Я.И. Вайсман, О.Я. Вайсман, С.В. Максимова
УПРАВЛЕНИЕ
МЕТАНОГЕНЕЗОМ
НА ПОЛИГОНАХ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Министерство образования Российской Федерации Пермский государственный технический университет
Вайсман Я. И., Вайсман О. Я., Максимова С. В.
УПРАВЛЕНИЕ МЕТАНОГЕНЕЗОМ НА ПОЛИГОНАХ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
ПЕРМЬ
2003
i;i;k :»o ih к i:>
УДК 628.1
Рецензенты:
Абрамов Н. Ф., к.т.п., начальник отдела санитарной очистки городов Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова.
Закиров 3. Г., д.т.н., профессор, ФГУП Межотраслевой научно-исследовательский институт экологии топливно-энергетического комплекса (МНИИ ЭКО ТЭК).
В монографии исследуются процессы метаногенеза на полигонах твердых бытовых отходов и их воздействие па окружающую среду. Приведены результаты исследований полигонов Пермской области, Германии, Нижней Австрии. Разработаны методические основы управления метаногенезом для решения задач освоения задолженных территорий, запятых закрытыми для приема ТБО полигонами, па основе дифференцированного подхода к управлению метаногенезом с учетом мощности полигонов, морфологии и свойств захороненных отходов, этапа жизненного цикла и сложившейся инфраструктуры. Рассмотрены современные методы комплексной переработки и термического обезвреживания ТБО с целью регулирования их морфологического состава; системы сбора и переработки биогаза при эксплуатации полигонов ТБО; эффективные системы мониторинга в период рекультивации. Разработана методология оценки эмиссий биогаза со свалочных тел.
Книга предназначена для работников жилищно-коммунального хозяйства, научных, учебных, проектных, природоохранных организаций и организаций санитарно-эпидемиологического падзора, студентов и аспирантов.
ISBN 5-93824 023-9
it'1 Пермский государственный технический университет, 2003
ВВЕДЕНИЕ
Свалки и полигоны твердых бытовых отходов (ТБО), находящиеся на раз ной фазе жизненного цикла, различные по морфологическому составу и объему отходов, площади захоронения, высоте и геометрии тепа, распространены повсеместно и занимают большие территории. Захоронение ТБО всегда сопровождается долговременными эмиссиями загрязняющих веществ и безвозвратной потерей вторичных материальных ресурсов. В населенном пункте численностью 100 тыс. жителей ежегодно образуется 37 тыс. т ТБО, задалжива-ется 0,65 га рекреационных земель для их депонирования и затрачивается около 9 млн. руб. на санитарную очистку от ТБО Протекающие в рабочем теле полигона физико-механические, физико-химические и биологические процессы приводят к образованию биогаза, фильтрата и просадке. В результате этого полигоны в течение многих десятилетий остаются источником загрязнения окружающей среды. Территория, занимаемая полигонами и свалками ТБО, является опасной и надолго исключается из хозяйственного использования.
Анализ состояния проблемы захоронения ТБО в Пермской области показал, что дальнейшее депонирование не может осуществляться без учета воздействий полигонов на окружающую среду в отдаленной перспективе.
Наибольшую опасность представляют неуправляемые эмиссии биогаза, которые могут привести к неблагоприятным локальным (взрывы, пожары, влияние на здоровье персонала, на санитарные условия жизни населения прилегающих территорий, угнетение растительности, размножение насекомых, птиц, грызунов) и глобальным (разрушение озонового слоя, парниковый эффект) последствиям.
Динамика процессов метаногенеза, происходящих при разложении ТБО. должна учитываться при разработке стратегии депонирования отходов. Предлагаемые нами подходы к анализу полигонов ТБО, с точки зрения управления метаногенезом, позволяют сформировать стратегию и соответствующую техническую и инвестиционную политику с учетом направления рекультивации и последующего использования территории. В зависимости от выбранной стратегии (минимизация или сокращение периода эмиссий, утилизация биогаза с целью получения энергии, эксплуатация или закрытие полигона) может быть выбрана схема финансирования инженерно-технических мероприятий и определены соответствующие затраты.
Управление метаногенезом включает диагностику полигона, прогноз эмиссий, предварительную обработку ТБО, соответствующие системы дегазации и мониторинга В книге рассмотрены различные способы регулирования метаногенеза, принятые в мировой практике, типичные проблемы, возникающие на полигонах ТБО, связанные с биогазом.
Основной принцип управления метаногенезом на полигонах ТБО — минимизация и сокращение периода эмиссий биогаза. Анализ суммарного эколого-экономического ущерба на каждую тонну ТБО. захороняемую на полигоне, показал, что с целью минимизации образования биогаза наиболее целесообразно управлять качеством и количеством отходов, направляемых на захоронение.
Проведенные нами исследования показали, что при отсутствии технической или финансовой возможности управления свойствами отходов, поступающих на депонирование, затраты на дегазацию и восстановление территории
3
повышаются. Если отходы подвергаются всесторонней подготовке к депонированию, эмиссии на выходе значительно уменьшаются и дальнейшая эксплуатация и рекультивация полигона требует минимального финансирования.
На стадии активного выделения биогаза освоение территорий для рекреационного использования, промышленного, транспортного или гражданского строительства хотя и возможно, ю требует больших затрат по применению активных методов дегазации. Утипязация биогаза в качестве энергоносителя не окупает вложенных средств. Пэ мере затухания метаногенеза затраты уменьшаются, но фаза ожидания уровня эмиссий, при котором можно ограничиться системами аварийной сигнаяизации, часто оказывается весьма длительной. Управление метаногенезом позволяет прогнозировать и контролировать эмиссии, регулировать продолжительность эмиссий и определять время безопасного освоения рекультивированной территории свалок в различных народнохозяйственных направлениях.
При анализе путей и возможностей реализации различных сценариев управления метаногенезом необходимо учитывать закономерности процессов разложения отходов, присущий им длительный жизненный цикл.
В основе управления скоростью разложения отходов, геометрией поверхности захоронения, периодом выделения сточных ьод и биогаза лежит диагностика свалочного тела и анализ закономерностей образования, движения и накопления биогаза. Большую роль играют методы прогнозирования эмиссий биогаза. Основным инструментом оценки эмиссий свалочных газов как в России, так и за рубежом остаются теоретические методы прогноза, базирующиеся на математическом моделировании. Математические модели, которые используются для оценки эмиссий биогаза с полигонов твердых бытовых отходов в Европе и США, не всегда применимы в условиях Российской Федерации из-за отсутствия предварительной подготовки отходов перед захоронением, учета длительности воздействия складированных отходов на окружающую среду. Анализ этих методов позволил предложить метод прогноза образования биогаза с учетом специфики российских полигонов.
Управление такими объектами, как полигоны для захоронения ТБО, осуществляется, как правило, в условиях недостаточности информации. При выборе методов управления метаногенезом необходимо учитывать как существующее состояние полигона, так и долгосрочные перспективы и последствия принимаемых решений. Поэтому выбор метода и технологии управления метаногенезом (предварительное озоление, компостирование отходов с высоким содержанием биологически разлагаемого углерода, обработка тела свалки фильтратом, пассивная или активная дегазация и т.д.) является сложной технико-экономической задачей, связанной с учетом разнородных, иногда несопоставимых по значимости факторов.
Решение такой задачи возможно с помощью математико-статистических методов в сочетании с эвристическими, которые находят в последние годы все более широкое признание у математиков, экономистов и экопогов, получив, в частности, развитие в стандартах ISO 14000. Эти методы применены нами с учетом специфики решения экологических задач при оценке взаимосвязи факторов, обусловливающих воздействие полигонов ТБО на окружающую среду, решения многокритериальной задачи выбора систем дегазации.
Активное управление метаногенезом, включающее диагностику состояния свалочных тел и научно обоснованный выбор соответствующего комплек са мероприятий, позволяет преобразовать закрытые санитарные полигоны в полноценную территорию, пригодную в том числе и под интенсивное строительство, предотвратить необоснованное изъятие и задалживание земель и поэтапно приблизиться к инертному телу свалки, безопасному для окружающей среды.
4
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОГЕНЕЗОМ НА ПОЛИГОНАХ ЗАХОРОНЕНИЯ ТБО
1.1. Предпосылки развития методов и технологий управления метаногенезом
С доисторических времен свалки твердых бытовых отходов (ТБО) являлись непременными спутниками населенных мест. На первом этапе развития методов и технологий захоронения ТБО действовал простой принцип «собрать и вывезти». Лишь к концу XX века были разработаны методы обезвреживания отходов и соответствующая законодательная база, благодаря которым произошла замена неорганизованных, неконтролируемых свалок на усовершенствованные инженерные сооружения — полигоны захоронения ТБО, оборудуемые системами дегазации и про-тивофильтрационной защитой (1].
В настоящее время во всех развитых странах сложилась законодательная и нормативная база, регулирующая проектирование, эксплуатацию и рекультивацию полигонов (табл. 1.1). Полигоны классифицируются по степени технической оснащенности, потенциалу опасности и использования для производства электроэнергии [2]. Разработана методология оценки жизненного цикла полигона (LCA), погорая рекомендуется стандартами ISO/DIS 14040 [3].
Накопленные за последние десятилетия знания в области охраны окружающей среды, а также принятая мировым сообществом стратегия устойчивого развития приведи к формированию новой политики в области захоронения отходов, направленной на всестороннее снижение "миссий загрязняющих веществ с полигонов ТБО.
В настоящее время в мировой практике существует две цч||Ц1‘нции достижения этой цели: концепция «вечного за-
5
Управление метаногенезом на полиюнах твердых бытовых отходов
Таблица 1.1
Основные законодательные требования к полигонам захоронения ТБО в разных странах [2]
Страна	Наименование основного нормативного документа	Законодательные требования
Великобритания		-	лицензирование предприятий по управлению ТБО (обязательным условием выдачи лицензии является утверждение на этапе планирования, в котором принимает участие население) -	проектирование, строительство, эксплуатация полигонов; -	закрытие полигонов
Страны ЕС	Draft European Union Directives, 150 5667-1,2. 1991.	-	проектирование, строительство, эксплуатация полигонов; -	закрытие полигонов; -	контроль метана, образующегося на полигонах; -	сокращение органического углерода путем предварительной обработки отходов до их захоронения на полигоне
США	Federal Register, part II. EPA, 40 CFR, part 257, 258. Solid Waste Disposal Facility Criteria. 1991.	-	расположение участка для захоронения отходов; -	проектирование и эксплуатация полигонов; -	мониторинг грунтовых вод; -	закрытие полигонов и финансирование пострекультивационного периода
Россия	Федеральный закон «Об отходах производства и потребления»	-	определение места строительства (выбор площадки осуществляется на основе геологических, гидрологических и др. исследований); -	проведение мониторинга состояния окружающей природной среды; -	контроль за состоянием полигона после его закрытия и воздействием его на окружающую среду; -	проведение работ по восстановлению нарушенных земель
6
Глава 1
хоронения» [41 и концепция полигона ТБО как биологического реактора [5].	,?
Концепция «вечного захоронения» заключается в широком использовании системы раздельного сбора отходов в местах их образования и термическом обезвреживании неутилизируемых фракций ТБО. Основная идея концепции заключается в запрещении размещения на полигоне не обезвреженных термическими методами отходов.
Сторонники второй концепции предлагают управлять полигоном как биологическим реактором, в котором происходит разложение органических веществ определенным микробоценозом. Регулируя количество и качество биоразлагаемого субстрата (органического углерода и др.) на входе в реактор, можно управлять выходом конечного продукта и эмиссией загрязняющих веществ. При этом воздействие на окружающую среду будет минимальным, если содержание органических веществ в ТБО не превышает 5%. Достижение такого уровня органики требует значительных финансовых затрат даже в развитых странах. Более реальным представляется уровень 7—9% [6, 7], однако и он труднодостижим. В настоящее время Директива ЕС предписывает всем государствам — членам ЕС разрабатывать национальную стратегию, обеспечивающую снижение количества биоразлагаемых отходов, направляемых на полигон. Стратегия опирается на такие мероприятия, как претритмент и рециклинг [8].
Процедура снижения должна быть осуществлена не позднее 2016 года в три этапа: снижение массы биоразлагаемых отходов в течение 5 лет должно достигнуть 25%, в течение 8 лет — 50%, не позднее чем через 15 лет — 75%.
В России задача уменьшения потока органических веществ, направляемых на захоронение, решается недостаточно эффективно.
В настоящее время в Московской области имеются только два объекта, которые отвечают требованиям Европейского сообщества к полигонам по захоронению ТБО: полигон • Икша» и полигон «Хметьево» [9].
Инфраструктура переработки ТБО в России существенно проще, чем в Европе. Более 90% всех отходов после 1-бора вывозятся на свалки и полигоны без какой-либо предварительной обработки. По данным Государственного док
7
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
лада «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации», из 130 млн. т твердых бытовых отходов, образованных в 1998 году, только 3,6 % перерабатывается промышленными методами, остальные вывозятся на полигоны ТБО и свалки [11].
Наиболее благополучная ситуация складывается в Москве, где ГП «Экотехпром» разработало перспективную схему санитарной очистки города с перегрузкой ТБО на мусороперегрузочных станциях (МПС). Схема предусматривает ввод в эксплуатацию семи МПС, трех дополнительных полигонов (Пушкино, Раменское, Одинцово), мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводов [10].
Закон «Об охране окружающей среды», Государственная программа «Отходы» и ряд нормативных документов предусматривают снижение объемов образования отходов и экологически безопасное их размещение. Однако техническая политика, направленная на восстановление и последующее освоение задолженных под свалки и полигоны ТБО территорий, еще не сложилась.
При инженерном освоении территорий закрытых свалок и полигонов ТБО особенно большие трудности возникают в связи с проявлениями метаногенеза в ходе процесса анаэробного разложения ТБО, который пока остается неуправляемым и плохо предсказуемым.
