CC BY
135
Геоэкология
УДК 574, 57.013
СНИЖЕНИЕ ЭМИССИИ МЕТАНА НА ПОЛИГОНАХ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
Б01: 10.24411/1728-323Х-2018-14036
И. Н. Лыков, д. б. н, профессор, научный руководитель Института естествознания Калужского государственного университета им. К. Э. Циолковского, [email protected],
А. А. Логинов, к. х. н, научный сотрудник Калужского государственного университета им. К. Э. Циолковского, [email protected],
Н. И. Волыхина, МУП «Полигон ТБО», директор,
Е. А.Тарасова, МУП «Полигон ТБО», главный специалист, Калуга, Россия
В России ежегодно образуется более 40 миллионов тонн твердых коммунальных отходов. Около 95—96% размещается на полигонах твердых бытовых отходов и только 4—5 % вовлекаются в переработку. На сегодняшний день такой способ обращения с отходами является наименее затратным, но и наиболее опасным для окружающей среды.
В теле полигона протекают физические, химические и биохимические процессы, в результате которых образуется метан. Миграция метана из свалочного тела в окружающую среду представляет серьезную экологическую проблему в виде парникового эффекта. В данной статье представлен краткий обзор способов утилизации метана. Приведены данные о влиянии известняковых отходов на снижение эмиссии метана на полигоне твердых коммунальных отходов и сорбцию тяжелых металлов.
В статье рассмотрена биогеохимическая зональность процесса биодеградации твердых коммунальных отходов. Авторами приведены данные о составе биогаза и особенности его эмиссии в окружающую среду. Представлены результаты поглощения тяжелых металлов известняковыми отходами.
In Russia, more than 40 million tons of solid municipal waste are generated annually. About 95—96 % are located on landfills of solid household waste and only 4—5 % are involved in processing. To date, this method of handling waste is the least expensive, but also the most dangerous for the environment.
In the body of the polygon, physical, chemical and biochemical processes occur, as a result of which methane is formed. Migration of methane from the landfill to the environment is a serious environmental problem in the form of a greenhouse effect. This article provides a brief overview of the methane utilization methods. The data on the influence of limestone waste on the reduction of methane emissions on the solid municipal waste landfill and the sorption of heavy metals are given.
The article considers the biogeochemical zoning of the process of biodegradation of solid municipal waste. The authors give data on the composition of biogas and the features of its emission into the environment. The results of absorption of heavy metals by limestone waste are presented.
Ключевые слова: полигон твердых коммунальных отходов, эмиссия метана, известняковые отходы, послойная изоляция.
Keywords: solid municipal waste landfill, methane emission, limestone waste, layered insulation.
Полигоны твердых коммунальных отходов (ТКО) являются значительными источниками метана, что способствует изменению климата, поскольку он аккумулирует энергию инфракрасного излучения в 30 раз эффективнее углекислоты. В современных условиях эмиссия метана в атмосферу при эксплуатации полигонов ТКО оценивается величиной около 40 х 1012 г (или 7,4 % от общей эмиссии метана). Сокращение выбросов метана на полигонах ТКО может снизить риск изменения климата.
Исследование процесса эмиссии биогаза из тела полигона, проведенное нами на полигоне ТКО г. Калуги, показало, что д оля метана в биогазе непосредственно в объемах тестовых скважин составляет около 55,7 ± 4 %, а в призабой-ных пространствах около 68,6 ± 1,5 %. При этом наибольшая доля метана в биогазе содержится на глубине 5 м, что соответствует температурному максимуму. Так, в пробах биогаза, взятых с глубины 5 м, содержание метана составляет 73,6—88,5 %, в то время как в скважинах с глубиной 10—15 м доля метана в биогазе находится в пределах 63,2—67,2 % [1, 2].
