ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОЛИГОНА ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Вопросы безопасности

Правильная ссылка на статью:

Антушевич А.А., Минакова П.С., Зязя А.В., Поддубный А.М. — Оценка энергетического потенциала полигона твердых коммунальных отходов // Вопросы безопасности. - 2020. - № 5. DOI: 10.25136/2409-7543.2020.5.34738 URL: https://nbpublish.com'llbrary_read_article.php?id=34738

Оценка энергетического потенциала полигона твердых коммунальных отходов

Антушевич Антон Александрович

студент, кафедра Техносферная безопасность, Дальневосточный федеральный университет 690902, Россия, Приморский край, г. Владивосток, остров Русский, 10

И [email protected]

Минакова Полина Сергеевна

кандидат педагогических наук

доцент, Академический департамент английского языка, Дальневосточный федеральный университет 690013, Россия, Приморский край, г. Владивосток, ул. Адмирала Кузнецова, 74, кв. 79

И [email protected]

Зязя Александр Владимирович

студент, кафедра Техносферная безопасность, Дальневосточный федеральный университет 692760, Россия, Приморский край, г. Владивосток, кампус ДВФУ, 9, комната 5044

И [email protected]

Поддубный Андрей Михайлович

студент, кафедра Техносферная безопасность, Дальневосточный федеральный университет 690922, Россия, Приморский край, г. Владивосток, Кампус ДВВФУ, 9, комната 5044

И [email protected] Статья из рубрики 'Технологии и методология в системах безопасности"

DOI:

10.25136/2409-7543.2020.5.34738

Дата направления статьи в редакцию:

26-12-2020

Аннотация.

В статье рассмотрен энергетический потенциал полигона твердых коммунальных отходов в городе Партизанске, Приморского края. Полигон начал функционировать в 1975 году. На полигоне климат муссонного типа с тёплым влажным летом и холодной малоснежной зимой. Численность обслуживаемого населения составляет 45 646 человек. Морфологический состав твердых коммунальных отходов (ТКО), складируемых на полигоне следующий: макулатура, стекло, полимеры, текстиль, металл черный и цветной, пищевые отходы и прочее. Исследователи дают краткую характеристику полигона, изучают удельный выход биогаза, компонентный состав свалочного газа, среднестатистический состав биогаза, определяют удельную массу компонентов биогаза за год. В исследовании рассчитаны максимальные разовые и валовые выбросы загрязняющих веществ, определены средние удельные значения вредных выбросов, рассчитано годовое и максимальное разовое количество свалочного газа, дана оценка теоретической энергетической ценности полигона твердых коммунальных отходов, обозначен энергетический потенциал полигона твердых коммунальных отходов и его экономической эффективности. В ходе выполнения технических расчетов определено число не возобновляемых энергоресурсов (уголь, нефть, природный газ), которое можно сэкономить при замене энергоносителей на свалочный газ. Анализ использования ТКО в качестве возобновляемых вторичных энергетических ресурсов показывает все возрастающую роль этого источника в энергосбережении и потенциал в снижении загрязнения окружающей среды при сборе и утилизации биогаза.

Ключевые слова: твердые коммунальные отходы, свалочный газ, загрязняющие вещества, максимальные разовые выбросы, энергетический потенциал, энергоресурсы, окружающая среда, полигон, оценка потенциала, биогаз

Одной из актуальных проблем, связанных с ухудшением качества окружающей природной среды, является нерациональное, экологически опасное размещение отходов. В России эксплуатируется более 1300 полигонов ТКО, из них только 8%

отвечают санитарным требованиям [4].

Традиционные источники энергии, такие как нефть, газ, каменный уголь, древесина со временем иссякнут. По оценкам специалистов использование возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии и тепла в мире будет развиваться быстрыми темпами, и к 2040 их прирост достигнет 77%, подавляющую долю при этом

будет составлять биомасса с отходами

Вопрос перехода от традиционных углеводородных источников энергии уже стоит давно и с каждым годом становится более актуальным. Помимо проблемы истощения традиционных источников энергии существует также и экологические задачи, поскольку извлечение и сжигание углеводородных источников энергии приводит к выбросам загрязняющих веществ в атмосферу, ухудшая среду обитания человека и создавая экологические проблемы, такие как: загрязнение атмосферы газообразными продуктами, выбросы теплых жидкостей в водоемы, парниковый эффект.