В настоящее время отсутствуют общие методические подходы, позволяющие регулировать процесс метаногенеза.
Вместе с тем, целенаправленное изучение основных параметров процесса разложения ТБО, определяющих его факторов, разработка и внедрение технологий переработки ТБО и систем дегазации позволяют прогнозировать объем образования газа и эффективно управлять метаногенезом на основных этапах движения отходов.
При управлении метаногенезом должны использоваться методы комплексной переработки и термического обезвреживания с целью регулирования морфологического состава ТБО при формировании потока отходов; системы уплотнения ТБО, формирования водного режима, системы сбора и переработки биогаза при эксплуатации полигонов ТБО; современные биотехнологические методы и эффективные системы мониторинга в период рекультивации.
8
Глава 1
Проведенный анализ состояния проблемы метаногенеза на полигонах захоронения ТБО в развитых странах, Московской области, а также проведенные нами исследования на полигонах Пермской области («Софроны», «Голый мыс», г. Пермь, «Страшная гора», Пермский район), Германии (полигоны г. Ганновера, Висбадена, Люнебурга), Нижней Австрии позволили разработать методические основы управления метаногенезом для решения задач освоения за-долженных территорий, занятых закрытыми для приема ТБО полигонами. Они базируются на дифференцированном подходе к полигонам ТБО с учетом их мощности, морфологии и свойств захороненных отходов, этапа жизненного цикла и сложившейся инфраструктуры. Выбор комплекса оптимальных технических и биотехнических мероприятий по управлению метаногенезом осуществлялся с помощью комплексного эколого-экономического критерия, обеспечивающего экологическую безопасность и оптимизацию затрат на восстановление народнохозяйственной ценности территорий закрытых для приема ТБО свалочных тел.
Развитие системы управления метаногенезом является элементом экономически и социально обоснованной реформы действующей системы управления отходами. Комплексный подход к управлению метаногенезом на всех этапах жизненного цикла полигонов ТБО позволяет в максимально короткие сроки, с разумными затратами минимизировать негативные воздействия на окружающую среду. Возвращение рекультивированной территории полигона с соответствующими экологическими и инженерными характеристиками в градостроительную среду будет свидетельствовать об успешном достижении поставленной цели.
1.2. Классификация полигонов ТБО как источников образования метана
Быстрая урбанизация и недостаточный в течение многих лет контроль за состоянием природной среды привели в тому, что в пределах крупных городов в карьерах, оврагах и других естественных понижениях рельефа образова-'| la i. с тихийные или контролируемые свалки, которые впос
9
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
ледствии засыпались грунтом или просто зарастали растительностью и превращались в пустыри.
Объекты захоронения ТБО, находящиеся на разных этапах жизненного цикла, отличающиеся по объему отходов, их морфологическому составу, времени и площади захоронения, высоте и геометрии тела распространены повсеместно, занимая огромные территории в границах населенных мест. Состояние объектов захоронения ТБО в целом но России можно охарактеризовать как неудовлетворительное, а многие из них могут быть отнесены к числу открытых свалок, интенсивно загрязняющих окружающую сре-ду[И].
Только в Пермской области на учете находятся более 400 свалок общей площадью свыше 2000 га. Из них только 160 разрешены природоохранными службами и администрациями территорий, примерно 240 свалок являются несанкционирова иными [12].
Эксплуатируемая свалка г. Перми «Софроны» площадью 50 га находится в 12 км от города и функционирует с 1978 года. Территория, непосредственно используемая под складирование ТБО, занимает 33 га. Объем складированных отходов составляет 5450 тыс. т, средняя плотность ТБО -- 0,8-1,2 т/м3. Эксплуатация свалки не сопровождается технологическим контролем. Рекультивация свалки «Софроны» проводится с 1999 года, в настоящее время рекультивирована приблизительно 1/8 часть территории. Завершение процесса рекультивации планируется в 2010 году. В зоне свалки отмечено превышение предельно допустимых концентраций в атмосферном воздухе по этилбензолу (1,5—6 ПДК) и сумме углеводородов (метану) (до 4,5 ПДК). Выделение биогаза на уровне 6—10 мг/м3 зафиксировано в рекультивированной части свалки [13].
Территория полигона не имеет надежного естественного водоупорного основания под рабочим телом и расположена в верхней части водораздельной возвышенности с усиленной нисходящей вертикальной фильтрацией подземных вод, что приводит к избыточному увлажнению территории и способствует формированию больших объемов загрязненных грунтовых и фильтрационных вод.
На территории, прилегающей к полигону, отмечено загрязнение почвенного покрова, угнетение лесной раститель
10
Глава 1
ности, снижение видового разнообразия наземных позвоночных-животных при резком увеличении численности серых крыс.
Объекты, подобные «Софронам», являются типичными для России. Например, полигон твердых бытовых отходов г. Брянска был введен в эксплуатацию в 1987 году без специальной инженерной подготовки. Расчетный срок эксплуатации — 36 лет. Земельный отвод составляет 100 га, эксплуатируемая площадь — 27 га. Полигон расположен на расстоянии 400 м от железной дороги и 500 м от населенного пункта Большое Полпино [14]. В Московском регионе одним из экологически опасных объектов является Кулаковский полигон ТБО, расположенный в 3,5—4 км южнее г. Чехова. Объект эксплуатируется с 1966 г., его площадь 13,6 га, мощность слоя отходов колеблется от 5 до 18 м [15].
На Втором международном конгрессе по управлению отходами в Москве было отмечено, что на 2001 год в России не существует ни одного санитарного полигона, обеспеченного полным набором инженерных элементов, хотя на территориях Московской, Самарской, Кировской областей имеются полигоны, обустроенные системами контроля фильтрата и свалочного газа, противофильтрационны-ми экранами и пунктами въездного контроля [16].
Все эти объекты являются источниками загрязнения природной среды метаном и другими опасными газами в течение длительного времени и на пострекультивационном этапе ограниченно пригодны для хозяйственного освоения, в первую очередь из-за выделения биогаза.
Количество выделяющегося метана зависит от многих факторов — климато-географических условий, типа и структуры почвы, режима поступления воды, разнообразия микрофлоры и наличия органического углерода (Со г) и других органогенов. Применительно к полигонам ТЕ>0 значимыми факторами метаногенеза являются: влажность отходов, температура, pH, количество органически разлагаемого углерода Сорг[2, 4—6].
Образование метана на полигонах длится от нескольких десятилетий до столетий, однако интенсивная реакторная фнзн, в которой он усиленно образуется, ограничивается 1(1 30 годами [17].
11
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Несмотря на то что закономерности метаногенеза достаточно хорошо изучены и с биохимической точки зрения метаногенез подробно описан в литературе [1, 2, 18], четкие ответы на вопросы о том, какие полигоны представляют наибольшую опасность, существует ли уровень накопления отходов, ниже которого образование биогаза безопасно, пока отсутствуют.
Активное управление метаногенезом должно базироваться на анализе общих закономерностей, свойственных процессу разложения ТБО, и соответствующей классификации полигонов как источников метана. Полигоны ТБО различаются мощностью свалочного тела, наличием инженерной инфраструктуры, возрастом и этапом жизненного цикла. Главными факторами, определяющими длительность и уровень метаногенеза, являются содержание органически разлагаемого углерода в отходах, их температурно-влажностный режим, степень уплотнения.
Объемы, состав и срок действия эмиссии зависят от индивидуальных особенностей захоронения ТБО. Вместе с тем полигоны, как источники метана, можно разделить на три группы:
-	несанкционированные старые свалочные тела с земляной засыпкой, закрытые для приема отходов и находящиеся на разных стадиях метаногенеза, от интенсивных до затухающих эмиссий метана;
—	санкционированные свалки, построенные без необходимой инженерной инфраструктуры, функционирующие или закрытые для приема, находящиеся на стадии рекультивации, у которых активная фаза метаногенеза еще впереди;
—	новые полигоны, оборудуемые системами дегазации и противофильтрационной защитой, на которых возможны контроль и управление процессом образования метана.
Первая и частично вторая группы обычно характеризуются отсутствием учета длительности воздействия складированных отходов на окружающую среду, большим содержанием органической составляющей в отходах, отсутстви ем системы дегазации, применением земляной засыпки в качестве защитного покрытия и отсутствием изолирующей пересыпки складируемых слоев отходов. Процессы мета ногенеза на объектах первой группы, закрытых для при
12
Глава I
ема ТБО более 20 лет назад, находятся на уровне затухания эмиссий. Поэтому стратегия восстановления территорий, занятых этими объектами, должна быть основана на оценке характера эмиссий. Если наблюдаемые эмиссии выше установленных нормативов, требуются системы дегазации и эффективного мониторинга. При отсутствии эмиссий свыше нормативных пределов свалки первой группы могут стать частью городской территории.
Объекты второй группы обычно представлены свалками площадью более 30—40 га, находятся вне селитебных территорий. Процесс складирования ведется десятки лет. Часть территории этих свалок рекультивирована и находится на стадии эмиссий. Другая часть — на стадии активной эксплуатации, или на стадии накопления метанового потенциала. Экономически целесообразно более длительное использование выделенной территории, которое достигается путем изменения инженерной инфраструктуры полигона, совмещения этапа рекультивации на одних картах рабочего теля с дополнительным размещением отходов в виде откосов, наращивания высоты складируемых отходов, уплотнения и выравнивания центральной части рабочего тела. Ни полигонах такого типа возможна организация систем гПорп и отвода ливневых и фильтрационных вод, пассивной и ли активной дегазации тела. При таком подходе становится эффективным и экономически достижимым ак-iHHiioc управление метаногенезом.
Что касается захоронений третьей группы, то для них в полном объеме может осуществляться стратегия управлении отходами, позволяющая поэтапно приблизиться к инертному телу свалки. Соответствующий выбор технологии liHMojionriiия (предварительное озоление, компостирование щиодоп с высоким содержанием биологически разлагае-Миго углерода, обработка тела свалки фильтратом, дегазации и т д.) позволяет управлять скоростью разложения от-•hihhi и геометрией поверхности захоронения, сократить НИрнод выделения сточных вод и биогаза и перейти к этану HHiiu’iiKpnoro освоения задолженных под свалки терри-♦♦фиН
11<п» >кгп лултируемых и проектируемых полигонов осиным пи инструментом управления метаногенезом являют-। н i|iii|imк  Hinn- потока направляемых на захоронение от
13
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
ходов с заданными свойствами по уровню содержания биоразлагаемых компонентов, влажности и организации систем дегазации свалочного тела.
Если системы управления потоком отходов, направляемых на захоронение, достаточно хорошо разработаны и внедряются в развитых странах [2] и начинают внедряться в России [1, 10, 16], то выбор метода дегазации пока является одной из сложнейших и малоразработанных проблем. В общем виде выбор методов дегазации зависит от мощности полигона, морфологии отходов, возраста, этапа жизненного цикла, наличия элементов инженерной инфраструктуры, водного баланса, интенсивности протекания биохимических процессов, климатических особенностей региона и экономических возможностей владельца.
Технологии дегазации существенно различаются по величине капитальных и текущих затрат, наличию блоков по утилизации биогаза (получение тепловой или электрической энергии), факельного хозяйства, устройств по рассеиванию биогаза в атмосферу. В связи с этим особенно важным представляется строго дифференцированный подход к выбору метода и технологии дегазации полигонов.
Для небольших молодых свалок и свалок промежуточного возраста с объемом свалочного тела менее 50 тыс. м3, не имеющих систем дегазации, эффективным средством регулирования эмиссии биогаза является изолирующее покрытие из рыхлого грунта в сочетании с такими относительно недорогими техническими средствами регулирования движения биогаза, как дренажные канавы, траншеи и т.д.
На пике эмиссии биогаза для предотвращения опасности возникновения взрывов и пожаров дополнительно могут устраиваться вертикальные колодцы для дренирования биогаза. Сложившаяся практика свидетельствует о достаточной надежности такого решения.
Для экономически целесообразного получения энергии из метана, образующегося на полигонах ТБО, необходимо иметь полезный объем полигона не менее 500 000 м3. Коли чество таких объектов в Российской Федерации и их при близительный газовый потенциал показаны в таблице 1.2.
Организация экономически выгодной утилизации би<> газа осложняется тем, что после относительно кратковрс
14
Глава 1
менного периода больших объемов образования метана наступает 20—30-летний период постепенного уменьшения. Для пользователя это означает необходимость позаботиться не только о резервной мощности электроэнергии, но и о дополнительном подводе природного газа в перспективе [2].
Устройство окончательного покрытия объекта захоронения отходов, направление рекультивации и стратегия дальнейшего использования территории зависят от его газового потенциала и длительности метаногенеза.
Таблица 1.2
Классификация свалок и полигонов по мощности и газовому потенциалу [19]
Масса свалочного тела (млн. т)	Газовый потенциал метана, м’/час		Количество объектов в России
	минимум	максимум	
Более 2,5	666	2081	Более 20
2,5-1,0	666-266	2081-832	90
1,0-0,5	266-133	832-416	400
Менее 0,5	менее 133	менее 416	800
Старые свалочные тела, находящиеся на стадии эмиссий и, как правило, обтекаемые новой застройкой, целесо-ибрнзио восстанавливать как можно быстрее. Расположенный близко к границам города, они ограничивают разви-1ИР городской застройки и ухудшают экологическую нОгтипопку в пригородной зоне.
