CC BY
55
-►
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
УДК 628.336:628.472:504.06
В.И. Масликов, А.Н. Чусов, Е.Ю. Негуляева, А.В. Черемисин, Д.В. Молодцов
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗЛОЖЕНИЯ ОТХОДОВ В БИОРЕАКТОРАХ ДЛЯ ОЦЕНКИ БИОГАЗОВОГО ПОТЕНЦИАЛА И ВЫБОРА МЕРОПРИЯТИЙ ПО РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЛИГОНОВ ТБО
Определение эмиссий биогаза и фильтрата имеет большое значение для оценки состояния полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) и их воздействия на окружающую среду как в период эксплуатации, так и после закрытия. Поскольку натурные исследования весьма трудоемки, дорогостоящи и требуют большого времени, исчисляемого десятилетиями, получило распространение определение этих данных расчетным путем. Разработано значительное количество математических моделей определения газовых и водных эмиссий при разложении отходов в зависимости от различных исходных параметров. Разнообразие математических моделей отражает сложность и многообразие процессов, происходящих на полигонах, но затрудняет выбор универсальной модели [1, 2]. Модели, как правило, учитывают лишь небольшой ряд факторов, которые могут быть заданы в некотором приемлемом диапазоне или легко контролируются. Поэтому корректный выбор модели можно сделать, только сопоставляя результаты расчета с экспериментальными данными, полученными в лабораторных условиях.
Особый интерес представляет опыт Германии, где были созданы лабораторные комплексы и разработаны технологии физического моделирования процессов разложения твердых бытовых отходов. Это позволило создать универсальную технологию, наиболее полно воспроизводящую процессы, происходящие в естественных условиях, и дающую возможность ускорить их в десятки и сотни раз. Кроме того, были разработаны нормативы на проведение лабораторных исследований, использу-
емое оборудование, методики анализа и др., что обеспечивает корректность сопоставления и использования полученных результатов.
Технология лабораторного моделирования состоит в том, что исследуемый материал помещают в герметично закрытый биореактор, в котором поддерживается режим, соответствующий условиям полигона.
Создавая оптимальные условия в биореакторах, можно ускорить разложение отходов в десятки и более раз и за несколько месяцев работы лабораторной установки наблюдать за процессами, происходящими в естественных условиях в течение многих десятков лет, получая при этом необходимую информацию, на основе которой создаются и корректируются расчетные модели [3].
В СПбГПУ была освоена методика проведения эксперимента в малых биореакторах объемом около 9 л с модельными образцами отходов, создаваемыми на основе данных о морфологическом составе ТБО, захораниваемых на конкретных полигонах. Это позволяет отказаться от транспортировки загрязненных образцов с действующих объектов. Преимуществами малых биореакторов по сравнению с большими (120 л) являются: возможность варьирования состава отходов; повышение безопасности при проведении эксперимента (так как исследования выполняются с небольшими объемами ТБО), а также существенное снижение затрат. При этом обеспечивается возможность получения всей необходимой информации. С этой целью был модернизирован лабораторный комплекс «Биореактор» [4].
Были подготовлены три малых биореактора объемом около 9 литров каждый и проведены две серии экспериментов с модельными образцами отходов (см. табл. 1), соответствующих среднему морфологическому составу ТБО двух крупных городов государств Центральной Азии, аналогичных южным регионам России.
В качестве стабилизатора для обеспечения устойчивого процесса метаногенеза использовался компост шестинедельной зрелости, отобранный с площадки хранения завода МПБО-2 Санкт-Петербурга.
В биореакторы были заложены следующие композиционные смеси: Модельный образец № 1 100 % масс. — компост для учета его степени влияния в смесях с отходами (биореактор № 1—1);
70 % масс. модельного образца ТБО №1 и 30 % масс. компоста (биореактор №2—1);
50 % масс. модельного образца ТБО №1 и 50 % масс. компоста (биореактор №3—1). Модельный образец № 2 100 % масс. компоста для учета его степени влияния в смесях с отходами (биореактор № 1—2);
70 % масс. модельного образца ТБО №2 и 30 % масс. компоста (биореактор №2-2);
50 % масс. модельного образца ТБО №2 и 50 % масс. компоста (биореактор №3-2).
Морфологический состав исследуемых образцов отходов, % масс.
Наименование компонентов Образец №1 Образец №2
Пищевые отходы 19 23,4
Песок 27 0
Ветки, листья 14 0
Бумага, картон 7 27,8
Стекло 4 8,6
Текстиль 4 1,3
Кости 2 0,1
Пластик 3 14,2
Металл 3 1,6
Кожа 1 0,4
Древесина 1 2,4
Камни, штукатурка 1 9,2
Прочие 14 11
На рис. 1 представлен вид лабораторной установки с малыми биореакторами.
