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

Рис. 2.9. Стадии развития анаэробного процесса в толще свалки:

I – адаптационная; II – экспоненциального развития; III – стационарная;

IV – затухания; V – биологической инертности

Таким образом, со временем процесс метаногенеза по мере разложения отходов затухает. Поэтому чем больше времени прошло с момента закрытия полигона, тем ниже уровень метанообразования.

Технология складирования и инженерная инфраструктура полигона.

Большое влияние на образование биогаза оказывает способ уплотнения отходов, наличие предварительного измельчения, систем сбора и утилизации биогаза. В результате уплотнения отходов затрудняется доступ кислорода в их массу, а содержание влаги уменьшается, таким образом, спрессованный материал может на некоторое время стабилизироваться. Предварительное измельчение отходов также способствует увеличению плотности. Кроме того, при измельчении уменьшается размер составляющих, которые обретают большую удельную поверхность для контакта с водой, бактериями и питательной средой. Если измельченные отходы распределяются тонкими слоями (менее 0,3 м), а затем уплотняются, объем отходов дополнительно снижается. Результатом увеличения плотности отходов является возрастание способности к абсорбции воды. Большая масса вызывает большее газообразование на единицу объема. Но экстремально плотные отходы могут быть относительно непроницаемы для воды и, соответственно, образовывать меньше биогаза.

Таким образом, инфраструктура полигона оказывает значительное влияние на процесс метаногенеза. При наличии развитой инфраструктуры (применение изолирующих покрытий, систем сбора и утилизации биогаза и т.д.) образованием биогаза можно эффективно управлять.

151

2.1.5. Состав и свойства биогаза

Состав биогаза, образующегося на полигонах ТБО, зависит от ряда факторов, таких как стадия процесса разложения, состав отходов, природных условий участка, конструкции основания и покрытия полигона, возможности доступа кислорода воздухакотходам, высоты складирования отходов, условий их уплотнения ит.д.

Было установлено более сотни компонентов органического и неорганического происхождения, входящих в состав биогаза. В их числе нормальные и разветвленные алканы, нафтены и ароматические углеводороды, галогенсодержащие органические вещества. Разнообразный набор углеводородов С1– С2, некоторые их производные, вещества группы силоксанов. Из неорганических: H2S, NOx, COx, ряд металлов. Однако в любом случае основными компонентами биогаза являются метани диоксидуглерода.

В биогазе выделяют две группы составляющих: макрокомпоненты и микрокомпоненты (следовые газы). Соотношение макрокомпонентов (метана и углекислого газа) может меняться от 40–70 % до 30–60 % соответственно. В существенно меньших концентрациях присутствует азот (не превышает 15 %), кислород, водород (1 %). В качестве микропримесей в состав биогаза могут входить десятки различных органических соединений.

Характерный состав биогаза представлен в табл. 2.3 [164].

Состав газа в наибольшей степени определяется фазой анаэробного разложения. В ацетоогенной фазе в составе биогаза преобладает углекислый газ, на стадии метаногенеза – метан. Обычный состав биогаза (по основным компонентам) приведен в табл. 2.4 [145].

Таблица 2.3

Характерный состав биогаза

152

Окончание табл. 2.3

153

Таблица 2.4

Содержание основных компонентов в биогазе

Наличие в биогазе более 50 % метана является характерным признаком стабилизации метаногенеза. В результате при захоронении отходов на полигонах отмечается высокая концентрация метана и непрекращающееся оседание тела полигона.

Основной компонент биогаза– метан – не имеет цвета и запаха. Метан легче воздуха, придает биогазу свойства горючести, удушлив и взрывоопасен в смеси своздухом (5–15 %). Взрыву препятствуют некоторые компоненты биогаза, такие как азот и двуокись углерода. При наличии нескольких горючих компонентов, например метана и водорода, вероятность взрыва может увеличиться, а под воздействием азота и окиси углерода – снижаться [145]. На рис. 2.10 показана область взрыва, возникающаяприсмешении компонентов биогаза своздухом.

Смеси «СН4 – воздух – СО2» и «СН4 – воздух – N 2» выражены в объемных долях; концентрации рабочей смеси относятся ко всей смеси [159].

