CC BY
213
УДК 628.54:662.767.1
А. М. Шаимова (к.т.н., доц.)1, Л. А. Насырова (к.х.н., доц.)1, Р. Р. Фасхутдинов (к.т.н., доц.)2
Изучение факторов метангенерации в условиях полигона
твердых бытовых отходов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1 кафедра прикладной экологии; 2кафедра технологии нефти и газа 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431737, e-mail: samaritianka17@mail.ru
A. M. Shaimova, L. A. Nasyrova, R. R. Faskhutdinov
Researching of methanegeneration factors on municipal solid waste dump
The Ufa state petroleum technological university 1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431737, e-mail: samaritianka17@mail.ru
Рассмотрены особенности процесса метангенерации из твердых бытовых отходов (ТБО) полигона. Изучены основные факторы влияния на процесс метангенерации ТБО (температура, влажность, содержание органического углерода, кислотность среды и окислительно-восстановительные условия), а также установлена их приоритетность. Выявлены оптимальные параметры образования метана в составе биогаза в условиях биодеградации ТБО.
Ключевые слова: влажность; кислотность среды и окислительно-восстановительные условия; компонентный состав отхода; лабораторная установка по получению биогаза; метангене-рация отходов; метан; содержание органического углерода; твердые бытовые отходы; температура; факторы влияния.
Полигон депонирования твердых бытовых отходов (ТБО) рассматривается в настоящее время как активный биологический реактор, управление которым приобретает все большее значение. В сложной системе биореактора, работающего при постоянном поступлении отходов, происходит процесс биодеградации органогенов ТБО консорциумом микроорганизмов, в результате жизнедеятельности которых продукты метаболизма трансформируются, в конечном итоге, в биогаз, состоящий до 80% об. из метана 1,2.
С точки зрения функционирования системы полигона, работающего как биореактор периодического действия, биодеструкция ТБО в толще полигона может быть представлена сле-
3
дующими стадиями 3:
I стадия — аэробная деструкция и гидролиз;
II стадия — ацетогенез;
Дата поступления 09.03.11
In the article the features of methanegeneration process of municipal solid waste (MSW) dumps are considered. Major factors of influence on process of methanegeneration of MSW (temperature, humidity, content of organic carbon, acidity of environment and oxidation-reduction conditions) are researched, the priority level of these factors is established. Optimal conditions of methane formation in biogas content of MSW biodegradation process are revealed.
Key words: municipal solid waste; laboratory unit of biogas reception; methanegeneration of waste; methane; influence factors; temperature; humidity; componental structure of waste; content of organic carbon; acidity of environment and oxidation-reduction conditions.
III стадия — активный метаногенез;
IV стадия — стабильный метаногенез;
V стадия — ассимиляция.
Следует отметить, что в наибольшей степени процессы метангенерации ТБО определяются фазой метаногенеза (III, IV стадии).
В период стабильного микробиологического процесса количество метана в образующемся биогазе полигона может достигать 65— 85 % об., диоксида углерода — 35—15 % об. 1,2. Большое влияние на процессы метангенерации ТБО в фазе метаногенеза оказывают физические факторы: температура и влажность отходов; массовая доля (%) компонента отхода с определенным содержанием органического углерода (а, b, c); рН жидкой фазы; окислительно-восстановительные условия среды.
По данным многолетних наблюдений за полигонами депонирования ТБО установлено, что непрерывный процесс метангенерации имеет место на глубине от 5 м и ниже. При
этом температура в толще полигона сохраняется на уровне 20—80 оС, а влажность в наибольшей степени зависит от времени года и колеблется в пределах 40—80 %.
В настоящее время процессы метангенера-ции из ТБО на полигонах недостаточно изучены, и для каждого конкретного полигона невозможно определить и описать процессы, происходящие внутри на химическом уровне. Все натурные исследования процессов весьма сложны и трудоемки, а их мониторинг требует длительного времени, поэтому основой моделирования процессов метангенерации отходов и определения эмиссии биогаза в настоящее время остается лабораторный эксперимент.
Целью настоящей работы являлось определение факторов влияния и их приоритетности на процесс метангенерации, а также установление оптимальных параметров образования метана в составе биогаза в условиях биодеградации ТБО на полигоне.