В модельных экспериментах по метанобразо-ванию с чистыми культурами микроорганизмов показано, что при росте метаногенов на ацетате изотопный состав углерода метана и углекислоты обеднен 13С изотопом по отношению к углероду используемого ацетата. При этом изотоп-
ный состав углерода используемого ацетата имеет близкое значение 813С с органическими продуктами на свалке. Распределение изотопного состава углерода, обнаруженное при анализе метана и углекислоты в теле свалки, является практически идентичным с данными в модельных экспериментах. Следовательно, можно полагать, что процесс метаногенеза в теле свалки связан с активностью метанобразующих бактерий, использующих ацетат как основной их субстрат [3].
В настоящее время к основным способам утилизации метана относятся [4—6]:
• сжигание в факеле, направленное, прежде всего, на уничтожение и л иквидацию метана в целях снижения экологической нагрузки и опасности возгорания полигонов;
• сжигание необработанного метана для получения тепла;
• очистка метана для дальнейшего использования в установках генерации электрической и тепловой энергии;
• очистка метана для дальнейшего использование в качестве газомоторного топлива;
• получение биометана из свалочного газа с содержанием метана свыше 96 % для дальнейшего использования в системах газоснабжения. Таким образом, биогаз, образующийся при
биохимической ферментации органосодержащих отходов на полигонах ТКО, может использоваться как альтернативное местное возобновляемое топливо. Однако рыночного (бездотационного) использования биогаза, образующегося на полигонах ТБО, в настоящее время в России практически нет. Кроме того, проблема снижения эмиссии биогаза остро стоит и в условиях закрытия и рекультивации многих полигонов ТКО. Сжигание биогаза ограничено высокой стоимостью природоохранных устройств на энергогенерирующих установках [7].
Известен способ снижения эмиссии биогаза с использованием биофильтра, заполненного сорб-ционными загрузочными материалами. В качестве таких материалов использовали отходы целлюлозно-бумажной промышленности: опил, кору, скоп, щепу. Конструкция биофильтра представляет собой корпус цилиндрической формы, выполненный из коррозионностойкого материала. Высота корпуса — 1,5 м, высота загрузочных слоев — 1,0 м, диаметр — 0,4 м, площадь биофильтра 0,126 м2. На основании сорбционных свойств материалов определен порядок укладки сорбционных материалов и их объемное соотношение: щепа, опил, скоп и кора — 1:1:2:1 соответственно. Подача газовой смеси в биофильтр осуществляется при помощи компрессора с рас-
ходом 0,24 м3/ч [8]. Но подобная схема утилизации биогаза требует больших материальных и финансовых затрат.
Известен способ сокращения выбросов метана на полигонах путем его окисления в почвенном покрове [9]. Основная идея этой технологии заключается в том, что полигон покрывается слоем земли, который служит своеобразным биофильтром. Метанотрофная активность микроорганизмов в почве со временем возрастает в присутствии повышенных концентраций метана и стабилизируется примерно через месяц. Оптимальное значение рН для окисления метана составляет от 6 до 8. При этом авторами утверждается, что окисление метана в почве подчиняется кинетике Михаэлиса—Ментен. Но уравнение Михаэлиса—Ментен предполагает наличие нескольких ограничений, в числе которых важное значение имеет температура (особенно в зимний период) и емкость земляного биофильтра. Кроме того, окисление метана контролируется такими факторами окружающей среды, как текстура почвы, содержание влаги в почве, подача метана и кислорода, содержание питательных веществ в почве. Другим критическим фактором является проницаемость почвенного покрова ниже покрытия, для чего почву заменяют биофильтром с отверстиями [10].
