CC BY
57УДК 628.4.08
Г.А. Джамалова1
Физико-химические факторы Техногенная природа сволочного тела Биогаз
Морфологический состав ТКО Содержание органического углерода Количество образования
Консорциум микроорганизмов
Возраст отходов Уменьшение количества питательного субстрата во времени
Плотность отходов Чем выше плотность отходов, тем выше теоретический выход биогаза
Химический состав ТКО Жизнедеятельность микроорганизмов Качественный состав
Стадия жизненного цикла полигона
рн Стадия жизненного цикла полигона Скорость образования
Влажность Скорость и степень разложения
Температура Скорость протекания биохимических процессов
Как видно из таблицы 1, качественный и количественный состав биогаза определяется составом и характеристиками ТКО, а удельный выход биогаза, скорость
Эмиссия и качественный состав биогаза, границы рассеивания метана вокруг полигона твердых коммунальных отходов (ТКО) изучены на двух разновозрастных полигонах двух крупных городов Казахстана - г. Алматы (Карасайский полигон, эксплуатация с 1989 г., площадь 65 га) и г. Астана (пострекультивационный полигон, эксплуатация с 1974 по 2006 год, площадь 65,6 га).
Биогаз, как продукт разложения органической фракции ТКО анаэробными микроорганизмами, представляет собой сложную высококонцентрированную смесь газов (свалочный газ), качественный и количественный состав которого индивидуален для каждого полигона (таблица 1) и зависит от географических, природно-климатических, гидрогеологических и антропогенных условий размещения полигона, а также физико-химического и биологического режима свалочного тела полигона [1-5].
Таблица 1. Факторы, влияющие на эмиссию биогаза на полигонах ТКО
ЭМИССИЯ ТОКСИЧНОГО И ВЗРЫВООПАСНОГО БИОГАЗА ПОЛИГОНАМИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
050013, Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22
Приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования по определению эмиссии и качественного состава биогаза, границы рассеивания метана вокруг полигона твердых коммунальных отходов. Определено, что наибольшее загрязнение атмосферы наблюдается в окрестности западной и северной части Карасайского полигона ТКО на расстоянии до 2 км.
Ключевые слова: свалочное тело полигона, биогаз, компоненты биогаза, метан.
образования и соотношение компонентов биогаза - органическими составляющими ТКО и процессами жизнедеятельности микроорганизмов в свалочном теле полигона.
Превалирующими компонентами биогаза (рисунок 1) являются метан и углекислый газ, содержание которых варьирует в пределах 44 - 66 % и 33 - 55 % соответственно (СН4 : СО2 = 0,8 : 2,0) [1, 6, 7].
Азот 18%
^^^ 55%
^^^^^^^ Метан
m
35% Углекислый
>
Рисунок 1. Типичный состав биогаза в анаэробных условиях (а) и на поверхности свалочного тела (б) [1]
Полигоны захоронения ТКО являются важным источником атмосферного метана. Их вклад в глобальную эмиссию этого парникового газа оценивается в 0,09 - 0,8 [2] - 1,5-73 млн. т/год [3-5], что составляет 10-20 % от антропогенной и 6-12 % от общей глобальной эмиссии метана [3, 8]. Из каждой тонны ТКО образуется до 180 м3 сырого биогаза [9], а из 1 кг сухой массы отходов - 0,34'10"3 -68'10"3 м метана [10]. Для отдельных компонентов предельное анаэробное разложение составляет 70 % (жиры), 62,5 % (углеводы) и 48 % (белки). При анаэробном распаде 1 г жиров образуется 1250 мл газа в соотношении 68 % СН4 и 32 % - СО2; 1 г углеводов - 790 мл газа в соотношении 68 % и 32 %; 1 г белков - 704 мл газа в соотношении 71 % и 29 % соответственно [11]. При этом 80 % биогаза образуется в свалочном теле в фазе стабильного анаэробного метаногенеза, остальные 20 % - на других фазах жизненного цикла полигона медленно разлагаемыми органическими компонентами отходов [1, 5, 8, 10].