В последние годы широкое развитие получила альтернативная энергетика. Она представлена разнообразными видами возобновляемых источников энергии, которые являются неиссякаемыми. К таким источникам энергии относятся: энергия солнца, ветра, приливов и отливов, геотермальная и биомассы. У альтернативной энергетики есть свои плюсы, такие как низкая себестоимость, доступность, возобновляемость и она не причиняет никакого вреда экологии. К минусам можно отнести непостоянство, зависимость от погодных условий и времени суток, высокая стоимость, недостаточная

единичная мощность установок и невысокий КПД. Многие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии без затруднений можно установить в жилых зданиях. Отдельные его виды применяются в тяжелой и легкой промышленностях.

Проблема обращения с ТКО так же является одной и важнейших в настоящее время. Твердые коммунальные отходы (ТКО) - отходы, образующиеся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами, а также товары, утратившие свои потребительские свойства в процессе их использования физическими лицами в жилых

помещениях в целях удовлетворения личных и бытовых нужд

Значительная часть ТКО представлена различными органическими веществами, в том числе бумагой и картоном (до 38%) и пищевыми отходами (до 30%) [6]. Несмотря на успехи в области совершенствования технологий переработки коммунальных отходов их большая часть захоранивается на полигонах. С каждым годом потребление различных продуктов возрастает, а значит увеличиваются и отходы. Практически все хранилища коммунальных отходов оказывают негативное воздействие на компоненты окружающей среды: загрязнение грунтовых вод, изменение ландшафта, биологическое загрязнение,

связанное с неконтролируемым размножением некоторых видов животных [7]. Все это приводит к ухудшению экологии, и возрастает значимость в обеспечении безвредных технологических процессов. Одним из решений данной проблемы является производство альтернативного топлива из высококалорийных компонентов ТКО.

В данной работе был выбран полигон, расположенный в Приморском крае в городе Партизанске. На полигоне климат муссонного типа с тёплым влажным летом и холодной малоснежной зимой. Самый тёплый месяц - август, средняя температура которого + 20°С... + 22°С, максимальная 37,8°С. Самый холодный месяц - январь, средняя температура -11°С...-13°С, минимальная -29,9°С. Продолжительность периода со среднесуточной температурой выше 0°С в среднем составляет 220-240 дней, выше 5°С -200-210, выше 10°С - 160-170 дней. Полигон начал функционировать в 1975 году. Численность обслуживаемого населения составляет 45 646 человек. Морфологический состав твердых коммунальных отходов (ТКО), складируемых на полигоне следующий: макулатура, стекло, полимеры, текстиль, металл черный и цветной, пищевые отходы и прочее. Удельный объем накопления ТКО (на 1-й год эксплуатации) составляет 1,5 м3чел./год. Ежегодный прирост объема отходов - 3%. В таблице 1 приведены данные о содержании твердых коммунальных отходов на полигоне в городе Партизанске.

Таблица 1 Исходные данные, характеризующие полигон ТКО

Результаты анализов проб отходов, отобранных на полигоне

Содержание органической составляющей в отходах - Я 55%

Содержание жироподобных веществ в органике отходов - Ж 15%

Содержание углеводоподобных веществ в органике отходов - У 48%

Содержание белковых веществ в органике отходов - Б 13%

Средняя влажность отходов - W 41%

В таблице 2 представлен компонентный состав свалочного газа. Больше всего в свалочном газе содержится метана, меньше всего - сероводорода.

Таблица 2

Компонентный состав свалочного газа

Компонент О, мг/м3

Метан 661 003

Углерода диоксид 539 858

Толуол 8 819

Аммиак 6 584

Ксилол 4 562

Углерода оксид 3 521

Азота диоксид 1 857

Формальдегид 1 124

Этилбензол 1 152

Ангидрид сернистый 845

Сероводород 391

Расчет количественного выхода свалочного газа на полигоне ТКО был произведен согласно методике расчета Академии коммунального хозяйства (АКХ) им. К. Д. Памфилова. Удельный выход биогаза (в кг от одного кг отходов) за период активного его выделения определяется по формуле:

= Ю-6 - Я (100-и/) - (0,92 - Ж + 0,62 ■ У + 0,34 ■ Б)

Период активного выделения биогаза для Партизанска (tcp тепл.= 13,37 °С, Ттепл. = 214 дня) составит:

£с6р = 22 года

Определяем количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне захороненных отходов:

р =^.10з

1 уд

1 сбр

КГ

Руд = 7,3— отходов в год

В соответствии с компонентным составом рассчитываем плотность свалочного газа:

Определяем весовое процентное содержание компонентов в биогазе:

В таблице 3 представлен среднестатистический состав биогаза. Больше всего в биогазе содержится метана - 53,740%, меньше всего сероводорода - 0,032%.

