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

До последнего времени парниковый эффект связывался либо с запылением атмосферы, либо с повышением концентрации углекислого газа в ней. На сегодняшний день установлено, что молекулы метана обладают в 21 раз более сильным поглощающим эффектом для инфракрасного излучения, чем молекулы углекислого газа [165].

В условиях полигона ТБО период стабилизации газовыделения наступает после двухлетней выдержки отходов в толще полигона. Биогаз постепенно просачивается через тело полигона и поступает в атмосферу. Образование биогаза в слое отходов может продолжаться десятки и сотни лет. Эмиссия метана с полигонов по регионам РФ в последнее десятилетие составляет порядка

1,7–2,1 млрд м3 в год [145].

Содержание метана в атмосфере Земли с начала индустриальной эры выросло на 150 % и в настоящее время составляет около 5 Гт, причем это содержание является рекордным как минимум за последние 140 тыс. лет [165].

По некоторым сценариям, разработанным Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК), к 2100 году антропогенные выбросы увеличат содержание метана в атмосфере вдвое.

Время жизни метана в атмосфере составляет 9–15 лет, а выводится он из атмосферы в основном путем реакции с радикалом ОН*, образующимся в атмосфере в результате фотохимических реакций с озоном. Причем в процессе трансформацииметана прираспаде формальдегида образуетсяиуглекислый газ:

Являясь промежуточным продуктом, формальдегид распадается на СО, СО2, Н2. Конечный продукт фотохимического окисления метана – монооксид углерода (СО) – оказывает влияние на цикл озона в верхнем слое тропосферы.

Кроме того, в состав биогаза входят хлорфторзамещенные углеводороды (фреоны), которые также способны снижать количество озона. Попадая в стратосферу, они разрушаются, а атомы хлора, выделяющиеся при этом, взаимодействуют с озоном:

Образующийся монооксид хлора взаимодействует с атомами кислорода и восстанавливает хлор:

Затем возникает цепная реакция разрушения озона [145].

161

Кроме неблагоприятного воздействия на озоновый слой, хлорфторзамещенные углеводороды поглощают инфракрасное излучение, что может усугублять парниковый эффект. Это определяет необходимость безотлагательного решения проблемы биогаза, которая на сегодняшний день является одной из самых важных проблем охраны окружающей среды.

2.1.7. Минимизация воздействия полигонов ТБО на окружающую среду как побудительная причина развития системы управления метаногенезом

Основной целью управления метаногенезом является минимизация воздействий на окружающую среду, что означает в первую очередь снижение всех экологических рисков, возникающих в результате процесса метаногенеза как на глобальном, так и на локальном уровнях. Анализ экологических рисков, возникающих в связи с проявлениями метаногенеза, позволяет их сгруппировать по возможному воздействию на человека, биоту, опасности возникновения взрывов и пожаров, загрязнению атмосферного воздуха, выражающемуся в формировании парникового эффекта и разрушении озонового слоя, а также препятствию в инженерном освоении территорий, задолженных под свалки, полигоны, закрытые под прием отходов.

Методология системного анализа позволяет перевести многокритериальные задачи подобного рода в разряд структурированных, к решению которых уже можно приложить аппарат математического моделирования и выбора оптимальных решений. Для получения информации о взаимосвязи факторов или критериев в системном анализе используется экспертная оценка. Эксперты в значительной мере восполняют недостаток количественной информации относительно элементов системы. Поскольку полученная с помощью экспертов информация о воздействии полигона ТБО на окружающую среду имеет условный характер и шкала количественного определения признаков отсутствует, для принятия окончательного решения необходимо воспользоваться непараметрическими критериями или рангами.

Для определения основных направлений минимизации применима методология FMEA-анализа, которая позволяет анализировать и оценивать риски, разнородные по характеру и направлению воздействия, силе и времени проявления. В сочетании с методами экспертных оценок она широко используется для решения подобного рода задач в смежных областях науки и техники.

