книги / Физико-химические процессы в техносфере
..pdfДля выявления характера и интенсивности загрязнения окружающей среды была проведена типизация предприятий, учитывающая технологические характеристики объектов, геолого-гидро- геологические и инженерно-геологические условия территорий их размещения. Геолого-гидрогеологические и инженерно-экологические условия территорий для размещения полигонов рассмотрены сточки зрениястепени защищенностиокружающей среды.
К наиболее важным критериям инженерно-экологической классификации территорий расположения промышленных предприятий относятся: строение и мощность зоны аэрации; наличие юрского регионального водоупора; наличие водоносных горизонтов, залегающих выше питьевых горизонтов. Определяющий признак типизации предприятий – степень экологической опасности их воздействия на окружающую среду:
I – потенциально опасные участки характеризуются отсутствием или песчаным составом зоны аэрации, регионального юрского водоупора и спорадическим распространением местного водоупора, близким залеганием водоносных горизонтов, наличием в санитар- но-защитной зоне социально значимых объектов;
II – участки средней экологической опасности характеризуются песчаным составом пород зоны аэрации, невыдержанностью по мощности и площади водоупорных горизонтов, наличием в сани- тарно-защитной зоне субаквальных ландшафтов, гумусированных почв, социальных объектов, водозаборных сооружений, неблагоприятным геоморфологическим расположением;
III – участки относительно безопасные характеризуются наличием в зоне аэрации слабопроницаемых водоупорных грунтов и защищенностью основных водоносных горизонтов (региональные и местные водоупоры), отсутствием селитебных объектов, водозаборных сооружений, природоохранных территорий в санитарнозащитных зонах (СЗЗ), наличием благоприятных ландшафтногеоморфологических условий и т.д.
51
Контрольные вопросы
1.Приведите зависимости, характеризующие изменения давления и температуры с высотой, опишите причины этих изменений.
2.Охарактеризуйте основные потоки энергии и факторы, их определяющие, в радиационном балансе Земли.
3.Охарактеризуйте глобальные и локальные особенности циркуляции атмосферного воздуха.
4.Приведите примеры процессов, которые способствуют сле-
дующим изменениям концентрации атмосферной примеси: а) снижению; б) сохранению на прежнем уровне; в) увеличению.
52
3.МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ
ВТЕХНОСФЕРЕ
3.1. Стадии биодеструкции
При декомпозиции задачи по биохимическим процессам, протекающим в техносфере, можно использовать модель анаэробного биореактора, в котором основные биохимические реакции под воздействием поступающих атмосферных осадков, техногенного влияния промышленности и участия живого вещества трансформируют техносферу. Процесс биоразложения можно описать с помощью многофазной модели биохимических реакций.
В качестве базовой модели выступает закон неразрывности потока с учетом диффузионного влияния [34]:
∂ (ω(x,t)β(x,t)) |
− (D(x,t) β (x,t)) − q(x,t)β (x,t) = R, (3.1) |
|
∂t |
||
|
где t (0,T ) – временная переменная; x Ω – пространственная
переменная; ω(х,t) – влажность массива; β(х,t) – концентрация веществ в фильтрате; D (х,t) – диффузионно-фильтрационный тензор
(d × d) , q(х,t) – функция Дарси.
Левая часть уравнения (3.1) характеризует закон сохранения массы с учетом разницы, возникающей за счет нарушения балансовых процессов, протекающих в результате биодеструкции отходов, вводится оператор R (правая часть уравнения), опиcывающий некоторое произвольное множество, сущность которого – в балансе материального уравнения (возможное изменение массы вещества за счет физических и биохимических процессов).
Согласно исследованиям [35] начальная стадия биодеструкции отходов протекает в аэробных условиях. При исчерпании молеку-
53
лярного кислорода и накоплении диоксида углерода создаются анаэробные условия, характеризующиеся переходом рН среды из кислой в щелочную и стабилизацией качественного состава жидкой фазы при существенном снижении показателей ХПК и БПК5 и концентраций ионов тяжелых металлов в составе фильтрата.
Биохимические (окислительно-восстановительные) реакции, протекающие во внутренних слоях полигона ТБО, схематично можно представить в следующем виде [38]:
СхНуОz N + (x + y / 4 + z / 3 + 3 / 4)O2 → |
|
→ xCO2 + (y − 3) / 2H2O + NH3 + H |
(3.2) |
СхНуОz N + NH3 + O2 → С5Н7 NО2 + CO2 + H
При дальнейшем протекании окислительных процессов в массиве ТБО происходит трансформация клеточного вещества:
С5 |
Н7 NО2 + 5O2 |
→ NH3 + 5CO2 |
+ 3H2O + H |
(3.3) |
|
NH3 + O2 → HNO2 + O2 → HNO3 |
|||
|
|
На типичной свалке процесс аэробного окисления чаще всего заканчивается образованием и накоплением высоких концентраций жирных кислот. В органической фракции к этому времени достигается соотношение C / N > 55.
