Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследований 12
1.1. Проблема образования и утилизации отходов 12
1.1.1. Динамика удельного роста и морфологического состава отходов 12
1.1.2. Методы утилизации ТБО 16
1.1.3. Утилизация ТБО на санитарных полигонах 21
1.1.4. Условия образования эмиссионных продуктов биодеструкции ТБО и их фракционный состав 26
1.1.5. Основные стадии биодеградации ТБО 28
1.2. Основные подходы к моделированию процессов, протекающих на полигоне захоронения ТБО 34
1.2.1. Принципы построения математической модели полигона захоронения ТБО 34
1.2.2. Физико-химические модели 36
1.2.3. Регрессионные модели 30
1.2.4. Методы имитационного моделирования 40
1.2.5. Модели управления 42
1.2.6. Анализ рассмотренных моделей :. 43
Выводы к главе 1 45
2. Физическое моделирование процесса утилизации отходов 46
2.1. Технологии активного мониторинга полигона захоронения ТБО 46
2.1.1. Влияние процедур управления полигоном 46
па стабилизацию процессов биодеструкции отходов и качество фильтрата
2.1.2. Процедуры управления 47
2.2. Исследование физических свойств твердых бытовых отходов 55
2.3. Экспериментальные исследования по управлению объектом 59
Выводы к главе 2 69
3. Моделирование процессов, протекающих на полигоне захоронения ТБО 70
3.1. Задание фазового пространства и системы переменных 70
3.1.1. Формальная модель полигона 70
3.1.2. Факторы биодеграции отходов 73
3.1.3. Задачи и критерии управления полигоном захоронения ТБО 75
3.2. Биохимические и физические модели 76
3.2.1. Моделирование биохимических процессов 76
3.2.2. Моделирование физических процессов 84
3.3. Модель материального баланса фильтрата 84
3.3.1. Атмосферные осадки 86
3.3.2. Влажность ТБО 88
3.3.3. Водообмен с граничащими водоносными горизонтами 92
3.3.4. Испарение и транспирация 94
3.3.5. Поверхностный сток 96
3.3.6. Определение эмпирической зависимости образования фильтрата 99
Выводы к главе 3 101
4. Модели управления процессами, протекающими на полигоне ТБО 102
4.1. Формально-математический аппарат применительно к задаче управления полигоном ТБО 102
4.2. Подсистема моделей управления полигоном ТБО 104
4.3. Модель управления водным балансом 106
4.3.1. Материальный баланс жидкой субстанции полигона захоронения ТБО 106
4.3.2. Установление критерия качества управления полигоном.. 110
4.4. Исследование поведения модели водного баланса с обратными связями по отклонению величин q и с от стационарного режима 113
4.4.1. Аналитическое решение 113
4.4.2. Исследование влияния возмущений утечек фильтрата на материальную среду при обратной связи, пропорциональной q и с 115
4.4.3. Исследование влияния возмущений колебаний плотности материальной среды при обратной связи, пропорциональной q и с 116
4.4.4. Компьютерное моделирование 117
4.5. Исследование поведения материальной среды полигона при формировании управляющего воздействия по переменным? и с в более общем виде 118
4.5.1. Исследование влияния возмущений на материальную среду при наличии интегральной составляющей в законе управнения 120
4.6. Модель теплопереноса 122
4.6.1. Дифференциальная постановка задачи 122
4.6.2. Вариационная постановка задачи 123
4.6.3. Программная реализация 124
Выводы к главе 4 128
5. Имитационная модель управления состоянием полигона ТБО 129
5.1. Постановка задачи 129
5.2. Структура материальных потоков полигона захоронения ТБО 130
5.3. Модель установки 131
5.3.1. Модель технологической установки 133
5.4. Алгоритм управления имитационной моделью... 134
5.5. Реализация имитационной модели 134
5.6. Схема автоматизации управления объектом 137
Выводы к главе 5 141
6. Мероприятия по предотвращению ущерба окружающей среде, наносимого полигоном захоронения ТБО 142
6.1. Аспекты влияния фильтрата на окружающую среду 142
6.2. Расчет предотвращенного экономического ущерба 147
6.3. Оптимизация экономических показателей 151
Выводы к главе 6 154
Заключение 155
Список литературы 156
Приложения
- Условия образования эмиссионных продуктов биодеструкции ТБО и их фракционный состав
- Экспериментальные исследования по управлению объектом
- Задачи и критерии управления полигоном захоронения ТБО
- Материальный баланс жидкой субстанции полигона захоронения ТБО
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Математическое моделирование в экологии приобретает все большее значение, что может принести существенные результаты в области моделирования макро-длительных экспериментов, прогнозировании и синтезе свойств исследуемой системы, В работе рассматривается моделирование и методы управления объектом с распределенными параметрами на примере полигона захоронения ТБО.