Таблица 3

Среднестатистический состав биогаза

Компонент Свес.^ %

Метан 53,740

Углерода диоксид 43,891

Толуол 0,717

Аммиак 0,535

Ксилол 0,371

Углерода оксид 0,286

Азота диоксид 0,151

Формальдегид 0,091

Этилбензол 0,094

Ангидрид сернистый 0,069

Сероводород 0,032

Определяем удельные массы компонентов биогаза за год:

В Таблице 4 представлена удельная масса компонентов биогаза в год. Больше всего образуется метана - 3,923 кг/т отходов в год, меньше всего - сероводорода - 0,002 кг/т отходов в год.

Таблица 4

Удельная масса компонентов биогаза за год

Компонент Руд^ , кг/т отходов в год

Метан 3,923

Углерода диоксид 3,204

Толуол 0,052

Аммиак 0,039

Ксилол 0,027

Углерода оксид 0,021

Азота диоксид 0,011

Формальдегид 0,007

Этилбензол 0,007

Ангидрид сернистый 0,005

Сероводород 0,002

Годовое и максимальное разовое количество свалочного газа на 2019 г., с учетом плотности уплотненных на полигоне отходов 670 кг/м3 составят:

М

- у

24-3600

103 =

Ру^О

86,4 ГТ(

Количество активных стабильно генерирующих свалочный газ отходов рассчитывается: - для полигонов, функционирующих более двадцати лет, учитываются

отходы, завезенные за последние двадцать лет, без учета отходов, завезенных за последние два года.

Учитываем отходыза 1997-2016 годы = 3525221 мЗ

_ 7,3 -3525221-670 86,4-214-1000

М

ч™= 932,516 г/с

( а = 5 мес., в= 2 мес.)

5-365-24-3600 2-365-3600

С^ = 932,516(-

12

-+ ■

12- 1,3

-)■ Ю

-6

С^ = 16023,494 т/год

Годовой объем свалочного газа ^обр), выделившегося в 2019 г. составит: С0Ёр = 13027231 м3

Находим общий полезный годовой газовый потенциал полигона ТКО:

^пол ^обр

Спол = 13027231-0,53740

Определяем теоретическую энергетическую ценность полигона ТКО:

^теор ^пол

Етеор = 7000833,9- 23,03 Е = 161229204,7 Мдж/год

^теор

Рассчитываем максимальные разовые и валовые выбросы загрязняющих веществ:

В Таблице 5 представлены максимальные разовые и валовые выбросы основных загрязняющих веществ в атмосферный воздух. Больше всего выбрасывается в атмосферу метана, меньше всего - сероводорода.

Таблица 5

Максимальные разовые и валовые выбросы загрязняющих веществ

Компонент Мi ,г/с Gi , т/год

метан 501,1341 8611,025/

Углерода диоксид 409,2906 7032,8717

Толуол 6,6861 114,8884

Аммиак 4,9890 85,7257

Ксилол 3,4596 59,4472

Углерода оксид 2,6670 45,8272

Азота диоксид 1,4081 24,1955

Формальдегид 0,8486 14,5814

Этилбензол 0,8756 15,0621

Ангидрид сернистый 0,6434 11,0562

Сероводород 0,2984 5,1275

Так как образование биогаза происходит неравномерно и зависит от температуры воздуха, то часовой выход биогаза определяем исходя из его максимального разового

= 2729,31

М^н'ЗбОО

выброса. Для рассматриваемого полигона он будет равен Рб-г'1000 м3/ч, тогда полезный газовый потенциал полигона ТКО составит:

93 2,5 16-3 600 1,23-1000

^пол ^обр

Спол = 2729,31 ■ 0,53740 = 1466,73 м3/час

С —Г •"•теор "пол

Етеор = 1466,73 ■ 23,03 = 33778,79 МДж/час

Используя данные о теплотворной способности различных видов органического топлива, определяем количество невозобновляемых энергоресурсов (уголь, нефть, природный газ), которое можно сэкономить при замене энергоносителей на свалочный газ. Данные представлены в таблице 6. Большего всего можно сэкономить природного газа, меньше всех нефти.

Таблица 6

Количество первичных энергоресурсов для полигона ТКО

Уголь 8957,1 т/год

Природный газ 4739247 м3/год

Нефть 3707,4 т/год

161??9?04 7

Теоретическии годовой потенциал рассматриваемого полигона ТКО равен '

1 7

МДж, что эквивалентно ' /3,6 = 44785890,2 кВт-ч. Зная средние удельные

выбросы загрязняющих веществ от топливных электростанций в расчете на 1 кВт-час выработанной электроэнергии, выполним сравнительную оценку выбросов при использовании в качестве топлива свалочного газа, нефти и угля. Данные представлены в та б лице 7.