Дли фу акционирующих полигонов, имеющих, бла-гндпрн продуманному расположению, резервные терри-Нфии для расширения и вновь проектируемых полиго-Нон гтрптегической задачей является создание инерт-ннгп гили полигона, сводящего образование метана к минимуму. Эмиссии метана при этом должны быть на ФИНпм уровне, который не препятствует инженерному HKNiu'iiuio территорий закрытых полигонов. При этом М№> учитыппть, что процесс градостроительного про-MHIHpoiuiiinii имеет тенденцию к ужесточению экологи-ирнпил, в результате чего со временем даже хорошо opi «11и.1онннные свалки перестают соответствовать HOpMlI м
15
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Таким образом, с точки зрения восстановления и дальнейшего освоения территории свалок и полигонов можно выделить две градостроительные категории захоронений ТБО:
—	свалки, расположенные в границах населенных мест, в зоне перспективного градостроительного освоения;
—	свалки или полигоны вне зоны перспективного градостроительного освоения.
Стратегия восстановления свалочных тел первой градостроительной категории должна базироваться на оценке и прогнозировании эмиссий и разработке соответствующих технических мероприятий, обеспечивающих безопасность инженерного освоения этих территорий. Применяемый при этом комплекс технических мероприятий может широко варьировать и при необходимости включать в себя различные методы дегазации, а при их недостаточности — экскавацию и вывоз свалочного грунта.
Стратегия формирования инертного тела полигона привлекательна в экологическом и экономическом отношении, так как позволяет удлинять срок использования территорий без отчуждения новых земель, при сохранении всей созданной инфраструктуры: очистных сооружений, систем дегазации и утилизации биогаза, мониторинга и т.д. Интенсификация использования земель является альтерна тивой поглощения новых земельных ресурсов. Площадь резервного развития должна быть заложена при выборе площадок при проектировании новых полигонов. При та кой стратегии оператор длительное время, до 50 лет, мо жет использовать старый землеотвод, формируя при этом инертное тело полигона.
Для того чтобы при наименьших затратах достичь паи большего снижения эмиссий и возвращения хозяйствен ной ценности территории, стратегия и тактика управле ния движением отходов должны базироваться на принцп пах направленного регулирования процесса метаногелеэи
В следующих главах рассмотрены основные экологи !<< кие риски, связанные с выделением биогаза на разных :»ч <» пах жизненного цикла, механизм метаногенеза, факторы, оказывающие на него наибольшее влияние, методологии прогнозирования эмиссий, инженерно-технические и г.он структивпые мероприятия, обеспечивающие управж ии" метаногенезом.
16
Глава 1
1.3. Экологические риски, связанные с метаногенезом
Полигоны захоронения ТБО являются примером современных природпо-техногенных геосистем, связанных с окружающей средой и влияющих на состояние ее компонентов: геологической среды, природных вод, атмосферного воздуха и биотических сообществ. Влияние захоронений на окружающую среду обусловлено образующимся при деструкции ТБО биогазом, фильтрационными подами, формированием техногенных свалочных
грунтов.
11 пибол ее высоким потенциалом опасности обладает био-rivi. При благоприятных условиях из каждой тонны ТБО нбрнауется до 180 м8 сырого биогаза [20]. Воздействие биотип сказывается на глобальном и локальном уровнях. Спо-।	•!•!, биогаза воздействовать на озоновый слой, вызы-
•tiin. ипрпиковый эффект, загрязнение воздуха — явление и until*тприого масштаба.
**п чокниьном уровне биогаз оказывает токсическое воз-чнйг 1 ине пи че ловека (органы дыхания, осязания, зрения), Nhi<n<iiiitr г нарывы и пожары, угнетение растительности и >1й1 pHiiiitMiиг почвы. К дополнительным воздействиям био-
• Инн iKiiiiini.iiiii’o характера относятся опасности, возника-МЩНп ни нппнгопе при эксплуатации систем сбора и ути-ИИН1НН1Н Ощипан: опасность взрывов и пожаров в рабочей МИШ nOjiiiiionniiiie вторичных загрязнителей при перера-WHfHH Пипгппп (диоксины, пыль, СО2 и т. д.), коррозия тех-ШН* .............
1ЙИ Шмдойг(пни обусловлены, прежде всего, составом НИ Мн।пн ин............... одним из основных компонентов
М Miiinriijuiiin эмиссия метана с полигонов ТБО со-(HI нрнП'111 ............о 0,09 0,8 млн. тонн (табл. 1.3)
|| IKliiiiM' iHHiti’iccTiio метана, ежегодно поступающе-
ММж>||»>Р1 Hi 'мни, составляет 310—990 млн. тонн.
НМ «Min । ни, iii.i.iiiiiiiiiijc деятельностью человека, М|О1н н Hui рн и........... чем естественные эмиссии
МШН iiipH о in I и и ни ip< in..... условиях полигона, лег-
| НриННг нс > 1» р»м »•».»« 'н.п' пористые породы, мало уплот-ЦН1М Н*** 1 hi ill pin iipiK 1|1||||>1ты-я под землей наболь-
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Таблица 1.3
Эмиссия метана с полигонов ТБО различных регионов на 1995 г. [21J
Регион	Количество СН4, млрд. м3/год	Масса, млн. тонн/год
Европейская часть России	1,10	0,79
Сибирь	0,27	0,19
Прибалтика	0,07	0,05
Украина и Молдавия	0,52	0,37
Средняя Азия	0,32	0,23
Кавказ	0,12	0,09
Таблица 1.4
Глобальные эмиссии метана [21]
Источники	Количество СН4, млн. т/год	
	оценочное	диапазон
Естественные: трясины, болота океаны озера термиты и др. насекомые ферментация животными всего	115	50 200
	10	5-20
	5	1-25
	40	10-100
	5	2-8
	175	68-353
Антропогенные: производство риса свалки окисление биомассы сжигание утечка природного газа горной промышленности всего	130	70-170
	40	20-60
	40	20-80
	30	10-50
	35	10-80
	275	130-440
шие расстояния (1800 м и более) от рабочего тела полигона, накапливаться в подвалах зданий и сооружений и вызывать там взрывы [2]. Это является одним из основных препятствий для развития градостроительной деятельности на территориях закрытых и рекультивированных свалок.
18
Глава 1
1.3.1. Влияние на здоровье человека
Биогаз состоит из более 100 компонентов с различными свойствами. По влиянию на здоровье человека и животных составляющие биогаза можно разделить на инертные, к которым относятся метан, азот, водород, и ядовитые: углекислый и угарный газы, тяжелые углеводороды, сероводород. Их вредное воздействие выражается в следующем [22, 23].
Метан обладает способностью накапливаться до концентраций, вызывающих удушье.
Диоксид углерода в высоких концентрациях опасен для здоровья (при высоком содержании кислорода и СО2 > 3% через 0,5-1 часа происходит потеря сознания, а при 9% СО2 через 5-10 мин наступает смерть).
Сероводород оказывает влияние на нервную систему, органы обоняния. При концентрации 0,04% в течение 0,5—1 часа вызывает головокружение и одышку, а при 0,08% в течение 5—10 мин — смерть. При концентрациях менее 0,00001% отравление проявляется крайне редко.
Оксид углерода содержится в биогазе в следовых количествах, но при накоплении до концентрации 0,2% вызывает одышку, судороги, потерю сознания, до 0,5% в течение 5—10 мин — смерть.
Некоторые компоненты биогаза, содержащиеся в нем даже в малых концентрациях, канцерогенны или токсичны. Содержание этих компонентов в биогазе может значительно превышать установленные для них ПДК в атмосферном воздухе (табл. 1.5).
Таблица 1.5
Компоненты биогаза, содержание которых может превышать ПДК [24]
Компонент	ПДК, мг/м3	Превышение ПДК (раз)	Компонент	ПДК, мг/м3	Превышение ПДК (раз)
Метан	50	8500	Ксилол	0,2	55
Нонан	100	4	Кумол	—	2285
Циклогексан	1,4	8	Хлороформ	-	66
Пропан	1,0	3	Хлорэтан	0,2	1320
Этан	100	10	Дихлорэтан	3	98
Бутан	200	7	Тетрахлорэтан	0,06	2367
Бензол	1,5	4	Сероводород	0,008	25000
19
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
1.3.2, Опасности возникновения взрывов и пожаров
Горючесть и взрывоопасность биогаза зависят в первую очередь от содержания в нем метана. Для биогаза, состоящего из нескольких горючих компонентов, справедливы пределы воспламеняемости метана. Метан в смеси с воздухом воспламеняется в пределах 5—15 об. %. Взрыву препятствуют некоторые компоненты биогаза, такие как азот и двуокись углерода [1]. При наличии нескольких горючих компонентов, например метана и водорода, вероятность взрыва может увеличиваться, а под воздействием азота и оксида углерода — снижаться.
Способность биогаза перемещаться в земле и накапливаться в трубопроводах, туннелях, технических подпольях зданий и т. д., в сочетании с повышенной температурой в результате экзотермических реакций, протекающих в толще отходов, создает потенциальную опасность возгорания газа, его локальных прорывов, а также взрывов.
На диаграмме показана область взрыва, возникающая при смешивании компонентов биогаза с воздухом (рис. 1.1).
20

Глава 1
Смеси «СН4—воздух~СО2» и «СН4—воздух—N2» выражены в объемных долях; концентрации рабочей смеси относятся ко всей смеси [23].
Если газ может улетучиваться по всей поверхности полигона и при этом в достаточной степени разрежаться атмосферным воздухом, то непосредственной опасности взрыва нет. Опасность усиливается в местах возможного скопления биогаза или его увеличенного выхода в зонах трубопроводов и кабельных туннелей, водомерных устройств для грунтовых вод, контрольных шахт и скважин, а также в подпольях зданий и сооружений, глубоких траншеях.
К опасным зонам, кроме рабочего тела полигона, могут быть отнесены здания и строения, расположенные в непосредственной близости от полигона (150 500 м), к которым биогаз может проникнуть через каналы, трубопроводы или через газопроницаемые почвы (гравий, песок, пористый камень).
Для многих категорий отходов (древесина, бумага, пластмассы) существует опасность самопроизвольного возгорания. В уплотненных зонах происходят анаэробные процессы с выделением метана. Выделяемое при этом тепло не отводится, температура массы повышается и начинается спонтанное горение. Присутствие незначительного количества кислорода, необходимого аэробным бактериям для окисления метана, способствует воспламенению отходов. Миграция метана, особенно в жаркие периоды года, ускоряет воспламенение и создает опасность возникновения пожара за пределами свалки. В результате возгорания состав выделяющихся газов резко изменяется, и не только потому, что гидриды, в том числе метан, окисляются до оксидов. Сгорание органических фракций при недостатке кислорода приводит к образованию канцерогенных полиаро-матических углеводородов и других опасных веществ. Отходы поливинилхлорида, сгорая, образуют разнообразные по составу и строению продукты вплоть до супертоксикантов диоксиновой группы, что делает дымовые выделения горящего полигона ТБО чрезвычайно опасными и для человека, и для природной среды [26].
Скрытые пожары возникают на свалках повсеместно и создают большие проблемы для персонала. На полигонах
21
Управление метаногенезом на полигонах твердых битовых отходов
ТБО земли Баден-Баден с 1990-го по 1994 год было зарегистрировано 13 больших пожаров, из которых 11 — скрытые [27].
На большинстве эксплуатируемых свалок в России горение происходит круглый год в течение многих лет. По данным [26], официально в Московской области на подобных объектах регистрируется до 30 пожаров в год. Площади пожаров варьируют от 0,01 до 2 га с выгоранием толщи отходов на глубину более 1 метра. Общая масса ежегодно сгорающих в Московской области ТБО составляет 210 000 тонн при средней площади усредненного пожара 1 га и плотности ТБО 0,7 т/м3. На полигоне «Софроны» г. Перми объем горящих отходов в 1999 году составил 37 500 тонн, или 10 % от принятых отходов [28].
Проведенное нами исследование причин горения методом экспертных оценок (Дельфы) выявило ряд факторов, вызывающих пожары на полигонах, в том числе нарушение технологии складирования, избыточное уплотнение, выделение биогаза и т.д. (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Результаты экспертного ранжирования причин возгорания ТБО
А - морфологический состав ТБО, Б - избыточное уплотнение отходов; В - экзотермические реакции, возникающие в процессе разложения ТБО; Г - нарушение технологии складирования; Д - нарушение техники безопасности; Е - сезонные климатические факторы; Ж - отсутствие предварительной подготовки ТБО перед захоронением.
22
Глава 1
Эти факторы были проранжированы экспертами по степени значимости методом парных сравнений и проанализированы методом ранговой корреляции [29].
Согласованность мнений экспертов оценивалась с помощью коэффициента конкордации Кендалла:
= ----------------------
Г' V 1	’	« 
1 ~т2(л;3
п
где: Р.= 1L Ry — суммарный ранг j-ro фактора;
1	7=1
(1-1)
Рср —~т^п + 1) — среднее отклонение по всем факторам;
/?;. - ранг, присвоенный i-м экспертом j-му фактору; т — число экспертов; п - число факторов; Т — поправочный коэффициент, который вводится при наличии совпадающих рангов.
При полностью совпадающих мнениях экспертов W=4. Поскольку это случается довольно редко, необходимо оцепить степень согласованности мнений экспертов. Для этого выполняется проверка статистической значимости коэффициента конкордации из условия:
те (п-1) W > Ха.,00%(и-1)
(1.2)
Если условие выполняется, то, при заданном уровне значимости а, согласованность мнений экспертов, оцениваемая коэффициентом конкордации, существует.
Величина коэффициента конкордации W составила 0,526. Для группы из 12 экспертов (?л=12) и количества факторов п=7 при 1%-м уровне значимости критическая величина критерия Х21ф= 16,812. Так как рассчитанная величина %2=Wm(n—1)=37,872 больше критической, коэффициент W является значимым, согласованность мнений экспертов - существенной [30].
Эксперты считают, что главной причиной пожаров на полигоне «Софроны» является нарушение технологии скла
23
Управление метаногенезом на пол тонах твердых битовых отходов
дирования отходов, поэтому к мероприятиям, позволяющим предотвратить возникновение пожарэв, относят главным образом предварительную сортировку, уплотнение отходов, своевременную земляную засыпку.