Содержание азота в биогазе находится в пределах 15 - 18 %, водорода- 1 %, паров воды - 60 г/м3 (вла-госодержание биогаза зависит от температуры и давления). Источниками дополнительной влаги являются атмосфер-
1 Джамалова Гуля Абаевна, канд. с.-хоз. наук, доцент, докторант Санкт-Петербургского государственного технологического института (техниче-
ского университета, e-mail: j.ga@bk.ru
Дата поступления - 26 июня 2013 года
ные осадки и вода (наземная, грунтовая). [1, 6, 11].
В составе биогаза различают макро- (СН4, СО2) и микрокомпоненты. Из микрокомпонентов можно выделить вещества органической (этан, пропан, бутан, циклогексан, этен, пропен, бутен, циклогексан, бензол, толуол и др.) и неорганической (сероводород, аммиак, оксид углерода) природы [1].
Содержание основных компонентов биогаза и класс их опасности представлены в таблице 2.
Основные физические свойства биогаза следующие: плотность 1,07,10-4 кг/м3; абсолютная вязкость (т) биогаза составляет 1,15-10"5, метана - 1,04'10-5) Н-с/м2. Теплота сгорания - 1800 - 25100 кДж/м3 (для 1м3 биогаза при содержании 50 % СН4 и 45 % СО2 - 18500 кДж или 5,14 Вт) [1].
Таблица 2. Содержание основных компонентов биогаза и класс
их опасности [1, 6, 12-14]
Показатель
Основные компоненты биогаза
Содержание, % 44 - 33 - 0 - 0 - 0,1 200
66 55 0,3 мг/м3
Класс опасности 4 - 4 4 2
ПДКМР, мг/м3 50 х 5 0,2 0,008
ПДКСС, мг/м3 25 х 3 0,04 -
СН4
СО2
СО
N43
Н2Б
Примечание х - ПДК не предусмотрена
Техногенное воздействие биогаза на окружающую среду представлено в таблице 3.
Воздействие биогаза на окружающую среду проявляется цепочкой последовательных нарушений, приводящие не только к техногенным изменениям объектов окружающей среды, как на локальном (пожары, взрывы, загрязнение), так и на глобальном (парниковый эффект, разрушение озонового слоя) уровнях, но и техногенным преобразованиям на уровне биоты (угнетение жизнедеятельности, нарушение здоровья). Негативное воздействие метана на окружающую среду в большей степени проявляется с ее взрывоопасностью.
Таблица 3. Тип техногенного воздействия биогаза на окружающую среду [1-5, 8-10,13]
Техногенное воздействие Предпосылка Фактор Следствие Особенность
Пожары, взрывы Метан Способствуют взрыву: - метан (5-15 %) и водород (4-77 %); - скопления биогаза. Препятствуют взрыву азот и оксид углерода - пожары; - взрывы; - провалы поверхности из-за пожаров могут приводить к гибели людей и потере техники; - при недостатке кислорода в процессе горения наблюдается образование опасных углеродсодержащих веществ (например, канцерогенных полиароматических углеводородов);
Наземное распространение до 3 км и более, подземное - до 2 км и более Способствуют распространению климатические условия, рыхлые пористые породы, мало уплотненные ТБО, трещины, траншеи, туннели пожары и взрывы в близлежащих к полигону строениях - загрязнение атмосферного воздуха; - асфиксия корневой системы при вытеснении метаном кислорода из грунта (угнетение у растений роста, сухость, желтизна с переходом к полной деградации растительного покрова)
Загрязнение атмосферного воздуха Высокие концентрации на примере СН4 и Н2S СН4 пожары, взрывы Удушье при 8000-кратном превышении ПДК
Н2S неприятныи сладковато-гнилостный запах При концентрации 0,04 % в течение 0,5-2 часа вызывает головокружение и отдышку, а при 0,08 % в течение 5-10 мин - смерть
Парниковый эффект и разрушение озонового слоя Вклад оксид углерода в парниковый эффект 50 %, метана 19 %. Атмосферная доля метана из-за антропогенных факторов ежегодно увеличивается на 1-2 % Конечный продукт фотохимического окисления метана - СО Углеводородные газы участвуют в атмосферных фотохимических реакциях, обеспечивающих сток и образование ОН-радикалов. Реакции, протекающие в тропосфере: метан ^ метил и ОН-радикалы ^ Н2 и формальдегид ^ СО, СО и Н2. Хлорорганические соединения воздействуют на озон и поглощают инфракрасное излучение
Таким образом, из основных компонентов биогаза метан и водород придают горючесть, оксид углерода - горючесть и токсичность, сероводород - токсичность, неприятный гнилостный запах и коррозионные свойства. Присутствующие в микродозах компоненты усиливают негативные свойства биогаза (например: этан, пропан, формальдегид, органическая сера, органический хлорид др.) [1, 8, 11, 15].
