CC BY
58
- © A.C. Щипачев, C.B. Ковшов,
В.П. Ковшов, 2014
УДК 626.8
А.С. Щипачев, С.В. Ковшов, В.П. Ковшов
ПЕРЕРАБОТКА ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ КАРЬЕРОВ
И РАЗРЕЗОВ
Рассмотрен оригинальный вариант рекультивации отработанных карьеров путем внесения органических отходов. При создании специального экранирующего слоя и сети газопроводов в карьере возможна реализация свалочного способа получения биогаза. При этом продуктом технологии выступают высокоэффективное удобрение биогумус и биогаз, который является источником получения тепловой энергии. Предложена технологическая схема рекультивации карьеров. Произведена оценка экономической, экологической и энергетической эффективности технологии. Ключевые слова: рекультивация, карьер, энергетическая эффективность, биогаз, биогумус, свалочный способ.
В России нередко отработанные карьеры используются в качестве объекта размещения всех типов отходов. Полигон карьерного типа требует значительно меньшего объема производства земляных работ по сравнению с равнинным. Кроме того, при заполнении выемки одновременно со складированием отходов производится рекультивация отработанного карьера и восстановление нарушенного ландшафта. Но при заполнении карьера отходами решение проблемы идет не до конца, так как он продолжает оставаться объектом, представляющим потенциальную экологическую опасность. Последнее во многом ограничивает хозяйственное использование этих объектов [2]. Рациональнее использовать карьеры для рекультивации с сопутствующим производством биогаза. На рис. 1 представлена схема получения биогаза указанным способом, нашедшая применение в современной практике.
На основе мирового и российского опыта получения биогаза карьерными методами на базе кафедры Безопасности производств Горного университета разрабатывается новое направление карьерного способа получения биогаза - с помощью биогаз-вермитехнологии. В его основе лежит проектирование специального биогазвермитехнологического бурта (рис. 1), в котором одновременно осуществляется целый комплекс процессов, целью которых является получение энергетически ценных материалов -биогаза и высокопродуктивного удобрения - биогумуса.
Рис. 1. Система сбора и утилизации биогаза карьерным способом
Для выработки биогаза необходимо заложить бурт мощностью не менее 10 метров. В качестве субстрата для заполнения бурта предлагаем использовать легкоразлагаемую органическую фракцию отходов. Разложение этих отходов завершается в течение 2-4 лет, что вполне удовлетворяет времени хранения грунта, а также способствует ускорению процесса образования биогаза. Как легкоразлагаемые органические отходы можно использовать древесные и волокнистые материалы, такие как кора, опилки, стружка, сено, листва, солома, пищевые отходы и проч.
Как известно, биогаз - это смесь газов. Его основные компоненты: метан СН4 — 55-70 % и углекислый газ С02 — 2843 %, а также в очень малых количествах другие газы, например - сероводород И2Б. В среднем 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70 %, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды м 0,3 кг неразложимого остатка.
Скорость образования биогаза является функцией таких показателей, как влажность субстрата, кислотности (рН) и температуры. Для переработки легкоразлагаемых отходов оптимальная влажность находится в диапазоне от 60 до 85 %. Выделяют два наиболее оптимальных температурных режима для
процесса биоконверсии. Первый интервал: мезофильный (т.к. работают мезофильные бактерии) - от 25-38°С (оптимальная температура 37°С). Второй интервал: термофильный, (т.к. работают термофильные бактерии) - от 45-60°С (оптимальная температура 56°С).
В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий. Метанобразующие бактерии (метаногены) - морфологически разнообразная группа, объединяемая двумя общими для всех ее представителей признаками: облигатным анаэробиозом и способностью образовывать метан. Первые исследования чистых культур, выделенных из рубца жвачных животных, показал и, что рост их возможен при начальном окислительно-восстановительном потенциале среды ниже - 300 мВ. Рост некоторых видов полностью подавляется при содержании в газовой фазе более 0,004 % молекулярного кислорода. В последнее время, однако, описаны виды с относительно низкой чувствительностью к 02. Большинство метанобразующих бактерий имеют температурный оптимум для роста в области 30-40°С, то есть являются мезофилами, но есть виды, у которых оптимальная зона сдвинута в сторону более низких (25°С) или высоких (55-65°С) температур. Все известные представители этой группы — ней-трофилы с оптимальным рН в области 6,5-7,5 [1].
Для дегазации предпочтительнее создать сеть горизонтальных коллекторов. Горизонтальные системы для сбора биогаза должны быть размещены в поверхностных слоях на глубине 2-4 м. Трубопровод лучше всего изготавливать из полиэтилена высокой плотности. Минимальный диаметр используемых труб составляет 100 мм. При заглубленном расположении трубы закладываются в вырытые в слое субстрата траншеи глубиной не менее 900 мм и обсыпаются гравием или песком слоем до 500 мм. Затем траншея вновь закладываются слоем субстрата. Минимальный наклон горизонтальных трубопроводов составляет 4 угловых градуса в пределах участка бурта, и 1 градус за его пределами.
В качестве сырья для производства биогаза и подготовки рекультивационного субстрата можно использовать осадки сточных вод, что весьма ценно для условий крупных городов. Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки отходов с точки зрения гигиены и охраны окру-
жающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание и устранение патогенных микроорганизмов. Тем самым, решается два важных вопроса: во-первых, использование биошлама, не пригодного в качестве органического удобрения для агрокультуры и, во-вторых, появление качественного сырья для рекультивации техногенно нарушенных земель.
