книги / Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов

дозы озона, сорбционной или ионообменной емкости, выбора ультрафильтрационных или обратноосмотических мембран, окислительной мощности микрофлоры активного ила в аэротенке или биосорбционном фильтре и др.).

2.2. Технико-экономический критерий – годовые приведенные затраты (S)

где р – коэффициент эффективности капиталовложений – величина, обратная времени окупаемости установки; Sik – стоимость капитальных затрат блока технологической схемы; Sэ – стоимость эксплуатационных затрат (для снижения

эксплуатационных затрат в технологиях рекомендуется использовать дешевые материалы и отходы производств, обладающие сорбционными, коагулирующими и другими эксплуатационными свойствами); ЭУ – предотвращенный экологический ущерб, тыс. руб./год, который рассчитывается по формуле

где ЭУуд – показатель удельного ущерба водным ресурсам, наносимого единицей приведенной массы загрязняющих веществ (Мпр) в год для водного объекта; Kэ – коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов по бассейнам рек.

где тi – фактическая масса i-го загрязняющего вещества с одинаковым коэффициентом относительной экологической опасности Kэi.

При выборе схем очистки целесообразно ориентироваться на средний профессиональный уровень персонала.

На основании выбранных критериев определяется оптимальный вариант. В этом случае возможно применение метода системного анализа с элементами динамического программирования. Задача метода состоит в поиске оптимальной комбинации стадий очистки, при которой можно достичь заданной

степени очистки при минимальных приведенных затратах.

131

2. БИОГАЗ ПОЛИГОНОВ ТБО

2.1. Основы метаногенеза

Протекающие в рабочем теле полигонов захоронения твердых бытовых

иприравненных к ним промышленных отходов физико-химические и биологические процессы приводят к образованию биогаза, в результате чего полигон в течение многих десятилетий остается источником загрязнения атмосферного воздуха.

Наибольшую опасность представляют неуправляемые эмиссии биогаза, которые могут привести к неблагоприятным локальным (взрывы, пожары, влияние на здоровье и условия жизни населения прилегающих территорий, угнетение растительности, размножение насекомых, птиц, грызунов) и глобальным (разрушение озонового слоя, парниковый эффект) последствиям.

Динамика процессов метаногенеза, происходящих при разложении ТБО, должна учитываться при разработке стратегии депонирования отходов. Предлагаемые нами подходы к анализу полигонов ТБО с позиции управления метаногенезом позволяют сформировать стратегию и соответствующую техническую

иинвестиционную политику с учетом направлений рекультивации и последующего использования территории. В зависимости от выбранной стратегии (минимизация или сокращение периода эмиссий, утилизация биогаза с целью получения энергии, эксплуатация или закрытие полигона) может быть выбрана схема финансированная инженерно-технических мероприятий и определены соответствующие затраты [145].

Управление метаногенезом включает диагностику полигона как источника образования биогаза, прогноз эмиссий, предварительную обработку ТБО с целью минимизации потенциала образования биогаза, соответствующие системы дегазации и мониторинга. В подразделе рассмотрены различные способы регулирования метаногенеза, принятые в мировой практике, типичные проблемы, возникающие на полигонах ТБО, связанные с биогазом.

2.1.1. Общие сведения о полигонах захоронения ТБО как источниках образования биогаза

Первые глобальные оценки потоков биогаза, которые образуются на полигонах захоронения ТБО, начали проводиться в 80-х годах XX века. Так, в работе по исследованию процессов газообразования на полигонах захоронения ТБО было показано, что глобальная эмиссия свалочного СН4 составляет 30–70 млн т

132

в год, или 6–18 % от его общепланетарного потока. При этом отмечалось, что данная величина превышает массу метана, выделяемого угольными шахтами. На основании роста объемов образования ТБО в развивающихся странах делался прогноз о том, что в следующем столетии свалки будут основным глобальным источником метана [145].