Рис. 2.10. «Диаграмма трех веществ» при взрыве:

I – порог пожароопасности; II – порог взрывоопасности

154

Если газ может улетучиваться по всей поверхности полигона и при этом

вдостаточной степени разрежается атмосферным воздухом, то непосредственной опасности взрыва нет. Опасность усиливается в местах возможного скопления биогаза или его увеличенного выхода в зонах трубопроводов и кабельных туннелей, контрольныхшахт, скважин, глубокихтраншеях, вподпольяхзданийисооружений.

Биогаз, проникая в подвалы, шахты, скважины, туннели и т.д., вытесняет воздух, создавая опасность взрыва. К опасным зонам, кроме рабочего тела полигона, могут быть отнесены здания и строения, расположенные в непосредственной близости от полигона (150–500 м), к которым биогаз может проникнуть через каналы, трубопроводы или через газопроницаемые почвы.

Наряду со взрывами неблагоприятные экологические последствия имеют пожары, возникающие на полигонах и свалках в местах неконтролируемого выхода биогаза. Пожары возникают на свалках повсеместно и создают большие проблемы для персонала. На многих эксплуатируемых свалках в России горение происходит круглый год в течение многих лет. По данным [164], официально

вМосковской области на подобных объектах регистрируется до 30 пожаров

вгод. Площади 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 тыс. т при средней площади пожара 1 га и плотности ТБО 0,7 т/м3. На полигоне «Софроны» г. Перми объем горящих отходов в 1999 году составил 37500 т, или 10 % от принятых отходов [166]. Проведенное исследование причин горения методом экспертных оценок (Дельфы) выявило ряд факторов, вызывающих пожары на полигонах, в том числе нарушение технологии складирования, избыточное уплотнение, выделение биогаза и т.д. (рис. 2.11).

Рис. 2.11. 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 безопасности; Е – сезонные климатические факторы; Ж – отсутствие предварительной подготовки ТБО перед захоронением

155

Эти факторы были проранжированы по степени значимости методом парных сравнений и проанализированы методом ранговой корреляции [196].

Согласность мнений экспертов оценивалась с помощью коэффициента конкордации Кендалла:

тору; m – число экспертов; n – число факторов; Tj – поправочный коэффициент, который вводится при наличии совпадающих рангов.

При полностью совпадающих мнениях экспертов W = 1. Поскольку это случается довольно редко, необходимо оценить степень согласованности мнений экспертов. Для этого выполняется проверка статистической значимости коэффициента конкордации из условия

m(n −1)W > χ2 100 % (n −1), (2.7)

α

Если условие выполняется, то, при заданном уровне значимости α, согласованность мнений экспертов, оцениваемая коэффициентом конкордации, существует.

Величина коэффициента конкордации W составила 0,526. Для группы из 12 экспертов (m = 12) и количества факторов n = 7 при 1%-ном уровне значимо-

сти критическая величина критерия χкр2 = 16,812. Поскольку рассчитанная вели-

чина χ2 = Wm(n – 1) = 37,872 больше критической, коэффициент W является значимым, согласованность мнений экспертов – существенной [197].

Эксперты считают, что главной причиной пожаров на полигоне «Софроны» является нарушение технологии складирования отходов, поэтому к мероприятиям, позволяющим предотвратить возникновение пожаров, относят главным образом предварительную сортировку, уплотнение отходов, своевременную земляную засыпку. Методами, позволяющими достаточно быстро затушить пожары, признаны искусственные мероприятия (засыпка землей, песком, полив водой).

Второй основной компонент биогаза – углекислый газ, тяжелее воздуха, не имеет цвета и запаха, в высоких концентрациях токсичен и удушлив.

156

Неметановые органические соединения: бензол, толуол, этилбензол, винилхлорид, дихлорметан, трихлорэтилен, 1,2-цис-дихлорэтилен, тетрахлорэтилен. Эти компоненты широко присутствуют во многих предметах домашнего обихода или используются для их производства.

Биогаз обычно содержит 4–7 % водяного пара. Вследствие влажности отходов и повышенной по сравнению с окружающей средой температурой рабочего тела полигона образующийся газ насыщен водяным паром. Содержание пара в биогазе зависит от температуры окружающего пространства, наличия системы сбора газа, давления и условий складирования.