Контроль над распространением метана с помощью систем мониторинга биогаза осуществлен нами на
исследуемых полигонах ТКО в 2006 - 2009 годы с помощью портативного газоанализатора ^А 2000; PORTAFID, Sewerin). Температурный режим определяли на разновозрастных участках свалочного тела электронным термометром Greisinger СМИ 2000.
Показатели эмиссии метана, температуры свалочного тела на исследуемых участках полигона представлены в таблице 4 и на рисунке 2.
Таблица 4. Эмиссия биогаза (метана), наличие пожаров и температура свалочного тела (Ь) на различных участках полигона ТКО [16, 17].
Показатель Участки на полигонеТКО
г. Алматы г. Астана
I II III IV V VI А В
Исследованная площадь, га 4,24 1,45 1,94 2,02 3,92 4,08 3,0 4,0
Биогаз, м3/ч 948 948 2084 1300 2084 2084 462 620
Ь, °С 27,3* 358,8** 300,8** 34,9* 29,6* 23,8* 32,0* 26,6*
Наличие пожаров Нет Да Да Нет Да Да Нет Нет
Примечание: * - на глубине 5 м; ** - через трещины в местах пожара (рисунок 2)
На Карасайском полигоне г. Алматы исследовано всего 17,65 га территории. Наибольшее количество биогаза и, в частности, метана образуется на пятом (1633,856 м3/ч биогаза; 2084 г/м3 метана) и шестом (1700,544 м3/ч;
2084 г/м3) участках, со сроками захоронения более 10 и 5 лет соответственно. Относительно малое по объему количество биогаза и метана было зафиксировано на первом (803,904 м3/ч; 948 г/м3), втором (274,92 м3/ч; 948 г/м3) и
четвертом (525,2 м3/ч; 1300 г/м3) участках. Особенностью этих участков является то, что сроки захоронения на них, либо превышают 15 лет (первый и четвертый участок), либо менее 5 лет (второй участок). Всего на исследуемых участках Карасайского полигона эмиссия биогаза составило 5750 м3/ч., эмиссия метана - 9448 г/м3, тогда как на рекультивационном полигоне ТКО г. Астана эмиссия биогаза составило 1200 мз/ч, что меньше почти в 5 раз, а метана - 1082 г/м3, что меньше в 9 раз.
и 2000-2500 И 1500-2000 И 1000-1500 и 500-1000 И 0-500
персонал полигона и население близлежащих поселков (Косши, Уш-Терек) подвержены токсическому воздействию высоких концентраций СО в атмосфере.
Результаты анализов проб биогаза на Карасайском полигоне ТКО представлены в таблице 5.
Таблица 5. Результаты анализов проб биогаза на Карасайском полигоне ТКО
Компонент X ± Ш-Х С- Компонент х ± Ш-Х С-
СН4 55,2 ± 3,8 110 СН4 1575,0 ± 260,3 136
% СО2 41,8 ± 3,1 104 г/м3 СО 312,8 ± 117,7 154
О2 12,8 ± 1,3 44 Н2Б 239,0 ± 50,9 21
Рисунок 2. Эмиссия метана (г/м1) на полигонах ТКО г. Алматы и г.
Астана. Участки, исследованные на Карасайском полигоне ТКО г. Алматы (I - VI) и полигоне ТКО г. Астана (А, В).
Таким образом, в результате регулярных измерений показано, что с увеличением возраста захоронения до определенного предела (5 - 10 - 15 лет захоронения) увеличивается доля метана в биогазе. В дальнейшем, на более поздних стадиях жизненного цикла полигона, как это видим на примере рекультивационного полигона ТКО г. Астана (рисунок 2; участки А, В), эмиссия метана, а следовательно и биогаза, уже идет на убыль.
