Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих методов дегазации полигонов и свалок 8
1.1. Метаногенез в местах захоронения ТБО и его влияние наокружающую среду 8
1.2. Дополигонные технологии минимизации метаногенеза . 13
1.3. Переработка тела полигона как способ минимизации метаногенеза 17
1.4. Аэробные схемы складирования ТБО 21
Глава 2. Анализ теоретических моделей образования биогаза на полигонахи свалках ТБО 26
2.1. Феноменологические модели биохимических процессов 26
2.2. Сравнительный анализ существующих моделей образованиябиогаза в захоронениях ТБО 29
2.3. Газодинамическая модель процесса аэрации свалочного тела 47
Глава 3. Разработка опытно-промышленной технологии дегазациинесанкционированных свалок 61
3.1. Описание экспериментальной площадки и конструщии системы 61
3.2. Описание методов, аппаратуры и условий измерений 68
3.3. Результаты первичных измерений 73
3.4. Обработка и анализ результатов измерений на установке поэжекции биогаза 77
3.5. Обработка и анализ результатов измерений концентраций компонентов биогаза на установке для подавления метаногенеза 93
3.6. Оптимизация конструкции устройств для пассивной аэрациисвалочного тела 102
Выводы 107
Литература 108
Приложения 117
- Дополигонные технологии минимизации метаногенеза
- Сравнительный анализ существующих моделей образованиябиогаза в захоронениях ТБО
- Обработка и анализ результатов измерений на установке поэжекции биогаза
- Оптимизация конструкции устройств для пассивной аэрациисвалочного тела
Дополигонные технологии минимизации метаногенеза
Вопросы минимизации негативного влияния образования и неконтролируемой эмиссии свалочного газа как в локальном, так и в глобальном плане с той или иной степенью определенности были сформулированы в середине 70-х годов. Начальным этапом минимизации в системе управления бытовыми отходами являются мероприятия по уменьшению количества органической фракции отходов до складирования их на полигонах ТБО. Среди этих мероприятий основными являются дополигонная сортировка (ручная, механизированная, ручная в сочетании с механизированной и др.) бытовых отходов с извлечением коммерческих органических и неорганических фракций отходов и компостирование органической части ТБО с извлечением не компостируемых фракций до или после процесса компостирования. В РФ практическая реализация сортировки и выделения реализуемых вторичных отходов в тех или иных объемах проводится на заводе механизированной переработки ТБО №2 в Санкт-Петербурге, на АО ПЗП «Котляково», МПС №3 ГУП «Экотехпром», на полигоне г. Серпухова и ряде других заводов и полигонов. Исходя: из проектных данных и опыта действующих мусоросортировочных станций и цехов [28, 33], доля отбираемых отходов составляет 15,3-31,5% от общей массы отходов. При этом органическая фракция, представленная, в основном, бумажно-картонной и текстильной частями, составляет около 15%.Вся остальная органика отправляется на захоронение. Доля рециклинга ТБО в Москве и Московском регионе при всей условности подсчетов не превышает первые проценты. Несмотря на позитивную тенденцию развития сепарации, компостирования, сжигания и других способов внеполигонного или дополигонного управления твердыми бытовыми отходами, в нашей стране на ближайшую обозримую перспективу полигонное захоронение ТБО остается если не самым важным, то самьм необходимым элеиентов управления потоками ТБО.
Отдельной стадией дополигонной обработки отходов в г. Москве стало в последнее время развитие сети мусороперегрузочных и мусоропрессовочных станций [59, 60]. Этот процесс имеет свои положительные экономические и природоохранные стороны. На этих станциях, расположенных в черте города, привозимые отходы после частичной сепарации уплотняются в брикеты. При этом отходы уплотняются до значений 1,1-1,3 т/куб.м, и происходит отжим влаги. За счет этого понижается количество первоначального фильтрата и кислорода воздуха в отходах. При их складировании на полигонах не требуется дополнительного уплотнения, снижаются объемы захораниваемых отходов. Управление свалочным газом, образующимся на полигонах законодательно или рекомендательно отражено в нормативных документах многих стран, как промышленно развитых, так и развивающихся. Способы минимизации негативного воздействия могут быть различны и включают в себя такие как [30]: пассивная неконтролируемая эмиссия газа через рекультивационньш слой или изоляцию поверхности отходов; пассивная контролируемая эмиссия посредством устройства газодренажных систем и вертикальных газовыводящих вытяжных труб; утилизация газа путем факельного сжигания на полигонах или получения энергии. В России на действующих и закрытых полигонах и свалках управление биогазом практически не проводится по целому ряду причин. На объектах складирования происходит пассивная неконтролируемая эмиссия газа через рекультивационньш слой или изоляцию поверхности отходов. Существуют исследования [25], показывающие, что при пассивной эмиссии метана через грунтовый слой мощностью около 1м происходит окисление 12-17% метана до воды и углекислого газа за счет микроорганизмов и кислорода, содержащихся в этом грунтовом слое, что не снижает миграцию биогаза с вышеописанными негативными последствиями. В промышленно развитых странах с целью предотвращения негативных воздействий, благодаря высоким ценам на моторное топливо и высокому энергетическомй потенциалу, обезвреживание биогаза часто осуществляется путем его утилизации в качестве альтернативного энергоносителя. В таких странах как США, Великобритания, Германия, Италия и ряде других возникли целые отрасли малой энергетики, базирующиеся на использовании свалочного газа.