Таблица 7

Средние удельные значения вредных выбросов

Вид топлива Количество вредных веществ, поступающих в атмосферный воздух при использовании топлива, т/год

диоксид углерода диоксид серы (ЯО2) оксиды азота (N0*)

' 1 ^ 1 v ' 1 J . « . w (СО2) ' 1 ^ ■ V ' 1 — ~ ~' V w w — у

Свалочный газ (при очистке) 24497,88 80,61

Уголь 51145,49 62,7 179,14

Нефть 33051,98 210,49 103,007

На основе полученных данных экологическую результативность применения свалочного газа с полигона ТКО в городе Партизанске можно оценить по следующим аспектам:

1) обезвреживание неконтролируемых выбросов вредных веществ, содержащихся в свалочном газе и поступающих в атмосферный воздух от тела полигона ТКО, в том числе парниковых газов (метан);

2) снижение загрязнения окружающей среды вредными выбросами (диоксида углерода, диоксида серы и оксида азота) при выработке тепловой и электрической энергии в сравнении с другими видами углеводородного топлива (см. табл. 6);

3) экономии невозобновляемых энергоресурсов (уголь, нефть, природный газ) при замене энергоносителей на свалочный газ.

Выполнив технические расчеты, мы определили число невозобновляемых энергоресурсов (уголь, нефть, природный газ), которое можно сэкономить при замене энергоносителей на свалочный газ. Для рассматриваемого полигона количество первичных энергоресурсов представлено в таблице 8.

Таблица 8

Количество первичных энергоресурсов

Уголь 7,52 т/год

Природной газ 3,98 тыс. м3/год

Нефть 3,11 тыс./год

Таким образом, анализ использования ТКО в качестве возобновляемых вторичных энергетических ресурсов показывает все возрастающую роль этого источника в энергосбережении и потенциал в снижении загрязнения окружающей среды при сборе и утилизации биогаза. Изложенное позволяет сделать вывод о том, что использование биогаза, полученного из газодренажных систем современного полигона ТКО, может быть одним из потенциальных решений энергосберегающих задач. В качестве перспективы дальнейшего исследования можно отметить, что представленные материалы являются основой для изучения биогазового потенциала полигонов ТКО и возможности совершенствования технологии возведения природоохранных объектов-полигонов для складирования ТКО.

Библиография

1. Федеральный закон от 24.06.1998 N 89-ФЗ (ред. от 07.04.2020) "Об отходах производства и потребления". URL:

http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_19109

2. Гурвич В.И., Лифшиц А.Б. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ) -самостоятельная отрасль мировой индустрии. Инженерный консалтинг в области переработки отходов и охраны окружающей среды URL:

http://www.solidwaste.ru/publ/view/340.html

3. Минакова П. С., Панкратов В. С., Ремез А.С/ Использование автоматизированных информационных систем на предприятиях Российской промышленности в условиях пандемии COVID-19// Научный аспект. 2020г URL: https://na-journal.ru/3-2020-informacionnye-tekhnologii/2664-ispolzovanie-avtomatizirovannyh-informacionnyh-sistem-na-predpriyatiyah-rossijskoj-promyshlennosti-v-usloviyah-pandemii-covid-19

4. Пашкевич М.А., Петрова Т.А. Консервация полигонов по захоронению твердых бытовых отходов с целью утилизации свалочного газа // Записки Горного института. 2015. №. URL: https://cyberleninka.ru/artide/n/konservatsiya-poligonov-po-zahoroneniyu-tverdyh-bytovyh-othodov-s-tselyu-utilizatsii-svalochnogo-gaza (дата обращения: 16.11.2020).

5. Методика расчета количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых и промышленных отходов 2004. АКХ им. Памфилова от 2004-01-01 URL: http://snipov.net/c_4746_snip_110462.html

6. Механизм чистого развития (МЧР) / Центр сотрудничества ЮНЕП по энергетике и охране окружающей среды. Национальная лаборатория Ризо, Роскилд, Дания, ЮНЕП, 2002.-24 стр. URL: http://www.oecd.org/env/outreach/34858100.pdf

7. Прогноз развития энергетики мира и России до 2040 года, ИНЭИ РАН, АЦ 2013, ФГБУН «Институт энергетических исследований Российской академии наук» и Аналитическим центром при правительстве Российской Федерации. Научный руководитель академик Макаров А.А.-110 с. URL: https://www.eriras.ru/files/prognoz-2040.pdf

8. Трифонова Татьяна Анатольевна, Селиванова Нина Васильевны, Ширкин Леонид Алексеевич, Селиванов Олег Григорьевич, Ильина Марина Евгеньевна Проблемы утилизации ТБО на полигонах// Известия Самарского научного центра РАН. 2013. №3-2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/problemy-utilizatsii-tbo-na-poligonah (дата обращения: 16.11.2020).

