Особенности использования минерального биофильтра на полигоне твердых коммунальных отходов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 57.047 DOI: 10.24411/1816-1863-2019-14051

ОСОБЕННОСТИ И. Н. Лыков, д. б. н., профессор,

научный руководитель Института

ОТХОДОВ

Биологические процессы, происходящие в теле полигона твердых коммунальных отходов, сопровождаются эмиссией биогаза, в состав которого входят такие парниковые газы, как метан и диоксид углерода. В статье приведены результаты исследования основных этапов метаногене-

о>

О О

щм^штмццАВ А|1М(| научный руководитель Института §

естествознания Калужского е

МИНЕРАЛЬНОГО государственного университета к

БИОФИЛЬТРА им. К. Э. Циолковского, Калуга, Россия, я

и я шт^штшлт^шлш linprof47@yandex.ru, б

НА ПОЛИГОНЕ ТВЕРДЫХ А. А. Логинов, Калужский 0

КОММУНАЛЬНЫХ государственный университет

им. К. Э. Циолковского, к. х. н., научный сотрудник, Калуга, Россия, log53@bk.ru,

А. К. Дадаянц, Калужский

г>

государственный университет р

им. К. Э. Циолковского, §

студентка 4-го курса, Калуга, Россия, ш

alina.dadayantc@icloud.com с

03

О

О

тз

рации на полигоне твердых бытовых отходов, показана скорость эмиссии метана в атмосферу и о

количественные характеристики изотопного состава углерода метана в зависимости в глубины С

залегания отходов. При миграции биогаза в верхние горизонты полигона ТКО, содержащие до- 0

статочное количество кислорода, может происходить активное окисление метана метанотроф- о

ными бактериями. Для повышения скорости окисления метана могут использоваться различные х

материалы в качестве своеобразного биофильтра. Это исследование сосредоточено на оценке о

з

биофильтра на основе известнякового отсева, который можно использовать для оптимизации процесса утилизации метана метанотрофными микроорганизмами. При послойном разделении утилизируемых отходов минеральным биофильтром наблюдается снижение эмиссии метана из тела полигона на 22—38 %. О процессах микробной аэробной деградации свидетельствует по- Q вышенная температура в зоне биофильтра. Биофильтр из известнякового отсева может использоваться для снижения риска загрязнения грунтовых и подземных вод фильтратом, содержащим тяжелые металлы. Он активно поглощает и связывает тяжелые металлы, что предупреждает загрязнение окружающей среды в зоне деятельности полигона твердых коммунальных отходов.

Biological processes taking place in the body of a municipal solid waste landfill are accompanied by the emission of biogas, which includes greenhouse gases such as methane and carbon dioxide. The article presents the results of the study of the main stages of methane generation at a solid waste landfill, and shows the rate of methane emission into the atmosphere and quantitative characteristics of the isotopic composition of methane carbon depending on the depth of the waste. When methane migrates to the upper horizons of the MSW landfill, containing a sufficient amount of oxygen, it can be actively oxidized by methanotrophic bacteria. To increase the rate of methane oxidation, various materials can be used as a kind of biofilter. This study focuses on the evaluation of a biofilter based on limestone screenings that can be used to optimize methane utilization by methanotrophic microorganisms. With a layer-by-layer separation of the utilized waste by a mineral biofilter, a decrease in methane emission from the body of the landfill by 22—38 % is observed. The processes of microbial aerobic degradation are evidenced by an elevated temperature in the biofilter zone. A limestone biofilter can be used to reduce the risk of contamination of ground and groundwater by a filtrate containing heavy metals. It actively absorbs and binds heavy metals, which prevents environmental pollution in the area of the solid waste landfill operation.

Ключевые слова: твердые коммунальные отходы, парниковые газы, метан, биофильтр, метано-трофы.

Keywords: municipal solid waste, greenhouse gases, methane, biofilter, methanotrophs.

В связи с быстрой индустриализацией и урбанизацией значительно выросло количество твердых коммунальных отходов (ТКО) на душу населения. Чаще всего эти отходы, являющиеся источником вторичных материалов и энергии, беспо-

лезно перемещаются на полигоны. Подобная концепция управления отходами в России способствовала накоплению более 38 млрд т отходов на площади более 40 тыс. км2. Это сопоставимо с территориями таких стран, как Эстония, Дания,

о

т

I-

и

со О X

О ^

и а

О ^

О

о

и

Ш

IX

О ^

I-

и

и о

X

и о с

о

со ф

Ю ч;

О ^

и Ф т

О

70000

60000

50000

40000

30000

20000

10000

Литва Латвия Эстония Дания Швейцария Бельгия Израиль Полигоны

ТКО России

Рис. 1. Сопоставление общей площади полигонов ТКО в России с территорией других стран

Швейцария, Бельгия (рис. 1) [1]. Ежегодно площадь свалок в России увеличивается на 0,4 млн га.