В Великобритании [26] из 499 свалок, принимающих значительное количество отходов, поддающихся биологическому разложению, на 160 извлекается газ из органических отходов. По мнению правительства Великобритании эта цифра до 2009 года будет существенно увеличена. В Германии [15] добыча биогаза осуществляется на 350 свалках бытового мусора и ожидается строительство еще 300 установок. К настоящему времени добыча биогаза в Германии из ТБО составляет 35 млн.куб.м/год, что позволяет получать ежегодно 140 млн. кВт/ч электроэнергии. В США [62] на полигонах ТБО имеется около 100 установок по утилизации метана. В РФ в рамках российско-голландского проекта [30] в период с 1995 по 1997 год были построены две пилотные установки по добыче и утилизации свалочного газа на территории Московской области: на полигоне «Дашковка» в Серпуховском и «Каргашино» в Мытищинском районе. Этими примерами утилизация биогаза в РФ и ограничивается. Вместе с тем объемы годовой добычи свалочного газа в мире составляют 1230 млн.м 3/год, что эквивалентно 429 тыс. тонн метана или 1% его глобальной эмиссии.
Сравнительный анализ существующих моделей образованиябиогаза в захоронениях ТБО
Эти бактерии относятся к быстрорастущим анаэробам (организмам, живущим за счет энергии расщепления химических соединений в условиях отсутствия свободного кислорода) при оптимальном значении рН = 6,5 - 7,6. Ацетогенная стадия осуществляется двумя группами ацетогенных бактерий: первая группа образует ацетат с выделением водорода, вторая приводит к образованию уксусной кислоты путем использования водорода для восстановления углекислого газа. На метаногенной стадии метанообразующие бактерии (метаногены) образуют метан путем расщепления уксусной кислоты и восстановления углекислоты водородом. Метановые бактерии очень чувствительны к присутствию в среде растворенного кислорода и нитратов (для них губительна концентрация кислорода, равная 0,01мг/л), оптимальное значение рН среды для этих бактерий 7-7,5.
Метановое брожение происходит при температуре 4 - 70С; при этом может иметь место психрофильный режим сбраживания (t = 4 - 25С), мезофншьный (t = 30 - 35 С) и термофильный (t = 50 - 70 С). Для обеспечения нормальной жизнедеятельности метаногенов необходимо соблюдение следующих условий: постоянство температуры и давления, строгий анаэробный процесс, нейтральная или слабощелочная среда, отсутствие света, оптимальная влажность массы (60 —70%), оптимальное соотношение водорода и азота, углерода и азота (1:16-1:19).
Количественный выход биогаза и его состав определяют отдельные компоненты органического вещества: углеводы, белки и жиры при их взаимодействии с влагой и бактериями в соответствии со стехеометрическими уравнениями реакций брожения.
Углеводы представлены в основном целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином (основными веществами стенки растительной клетки). Более 90% этих веществ содержится в древесных отходах; в основе бумажных и картонных отходов также лежит целлюлоза; натуральные волокна текстиля (хлопок, лен) на 85 - 90% состоят из целлюлозы, часть волокон животного происхождения состоит из белков; пищевые отходы растительного происхождения содержат целлюлозу и белки, а животного происхождения в основном состоят из белков и жиров (в мясных отходах более 50% белков). В составе органических веществ полигонов ТБО Московского региона по данным [31] содержится (в % к органической части): углеводов - 89 - 98; белков - 1,8 - 8; жиров - 0 - 6,8 при общей органической массе 18,9 - 40,9% к сухой массе ТБО и влажности 30 - 50,6% (указанные данные соответствуют отходам, находящимся в теле полигона на расстоянии 0 - 0,5м от поверхности). Средние взвешенные значения составляют: влажность - 36,4%, органическая часть - 28,8% (к сухой массе) и в % к органической части: углеводы - 93,2; белки - 4,5; жиры -2,3.