Последствия от эмиссии метана проявляются в пожарах, которые на Карасайском полигоне занимают обширные территории. Возгорание захороненных отходов на разных участках полигона рассматривались как аварийные выбросы. Интенсивные пожары с тяжелым потоком дыма наблюдались на участках захоронения № 3 и № 5, относительно небольшие пожары обнаружены на участке № 2 и № 6, отсутствие пожаров отмечено на первом и четвертом участках Карасайского полигона. При этом необходимо отметить, что выделение дыма из свалочного тела наблюдались почти на всех участках захоронения. На полигоне ТКО г. Астана в связи с активными рекультива-ционными работами, пожары отсутствовали.
Одной из основных проблем при горении ТКО в толще свалочного тела является поступление в атмосферный воздух загрязняющих газов, которые в своем составе содержат взвешенные частицы золы и недожога. Выделение таких загрязняющих веществ, как окислы серы и азота, хлористого и фтористого водорода связано с неполным сгоранием ТКО, гетерогенным характером сгораемого материала, сложностью и разнообразием химико-термодинамических процессов, протекающих в теле свалки с различной интенсивностью, невозможностью контролирования процессов горения в ней и т.д. [19].
Известно, что пластмассы, бумага, органические вещества при ограниченном доступе кислорода и низких температурах сгорают не полностью и образуют диоксины и оксид углерода [1, 15, 18].
Эмиссия оксида углерода на исследуемых полигонах ТКО находится в пределах от 23,4 (отсутствует возгорание отходов; полигон ТКО г. Астана) до 1069,4 мг/м3 (возгорание отходов имеется; Карасайский полигон ТКО г. Алматы), а на участках, где пожары происходят внутри свалочных тел, о чем свидетельствует тяжелый поток дыма (температура превышает 300 °С), количество выделяемого оксида углерода увеличивается до 2346 мг/м3 (превышение ПДК до 470 раз). Следовательно, рабочий
Из таблицы 5 видно, что состав биогаза Карасайского полигона ТКО на 55,2% представлен метаном и на 41,8 % углекислым газом.
Анализируя данные таблиц 4 и 5 можно заключить, что для Карасайского полигона г. Алматы наблюдается превышение ПДКмр по метану (почти более чем в 1000 раз), тогда как для полигона ТКО г. Астана превышение относительно незначительное (более 100 раз).
На Карасайском полигоне ТКО может образовываться от нескольких сотен до нескольких тысяч м3 биогаза в час. В среднем, эмиссия биогаза на Карасайском полигоне составила 360 - 560 м3/ч. Энергетический потенциал Карасайского полигона оценен приблизительно в 5 кВтч от 1 м3 биогаза, т.е. от 2500 м3/ч биогаза (<50 % от теоретической нормы образования биогаза) можно получить приблизительно 12 500 кВтч энергии [16, 19].
На завершающем для данного исследования этапе изучено влияние климатических факторов и рельефа местности на условия рассеивания метана, как основного загрязняющего вещества в воздушном пространстве района размещения Карасайского полигона ТКО г. Алматы [19, 20].
Границы рассеивания [19, 20] метана вокруг полигона складирования ТКО показаны на рисунке 3 ситуационной карты-схемы района расположения Карасайского полигона ТКО. Установлено, что наибольшее загрязнение атмосферы воздуха наблюдается в окрестности западной и северной части Карасайского полигона ТКО, протяженности более 2 км территории.
Рисунок 3. Ситуационная карта-схема района размещения полигона твердых бытовых отходов: 1 - Карасайский полигон ТКО; 2 -обозначение поверхности выброса загрязняющих веществ; 3 -граница рассеивания загрязняющих веществ до ПДК
Результаты полученных исследований являются предпосылкой для определения расчетными методами общего биогазового потенциала полигона, что очень важно для принятия инженерно-технических решений по снижению эмиссии биогаза в атмосферу.
Литература
1. Вайсман Я.И., Вайсман О.Я., Максимова СВ. Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов. Пермь, 2003. 231 с..
2. Гурвич В.И., Лифшиц А.Б. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ) - самостоятельная отрасль мировой индустрии. http: // www.ecoline.ru, 2001. 11с.