Анаэробная биодеградация требует присутствия микроорганизмов разных видов, входящих в состав смешанных популяций. Группа гидролитических или ацидогенных бактерий обеспечивает начальный гидролиз субстрата до низкомолекулярных органических кислот и других соединений: уксусной, пропионовой, масляной, капроновой кислоты, метанола, этанола, глицерина, целлюлозы, водорода, метана. Гетероацентогенные бактерии продуцируют уксусную кислоту и водород. Конверсия отдельных органических соединений протекает в соответствии с химическими реакциями
C2H5COOH + 2H2O → CH3COOH + CO2 |
+ 3H2 |
(3.4) |
|
C3H7COOH + 2H2O → 2CH3COOH + |
2H2 |
||
|
54
Метаногенные бактерии синтезируют метан в результате восстановления метильной группы уксусной кислоты и метилового спирта:
CH3COOH → CH4 + CO2
(3.5)
4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O
Обобщая результаты влияния процедур увлажнения и уплотнения на массив ТБО в процессе анаэробного биохимического разложения отходов, получили эмпирическую зависимость влагопотребления ТБО в процессе биохимического разложения ТБО от времени их размещения на полигоне [62] методом графической аппроксимации:
ωполнач |
|
|
37,5 при ωотн ≥ 37,5, |
|
(3.6) |
= |
−5 |
ρначkупл ωотн при ωотн < |
37,5, |
||
|
10 |
|
|
где ωначпол – влажность ТБО после их уплотнения при захоронении на полигоне ТБО, % об.; ρнач – плотность поступающих на полигон ТБО, кг/м3; ωотн – относительная влажность поступающих на поли-
гон ТБО, мас.%; 37,5 – полевая влагоемкостъ ТБО, % об.
В результате получена формула расчета величины удельного среднегодового потребления влаги ТБО в процессе биохимического разложения, м3/т ТБО в год [62]:
БХ = 0,0192 е–0,1818τ, |
(3.7) |
где τ – возраст отходов в массиве полигона, лет.
Анализ результатов, полученных при проведении расчетов образования фильтрата проектируемого полигона г. Березники Пермского края, показал необходимость учета образования отжимной влаги ТБО и потребления влаги в процессе биохимического разложения ТБО (23,3–29,2 % и 0,4–18,8 % от величины инфильтрации атмосферных осадков в массив отходов соответственно) [62], что подтверждает принудительную подачу воды на карты ТБО (например, в результате рециркуляции фильтрата).
55
В связи с этим особое внимание уделяется процедуре управления полигоном ТБО при помощи рециркуляции фильтрата. Технология многократной рециркуляции фильтрата через тело полигона приводит к тому, что массив полигона начинает работать как анаэробный реактор, в котором стабилизируются процессы и сокращается жизненный цикл полигона ТБО. Поэтому особое внимание уделяется модели анаэробного биореактора. Процесс анаэробного разложения (ферментации) [64] имеет целый ряд существенных преимуществ перед другими способами обработки органических отходов. Первые модели этого класса были стационарными, основанными на теории непрерывного культивирования, использующей соотношение Моно [63] для описания взаимодействия между концентрацией субстрата и скоростью роста, которые впоследствии были расширены до динамических. Процесс биодеструкции органических отходов состоит из последовательно протекающих стадий
(рис. 3.1).
Рис. 3.1. Стадии биодеструкции отходов
56
При рассмотрении стехиометрии и кинетики процессов биодеструкции отходов дадим количественную оценку биодеструкции ТБО: расходные (стехиометрические) коэффициенты балансовых уравнений в виде матричной формы [74]
ij |
{ |
S } |
, |
{ |
R} |
, |
(3.8) |
Γ |
,i 1,..., N |
|
j 1,..., N |
|
где NS – количество химических соединений, NR – количество реакций. Молекулярную форму матрицы, отражающей химический со-
став компонентов, опишем как
A = (a1,...aNS ) RNE × NS ,
где NS – количество химических соединений; NE – количество элементов химических реакций.
Таким образом, общее уравнение мультикомпонентной модели записано следующим образом [34]:
∂ (ω(x,t)βi (x,t)) |
− (D(x,t) βi (x,t) − q(x,t)βi (x,t)) = |
|
|
||
∂t |
||
(3.9) |
||
|
||
|
NR |
|
|
= ω(x,t) γij Rj . |
|
|
j=1 |
Без учета диффузионно-фильтрационных процессов уравнение (3.9) запишется в виде
∂ (ω(x,t)βi (x,t)) |
NR |
|
|
|
= ω(x,t) γij Rj . |
(3.10) |
|
∂t |
|||
j=1 |
|
Далее исследована кинетическая модель биохимических реакций. Кинетическая модель представляет собой соотношения скорости роста биомассы и влияния на нее комплекса факторов почвенного массива.