Биохимические процессы, протекающие в теле полигона в анаэробных условиях, можно представить следующими уравнениями [62] (в соответствии с вышеописанными стадиями сбраживания вещества): различных данных потенциальный удельный объем образования БГ на полигонах может составить до 200 м3/т отходов (за весь период выхода БГ).
Если рассматривается задача переработки давно закрытого полигона (свалки), на котором вопрос использования БГ уже не решается, то задача определения выхода биогаза во времени не имеет смысла. В этом случае для переработки тела полигона необходима энергия со стороны. При переработке отдельных «старых» участков полигона и наличии других, «молодых» участков, задача оценки выхода биогаза на последних как источника энергии, необходимой для переработки первых участков, важна. В этом случае одновременно решается и задача определения оставшегося органического вещества после выхода биогаза и теплотехнических характеристик оставшихся отходов.
Для оценки искомых показателей предлагаются различные модели газообразования, в том числе базирующиеся на предположении о периоде полураспада отходов, под которым понимается время, необходимое для разложения половины органического вещества, поступившего с отходами [71]. Принимают период полураспада органического вещества в пределах 5-Ю лет. Тогда по одной модели (модель «СКУЛ КАНЬОН»), не учитывающей так называемый временной лаг (когда по представлениям многих авторов БГ еще не образуется), скорость образования метана изменяется от максимальной до минимальной непрерывно с начала захоронения отходов (рис.2-1). По другой модели (модель «ЭМКОН МГМ»), учитывающей временной лаг, скорость образования метана с нулевого значения растет до максимального, а затем уменьшается до минимального ( рис.2-2). Процесс разложения отходов начинается со стадии кислородного окисления органического вещества, когда отходы в аэробных условиях взаимодействуют с кислородом, содержащимся в пустотах и проникающим из атмосферы при еще неуплотненных исходных отходах, при этом биогаз не образуется. Строго анаэробные условия с образованием биогаза создаются позднее после уплотнения отходов, увеличения глубины их захоронения.
Обработка и анализ результатов измерений на установке поэжекции биогаза
Температурные измерения. В формировании температурного режима отходов в обеих закладках играют роль следующие факторы: - температура окружающего воздуха; - первоначальная температура отходов; - температура вмещающих отложений со стороны днища и бортов; - температура процесса микробиологического разложения органической части отходов; - температура атмосферных осадков; - температура воздуха, участвующего в аэрации отходов в закладках «А» Результирующим значением взаимодействия всех вышеозначенных факторов является фактическое значение температуры отходов.
На рис.3-9 изображены графики замеров температур в закладке «А1» (с аэрацией). Обращают на себя внимание следующие обстоятельства: - температура верхней части отходов fe) на всем протяжении опыта была выше, чем температура нижней части (ti); - абсолютный максимум температур (+82С - +87С) был отмечен 29.05, т.е. через 5 дней после формирования закладки; - значение температур более +50С сохранялось в закладке в течение 3-х недель (21 день); - дальнейшее видимое снижение температур до значений менее +40С продолжалось до 47-49 дня (7 недель) с момента закладки ТБО; - в дальнейшем в течение 3-х месяцев до окончания опыта температура стабилизировалась в интервале +30 - +40С и только в самом конце (16.10) стала понижаться в область значений менее +30С; - на рис.3-9 приведена кривая средних значений температур по всей закладке; - разница между максимальным и минимальным значением температур в нижней и верхней части отходов при единовременных замерах колеблется в течение опыта от 0С до +14С при средних значениях около бС. На рис.3-10 изображены графики замеров температур в закладке «Б» (без аэрации). Обращают на себя внимание следующие обстоятельства: - температура верхней части отходов (t#) на всем протяжении опыта была выше, чем температура нижней части fa); - абсолютные максимумы температуры ( +70С) были отмечены через 11-12 дней после закладки и сохранялись до 18.06, т.е. в течение еще 13-14 дней; - после 18.06. в течение 34-36 дней отмечалась стабилизация значений температуры при средних значениях около +70С; - в дальнейшем (после 23.07) произошло снижение средние температур до +60С с последующим понижением до +50С; - на рис.3-10 приведена кривая средних значений температур по всей закладке; - разница между максимальным и минимальным значением температур в нижней и верхней части отходов при одновременных замерах колеблется в течение опыта от 6 до 18С при средних значениях около 10С.