Глобальная эмиссия биогаза, образующегося при захоронении отходов, входит в число важных параметров для расчета прогнозных моделей изменения климата Земли в целом. На оценках потоков свалочного метана строятся национальные стратегии природоохранной деятельности в некоторых развитых странах. Так, например, в США был принят закон о необходимости оборудования всех без исключения полигонов страны системами добычи и обезвреживания биогаза, после того как американскими исследователями было показано, что свалки являются основным антропогенным источником метана в США.

В середине 90-х годов при оценке глобальной эмиссии свалочного метана экспертной группой Межправительственной комиссии по изменению климата была установлена её величина, равная 40 млн т/год. Этим была практически подтверждена правильность прежних оценок, что позволило внести свалочный метан в реестр основных источников парниковых газов планеты (рис. 2.1).

Существенный вклад в глобальную эмиссию метана вносит Россия. По тем же оценкам Межправительственной комиссии по изменению климата, свалки России ежегодно выбрасывают в атмосферу 1,1 млн т, что составляет примерно 2,5 % от планетарного потока.

Рис. 2.1. Вклад различных газов в парниковый эффект

Известно, что полигоны захоронения ТБО и приравненных к ним иных отходов являются источниками загрязнения природной среды метаном и другими опасными газами в течение длительного времени и на пострекультивационном

133

этапе ограниченно пригодны для хозяйственного освоения, в первую очередь из-за выделения биогаза.

Количество выделяющегося метана зависит от многих факторов – климатогеографических условий, типа и структуры почвы, режима поступления воды, разнообразия микрофлоры, наличия органического углерода и других органогенов. Применительно к полигонам ТБО значимыми факторами метаногенеза являются: влажность отходов, температура, рН, количество органически разлагаемого углерода.

Образование метана на полигонах длится от нескольких десятилетий до столетий, однако интенсивная реакторная фаза, в которой он усиленно образуется, ограничивается 10–30 годами.

Несмотря на то, что закономерности метаногенеза достаточно хорошо изучены и с биохимичекой точки зрения метаногенез подробно описан в литературе, четкие ответы на вопросы о том, какие полигоны представляют наибольшую опасность, существует ли уровень накопления отходов, ниже которого образование биогаза безопасно, пока отсутствуют.

Активное управление метаногенезом должно базироваться на анализе общих закономерностей, свойственных процессу разложения ТБО, и соответствующей классификации полигонов как источников метана. Полигоны ТБО различаются мощностью свалочного тела, наличием инженерной инфраструктуры, возрастом и этапом жизненного цикла. Главными факторами, определяющими длительность и уровень метаногенеза, являются содержание органически разлагаемого углерода в отходах, их температурно-влажностный режим, степень уплотнения.

Объемы, состав и срок действия эмиссии зависят от индивидуальных особенностей захоронения ТБО. Вместе с тем полигоны, как источники метана, можно разделить на три группы:

–несанкционированные старые свалочные тела с земляной засыпкой, закрытые для приема отходов и находящиеся на разных стадиях метаногенеза – от интенсивных до затухающих эмиссий метана;

–санкционированные свалки, построенные без необходимой инженерной инфраструктуры, функционирующие или закрытые для приема отходов, находящиеся на стадии рекультивации, у которых активная фаза метаногенеза еще не завершена;

–новые полигоны, оборудуемые системами дегазации и противофильтрационной защитой, на которых возможны контроль и управление процессом образования метана;

–аэробные полигоны;

–полигоны, на которых размещаются инертные или аэробно стабилизированные отходы [145].

134

Первая группа объектов нуждается в оценке характера эмиссии, поскольку захоронение отходов на подобных объектах производится с нарушением установленных норм. В случае эмиссии выше установленных нормативов требуются системы дегазации и мониторинга. При отсутствии эмиссий свыше нормативных пределов (в основном на объектах закрытых для приема ТБО более 20 лет назад) свалки первой группы могут стать частью городской территории. На старых свалочных телах, находящихся на стадии эмиссии, целесообразно проводить дегазацию как можно быстрее, особенно если они расположены близко к границам города.