В настоящее время проблема образования, обезвреживания и утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) или так называемого мусора становится все более актуальной. С ростом нашего благосостояния неизменно растет количество мусора. Современный крупный город производит ежегодно миллионы тонн твердых бытовых отаодов. В последнее десятилетие в связи с экспоненциальным ростом количества ТБО интерес к проблеме их сбора и утилизации особенно возрос.
Известные технологии утилизации отходов методом их сжигания или компостирования, сортировки и повторного использования, пиролиза или вермнкультивирования имеют ряд крупных недостатков и ограничений, одним из которых является экономический аспект. К сожалению, человечество еще не настолько богато, чтобы промышленным способом обеззараживать весь произведенный им мусор. Поэтому около 80% всего образующегося в мире мусора утилизируется путем его захоронения с использованием почвенных методов.
В нашей стране все еще существуют случаи, когда отходы сбрасываются в ближайший овраг и таким образом, возникают «дикие» несанкционированные свалки. Замена таких свалок усовершенствованными санитарными полигонами на протяжении многих лет остается одной из важнейших задач.
Фундаментальные теоретические положения и практические рекомендации по эксплуатации полигонов захоронения ТБО изложены в научных трудах отечественных и зарубежных исследователей В.В. Разнощика, Я.И.
Байсмана, А.А. Бартоломея, К.Ф. Форстера, Д.А. Дж Бейза, ТЛІ. Chlistensen, R. Cossu, R, Stegman, P. Kjedsen, H. Cook, R. Cooper, H, Doedens, a также по управлению технологическими процессами большой вклад сделан В.В. Кафаровьш, А.Г. Бутковским, Г.И. Марчуком и др.
Ширина и глубина выполненных исследований создает предпосылки для рассмотрения полигона захоронения ТБО как биореактора и разработки технологий по управлению полигоном. Несмотря на большую проделанную работу по усовершенствованию санитарных полигонов, до сих пор сам объект захоронения ТБО не рассматривался как объект управления. Утилизация отходов на полигоне ТБО предполагает их разложение и образование не менее опасных отходов, таких как биогаз и фильтрат, которые впоследствии также надо подвергать очистке. Отходы, попадая па полигон ТБО, трансформируются в пространстве и во времени. При этом происходят физико-химические и биологические процессы, в результате которых образуются жидкая и газообразная фазы, содержащие высокие концеитрацнн загрязняющих веществ, а попадание этих продуктов во внешнюю среду может привести к весьма нежелательным последствиям.
Управление процессами на санитарном полигоне захоронения ТБО позволит предотвратить эмиссию загрязняющих веществ и уменьшить жизненный цикл полигона ТБО с переводом его в инертное состояние. В данном случае полигон рассматривается как биохимический реактор, внутри которого протекают сложные процессы. Предлагается при проектировании полигонов ТБО учитывать расчеты процессов конвективно-диффузионного переноса и превращения веществ.
Из трех физических фаз, которые образуются внутри реактора полигона: твердая фаза (отходы), жидкая фаза (фильтрат) и газовая фаза (биогаз), наибольшую опасность представляет жидкая фаза, содержащая высокие концентрации органических и неорганических загрязняющих веществ, ионы тяжелых металлов ит.д(
Проблема образования фильтрата, собственно и являющегося жидкой фазой биодеструкции отходов, сопровождает полигон с момента его основания и в течение многих десятилетий после ^го закрытия. Поэтому значитель-
ный объем диссертации посвящен вопросам управления качеством фильтрата ТБО и методам его очистки.