Объекты исследований
Для получения достоверных сведений о процессах биодеструкции ТБО и создаваемой ими экологической нагрузке в качестве объектов исследования были выбраны «модельные» образцы отходов (характерные для типичного полигона ТБО), характеристики которых приведены в табл. 1.
Для установления влияния состава отходов на процесс метангенерации была введена следующая классификация отходов:
— отходы животного происхождения (а) — пищевые отходы, кожа;
— отходы растительного происхождения (Ь) — бумага, садово-парковые отходы, древесина;
— прочие отходы (с) — ткань, текстиль, резина, пластик, стекло и др.
Условия эксперимента
Для определения факторов влияния и установления оптимальных параметров метанге-нерации ТБО была разработана лабораторная установка (рис. 1) 4 — последовательно соединенные биореактор /, адсорбер 2, ротаметр 3 и пробоотборник 4. Вся система помещается в термостат, что позволяет варьировать температуру процесса. Образующийся в биореакторе газ осушается в адсорбере, а его объем фиксируется ротаметром.
В процессе эксперимента определяли ежесуточные объемы образовавшегося газа, а также его химический состав на хроматографе Кристалл 2000М 5-6.
Содержание гигроскопической влаги, абсолютно сухого вещества, доли органического углерода в отходах, а также рН и окислительно-восстановительные условия среды определяли по известным методикам 7-9.
Суммарная доля органического углерода в смеси отходов определялась по формуле:
п
Собщ = ^¡Уг Х Сг г=1
где Собщ. — суммарная доля органического углерода в смеси отходов, кг/кг;
У{ — доля г-го компонента в общей массе отходов, доли ед.
Сг — доля органического углерода в г-ом компоненте отходов (а, Ь, с), кг/кг
Результаты и их обсуждение
Основной показатель метангенерации — содержание метана в образующемся биогазе (®СН4, % об.).
Рис. /. Лабораторная установка получения биогаза: 1 — биореактор; 2 — адсорбер; 3 — ротаметр; 4 ■ пробоотборник
Таблица 1
Характеристика «модельных» образцов отходов типичного полигона захоронения ТБО
Компонентный морфологический состав образца, % мас.
№ Образца Пищевые отходы Бумага Садово-парковые отходы Древесина Ткань, текстиль Кожа Резина Пластик Стекло Прочие Суммарная доля органического углерода в образце ТБО Собщ, кг/кг Плотность р, кг/м Начальная влажность %
№ 1 18.6 27.1 7.2 8.9 5.6 3.4 4.2 6.8 7.9 10.3 0.150 ± 0.01 1380 65
№ 2 24.5 33.7 10.8 3.7 4.1 1.2 1.6 2.7 5.2 12.5 0.200 ± 0.005 1400 65
№ 3 31.9 35.7 11.5 6.1 2.3 0.9 2.4 3.6 2.7 2.9 0.250 ± 0.01 1392 65
Исследования особенностей процесса ме-тангенерации при биодеградации ТБО были проведены по нескольким направлениям:
— определение влияния температуры (Г, оС) и влажности (W, %);
— массовая доля (у) компонента отхода с определенным содержанием органического углерода (а, Ь, с);
— определение кислотности среды (рН) и окислительно-восстановительных условий (гН2) процесса.
В первой серии экспериментов устанавливались оптимальные значения температуры и влажности для процесса метангенерации. При этом диапазон температуры и влажности был выбран на основании натурных наблюдений непосредственно на полигонах ТБО.
Для исследований применялся «модельный» образец ТБО №2, доля углерода в котором составляет 0.2 кг/кг, поскольку результаты проведенных длительных наблюдений за объектами депонирования отходов показали, что данный образец наиболее полно и точно соответствует отходу типичного полигона захоронения ТБО, являясь при этом усредненным образцом среди «модельных» образцов отходов.
Зависимость содержания метана в образующемся биогазе от величин температуры и влажности отходов для «модельного» образца №2 представлена в виде графиков на рис. 2.
