и т.п. отходы, %.

По данным ЕРА [37], содержание органического угле­ рода в ТБО разных стран составляло величины, представ­ ленные в таблице 3.3.

t Таблица 3.3

Содержание органического углерода в твердых бытовых отходах разных стран

В целом оба параметра, метановый потенциал и содер­ жание разлагаемого углерода, отражают один из главных факторов в процессе образования биогаза —морфологию отходов. Точность прогноза будет зависеть от возможности их правильного определения. Многообразие расчетных моделей, основанных на уравнении (3.3), отсутствие еди­ ной методики определения их основных параметров сви­ детельствует о сложности прогнозирования эмиссий био­ газа, большом числе локальных факторов, влияющих на результаты, и необходимости уточнения расчетных коэф­ фициентов с учетом особенностей местности и сложившей­ ся системы управления отходами.