При проведении эксперимента осуществлялся еженедельный контроль эмиссии и состава биогаза, а так же основных показателей химического состава фильтрата и твердого вещества (при загрузке и выгрузке отходов).
Рис. 1. Лабораторная установка
На рис. 2 и 3 приведены графики эмиссии биогаза из биореакторов №2-1, №2-2 и № 3-1, №3-2. Эмиссия биогаза из биореакторов №1-1 и №1-2 не наблюдалась вследствие минерализации компоста.
На рис. 4 и 5 приведены графики компонентного состава биогаза соответственно из биореакторов №2-1, №2-2 и №3-1, №3-2
Сопоставление результатов экспериментов с модельными образцами отходов №1 и №2 показывает существенное влияние состава отходов на процессы разложения и соответственно на количество образующегося биогаза, интенсивность его выделения, содержание метана и углекислого газа.
Для модельного образца отходов №1, чтобы обеспечить устойчивый процесс метаногенеза, достаточно наличие 30 % масс. стабилизатора. При проведении исследования было выявлено,
Рис. 2. Эмиссия биогаза из биореакторов №2—1 и №2—2:
- — суточная эмиссия (обр. № 1); — суточная эмиссия (обр. № 2);
- . — общая эмиссия (обр. № 1); — ■ — общая эмиссия (обр. № 2)
1,6
I1'4 «
£ 1,2
О 5
Ю 1,0
О 0,8
0,6
О 0,4
I>
° 0,2
0,0
^ г — ""
у
/ + + - - - - т ш ш
пН. / } 1»
* * и
МЛ А , чЛ
40
35
30
20 40 60 80 100 120
День эксперимента
140
160
180
200
25
20
15
10
Ю К
О О
О
К ^
ю О
Рис. 3. Эмиссия биогаза из биореакторов №3—1 и №3—2:
_ — суточная эмиссия (обр. № 1); — суточная эмиссия (обр. № 2);
- - — общая эмиссия (обр. № 1); — ■ — общая эмиссия (обр. № 2)
^' - ^ _ .
» т - ■ *
# * % %
I I % % %
« I % \
* \ \
*
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
День эксперимента
Рис. 4. Состава биогаза из биореакторов №2—1 и №2—2:
- - С02 (обр. № 1); - - - СН4 (обр. № 1);--С02 (обр. № 2); — ■ - СН4 (обр. № 2)
70
60
¡5 50 х о а-
§. 40 С
£
О)
20
10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Д
Рис. 5. Состава биогаза из биореакторов №3—1 и №3—2:
--С02 (обр. № 1); - - - СН4 (обр. № 1);--С02 (обр. № 2); — ■ - СН4 (обр. № 2)
* ^ " % *
/ . - - * . / Т* - ф ~ '—. ч л
/ # # 1 1 1
к # \\# г г г
й л \ 1 « 1
1 1 1 ^--- \ ^ 1
1 1
рН_УЭП, мСм/см
/
/ /\ \
/ * .--
* р % - * * - ф Ч - ■ ч — — -
1 # * * * «
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
День эксперимента
Рис. 6. Показатели фильтрата из биореакторов №2—1 и №2—2:
обр. № 1)--рН(обр. № 1);---УЭП (обр. № 2);--УЭП (обр. № 2)
х
\
\
20 40 60 80 100 120
День эксперимента
140
160
180
УЭП, мСм/см
12 10 8 6 4 2
200
Рис. 7. Показатели фильтрата из биореакторов №3—1 и №3—2:
- - рН(обр. № 1)--рН(обр. № 1); - - - УЭП (обр. № 2);--УЭП (обр. № 2)
Рис. 8. Показатели фильтрата из биореакторов №2—1 и №2—2:
- ХПК, мгО/л (обр. № 1); - - - БПК5, мг02/л (обр. № 1);--ХПК, мгО/л (обр. № 2);
--БПК5, мг02/л (обр. № 2)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
День эксперимента
Рис. 9. Показатели фильтрата из биореакторов №3—1 и №3—2:
--ХПК, мгО/л (обр. № 1); - - - БПК5, мг02/л (обр. № 1);--ХПК, мгО/л (обр. № 2);
--БПК5, мг02/л (обр. № 2)
что в биореакторе №3—1 удельная эмиссия биогаза составляет 15 л/кг сух. в-ва (15 м3/т сух. в-ва), а в биореакторе №2—1 — 20 л/кг сух. в-ва (20 м3/т сух. в-ва). Низкие значения удельной эмиссии биогаза за период лабораторных исследований можно объяснить большим содержанием инертных веществ (37 % масс.), а также полимерных и других трудно разлагаемых материалов (20 % масс.) в отходах. Содержание метана в биогазе из биореакторов № 2 и № 3 со -ставляет 50—60 % по объему. Соответственно, содержание углекислого газа составляет 20— 35 % по объему.