Методами, позволяющими достаточно быстро затушить пожары, признаны искусственные мероприятия (засыпание землей, песком, поливание водой).
В настоящее ьремя на полигоне «Софроны» усилен контроль за соблюдением технологии складирования отходов, ведется мониторинг эмиссий биогаза в окружающую природную среду. В результате осуществления этих мероприятий в ноябре 2002 года горение отходов прекратилось.
1.3.3. Выделение неприятного запаха
Биогаз обладает типичным сладковато-гнилостным запахом. Наряду со сложными эфирами жирных кислот и спиртами, входящими .в состав биогаза, запах формируют сероводород и органические сернистые соединения (меркаптаны и сульфиды). Основные компоненты, определяющие неприятный запах: сероводород, 2-пропандиол, 2-бу-тандиол, диметил сульфид, диметил дисульфид, диметил-трисульфид. Сернистые соединения имеют самые низкие пороговые значения запаха [31]. Известные пороговые значения запаха приведены в табл. 1.6.
Группу соединений с интенсивным запахом представляют жирные кислоты и амины. Они образуются в свежих отходах и выделяются при анаэробном разложении органических веществ на стадии кислого брожения. Эти вещества в основном накапливаются в фильтрате.
Запах может проявляться по всей территории свалки и зависит от доли свежих отходов, размера свалки и технологии захоронения отходов. Целесообразно выделять четыре характерные области: по периметру строений; с поверхности свалки; контролируемые и неконтролируемые точки эмиссии газа (включая системы сжигания и использования); контролируемые и неконтролируемые системы отбора и наблюдения за фильтратом.
На распространение газа влияют местные климатические условия в области полигона.
24
Глава 1
Таблица 1.6
Пороговые значения запаха некоторых веществ и их содержание в ТБО [31]
Вещество	Бытовые отходы	Пороговые значения запаха, мг/нм3
Тетрахлорэтен	2	3,5хЮ’-3,2хЮг
Дихлоридфторметан	21	-
Трихлорфторметан ,	3	-
Бензол	2	ЗхЮ’-гдхЮ2
Толуол	32	8 х10 М.бхЮ2
Этилбензол	11	1,2x10г
р-т-ксилол	19	2,2x10°-1,8x10'
о-ксилол	5	7х1Ог-9,5хЮ'
л-гексан	3	-
Циклогексан	3	1,5x10°
Сероводород	48	.	7x10 <1,4x10°
Метандиол	5	2,1хЮ3-8,8хЮ2
2-пропандиол	0,6	1,5x10е
2-бутандиол	1	2,8x10^-4x10'
Диметилсульфид	8	4,1х103-5,5х10г
Пахучее вещество регистрируется с помощью олфакто-метра. Индикатором служат органы обоняния человека. К чистому воздуху добавляют воздух исследуемой пробы до тех пор, пока запах не будет различим. Таким образом, устанавливается пороговое значение. Количество воздуха, необходимое для разбавления, является мерой интенсивности запаха:
Где: Z — безразмерный параметр запаха; Уч — объем чистого воздуха, м3; Уз объем загрязненного воздуха, м3.
Для одиночных веществ установлены следующие пороги запаха:
-	серосодержащие вещества — 10 3 мг/м3;
-	диоксид серы — 10 1 мг/м3;
—	соляная кислота — 7,6 мг/м3;
-	фтористая кислота — 30 мг/м3.
25
Управление метаногенезом на полигонах твердых(ытовых отходов
Запах является одним из важнейших факторов, определяющих зону влияния полигона, и одной из главных причин негативного отношения населения к соседству полигона. При неблагоприятных погодных условиях для рассеивания вредных примесей он может распространяться в радиусе 2 км.
1.3.4.	Воздействие на биоту
В зонах интенсивной эмиссии биогаза рост растений практически невозможен. Высокое содержание метана в биогазе способствует вытеснению кислорода из грунта. Вследствие дефицита кислорода и недостатка влаги рост прекращается, и растения отмирают. Высокая температура в теле свалки также способствует засыханию корневой системы.
Угнетение растительности может наблюдаться и за пределами рекультивированной зоны вследствие миграции и накопления биогаза.
Можно отметить следующие признаки угнетения растений под действием эмиссий биогаза, повышенного содержания тяжелых металлов в почве свалки:
—	карликовый рост;
—	сухость верхушки;
—	утолщение оснований ствола;
-	сильное разветвление корней;
—	пожелтевшие листья;
—	раннее старение листа.
Причиной угнетения растительности могут быть и токсичные компоненты биогаза (табл. 1.7).
1.3.5.	Загрязнение атмосферы
Глобальное влияние биогаза на атмосферу Земли привлекло серьезное внимание экологов и общественности только в последние годы.
Полигон, выбрасывая в атмосферу метан и другие токсичные газы, тем самым загрязняет воздушное пространство не только локально, поблизости, но и в верхних слоях атмосферы. Загрязнение атмосферы метаном и составляющими биогаза вносит свой вклад в создание парникового эффекта и разрушение озонового слоя.
26
Глава 1
Таблица 1.7
Негативное влияние компонентов биогаза на растения [24]
Компоненты	Концентрация	Влияние на растения
Метан	0-85 % об.	Окисление-вытеснение
Оксид углерода	0-83 % об.	Окисление-вытеснение
Аммиак	0-0,4 ppm, 0-3,6 % об.	Ядовитый
Водород	0-31,6 % об.	Снижение pH
Сероводород	0-120 ppm	Ядовитый
Этилмеркалтан	150 ppm	Ядовитый
Ацеталдиоксид	100 ppm	Ядовитый
Толуол	Незначительная	Ядовитый, токсичный при 1 мг/м3 воздуха
Этан	Незначительная	
Этилен	10 ppm	
Углеводородные газы участвуют в атмосферных фотохимических реакциях, обеспечивающих сток и образование части активных радикалов, в число которых входит ОН-группа. Характерные реакции, протекающие в тропосфере с участием метана:
СН4 + он- СН3 + Н2О
СН. + О CIL + он’ 4	3
сн + о н,со + н 4	2	2
(метан — окислитель) (образование метила и ОН-радикала) (образование Н2 и формальдегида)
Формальдегид является промежуточным продуктом, который распадается на СО, СО2, Н2.
Атмосферная доля метана увеличивается в результате человеческой деятельности на 1—2% ежегодно. При этом надо учесть, что срок жизни молекулы метана в атмосфере составляет 7—8 лет, а диоксида углерода — 100 лет |21, 22].
Конечный продукт фотохимического окисления метана — монооксид углерода (СО) — оказывает влияние на цикл озона в верхнем слое тропосферы.
27
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
В состав биогаза входит большое количество хлорорга-нических соединений и хлорфторзамещенных углеводородов (фреонов), которые также способны снижать количество озона. Попадая в стратосферу, они разрушаются, а атомы хлора, выделяющиеся при этом, взаимодействуют с озоном:
С1 + О3= СЮ + О2
Образовавшийся монооксид хлора (СЮ) взаимодействует с атомами кислорода и восстанавливает хлор:
СЮ + 0= С1 + 02
Затем возникает цепная реакция разрушения озона.
Хлорфторзамещенные углеводороды не только воздействуют на озон, но и поглощают инфракрасное излучение, что может усугублять парниковый эффект.
В то же время к усилению парникового эффекта приводит увеличение концентрации углекислого газа.
Есть мнение, что до конца будущего столетия общее количество атмосферного углекислого газа по меньшей мере удвоится. Это может вызвать увеличение температуры земной поверхности на 2-10 градусов, в зависимости от географической широты, долготы и сезона.
Рис. 1.3. Вклад различных газов в парниковый эффект
28
Глава 1
В стратосфере, на высоте 30 км от Земли, произойдет охлаждение воздуха на 4°С в результате поглощения инфракрасного излучения. Последствия подобных изменений климата проявятся в таянии ледников и, как следствие, подъеме уровня океана, морей, а также переносе зон осадков [20, 21]. На рис. 1.3 показан вклад различных газов в образование парникового эффекта.
1.4. Минимизация воздействий полигонов ТБО на окружающую среду как побудительная причина развития системы управления метаногенезом
Основной целью управления метаногенезом является минимизация воздействий на окружающую среду, что означает, в первую очередь, снижение всех экологических рисков, возникающих в результате процесса метаногенеза как на глобальном, т&к и на локальном уровнях. Анализ экологических рисков, возникающих в связи с проявлениями метаногенеза, позволяет их сгруппировать пр возможному воздействию на человека, биоту, опасности возникновения взрывов и пожаров, загрязнению атмосферного воздуха, выражающемуся в формировании парникового эффекта и разрушении озонового слоя, а также препятствию в инженерном освоении территорий, задолженных под свалки, полигоны, закрытые под прием отходов.
Методология системного анализа позволяет перевести многокритериальные задачи подобного рода в разряд струк-туризованных, к решению которых уже можно приложить аппарат математического моделирования и выбора оптимальных решений. Для получения информации о взаимосвязи факторов или критериев в системном анализе используется экспертная оценка. Эксперты в значительной мере восполняют недостаток количественной информации относительно элементов системы. Поскольку полученная с помощью экспертов информация о воздействиях полигона ТБО на окружающую среду имеет условный характер и шкала количественного определения признаков отсутствует, для принятия окончательного решения необходимо воспользоваться непараметрическими критериями, или рангами.
Для определения основных направлений минимизации применима методология FMEA-анализа, которая позволя
29
Управление метаногенезом на пептонах твердых бытовых отходов
ет анализировать и оценивать риски, разнородные по характеру и направлению воздетствия, силе и времени проявления [32, 33]. В сочетании к методами экспертных оценок она широко используется дтя решения подобного рода задач в смежных областях науви и техники.
Методология предполагает оцшку рисков проводить по ранговому показателю RPZ, коюрый является произведением рангов, полученных при экспертной оценке объекта по частоте возникновения аваршных ситуаций, тяжести последствий и вероятности нюбнаружения. Применяя этот метод для ранжирования воздействий полигона ТБО, целесообразно вместо параметра частоты возникновения аварийных ситуаций использовать параметр «продолжительность воздействия на окружающую среду». Тяжесть последствий для окружающей среды и человека определяется с учетом юридической ответственности за последствия. Ранжирование осуществляется методом парных сравнений, что дает возможность согласования соотношений между объектами с помощью подбора коэффициента ai; [30, 35]:
а.... = 1, если i предпочтительнее j;
а = —1, если j предпочтительнее i;
а = 0, если i и j равноценны.
Ранжирование неблагоприятных воздействий метаногенеза с помощью FMEA-анализа проводилось нами на примере пермского полигона ТБО «Софроны». Это позволило определить показатель риска RPZ для каждого из воздействий и ранжировать их по времени воздействия (А), степени тяжести последствий (В) и вероятности необнаруже-ния (С) (табл. 1.8) [34]. Ранги параметров определялись на основе экспертных оценок методом парных сравнений.
Среди факторов риска от горящего полигона ТБО преобладают токсичные вещества, выделяющиеся в атмосферный воздух. При этом значение самого риска от полигона возрастает.
Для снижения степени риска, возникающего на вновь сооружаемых полигонах в связи с образованием биогаза, необходимо надежное инженерно-техническое оснащение сооружения. Система управления полигоном должна быть спроектирована таким образом, чтобы величина RPZ снизилась до значений, не превышающих 100.
30
Глава 1
Для выявления факторов, в наибольшей степени определяющих риски, связанные с биогазом, была построена диаграмма Ишикавы (рис. 1.4).
С помощью этой диаграммы возможные причины эмиссий биогаза были проранжированы методом парного сравнения и построена кривая Парето (рис. 1.5). Для действующего полигона воздействие на окружающую среду определяется группой факторов, объединенных понятием ♦технические средства»: нарушение работы дренажных устройств, экранов и систем сбора биогаза (Г); нарушение системы мониторинга (Д); нарушение технологии складирования отходов (Е) и технологической дисциплины (В). Они, согласно принципу Парето, вызывают 80% воздействий на окружающую среду.
Таблица 1.8
Показатель RPZ для оценки воздействий биогаза на окружающую среду
Воздействие	Критерий оценки	Ранги параметров по:			RPZ
		времени воздействия	тяжести последствий	С • X Х1О Ф О X щ. О. ГО ё =	
		(А)	(В)	(С)	
Неприятные запахи	Пороговые значения запаха, время воздействия	9	4	1	36
Взрывы и пожары	Экспертная оценка, время воздействия	8	10	5	400
Неблагоприятное влияние на здоровье человека токсичных и канцерогенных веществ	Превышение ПДК по метану, диоксиду углерода, оксиду углерода, сероводороду и т.д.	6	7	8	336
Разрушение озонового слоя, парниковый эффект	Валовый выброс метана и диоксида углерода в атмосферу, время воздействия	5	5	5	125
Угоетение растительности	Площадь участков угнетения растительности в рекультивированной зоне, время воздействия	7	2	1	14
31
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Технические средства
Человек
А Невнимательность
Халатность
Материал
К Нарушение или отсутствие питательной среды
<- Д
И Изменение влажности в процессе разложения
Метод
Г Нарушение работы дренажных устройств, экранов и систем сбора биогаза
<- В Нарушение технологической дисциплины
<- 3 Содержание органического углерода
Нарушения системы мониторинга
Е Нарушение технологии складирования отходов
<г Ж Нарушение изолирующего покрытия
Выделение биогаза в окружающую среду
<- М Степень уплотнения отходов
<- Н Наличие систем сбора биогаза
<- О Близость аэробной зоны
Вклад, %
Рис. 1.4. Диаграмма Ишикавы
Рис. 1.5. Кривая Парето
32
Глава 1
Для минимизации опасности, связанной с нарушениями работы инженерных сетей полигона ТБО, необходимы мероприятия по снижению количества органического углерода в отходах, поступающих на захоронение.