Полностью очистить фильтрационные стоки ТБО, даже совершенными способами практически невозможно, а экономически нецелесообразно. Поэтому в данной работе наряду с химической и физико-химической очисткой стоков ТБО предлагается широко использовать замкнутый водо оборотный цикл на полигоне (рециркуляцию) и очистку предварительно обработанных стоков на гидроботанических площадках с сообществом растений адаптированных к данным антропогенным объектам. Все это определяет актуальность, теоретическую и практическую значимость проблемы, решению которой посвящена данная диссертация.
В диссертации использован комплексный детерминировапно-вероятностный подход к описанию и прогнозированию процессов на полигоне ТБО, разработаны модели и технологии управления полигоном ТБО с использованием современных аппаратно-программных средств математического моделирования. Проведен анализ различных математических моделей: физико-химические модели, эмпирические, статистические имитационные модели, модели эффективного управления, которые могут быть ориентированны на идентификацию основных биохимических процессов, протекающих внутри полигона, что имеет несомненную практическую и теоретическую значимость для определения лимитирующих и управляющих факторов биодеградации отходов. В работе заложена базовая основа аналитической модели эффективного управления на полигоне, базирующаяся на материальном балансе потоков. Данная модель выполняет роль контура управления биохимическими и физическими процессами на полигоне ТБО и направлена на изучение факторов, способствующих ускорению перехода этих процессов в метановую стадию для снижения экологической нагрузки на окружающую среду, оказываемую поступлением в нее жидкой фазы биодеструкции ТБО,
Для количественной оценки фильтрационных и поверхностных стоков ТБО и расчета производительности очистных сооружений сточных вод ТБО разработана компьютерная программа, позволяющая определить изменения количества образующихся стоков на различных по площади полигонах, рас-
положенных в разных климатических зонах в зависимости от интенсивности испарения (транспирации), рода поверхностных слоев грунта и ТБО (поверхностного стока) и влажности складируемых на полигоне отходов. Разработана формальная схема управления полигоном па основе материального баланса жидкой субстанции полигона ТБО. Разработана принципиальная схема управления процессами на полигоне ТБО и программная реализация алгоритма и автоматизации схемы управления полигоном. Для изучения динамики процессов, протекающих на полигоне ТБО разработана компьютерная программа «Полигон ТБО)>, реализующая алгоритм управления технологическим процессом (ЛСУТП), представляющая собой имитационную модель полигона захоронения ТБО и позволяющая отслеживать и управлять основными химическими и физическими параметрами.
Широкое использование разработанных методов па реальном объекте захоронения отходов позволит достичь значительного экономического эффекта, учесть влияние многочисленных факторов при анализе и прогнозе конвективно-диффузионного переноса и превращения веществ в процессе биодеструкции отходов, разработать практические меры по управлению внутренними процессами на полигоне ТБО, ускорить и усовершенствовать методы натурных исследований.
Целью работы является разработка системы управления на основе детерминированной математической модели процессом утилизации отходов на полигонах захоронения ТБО.
Для достижения данной пели поставлены следующие задачи;
1. Обосновать лимитирующие и управляющие факторы биодеградации ТБО.
2. Разработать подсистему моделей управления состоянием полигона ТБО.
Формализовать наиболее важные модели. Синтезировать задачу программного управления полигоном ТБО в детерминированной постановке.
3. Разработать принципиальную схему и алгоритм управления рсциркулирус-
мым фильтратом полигона ТБО.
Разработать схему автоматизации управления полигоном ТБО.
Разработать имитационную модель управления полигоном ТБО.
6. Разработать комплекс компьютерного программного обеспечения, реализующего теоретические исследования.
Объектами исследования являются: реальный объект- полигон захоронения твердых бытовых отходов, физические модели - лабораторные стенды, математические модели - аналитическое, численное и имитационное моделирование.
Методы исследования
Поставленные в работе задачи решены с использованием разделов и положений теории автоматического управления, дифференциального исчисления, методов аналитического и численного моделирования.
