книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
..pdfМинистерство образования Российской Федерации Пермский государственный технический университет
Вайсман Я. И., Вайсман О. Я., Максимова С. В.
УПРАВЛЕНИЕ МЕТАН0ГЕНЕ30М
НА ПОЛИГОНАХ
ТВВ>ДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
ПЕРМЬ
2003
ББК 20.18 В 12 УДК 628.4
Рецензенты:
Абрамов Н. Ф., к.т.н., начальник отдела санитарной
очистки городов Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова.
Закиров 3. Г., д.т.н., профессор, ФГУП Межотраслевой научно-исследовательский
институт экологии топливно-энергетического комплекса (МНИИ ЭКО ТЭК).
В монографии исследуются процессы метаногенеза на полигонах твердых бытовых отходов и их воздействие на окружающую среду. Приведены результаты исследований полигонов Пермской области, Германии, Нижней Австрии. Разработаны методические основы управления метаногенезом для решения задач освоения задолженных террито рий, занятых закрытыми для приема ТБО полигонами, на основе дифференцированного подхода к управлению метаногенезом с учетом мощности полигонов, морфологии и свойств захороненных отходов, этапа жизненного цикла и сложившейся инфраструктуры. Рассмотрены современные методы комплексной переработки и термического обезвре живания ТБО с целью регулирования их морфологическо го состава; системы сбора и переработки биогаза при эксп луатации полигонов ТБО; эффективные системы монито ринга в период рекультивации. Разработана методология оценки эмиссий биогаза со свалочных тел.
Книга предназначена для работников жилищно-комму нального хозяйства, научных, учебных, проектных, при родоохранных организаций и организаций санитарно-эпи демиологического надзора, студентов и аспирантов.
ISBN 5-93824-023-9
© Пермский государственный технический университет, 2003
ВВЕДЕНИЕ
Свалки и полигоны твердых бытовых орсодов (ТБО), находящиеся на раз ной фазе жизненного цикла, различные по морфологическому составу и объе му отходов, площади захоронения, высоте и геометрии тела, распространены повсеместно и занимают большие территории. Захоронение ТБО всегда со провождается долговременными эмиссиями загрязняющих веществ и безвоз вратной потерей вторичных материальных ресурсов. В населенном пункте чис ленностью 100 тыс. жителей ежегодно образуется 37 тыс. т ТБО, задалживается 0,65 га рекреационных земель для их депонирования и затрачивается около 9 млн. руб. на санитарную очистку от ТБО. Протекающие в рабочем теле полигона физико-механические, физико-химические и биологические процессы приводят к образованию биогаза, фильтрата и просадке. В резуль тате этого полигоны в течение многих десятилетий остаются источником заг рязнения окружающей среды. Территория, занимаемая полигонами и свалка ми ТБО, является опасной и надолго исключается из хозяйственного исполь зования.
Анализ состояния проблемы захоронения ТБО в Пермской области пока зал, что дальнейшее депонирование не может осуществляться без учета воз действий полигонов на окружающую среду в отдаленной перспективе.
Наибольшую опасность представляют неуправляемые эмиссии биогаза, которые могут привести к неблагоприятным локальным (взрывы, пожары, вли яние на здоровье персонала, на санитарные условия жизни населения приле гающих территорий, угнетение растительности, размножение насекомых, птиц, грызунов) и глобальным (разрушение озонового слоя, парниковый эффект) последствиям.
Динамика процессов метаногенеза, происходящих при разложении ТБО, должна учитываться при разработке стратегии депонирования отходов. Пред лагаемые нам1(1 подходы к анализу полигонов ТБО, с точки зрения управления
метаногенезом, позволяют сформировать стратегию и соответствующую тех ническую и инвестиционную политику с учетом направления рекультивации и последующего использования территории. В зависимости от выбранной стра тегии (минимизация или сокращение периода эмиссий, утилизация биогаза с целью получения энергии, эксплуатация или закрытие полигона) может быть выбрана схема финансирования инженерно-технических мероприятий и оп ределены соответствующие затраты.