Недостаточная эффективность существующих технологий снижения эмиссий загрязняющих веществ от свалок ТБО заключается в том, что все они направлены на уменьшение воздействия уже образовавшихся продуктов разложения и не влияют на процессы, происходящие в 'i-еле свалки.
Основные тенденции развития системы управления отходами свидетельствуют в пользу тех методов, которые комплексно воздействуют на процесс разложения ТБО на всех этапах жизненного цикла. Способы и технологии подготовки отходов к захоронению, дегазации и рекультивации полигона в условиях ограниченного финансирования, р одной стороны, и ужесточения требований к использованию ресурсов, с другой, должны выбираться в точном соответствии с этапом жизненного цикла полигона ТБО, его мощностью, климатическими особенностями региона.
Критерии и граничные условия применения методов, позволяющих минимизировать экологические риски, вызнанные образованием биогаза, могут быть определены на основе всестороннего анализа процессов метаногенеза, исследований химического состава и свойств газа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Вайсман Я. И., Коротаев В. Н., Петров В. Ю. Управление отходами. Захоронение твердых бытовых отходов. — Пермь, 2001.
2.	Проектирование и эксплуатация полигонов захоронения твердых отходов в странах с переходной экономикой / Рабочие материалы учебных курсов // Второй международный конгресс по управлению отходами «Вэйсттэк». — М.: Вэйсттэк, 2001. 208 с.
<3	. Aprili Р., Bergonzoni М., Buttol Р., Cecchini, Neri Р. Life cycle assessment of a municipal solid waste landfill / Environmental impact, aftercare and redemption of landfills. Vol. IV // 7 International waste management and landfill simposium. -Sardinia,1999. P. 345-352.
4.	Fahrni H. P. Methodical guidelines in Federal ordinances to assign wastes to treatment and final storage / The landfill. Reactor
33
Управление метаногенезом на полигонах 1вердых бытовых отходов
aid final storage. Swiss workshop on land disposal of solid wastes, Gtrzensee. 1988. March 14 17. P. 363-371.
5.	M. Aragno. The landfill ecosystem: a microbiologists look ing.de a «Black box» / The landfill. Reactor and final storage. Swiss workshop on land disposal of solid wastes, Gerzensee. 1988, March 14-17. P. 15-39.
6.	Belevi H., Baccini P. Water and element fluxes from sanitary hndfills, in process technology and environmental impact of sanitari hndfill / 7 International waste management and landfill simposium. Sardinia, 1999. Sardinia, 19-23/1987.
7.	Baccini P., Henseler R. Water and element balances of nunicipal solid waste landfills/ Waste management and research 5, 1987. P. 483-499.
8.	Offermann-Class C. The new EU-Law on the landfills of waste / 7 International waste management and landfill simposium. Sardinia, 1999. Sardinia,V. 4. P. 263-270.
9.	Федоров Л. Г., Мурашов В. Е. Технические решения при строительстве и эксплуатации санитарного полигона ТБО «Хме-тьево» / Второй международный конгресс по управлению отходами. - М.: Вэйсттэк, 2001.
10.	Лифшиц А. Б. Современная практика управления отходами / Второй международный конгресс по управлению отходами. — М.т Вэйсттэк, 2001.
11.	Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации в 1999 году. — ИТЦ Госкомэкологии. http://www.ecocom.ru.
12.	Состояние и охрана окружающей среды г. Перми в 2000 г.: Справочно-информационные материалы / Муниципальное управление по экологии и природопользованию. - Пермь, 2001.
13.	Технико-экономическое обоснование рекультивации городской свалки г. Перми «Софроны». Т. 2. Оценка воздействия на окружающую среду. — ООО Предприятие «КОНВЭК». Пермь, 2001. С. 31-35.
14.	Мишланова М. ГО. К проблеме исследования влияния полигонов ТБО на окружающую среду / Второй международный конгресс по управлению отходами. — М.: Вэйсттэк, 2001.
15.	Грибанова Л. П., Расторгуев А. В. Загрязнение природной среды территории Кулаковского полигона / Второй международный конгресс по управлению отходами. — М.: Вэйсттэк, 2001.
16.	Зайцев С. Е., Лифшиц А. Б. Санитарный полигон — базовый элемент современной цепочки удаления ТБО / Второй меж дународный конгресс по управлению отходами. — М.: Вэйсттэк, 2001.
17.	Доберт Г., Ланер Т. Генезис фильтрационных вод полигона. Пер. с нем. / Проблемы окружающей среды на урбанизированных территориях. Варна — Пермь, 1997. С.14—21.
18.	Минько О. И., Лифшиц А. Б. Экологические и геохимические характеристики свалок твердых бытовых отходов / Экологическая химия, 1992, №2. С- 37-47.
19.	Гурвич В. И., Лифшиц А. Б. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ) — самостоятельная отрасль мировой индустрии. http://www.ecoline.ru, 2001. 11 с.
34
Глава 1
20.	Meadows М., Gregory R., Fishfind C., Gronow J. Characterizing methane emissions from different types of landfill sites I Environmental impact, aftercare and redemption of landfills. Vol. IV / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. C. 25-32.
21.	Исидоров В. А. Органическая химия атмосферы. — Санкт-Петербург, 2001.
22.	Андруз Д., БримЙлекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды. - М.: Мир, 1999. 271 с.
23.	Цветкова Л. И. Экология. — М., 1999.
24.	Cooper С. D., Reinhart D.R., Rash F. Landfill gas emissions. Report / Florida center for solid and hazardous waste management. - -US EPA, 1992. 130 p.
25.	Brunner P-, Lahner T. Die Deponie ITU Wien. Institut fur Wassergute und abfaliwirtschaft, 1994 - 1995.
26.	Донченко В. К., Скорик Ю. И., Венцюлис Л. С., Оников В. В., Пименов А. Н., Бухтеев Б. М. Факторы риска от полигонов твердых бытовых отходов / Второй международный конгресс по управлению отходами. — М.: Вэйсттэк, 2001.
27.	Управление твердыми отходами / Проект Тасис ERUS 9803. Техотчет №1 — Adem & ВС Consortium, 2001.
28.	Комплексная оценка загрязнения окружающей среды Пермской городской свалкой / Отчет о научно-иссл. работе. Аналит-центр КПР Пермской обл. — Пермь, 1998.
29.	Бешелев С. Д., Гурвич Ф. Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. — М.: Статистика, 1980. 263 с.
30.	Гланц С. Медико-биологичсскдя статистика. — М.,1999. 460 с.
31.	Leonardos G. The profile approach to odor measurement. Proceeding: mid-Atlantic States section / Air pollution control association semi annual technical conference on odor: their detection measurement and control. - 1970. P. 18-36.
32.	Анциферова И. В., Максимова С. В., Ручкииова О. И. Экологический менеджмент. - Пермь: ПГТУ, 2000. 230 с.
33.	Международный стандарт ИСО 14004—96. Системы управления окружающей средой: Общие руководящие указания по принципам, системам и способам обеспечения.
34.	Максимова С. В., Вайсман О. Я. Оценка рисков при инженерном освоении территорий закрытых свалок и полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) / Второй международный конгресс по управлению отходами. — М.: Вэйсттэк, 2001.
35.	Никитина И. Ш. Математическая статистика для экономистов. - М.: ИНФРА-М, 2001. 170 с.
Глава 2
ОБРАЗОВАНИЕ, СОСТАВ И СВОЙСТВА БИОГАЗА
Одним из главных этапов при решении проблем управления метаногенезом является изучение процесса биоразложения ТБО, скорости и характера его протекания, состава и свойств образующегося на разных стадиях биогаза, а также факторов, оказывающих влияние на эти показатели.
Газ, образующийся на полигонах, является продуктом биологического разложения органической фракции складируемых отходов. В течение жизненного цикла полигона процессы разложения проходят аэробную и анаэробную стадии.
На ранних стадиях эксплуатации полигона (до 1 года) биодеградация протекает в аэробных условиях, затем, по мере уплотнения и увеличения количества отходов, в теле полигона начинаются анаэробные процессы, обусловливающие основные эмиссии загрязняющих веществ [1].
Продолжительность аэробной фазы зависит от времени, необходимого для утилизации удерживаемого в отходах кислорода, и может занимать от нескольких недель до нескольких месяцев. На этом этапе образуются двуокись углерода и водяной пар.
При переходе аэробных условий в анаэробные облигатные (строгие) аэробные микроорганизмы умирают, а факультативные (условные) аэробные микроорганизмы переходят в анаэробное состояние. Образуются диоксид углерода, вода и в меньшей степени водород.
2.1.	Биотические и абиотические факторы, влияющие на образование биогаза
Величина эмиссий биогаза зависит от характера физи ческих, химических и биохимических процессов, проте кающих в теле полигона, определяется сложившейся прак
36
Глава 2
тикой управления полигоном, физико-химическими свойствами отходов и мощностью захоронения в целом, водным режимом, географическими особенностями района расположения полигона. Из биотических факторов наибольшее значение имеют микробиальное сообщество, простейшие и более высокоорганизованные организмы (черни и др.), растения. В начальной стадии метаболизма твердых отходов преобладают аэробные процессы, в ходе которых наиболее лабильные молекулы быстро разрушаются рядом беспозвоночных (клещи, двупароногие, равноногие, нематоды) и микроорганизмов (грибы, бактерии и актиномицеты). Наличие сложной, взаимозависимой системы микроорганизмов является характерной чертой сналок. Процесс протекает под воздействием таких факторов, как способность отходов сорбировать микроорганизмы, межвидовое взаимодействие микроорганизмов, диффузия через границу окисленной и неокисленной фаз, перекрывание экологических ниш и ареалов различных аидов микроорганизмов [2].
Большое влияние на величину эмиссий в фазе метаногенеза оказывают физические факторы: морфология и влажность отходов, наличие питательной среды для метаногенного сообщества, температура в теле полигона, pH жидкой фазы свалочного тела.
2.1.1.	Атмосферные условия
К атмосферным условиям, влияющим на газообразование, относятся: температура наружного воздуха, атмосферное давление, осадки.
11а свалках, где используется почвенное покрытие, температура воздуха влияет не только на поверхностные слои отходов, но и на внутренние. Холодный климат снижает биологическую активность в верхних слоях, тем самым уменьшая общий объем газообразования. В более глубоких слоях понижение температуры наружного воздуха компенсируется теплом, вырабатываемым в процессе жизнедеятельности бактерий.
Атмосферное давление оказывает существенное влияние и на поверхностные слои отходов, и на отходы в толще («пилки. Ветер уменьшает концентрацию газов над поверхностью и тем самым влияет на давление внутри свалки.
37
.,	ия полигонах твердых. бытовых отходов
_______Управление метаногенезом	--—--------—
* j.	„тгпгобствуют переносу вглубь от-
Атмосферные осадки спосоош вук	н	„„„„v RP
по кислопода и питательных ве ходов растворенного в воде кислор д	„„„„.-„„ти.
~	-жизнедеятельности газогенери
ществ, необходимых для жизнедс
рующих бактерий. В то же время вода сп0с° Н	и
ровать из отходов некоторые органически	обра-
металлы, которые являются ингибиторами п обиль с.	г.	г. Ито как правило, после ооиль
зования биогаза. Замечено, что, кд р	ктапг,Язя
-	ытпязчемого на полигонах биогаза
ных дождей количество образуемо! U	„„огтоп пеял-
,чпгпя большое количество осад
увеличивается. Однако иногда иолп потоплению некоторых участков ков может привести к затоплению
полигона что затоудняет выход свалочного газ полигона, что затрудняе	uS ЕРА была получена
В исследованиях, проведенных и	,„шгои,тапм
г.», биогаза и годовым количеством корреляция между уровнем оиогаза и д
„«иных 12 «влажных» полигонов осадков, основанная на данных л„ппиго ,	„«ок - более 580 мм) и 8 полиго-
(годовое количество осадков иилсс	,
о головым количеством осад-нов, расположенных в зоне с годе	,	™™гг>
гол г,	биогаза с «влажных» полито
ков менее 580 мм. Эмиссия оишлм
нов была в 2,6 раза больше, чем с «сухих» J-
Практика свидетельствует, что процессы разложения практика свидетеле у современных полигонах с будут проходить медленно на викр^	no,rnv„HP.
a пяние воды в которые затрудне
плотным покрытием, попадание вид	р ,„,о1РГтГ„у
но, и наоборот, отходы на свалках и полигон , ться проницаемое покрытие в виде засыпки, уду^ коли-интенсивнее, особенно в районах с высоким
чеством осадков.	,	,	т, г.п_
Для минимизации воздействия атмосферны пкпьттия.
временной практике используются геомем ран i
2.1.2.	Морфологический состав ТБО
гх	т ТЕО — макулатура, пищевые от-
Основные компоненты гни ма у
ходы, древесина, металлы (черные и цветн ’	’
стекло, резина, пластмассы - типичны А^я
населенных пунктов. Однако соотношение э и
тов, количественный и фракционный состав “ят степени благоустройства жилищного фонда, климатиче степени ила1^устройств	- числеНности жителей
ких и географических особен ноете!,	„„„„„„„оек-лго
кгльтуряого и экономического
населенного пункта, его кулыур	__
развития, наличия	годы “Ж увеличивает-
„„г.,.! био деградации J ЬО. морфо тельно усложняет процессы оиод р д
38
Глава 2
логический и химический состав ТБО в г. Перми и в среднем по России представлен в таблице 2.1.
Источником биогаза являются биоразлагаемые фракции отходов (пищевые, садово-парковые отходы, бумага, древесина, некоторые виды текстиля), составляющие в среднем 60—80% от массы ТБО.