Объекты второй группы обычно представлены свалками площадью более 30–40 га, находящимися вне селитебных территорий. Процесс складирования ведется десятки лет. Часть территории этих свалок рекультивирована и находится на стадии эмиссии. Другая часть – на стадии активной эксплуатации – накопления метанового потенциала. На полигонах такого типа рекомендуется организация систем пассивной и активной дегазации.

К объектам захоронения третьей группы можно применить стратегию, позволяющую поэтапно приблизиться к инертному телу свалки. Технология захоронения может включать в себя как организацию предварительной подготовки отходов (претритмент), так и установку систем дегазации и утилизации биогаза.

Четвертая группа объектов обеспечивается техническими средствами, исключающими или снижающими до незначительного уровня процессы анаэробного разложения отходов, что исключает образование биогаза, и, следовательно, необходимость устройства комплекса дегазационных мероприятий, позволяющих сократить размеры санитарно-защитной зоны (СЗЗ), снизить влияние полигона на атмосферный воздух. Такие объекты конструктивно выполняются в виде массивов, имеющих высоту и пористость отходов, обеспечивающих протекание аэробных процессов либо принудительную аэрацию всего массива отходов.

Объекты пятой группы принимают отходы, имеющие низкий метановый потенциал, исключающий синтез биогаза в значительных количествах в приземном слое, и являются безопасными свалками. Создание таких условий обеспечивается предварительным отделением биоразлагаемых фракций из потока отходов путем раздельного сбора, сортировки или их стабилизацией путем предварительного окисления легкоразлагаемых органических фракций в процессе претритмента – механико-биологической переработки отходов (МБПО).

В связи с тем, что для большинства полигонов ТБО характерны значительные эмиссии биогаза, важным является разработка и реализация стратегии управления метаногенезом.

Управление метаногенезом – комплекс организационно-технических и технологических мероприятий, обеспечивающих образование, сбор и утилизацию биогаза в заданных (проектом, регламентом) параметрах.

135

К таким мероприятиям относятся:

–расчет газоносной способности;

–обеспечение оптимальных пространственных и временных границ метаногенеза;

–создание систем активной или пассивной дегазации массива отходов;

–сбор и утилизация биогаза;

–мониторинг.

Для эксплуатируемых и проектируемых полигонов основным инструментом управления метаногенезом является формирование потока направляемых на захоронение отходов с заданными свойствами по уровню содержания биоразлагаемых компонентов, влажности и организация систем дегазации свалочного тела.

Если системы управления потоком отходов, направляемых на захоронение, достаточно хорошо разработаны и внедряются в развитых странах и начинают внедряться в России [142, 150, 156], то выбор метода дегазации потока является одной из сложнейших и малоразработанных проблем. В общем виде выбор метода дегазации зависит от мощности полигона, морфологии отходов, возраста, этапа жизненного цикла, наличия элементов инженерной инфраструктуры, водного баланса, интенсивности протекания биохимических процессов, климатических особенностей региона и экономических возможностей владельца.

Технологии дегазации существенно различаются по величине капитальных и текущих затрат, наличию блоков по утилизации биогаза, факельного хозяйства, устройств по рассеиванию биогаза в атмосферу. В связи с этим особенно важным представляется строго дифференцированный подход к выбору метода и технологии дегазации полигонов.

Для небольших «молодых» свалок и свалок промежуточного возраста с объемом свалочного тела менее 50 тыс. м3, не имеющих систем дегазации, эффективным средством регулирования эмиссии биогаза является изолирующее покрытие из рыхлого грунта в сочетании с такими относительно недорогими техническими средствами регулирования движения биогаза, как дренажные канавы, траншеи и т.д.

На пике эмиссии биогаза для предотвращения опасности возникновения взрывов и пожаров дополнительно могут устраиваться вертикальные колодцы для дренирования биогаза. Сложившаяся практика свидетельствует о достаточной надежности такого решения.