Полигоны ТКО представляют собой инженерные биосистемы, эффективность которых напрямую связана с микробным метаболизмом [2—4]. Завершающим процессом в цепи преобразования органических продуктов в теле полигона ТКО является преимущественная продукция метана (СН4) и диоксида углерода (СО2) в соотношении около 60 % и 40 % соответственно. В следовых количествах в биогазе присутствуют ароматические соединения, хлорированные органические соединения и соединения серы [5, 6].

Во время эксплуатации полигона нижележащие отходы механически сжимаются под весом новых порций ТКО. Это препятствует поступлению кислорода в нижележащие слои полигона, что создает оптимальные условия для размножения анаэробных микроорганизмов и биосинтеза метана. Накапливающийся метан медленно мигрирует в атмосферу. При этом метан является наиболее важным парниковым газом за его вклад в глобальное потепление. Он обладает высокой инфракрасной абсорбцией (в 25 раз эффективнее, чем углекислый газ), хотя и имеет более короткий срок жизни в атмосфере (около 9 лет) [7, 8].

При миграции метана в верхние горизонты полигона ТКО, содержащие д остаточное количество кислорода, наблюда-

ется его активное окисление метанотроф-ными бактериями. Метанотрофные бактерии синтезируют фермент монооксигеназу, что позволяет им использовать метан в качестве источника энергии и углерода. Эффективность такого процесса на пути эмиссии метана в атмосферу зависит от соотношения скоростей микробного окисления метана и его бактериальной генерации, от температурных условий в течение года, от влажности и других факторов

[9, 10].

Для повышения скорости окисления метана могут использоваться различные материалы в качестве своеобразного биофильтра. Материалы биофильтра должны обладать высокой пористостью и площадью, чтобы обеспечить лучшие условия для контакта между бактериями и метаном. Поэтому разработка инновационных вариантов биофильтров является актуальной проблемой.

Методы исследования

Объектом исследования служил полигон ТКО, на котором складировали органические твердые бытовые и малотоксичные промышленные отходы г. Калуги. С 1972 года отходы накапливали в долине ручья, названного позже Полигонным. Глубина тальвега составляла 10—12 м, площадь около 15 га. С 1993 года отходы складировали по технологии высокона-гружаемого полигона. Позднее стали использовать систему изолирующих слоев с

ТКО

Гравийная мучка

Рис. 2. Схема складирования ТКО с послойным разделением известняковым отсевом

уплотнением отходов. Высота тела полигона на сегодняшний день достигает около 37 м. При ежегодном поступлении твердых бытовых отходов в количестве 37,19'103 т/год за время существования полигона ТКО было складировано отходов около 1,357'106 т.

Для отбора биогаза территорию полигона разбурили сетью восьми скважин с глубинами 5, 10, 15 и 20 м, которые располагались на разных участках полигона. Все скважины были обсажены трубами диаметром 89 мм для длительного мониторинга газового режима и температуры в теле полигона. Снизу трубы были закрыты пробкой, а их верх оснащен завинчивающейся герметизирующей крышкой, снабженной штуцером для периодического отбора газа. Полутораметровая нижняя часть трубы перфорирована в виде сетки.

Для анализа количественного и изотопного состава СН4 и СО2 биогаз извлекали в д ва этапа: первая его проба объемом

около 50 л отражала газовый состав непосредственно в объеме скважины, а следующая проба (около 50—100 л) — в при-забойном пространстве, т. е. в части массива свалки, окружающей перфорированную часть трубы.

Для оптимизации процесса утилизации метана метанотрофными микроорганизмами утилизируемые ТКО послойно разделяли известняковым отсевом (мучкой) (рис. 2).

Известняковый отсев образуется при переработке известняка в щебень. Образуемый отсев практически полностью состоит из известняковой муки, которая обладает щелочными свойствами (рН 8), благодаря присутствию углекислого кальция.