По скорости разложения биоразлагаемые фракции можно разделить на три группы: быстроразлагаемые, средне-и медленноразлагаемые (табл. 2.2) [4]. Время разложения отходов зависит, как будет показано в следующих параграфах, от влажности отходов, то есть от климатических условий, в которых расположен полигон.
Таблица 2.1
Морфологический состав ТБО
Фракция отходов	Доля фракции,% (г. Пермь)	Доля фракции, % (средняя по России)
Пищевые отходы	10,6	16
Макулатура	22,6	32
Содово-парковые отходы	—	20
Дерево	2,3	10
1кань, текстиль	4,2	5
Кожа, резина	1,2	2,5
С трои тельный мусор	7,12	-
Пластик	5,6	2
Черные и цветные металлы	4.75	2
Стекло	17,27	7
Прочие	24,26	1
Длительность разложения, или время, необходимое для полной минерализации ТБО, зависит от условий фермен-пщии. В научной литературе приводятся самые различные данные: многие ученые полагают, что этот процесс длится 20 лет, Findikakis (1988) - 12 лет [5]. Мартикорена сообщает, что отходы, взятые на полигоне V. с глубины И б м, были полностью минерализованы после 6 лет разложения, тогда как пробы с полигона F. с той же глубины нпннзали лишь легкое разложение после 10—15 лет [6].
11ниболее полный эксперимент по определению степени рки ложения отходов был поставлен Barlaz [4]. Впоследствии
39
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
этот подход был развит Tchobanoglous и Chandler [7], которые определили фактор биоразложения для различных типов отходов исходя из содержания в них лигнина Lr, как наименее разлагаемого компонента:
В, = 0,83-0,28 хД.	(2.1)
Значения этого фактора указаны в таблице 2.2.
Таблица 2.2
Время полураспада и фактор биоразложения отходов различных типов
Тип отходов	Наименование отходов	Время полураспада, при условиях разложения			Фактор биоразложения
		влажные	средние	сухие	
Быстро-разлагаемые	Пищевые отходы, одноразовая бумажная посуда, журнальная бумага	3 года	7 лет	15 лет	0,83
Средне-разлагаемые	Целлофан, упаковка, офисная бумага трава, листья	7 лет	15 лет	25 лет	0,6 0,72
Медленно-разлагаемые	Гофрированный картон, газетная бумага, древесина	15 лет	25 лет	50 лет	0,22
Для других компонентов отходов, не вошедших в таблицу, принимается значение 0,83. Однако надо полагать, что для резины, кожи, пластика, текстиля его значение должно быть ниже, чем для пищевых и садовых отходов, а инертные вообще не должны приниматься во внимание.
Существует тенденция к снижению количества легкораз-лагаемых отходов, поступающих на захоронение, что приводит к уменьшению объема образуемого биогаза. Однако совсем отказаться от захоронения таких отходов нельзя, поскольку это может привести к потере питательной среды для бактерий и полному торможению метаногенеза.
2.1.3.	Питательные вещества, обеспечивающие жизнедеятельность метаногенных бактерий
Наличие питательной среды для микроорганизмов иг рает важную роль в процессе разложения. Для жизнедея
40
Глава 2
тельности микробных сообществ в теле полигона должны присутствовать питательные вещества. Основные из них — углерод, водород, кислород, азот и фосфор (макрокомпо-нснты). В меньших количествах микроорганизмам нужны такие вещества, как натрий, калий, сера, магний (микро-компоненты). Питательные вещества могут быть растворены в воде, а могут находиться в свалочных газах. Источники основных питательных веществ — это отходы растительного происхождения, пищевые отходы, то есть отходы <• высоким содержанием легкоразлагаемого органического вещества, почвенное покрытие [1]. Содержание микрокомпонентов менее постоянно. Их источниками являются некоторые отходы и почва. Увеличить содержание питательных веществ и тем самым обеспечить интенсивный рост бактериям можно путем добавления отходов сельского хозяйства, животноводства или осадков сточных вод в муниципальные отходы.
Количество питательных веществ для развития и жизнедеятельности метаногенного сообщества принято выражать через содержание в отходах органически разлагаемого углерода. Наличие органически разлагаемого (DOC) и неразлагаемого (секвестированного) углерода в сущности определяется морфологическим составом ТБО. Принято считать, что углерод свалочного тела в любой момент времени может находиться в одной из семи форм: неразлага-емый углерод, гидрокарбонат, углерод ацидогенной биомассы, ацетат-углерод, углерод, перешедший в диоксид углерода и в метан [5]. Согласно [4, 8] 1% органически разлагаемого углерода переходит в биогаз.
В таблице 2.3 для сравнения приводятся данные о содержании органического углерода в ТБО по регионам и отдельным полигонам.
Внедрение селективного сбора отходов в развитых странах способствует постоянному снижению содержания органического углерода в захораниваемых отходах.
Па австрийских полигонах, где селективный сбор вне-дриется с 1991 года, наблюдается следующая динамика Изменения содержания органического углерода:
1991г. - 160 кг/т ТБО; 1992 г. - 150 кг/т ТБО; 1993 г. -НО кг/т ТБО; 1994 г. - 125 кг/т ТБО; 1995 г. - НО кг/т TIK •; 1996 г. - 100 кг/т ТБО [17].
41
Управление метаногенезом на полигонах твердых битовых отходов
Таблица 2.3
Среднее содержание органического углерода в ТБО
Регион/страна [9]	Содержание органического углерода,%	Полигон	Содержание органического углерода,%
Северная Америка	18 21	Кучино, Московская обл. [10.11]	5-12%
Западная Европа Великобритания	8-19 1	Раменки, Московская обл. [12]	3-5%
Россия	17	Митино, Московская обл. [12]	10-20%
Индия	18	Софроны, Пермская обл.[13]	3-9%
Китай	9	Чайковский, Пермская обл] 14]	5-10%
Бразилия	12	St. Valentin, Австрия [15,16]	17-11%
Концептуальная модель поведения микробиальной экосистемы санитарного полигона во времени базируется на теории микробиального роста Monod [5, 18]. По Monod, рост микробной популяции зависит от количества субстрата, или питательной среды, и прекращается, когда запасы питательных веществ исчерпаны.
Реакции такого типа подчиняются кинетике первого порядка [4] и выражаются уравнением:
— = кС	(2-2)
dt
Это выражение, показывающее, что количество разложившегося материала пропорционально количеству не-разложившегося, является самым широко используемым при описании метановой генерации в полигоне [4, 19, 20, 21]. Допускается, что количество неразложившегося материала — единственный фактор, влияющий на метанооб-разованис, а такие обстоятельства, как влажность, токсичные субстанции и т.д., не учитываются. Эта модель разложения является наилучшей для описания разложения в лабораторных условиях при работе с малыми объемами отходов.
42

Глава 2
2.1.4.	Влажность отходов
Влажность отходов является важнейшим параметром, определяющим скорость и степень их разложения. Вода необходима для жизнедеятельности метаногенных бактерий. Установлено, что при содержании влаги в биоразлагаемых отходах менее 20% активность анаэробных процессов значительно снижается. Оптимальное для метаногенеза значение влажности составляет 55—80% (рис. 2.1) |б|. Но на практике отходы подвергают сушке, чтобы уменьшить образование фильтрата, поэтому содержание влаги в Т1>0 ие достигает 50—60%. На городских свалках влагосо-держание считается высоким, если составляет 30—40%, низким - 15—20% и нормальным — 25%. Влажность, как и температура, не является постоянной и сильно отличается в разных частях полигона. Вода в субстрате ТБО выполняет функцию транспорта (перемещение питательных нсществ), разбавляет ингибиторы и распределяет микрофлору между отдельными частицами отходов, поэтому низкое содержание влаги, характерное для свалок в районах с сухим климатом, замедляет процессы образования биогаза и ограничивает его выход.
При налаженных системах сбора и отвода фильтра-тн, я также при наличии системы рециклинга фильтра-ти становится возможным управление влажностью на полигонах.
Гис. 2.1. Зависимость образования биогаза от влажности
43
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Когда уровень влажности увеличивается, бактерии становятся более активными и размножаются, увеличивая образование метана. К сожалению, нет достоверного функционального соотношения между влажностью тела полигона и уровнем образования биогаза. Steyer [22] предлагает следующее уравнение, связывающее ежедневный уровень образования биогаза и влажность:
g = 0,024е015 -% "‘О	(2.3)
2.1.5.	Уровень pH поровой среды
Для городских отходов характерно значение кислотности, равное 5—9 [8, 21]. Опасные отходы имеют кислую среду и требуют нейтрализации перед размещением на полигоне ТБО. Важно отметить, что уровень pH управляется микробиологическими процессами, идущими в теле свалки. Оптимальная реакция среды для ферментации СН4 — нейтральная и слабощелочная (7,0—7,2), но генерация газа протекает и при значении pH = 6,5—8. Буферность системы обеспечивает нужный уровень кислотности в отходах.
Растворенные в воде щелочные компоненты помогают поддерживать необходимый уровень pH и нейтрализовать органические кислоты, которые в больших концентрациях снижают образование метана. Оптимальная величина pH среды для образования биогаза близка к нейтральной и находится между 6,8—7,2, щелочность — не менее 2000 мг/л.
Замечено, что после обильных дождей в странах с влажным и сухим климатом количество образуемого на полигонах биогаза увеличивается. Однако если излишек влаги возникает в короткий период времени, происходит снижение газообразования. По-видимому, избыточная влага вызывает излишнюю кислую ферментацию, а последующее снижение уровня pH приводит к торможению метаногенеза.
Высокие концентрации многих летучих кислот, солей тяжелых металлов, сульфидов, специфических органических веществ могут оказывать ингибирующее действие на процессы метаногенеза. Так, ингибирующий эффект явно выражен при концентрации кальция 8000 мг/л, магнезии и аммония — 3000 мг/л.
44
Глава 2
(’ильными ингибиторами являются хлороформ (20 мг/л), кирбонтетрахлорид (2,2 мг/л), винилхлорид (5—10 мг/л), метиленхлорид (1,8—2,2 мг/л), 1-хлоропрен (7,6 мг/л), акролеин (11 мг/л), формальдегид (72 мг/л), нитробензен (12,3 мг/л) и др. [8].
Интересно отметить, что многие вещества в малых концентрациях являются стимуляторами метаногенеза, а и больших — ингибиторами. Это справедливо для углекислого калия, натрия, кальция, магнезии, аммония.
2.1.6.	Температура внутри свалочного тела
Изменение температуры внутри тела полигона зависит от ряда факторов: глубины и плотности складированных отходов, температуры окружающей среды, интенсивности протекающих процессов, количества влаги в отходах, кли-митических условий. Отмечено, что наиболее продуктивные с точки зрения газообразования полигоны находятся и теплых климатических районах.
Температурные условия внутри свалки определяют тип метанообразующих бактерий и уровень газогенерации. Анаэробные процессы более полно протекают при температуре 25—40°С и зависят от сезонного колебания температуры. В теле полигона температура может изменяться от ЗО'Ч’ до 60°С за счет тепла, генерируемого процессом анаэробного разложения и сезонного колебания температур наружного воздуха. При температурах ниже 10—15°С образование метана резко снижается, при температуре •ИГС 41 °C анаэробное разложение интенсифицируется. Ос-нонгюе метанообразование происходит в глубоких слоях полигона, где температура постоянна в пределах 30—35°.
Максимальная температура, при которой образование мотана обычно прекращается, 60°С (рис. 2.3).
Мезофильная группа метанообразующих бактерий актин по работает при температуре около 40°С, а термофиль-IHUI - около 70°С. При повышении температуры от 20 до НО 40°С в лабораторных условиях было установлено, что скорость метаногенеза возрастает в 100 раз. Рост температуры внутри рабочего тела полигона не связан с колебанием температуры наружного воздуха и примерно одинаков ни глубине 2—4 м. При температурах наружного воздуха от I 3°С зимой и 17 - 19°С летом в теле полигона на глуби
45
Управление метаногенезом на полиюнах твердых бытовых отходов
не 2—4 м температура в течение трех лет наблюдений постепенно нарастала от 30 до 40°С [8].
На свалках, где преобладают аэробные процессы, температура колеблется от 29,5°С до 60°С, а если доминируют анаэробные процессы, то температура составляет 19—21 °C.
Соотношение между температурой и степенью разложения органического углерода определяется соотношением [23]:
С/С = 0,014Т + 0,28,	(2.4)
где Со — начальное содержание органического углерода, С — количество органического углерода, перешедшего в биогаз.
Рис. 2.2. Влияние температуры на интенсивность образования метана [20]
Для принятия решения при выборе системы дегазации необходимо производить замеры температуры в разных частях свалки, а затем усреднять полученные показатели [24].
2.1.7.	Уровень грунтовых вод
На объемы образования биогаза влияют геологические условия, в частности сезонные и глубинные колебания уров ня грунтовых вод. Основание полигона всегда проектируется выше уровня грунтовых вод. Если сезонные колеба
46
Глава 2
них уровня грунтовых вод достигают экрана полигона, то изменение гидравлического давления может вызвать следующие негативные явления: нарушение системы трубопроводов, прорыв труб, утечку фильтрата, который заг-рикпяет грунтовые воды; замедление циркуляции воздуха > отходах; прекращение биологической активности вследствие изменения состава воды (уменьшение содержания в ислорода или попадание фильтрата) [24].
2.1.8.	Инженерная инфраструктура полигона
Сложившаяся практика эксплуатации санитарного по-мнгоиа является одним из факторов, оказывающих значительное влияние на величину эмиссий. Развитая инженерии н инфраструктура позволяет активно управлять образо-инннем фильтрационных вод и биогаза. Большое значение имеют способ уплотнения отходов, наличие предварительного измельчения, систем сбора и утилизации биогаза.