Управление метаногенезом включает диагностику полигона, прогноз эмис сий, предварительную обработку ТБО, соответствующие системы дегазации и мониторинга. В книге рассмотрены различные способы регулирования мета ногенеза, принятые в мировой практике, типичные проблемы, возникающие на полигонах ТБО, связанные с биогазом.
Основной принцип управления метаногенезом на полигонах ТБО — мини мизация и сокращение периода эмиссий биогаза. Анализ суммарного эколо го-экономического ущерба на каждую тонну ТБО, захороняемую на полигоне, показал, что с целью минимизации образования биогаза наиболее целесооб разно управлять качеством и количеством отходов, направляемых на захоро нение.
Проведенные нами исследования показали, что при отсутствии техничес кой или финансовой возможности управления свойствами отходов, поступаю щих на депонирование, затраты на дегазацию и восстановление территории
з
повышаются. Если отходы подвергаются всесторонней подготовке к депони рованию, эмиссии на выходе значительно уменьшаются и дальнейшая эксп луатация и рекультивация полигона требует минимального финансирования.
На стадии активного выделемя биогаза освоение территорий для рекреа ционного использования, промыиленного, транспортного или гражданского строительства хотя и возможно, но требует больших затрат по применению активных методов дегазации. Утилязация биогаза в качестве энергоносителя не окупает вложенных средств. По мере затухания метаногенеза затраты уменьшаются, но фаза ожидания уровня эмиссий, при котором можно ограни читься системами аварийной сигнализации, часто оказывается весьма дли тельной. Управление метаногенезои позволяет прогнозировать и контроли ровать эмиссии, регулировать продолжительность эмиссий и определять вре мя безопасного освоения рекультивированной территории свалок в различных народнохозяйственных направлениях.
При анализе путей и возможностей реализации различных сценариев уп равления метаногенезом необходимо учитывать закономерности процессов разложения отходов, присущий им длительный жизненный цикл.
В основе управления скоростью разложения отходов, геометрией поверх ности захоронения, периодом выделения сточных еод и биогаза лежит диаг
ностика свалочного тела и анализ закономерностей образования, движения и накопления биогаза. Большую роль играют методы прогнозирования эмиссий биогаза. Основным инструментом оценки эмиссий свалочных газов как в Рос сии, так и за рубежом остаются теоретические методы прогноза, базирующи еся на математическом моделировании. Математические модели, которые ис пользуются для оценки эмиссий биогаза с полигонов твердых бытовых отхо дов в Европе и США, не всегда применимы в условиях Российской Федерации из-за отсутствия предварительной подготовки отходов перед захоронением, учета длительности воздействия складированных отходов на окружающую сре ду. Анализ этих методов позволил предложить метод прогноза образования биогаза с учетом специфики российских полигонов.
Управление такими объектами, как полигоны для захоронения ТБО, осу ществляется, как правило, в условиях недостаточности информации. При вы боре методов управления метаногенезом необходимо учитывать как суще ствующее состояние полигона, так и долгосрочные перспективы и последствия принимаемых решений. Поэтому выбор метода и технологии управления ме таногенезом (предварительное озоление, компостирование отходов с высо ким содержанием биологически разлагаемого углерода, обработка тела свал ки фильтратом, пассивная или активная дегазация и т.д.) является сложной технико-экономической задачей, связанной с учетом разнородных, иногда не сопоставимых по значимости факторов.
Решение такой задачи возможно с помощью математико-статистических методов в сочетании с эвристическими, которые находят в последние годы все более широкое признание у математиков, экономистов и экологов, полу чив, в частности, развитие в стандартах ISO 14000. Эти методы применены нами с учетом специфики решения экологических задач при оценке взаимо связи факторов, обусловливающих воздействие полигонов ТБО на окружаю щую среду, решения многокритериальной задачи выбора систем дегазации.
