CC BY
102
Горбовская А.Д.1, Хмиш Висам Хафед Хмиш2 ©
1Доцент, к.геогр.н., кафедра ВиГС, СПбГПУ Петра Великого 2магистр, кафедра ВиГС, СПбГПУ Петра Великого
РАСЧЕТ ОБРАЗОВАНИЯ БИОГАЗА ПРИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ НА
ПОЛИГОНАХ
Жизнедеятельность человека связана с появлением огромного количества разнообразных отходов, они скапливаются на поверхности почвы, загрязняют поверхностные и подземные воды, оказывая негативное воздействие на здоровье человека, состояние животных и растений. Ликвидировать это воздействие можно путем организованного сбора отходов на специально оборудованных полигонах, а образующийся газ собирать и использовать для производства энергии.
Известно, что использование свалочного газа проводилось еще до нашей эры в Китае, Индии, Ассирии и Персии. Однако научные исследования биогаза начались лишь в XVIII веке, спустя почти 3,5 тыс. лет.
Первое научное обоснование образования воспламеняющихся газов в болотах и озерных отложениях выразил Алессандро Вольта в 1776 г., установив наличие метана в болотном газе. После открытия химической формулы метана Дальтоном в 1804 г., европейскими учеными были сделаны первые шаги в исследованиях практического применения биогаза. Свой вклад в изучение образования биогаза внесли и российские ученые. Влияние температуры на количество выделяемого газа изучил С. В. Попов в 1875 г. Вскоре после этого, в 1881 г., начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц. В то время, большая часть опытов проводилась с газом, который получался в результате брожения сточных вод и собирался в закрытые емкости [1,128; 2,217].
Первая современная мусорная свалка с применением специальных инженерных сооружений открылась в Калифорнии (США) в 1937г. Одно из первых современных производств биогаза было организовано на полигоне «Стоун» в США площадью 40 га с объемом отходов 10 млн м и толщиной захоронения от 25 до 45 м. Установка производила газ в количестве 7500 м /час с содержанием метана 50%. Газ транспортировался на расстояние до 5000 м к потребителю [3,340].
Исследования и применение свалочного газа в США активизировалось после принятия в 1965 г. закона об утилизации твёрдых отходов («Solid Waste Disposal Act»). Работы по использованию свалочного газа ускорились во время нефтяного кризиса 1970-х гг. С 1980 г. правительство США начало предоставлять налоговые льготы производителям свалочного газа, к концу 1984 г. в США уже работала на нем 41 теплоэлектростанция. С начала 1990-х гг. интерес к биогазу в Западной Европе начал стабильно расти. В настоящее время объем добычи биогаза составляет 500 млн м3 в год. Суммарная электрическая мощность установок, работающих на биогазе, составляет около 200 МВт. Кроме того, все чаще осуществляется подача биогаза в коммунальные сети газоснабжения. В последние годы мощность энергоустановок на основе использования биомассы возросла до 9000 МВт. К 2025 г. США планируют получать 29 млрд. кВт-ч электроэнергии ежегодно из бытового мусора [4,16].
© Горбовская А.Д., Хмиш Висам Хафед Хмиш, 2016 г.
Сейчас в мире реализовано более тысячи проектов по использованию свалочного газа. Более 150 полигонов ТБО эксплуатируются как газовые месторождения, 80 % из них находится в США, Германии и Великобритании. В заметных объемах биогаз добывается и утилизируется в ряде развитых стран: Нидерландах, Франции, Италии, Израиле.
Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании: биогаз занимает до 18 % в ее общем энергобалансе. Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае: более 18 млн. Их применение позволяет заменить 11 млн. т условного топлива в энергобалансе страны [3,342].
Утилизация отходов на полигонах с последующим использованием газа, весьма актуальна и перспективна с экологической и экономической точек зрения. Ежегодная эмиссия метана в мире ценного энергетического компонента биогаза, превышает 1 млрд. м /год. Химический состав, интенсивность и продолжительность эмиссий носят индивидуальный характер для каждого полигона и зависят от качественного и количественного состава складированных отходов, природных условий участка размещения полигона, возраста полигона, интенсивности процессов разложения отходов.