Для экономически целесообразного получения энергии из метана, образующегося на полигонах ТБО, необходимо иметь полезный объем полигона не менее 500 тыс. м3.

Количество таких объектов в России и их приблизительный газовый потенциал показан в табл. 2.1.

136

Таблица 2.1

Классификация объектов захоронения отходов по мощности и газовому потенциалу

Организация экономически выгодной утилизации биогаза осложняется тем, что после относительно кратковременного периода больших объемов образования метана наступает 20–30- летний период постепенного уменьшения его образования.

Выбор типа устройства окончательного покрытия объекта захоронения отходов, направления рекультивации и стратегии дальнейшего использования территории зависит от его газового потенциала и длительности метаногенеза.

Старые свалочные тела, находящиеся на стадии эмиссий и, как правило, обтекаемые новой застройкой, целесообразно рекультивировать как можно быстрее. Расположенные близко к границам селитебной зоны, они ограничивают развитие городской застройки и ухудшают экологическую обстановку в пригородной зоне.

Для функционирующих полигонов, имеющих, благодаря продуманному расположению, резервные территории для новых полигонов или расширения старых, стратегической задачей является создание инертного тела полигона, сводящего образование метана к минимуму. Эмиссии метана при этом должны быть на таком уровне, который не препятствует инженерному освоению территорий закрытых полигонов. При этом надо учитывать, что процесс градостроительного проектирования имеет тенденцию к ужесточению экологических правил, в результате чего со временем даже хорошо организованные свалки перестают соответствовать нормам.

Для того чтобы при наименьших затратах достичь наибольшего снижения эмиссий и возвращения хозяйственной ценности территорий, стратегия и тактика управления движением отходов должна базироваться на принципах направленного регулирования процесса метаногенеза [145].

2.1.2. Процессы газообразования в массиве отходов

На ранних стадиях эксплуатации полигона (до 1 года) биодеградация отходов рабочего тела полигона протекает в аэробных условиях, затем по мере увеличения массы отходов в теле полигона свободный кислород расходуется,

137

а из атмосферного воздуха новые порции кислорода глубже чем на один метр не проникают. Таким образом, в толще отходов начинаются анаэробные процессы, приводящие к выделению биогаза. Анаэробные микроорганизмы не используют кислород для окисления органических веществ, а получают необходимую для жизнедеятельности энергию в результате расщепления органических веществ, преимущественно углеводородов и органических кислот, с образованием более простых продуктов разложения. Анаэробный процесс разложения органического вещества протекает крайне медленно (десятки и сотни лет) и его общим направлением является брожение.

Биогаз образуется в результате метанового брожения и сопровождается выделением теплоты, поддерживающей в толще отходов сравнительно невысокую (30–40 ° С) температуру. Процесс газообразования протекает ступенчато и включает в себя несколько основных фаз (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Процессы образования биогаза [155, 206]

Начальной стадией процесса является фаза гидролиза, которая сопровождается разрушением полимеров до коротких фрагментов и мономеров. На стадии гидролиза в результате жизнедеятельности ферментативных бактерий происходит биодеструкция легкоразлагаемых фракций ТБО с образованием длинноцепных и разветвленных жирных кислот, аминокислот, глицерина, полисахаридов, аммиака и гидролиз целлюлозосодержащих отходов (бумага, садово-парковые отходы, древесина). Фаза гидролиза может длиться недели и месяцы.

138

В ацетогенной, или кислой, фазе, продолжающейся годы, происходит дальнейший распад биомассы, основными продуктами которого являются уксусная и пропионовая кислоты, углекислый газ и вода, в результате происходит значительное понижение величины рН и ускорение процессов деструкции, гидролиза древесины, целлюлозы, некоторых видов пластмасс, синтетических волокон. Процесс ацетогенеза при разложении целлюлозосодержащих отходов можно описать следующим уравнением:

(С6H10O5)n n С6H12O6 + 4n H2O n C2H4O2 + 4n CO2 + 8nH2. (2.1)