Сбор газов, выделяющихся в атмосферу из тела полигона, осуществляли с помощью колпаков-ловушек, каждую из которых площадью около 0,5 м2 устанавливали на поверхности полигона вблизи скважин. Определение количества и состав газов в скважинах и ловушках проводили с использованием масс-спектрометра Breath MAT (Finnigan, Германия).

Результаты исследования

Несмотря на изменяющуюся демографическую динамику населения города Калуги, общий объем ТКО неизменно растет (рис. 3). Причем в структуре ТКО уменьшается количество легко утилизируемых фракций и увеличивается количество полимерных материалов.

о>

О

О -1 X х

CD

Г)

О

б

CD ы

О ^

0 Г)

1

о

Г)

Г) -I

тз

о

-I

CD

О-

Г> -I 03

О

О ТЗ О Ш

Г)

О

X

о

ы ш

Г) -I

оз О

400 000 350 000 300 000 250 000

сТ

К

Т200 000 м

о (А

О 150 000 100 000 50 000 0

r-

j / 4

V V J -

Л 1 f -

1 ♦« А V J -

На коп лен ие ТК О Н □ i лен ие, чел

350 000

345 000

340 000

335 000 а

330 000

325 000

и

320 000

315 000

Рис. 3. Динамика численности населения и накопления ТКО в г. Калуге

о

т

I-

и

со О X

О ^

и а О СР

О

а

т

I-

и ^

Ш

IX

о

СР

I-

и

и о

X

и о с

о

со ф

Ю ч;

О ^

и ш

т

о

Фаза IV

Рис. 4. Основные стадии генерации биогаза на полигоне ТКО

Разложение органической составляющей складируемых ТКО с участием различных микроорганизмов сопровождается образованием летучих и газообразных веществ (углекислота, метан и др.). Активную роль в процессах газообразования играют ассоциаты анаэробных и аэробных микроорганизмов (грибы, дрожжи, лакто-бациллы, клостридии, метаногены и мета-нотрофы).

Генерация свалочного газа реализуется в четыре этапа. На первом (аэробном этапе) основным произведенным газом является диоксид углерода. На втором этапе наблюдается истощение кислорода, что создает анаэробные условия, при которых синтезируется диоксид углерода и водород. На третьем этапе начинается производство метана с сопутствующим сокращением количества д иоксида углерода. На первом этапе содержание азота в свалочном газе изначально высокое, оно резко снижается по мере того, как биологические процессы на полигоне проходят через второй и третий этапы. На четвертом этапе производство метана, диоксида углерода и азота становится довольно устойчивым (рис. 4).

Скорость эмиссии метана в атмосферу и количественные характеристики изо-

топного состава углерода метана и диоксида углерода зависят в глубины залегания ТКО (таблица).

Скорость эмиссии метана в атмосферу и количественные характеристики изотопного состава углерода метана в зависимости в глубины залегания ТКО.

С увеличением глубины залегания ТКО до 15 м эмиссия метана возрастает. Но дальнейшее увеличение глубины залегания ТКО, соответствующее более раннему периоду захоронения, характеризуется снижением эмиссии биогаза.

На процессы генерации биогаза и поглощения метана большое влияние оказывает известковый биофильтр. Когда метан поднимается вверх, он подвергается экзотермической аэробной деградации мета-нотрофными микроорганизмами. Поэтому на различных уровнях биодеградации наблюдаются повышенные температуры (рис. 5).

Выделение биогаза достигает максимума примерно через 20—25 лет, а затем снижается в течение последующих десятилетий. Особенно низкие характеристики эмиссии метана наблюдаются в случае применения биофильтра из известкового отсева (рис. 6). Таким образом, использование биофильтра позволяет увеличить

Таблица

Глубина, м 513С-СИ4, (О) 513С -СО2, (О) V, л • СН4 -м-2 • ч-1

5 -38,2 (±0,2) -6 (±3) 0,096 (±0,012)

10 -47,1 (±0,3) + 1,6 (±0,8) 7,5 (±0,9)

15 -50,6 (±0,2) -12,4 (±0,2) 0,12 (±0,06)

20 -46,7 (±1,5) +8,4 (±0,4) 2,34 (±0Д)

среднюю скорость окисления метана до 22—38 %, что согласуется с данными других авторов [11].

Среди распространенных загрязняющих веществ, присутствующих в полигонном фильтрате, большое внимание уделяется тяжелым металлам, таким как свинец, цинк и медь, из-за их широкого использования и высокой токсичности. Для снижения риска загрязнения грунтовых и подземных вод полигонным фильтратом, содержащим тяжелые металлы, наиболее успешным является использование биофильтра из известкового отсева. Исследо-

40 35 О 30

« 25 £ 25

20

«

а

о

к 15

а

н 10

5 0

т

/Ь

/

Л/ ГУ

У. 9 V

V

- -»- Без биофильтра -■- С биофильтром -........