Практическое использование биогаза на полигонах ТБО требует определения реального энергетического потенциала, величина которого зависит от множества факторов. До начала строительства полигона важной задачей является провести расчет предполагаемого количества и качества образования биогаза. При этом следует учесть: динамику протекания процессов разложения отходов во времени с развитием и прерыванием метановой фазы; состав отходов и скорость разложения органического вещества. Для этого могут быть использованы следующие методы:
- теоретический, основанный на стехиометрических расчетах процессов минерализации органических компонентов отходов, приводящих к образованию биогаза, а также на использовании моделей биологического разложения;
- подсчет запаса по потокам газа на поверхности свалочной массы отходов путем измерения газовой эмиссии с поверхности полигона;
- подсчет запаса по газогенерирующей способности свалочных отложений при изучении образцов в лабораторных условиях;
- подсчет запаса по углеродному потенциалу отходов, путем пирометрического сжигания свалочного грунта в специальных установках.
К настоящему времени разработано значительное количество упрощенных математических моделей, целью которых является определение эмиссии биогаза (метана) в зависимости от различных исходных параметров. Наибольшей популярностью пользуются следующие две модели:
Модель Табасарана - Реттенбергера - позволяет определить удельное количество биогаза на тонну отходов и его общее количество, образовавшееся к определенному моменту времени [5,40]:
Ое = 1,868С • (0,014Т + 0,28) м, (1)
где О - удельная эмиссия биогаза (м3/т отходов);
1,868 - количество биогаза, образующегося из 1 кг органического углерода, м3/кг;
С - общий органический углерод (кг/т отходов) колеблется, в зависимости от морфологического состава, времени и способа хранения отходов в широких пределах, для организованных полигонов находится в диапазоне 150-220 кг/т);
Т - температура (°С)
Установлено, что скорость деструкции органических веществ описывается
уравнением:
Я = (1 -10"*), (2)
где к - константа разложения ТБО, характеризующая долю органической массы ТБО, полностью разложившуюся в течение года (по экспериментальным данным, значения коэффициента находятся в диапазоне от 0,035 до 0,045); t - время с момента захоронения, годы.
Следовательно, удельная эмиссия биогаза, выделяемого одной тонной свалочных масс к определенному времени (году) с момента захоронения: Qe = 1,868 • С • (0,014T + 0,28) • (1 - 10-kt) м3/т/год (3)
Количество биогаза, таким образом, определяется умножением значения удельной эмиссии на объем захороненных отходов. Данная модель широко используется в европейских странах для предварительной оценки эмиссии биогаза с полигонов ТБО, характеризующихся однородным составом мусора.
Модель LandGEM - разработана Агентством по Охране окружающей среды США (Environmental Protection Agency) и представлена в виде программы LandGEM [6], реализуемой на базе MS Excel. Она рекомендуется для оценки загрязнения воздуха вблизи полигонов, для проведения инвентаризации эмиссии парниковых газов и для оценки энергетического потенциала всей массы отходов. Первичной рассчитываемой величиной программы LandGEM является образование метана, эмиссия диоксида углерода и других газов в атмосферу рассчитываются, исходя из задаваемого состава биогаза и коэффициента окисления метана. Расчетная модель содержит ряд параметров, значения которых зависят от состава отходов и условий их разложения для конкретных условий. В программе LandGEM предусмотрен расчет среднегодовых значений образования и эмиссии газов. Кроме основных четырех газообразных продуктов эмиссии: метана, углекислого газа, не метановых органических компонент (NMOC), в программе также реализуется возможность расчета эмиссии 48 загрязняющих веществ, входящих в состав свалочного газа для конкретного полигона. Расчет образования метана основан на следующих основных предположениях:
1) Анаэробное разложение отходов, с образованием метана, начинается только после окончания года, в течение которого ТБО поступали на полигон. Таким образом, учитывается задержка (лаг-фаза) начала стадии активного метаногенеза.