Активное управление метаногенезом, включающее диагностику состоя ния свалочных тел и научно обоснованный выбор соответствующего комплек са мероприятий, позволяет преобразовать закрытые санитарные полигоны в полноценную территорию, пригодную в том числе и под интенсивное строи тельство, предотвратить необоснованное изъятие и задалживание земель и поэтапно приблизиться к инертному телу свалки, безопасному для окружаю щей среды.
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОГЕНЕЗОМ НА ПОЛИГОНАХ ЗАХОРОНЕНИЯ ТБО
1.1.Предпосылки развития методов
итехнологий управления метаногенезом
Сдоисторических времен свалки твердых бытовых от ходов (ТБО) являлись непременными спутниками населен ных мест. На первом этапе развития методов и технологий захоронения ТБО действовал простой принцип «собрать и вывезти». Лишь к концу XX века были разработаны мето ды обезвреживания отходов и соответствующая законода тельная база, благодаря которым произошла замена неор ганизованных, неконтролируемых свалок на усовершен
ствованны е инж енерны е сооруж ения — полигоны захоронения ТБО, оборудуемые системами дегазации и противофильтрационной защитой [1].
Внастоящее время во всех развитых странах сложилась законодательная и нормативная база, регулирующая про ектирование, эксплуатацию и рекультивацию полигонов (табл. 1.1). Полигоны классифицируются по степени тех нической оснащенности, потенциалу опасности и исполь зования для производства электроэнергии [2]. Разработа на методология оценки жизненного цикла полигона (LCA), которая рекомендуется стандартами ISO/DIS 14040 [3].
Накопленные за последние десятилетия знания в облас ти охраны окружающей среды, а также принятая миро вым сообществом стратегия устойчивого развития приве ли к формированию новой политики в области захороне ния отходов, направленной на всестороннее снижение эмиссий загрязняющих веществ с полигонов ТБО.
Внастоящее время в мировой практике существует две концепции достижения этой цели: концепция «вечного за-
Таблица 1.1
Основные законодательные требования к полигонам захоронения ТБО в разны х странах [2]
|
Наименование |
|
Законодательные требования |
Страна |
основного нормативного |
|
|
|
документа |
|
|
Великобритания |
|
- |
лицензирование предприятий по |
|
|
управлению ТБО (обязательным усло |
|
|
|
вием выдачи лицензии является утвер |
|
|
|
ждение на этапе планирования, в ко |
|
|
|
тором принимает участие население) |
|
|
|
- |
проектирование, строительство, |
|
|
эксплуатация полигонов; |
|
|
|
- |
закрытие полигонов |
Страны ЕС |
Draft European |
- |
проектирование, строительство, |
|
Union Directives, |
эксплуатация полигонов; |
|
|
ISO 5667-1,2. |
- |
закрытие полигонов; |
|
1991. |
- |
контроль метана, образующего |
|
|
ся на полигонах; |
|
|
|
- |
сокращение органического уг |
|
|
лерода путем предварительной обра |
|
|
|
ботки отходов до их захоронения на |
|
|
|
полигоне |
|
США |
Federal Register, |
- |
расположение участка для захо |
|
part II. |
ронения отходов; |
|
|
EPA, 40 CFR, part |
- |
проектирование и эксплуатация |
|
257,258 . Solid |
полигонов; |
|
|
Waste Disposal |
- |
мониторинг грунтовых вод; |
|
Facility |
- |
закрытие полигонов и финанси |
|
Criteria.1991. |
рование пострекультивационного пе |
|
|
|
риода |
|
Россия |
Федеральный |
- |
определение места строитель |
|
закон |
ства (выбор площадки осуществляет |
|
|
«Об отходах |
ся на основе геологических, гидроло |
|
|
производства |
гических и др. исследований); |
|
|
и потребления» |
- |
проведение мониторинга состо |
|
|
яния окружающей природной среды; |
|
|
|
- |
контроль за состоянием поли |
|
|
гона после его закрытия и воздействи |
|
|
|
ем его на окружающую среду; |
|
|
|
- |
проведение работ по восстанов |
|
|
лению нарушенных земель |
хоронения» [4] и концепция полигона ТБО как биологи ческого реактора [5].
