Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твер

Этот подход, основанный на статистическом анализе данных 22 американских полигонов, по мнению самих авторов, имеет ряд недостатков. Во-первых, невелика точность оценки – ±15…20 %, особенно для малых полигонов. Во-вторых, модель основана на данных, полученных при рекуперации выделившегося метана, которые по отношению к метанообразованию являются косвенными. Поэтому такой способ расчета может использоваться лишь для приблезительных оценок общей эмиссии метанас полигонов в масштабе регионов.

Альтернативной моделью расчета является модель расчета воздушных эмиссий полигона (Landfill Air Emission Estimation model) [159]. Она базируется на уравнении первого порядка в следующем виде:

отходов; Lо – потенциал генерации метана; t – текущий год; с – время, прошедшее с момента закрытия полигона (для действующих полигонов с = 0); k – константа скорости распада 1-го порядка (1/год).

US EPA рекомендует принимать Lо = 170 м3/т; k = 0,04 при уровне осадков более 635 мм, k = 0,02 при уровне осадков менее 635 мм.

Модель LandGEM разработана в виде программнгого продукта на основе уравнения (2.50) и позволяет определить общий объем метана, выделяемого тонной ТБО в момент времени t [10, 143]:

где G – генерация биогаза полигона, т/год; W – отходы на площадке, т; Lо – потенциал генерации метана, м3/т; t – время от начала размещения отходов, годы; t1 – время между размещением отходов и началом регенерации биогаза, годы; k – константа скорости распада 1-го порядка год–1 ; s – фазовая константа увелечения скорости распада первого порядка, год–1 .

С помощью этой модели можно рассчитать величину максимальных ожидаемых эмиссий биогаза (по параметрам Clean Air Act, 1990 (САА): k = 0,05 год–1 ; Lо = 100 м3/т) и так называемых типичных эмиссий (параметры Air Pollution Emission Factor 1995: k = 0,04 год–1 ; Lо = 170 м3/т).

Прогноз эмиссий по параметрам, характерным для конкретного полигона, возможен в том случае, если полигон оборудован скважинами, позволяющими определить поток метана, и точно известен состав складируемых ТБО, в частности содержание органически разлагаемого углерода. Для расчета константы разложения (k) необходимо знать количество и диаметр газосборных скважин, радиус их влияния, а для расчета метанового потенциала, Lо, необходимы полевые измерения потока метана в скважинах.

181

Необходимо отметить, что значения эмиссий, полученных по уравнению (2.58), могут отличаться от действительных на 38–200 % из-за особенностей, присущих каждому отдельному полигону. Однако многими исследователями отмечается приемлемая сходимость результатов экспериментов на реальных полигонах с данными, полученными с помощью этой модели.

Согласно расчетам образования биогаза, выполненным P. Aprili, M. Bergonzoni, Cecchini, P. Neri [202] по методу LandGEM, одной тонной твердых отхо-

дов в течение первых 30 лет эксплуатации полигоноа Поятика (Poiatica) производится 201 м3 биогаза. Органическая составляющая отходов на полигоне составляет 77 % общей массы, 1 т органических отходов образует 250 нм3 биогаза, содержание метана в биогазе 55 %, плотность отходов – 0,8 т/м3. В этих условиях константа генерации метана k = 0,089 1/год, потенциал генерации метана Lо = 106 м3/т.

Особенности российских полигонов захоронения ТБО не позволяют использовать модель LandGEM без изменений, учитывающих высокое содержание активного углерода в отходах и повсеместное отсутствие систем дегазации. Поэтому достоверное определение численных значений константы скорости генерации метана k и потенциала генерации метана Lо представляет определенные трудности.

Была проведена верификация параметров по значениям k и Lо в соответствии с фактическими данными, характеризующими состояние городской свалки г. Перми «Софроны». Среднегодовое поступление ТБО составляет 247,7 тыс. т. Массив ТБО сложен из разновозрастных отходов смешанной морфологии (бумага – 22,5 %; стекло – 17,2 %; пищевые отходы – 10,5 %; текстиль, дерево, кости –

400 мм/год. Для нашего климатического района с годовым максимальным количеством осадков 600–700 мм/год k должна иметь величину 0,07–0,09.