Прессовые устройства, применяемые при сборе и удалении ТБО, создают давление до 3—5 кг/см2 (0,3—0,5 МПа). При этом происходит ломка различного рода коробок и емкостей. Объем ТБО (в зависимости от его состава и влажности) уменьшается в 5-8 раз, плотность возрастает до 0,Н I т/м3.
11ри повышении давления до 100—200 кг/см2 (10—20 МПа) происходит интенсивное выделение влаги (выделяется до НО 90% всей содержащейся в ТБО воды). Объем ТБО гиижнется еще в 2—2,5 раза при увеличении плотности в 1,3 1,7 раза. Спрессованный до такого состояния матери-и >1 пн некоторое время стабилизируется, так как содержащее н в нем влаги недостаточно для активной жизнедея-те111.иости микроорганизмов и доступ кислорода в массу аатруднен.
Когда плотность отходов увеличивается, степень насыщения, т.е. способность к абсорбции воды, возрастает. Большая масса вызывает большее газообразование на единицу нЛ'Ы’ма. Один из путей увеличения плотности — измельчение отходов. Оно не только увеличивает плотность, но и ум1<и1.1111к>т размер составляющих, которые обретают большую удельную поверхность для контакта с водой, бактериями и питательной средой. Если измельченные отходы распределяются тонкими слоями (менее 0,3 м), а затем
47
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
уплотняются, объем отходов дополнительно снижается. Однако экстремально плотные отходы могут быть относительно непроницаемы для воды и, соответственно, образовывать меньше биогаза.
С течением времени плотность захороненных отходов изменяется. Проведенные нами на полигоне «Софроны» исследования свалочной массы различного возраста показывают изменения плотности в значительных пределах: от 0,4—0,6 т/м3 при укладке до 1,2—1,4 т/м3после 8—10 лет разложения на глубине 6—10 м. Другие абиотические факторы, которые могут повлиять на эмиссию, — это наличие и свойства верхнего изолирующего покрытия, системы сбора биогаза, емкость полигона.
Исследования, проведенные В. П. Трибис [25], показали, что в покровных почвах свалок образуется мета-нотрофный слой — естественное «приспособление» для улавливания свалочных газов, в котором происходит активная трансформация (реутилизация) метана. Интенсивность окисления метана в покровных почвах свалок может достигать весьма больших величин — до 45 г/мй в сутки.
Допускается использование для изолирующего слоя различных материалов: золы и шлаков ТЭЦ, котельных, работающих на угле, торфе, сланцах; природного грунта; мелких фракций дробленых строительных отходов и т.д.
Процессу окисления метана способствует используемый в качестве насыпного грунта компост. Хорошо зарекомендовала себя смесь компоста и обезвоженных илов после биологической очистки сточных вод [26].
Определенное влияние на величину эмиссии биогаза имеет система сбора и утилизации биогаза. В России пока такие данные не накоплены, однако Американское агентство по охране окружающей среды (US ЕРА) [27] и ряд нормативных документов Германии и Австрии [28, 29] указывают, что этот фактор необходимо учитывать при оценке эмиссий. К управляемым полигонам с коэффициентом выхода метана MSF = 1 US ЕРА относит полигоны, имеющие изолирующие слои в основании и поверхностной засыпке, с механическим уплотнением отходов. Остальные полигоны делятся на неуправляемые глубиной менее 5 м (MSF=0,4), неуправляемые глубиной более 5 м (MSF=0,8), несанкционированные свалки (MSF=0,6).
48
Глава 2
В европейских рекомендациях учитывается дополнительно наличие и разновидность системы дегазации на полигоне |30[.
2.1.9.	Возраст отходов
В реальных условиях свалок общий процесс разложения отходов представляет собой цепь взаимосвязанных микробиологических процессов, каждый из которых характеризуется определенным уровнем выхода биогаза. Со временем в результате разложения сначала быстроразла-1'пемых, затем средне- и медленноразлагаемых отходов количество питательного субстрата уменьшается и процесс метаногенеза постепенно затухает. Поэтому чем больше времени прошло с момента закрытия полигона, тем ниже уровень метанообразования. Обычно выделяют следующие пить фаз разложения ТБО [31]:
•	аэробное разложение (10—15 дней);
•	анаэробное разложение без выделения метана (кислое Орожсние);
•	анаэробное разложение с непостоянным выделением метина (смешаное брожение — 180—500 дней);
•	анаэробное разложение с постоянным выделением митпна (10—30 лет);
•	затухание анаэробных процессов.
В реальных условиях эти процессы протекают при сложном взаимодействии рассмотренных биотических и абиотических факторов (рис. 2.3), обладающих как синергетическим, так и антагонистическим эффектом.
Для того чтобы эффективно управлять метаногенезом, попОходимо иметь достаточно полную информацию о механизмах биохимического разложения отходов.
2.2. Разложение органических веществ в аэробных и анаэробных условиях
2.2.1.	Разложение органических веществ в аэробных условиях
В аэробных процессах участвуют большие группы равнинных микроорганизмов, в том числе бактерии, актино-мнцеты, плесени, грибы.
49
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Рис. 2.3. Взаимосвязь биотических и абиотических факторов, воздействующих на метаногенез
В начале процесса принимают участие обычные виды микроорганизмов, живущие в почве при температурах до 25—30°С. Они представлены смесью бактерий, грибковой плесенью. Активную роль при этом играют и простейшие, нематоды. Вся эта совокупность почвенной микрофлоры и простейших животных организмов достаточно полно разрушает легкорастворимые в воде вещества — крахмал, белок, сахар.
На ранних стадиях эксплуатации полигона (до 1 года) разложение отходов происходит в аэробных условиях. Длительность аэробной фазы зависит от предварительной обработки и способа складирования ТБО, влияющих ня диффузионную способность отходов и степень доступности кислорода.
В аэробных условиях (на глубине до 50—80 см) доста точно быстро протекает гидролиз и окисление пищевых отходов, содержащих жиры, белки, протеины.
Жиры в присутствии микроорганизмов, плесневых гри бов подвергаются гидролизу с образованием глицерина и жирных кислот, которые затем в результате биохимичес ких процессов распадаются до предельных карбоновых
50
Глава 2
кислот (муравьиной, уксусной, пропионовой, масляной), постепенно окисляясь до СО2 и Н2О.
жиры + И»О	микроорганизмы 		— 		-	глицерин-« жирные кислоты 1идролиз
глицерин + О2	микроорган и змы 	со? + н2о
ми кроу pi анизмы
жирные кислоты - О2 ССХ + Н2О
Углеводы и сахара под действием микроорганизмов разлагаются до глюкозы, которая также легко окисляете н.
Азотсодержащие органические соединения (белки) под дН1<”гнием специфических микроорганизмов и экзофермен-юп гидролизуются с образованием полипептидов, расщеп-1Ц1Ю1ЦИХСЯ до аминокислот, которые в присутствии микроорганизмов-аммонификаторов разлагаются с образованием аммиака, СО2 и Н2О.
I'изложение белковых соединений осуществляется большой группой различных микроорганизмов, включающих llarill us Subtilis, Bacillus mykoides, Bacterium fluorescens, а также многие виды актиномицетов, грибов. В общем виде окисление белковых соединений можно представить следующим образом:
* И,О	микроорганизмы полипептиды + Н2О
микроорганизмы аминокислоты
При наличии в белковых соединениях серы при разло-«Неини могут образовываться тиоспирты (меркаптаны) и енроподород.
Суммарно реакция распада целлюлозы под воздействием микроорганизмов в аэробных условиях может быть пред-Миидопп в виде:
ми кроорг ан изм ы
(< „I lj .<	+ (>в(О2)	— - -	— бп(СО2) + 6п(Н2О) ♦ п Q (688 ккал).
Пи целение и разложение отходов в аэробных условиях ниц ротик дается выделением тепла, и температура тела Hioiiiroiui может достигать 80°С. Рост температуры и прикуп нше антимикробных соединений абиотического про-ш чп>|<цепни приводят к гибели или инактивации патоген-
51
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
них микроорганизмов, таких как Salmonella и вирусы, личинок насекомых.
На этой стадии протекает коррозия металлов с кислородной деполяризацией. Кислоты, образующиеся при окислении органических соединений, способствуют растворению металлов и переходу их в фильтрат. Для процесса аэробного разложения характерны эмиссии диоксида углерода и водяного пара.
2.2.2.	Разложение органических веществ в анаэробных условиях
По мере уплотнения и увеличения количества отходов в теле полигона начинаются анаэробные процессы, длящиеся десятки и сотни лет и обусловливающие основные эмиссии загрязняющих веществ [4, 10, 32].
Разложение органических веществ — компонентов ТБО --в анаэробных условиях существенно отличается от разложения в аэробных условиях. Анаэробные микроорганизмы не используют молекулы кислорода воздуха для окисления органических веществ, а получают нужную для жизнедеятельности энергию в результате расщепления органических веществ, преимущественно углеводородов и органических кислот, с образованием более простых продуктов разложения. Процесс разло жения органического вещества протекает крайне медленно [9].
Общим направлением биохимических процессов является брожение. Разложение органических веществ в анаэробных условиях, как правило, идет не до конечных продуктов. Процесс разложения, в котором принимают учас тие различные виды микроорганизмов, протекает ступенчато. Это заметно удлиняет время распада вещества.
Целлюлоза при анаэробных процессах разлагается мезофильными и термофильными бактериями рода Clostridium. В зависимости от вида бактерий образуются различные продукты. Мезофильные бактерии типа Clostridium Omelianskii образуют молочную и муравьиную кислоты, бактерии Clostridium dissolvens — масляную, ук сусную и молочную кислоты, этиловый спирт, СО2, Н2. При термофильном брожении бактериями Clostridium termocellum образуются уксусная, молочная, муравьина»
52
Глава 2
h нс поты, этиловый спирт, СО2, И2. В этом случае разложе-iiiii’ происходит более полно и быстро.
I'и вложение жиров в анаэробных условиях идет по схеме:
жиры -—глицерин + жирные кисло 1ы -СН4 + СО2,
В разложении жиров принимают участие Clostridium pin fringens, Clostridium sporogenes и многие другие.
Высшие жирные кислоты в процессе сбраживания в репу ш.тпте разрыва углеродной цепи образуют низшие кислоты. Глицерин сначала образует пировиноградную кислоту, которая затем разрушается до конечных продуктов.
Вилковые соединения разлагаются в анаэробных усло-IH! II х сцорообразующими (Bacillus putrificus, Bacillus npoi ogenes), а также факультативными анаэробами (Proteus vulgaris. Bacteria Coli). На первой ступени распада образу-iiiti'h промежуточные продукты — амины, аминокислоты ароматического ряда, меркаптаны, сероводород. На второй ступени промежуточные продукты включаются в биохимические процессы восстановительного дезаминировании, при этом образуется аммиак и органические кисло-11.1, которые затем разлагаются с образованием СО2и СН4. Гири, входящая в состав белка, переходит в тиоспирты, ГИонфиры, сероводород.
Нитраты могут восстанавливаться до свободного азота ин счет воздействия микробов-денитрификаторов (Bacterium ibiillrilicans, Pseudomonas fluorescens и др.).
Особого внимания заслуживает метановое брожение, в ритором принимают участие несколько групп микроорга-ниимоп: Methanococcus Vannielii (восстановление С02 водо-|Н1Д|1м); Mcthanobacterium Omelianskii (сбраживание спир-♦w); Methanococcus mazei, Methanosarcina methanica, Mulliiinobacterium Sohngenii (сбраживание солей органи-Чивких кислот) и многие другие.
Можно выделить следующие основные фазы анаэробной ПИидссгрукции отходов:
•	гидролиз, когда происходит разрушение полимера до рнроткпх фрагментов и мономеров;
•	нцидогенез, или сбраживание до простых соединений (HHiiuiiix кислот и спиртов, Н2, С02);
•	11нггогепез: образуется уксусная кислота, Н2 и С02;
53
Управление метаногенезом на полигонах твердых быювых отходов
•	метаногенез, синтез биогаза;
•	снижение биологической активности;
•	полная ассимиляция [33].
В фазе гидролиза, длящейся недели, месяцы, в толще отходов под действием ферментативных бактерий происходит биодеструкция легкоразлагаемых фракций ТБО, с образованием длинноцепных и разветвленных жирных кислот, аминокислот, глицерина, полисахаридов, аммиака, и гидролиз целлюлозосодержащих отходов (бумага, садово-парковые отходы, древесина):
(С6Н10О5)„ + (п -1) н2о _► п с6н,,о6.
целлюлоза	глюкоза
В ацетогенной, или кислой фазе, продолжающейся годы, происходит дальнейший распад биомассы, основными продуктами которого являются уксусная и пропионовая кислоты, углекислый газ и вода, приводящие к значительному снижению величины pH и ускорению процессов деструкции, гидролиза древесины, целлюлозы, некоторых видов пластмасс, синтетических волокон. Процесс ацетогенеза можно условно описать следующим уравнением:
СЩ12О6 + 4Н2О _► С2Н4О2 + 4СО2 + 8Н,.
В условиях высокой влажности при рН=4,5—6 и температуре 25°С и выше наблюдается рост грибов, приводящих к микробиологическому разрушению древесины, ее гидролизу, деполимеризации целлюлозы, образованию фурфурола, фенола и др. Биогаз в этих условиях в основном содержит углекислый газ. В конце фазы величина pH не сколько повышается, и кислоты начинают разлагаться < образованием метана. Интенсивно протекают процессы деструкции, деполимеризации легко- и среднеразлагаемой фракций ТБО, начинают протекать процессы денитрифи кации, сопровождающиеся образованием органических аминов, ионов аммония и др., которые в присутствии гу миновых кислот образуют поверхностно-активные веще ства (ПАВ).
