Управление отходами. Полигонные технологии захоронения твердых бытов

Следовательно, при полном разложении теряется 75 % биоразлагаемой массы и лишь четверть массы переходит в грунтовый материал. Уравнение (4.7), описывающее количество биоразлагаемой массы, оставшееся в рабочем теле полигона, в общемвиде сучетом формулы (4.8) преобразуется следующим образом:

следовательно, масса заскладированных в теле полигона биоразлагаемых составляющих m = 0, 25m0 + ∆ m= 0,5m0 . Частные случаи уравнения (4.9) представле-

ны в табл. 4.17.

Таблица 4.17

Оценка количества оставшейся в рабочем теле полигона массы биоразлагаемой составляющей ТБО в зависимости от категории отходов и условий разложения

Располагая информацией о морфологическом составе захороненных отходов, временем полураспада их отдельных компонентов [45], изложенным выше математическим аппаратом, можно рассчитать доли содержания отдельных компонентов отходов на каждый заданный промежуток времени и, соответственно, абсолютные значения их убывания. Подробные расчеты были проведены нами для гипотетического полигона [51].

Результаты расчета ресурсного потенциала рабочего тела полигона приведены в сводной табл. 4.18.

211

Таблица 4.18

Сводная таблица оценки ПТБО и ресурсного потенциала рабочего тела полигона для различных временных промежутков

Примечание. * – для заскладированных отходов.

Энергетическая составляющая рабочего тела полигона ТБО со временем может вырасти за счет образования биогаза. Содержание в ТБО пищевых отходов, растительных остатков, бумаги, текстиля, древесины и других органических фракций определяет количество образующегося биогаза, концентрацию в нем метана. Характер процессов разложения ТБО в толще полигона, скорость их протекания, количество образующегося на разных стадиях биогаза, его состав и продолжительность выделения зависят от множества факторов.

В начальный период процесс разложения ТБО обычно носит кислый характер. Он наблюдается в верхних слоях отходов и протекает в аэробных условиях за счет кислорода, содержащегося в пустотах и проникающего из атмосферы. В дальнейшем (через 1–1,5 года с момента складирования), по мере естественного и механического уплотнения отходов, усиливаются анаэробные

212

процессы разложения с постоянным образованием биогаза. Затем, если не нарушаются условия складирования ТБО, стабилизируется процесс анаэробного разложения отходов с постоянным по объему выделением биогаза фактически одного газового состава. Характерным признаком наступления этой фазы является наличие более 50 % метана в пробах биогаза. Для расчета количества образующегося биогаза можно принять следующие исходные данные:

–удельный выход биогаза принят 120 м3 на тонну ТБО;

–плотность биогаза составляет 1,248 кг/м3; фаза активного образования принимается 20 лет, за этот период выделяется 0,21862 млн т биогаза;

–фаза активного образования принимается 20 лет, в этот период реализуется до 50 % объема биогаза, удельный выход биогаза составляет 3,0 м3 ст ТБО в год;

–срок полного разложения органической части отходов принят 50 лет, таким образом, после 20-летней выдержки ТБО в теле полигона наступает пассивная фаза метаногенеза, в течение которой удельный выход биогаза составит 2,0 м3 с тонны ТБО в год.

Составляющая грунтовых материалов в РТП увеличивается, так как по технологии складирования для изоляции ТБО используются почвогрунтовые материалы. Объемиспользуемыхгрунтовыхматериаловсоставляет1,4 млнм3 (2,52 млнт).

Рис. 4.7. Динамика ресурсного потенциала рабочего тела полигона

На рис. 4.7 представлена динамика изменения ресурсного потенциала твердых бытовых отходов и рабочего тела полигона.