Сравнительная характеристика распределения температур в закладках «А1» и «Б» показана на рис.3-11. На этом рисунке показаны графики распределения средних температур в закладках и график разницы средних температур. Обращает на себя внимание следующее: - за исключением первых 5-ти дней средние температуры отходов закладки «А1» (с аэрацией) на всем протяжении опыта были ниже, чем в закладке «Б»; -разница средних температур в закладках постепенно, но увеличивалась от 10,5С 30.05 до 34Ск23.07. В дальнейшем до конца опыта эта разница температур находилась в пределах 20-30С. Замеры компонентов биогаза в шпуровых пробах. Расположение точек взятия шпуровых проб показано на рис.3-2 и 3-4; Примеры результатов замеров компонентов биогаза для закладок «А1» и «Б» в весенне-осенний период отражены в табл.3.1-3.9., а для закладок «Б», «Al», «А2», «A3» - на графиках (рис. 3-20, 3-21, 3-22). С целью анализа распределения определяемых компонентов биогаза в каждой из закладок и сравнения распределения компонентов между закладками для каждой шпуровой пробы были вычислены средневзвешенные арифметические значения по каждому компоненту за все время измерений (9 измерений для каждого шпура). Результаты вычислений для закладок «А1» и «Б» отражены в табл.2. Затем эти значения по отдельным компонентам были выписаны на плановое положение точек отбора шпуровых проб: CCh - рис.3-12, СН4-рис.З-13 и 02- рис.3-14. На этих рисунках также была проведена интерполяция и нанесены изоконцентрации соответствующего компонента биогаза (в об.%). Распределение концентраций углекислого газа (рис. 3-12) показывает, что в закладке «Б» (без аэрации) максимальные значения 10-18 об% приурочены к центральной осевой части закладки, а минимальные -3-6 об% - к бортовым частям. В закладке «А1» (с аэрацией по эжекторному механизму) напротив: максимальные значения -13-22 об% приурочены к бортовым частям, а минимальные - 3-Ю об% - к центральной и северной частям закладки, т.е. к тем где эжекция максимальна.
Оптимизация конструкции устройств для пассивной аэрациисвалочного тела
Варианты разработанной технологии и конструкций проверены в эксплуатации на полигоне для захоронения ТБО «Икша» ГУЛ «Экотехпром». Это крупнейший из действующих полигонов России, он расположен на северо-западе от Москвы в Дмитровском районе Московской области. На полигоне были выбраны два участка: экспериментальный -для реализации предлагаемого способа и контрольный участок. Оба участка идентичны по характеру захораниваемых отходов, размерам и рельефу местности. На экспериментальном участке были пробурены разного диаметра шурфы в свалочном: теле толщиной 2,5 ч- 5 метров под углом 15, 30 и 45 к горизонтали. Диаметры шурфов соответствовали диаметру приточных асбоцементных труб (3) - 0 100-140 мм, 200-250 мм наружный -которые вкладывались в шурфы. Как показали эксперименты трубы диаметром менее 140 мм имеют гидравлическое сопротивление потоку воздуха столь значительное, что для его преодоления высота вытяжной трубы над поверхностью свалочного тела должна быть в два и более раз превышать толщину свалочного тела. При этом возникают проблемы с закреплением трубы в рыхлом теле несанкционированной свалки под действием ветровой нагрузки. При диаметрах больших 250 мм возникали проблемы с бурением шурфов, т.к. отходы обваливались в пробуренные каналы. Таким образом, оптимальным оказался диапазон диаметров от 140-250 мм, что соответствовало от 0,03 до 0,1 от толщины свалочного тела. ПО тем же причинам оптимальный относительный диаметр вытяжной трубы составляет 0,1-0,15 от толщины свалочного тела, а ее высота над поверхностью свалки от 0,3 до 0,6 от толщины свалочного тела Б. В плане шурфы образовали симметричную четырехлучевую фигуру. Как показали параметрические исследования для достижения максимального эффекта пассивной аэрации эти расстояния должны быть равны между собой, и составлять от 0,3 до 0,5 от толщины свалочного тела в месте заложения труб. Длина приточных труб была выбрана таким образом, чтобы каждая труба нижним концом входила в сборный коллектор, а верхний ее конец выходил на поверхность свалочного тела . В той точке, где установлен сборный коллектор в свалочном теле пробурен вертикальный шурф диаметром 240 мм в который вставлена вытяжная труба того же наружного диаметра. При этом нижний конец трубы стыковался с коллектором , а верхний выходил на поверхность свалочного тела и возвышался над ним, таким образом, чтобы высота трубы могла увеличиваться путем присоединения к ней насадок.