Как видно, процесс биодеградации отходов консорциумом микроорганизмов проходил в двух температурных режимах: мезофильном (20-40 0С) и термофильном (45-65 0С), причем наибольшее содержание метана в составе биогаза наблюдается в мезофильном режиме, в температурном диапазоне 30-40 0С при влажности отходов 80%. Таким образом, оптимальные значения температуры и влажности для
эффективного процесса метангенерации находятся в пределах 30-40 0С и 65-80 % соответственно.
^ Л
70 60 50 40 30
Г ч ч
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
Значения влажности Ж, %
■ 50%
■ 65%
Мезофильный режим
Термофильный режим
Значения температуры Т /С
Рис. 2. Зависимость содержания метана в образующемся биогазе от величины температуры и влажности «модельного» образца отхода №2
Очевидно, что температура в толще отходов оказывала большее влияние, чем влажность.
Генерация метана в процессе биодеструкции отходов на полигоне зависит также от массовой доли (у) компонента отхода с определенным содержанием органического углерода (а, Ь, с) в смеси отходов.
Во второй серии экспериментов было изучено влияние массовой доли (%) компонента отхода с определенным содержанием органического углерода (а, Ь, с). С этой целью были взяты следующие образцы отходов: №1 — 0.1:0.1:0.8; №2 - 0.4:0.2:0.4; №3 - 0.8:0.1:0.1.
Результаты определения суммарной доли органического углерода в образцах представлены в табл. 2.
Как видно из графиков на рис. 3, увеличение органической составляющей (Собщ.) в «модельных» образцах отходов типичного полигона ТБО способствовало росту содержания ме-
Таблица 2
Характеристика образцов по доле органического углерода в каждом компоненте отхода
№ образца Доля органического углерода С,-, г/кг Суммарная доля органического углерода в смеси отходов Собщ., кг/кг
а Ь с
1 0.27 ±0.02 0.21 ± 0.01 0.12 ± 0.005 0.150± 0.01 (0.125)
2 0.27+ 0.02 0.21 ± 0.01 0.12 ± 0.005 0.200 ± 0.005 (0.166)
3 0.27 ±0.02 0.21 ±0.01 0.12 ±0.005 0.250 ±0.01 (0,280)
тана в составе биогаза и явилось значимым фактором метанобразования.
Результаты исследований третьей серии экспериментов по изменению кислотности среды (рН), редокс-потенциала (ЕЬ), аэробности среды гНг в процессе биодеградации образца отхода №2 (с Собщ=0.209 кг/кг) представлены в виде графиков на рис. 4, 5.
И 25
70 яГ с В 60- Ю а 50 -в 8 40 . д ^ § 30 ■ и Я Я 20 ' 1 | 10 " о о ■ №
у
я */
у
\>
* </
£ * у \ а 4 V
• № 1 (Собщ = 0,150) ■ №2 (Собщ. =0,200) I №3 (Собщ. =0,250)
Продолжительность эксперимента, сутки
Рис. 3• Образование метана в составе биогаза при разложении «модельных» образцов отходов ти пичного полигона ТБО (при температуре Т*=40 "С и влажности \\г=65%)
Данные значений реакции среды и окислительно-восстановительных условий (рис. 4 и 5) указывают, что процесс биодестукции ТБО происходил в аэробных и анаэробных условиях в две стадии ацетогенной (гидролиз и аци-догенез) и метаногенной.
I 7 а.
I 6 %
ш
" 2
1 0
-
4
лг
£> <ъ° чй> ^ гф> ^
Продолжительность эксперимента, сутки
20
гидролиз
Ер. -
яцид огенез
ттттт
V»
метаногенез
Р.....'...............ЪГ*1
Рис. 4. Изменение значений рН в зависимости от времени биодеструкции модельного образца отхода №2 с С 0.200 кг/кг (при температуре Т=40 °С и влажности XV=65% )
£ о
V -р бР
Продолжительность -эксперимента, сутки
Рис. 5. Изменение значений показателя окислительно восстановительного потенциала гН2 в зави симости от времени биодеструкции модельного образца отхода №2 с СОЙ=0.200 кг/кг
В начальный период постановки опыта процесс биодеградации отходов протекал в ацетогенной стадии в аэробных условиях. В этот период реакция среды рН изменяется от 7.97 до 6.31, гН2 - от 21,38 до 16.89. По-видимому, это связано с образованием в процессе окисления органогенов ТБО кислых продуктов, таких как жирные кислоты, некоторые аминокислоты и др. После 15-суточной экспозиции условия среды постепенно изменяются на анаэробные.