4.3.3.Рекуперация ресурсов при захоронении ТБО

Сточки зрения ресурсного цикла рабочее тело полигона обладает потенциалом вторичных материальных ресурсов, причем существующие на сегодняшний день в Российской Федерации схемы обращения с ТБО и технологии рекультивации полигонов исключают возможность его использования. Разработка принципов управления свалочным грунтом базируется на анализе ресурс-

213

ных циклов, включающих природные, антропогенные и технологические элементы жизненного цикла ТБО. Анализ технологического цикла полигона захоронения в составе ресурсного цикла позволяет рассматривать полигон как объект, на котором происходит трансформация (качественное и количественное изменение) отходов или их переработка, приводящая к появлению нового продукта – технического почвогрунта.

Принципиальная схема движения природных ресурсов и получения вторичных материальных ресурсов (ВМР) на объектах захоронения ТБО приведена на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Принципиальная схема образования вторичных материальных ресурсов в пределах рабочего тела полигонов ТБО

Если рассматривать площадку полигона как земельный ресурс, биогеохимический цикл которого занимает сотни лет, то рациональное использование данного ресурса сводится к обоснованному сокращению его потребления или повторному использованию за счет рекуперации (от латинского recuperatio – обратное получение, возвращение части материалов или энергии для повторного использования в том же технологическом процессе). Для площадок захоронения ТБО наибольший интерес представляет использование данного ресурса в аналогичном технологическом цикле – для повторного захоронения отходов.

На рис. 4.9 предложена функциональная модель многократного использования площадки захоронения отходов.

Во всем мире свалки, закрытые для приема ТБО, являются наиболее типичными нарушениями урбанизированных территорий. Использовать территории закрытых полигонов возможно не ранее чем через 10–15 лет после закрытия, и то, как правило, в лесотехническом направлении. В настоящее время существует опыт использования таких земель в различных градостроительных

214

направлениях [52–53]. С точки зрения дальнейшего освоения площадок, занятых свалками и полигонами, их можно разделить на две категории: расположенные в городской черте либо в зоне перспективного развития города и не попадающие в таковую.

* – полимеры можно рассматривать двояко: и как ВС, и как энергоресурс; ** – является возобновляемым природным ресурсом.

Рис. 4.9. Функциональная модель многократного использования площадки захоронения ТБО

Вторая категория, фактически бросовые земли, представляет особый интерес, поскольку имеется необходимость в захоронении ТБО в условиях роста спроса на земельные участки и имеется уже задолженная территория, занятая свалкой, с сопутствующей инфраструктурой, которая уже не отвечает нормативным требованиям времени, нуждается в санации.

Экскавация свалочного грунта, с последующим его разделением на составляющие, сортировка и сепарация, с выделением вторичного сырья (черный и цветной металл), энергетических ресурсных материалов (полимеры, дерево и др. горючие материалы) и технических почвогрунтов, позволили бы использовать большую часть аккумулированного в рабочем теле полигона потенциала и освободить земельные площади для повторного цикла использования – захоронения новых объемов ТБО.

В целом рекуперация площадок захоронения ТБО позволит: продлить время эксплуатации отведенных для захоронения ТБО территорий и тем самым избежать отвода новых земель и их загрязнение; использовать вторичные материальные ресурсы (ВМР), аккумулированные в свалочном теле, в том числе технические почвогрунты для пересыпки ТБО и рекультивации объекта

215

захоронения, и тем самым исключить разработку карьеров грунта; санировать старые свалки, не отвечающие нормативным требованиям; сократить затраты на стадии инвестиций, капитальные и эксплуатационные затраты.

Проведенные исследования и анализ свалочного грунта объектов захоронения ТБО г. Перми длительного складирования позволили:

– установить, что рабочее тело полигона обладает ресурсным потенциалом ВМР, который складывается из потенциала вторичного сырья – ПРТПВС , энергети-

ческого – ПЭРТП и возобновляемого ресурсного потенциала – потенциала технического почвогрунта ПТГРТП . Потенциал вторичного сырья характеризуется долей

i-х кондиционных материалов, которые могут быть извлечены из свалочного грунта РТП и использованы в качестве вторичного сырья; в качестве элементов, характеризующих энергетический потенциал, рассматриваются биогаз, вырабатываемый рабочим телом полигона, и компоненты свалочного грунта, которые могут иметь практическое применение в качестве топлива; потенциал технических почвогрунтов характеризуется теми компонентами свалочного грунта, которые можно использовать как аналоги природных почвогрунтов;