2) Скорость образования метана за счет разложения органической составляющей отходов, поступивших за один год (Mi), описывается уравнением:
(t) = L0kMie~kt [м3СН4/ год], (4)
где L0 - потенциал образования метана - объем метана, образующегося при полном разложении тонны отходов:
J G (t )dt
L0 = ^— [м3СН4 / тТБО] (5)
Значение L0 зависит от состава и условий разложения ТБО: L = К^^СИ^ (6)
где K1 - объем биогаза, образующегося при анаэробном разложении единицы массы
углерода (м3/т); K2 - доля органического углерода в составе ТБО до начала их разложения
C/т ТБО; K3 - доля органического углерода, разлагающегося анаэробно; FCH 4 - доля
метана в составе образующегося биогаза.
Коэффициент скорости разложения (к) ТБО показывает, какая часть органического
углерода разлагается на полигоне за единицу времени:
1 dMr г, .
к =---С = const [1/год], (7)
MC dt
где М с - общая масса органического углерода на полигоне, t - время поступления ТБО, годы.
Величина к связана с периодом полуразложения:
=¥ - 0?- «
Коэффициент к зависит от состава отходов и ряда внешних факторов: влажности, температуры, кислотности среды. Высокая скорость разложения характерна для отходов с высокой влажностью и высоким содержанием пищевых отходов, низкая - для сухих с высоким содержанием бумаги и древесины. Интенсивность выхода биогаза (метана) напрямую зависит от скорости разложения (в интерфейсе программы коэффициент к называется «Methane Generation Rate», т. е. «коэффициент образования метана»).
3) Скорость образования метана за счет разложения ТБО, поступивших за N лет, предшествующих времени t, находится путем суммирования образования метана из ТБО, поступивших за каждый предшествующий год:
i = N
GcH4(t) = IGCH4 i (t) (9) i=1
Основное уравнение, используемое программой для расчета количественной эмиссии метана:
n 1 д yf
Qch4 = IIIILPM-)-*, (10)
i =1 j =0,1 10
где Qch - годовой выход метана за расчетный период (м3/год); i - порядковый номер года;
n - общее количество лет (разность расчетного года и начального года); j - 0,1 года (расчетного);
к - коэффициент образования метана, или скорости разложения ТБО, 1/год;
В LandGEM предусмотрен автоматический выбор значений параметров к и L0, принимаемых для различных условий, если нет дополнительной информации.
По результатам предварительных расчетов можно будет сделать вывод о целесообразности и эффективности того или иного метода использования, а также установить объем и период газовой эмиссии после прекращения размещения отходов на полигоне.
Литература
1. Вайсман Я.И. Управление отходами. Захоронение твердых бытовых отходов. - Пермь: ПГТУ, 2001. -128с.
2. Manual para el Manejo de los Residuos Sólidos en Medianos y Pequeños Municipios Boroshilov Castro USAID - Corporación OIKOS Quito, 2000. р 219.
3. Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. IV. // 7-th International waste management and landfill symposium. - Sardinia, 1999. - p 343.
4. Análisis de los desechos sólidos Municipio de Loja, Municipio de Quito, АME Loja, 1995. - р 1418.
5. Oktay Tabasaran Abfallwirtschaft - Abfalltechnik Siedlungsabfñlle Ernst & Sohn Verlag Berlin 1994. р 37-46.
6. Landfill Gas Emissions Model (LandGEM) Version 3.02 User's Guide Versionuser's guide. By Amy Alexander, Clint Burklin, and Amanda Singleton Eastern Research Group Morrisville, NC Purchase Order No. 3C-R127-NALX. Project Officer: Susan A. Thorneloe Office of Research and Development National Risk Management Research Laboratory Air Pollution Prevention and Control Division Research Triangle Park, NC 27711. U.S. Environmental Protection Agency Office of Research and Development Washington, DC 20460.