2 4 6 8 10 15 20 25 Глубина, м

Рис. 5. Температура в теле полигона ТБО в зависимости от глубины

ч о

й 3

ЧО ~ 0

2 -

1 "]

10 35 30 25 20 15 10 5 0

-5'

РЬ

Си

Мп

гп

N1

Сг

— Выше известнякового отсева

— Ниже известнякового отсева

1 10 15 20 25 30 35

Рис. 7. Валовое содержание тяжелых металлов выше и ниже известнякового отсева

вание показало его способность удерживать тяжелые металлы (рис. 7).

Выводы

1. Скорость эмиссии метана в атмосферу и количественные характеристики изотопного состава углерода метана зависят от глубины залегания ТКО.

2. Изоляция коммунальных отходов известняковым отсевом создает условия для размножения метанотрофов, использующих метан в качестве источника энергии и углерода.

3. Температура внутри биофильтра из известкового отсева выше температуры воздуха и ТКО, что указывает на наличие биологической активности метанотроф-ных микроорганизмов, выделяющих тепло при окислении метана.

4. Эмиссия метана в атмосферу при послойном использовании известнякового отсева снижается на 22—38 % в зависимости от горизонта залегания отходов.

5. Известняковый отсев активно поглощает и связывает тяжелые металлы, что предупреждает загрязнение окружающей среды в зоне деятельности полигона ТКО.

О) ^

о

О -1

х

а>

Г)

а

¡а

б

Ш ы

О ^

а

г> л

О г>

г>

-I

тз

о

-I

а>

О-

Г> -I 03

а

о ~о о ш

г> ^

о

X

о

ы

Г) -I оз

а

Рис. 6. Временные характеристики миграции метана

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 17-0)6-0)0)129.

6

5

4

0

Библиографический список

1. World-Globe.ru http://www.world-globe.ru/countries/area/

2. Лыков И. Н., Лавринавичус К. С., Ильин В. К. и др. Биоразложение бытовых отходов с использованием адаптированных ассоциаций метанобразующих бактерий // Материалы XXXIX научных чтений памяти К. Э. Циолковского. — Калуга. — 2004. — С. 112—113.

3. Лыков И. Н., Шестакова Г. А., Зякун А. М. Исследование микробных процессов метаногенера-ции внутри свалки твердых бытовых отходов // Научные труды Калужского г осударственного педагогического университета им. К. Э. Циолковского. — Калуга. — 2006. — С. 187—193.

4. Лыков И. Н., Ильин В. К., Старкова Л. В., Сафронова С. А. и др. Бактериальная метангенерация О и способы ее оптимизации // Авиакосмическая и экологическая медицина. — 2008. — № 3. — S С. 50—57.

5. Лыков И. Н., Шестакова Г. А., Птушкина Л. Е., Зякун А. М. Генерация метана полигонами твер-rn дых бытовых отходов // Твердые бытовые отходы. — 2011. — № 12. — С. 22—27.

§ 6. Johari A., Alkali H., Hashim H. et al. Municipal Solid Waste Management and Potential Revenue from

О Recycling in Malaysia [Управление твердыми коммунальными отходами и потенциальный доход

q от переработки в Малайзии] // Modern Applied Science. — 2014. — Vol. 8. — No. 4. — С. 37—49.

g 7. Ayalon O., Avnimelech Y., Shechter M. Solid waste treatment as a high-priority and low-cost alternative for

a greenhouse gas mitigation [Обработка твердых отходов как приоритетная и недорогостоящая альтерна-

^ тива снижению выбросов парниковых газов] // Environ Manage. — 2001. — Vol. 27 (5). — С. 697—704.

О 8. Лыков И. Н., Сафронова С. А., Морозенко М. И., Ефремов Г. В. Метаногенез и глобальные кли-

s матические процессы // Природа. — 2009. — № 8. — С. 40—44.

D 9. Olisa E., Sapari N., Malakahmad A. et al. Methane Recovery Technologies from Landfills for Energy

¡5 Generation and Leachate [Технологии извлечения метана со свалок для производства энергии и

и выщелачивания] // Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology. — 2015. —

Vol. 11 (4). — P. 378—387. 10. Лыков И. Н., Логинов А. А., Волыхина Н. И., Тарасова Е. А. Снижение эмиссии метана на полигонах О твердых коммунальных отходов // Проблемы региональной экологии. — 2018. — № 4. — С. 53—57.