При этом значения метанового потенциала Lо в российских условиях должны быть не менее 170 м3/т. Для полигона «Софроны» принято 170 м3/т в соответствии с рекомендациями АР-42. Результаты расчета эмиссий представлены на рис. 2.15. Значения эмиссий, которые могут быть получены при использовании этой модели, в большой степени зависят от качества вводимых исходных данных.

Помимо константы разложения метанового потенциала, величины которых на большинстве российских полигонов можно установить лишь теоретически, необходимо иметь точную информацию о ежегодном поступлении отходов на захоронение в течение всего периода эксплуатации.

182

Большинство российских полигонов эксплуатируются десятки лет. Часто время начала эксплуатации установлено приблизительно, а год закрытия определен с точностью в 5–10 лет. Мониторинг состояния окружающей среды отсутствует. В таких условиях применение модели LandGEM оправданно только для оценки общих эмиссий и времени воздействия полигона на окружающую среду (правая часть кривой).

Рис. 2.15. Эмиссия СН4 с полигона «Софроны» с использованием уточненных параметров модели LandGem

Расчет эмиссий биогаза на полигонах захоронения ТБО в Австрии

иГермании

ВАвстрии и Германии при исследовании полигонов и разработке проектов дегазации используется модель расчета эмиссий биогаза, разработанная

Tabasarau – Retenberger [153, 183, 193].

Математическое уравнение разложения 1-го порядка имеет вид

гдеGt – количество газа, которое может образовываться за время t из1 тТБО (нм3). Величина Ge определяется по формуле

где Со – содержание органического углерода в отходах, кг/т ТБО; Е – температура, ° С, принимается для ограниченной области температур от 25 до 40 ° С.

Константа разложения k назначается равной 0,025 или 0,06, так как считается, что 75 % отходов разлагаются в период от 24 до 12 лет.

183

В реальных условиях полигона ТБО образуется лишь часть теоретически возможного количества биогаза. Газообразование рассчитывается с учетом поправочных коэффициентов по формуле, предложенной Weber [46]:

где М – количество отходов, т; Со – содержание органического углерода в отходах, кг/т ТБО; fао – коэффициент, принимаемый при послойном уплотнении 2-метровыми слоями и заделке отвалов по краям 0,95 и 0,8 – при заделке тонкими слоями; fа коэффициент разложения, учитывающий содержание в отходах неразлагаемого и трудноразлогаемого углерода, принимаемый 0,7; fа – фактор регистрации, учитывающийналичие или отсутствие систем дегазации на полигоне (показывает соотношение между собранным системой газом и фактическим его количеством); k – коэффициент разложения первого порядка, принимается по литературным данным от 0,05 до 0,15; t – время разложения.

Величина фактора регистрации принимается следующим образом:

–fs = 0,0…0,1 – полигоны без систем дегазации;

–fs = 0,1…0,2 – пассивная дегазация;

–fs = 0,25…0,5 – активная дегазация;

–fs = 0,3…0,7 – активно-пассивная дегазация;

–fs = 0,7…1,0 – загерметизированный полигон.

Для примера приведем расчеты образования биогаза на полигонах «Люнебург» в Германии и «Корнебург» в Австрии.

Новый полигон ТБО «Люнебург» заложен в 1989 году рядом со старым, существовавшим с 1959 по 1986 год площадью 12 га. С 2002 года отходы подвергаются предварительной механико-биологической обработке [201].

Количество отходов, которое будет размещаться на полигоне, принято по согласованию со службой эксплуатации с учетом плотности укладки.

Ежегодное поступление определено таким образом, чтобы В 2046 году был достигнут нетто-объем окончательной формы хранилища в 4 960 323 м3.

Втабл. 2.8 показаны значения основных расчетных параметров полигона. Полигон «Корнебург» в Нижней Австрии емкостью 290 тыс. м3 (266 тыс. т)

отходов эксплуатировался с 1970 по 1999 год. Прогноз выполнялся для оценки газоносного потенциала полигона и определения возможности его использования в качестве источника электроэнергии. Согласно прогнозу максимальное количество газа образовалось на полигоне в 1991 году и составило 39,4 млн нм3.

При использовании модели Tabasaran – Retenberger – Weber возникают определенные трудности. Они связаны с определением количества биологически разлагаемого углерода и отсутствием в большинстве случаев практических данных о приеме отходов в течение трех лет эксплуатации, когда технологический контроль на полигоне отсутствовал.