Методология предполагает оценку рисков проводить по ранговому показателю RPZ, который является произведением рангов, полученных при экспертной оценке объекта по частоте возникновения аварийных ситуаций, тяжести последствий и вероятности необнаружения. Применяя этот метод для ранжиро-

162

вания воздействия полигонов ТБО, целесообразно вместо параметра частоты возникновения аварийных ситуаций использовать параметр «продолжительность воздействия на окружающую среду». Тяжесть последствий для окружающей среды и человека определяется с учетом юридической ответственности за последствия. Ранжирование осуществляется методом парных сравнений, что дает возможность согласования соотношений между объектами с помощью подбора коэффициента аij [168, 173]:

–аij = 1, если i предпочтительнее j;

–аij = –1, если j предпочтительнее i;

–аij = 0, если i и j равноценны.

Ранжирование неблагоприятных воздействий метаногенеза с помощью FMEA-анализа проводилось на примере пермского полигона ТБО «Софроны». Это позволило определить показатель риска RPZ для каждого из воздействий и ранжировать их по времени воздействия (А), степени тяжести последствий (В) и вероятности необнаружения (С) (табл. 2.6). Ранги параметров определялись на основе экспертных оценок методом парных сравнений.

Таблица 2.6 Показатель RPZ для оценки воздействий биогаза на окружающую среду

Среди факторов риска от горящего полигона ТБО преобладают токсичные вещества, выделяющиеся в атмосферный воздух. При этом значение самого риска от полигона возрастает.

163

Для снижения степени риска, возникающего на вновь сооружаемых полигонах в связи с образованием биогаза, необходимо надежное инженернотехническое оснащение сооружения. Система управления полигоном должна быть спроектирована таким образом, чтобы величина RPZ снизилась до значений, не превышающих 100. Для выявления факторов, в наибольшей степени определяющих риски, связанные с биогазом, была построена диаграмма Иши-

кавы (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Диаграмма Ишикавы

С помощью этой диаграммы возможные причины эмиссий биогаза были проранжированы методом парного сравнения и построена кривая Парето (рис. 2.13). Для действующего полигона воздействие на окружающую среду определяется группой факторов, объединенных понятием «технические средства»: нарушение работы дренажных устройств, экранов и систем сбора биогаза (Г); нарушение системы мониторинга (Д); нарушение технологии складирования отходов (Е) и технологической дисциплины (В). Они, согласно принципу Парето, вызывают 80 % воздействий на окружающую среду.

Для минимизации опасности, связанной с нарушениями работы инженерных сетей полигона ТБО, необходимы мероприятия по снижению количества органического углерода в отходах, поступающих на захоронение.

Недостаточная эффективность существующих технологий снижения эмиссий загрязняющих веществ от свалок ТБО заключается в том, что все они направлены на уменьшение воздействия уже образовавшихся продуктов разложения и не влияют на процессы, происходящие в теле свалки.

Основные тенденции развития системы управления отходами свидетельствуют в пользу тех методов, которые комплексно воздействуют на процессы разложения ТБО на всех этапах жизненного цикла.

164

Рис. 2.13. Кривая Парето

Способы и технологии подготовки отходов к захоронению, дегазации и рекультивации полигона в условиях ограниченного финансирования – с одной стороны и ужесточения требований к использованию ресурсов – с другой должны выбираться в точном соответствии с этапом жизненного цикла полигона ТБО, его мощностью, климатическими особенностями региона [199, 200].

Критерии и граничные условия применения методов, позволяющих минимизировать экологические риски, вызванные образованием биогаза, могут быть определены на основе всестороннего анализа процессов метаногенеза, исследований химического состава и свойств газа.

2.2. Количественная оценка образования биогаза на полигонах захоронения ТБО

Оценкой эмиссий биогаза занимаются сравнительно недавно, закономерности метаногенеза в толще складированных отходов остаются недостаточно изученными. Кроме того, методы прямых полевых измерений достаточно сложны и дорогостоящи. В связи с этим высокоинформативные натурные эксперименты являются единичными. Поэтому основным инструментом исследований остается использование современного математического аппарата и математического моделирования процессов метаногенеза во времени с верификацией математических моделей и результатов расчета полученных с их помощью на основе данных экспериментальных исследований.

В настоящее время моделирование развивается в двух направлениях: для оценки диффузии и миграции биогаза через тело полигона на основе законов

165

гидравлики (в частности закона Дарси) и для оценки количества и скорости выделившегося газа. Кроме того, модели прогноза различаются между собой по точности расчета, его сложности и длительности.