9. Технологический регламент получения биогаза с полигонов твердых бытовых отходов. Документ утвержден:АКХ им. Памфилова от 1989-11-02 URL: http://snipov.net/c_4738_snip_106495.html

10. Эколого-экономическая оценка энергетического потенциала утилизации твердых бытовых отходов в регионе // Вестник НГУ. Серия: Социально-экономические науки. 2013. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ekologo-ekonomicheskaya-otsenka-energeticheskogo-potentsiala-utilizatsii-tverdyh-bytovyh-othodov-v-regione

11. Энергетический потенциал полигонов твердых бытовых отходов // Вестник Тувинского государственного университета. Технические и физико-математические науки. 2013. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/energeticheskiy-potentsial-poligonov-tverdyh-bytovyh-othodov

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.

Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

Рецензируемый материал посвящен решению актуальных проблем экологической безопасности, связанных с нерациональным, экологически опасным размещением отходов, ухудшением окружающей природной среды. Обоснование актуальности темы исследования автор подкрепляет ссылкой на сведения, согласно которым только 8 %

полигонов твердых бытовых отходов в нашей стране отвечают санитарным требованиям. Методология исследования базируется на применении методики Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова для расчета количественного выхода свалочного газа на полигоне твердых коммунальных отходов, обобщении публикаций отечественных и зарубежных авторов по теме исследования. Приведенные в статье расчеты втор статьи позиционирует в качестве основы для изучения биогазового потенциала полигонов ТКО и возможности совершенствования технологии возведения природоохранных объектов-полигонов для складирования ТКО - в этом заключается новизна проведенного исследования. В представленных материалах рассмотрены перспективы перехода от традиционных углеводородных источников энергии и развития альтернативной энергетики, представленной разнообразными видами возобновляемых и неиссякаемых источников энергии: энергия солнца, ветра, приливов и отливов, геотермальная и биомассы. Далее в статье перечислены преимущества и недостатки нетрадиционных источников энергии, увязаны проблемы развития энергетики и утилизации твердых коммунальных отходов, значительная часть которых представлена различными органическими веществами, в том числе бумагой, картоном (до 38%) и пищевыми отходами (до 30%), рассматрена возможность производства альтернативного топлива из высококалорийных компонентов отходов. Авторами проведено монографическое изучение полигона, расположенного в Приморском крае в городе Партизанске, дана информация о результатах анализов отобранных на полигоне проб, про а на лиз иров а н ко мпоне нтный с ос та в с в а ло ч но г о г а з а , по ка з а в ший, ч то б о льше в с е го в свалочном газе содержится метана, меньше всего - сероводорода. Значительное место в работе уделено расчету выхода свалочного газа на полигоне, определению периода активного выделения биогаза, количественный выход биогаза за год в расчете на 1 т захороненных отходов, расчету плотности свалочного газа и удельной массы компонентов биогаза в год, количества активных стабильно генерирующих свалочный газ отходов. На основе этого найден общий полезный годовой газовый потенциал полигона и максимальные разовые и валовые выбросы основных загрязняющих веществ в атмосферу, а также рассчитано количество не возобновляемых энергоресурсов (уголь, нефть, природный газ), которое можно сэкономить при замене энергоносителей свалочным газом. В выводах по статье автор приходит к заключению о том, что использование биогаза, полученного из газодренажных систем современного полигона твердых коммунальных отходов, может быть одним из потенциальных решений энергосберегающих задач. Библиография статьи включает 11 источников, среди которых законодательные акты, технические регламенты, современные научные публикации в периодической печати. Однако, рецензируемая статья не лишена недоработок. Во-первых, представленный материал не структурирован надлежащим образом с выделение общепринятых в научных статьях разделов (введение, материалы и методы, результаты и их обсуждение, выводы) Во-вторых, отсутствует нумерация приводимых в статье формул, а также принятые при их оформлении правила. В целом же рецензируемый материал подготовлен на актуальную тему, содержит интересные разработки, обладает элементами научной новизны и практической значимости - все это говорит о возможности его опубликования после устранения отмеченных выше недоработок.