–используя формулы (4.5) и (4.6), табл. 4.10 и 4.18, количественно оценить составляющие ресурсного потенциала РТП;

–получить закономерности изменения биоразлагаемой массы в рабочем теле полигона от времени складирования (формула (4.9), см. табл. 4.15);

–установить, что при полном разложении теряется 75 % биоразлагаемой массы и лишь четверть массы переходит в почвогрунт;

–получить зависимости изменения составляющих ресурсного потенциала РТП от времени складирования;

–количественно оценить ресурсный потенциал РТП на разных стадиях жизненного цикла объекта захоронения ТБО (см. табл. 4.18);

–разработать функциональную модель многократного использования площадки захоронения ТБО (см. рис. 4.9).

4.4.Рекуперация площадок захоронения ТБО

Внастоящее время для урбанизированных территорий характерным является одновременное наличие нескольких объектов складирования твердых бытовых отходов, как эксплуатируемых, так и старых закрытых. Если процессы управления полигонами ТБО как сложными инженерно-техническими и природными системами в достаточной мере определены, то в отношении старых городских свалок использование площадок, закрытых для приема новых порций отходов, нет общепринятых решений.

216

В природных экосистемах отходы не накапливаются, а разлагаются и рециклизуются, включаясь в природные круговороты. Человечество раньше избавлялось от отходов за счет таких же природных процессов, но научнотехнический прогресс привел к тому, что в настоящее время в окружающую среду поступает огромное количество отходов, превосходящее возможности естественных экосистем. Проблему усугубляет производство все большего количества веществ (видов и объемов), которые разрушаются с трудом в результате естественных процессов (в природе нет соответствующих детритофагов и редуцентов).

Решение проблемы самого существования старых свалок может быть различным. Оно напрямую зависит от местоположения объекта, его общего экологического состояния и степени воздействия на природные системы, прямого или опосредованного влияния на здоровье и образ жизни населения, перспективности для вторичной переработки. Существующая практика освобождения территорий закрытых свалок для использования – экскавация рабочего тела старой свалки и, далее, вывоз для перезахоронения на новом месте. В результате на перезахоронение уходит весь объем рабочего тела старой свалки, т.е. занимается какая-то другая площадка, загрязняются другие земли и фактически решение проблемы просто откладывается.

Решением создавшегося противоречия между растущим потоком отходов, направляемых на захоронение, и трудностями в отведении почвы участков для размещения вновь создаваемых полигонов захоронения ТБО на период до реализации стратегии «ноль отходов для захоронения» могла бы быть разработка методических подходов и их реализация путем повторного или многократного использования (рекуперации) площадок захоронения ТБО.

Как показали проведенные нами исследования [51] и анализ литературы, возможно управление сроком службы площадок полигона и повторного ее использования путем рециркуляции на основе реализации ряда управляющих воздействий.

4.4.1. Управление сроком службы площадки полигона

Одним из условий при выборе площадки под строительство полигона является срок его эксплуатации; как правило, эксплуатационный цикл находится в пределах от 15 до 25 лет. Набор сооружений в комплексе «полигон ТБО» индивидуален для каждой конкретной площадки, тем не менее в качестве типичных можно выделить следующие узлы:

1)массив захоронения отходов – рабочее тело полигона (РТП);

2)сопутствующие сооружения: ограждающие защитные, очистные, сооружения хозяйственного назначения;

3)инфраструктура, транспортная сеть.

217

Поскольку назначение площадки – захоронение максимально возможного количества ТБО, то использование земельных ресурсов под сопутствующие сооружения, как правило, минимизируется, поэтому увеличить срок эксплуатации конкретной площадки возможно за счет участка размещения РТП при относительной статичности остальных узлов.