Сначала 1980-х годов активно развивается моделирование процессов диффузии биогаза на основе теории переноса веществ с целью установления потоков эмиссий с поверхности [154, 155]. Модели переноса используют законы гидравлики, в частности закон Дарси. В настоящее время их применяют при проектировании систем сбора биогаза при условии, что количество образующегося газа определено стехиометрическим или иным путем.

Для оценки количества и скорости образования биогаза долгое время использовался стехиометрический подход, позволяющий определить теоретически возможный выход биогаза в результате полного разложения в идеальных условиях [1, 175]. Постепенно накапливающиеся эмпирические данные о процессах метаногенеза, о роли биоценозов и абиотических факторов в процессах разложения, развитие мониторинга, прогресса в математическом моделировании привели к созданию моделей биологического разложения. Эти модели основаны на исследованиях кинетики и динамики анаэробных процессов и разделении процесса разложения ТБО на три стадии: гидролиза, кислотообразования

иметаногенеза [144, 150]. Findikakis и Fadel [149] много лет работали над предварительной моделью и выводом формулы выхода газа как функции времени после захоронения отходов на полигоне. В основу расчетов были положены результаты определения уровня газообразования для отдельных разлагающихся компонентов в трех фазах: неметаногенной; активного метаногенеза; стабильного метаногенеза.

В России изучением метаногенеза занимались: Институт микробиологии РАН, Всероссийский институт ядерной геологии и геодезии, Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, фирма «Геополис», ГУП «Экотехпром». Для прогноза образования биогаза в настоящее время используются разновидности модели биологического разложения [73, 194].

Сразвитием технологии захоронения и изменениями в области захоронения ТБО в конце 90-х годов в моделировании появился многофазный подход с целью создания комплексных, или мультиплетных, моделей прогноза, учитывающих взаимодействие между газом, жидкостью и твердой фазой. В России в Институте водных проблем РАН В.А. Вавилин, М.Ю. Щелканов, Л.Я. Локшина разрабатывали модель активной биохимической среды [159]. 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 наблюдениям за эмиссиями метана, предпринятым в мире в последние десятилетия, наряду со сложными подходами к оценке эмиссий появились простые модели, основанные на статистических

166

исследованиях. Примером такого подхода может служить способ оценки эмиссий, разработанный US EPA [160]. Количество выделившегося метана определяется взависимостиотобщегоколичествазахороненныхотходовW (т).

Несмотря на то, что в целом методология оценки эмиссий парниковых газов, в число которых входит метан, образующийся на полигонах ТБО, развивается и совершенствуется, методика оценки эмиссий биогаза с полигонов ТБО носит рекомендательный характер, как в России, так и за рубежом. Существующие модели в вычислительном отношении остаются весьма громоздкими

ипредъявляют высокие требования к качеству исходных данных. Отсутствуют

иметодики определения некоторых ключевых параметров: содержания органического углерода, метанового потенциала, константы разложения.

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

Моделирование, как метод исследования, состоит из трех общих уровней: создание содержательной теории или гипотизы; интерпретация содержания в виде формальной системы – математической зависимости; разработка метода, с помощьюкоторого можно наметить путирешенияотдельных задач.

Для описания процессов разложения отходов целесообразно применить теорию, основные принципы которой заложены P. Brunner и развиты в работах В.Н. Коротаева.

Осуществление и завершение жизненного цикла ТБО происходит в рамках глобального природно-ресурсного цикла и является его неотъемлемой частью [162].

Отходы, размещаемые в окружающей среде, ассимилируются путем метаболизма в естественные геологические субстанции – торф, каменный уголь, гидроксиды, сульфиты и др. Эмиссии, сопровождающие процесс ассимиляции, по величине и продолжительности наносимого ущерба значительно превышают соответствующие показатели по другим стадиям жизненного цикла ТБО.

Основное воздействие ТБО на окружающую среду в процессе ассимиляции связано с микробиологическими процессами и биохимическими реакциями, проходящими в 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 заканчивающейся утилизацией кислот в результате образования метана

идиоксида углерода.

Для понимания природы моделей образования биогаза на полигоне необходимо знать свойства объекта и определить параметры, благодаря которым устанавливается аналогия между моделью и действительностью. Знание свойств объ-

167

вают приемлемую сходимость результатов прогноза и реальных значений эмиссий. М. El-Fadel и M. Massoud [172] провели сравнительную оценку эмиссий метана теоретическими и экспериментальными методами. Полевые измерения уровня биогаза в скважинах показали, что прогноз, выполненный на основе модели биоразложения, соответствует реальным значениям эмиссий.