Стенки трубы по всей длине были выполнены перфорированными сквозными отверстиями диаметром 20 мм с шагом 100 мм, таким образом, чтобы на одном сечении трубы было по 4 отверстия расположенных под углом 90 друг к другу. Перфорация приточных и транспортных труб была предметом отдельного исследования. В зависимости от целей пассивной аэрации размер, количество и расположение перфорирующих отверстий варьировались от по диаметру Dn от 0 10 до 0 40 мм, шаг по окружности от 90 до 30 и шаг по длине трубы Ln от 50 мм до 200 мм.
В том случае если необходима быстрая дегазация несанкционированной свалки (с целью ее эвакуации) от уже накопленного в свалочном теле биогаза оптимальными оказались одноярусная система с перфорацией транспортных труб и корневой части вытяжной трубы. Dn= 12,0 мм, Ln = 150 мм (рис.3-24). Если же ставится задача подавления метаногенеза с целью снижения эмиссии метана за счет подачи максимально возможного количества воздуха, то оптимальной оказалась многоярусная (двух и даже трех) система с перфорацией как приточных, так и транспортных труб, но без перфорации корневой части вытяжной трубы. При этом Dn = 20 мм; Ln = 45; Ln - 50 мм. Коллектор представляет собой часть трубы с отверстиями для ввода приточных труб .
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Между верхним срезом вытяжной трубы и входными отверстиями приточных труб с самого начала работы устройства создается естественная разность давлений, инициирующая поток воздуха от поверхности свалочного тела по приточным трубам в коллектор из него наверх в вытяжную трубу и далее в атмосферу. По мере ферментации отходов в свалочном теле происходит выделение газообразных компонентов, которые реагируют с кислородом воздуха протекающего по трубам с образованием СОг, связывая таким образом углерод и препятствуя образованию СН4 . Таким образом при естественной вентиляции свалочного тела происходит подавление метанообразования. Одновременно идет образование паров воды, что связывает водород, препятствуя образованию сероводорода и меркаптанов.
Оба участка были оснащены приборами для измерения температуры окружающего воздуха и свалочного тела на различных глубинах, концентраций компонентов биогаза: метана СЕЦ, углекислого газа, кислорода, сероводорода, а также расхода отходящих газов через вытяжную трубу. Все измерения проводились с помощью универсального инфракрасного анализатора для мониторинга свалочного газа GA-94 английской фирмы Geotechnikal Instruments. Прибор имеет класс точности 1,0 во всем диапазоне измеряемых параметров. Независимые измерения температуры проводились стандартным спиртовым термометром. Замеры скорости воздушного потока - цифровым переносным анемометром АП-1-1.
По результатам проведенных измерений, разница температур свалочного тела на контрольном и экспериментальном участках превышает 30С. ЭМИССИЯ СНЦ В биогазе на экспериментальном участке через 6-8 месяцев практически прекратилась, в то время как на контрольном участке сезонные пики концентраций наблюдаются, как правило, до 20 лет.
В то же время интенсивность образования СОг в свалочном теле возрастает и поддерживается за счет пассивной аэрации в течение всего срока ферментации отходов (т.е. около 20 лет)
На основании результатов опьггно-промьппленной апробации предлагаемого изобретения пожароопасность экспериментального участка полигоне «Икша» была резко уменьшена т.к. свалочное тело оказалось забалластировано СОг, а экологическая обстановка улучшилась за счет подавления метаногенеза и его производных, а также дурнопахнущих соединений.
Кроме того, в 20 раз снизился вклад полигона в возникновение парникового эффекта земли (СОг имеет коэффициент влияния 1, а СН4 - 21). По данным Департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды эмиссия биогаза свалками и полигонами Московского региона составляет около 300 млн. м3 в год, из которых до 50% - метан. Это означает, что предлагаемый способ и устройство для его реализации в принципе позволяют уменьшить эту цифру до 150 млн. м3 в год.