В условиях высокой влажности при рН= 4,5…6 и температуре 25 ° С и выше наблюдается рост грибов, приводящих к микробиологическому разрушению древесины, ее гидролизу, деполимеризации целлюлозы, образованию фурфурола и др. Биогаз в этих условиях в основном содержит углекислый газ. В конце фазы величина рН повышается, и кислоты начинают разлагаться с образованием метана. Интенсивно протекают процессы деструкции, деполимеризации легко-

исреднеразлагаемой фракций ТБО, начинают протекать процессы денитрификации, сопровождающиеся образованием органических аминов, ионов аммония

идр., которые в присутствии гуминовых кислот образуют поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Ферментативное разложение образованных в ацетогенной фазе кислот сопровождается значительным выделением газов (метан, углекислый газ, меркаптаны, аммиак и др.) и приводит к повышению рН среды (7,2–8,6). На этой стадии происходит разложение 50–70 % целлюлозы и гемицеллюлозы [156] с образованием как биогаза, так и соединений гумусовой природы, полифенолов и др., полностью разлагаются жиры и протеины [47, 48, 157].

На стадии метаногенеза происходит активное развитие анаэробных микроорганизмов.

Сповышением величины рН протекает ферментативное разложение образованных в ацетогенной фазе кислот (активная фаза метаногенеза) и дальнейшая биодеструкция целлюлозы (стабильная фаза):

На этой стадии происходит разложение 50–70 % ТБО. Выделение биогаза увеличивается, концентрация метана в нем достигает 40–60 %. Образуется ряд восстановленных соединений серы и углерода в следовых концентрациях. Преобладающим восстановленным сульфидным соединением в биогазе является сероводород [158].

139

Целлюлоза и ее производные легко подвергаются гидролитическому ферментативному разложению с образованием d-глюкозы, ди-, трисахаридов и др., которые при дальнейшем разложении образуют левулиновую, муравьиную и гуминовую кислоты [159]. В этой фазе начинают протекать процессы гумификации целлюлозосодержащих отходов, формирующие свалочный грунт.

Вактивной метановой фазе сульфат-ионы восстанавливаются до суль- фид-ионов, что сопровождается связыванием ионов металлов в малорастворимые соединения.

Биохимические процессы разложения имеют определенную стадийность

истрого следуют один за другим. В реальном теле полигона соседствуют участки, находящиеся на разных стадиях разложения, и это значительно усложняет картину газоносной способности.

Таким образом, анаэробный процесс начинается на эксплуатационном этапе жизненного цикла и заканчивается на пострекультивационном, проходя следующие стадии развития:

1) адаптационную – с периодом формирования рабочего тела, когда в течение первых 2–7 лет после начала эксплуатации начинаются процессы метаногенеза. Этот этап характеризуется изменение рН фильтрата с 6 до 7–8 [160];

2) экспоненциального развития, 12–17 лет (с момента когда условия метаногенеза сложились, рН фильтрата установилась на уровне 8, до максимального выхода биогаза);

3) стабилизационную, при постоянном потоке биогаза (25–30 лет с момента закрытия);

4) затухание анаэробных процессов, снижение потока биогаза до безопасных концентраций по метану;

5) стадию биологической инертности [145].

Расщепление органики на отдельные составляющие и превращение в метан может проходить лишь во влажной среде, поскольку бактерии могут перерабатывать только вещества в растворенном виде. Таким образом, для брожения твердых субстратов (ошибочно иногда называемое сухим брожением) существует потребность в воде.

Внастоящее время науке известно около десяти разных видов methanococcus и methanobacterium, размером всего лишь 1/1000 мм, способных жить в разной среде.

Впроцессе расщепления продукты переваривания (обмена веществ) каждой группы бактерий выступают питательными веществами для следующей группы бактерий. Пофазное расщепление органики происходит не с одинаковой скоростью. Разные группы бактерий работают с разной скоростью. В то время как аэробные бактерии при достаточном питании удваивают свою массу на протяжении 20 мин – 10 ч (время генерации), анаэробные бактерии существен-

140