Концепция «вечного захоронения» заключается в ши роком использовании системы раздельного сбора отходов в местах их образования и термическом обезвреживании неутилизируемых фракций ТБО. Основная идея концеп ции заключается в запрещении размещения на полигоне не обезвреженных термическими методами отходов.
Сторонники второй концепции предлагают управлять полигоном как биологическим реактором, в котором про исходит разложение органических веществ определенным микробоценозом. Регулируя количество и качество биораз лагаемого субстрата (органического углерода и др.) на вхо де в реактор, можно управлять выходом конечного про дукта и эмиссией загрязняющих веществ. При этом воз действие на окружающую среду будет минимальным, если содержание органических веществ в ТБО не превышает 5%. Достижение такого уровня органики требует значитель ных финансовых затрат даже в развитых странах. Более реальным представляется уровень 7—9% [6, 7], однако и он труднодостижим. В настоящее время Директива ЕС пред писывает всем государствам —членам ЕС разрабатывать национальную стратегию, обеспечивающую снижение ко личества биоразлагаемых отходов, направляемых на по лигон. Стратегия опирается на такие мероприятия, как претритмент и рециклинг [8].
Процедура снижения должна быть осуществлена не по зднее 2016 года в три этапа: снижение массы биоразлагае мых отходов в течение 5 лет должно достигнуть 25%, в течение 8 лет —50%, не позднее чем через 15 лет —75%.
ВРоссии задача уменьшения потока органических ве ществ, направляемых на захоронение, решается недоста точно эффективно.,
Внастоящее время в Московской области имеются только два объекта, которые отвечают требованиям Европейского сообщества к полигонам по захоронению ТБО: полигон «Икша» и полигон «Хметьево» [9].
Инфраструктура переработки ТБО в России существен но проще, чем в Европе. Более 90% всех отходов после сбора вывозятся на свалки и полигоны без какой-либо пред варительной обработки. По данным Государственного док
лада «О состоянии окружающей природной среды Россий ской Федерации», из 130 млн. т твердых бытовых отхо дов, образованных в 1998 году, только 3,6 % перерабаты вается промышленными методами, остальные вывозятся на полигоны ТБО и свалки [11].
Наиболее благополучная ситуация складывается в Мос кве, где ГП «Экотехпром» разработало перспективную схе му санитарной очистки города с перегрузкой ТБО на мусорбперегрузочных станциях (МПС). Схема предусматрива ет ввод в эксплуатацию семи МПС, трех дополнительных полигонов (Пушкино, Раменское, Одинцово), мусоросжи гательных и мусороперерабатывающих заводов [10].
Закон «Об охране окружающей среды», Государствен ная программа «Отходы» и ряд нормативных документов предусматривают снижение объемов образования отходов и экологически безопасное их размещение. Однако техни ческая политика, направленная на восстановление и пос ледующее освоение задолженных под свалки и полигоны ТБО территорий, еще не сложилась.
При инженерном освоении территорий закрытых сва лок и полигонов ТБО особенно большие трудности возни кают в связи с проявлениями метаногенеза в ходе процес са анаэробного разложения ТБО, который пока остается неуправляемым и плохо предсказуемым.
В настоящее время отсутствуют общие методические под ходы, позволяющие регулировать процесс метаногенеза.
Вместе с тем, целенаправленное изучение основных пара метров процесса разложения ТБО, определяющих его фак торов, разработка и внедрение технологий переработки ТБО и систем дегазации позволяют прогнозировать объем обра зования газа и эффективно управлять метаногенезом на основных этапах движения отходов.
При управлении метаногенезом должны использовать ся методы комплексной переработки и термического обез вреживания с целью регулирования морфологического состава ТБО при формировании потока отходов; систе мы уплотнения ТБО, формирования водного режима, си стемы сбора и переработки биогаза при эксплуатации полигонов ТБО; современные биотехнологические мето ды и эффективные системы мониторинга в период ре культивации.