Ф

(Р

I-

и

11. Abichou T., Mahieu K., Chanton J. et al. Scaling methane oxidation: from laboratory incubation experiments to landfill cover field conditions [Масштабирование окисления метана: от л абораторных к инкубационных экспериментов до полевых условий покрытия свалок] // Waste Manag. — 2011. —

£ Vol. 31 (5). — P. 978—986.

x

и

о -

о FEATURES OF USING A MINERAL BIOFILTER AT A SOLID MUNICIPAL WASTE LANDFILL

m

vo I. N. Lykov, Ph. D. (Biology), Dr. Habil, Professor Tsiolkovsky Kaluga State University,

D

g A. A. Loginov, Ph. D. (Chemistry), Tsiolkovsky Kaluga State University, Researcher, ф

T

Scientific supervisor of the Institute of Natural Sciences, linprof47@yandex.ru, Kaluga, Russia,

log53@bk.ru, Kaluga, Russia,

A. K., Dadayants, 4th year student, Tsiolkovsky Kaluga State University,

¡2 alina.dadayantc@icloud.com, Kaluga, Russia o

References

1. World-Globe.ru http://www.world-globe.ru/countries/area/

2. Lykov I. N., Lavrinavichus K. S., Ilyin V. K. et al. Biorazlozhenie bytovyh othodov s ispolzovaniem adaptirovannyh associacij metanoobrazuyushih bakterij. Materialy XXXIX nauchnyh chtenij pamyati K. E. Ciolkovskogo. [Biodegradation of household waste using adapted methane-forming bacteria associations. Proceedings of the Thirty-ninth scientific readings in memory of K. E. Tsiolkovsky]. Kaluga: 2004. P. 112-113 [in Russian].

3. Lykov I. N., Shestakova G. A., Zyakun A. M. Issledovanie mikrobnyh processov metanogeneracii vnutri svalki tverdyh bytovyh othodov. Nauchnye trudy Kaluzhskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo univer-siteta im. K. E. Ciolkovskogo. [Investigation of the microbial processes of methanogenesis inside a landfill of solid household waste. Scientific Papers of Tsiolkovsky Kaluga State Pedagogical University]. Kaluga: 2006. P. 187-193 [in Russian].

4. Lykov I. N., Ilyin V. K., Starkova L. V., Safronova S. A. et al. Bakterialnaya metangeneraciya i sposoby eyo optimizacii. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya medicina. [Bacterial metangeneration and methods for its optimization. Aerospace and Environmental Medicine. 2008. No. 3. S. 50—57] [in Russian].

5. Lykov I. N., Shestakova G. A., Ptushkina L. E., Zyakun A. M. Generaciya metana poligonami tverdyh bytovyh othodov. [Methane generation by solid domestic waste landfills. Solid household waste. 2011. No. 12. P. 22—27] [in Russian].

6. Johari A., Alkali H., Hashim H. et al. Municipal Solid Waste Management and Potential Revenue from Recycling in Malaysia. Modern Applied Science. 2014. Vol. 8. No. 4. P. 37—49.

7. Ayalon O., Avnimelech Y., Shechter M. Solid waste treatment as a high-priority and low-cost alternative for greenhouse gas mitigation. Environ Manage. 2001. Vol. 27 (5). P. 697—704.

8. Lykov I. N., Safronova S. A., Morozenko M. I., Efremov G. V. Metanogenez i globalnye klimaticheskie processy [Methanogenesis and global climatic processes. Nature. 2009. No. 8. P. 40—44] (in Russian).

9. Olisa E., Sapari N., Malakahmad A. et al. Methane Recovery Technologies from Landfills for Energy Generation and Leachate. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology. 2015. Vol. 11 (4). P. 378—387.

10. Lykov I. N., Loginov A. A., Volykhina N. I., Tarasova E. A. Snizhenie emissii metana na poligonah tver-dyh kommunalnyh othodov. [Reducing methane emissions from solid municipal waste landfills. Problems of regional ecology. 2018. No. 4. P. 53—57] [in Russian].

11. Abichou T., Mahieu K., Chanton J. et al. Scaling methane oxidation: from laboratory incubation experiments to landfill cover field conditions. Waste Manag. 2011. Vol. 31 (5). P. 978—986.