Таким образом, перечисленные способы не способны обеспечить долговременный процесс окисления метана. Задачей настоящего исследования является оптимизация процесса утилизации метана метанотрофными микроорганизмами с помощью послойного разделения утилизируемых твердых коммунальных отходов известняковым отсевом (мучкой). Известняковый отсев образуется при переработке известняка в щебень. Образуемый отсев практически полностью состоит из известняковой муки. Известняковый отсев обладает щелочными свойствами (рН 8) благодаря присутствию углекислого кальция (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав известнякового отсева
Химические элементы Содержание, %
углекислый кальций 91,0
углекислый магний 1,0
окись магния 1,6
окись кремния 0,3
окись алюминия 0,75
окись железа 0,75
нерастворимый остаток 4,6
Для выполнения исследования территорию полигона ТКО площадью 15 га разделили на две площадки (карты). На одну карту складировали ТКО методом прессования высотой 2 м. Затем прессованные ТКО засыпали известняковым отсевом высотой 25 см. В таком состоянии карта выдерживается в течение 6 месяцев, после чего процедура повторяется. Во время «отдыха» первой карты, заполняется вторая карта по той же схеме.
Отбор проб биогаза осуществляли через специально пробуренные скважины (5, 10, 15 м глубиной) в разных частях карты полигона. Образование биогаза в теле полигона ТКО происходит по типу твердофазной ферментации с четкой биогеохимической зональностью. Было установлено, что в зависимости от глубины горизонта (уровня от поверхности полигона) изменяется как количественный, так и качественный состав микроорганизмов.
Первый уровень (10 см — 1,0 м) отличается наиболее интенсивными аэробными процессами и нарастанием микробной биомассы, содержащей ассоциации мезофильных аэробных и факультативных анаэробных микроорганизмов. Он характеризуется первичным разложением, гидролизом белковых соединений и накоплением первичных продуктов их разложения. На этом уровне количество микроорганизмов колеблется от 500 тыс. до 1,5 млн КОЕ в 1 г отходов.
Таблица 2
Изменение состава биогаза в зависимости от глубины скважины
Глубина скважин, м Количественный состав биогаза, %
СН4 СО2 N2 О2
5,0 63,4 22,8 11,2 2,6
10,0 59,1 34,3 5,6 1,0
15,0 44,1 23,7 26,0 6,2
Таблица 3
Изменение состава биогаза в зависимости от глубины скважины с использованием известнякового отсева
Глубина скважин, м Количество, %
СН4 СО2 N2 О2
5,0 40,1 39,9 18,3 1,7
10,0 19,9 63,2 15,4 1,5
15,0 9,9 71,3 17,7 1,1
5. 10. 15.
Глубина скважин, м
| в без известнякового отсева н с известняковым отсевом |
Рис. Снижение эмиссии метана (%) при использовании прослойки с известковым отсевом
На втором уровне (1,0—5,0 м) количество микроорганизмов колеблется от 2,2 до 7,2 млн КОЕ/г. Происходит накопление органических кислот (масляной, пропионовой, молочной, уксусной), а также низших спиртов, аммиака, нитратов, нитритов и водорода.
Третий уровень (5,0—10,0 м) отличается процессами анаэробной ферментации с участием нескольких видов микроорганизмов, в том числе лактобацилл и клостридий. Количество микроорганизмов на этом уровне колеблется от 550 тыс. до 2,0 млн КОЕ/г. Температура третьего уровня варьирует от 30 до 50 °С, что создает благоприятные условия для развития термофильных микроорганизмов, ускорения процессов разложения сложных органических веществ и интенсификации метанового брожения. Ассоциация термофильных микроорганизмов этого уровня представлена в основном ацетогенами, превращающими органические кислоты в уксусную кислоту, водород и окислы углерода.
Четвертый уровень (10,0—15,0 м) характеризуется значительно меньшим количеством микроорганизмов: от 150 до 670 тыс. КОЕ/г. Температура этого уровня медленно снижается до 20 °С, что свидетельствует об истощении легкоразлага-емых органических соединений [2]. Уменьшается и количество генерируемого метана (табл. 2).
Третий уровень (5,0—10,0 м) называется аци-догенным, или кислотным. Кислая среда и недостаток кислорода угнетают метанотрофную (разрушающую и утилизирующую метан) микрофлору.