Хлорорганические вещества: трихлорэтен, тетрахлорэтен, толуол, этилбензол, хлорфенол содержатся не только в биогазе, но и в конденсате, образующемся в системах трубопроводов. Органический хлор при сжигании биогаза и смешении с водяным паром образует хлороводородную кислоту, которая обладает коррозионными свойствами. Источник загрязнения биогаза хлором – промышленные растворы дихлорметана и тетрахлорэтилена. Точная количественная характеристика содержания хлора в составе биогаза необходима для принятия мер по устранению или уменьшению коррозионного воздействия.

Присутствие силоксанов вызывает ряд серьезных проблем при использовании биогаза в качестве топлива.

К физическим свойствам биогаза относятся: плотность, вязкость, теплота сгорания, влажность, температура.

Плотность биогаза зависит от компонентного состава. Чем выше плотность отходов, тем выше теоретический выход биогаза.

ρ(СН4) = 0,714 10–4 кг/м3;

ρбиогаза = 1,07 10–4 кг/м3.

Вязкость – свойство, которое характеризует сопротивление движению внутри жидкости или газа. Абсолютная вязкость биогаза и метана составляет 1,15 10–5 Н с/м2 и 1,04 10–5 Н с/м2 соответственно.

Температура биогаза зависит от места складирования, глубины залегания и фазы разложения.

Очищенный от примесей биогаз имеет теплоту сгорания 1800–25100 кДж/м3, что составляет половинуаналогичного показателяприродного газа.

Влагосодержание в газе зависит от температуры и давления. Биогаз в среднем содержит 25–45 % влаги, основная часть которой поступает с отходами животного и растительного происхождения. Атмосферные осадки, поверхностные и подземные воды являются источником дополнительной влаги.

Компоненты биогаза обладают коррозионными свойствами и способны вызывать серьезные проблемы при его утилизации. Диоксид углерода и пары воды могут оказывать негативное влияние на газомоторные установки.

Свойства основных компонентов биогаза представлены в табл. 2.5.

157

Таблица 2.5

Свойства компонентов биогаза

Примечание. * – взрывчатость компонентов газа в смеси с воздухом указана для температуры 20 ° С и давления 1 атм в пределах верхней и нижней границы взрыва.

В целом свойства биогаза отличаются от свойств газов, входящих в его состав.

2.1.6. Негативное влияние биогаза на объекты окружающей среды и здоровье человека

Свалочные отложения представляют собой газогенерирующие объекты, загрязняющие атмосферный и подпочвенный воздух биогазом, состоящим из метана и углекислоты. Серьезную проблему представляет загорание отходов. Тлеющие отходы поставляют в атмосферу такие загрязняющие вещества, как диоксид серы, хлористый водород, оксиды азота, монооксид углерода, свинец, диоксины, фураны и другие. Потоками ветра эти вещества переносятся на большие расстояния. Образующаяся после горения зола ветровыми потоками также может выноситься за пределы территории полигона, приводя к загрязнению почвенного покрова, растительности и открытых водоемов. Проекты полигонов и технологические регламенты их эксплуатации либо не разрабатываются вообще, либо реализуются весьма неполно. Все это в комплексе вызывает резкое ухудшение их экологического и технического состояния, приводит фактически к стихийному сбросу ТБО, по сути представляющему собой полную противоположность принятой технологии захоронения отходов.

Таким образом, состояние объектов захоронения по России в целом можно охарактеризовать как неудовлетворительное, а многие из них могут быть отнесены к числу открытых свалок, интенсивно загрязняющих окружающую среду.

В зависимости от уровня образования биогаза свалочные тела подразделяются на:

– безопасные – свалочные грунты газохимически инертны, содержание метана в приземном слое менее 0,1 об. % и углекислого газа менее 0,5 об. %;

158

–потенциально опасные свалки – содержание метана в приземном слое более 0,1 об. % и углекислого газа более 0,5 об. %;

–опасные – содержание метана в приземном слое более 1,0 % и углекислого газа до 10 %;

–пожаровзрывоопасные – содержание метана более 5,0 % и углекислого газа более 10 % [144].

Поскольку биогаз содержит в своем составе ряд опасных компонентов, то его свободное распространение в окружающей среде может вызвать негативные эффекты локального и глобального масштаба.