3. Лебедев В.С., Горбатюк О.В., Иванов Д.В. [и др]. Биогеохимические процессы образования и окисления биогаза на свалках бытовых отходов // Экологическая химия. 1993. № 4. С. 323-334.
4. IPCC, Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of working group I to the third assessment report of the Intergovernmental panel on climate change / Ed. J.T. Houghton et.al. Cambridge Univ.press. 2001. 34p. URL: http ://www. i pcc. ch/pdf/cl imate-changes-2001/synthesis-spm/synthesis-spm-en.pdf (дата обращения: 01.03.2013).
5. Ножевникова А.Н., Каллистова А.Ю., Кевбрина М.В. Эмиссия и окисление метана на полигоне захоронения твердых бытовых отходов: сезонные изменения // Труды института микробиологии имени С.Н. Виноградского. Выпуск XIII. К 100-летию открытия метанотрофии. М.: Наука. 2006. С.172-189.
6. Leonardos G. The profile approach to odor measurement. Proceeding: mid-Atlantic States section / Air pollution control association semiannual technical conference on odor: their detection measurement and control. 1970. P. 18-36.
7. Cooper C.D., Reinhart D.R., Rash F. Landfill gass emissions. Report/ Florida center for solid and hazardous waste management. US EPA, 1992. 130 p.
8. Абрамов Н.Ф., Вайсман Я.И., Максимова СВ. [и др]. Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации полигонов захоронения твердых бытовых отходов. М.: Госстрой РФ, 2003. 27 с.
9. Meadows M, Gregory R, Fishfind C, Gronow J. Characterizing methane emissions from different types of landfill sites / Enviromental impact, aftercare and redemption of landfills. Vol. IV // VII International waste management and landfill symposium. Sardinia, 1999. Sardinia, V. 4. P. 2532.
10. Лебедев В.С., Ножевникова А.Н. Объекты захоронения городских бытовых отходов как источник атмосферного метана // Экологическая химия, 1995, № 4. С. 49-60.
11. Крупский К.Н., Андреев Е.Н., Ютина А.С. Использование биогаза в качестве источника энергии: обзорная информация. М.: ЦБНТИ Минжилкомхоз РСФСР, 1988. 38 с.
12. ГОСТ 12.1.007-76. Межгосударственный стандарт система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. 4 с.
13. Бакулин В.Н., Брещенко Е.М., Дубовкин Н.Ф. [и др]. Газовые топлива и их компоненты. Свойства, получение, применение, экология: справочник. М.: Изд.дом МЭИ, 2009. 614 с.
14. ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. Введ.29.09.1988.М.: изд-во стандартов, 1988. 129 с.
15. Ham R.R., Barlaz M.A. Measurement and prediction of landfill gas quality and quantity // ISWA International sanitary landfill symposium Cagliari, 1987. P. VIII-1 - VIII -23.
16. Project No.516732. Project acronym: NISMIST. Project title: Management of environmental risks associated with landfills in seismically active regions in the New Independent States (NIS) of Central Asia. 2008. 91р. URL: http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=FP6_PROJ&removing %20coNection%20load%20entry%20%5B=D&RCN=75894&D OC=783&QUERY=012e0ca7a06e:4129:5cb1abde
17. Заключительный отчет по проекту 04.01.05.Н20 "Эколого-экономическое обоснование и разработка биотехнологического процесса обезвреживания нарушенных экосистем на полигонах твердых бытовых отходов", выполненной в рамках НТП Ц.0382 «Разработка современных технологий для формирования кластера по биотехнологии в Республике Казахстан на 2006-2008 годы». № гос. регистрации 0106РК01248. Астана. НЦБ РК. 2008г. 70 с. URL: http://nauka.kz/page.php?page_id=6&lang=1.
18. Юшин В.В., Лапин В.Л., Попов В.М. [и др]. Техника и технология защиты воздушной среды. М.: ВШ, 2005. 391 с.
19. Беньямовский Д.Н., Мирный А.Н., Богатова Н.А. [и др]. Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводов. М.: АКХ им. К.Д. Памфилова, 1989.
20. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. ГОСКОМГИДРОМЕТ. Л.: ГИДРОМЕ-ТЕОИЗДАТ, 1987. URL:
http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/2/28 26/index.php (дата обращения: 20.01.2013).