На защиту выносятся следующие основные положения:
научное обоснование процесса рециркуляции фильтрата как технологии управления полигоном ТБО, позволяющей достичь сокращение жизненного цикла полигона и уменьшение экологической нагрузки па окружающую среду;
основными критериями, влияющими на эмиссию продуктов биодеградации отходов являются: влажность, рН и температура, которые позволяют при поддержании их в определенном диапазоне управлять процессами, протекающими на полигоне;
применение аналитической модели управления полигоном ТБО в классе распределенных моделей механики сплошных сред позволит достичь эффективных результатов функционирования объекта;
динамика процессов, протекающих па полигоне может быть изучена на основе имитационного моделирования, в результате чего может быть решена проблема с макродлительностью и дорогостоимостью натурных экспериментов;
разработанное технологическое решение по управлению полигоном захоронения ТБО обладает эгсолого-экономической эффективностью.
Научная новизна
- разработан новый способ управления полигоном ТБО за счет рсцир-
кулнруемого потока сточных вод, прошедших специальную реагентную обра
ботку, па который выдан патент на изобретение № 2162059RU;
-разработана математическая модель структуры потоков материального баланса полигона захоронения ТБО, позволяющая управлять наилучшими значениями лимитирующих факторов;
-разработана аналитическая модель управісния полигоном захоронения ТБО в классе распределенных моделей управления, не имеющая аналогов.
Достоверность научных положений и результатов проведенных исследований:
основные положения диссертационной работы подтверждены результатами имитационного моделирования и экспериментальными данными. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях управления, реализованных на лабораторных стендах;
корректным применением современных методов исследования, расчета параметров схемы очистки и разработки моделей управления полигоном ТБО с использованием электронно-вычислительной техники.
Практическая реализация работы:
по результатам исследований разработаны методические указания и рекомендации по мониторингу и управлению санитарным полигоном захоронения твердых бытовых отходов, которые использованы комитетом по охране природы г. Нытвы при проектировании и строительстве второй очс~ реди нового городского полигона ТБО;
теоретические положения и результаты научных исследований используются в лекциях при чтении лекционных курсов в Пермском институте Московского государственного университета коммерции и включены в методическую и учебную литературу для студентов;
разработанное программное обеспечение передано в информационную базу ЦНТИ.
Апробация работы: результаты научных исследований по теме диссертации доложены на региональной научно-технической конференции «Экология города» (Пермь, 1998); на Научно-практической конференции «Экологизация образования в XXI веке» (Екатеринбург: УГТУ, 2000); на Всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2000); на 2-ой международной
научной конференции студентов и молодых учёных «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2001); на 3-ем Международном конгрессе по управлению отходами ВэйстТэк-2003 (Москва); на I Всероссийской научно-практической конференции «Имитационное моделирование» (С.-Пб: Центральный НИИ технологии судостроения, 2003); а также научно-технических конференциях и семинарах на кафедре Информационных технологий и высшей математики ПИ(ф)МГУК в 1996-2003 гг.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Диссертационная работа выполнена в рамках целевой программы «Отходы» на 1996-2000 гг., областных целевых комплексных программ «Охрана окружающей среды Пермской области на 1996-2000 гг. и 2001-2005 гг.» и целевой комплексной программы «Экология Западного Урала {Разработка методов обезвреживания и утилизации ТБО и ПО на полигонах)».
Полнота изложения положений и результатов, выносимых на защиту, в опубликованных работах. По результатам научных исследований опубликовано более 30 публикаций.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения и 5 приложений. Изложена на 199 страницах, включает 24 иллюстрации и И таблиц, 158 наименований использованных литературных источников на 9 страницах.
Автор выражает благодарность кл\н., доценту Т.Г\ Середа за систематическую помощь при проведении данных исследовании (каф. Безопасности жизнедеятельности ПермГТУ), кл\н., доценту Р.А. Файзрахманову (каф. Автоматизированные системы управления ПермГТУ) за методическую помощь и высококвалифицированные консультации, а также всем сотрудникам кафедр "АСУ", "Машины и аппараты производственных процессов" Пермского гос. технического университета, кафедры "Информационных технологий и высшей математики" Пермского института Московского гос. университета коммерции за доброжелательное отношение и помощь при проведении научных исследований.
Условия образования эмиссионных продуктов биодеструкции ТБО и их фракционный состав
Для полигонов захоронения ТБО характерно образование продуктов двух типов: фильтрата (leachate) и газов (leakade). Под фильтратом понимают отжимную воду, возникающую за счет водоотдачи ТБО под действием давления отходов, а также за счет проникновения воды, осадков, ливневых и талых вод.