Процесс биологического разложения обычно описывается кинетическим уравнением первого порядка [149, 151, 173]:

где С0 – начальное содержание органического вещества; k – константа скорости процесса (год–1 ).

На основе этого общего выражения можно определить объем (или массу) биогаза V(t), образованного полной массой отходов за время t, как функцию максимального объема биогаза, генерированного единицей массы отходов в единицу времени:

В разных странах для прогноза образования биогаза используются разновидности уравнения описания процессов разложения отходов в дифференцированном или интегрированном виде (табл. 2.7). Как правило, они учитывают константы скорости разложения отдельных компонентов на соответствующих стадиях анаэробного процесса [156, 160].

Коэффициент полураспада k1 = 1/t1/2 (1/год) – параметр, относящийся к точке во времени, когда ожидается максимальный уровень соответствующей стадии разложения компонента – ацетогенеза или метаногенеза [48]. Считается, что период стабилизации газовыделения наступает после двухлетней выдержки отходов в толще полигона. Поэтому коэффициент полураспада определяют как величину, обратную времени с момента закрытия полигона [172] или с момента, когда условия для метаногенеза установились [175]. Считается, что 71–77 % целлюлозы разлагается на последних этапах жизненного цикла полигона и образует 90 % общего количества метана, биоразлагаемая часть отходов большинством авторов разделяется на три фракции, с разными периодами полураспада t (год): сахара, жиры, протеины – 1 год, k = 1; садовые отходы – 5 лет, k = 0,2;

целлюлоза, лигнин – 15 лет, k = 0,067 [151, 158].

Другим базовым параметром многих моделей биоразложения является метановый потенциал отходов (L0).

Метановый потенциал – это количество метана, выделяемое 1 т отходов данного морфологического состава.

169

Значение метанового потенциала трудно определить эмпирически. Оно может иметь величину от 6,2 до 270 м3 СН4/т ТБО в зависимости от содержания органического компонента и условий разложения. Вследствие этого большинство исследователей устанавливают его различными теоретическими способами или принимают усредненное эмпирическое значение.

Максимальный метановый потенциал может определяться с помощью ускоренного биотеста [151] с учетом всех видов ТБО или только с учетом целлюлозы, как преобладающей фракции. Объем образующегося метана определяется в лабораторных условиях за 60-дневный период по методике, аналогичной методике определения БПК. Он может быть также рассчитан стехиометрически [176].

Тем не менее не существует единого мнения о величине метанового потенциала отходов в целом и морфологических компонентов в частности. Tabasaran, Findikakis [149] указывали величину 150–200 м3/т ТБО, Ваrlaz – 35 м3/т

сухих отходов [151]. Большая разница между показателями может быть результатом излишней формализации в использовании большого количества данных, необходимых для теоретических вычислений. Лабораторные тесты, как правило, не позволяют достичь полного разложения ТБО, особенно трудноразлагаемых фракций, таких как древесина, целлюлоза, что также ведет к искажению реальных показателей.

Некоторые модели первого порядка определяют количество образуемого биогаза в зависимости от содержания в отходах разлагаемого органического углерода (degradable organic carbon – DOC).

Содержание такого углерода в отходах может быть определено по формуле,

предложенной Bingemer и Crutzen [154]:

парковых и других непищевых отходов, %; С – содержание пищевых отходов, %; D – дерево и т.п. отходы, %.

В целом оба параметра – метановый потенциал и содержание разлагаемого углерода – отражают один из главных факторов в процессе образования биогаза – морфологию отходов. Точность прогноза будет зависеть от возможности их правильного определения.

Многообразиерасчетных моделей, основанных науравнении (2.15), отсутствие единой методики определения их основных параметров свидетельствуют о сложности прогнозирования эмиссий биогаза, большом числе локальных факторов, влияющих на результаты, и необходимости уточнения расчетных коэффициентов с учетом особенностейместностиисложившейсясистемыуправленияотходами.

Различные модели биологического разложения используют это уравнение в дифференциальном или интегральном виде. Уравнение первого порядка явля-

170