Применительно к модельному образцу №2 было выявлено, что в ходе выполнения эксперимента в биореакторе № 2—2 в течение месяца процессы метаногенеза не наблюдались ввиду затяжной кислотной фазы процесса (рН = 5,4). В течении четырех дней производилась промывка отходов свежей водой. В результате рН повысился до 7,5. Началась стадия метаногенеза, что было подтверждено появлением в биогазе метана. В течении 30 дней наблюдалась интенсивная эмиссия биогаза (до 1,6 литров в сутки с содержанием метана до 65—70 %). Следует отметить аналогичность форм кривых эмиссии биогаза из биореакторов №2—2 и №3—2 в период стадии метаногенеза. Данный эксперимент показал необходимость проведения дополнительных тестов с образцами отходов, чтобы определить количество стабилизирующего вещества, требуемое для созданий условий метаногенеза в исследуемой смеси ТБО. При проведении исследования было выявлено, что в биореакторе № 2—2 удельная эмиссия биогаза составляет 38 л/кг сух. в-ва (38 м3/т сух. в-ва), а в биореакторе № 3—2 — 43 л/кг сух. в-ва (43 м3/т сух. в-ва). Содержание метана в биогазе из биореакторов № 3 и № 2 составляет 50—70 % по объему. Соответственно,
содержание углекислого газа равно 10—35 % по объему.
По результатам эксперимента было установлено, что эмиссия биогаза из биореакторов № 2-1, № 2-2 и № 3-1, № 3-2 описывается математической моделью Табасарана.
В ходе экспериментов определялись показатели фильтрата (рН, электропроводимость, БПК5, ХПК и другие), позволяющие контролировать стадии процесса разложения исследуемых образцов отходов и степень их минерализации. На рис. 6-9 приведены графики изменения основных показателей фильтрата образцов № 1 и № 2 отходов за время проведения эксперимента.
Анализ графиков показывает, что для стабильного начала и протекания процесса мета-ногенеза в исследуемом образце весовая доля минерализированного компоста в биореакторах должна составлять не менее 50 %. При этом уровень рН в фильтрате — около 8.
По величине БПК5 и ХПК можно контролировать содержание органического вещества на текущий момент времени, что крайне важно для уточнения математических моделей оценки эмиссии биогаза. Кроме того показатели БПК5 и ХПК характеризуют содержание остаточного углерода и степень разложения отходов. Эта информация необходима для расчета систем аэрации с целью окончательной минерализации свалочных масс и их перевода в инертное состояние при рекультивации полигонов ТБО.
Определив коэффициент ускорения процессов разложения отходов в биореакторах, можно пересчитать данные лабораторных экспериментов «на натуру», что позволит прогнозировать эмиссию и состав биогаза с полигонов ТБО на расчетный период времени и обосновывать мероприятия по использованию их энергетического потенциала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bogon, H. Deponiegasprognose: Worauf kommt es an? Neustadt am Rbge [Текст] / H. Bogon // Praxistagung Deponien.— www.wasteconsult.de.— 2005.— 14 S.
2. Ehrig, H.-J. Sickerwasser aus Hausmülldeponien, Menge und Zusammensetzung [Текст] / H.-J. Ehrig // Müll und Abfall, Lfg. 1/89.— Beseitigung von Abfall durch Ablagerung, 4587: 1-39; Berlin.
3. Spendlin, H.-H. Untersuchungen im Labormaßstab zur Beschleunigung der anaeroben biochemischen Um-
setzungsprozesse in Mülldeponien [Текст] / H.-H. Spendlin, R. Stegmann.— Hamburg: BMFT-Forschungsbericht Feste Abfallstoffe, 1988.— 71 S.
4. Федоров, М.П. «Углеродные» инвестиции в энергетическое использование полигонов ТБО [Текст] / М.П. Федоров, В.В. Кораблев, В.И. Мас-ликов, Е.О. Иокша // Экология и жизнь : научно-популярный и образовательный журнал.— 2008. №4(77) .- С. 16-22.