Состав фильтрата формируется под влиянием ряда взаимодействующих между собой сложных первичных и вторичных факторов [97]. К первичным относятся геология, гидрогеология, состав отходов, стратегия размещения твердых отходов, проницаемость земляного покрытия, топография места, растительный покров, время года и срок эксплуатации данного места. Эти факторы, в свою очередь, определяют изменение вторичных факторов, таких как рН, температура, физико-химические процессы, включающие подкисленис, испарение, осаждение, растворение, сорбцию и ионный обмен. Фильтрующиеся воды содержат растворимые соединения, органические и неорганические, вместе с микроорганизмами, такими как вирусы и бактерии. Состав и концентрация неорганических и органических загрязнений, находящихся в фильтрате, определяются химическим составом складируемых отходов, процессами анаэробного и аэробного разложения, происходящими в толще отходов, проницаемостью слоя отходов, интенсивностью атмосферных осадков, температурой и т.д. Источником загрязнения фильтрата являются в основном продукты разложения пищевых отходов и окисления металлов. В сравнительно теплом и влажном климате изменения объемов образования фильтрата напрямую связаны с выпадением осадков. В более холодном климате, где большая часть осадков выпадает в виде снега, происходит задержка увеличения объемов фильтрата после осадков. Фильтрат не образуется при складировании ТБО с влажностью менее 52% и в климатических зонах, где годовое количество атмосферных осадков превышает не более чем на 100 мм количества влаги, испаряющейся с поверхности. В этих климатических зонах к основанию полигона ТБО не предъявляются требования по водонепроницаемости. При совместном складировании ТБО и опасных бытовых отходов (остатки медицинских-препаратов, бытовой химии, краски, лаки и т.п.) в теле свалки фильтрат загрязняется токсичными органическими и неорганическими соединениями, значительно повышающими степень его опасности. В составе фильтрата возможно присутствие бактерий кишечных инфекционных заболеваний (брюшного тифа» паратифа, дизентерии), а также туберкулеза, столбняка, сибирской язвы. Представленные данные о составе и свойствах фильтрата, образующегося на полигонах захоронения ТБО, свидетельствуют о серьёзной опасности для окружающей среды.
Высокое содержание органических веществ, распространяемый запах, значительные концентрации высокотоксичных соединений, в том числе 1, 2, 3-го классов опасности (ртуть, цианиды, нитриты, радий, мышьяк, свинец, аммиак, дихлорэтан, диоксин, нитраты, никель, цинк, хром и др.), обуславливают обязательное и немедленное обезвреживание вытекающего из свалок фильтрата [99]. Для разработки мероприятий по обезвреживанию и очистке, фильтрата необходимо знать объём образующегося фильтрата, факторы, влияющие на количество и состав фильтрата, и изменение качественного состава фильтрата со временем.
Количество образующегося газа и концентрация в нем метана определяются содержанием в ТБО органических фракций. Начальный период процесса разложения ТБО протекает в аэробных условиях за счет кислорода, содержащегося в пустотах и проникающего из атмосферы. В дальнейшем, по мере естественного и механического уплотнения отходов, усиливаются анаэробные процессы разложения с постоянным образованием биогаза. Качественным признаком наступления анаэробной стадии является выход более 50% метана в составе биогаза. Состав биогаза может насчитывать до 50 компонентов: алканы, циклоалканы, алкеиы, ароматические и галогенированные углеводороды, спирты, простые и сложные эфиры, органические решетки и др., включая очень опасные фракции, такие как диоксин и др. Среднестатистический состав биогаза рассчитан на основании анализа литературных источников (табл.1.4) [3,103,113,141].
Экспериментальные исследования по управлению объектом
В этом разделе показаны результаты экспериментов, связанные с изучением эффекта различных способов управления качеством фильтрационных стоков ТБО биологическими методами с использованием технологии многократной рециркуляции фильтрата.