Второй важнейший компонент предлагаемой системы переработки органических отходов - применение вермитехноло-гии. Данная биотехнология представляет собой комплекс организационно-технологических мероприятий по культивированию дождевых компостных червей на разных субстратах в конкретных экологических условиях, обработке и применению копролита и биомассы червей.
Процесс переработки органических отходов с использованием дождевых червей стал называться вермикультивировани-ем, а полученный продукт — вермикомпостом или биогумусом. Характерной чертой этой биотехнологии является возможность переработки червем широкого ассортимента органических отходов: навоз всех видов животных, помет, осадки очистных сооружений, отходы сельскохозяйственного и горнопе-рерабатывающих производств.
В зависимости от геоэкологических условий вермикомпо-стирование проводят различными способами. В районах с тёплым, мягким климатом червей чаще всего содержат на площадках под открытым небом, с холодным — в помещениях, теплицах, плёночных тоннелях и пр.
В естественных условиях обитания на видовой состав и численность дождевых червей влияет тип почвы. На пастбищах в суглинках, легких суглинистых и супесчаных почвах численность червей была максимальной и составляла до 450 осо-бей/м2. В глинистых почвах значительно меньше (до 230 осо-бей/м2), а в кислых — наименьшей (25 особей/м2) [3]. Такая особенность должна учитываться и при создании искусственных условий вермикультивирования.
На основе имеющегося мирового и собственного производственного опыта на базе лабораторий Горного университета разработана физическая модель биогазовой установки, имитирующей карьерный способ утилизации отходов, с включением элементов вермитехнологии, т.е. моделирующей так называемый биогазвермитехнологический бурт (рис. 2).
Рис. 5. Физическая модель биогазвермитехнологического бурта
Модель состоит из 2 систем: биогазовой и вермитехнологиче-ской. Биогазовая система представлена следующими элементами:
1 - бункер подачи отходов;
2 - входящий манометр;
3 - биореактор;
4 - зона газоконденсации;
5 - исходящий манометр;
6 - газоаккумулятор.
Вермитехнологическая система состоит из:
7 - вермитехнологический бурт;
8 - готовый биогумус;
9 - остатки непереработанных твердых органических отходов.
Проведенные исследования подтвердили общие принципы протекания биогазового процесса даже в лабораторных условиях [4].
Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов. Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей, при этом известно, сколько и когда будет получено отходов.
При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствии кислорода. В рамках проведенных на
базе кафедры БП экспериментов установлено, что метановое брожение протекает при средних и высоких температурах. Наибольшая производительность достигается при термофильном метановом брожении. Особенность метанового консорциума позволяет сделать процесс брожения непрерывным. Для нормального протекания процесса анаэробного сбраживания необходимы следующие оптимальные условия: температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, допустимый диапазон значений рН, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баадер Б. Биогаз: теория и практика / В. Баадер, Е. Доне, М. Брен-ндерфер. — М.: Колос. - 1982. - 570 с.
2. Бульбашев А.П. Рациональная организация добычи полезных ископаемых в карьерах со сложными условиями труда горнорабочих / А.П. Бульбашев, H.A. Гаспарьян, С.В. Ковшов, А.Н. Никулин, Ю.Д. Смирнов, Ю.В. Шувалов. - СПб: МАНЭБ. - 2009. - 464 с.
3. Игонин А.М. Дождевые черви: как повысить плодородие почв в десятки раз, используя дождевого червя-старателя / А.М. Игонин. — Ковров: «Маштекс». - 2002. - 192 с.
4. Смирнов Ю.Д. Переработка органических отходов с помощью био-газвермитехнологии / Ю.Д. Смирнов, С.В. Ковшов, А.Н. Никулин // Записки Горного института, Т. 203. — СПб: Горный университет. - 2013. -С. 104-111. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Щипачев Алексей Сергеевич — главный специалист, ОАО «СУЭК-Кузбасс», Ковшов Станислав Вячеславович — кандидат технических наук, ассистент кафедры, kovshovsv@mail.ru,
Ковшов Вячеслав Петрович — кандидат географических наук, доцент кафедры, kovshovs@front.ru,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,
А
RECYCLING ORGANIC WASTE AT OPEN CAST MINE RECULTIVATION
Shchipachev AS., SUEK-Kuzbass,
KovshovS.V., Ph.D., Assistant Safety department, kovshovsv@mail.ru, Kovshov V.P., Ph.D., Associate professor of Safety department, kovshovs@front.ru, National mineral resources university.
The article deals with the original version of exhausted open cast mine recultivation by introducing organic waste. When you create a special shielding layer and the gas pipeline network in the career mode can be implemented landfill biogas. When this product technologies act highly effective fertilizer vermicompost and biogas, which is a source of thermal energy. Flowsheet is proposed reclamation of quarries. An assessment of the economic, environmental and energy efficiency technologies.
Key words: recultivation, open cast mine, energy efficiency, biogas, biogumus, landfill method.
REFERENCES
1. Baader B., Don E., Brennderfer M. Biogas: Theory and Practice. Moscow, Kolos, 1982. 570 p.
2. Bulbashev A.P., Gasparyan N.A., Kovshov S.V., Nikulin A.N., Smirnov Y.D., Shuvalov Y.V. Rational organization of mining in quarries in the complex environment of miners. St. Petersburg, MANEB, 2009, 464 p.
3. Igonin A.M. Earthworms: how to improve soil fertility in dozens of times, using an earthworm-prospector. Kovrov, Mashteks, 2002, 192 p.
4. Smirnov Y.D., Kovshov S.V., Nikulin A.N. Recycling organic waste using biogazworm-technology. Notes Mining Institute, T. 203. St Petersburg, Mining University, 2013, P. 104111.