184

Таблица 2.8

Расчетные параметры для прогноза количества биогаза на полигоне «Люнебург»

Таблица 2.9

Расчетные параметры для прогноза количества биогаза на полигоне «Корнебург» в Нижней Австрии

Кнедостаткам этой модели можно отнести отсутствие определенности

вназначении коэффициента разложения fа и константы разложения k, которые назначаются без расчета и должного обоснования. Необходима также поправка

к значению коэффициента укладки fао, так как при послойном уплотнении, применяемом в России, минимально возможная плотность укладки составляет 0,45 т/м3 при массе бульдозера или катка 3–6 т, а максимально возможная – 0,84 т/м3 примассе бульдозера 20–22 тиначальной плотности 0,15–0,3 т/м3 [11].

Расчет эмиссии биогаза по методике АКХ им. К.Д. Памфилова

В настоящее время для прогноза образования биогаза используется методика, разработанная Академией коммунального хозяйства (АКХ) им. К.Д. Памфилова (2005 год).

185

Расчет выбросов газообразных загрязняющих веществ в атмосферный воздух в данной методике приводится для нормального режима эксплуатации полигона ТБО и ПО.

Удельный выход биогаза за период его активной стабилизированной генерации при метановом брожении определяется уравнением

R, Ж, У и Б определяются анализами отбираемых проб отходов.

Жиры и белки определяются по стандартным методикам аналитического анализа (жиры – экстрагированием, белки – с применением гидролиза). Методика определения углеводов описана в трудах АКХ им. К.Д. Памфилова «Методика исследования свойств твердых отбросов» [143].

Уравнение (2.54) составлено применительно к абсолютно сухому веществу отходов.

В реальных условиях отходы содержат определенное количество влаги, которая сама по себе биогаз не генерирует. Следовательно, выход биогаза, отнесенный к единице веса реальных влажных отходов, будет меньше, чем отнесенный к той же единице абсолютно сухих отходов в 10–2 (100 – W) раз, так как в весовой единице влажных отходов абсолютно сухих отходов, генерирующих биогаз, будет всего 10–2 (100 – W) от этой единицы. Здесь W – фактическая влажность отходов, %, определенная анализами проб отходов.

С учетом вышесказанного уравнение выхода биогаза при метановом бро-

где Qt2 – удельный выход биогаза за период активного выхода, кг/кг отходов; W – средняя влажность отходов, %;

R – содержание органической составляющей в отходах, на сухую массу, %; Ж – содержание жироподобных веществ в органике отходов, %; У – содержание углеводоподобных веществ в органике отходов, %; Б – содержание белковых веществ в органике отходов, %.

W, R, Ж, У и Б определяются анализами отбираемых проб отходов.

186

Сомножитель 10–2 (100 – W) учитывает, какова доля абсолютно сухих отходов, для которых составлено уравнение (2.54), в общем количестве реальных влажных отходов.

Расчет выбросов биогаза ведется для условий стабилизированного процесса разложения при максимальном выходе биогаза (в период четвертой фазы).

Стабилизация процесса газовыделения наступает спустя в среднем два года после захоронения отходов.

Период активного выхода биогаза составляет в среднем 20 лет. За это время генерируется около 80 % от общего количества биогаза, получаемого с одной тонны отходов.

Для учета мощности слоя залегания отходов вводятся поправочные коэффициенты. При максимальной высоте полигона 4 м количество выбрасываемого биогаза умножается на коэффициент 0,5, а при высоте от 2 до 4 м эта величина умножается на коэффициент 0,4.

Количественный выход биогаза за год (кг/т отходов в год), отнесенный к одной тонне отходов, можно определить по формулам:

где Qt1 – удельный выход биогаза, м3/т отходов; Qt 2 – удельный выход биогаза, кг/кг

отходов; rбг – плотность биогаза, кг/м3; t – период стабилизированного активного выхода биогаза, год.

Общее количество биогаза (кг), выделившегося за период с начала эксплуатации полигона до момента расчета, определяется по формуле

где Рt об – количество отходов, завезенных на полигон за период с начала экс-

плуатации полигона до момента расчета, минус количество отходов, завезенное

за последние два года, т; tэкспл – время эксплуатации полигона, год.