Исследования трансформации вещественного состава фильтрационных стоков ТБО и изучение механизмов биодеструкции отходов в контролируемых условиях были проведены на различных опытных мелкомасштабных и пилотных установках. В более ранних исследованиях [145] были установлены условия стабилизации полигона и основное внимание уделялось формированию кислотной стадии и стадии ферментации метана. Эти 2 стадии были описаны в рассмотренных вопросах определения качества фильтрата и газов, состав которых можно изменять в ходе управлеігия внутренними процессами на полигоне. Контролируемый доступ воды в массив ТБО и повторное использование фильтрата необходимы для ускорения процессов стабилизации благодаря влиянию микроорганизмов, что делает более предсказуемыми длительность и начало каждой стадии. По мере развития стабилизационных процессов происходит переход компонентов ТБО из твердой фазы в жидкую и газообразную, в составе которых наблюдаются высокие концентрации органических и неорганических веществ.
Представляет интерес разработанная лабораторная установка (рнс.2.2) по изучению" биодеструкции отходов. В эксперименте по биодеструкцни отходов на установке использовались приготовленные измельченные отходы, насыщенные до влажности 80%, в оптимальных мезофильных анаэробных условиях (37±2.С) при постоянном давлении.
Разработка подобных моделей в лабораторных условиях представляет значительный интерес при изучении внутренних процессов в массе ТБО для того, чтобы в дальнейшем применить накопленные знания на реальном объекте.
В описанной выше установке имеется возможность изучения различных процедур управления, таких как управление морфологическим составом ТБО, создание требуемого воздушного режима, изменение температуры, давления, плотности отходов, многократного проникновения фильтрата через массив отходов и многие другие. Ограничением и недостатком подобных модельных установок является мелко масштабность по сравнению с реальным объектом, что дает некоторую погрешность и противоречивость полученных результатов.
Пилотные установки, которые использовались для изучения процессов биодеструкции отходов и управления качеством фильтрата и газа, представлены на рис.2.3. [114]. В ходе экспериментов изучался процесс многоразового проникновения фильтрата, пропускаемого через ТБО и смесь ТБО с промышленными (токсичными) отходами. В колонках с одноразовым проникновением количество воды, подаваемое в отходы, было эквивалентно количеству атмосферных осадков. В колонки многоразового проникновения подавали влагу, имитирующую атмосферные осадки, совместно с рецпркулирусмым фильтратом в достаточном количестве, чтобы поддержать процессы повторного проникновения влаги и возместить потери из-за отбора проб. В качестве основных индикаторных параметров для колонок одноразового и многоразового проникновения были выбраны: количество газа и показатели ХПК, концентрации НЖК, рН для установления характера протекания процесса стабилизации полигона с учётом влияния опасных веществ, содержащихся в отходах.
Результаты зксперимеїгта показали, что высокие показатели ХПК и высокие концентрации хлорсодержащих компонентов при низком рН и минимальном количестве выделяемого газа свидетельствуют о начале стадии образования кислоты и химически агрессивной кислотной стадии. И как следствие этого наблюдаются скачки высоких концентраций как органических, так и неорганических веществ [158]. Результаты полномасштабных экспериментальных исследований по изучению рециркуляции фильтрата, проведенные в США [145,148,157], показали, что главным преимуществом предполагаемой технологии является самоочищение фильтрата по таким показателям, как ХПК и БПК5, за сравнительно короткий период времени (18 месяцев). Такой фильтрат по своему составу приближается к фильтрату, выделяющемуся со старого полигона (из бытовых отходов, которые находятся на полигоне уже пять или больше лет). Также существуют данные [145], что твёрдые бытовые отходы быстрее деградируют вследствие высокого содержания в них влаги, которое обусловлено рециркуляцией фильтрата [120].
Как было сказано выше, сокращение сроков биологической стабилизации полигонов, перехода кислотной стадии в метановую требует постоянного контроля кислотности (рН) рециркулируемых стоков. Рециркуляция стоков с низкими значениями рН может отрицательно сказаться на активности анаэробной заселенности микроорганизмами внутри тела свалки (полигона ТБО) и увеличить сроки разложения органической фракции. Перед рециркуляцией в этом случае рекомендуется проводить буферинг фильтрата.