Таким образом, биогаз, образующийся в анаэробной зоне, мигрирует вверх по разрезу и окисляется метанотрофами (рисунок). При этом про-
Таблица 4
Валовое содержание тяжелых металлов в исследуемых пробах
Наименование Тяжелые металлы, мг/кг
компонента Pb Cu Cd Mn Zn Ni Co Cr
Выше известнякового 5,2 3,6 0,04 7,9 36,9 0,48 0,09 4,72
отсева
Ниже известнякового 0,02 0,32 0,002 0,87 3,99 0,08 0,04 0,14
отсева
слойка известнякового отсева нейтрализует среду и создает условия для размножения метанотроф-ных бактерий, утилизирующих метан. Биогаз, поднимаясь с глубины 5, 10 и 15 м, проходит соответственно 2, 5 и 7 прослоек известнякового отсева.
В случае использования технологии складирования ТКО с пересыпкой известковым отсевом наряду со снижением эмиссии метана изменяется компонентный состав самого биогаза (табл. 3).
Кроме того, известняковый отсев активно поглощает и связывает тяжелые металлы, что предупреждает загрязнение окружающей среды в зоне деятельности полигона ТКО (табл. 4).
Выводы
1. Послойная изоляция слоев коммунальных отходов, складируемых методом прессования, че-
рез каждые 2 м высоты известняковым отсевом толщиной 25 см с содержанием до 91 % углекислого кальция, создает условия для размножения микроорганизмов, окисляющих и утилизирующих метан.
2. Эмиссия метана в атмосферу при послойном использовании известнякового отсева снижается на 22—38 % в зависимости от горизонта залегания отходов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-0600129 «Разработка алгоритма выбора экономически эффективного варианта экотехнологии эксплуатации полигонов твердых коммунальных отходов».
Библиографический список
1. Лыков И. Н. Метаногенез и глобальные климатические процессы / И. Н. Лыков, С. А. Сафронова, М. И. Моро-зенко, Г. В. Ефремов // Природа. — № 8. — 2009. — С. 40—44.
2. Лыков И. Н., Шестакова Г. А., Птушкина Л. Е., Зякун А. М. Генерация метана полигонами твердых бытовых отходов // Твердые бытовые отходы. — 2011. — № 12. — С. 22—26.
3. Муравьев А. И., Баскунов Б. П., Лауринавичус К. С., Захарченко В. Н., Пешенко В. П., Лыков И. Н., Шестакова Г. А., Зякун А. М. Использование изотопной масс-спектрометрии для оценки масштабов эмиссии биогенного метана в атмосферу // Масс-спектрометрия. — 2009. — Том 6. — № 1. — С. 21—30.
4. Абрамов Н. Ф., Проскуряков А. Ф. Сбор и утилизация биогаза на полигонах твердых бытовых отходов: Обзорная информация. — Вып. 1 (30). — М.: ЦБНТИ Минжилкомхоза РСФСР, 1989.
5. Лифшиц А. Б., Гурвич В. И. Утилизация свалочного биогаза — мировая практика, российские перспективы // Чистый город. — 1999. — № 2. — С. 8—17.
6. Садчиков А. В. Дегазация полигонов твердых коммунальных отходов // Фундаментальные исследования. — 2017. — № 2. — С. 82—86.
7. Елистратов В. В., Кубышкин Л. И., Масликов В. И., Покровская Е. Р. Обоснование комплексных энергетических технологий на полигонах твердых бытовых отходов // Энергетическая политика. — 2001. — Вып. 3. — С. 38—41.
8. Нетребин Ю. Я. Снижение газовой эмиссии объектов захоронения твердых бытовых отходов после завершения их эксплуатации. — Автореферат ... кандидата технических наук. — Пермь, 2004.
9. St^pniewski W., Pawowska M. A Possibility to Reduce Methane Emission from Landfills by Its Oxidation in the Soil Cover, Chemistry from the Protection of the Environment 2, Environmental Science Research. — 2007. — Vol. 51. — New York: Plenum Press. — Р. 75—92.