В конце ацетогенной стадии на 100 сутки реакция среды и окислительно-восстановительные условия достигали значений: рН=6.31; гН2~7.1, Процесс биодеградации отходов в этот период происходил в анаэробных условиях и кислой реакции среды. В результате уменьшения кислорода, который быстро потребляется аэробной микрофлорой, ацидоген-ная стадия сменялась метаногенной.
Реакция среды в этой стадии изменялась с кислой на нейтральную и в конце опыта на 250 сутки значение рН достигло 8.2. Анаэробные условия среды сохранялись в течение всего периода биодеградации отходов в метаногенной стадии гН2=5.34—2.68.
Таким образом, применение метода анаэробной биодеструкции отходов полигона ТБО в стабильных условиях температуры и влаж-
ности показало, что процесс происходил в аце-тогенной (гидролиз, ацидогенез) и метаноген-ной стадиях.
В результате микробиологической деструкции органических веществ происходила их трансформация в газообразную (биогаз), жидкую (фильтрат) и твердую (разложившуюся массу) фракции. В процессе биодеструкции отходов кислотность среды менялась от слабокислотной со значением 5.15 до нейтральной со значением 8.2. Показатель окислительно-восстановительного потенциала изменялся от 21.4 до 2.68. Снижение показателя окислительно-восстановительного потенциала свидетельствует о постепенном потребление кислорода и переходе аэробных условий в анаэробных.
На основе полученных результатов рекомендуется при эксплуатации полигонов вести мониторинг количественного и качественного состава поступающих ТБО с целью его разбивки (разделения, картирования) на зоны быстро- и медленноразлагаемых отходов. Данная информация о расположении зон позволит в дальнейшем установить месторазмещение системы сбора биогаза на полигоне ТБО.
Таким образом, изучение процесса метан-генерации и умение управлять им позволит получить прибыль от строительства и эксплуатации полигона ТБО за счет сбора и утилизации метансодержащего биогаза с его использованием на близлежащих промышленных предприятиях. Наряду с экономическим эффектом очевиден и экологический, заключающийся в снижении выбросов парниковых газов в атмосферу.
Литература
1. Шаимова А. М., Насырова Л. А., Ягафарова Г. Г., Фасхутдинов Р. Р. // Нефтегазовое дело.— 2006.- Т.4, №1.- С. 235.
2. Шаимова А. М., Насырова Л. А., Ягафарова Г. Г. Утилизация отходов производства и потребления на полигонах твердых бытовых отходов с получение альтернативного источника энергии — свалочного биогаза.— Уфа: Нефтегазовое дело, 2009.— 153 с.
3. Petts J., Eduljee G. Environmental impact assessment for waste treatment and disposal facilities.//WILEY.— 1994.— 386 p.
4. Патент № 2368884 Способ сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых отходов с многослойным противофильтрационным экраном / Шаимова А. М., Насырова Л. А., Ягафарова Г. Г., Фасхутдинов Р. Р. // Б. И.— 2009.— №9.
5. ПНД Ф 13.1:2:3.23-98. Методика выполнения измерений массовых концентраций предельных углеводородов С1—С5 и непредельных углеводородов (этена, пропена, бутенов) в атмосферном воздухе, воздухе рабочей зоны и промышленных выбросах методом газовой хроматографии. — М.— 1998 (издание 2005).
6. ПНД Ф 13.1:2:3.27-99. Методика выполнения измерений массовых концентраций оксида углерода и метана в атмосферном воздухе, воздухе рабочей зоны и промышленных выбросах методом реакционной газовой хроматографии.—М.— 1999 (издание 2005).
7. Методика выполнения измерений массовой доли золы, влаги (влажности) в твердых отходах гравиметрическим методом.— М.: МПР РФ, 2002.—16 с.
8. Методика исследования свойств твердых отбросов.— М.: Стройиздат, 1970.— 144 с.
9. РД 52.24.495-95 Методические указания. Методика выполнения измерений рН и удельной электропроводности вод, 1995.— 37 с.