Ниже представлены результаты исследований по самоочищению фильтрационных стоков ТБО, предварительно обработанных раствором Са(ОН)2, в технологической цепи их очистки методом рециркуляции сквозь массу ТБО [74,79]. За критерий очистки фильтрата были приняты показатели активной реакции среды (рН) и концентрации тяжёлых металлов (свинец, железо, цинк). Эксперимент проводили на лабораторной установке, представляющей собой 4 реактора, различных по высоте, но одинаковых по объему. Реакторы были изготовлены из органического стекла емкость в емкости («водяная рубашка») (рис.2.4). Подача воды для подогрева ёмкостей в «водяную рубашку» производилась последовательно во все реакторы с температурой 37±2С. Температура создавалась системой подогрева и поддерживалась при помощи термометра-регулятора.
Задачи и критерии управления полигоном захоронения ТБО
Задача управления полигоном захоронения ТБО состоит в разработке совокупности критериев управления; Уменьшение рскультивационного и пострекультивационного активного периода. Минимизация экологической нагрузки на окружающую среду продуктами биоразложения Р,\ р на различных этапах жизненного цикла /,-, действующей как в активной (в период эксплуатации), так и в пассивной (в период рекультивации) стадиях полигона. Снижение капитальных Доз) и текущих Дсо)тск затрат на мониторинг и управление полигоном ТБО, В табл.3.4 представлена совокупность критериев управления полигоном. Минимизация экологической нагрузки на окружающую среду в жизненном цикле полигона подразумевает ускорение перехода процессов на полигоне из кислотной в метановую стадию и перевод максимального углеродсо-держащего вещества из твердой фазы в газообразную, наименее опасную для биосферы. Затраты на мониторинг и управление полигоном ТБО» с одной стороны, учитывают затраты на ведение активного мониторинга; капитальные, связанные со строительством инженерных сооружений, и текущие, связанные с затратами на реагенты и мониторинг. С другой стороны, учитывается ущерб, наносимый биосфере неуправляемой эмиссией продуктов биодеструкции отходов.
В связи со сложностью взаимосвязанных биологических, химических и физических процессов, протекающих на полигоне, на данном этапе исследования рассматриваются независимые биохимические и физические модели: Биохимические процессы учитывают основные химические реакции, окислительно-восстановительный потенциал, активную реакцию среды, pll, а также роль бактерий на разных стадиях биодеградации отходов. Рассматриваются сообщества микроорганизмов, продукты биоразложения ТБО в зависимости от воздушного режима в массиве ТБО, Под физическими процессами понимаются конвекция, диффузия, лґассоперспос, теплоперенос, влажность и др. Влажность ТБО является управляемым фактором, который может быть положен в основу модели управления. Основные стадии биодеградации отходов описаны в пункте L5. Согласно исследованиям [97] начальная стадия деградации отходов протекает в аэробных условиях. При исчерпании молекулярного кислорода и накоплении диоксида углерода создаются анаэробные условия, характеризующиеся перс-ходом рН среды из кислой в щелочную и стабилизацией качественного соста вл жидкой фазы, существенным снижением показателей ХПК и БПК5, концентраций тяжелых металлов в составе фильтрата. В данной работе внимание уделяется процедуре управления полигоном ТБО при помощи рециркуляции. Анаэробная очистка путем пропускания фильтра через тело полигона приводит к тому, что массив полигона начинает работать как анаэробный реактор, в котором стабилизируются процессы и сокращается жизненный цикл полигона ТБО- В связи с этим особое внимание в работе уделяется модели анаэробного биореактора. Процесс анаэробного разложения [40] имеет целый ряд существенных преимуществ перед другими способами обработки органических отходов. Первые модели этого класса были стационарными, основанными па теории непрерывного культивирования, использующей соотношение Моно [144] для описания взаимодействия между концентрацией субстрата и скоростью роста, которые впоследствии были расширены до динамических. Процесс биодегра-дации органических отходов состоит из последовательно протекающих стадий, показанных на рис.3.3.