10. Kjeldsen, P., Scheutz, C. (2014). Reduction of methane emission from landfills using bio-mitigation systems — from lab tests to full scale implementation. — Paper presented at EurAsia Waste Management Symposium, Istanbul, Turkey. — EurAsia Waste Management Symposium, 28—30 April 2014, YTU 2010 Congress Center, Istanbul/Türkiye. http://orbit.dtu.dk/files/ 92419523/EurAsia_Waste_Management_Symposium_Kjeldsen_revised.pdf.]
REDUCTION OF METHANE EMISSIONS AT MUNICIPAL SOLID WASTE LANDFILLS
I. N. Lykov, Ph. D. (Biology) Dr. Habil., Professor, Scientific advisor for the Institute of Natural Science, Tsiolkovskiy Kaluga State University, [email protected];
A. A. Loginov, Ph. D. (Chemistry), Tsiolkovskiy Kaluga State University, researcher, [email protected]; N. I. Volykhina, Municipal Unitary Enterprise "Solid waste landfill", Director; E. A. Tarasova, Municipal Unitary Enterprise "Solid waste landfill", Chief Specialist. Kaluga, Ruassia
References
1. Lykov I. N. Methanogenesis and global climatic processes / I. N. Lykov, S. A. Safronova, M. I. Morozenko, G. V. Efremov. Nature. No. 8. 2009. P. 40—44. [in Russian]
2. Lykov I. N., Shestakova G. A., Ptushkina L. E., Zyakun A. M. Generation of methane by solid waste landfills. Solid household waste. 2011. No. 12. P. 22—26. [in Russian]
3. Muraviev A. I., Baskunov B. P., Laurinavichus K. S., Zakharchenko V. N., Peshenko V. P., Lykov I. N., Shestakova G. A., Zyakun A. M. Using isotope mass spectrometry for estimating the scale of biogenic methane emission into the atmosphere. Mass spectrometry. 2009. Vol. 6. No. 1. P. 21—30. [in Russian]
4. Abramov N. F., Proskuryakov A. F. Collection and utilization of biogas on landfills of solid household waste: Overview. No. 1 (30). Moscow, TsBNTI of the Ministry of Housing and Communal Services of the RSFSR, 1989. [in Russian]
5. Lifshits A. B., Gurvich V. I. Utilization of landfill biogas — World practice, Russian prospects. Clean city. 1999. No. 2. P. 8—17. [in Russian]
6. Sadchikov A. V. Degassing of landfills of solid municipal waste. Fundamental research. 2017. No. 2. P. 82—86. [in Russian]
7. Elistratov V. V., Kubyshkin L. I., Maslikov V. I., Pokrovskaya E. R. Substantiation of complex energy technologies on solid domestic waste landfills. Energy Policy. 2001. No. 3. P. 38—41. [in Russian]
8. Netrebin Yu. Ya. Decrease in gas emission of places of storage of a firm household waste after the end of their operation. Abstract ... for Ph. D. in Engineering. Perm, 2004. [in Russian]
9. St^pniewski W., Pawowska M. A Possibility to Reduce Methane Emission from Landfills by Its Oxidation in the Soil Cover, Chemistry from the Protection of the Environment 2. Environmental Science Research. 2007. Vol. 51. New York: Plenum Press. P. 75—92.
10. Kjeldsen, P., Scheutz, C. (2014). Reduction of methane emission from landfills using bio-mitigation systems — from lab tests to full scale implementation. Paper presented at EurAsia Waste Management Symposium. EurAsia Waste Management Symposium, 28-30 April 2014, YTU 2010 Congress Center, istanbul/ Turkiye.] Istanbul, Turkey. http://orbit.dtu.dk/files/92419523/ EurAsia_Waste_Management_Symposium_Kjeldsen_revised.pdf.