Моделью первого порядка, описывающей рост биомассы, является автокаталитическое соотношение, задаваемое выражением
57
ddсt = μс,
где с – концентрация организмов, моль/л; t – время, сут.; μ – удельная скорость роста, сут.–1.
Моно обнаружил, что удельная скорость роста Rr не является истинно постоянной, а зависит от концентрации некоторого лимитирующего вещества [63], и описал эту зависимость при помощи гиперболической функции, представленной в уравнении
|
c |
|
|
|
Rr = −μmax |
|
|
, |
(3.11) |
|
||||
ks + c |
|
|
где μmax – максимальная удельная скорость роста, сут.–1; с – концен-
трация субстрата; ks – коэффициент насыщения, моль/л.
Развитием модели Моно явилась модель Моно–Иерусалимско- го [45]. Изменение концентрации вещества со временем по данной модели представлено как
dс |
= μ |
|
с |
|
kp |
, |
(3.12) |
|
dt |
max |
ks + c kp + P |
||||||
|
|
|
где Р – концентрация продукта метаболизма; ks – коэффициент насыщения питательного субстрата, моль/л; kр – коэффициент насыщения продукта метаболизма, моль/л.
Известны модели, учитывающие физико-химические факторы окружающей среды, описывающие влияние рН на продукты метаболизма.
Ряд моделей кинетики роста биомассы разработан на основе различныхпо сложности схем обобщенныхферментативныхреакций:
→
e + s ks [es] kp → e + p , (3.13)
←
k − s
где е – фермент; s – субстрат; [es] – фермент-субстратный комплекс; p – продукт реакции; k – кинетический коэффициент.
58
Скорость потребления субстрата с формированием двуокиси углерода и метана может быть выражена через скорость роста организмов при помощи стехиометрического уравнения и выражения, определяющего скорость роста (3.12), (3.13):
dс |
= −Y |
dS , |
(3.14) |
dt |
с/ S dt |
|
|
QCH4 = DV YCH4 /с μс, |
(3.15) |
||
RB |
= YCO2 /с μс, |
(3.16) |
где QCH4 – скорость производства метана, л/сут.; D – объем 1 моля
газа; V – объем жидкости в реакторе.
При описании кинетики моделей биодеструкции субстрата на системах ПТО можно воспользоваться моделью процесса анаэробной биодеструкции целлюлозосодержащих отходов на основе кинетического уравнения первого порядка
dc |
= k c, |
(3.17) |
|
dt |
|||
|
|
где с– концентрацияорганических веществ; k – константа скорости. Процессы деструкции могут быть представлены следующей
биохимической моделью:
nC6H10O5 → nC6H12O6 → nC2H4O2 |
+ n биомасса→ nСO2 + nCH4 . (3.18) |
гидролиз ацетогенез |
метаногенез |
Формирование эмиссий может быть описано двумя последовательно протекающими реакциями
k1 k2
A → B → C
↓
n C6H12O6 (ж) → n C2H4O2 (ж) → n CO2 (г) + n CH4 (г)
ацетогенез метаногенез
59
Изменение эмиссии загрязняющих веществ и биогаза может быть определено на основе кинетического последовательной реакции первого порядка:
– dA / dt = k1 A , – dC / dt = k2 B ,
где k1 – константа скорости реакции в фазе ацетогенеза; k2 – константа скорости реакции в фазе метаногенеза.
Модель может быть использована для расчета эмиссий биогаза на различных этапах жизненного цикла: на стадии рекультивации при k2 >> k1 величиной k1 можно пренебречь. Расчет основан на следующих допущениях: общее время разложения определяется временем распада медленноразлагаемых фракций; температура и рН среды рассматриваются в диапазоне значений, оптимальных для метаногенеза; содержание метана в биогенезе составляет 50 %; активная фаза метаногенеза наступает через 2 года после формирования анаэробных условий [46]. Ценность данной модели заключается
втом, что время разложения отходов на объекте их депонирования зависит от их влажности. Для быстроразлагаемых и медленноразлагаемых отходов скорости биодеструкции фактически одинаковы,
вто время как для трудноили медленноразлагаемых фракций (таких как целлюлозосодержащие компоненты) увлажнение этих отходов увеличивает скорость реакции в фазе метаногенеза и скорость биодеструкции более чем в 2,2 раза.
Химическая реакция, протекающая в жидкой фазе полигона ТБО, между растворенной двуокисью углерода и бикарбонатом будет представлена в виде уравнения
(CO2 )D + H2O ↔ H+ + HCO3− , |
(3.19) |
где (CO2)D – концентрация растворенной двуокиси углерода, моль/л; (HCO3-) – концентрация бикарбоната, моль/л.
Согласно [45] модель работает в ограниченном диапазоне рН от 6 до 8.
60