Состав биогаза и концентрации компонентов в нем определяются анализами проб биогаза, отобранных в нескольких точках по площади полигона на глубине 0,5–1 м.

Плотность биогаза (кг/м3) определяется по закону аддитивности как средневзвешенная величина из плотностей всех его компонентов:

187

где Cбг – содержание i-го компонента в биогазе, весовые %;

ri – плотность i-го компонента биогаза, кг/м3; п – количество компонентов в биогазе.

Средняя плотность биогаза составляет обычно 0,95–0,98 плотности воздуха, т.е. при плотности воздуха 1,2928 кг/м3 средняя плотность биогаза составит:

1,2928 · 0,965 = 1,24755 кг/м3.

С другой стороны, связь плотности биогаза, концентраций в нем компонентов и их весового процентного содержания, %, определяется формулой

где Ci – концентрация i-го компонента в биогазе, мг/м3.

Решая совместно уравнения (2.63) и (2.64), получим формулу для определения плотности биогаза, кг/м3:

Рассчитав удельный годовой выход биогаза и весовое процентное содержание компонентов в биогазе, можно определить удельные массы компонентов (кг/т отходов в год), выбрасываемые в год, по формуле

Зная количество отходов, завозимое ежегодно на полигон, и удельные массы компонентов биогаза, выбрасываемые в год, можно определить максимальные разовые выбросы загрязняющих веществ с полигона, г/с:

tэкспл

Руд.г ∑ Рtj

где Ptj – количество отходов, завезенное в j-й год, т; tэкспл – продолжительность эксплуатации полигона со времени открытия до момента расчета.

В том случае, если период эксплуатации полигона превышает длительность четвертой фазы распада органики отходов, вместо tэкспл в формулу (2.67) подставляется продолжительность четвертой фазы.

Валовые выбросы вредных веществ, т/год, определяются с учетом среднего коэффициента неравномерности образования биогаза в теплое и холодное время, равного 1,3:

Прогноз образования биогаза по этой методике выполнен в ПНИПУ при разработке проекта рекультивации эксплуатируемого полигона«Софроны» г. Перми.

Рис. 2.16. Динамика образования биогаза на полигоне «Софроны»

189

2.3.Управление метаногенезом

2.3.1.Технологии управления метаногенезом

Управление метаногенезом позволяет эффективно регулировать и снижать эмиссию загрязняющих веществ при захоронении ТБО. Комплексная переработка ТБО, аэробная стабилизация, увлажнение и орошение полигона, а также дегазация являются взаимосвязанными инструментами управления метаногенезом на всех этапах жизненного цикла полигона. При регулировании входных параметров системы путем всесторонней подготовки к депонированию ТБО эмиссии на выходе значительно уменьшаются, в результате чего снижаются затраты на эксплуатацию полигона, сокращается период негативного воздействия полигона на все объекты окружающей среды. При отсутствии предварительной подготовки отходов возникает необходимость устройства сложных систем сбора и отвода биогаза, а также ведения мониторинга загрязнения атмосферного воздуха. Управление входными параметрами при захоронении ТБО позволит как интенсифицировать процессы газообразования или сократить объем выделения из отходов биогаза, так и замедлить или частично подавить процессы метаногенеза при необходимости.

К инструментам управления метаногенезом относятся следующие технологические приемы:

–предварительная механическая и биологическая переработка ТБО (сортировка, измельчение);

–брикетирование отходов;

–компостирование отходов;

–аэробная стабилизация массива отходов;

–рециркуляция фильтрата, орошение массива отходов.

Переработка ТБО

Механическая и биологическая предварительная обработка ТБО позволяет управлять основными факторами, ответственными за эмиссии полигона. Устранение биоразлагающихся компонентов, окисление неорганических материалов, изменение плотности отходов, снижение содержания влаги позволяют значительно сократить образование биогаза в массиве отходов.

При эксплуатации полигона, на котором захороненные ТБО не проходят биологическую и механическую предварительную обработку, эффективным способом ускорения процессов разложения может служить активация окислительных процессов в верхних слоях отходов путем продувки воздухом в сочетании

сэкскавацией старых, разложившихся отходов.

Внаибольшей степени экологическим и экономическим требованиям соответствует технология комплексной механико-биологической обработки ТБО, по-

190