Объекты управления. Для массива захоронения можно выделить следующие элементы управления:

1)количество складируемых отходов: масса МТБО, объем VТБО;

2)геометрический объем рабочего тела – VРТП;

3)технология складирования: степень уплотнения отходов, их плотность. Объем поступающих на захоронение отходов VТБО зависит от удельных

норм образования, которые, в свою очередь, зависят от социально-экономичес- ких условий, а также от численности проживающего на территории населения, принятой системы сбора, доли перерабатываемых отходов (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Схема формирования входного потока ТБО

Как видно из рисунка, количественно оценить объем поступающих на захоронение отходов VТБО можно по формуле

где vТБО – удельные нормы образования ТБО, м3/чел. в год; С1 – коэффициент роста удельных норм накопления, б/р, С1 > 0; С2 – коэффициент роста населения, б/р, С2 > 0; N – численность обслуживаемого населения, чел.; С3 – коэффи-

218

циент сбора ТБО (учитывает долю отбираемого на стадии сбора вторичного сырья), б/р, 0 < С3 ≤ 1; С4 – коэффициент переработки отходов, 0 < С4 ≤ 1.

Объем массива захоронения на конкретной площади зависит от высоты складирования VРТП = f (H) и является суммой объемов складируемых ТБО и изолирующих слоев грунта. Технология складирования предполагает операции как с ТБО (предварительная обработка, уплотнение), так и с материалом изолирующих слоев – замену природных почвогрунтов, например инертными материалами. Увеличение срока службы площадки возможно за счет:

–уменьшения количества поступающих на захоронение отходов;

–увеличения полезной емкости рабочего тела массива ТБО.

Достижение этого возможно посредством уплотнения ТБО, интенсификации процессов разложения, предварительной сортировки (с выделением ВМР), захоронения с использованием стабилизированных отходов или инертных отходов и т.п.

Основные подсистемы, факторы и причинно-следственные отношения.

В соответствии с поставленной целью для массива захоронения ТБО можно выделить следующие подсистемы:

1)количество складируемых отходов;

2)технологические параметры РТП;

3)объем изолирующего грунта.

Кподсистеме 1 относятся составные части ТБО: подверженная биологическому разложению, инертная и металлы (ВС).

Кподсистеме 2 относятся плотность сложения ТБО, высота складирования, площадь основания РТП.

Кподсистеме 3 относятся высота изолирующих грунтовых слоев и материал изоляции.

Эти подсистемы взаимосвязаны между собой и влияют друг на друга. При анализе предметной области были выделены следующие факторы, которые необходимо учесть при моделировании: рост количества ТБО и эволюция (изменение состава) ТБО, которые рассматриваются в качестве главных регуляторов. В качестве ограничения выступает свободная земля, пригодная для использования.

Описание модели. Объем рабочего тела полигона равен проектной емкости полигона и определяется формулой [54]

где V ТБО – объем складируемых ТБО, м3; V ИГ – объем грунта изолирующих слоев, м3. V ИГ = V ТБО (1 – 1/K), где K – коэффициент, учитывающий объем изолирующих слоев в зависимости от высоты (Н) складирования, б/р, K {1,16; 1,18; 1,2; 1,22; 1,25; 1,27; 1,37}.

219

В результате процессов (физических, химических, биохимических), протекающих в рабочем теле полигона, происходит уменьшение объема:

бом случае (даже и в случае полной ассимиляции) останется какой-то объем материалов скачественными характеристиками, отличными от характеристики ТБО.

В общем виде объем рабочего тела полигона можно представить как сумму объемов:

VБРТБО = δБРV ТБО (δ БР – объемная доля биоразлагаемых составляющих в ТБО).

Известно, что уменьшение количества заскладированных ТБО происходит в основном за счет биодеградируемой части, поэтому при рассмотрении изменений объема рабочего тела полигона будем исходить из следующего: заскладированные ТБО есть двухкомпонентная система, причем одна составляющая – разлагаема и подвержена изменениям, а вторая – статична, с течением времени не изменяется, т.е.:

1) изменения объема металлов не значительны – ими можно пренебречь, и с течением времени объем инертной и металлической составляющей заскла-

220