Локальные последствия неконтролируемой эмиссии биогаза

Выделение неприятного запаха. Биогаз обладает типичным сладковатогнилостным запахом. Наряду со сложными эфирами жирных кислот и спиртами, входящими в состав биогаза, запах формируют сероводород и органические сернистые соединения (меркаптаны и сульфиды). Основные компоненты, вызывающие неприятный запах: сероводород, 2-пропандиол, 2-бутандиол, диметилсульфид, диметилдисульфид, диметилтрисульфид. Сернистые соединения имеют самые низкие пороговые значения запаха [198].

Запах может проявляться по всей территории полигона и зависит от доли свежих отходов, размера полигона и технологии захоронения. Целесообразно выделять четыре характерные области проявления запаха: по периметру строений; с поверхности свалки; контролируемые и неконтролируемые точки эмиссии газа (включая системы сжигания и использования); контролируемые и неконтролируемые системы отбора и наблюдения за фильтратом.

На распространение газа влияют местные климатические условия в области полигона.

Запах является одним из важнейших факторов, определяющих зону влияния полигона. При неблагоприятных погодных условиях он может распространяться в радиусе 2 км.

Воздействие на биоту. В процессе эмиссии из толщи свалки на поверх-

ность биогаз вытесняет воздух, присутствующий в верхних слоях отходов и укрывающей их почве. В результате этого у большинства растений, растущих в зонах интенсивной эмиссии, задерживается рост. Кроме того, они могут погибнуть из-за снижения количества кислорода в корнеобитаемом слое. Можно отметить следующие признаки угнетения растений под действием эмиссий биогаза, повышенного содержания тяжелых металлов в почве свалки: карликовый рост; сухость верхушки; утолщение основания ствола; пожелтевшие листья; раннее старение листа.

Причинойугнетениярастениймогутбытьитоксическиекомпонентыбиогаза. Влияние на здоровье человека. Накопление биогаза в замкнутых пространствах также опасно с токсикологической точки зрения. Известно много случаев

159

отравления при техническом обслуживании заглубленных инженерных коммуникаций, которые сопровождались смертельными исходами.

Биогаз состоит из более 100 компонентов с различными свойствами. По влиянию на здоровье человека составляющие биогаза можно разделить на инертные, к которым относятся метан, азот, водород, и ядовитые – углекислый и угарный газы, тяжелые углеводороды, сероводород [145]. Их вредное воздействие заключается в следующем.

Метан обладает способностью накапливаться до концентраций, вызывающих удушье.

Диоксид углерода в высоких концентрациях опасен для здоровья (при высоком содержании кислорода и CO2 >3 % через 0,5–1 ч происходит потеря сознания, а при 9 % CO2 через 5–10 мин наступает смерть).

Сероводород оказывает влияние на нервную систему, органы обоняния. При концентрации 0,04 % в течение 0,5–1 ч вызывает головокружение и одышку, а при 0,08 % в течение 5–10 мин – смерть.

Оксид углерода содержится в биогазе в следовых количествах, но при накоплении до концентрации 0,2 % вызывает одышку, судороги, потерю сознания, до 0,5 % в течение 5–10 мин – смерть.

Некоторые компоненты биогаза, содержащиеся в нем даже в малых количествах, канцерогенны или токсичны.

В большей степени опасности подвержены органы дыхания, осязания, зрения. Поступление биогаза в организм может вызывать удушье, одышку, потерю сознания, головокружение, а при длительном воздействии – смерть. Некоторые компоненты биогаза, содержащиеся в нем даже в малых количествах, канцерогенны или токсичны.

Свободное распространение биогаза приводит к загрязнению атмосферы прилежащих территорий токсичными и дурно пахнущими соединениями. Кроме того, неконтролируемые эмиссии биогаза могут вызывать последствия глобального масштаба [164].

Глобальное влияние биогаза на атмосферу

Полигоны ТБО являются значительными источниками эмиссии биогаза в атмосферу. Типичные городские свалки и полигоны по количеству выделяемого метана практически не уступают таким источникам метана, как разработка каменного угля и жизнедеятельности жвачных сельскохозяйственных животных. В последнее десятилетие мировая наука выяснила серьезное экологическое значение такой неконтролируемой эмиссии метана. Выяснилось, что метан, накапливающийся на определенных высотах в атмосфере Земли, приводит к выраженному парниковому эффекту и, как следствие, к постепенному потеплению климата планеты.

160