Проведенный анализ состояния проблемы метаногенеза на полигонах захоронения ТБО в развитых странах, Мос ковской области, а также проведенные нами исследования на полигонах Пермской области («Софроны», «Голый мыс», г. Пермь, «Страшная гора», Пермский район), Германии (полигоны г. Ганновера, Висбадена, Люнебурга), Нижней Австрии позволили разработать методические основы уп равления метаногенезом для решения задач освоения задолженных территорий, занятых закрытыми для приема ТБО полигонами. Они базируются на дифференцирован ном подходе к полигонам ТБО с учетом их мощности, мор фологии и свойств захороненных отходов, этапа жизнен ного цикла и сложившейся инфраструктуры. Выбор комп лекса оптимальных технических и биотехнических мероприятий по управлению метаногенезом осуществлял ся с помощью комплексного эколого-экономического кри терия, обеспечивающего экологическую безопасность и оптимизацию затрат на восстановление народнохозяйствен ной ценности территорий закрытых для приема ТБО сва лочных тел.
Развитие системы управления метаногенезом является элементом экономически и социально обоснованной рефор мы действующей системы управления отходами. Комплек сный подход к управлению метаногенезом на всех этапах жизненного цикла полигонов ТБО позволяет в максималь но короткие сроки, с разумными затратами минимизиро вать негативные воздействия на окружающую среду. Воз вращение рекультивированной территории полигона с со ответствую щ ими экологическим и и инж енерны м и характеристиками в градостроительную среду будет сви детельствовать об успешном достижении поставленной цели.
1.2. Классификация полигонов ТБО как источников образования метана
Быстрая урбанизация и недостаточный в течение мно гих лет контроль за состоянием природной среды привели к тому, что в пределах крупных городов в карьерах, овра гах и других естественных понижениях рельефа образова лись стихийные или контролируемые свалки, которые впос
ледствии засыпались грунтом или просто зарастали расти тельностью и превращались в пустыри.
Объекты захоронения ТБО, находящиеся на разных эта пах жизненного цикла, отличающиеся по объему отходов, их морфологическому составу, времени и площади захоро нения, высоте и геометрии тела распространены повсемес тно, занимая огромные территории в границах населен ных мест. Состояние объектов захоронения ТБО в целом по России можно охарактеризовать как неудовлетворитель ное, а многие из них могут быть отнесены к числу откры тых свалок, интенсивно загрязняющих окружающую сре-
ДУ [И ].
Только в Пермской области на учете находятся более 400 свалок общей площадью свыше 2000 га. Из них толь ко 160 разрешены природоохранными службами и адми нистрациями территорий, примерно 240 свалок являются несанкционированными [12].
Эксплуатируемая свалка г. Перми «Софроны» площа дью 50 га находится в 12 км от города и функционирует с 1978 года. Территория, непосредственно используемая под складирование ТБО, занимает 33 га. Объем складирован ных отходов составляет 5450 тыс. т, средняя плотность ТБО —0,8—1,2 т/м 3. Эксплуатация свалки не сопровожда ется технологическим контролем. Рекультивация свалки «Софроны» проводится с 1999 года, в настоящее время ре культивирована приблизительно 1/8 часть территории. За вершение процесса рекультивации планируется в 2010 году. В зоне свалки отмечено превышение предельно допусти мых концентраций в атмосферном воздухе по этилбензолу (1,5—6 ПДК) и сумме углеводородов (метану) (до 4,5 ПДК). Выделение биогаза на уровне 6-10 мг/м3 зафиксировано в рекультивированной части свалки [13].
Территория полигона не имеет надежного естественного водоупорного основания под рабочим телом и расположе на в верхней части водораздельной возвышенности с уси ленной нисходящей вертикальной фильтрацией подземных вод, что приводит к избыточному увлажнению территории и способствует формированию больших объемов загрязнен ных грунтовых и фильтрационных вод.
На территории, прилегающей к полигону, отмечено заг рязнение почвенного покрова, угнетение лесной раститель