Количественной оценкой деградации отходов в продукты разложения являются расходные (стехиометрические) коэффициенты балансовых уравнений. Басуэлл в 1939 г. [ПО] вывел общую формулу (2.8), описывающую превращение сложных органических веществ в двуокись углерода и метан. Более общая формула для описания превращения органических веществ в микроорганизмы, двуокись углерода и метан приведена в [40]: где Yxjs — моли произведенных организмов / моли потребленного субстрата; Yco /х - моли лроизведеішого ССЬ/моли произведешгых организмов; Ycii /Х - моли произведенного СНд/моли произведенных организмов. 3.2.12. Кинетическая модель представляет соотношения скорости роста биомассы и влияния на нее комплекса факторов окружающей среды. Первым количественным соотношением, описывающим рост биомассы, явилось автокаталитическое соотношение, задаваемое выражением где х - концентрация организмов, моль/л; / -время, сутки; р- удельная скорость роста, сутки "], Моно обнаружил, что удельная скорость роста не является истинно постоянной, а зависит от концентрации некоторого лимитирующего вещества [144], и описал эту зависимость при помощи гиперболической функции, представленной в уравнении где (1 - максимальная удельная скорость роста, сутки -I; д - скорость роста, сутки _1; 5-концентрация субстрата; Ks- коэффициент насыщения, моль/л. Развитием модели Mono явилась модель Моно - Иерусалимского [27]. Изменение концентрации вещества со временем по данной модели представлено в (3.5). где Р - концентрация продукта метаболизма; Ks- коэффициент насыщения питательного субстрата, моль/л; Кр- коэффициент насыщения продукта метаболизма, моль/л.
Материальный баланс жидкой субстанции полигона захоронения ТБО
Известные модели структуры потоков жидкости применительно к биохимическим реакторам основаны либо на теоретических физико-химических, либо на регрессионных моделях [16,26]. Физико-химические модели представляют в основном теоретический интерес, т.к. основаны на моделях «идеальных реакторов», что значительно отдаляет их от реального объекта. Регрессионные модели более просты по сравнению с физико-химическими моделями, но адекватно описывают процесс только на том полигоне, с которого получен достаточно большой объем экспериментальных данных, К тому же, рассмотренные модели ориентированы на биохимические процессы, протекающие внутри полигона, и плохо изучены с точки зрения управления полигоном.
Для упрощения описания трудноформализуем ого объекта, каким является полигон ТБО, предлагается усреднить компоненты, составляющие массив отходов на полигоне, и рассматривать ТБО как однородную субстанцию. Движение материальной среды в теории сплошных сред [20,49] характеризуется тремя основными переменными:потоком материальной среды во времени;концентрацией или плотностью распределения в заданном объеме; скоростью движения (инфильтрации) материального потока. Введем пространственно-временной базис, который характеризует в данном случае перемещение среды с течением времени. Движение материальной среды (жидкости) в массиве ТБО будет определяться функцией с распределенными параметрами - пространственными координатами (х, у, z) и временным фактором (/) F=N((xty, z), /). Для упрощения описания динамики среды учтем только осевое направление. Рассмотрим эту зависимость при х-const, /= const.
При х = const функциональная зависимость N(x, /) характеризуется потоком. Определим это понятие. Пусть ДАТ — количество вещества, которое проходит через сечение х за время ДЛ Потоком назовем величину g(x9t)9 определяемую равенством
Аналогично определим понятие концентрации с(х,/), при /= const Взаимосвязь между х и t - const характеризуется понятием скорости v(x9t)y какое расстояние отд: до # + Ах пройдёт вещество за время At:
Таким образом» введены понятия: поток, концентрация, скорость, которые могут быть использованы для описания динамики материальной среды. Рассмотрим конвективно-диффузионный перенос жидкости в теле полигона. На схеме конвективно-диффузионного переноса материальной среды - жидкости в массиве ТБО выделим элементарный отрезок, определяемый координатами: х + dx (рис, 4.1).
Разница между поступившим и вышедшим количеством жидкости (правая часть уравнения (4.4)) составит: После сокращения и пренебрегая величинами малого порядка, получим: Подставляя (4.8) и (4.10) в (4.4), сокращая uadtdxn перенося все в левую часть получим:
Модель выражается дифференциальным уравнением в частных производных первого порядка, что соответствует модели переноса с отсутствием перемешивания [16].
Запишем уравнение материального баланса с учетом (4.11) без возмущений в виде: Таким образом, получены дифференциальные уравнения материального баланса субстанции. Для вывода математической модели объекта необходимо установление функциональной связи, определяющей зависимость переменных, состояния объекта от возмущающих и управляющих воздействий. Следующий этап заключается в идентификации лимитирующих и управляющих параметров и синтезе закона управления.