Ферментативное разложение образованных в ацетоген ной фазе кислот сопровождается значительным выделен и ем газов (метан, углекислый газ, меркаптаны, аммиак и
54
Глава 2
Hl>. I и приводит к повышению pH среды (7,2—8,6). На этой < гадин происходит разложение 50—70% целлюлозы и геми целлюлозы [34] с образованием как биогаза, так и соединений гумусовой природы, полифенолов и др., полнос-и.к» разлагаются жиры и протеины [22, 35, 36].
Ни стадии метаногенеза происходит активное развитие в и и; >р< >бпых микроорганизмов.
(' повышением величины pH протекает ферментативное |»1:>ложение образованных в ацетогенной фазе кислот (пн тинная фаза метаногенеза) и дальнейшая биодеструк-II.I1H целлюлозы (стабильная фаза). На этой стадии проис-нодит разложение 50—70% ТБО. Выделение биогаза уве-||ичкинется, концентрация метана в нем достигает 40—60%. < Юрнзуется ряд восстановленных соединений серы и углерода к следовых концентрациях. Преобладающим восстановленным сульфидным соединением в биогазе является ы>|ннк>д(>род [37].
< Юрнзование биогаза длится от десятилетий до столетий, однако фаза, в которой он усиленно образуется, ограничивается 10—30 годами.
Iliiiiiiojiee вероятные химические реакции, протекающие Нрн анаэробном разложении целлюлозосодержащих отходив, могут быть представлены следующим образом.
Физа гидролиза:
цсчлюлоза -> глюкоза
+ nx(m-l)H20 > nmC6HJ2O6
Фн.ш ацетогенеза:
I) глюкоза -> уксусная кислота
т •,н„< V 0,4nNH,r>+nH20w^CH1 AJVWW ......
VI глюкоза -> пропионовая кислота
iu;il|;,()jo,26n NH ->
'I I. Л. 5^адА74пТОад+1,445пН2О^44),875пОД,Оад
Л) .• чин.о.ш -> масляная кислота
|>1 „II, <>.l0,31nNH -* 0,58nCH O N 2 >+1,26011 11нО.;(ж)+1,26пС0ад+1,1пН20(ж)
55
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Фаза метаногенеза:
1)	пропионовая кислота -> уксусная кислота
пС НВО„ + 2пН . * пС„Н.О + пСН
2)	масляная кислота -> уксусная кислота
пСНО + 2пН„ пС„Н.О„ + 2пСН 4 о Z	2	Z 4 Z	4
3)	уксусная кислота метан
пС2Н4О2 * пСО2 + пСН4
Целлюлоза и ее производные легко подвергаются гидролитическому ферментативному разложению с образованием d-глюкозы, ди-, трисахаридов и др., которые при дальнейшем разложении образуют левулиновую, муравьиную и гуминовые кислоты [38]. В этой фазе начинают протекать процессы гумификации целлюлозосодержащих отходов, формирующие свалочный грунт.
В активной метановой фазе сульфат-ионы восстанавливаются до сульфид-ионов, что сопровождается связыванием ионов металлов в малорастворимые соединения.
Большинство пластмасс не подвергается биохимической деградации в активной метановой фазе. Однако они медленно разрушаются в результате деполимеризации, протекания фотохимических и химических процессов. Полиэти лен и полипропилен теряют менее 1% от массы после 10 лет захоронения [39], полиэтилентерефталаты разлагаются с образованием ацетальдегида и терефталевой кислоты.
Чистый поливинилхлорид (ПВХ) не подвергается биохимической деструкции в активной фазе метаногенеза. Однако полимеры на его основе содержат пластификаторы (производные терефталевой кислоты), стабилизаторы (органические соединения цинка, свинца и др.), которые посте пенно выщелачиваются и переходят в фильтрат [27].
Основные виды изопреновых, хлоропреновых, бутиль ных каучуков способны разлагаться с образованием леву линовой, уксусной и янтарной кислот, хлоропрена, метн-ленхлорида и др.
Биохимические процессы разложения имеют определен ную стадийность и строго следуют один за другим. На рис. 2.4 показана последовательность стадий во времени. В реаль
56
Глава 2
ним теле полигона соседствуют участки, находящиеся на ранных стадиях разложения, и это значительно усложняет оценку газоносной способности.
11ериод, начиная с момента выбора площадки под строительство полигона до полной ассимиляции массива от-модоп окружающей средой (переход отходов в естественные природные субстанции, характерные для литосферы и гидросферы), принято называть его жизненным циклом [40].
Методология оценки жизненного цикла полигона твердых бытовых отходов в международной практике основа-IHI па требованиях ISO/DIS 14040 и SimaPro 3.1 code |-11. 12]. В соответствии с ними жизненный цикл полигона ии'тоит из следующих этапов: строительство полигона, эксплуатация, закрытие и последующий уход за площадкой, iин-трекультивационный период.
В России принято жизненный цикл полигона захоронении твердых бытовых отходов представлять в виде последовательности инвестиционного, эксплуатационного, ревун ьтивационного и пострекультивационного этапов [31].
Рекультивационный период продолжается 30—40 лет, пострекультивационный — более 200 лет, проходя активную «разу (40—50 лет), пассивную фазу (50—200 лет) и затем стабилизационную.
Анаэробный процесс начинается на эксплуатационном •ITU не жизненного цикла и заканчивается на пострекуль-тнинционном, проходя следующие стадии развития (рис. 2.5):
I) адаптационную — с периода формирования рабочего rwjiii, когда в течение первых 2—7 лет после начала эксплуатации начинаются процессы метаногенеза. Этот этап характеризуется изменением pH фильтрата с 6 до 7—8 [39];
Й) экспоненциального развития, 12—17 лет (с момен-ги, когда условия метаногенеза сложились, pH фильтра-1Д установилось на уровне 8, до максимального выходи биогаза);
Ч) стабилизационную, при постоянном потоке биогаза I Uh 30 лет с момента закрытия);
I) затухания анаэробных процессов, снижения потока Рногпаа до безопасных концентраций по метану;
ti) стадию биологической инертности.
57
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Рис. 2.4. Фазы процессов, происходящих в свалочном теле [10] ХПК - химическое потребление кислорода, ЛЖК — летучие жирные кислоты; состав газа указан в объемных процентах
Рис. 2.5. Стадии развития анаэробного процесса в толще свалки: I — адаптационная, И — экспоненциального развития, HI стационарная, IV ~ затухания, V — биологической инертности
58
Глава 2
Методы управления метаногенезом должны соответство-iiii ri. этапам жизненного цикла полигона. На стадии активного выделения биогаза требуются дорогостоящие системы активной дегазации. По мере затухания метаногене-пн с тоимость дегазации уменьшается. На стабилизационной i|>n:ie обычно достаточно систем аварийной сигнализации.
2.3.	Движение биогаза в теле
полигона и его выделение в окружающую среду
(Множившаяся практика складирования отходов обусловим инет неравномерность распределения очагов генерации Опогаза как по площади, так и по высоте свалки.
В настоящее время на основании исследований, проведенных Кожевниковой А. Н., Лифщицем А. Б., Горбанов О.В., Заварзиным Г. А., толщина свалочных отложений но вертикали делится на несколько зон, отличающих-। н по физико-химическим условиям и характеру микробиологических процессов (сверху вниз): аэробную (глу-Ппнп 0 -1,5 м) и анаэробную (1,5—20 м и глубже). На границе анаэробной и аэробной зон располагается перепад пая подзона (рис. 2.6) [10].
/I анаэробной зоне генерируется биогаз, который мигрирует вверх по разрезу.
/I переходной подзоне в микроаэробных условиях протекают процессы неполного окисления восстановленных компонентов биогаза.
/I аэробной зоне происходит полное окисление компонентов биогаза. Зона является биохимическим барьером Ий пути проникновения атмосферного кислорода в нижние 1'дни и газообразных, легколетучих компонентов биогаза в ЙТМоеферу («окислительный биофильтр»). Также в этой зоне нйигляются попавшие на свалку отходы до СО2, Н20, NO3 И т. д. 120]. По мере погружения под слой новых отходов и уплотнения газообмен с атмосферой ухудшается, запасы НМ»'порода уменьшаются и устанавливаются анаэробные у||иония. Наиболее часто максимальная метаногенная ак-i iiiiiiori i. наблюдается в верхнем слое анаэробной зоны [10].
11»гк*11г11вность генерации биогаза различна не только »1н ныготе, но и по площади полигонов и свалок. Активным иг гипогенерирующие зоны могут находиться в раз-
55
Управление метаногенезом на полигонах твердых битовых отходов
ных местах свалочного тела, в зависимости от возраста тех или иных участков. Как видно из рис. 2.7, потоки метана в атмосферу на «зрелом» полигоне «Кучино» на порядок выше, чем с «молодого» полигона «Митино». В то же время на полигоне «Митино» наблюдаются интенсивные потоки водорода, характерные для стадии ацидогенеза и потоки метана в той части свалки, где складирование от ходов началось раньше. Нами были проведены исследова
Рис 2 6 Вертикальное распределение микробиологических процессов в толще свалки [20]
(ОВ органические вещества, ЛОВ летучие органические вещества)
60
Глава 2
Cue 2.7. Эмиссии гаме в атмосферу с поверхности полигонов ТБО -Кучино» (а СНГ б COJ и «Митино» (в - СИ4. г HJ;
х, у - длина и ширина объектов, м;
г - потоки газов в атмосферу, в час /70/
Нин свалок на полигонах «Софроны» и «Голый Мыс» на Hit'iii'ine потоков биогаза с помощью газоанализаторов и методом газовой хроматографии. На свалке «Голый Мыс», (ШКрытой двадцать лет назад, потоки метана не обнаружены.
11а свалке «Софроны» интенсивные потоки метана были иГншружены в рекультивированной четыре года назад зоне. Концентрация метана в приземном слое свалки, определенная с помощью газовой хроматографии, показана на риг 2.8.
Эмиссии метана и углекислого газа зависят от метеоро-'Hhti'ktkiix условий [23]. Исследования, проведенные в in месс и летнее время в Дании, показали, что зимой на-
61
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
блюдаются более высокие концентрации метана и на большем расстоянии от свалки, чем летом (рис. 2.9) [43]. Это подтверждают и наши собственные исследования на пермской свалке «Софроны». Эмиссии биогаза, наблюдаемые нами в рекультивированной зоне, в зимнее время были выше, чем летом. Возможно, это связано с высоким окислением метана и низким содержанием воды в почве, имеющим место в летнее время.
Рис. 2.8 Распределение потоков метана на поверхности рекультивированной зоны
Существуют следующие физические явления, обуслов ливающие перемещение биогаза внутри свалки: градиент давления от точки образования, молекулярная диффузия, изменение атмосферного давления, изменение почвенного давления из-за флуктуации грунтовой воды.
Как правило, градиент давления и молекулярная диф фузия — основные причины перемещения биогаза [4].
Образующийся газ создает избыточное давление внутри свалочного тела, которое способствует перемещению газа сквозь любые трещины, щели и прочие слабые места в
62
Глава 2
генмогических структурах. Градиент давления возникает ни ।in различий в температуре воздуха днем и ночью, а также нпмепеиия барометрического давления.
Распространение биогаза может обусловливаться эффу-iHi'HiiibiMH, конвекционными или диффузионными процессами. Повышенное давление газа, обычно наблюдаемое в гене полигона, позволяет газу бесконтрольно истекать за пределы площадки в районы с более низким давлением — в результате конвективного газового переноса (рис. 2.10).
j —метан " диоксид углерода j
( Р )	—метан —о- диоксид углерода
/’иг. 2.9. Зависимость эмиссии метана и углекислого газа чт 11<>аленности от тела полигона: а) зимой; б) летом [43]
63
Vii|Kwu«4fH<' монимиенезом на полигонах твердых бытовых отходе
Криме того. rn:n.i с более высокой концентрацией Cir4 и СО2 могут Ц11<|и|»упди1>овать в области, где их концентрации ниже.
Криме сооружений, находящихся на полигоне, п>двер-гптьсл воздействию газа, служить проводниками ИЛ1 накопителями газа могут следующие объекты: заполненные гравием или камнем траншеи (например, закрытый цре паж); подземные трубопроводы или коммуникации; т.эд-земные люки, погреба и зоны расположения фундаментов; высокопроницаемые слои грунта [12].
Эта миграция носит пассивный характер, так как возникает под действием неуправляемых процессов. В зави симости от типа покрытия захоронения и степени уплот нения основания полигона миграцию биогаза можно разделить на вертикальную и горизонтальную.
Горизонтальная миграция возникает при слабопроницаемом (синтетическом) покрытии и неуплотненном осно вании полигона (рис. 2.10, а). Вертикальная миграция бывает, наоборот, при хорошо уплотненном основании полигона и высокопроницаемом покрытии (рис. 2.10, б).
Нужно учитывать, что вследствие усадки на границе слоев образуются трещины и разрывы, которые приводят к неконтролируемому движению биогаза. Контроль за распространением биогаза возможен с помощью специально организованных систем мониторинга биогаза.
При удалении от тела свалки эмиссии уменьшаются. Максимальное расстояние от тела полигона, на которое мо жет удалиться биогаз в зернистом грунте, составляет [23]:
D - ЮН,	(2.5)
где D - расстояние, на которое удаляется биогаз, м; Н - глубина отходов, м.
На перемещение биогаза в наибольшей степени влияют: пористость грунта (чем больше объем пор, тем больше эмиссия газа и его распространение); влагосодержание (рык лый грунт с незначительным влагосодержанием способству ет выделению газа, и наоборот, плотный влажный — препятствует), состав отходов, конструкция полигона.
Барьерами миграции могут служить глубокий снег, но донасыщенные грунты, грунтовые воды, канавы, напои ненные водой, в окрестностях полигона и на полигоне, естественный плотный слой грунта.
64
Глава 2
Рис 2 10 Миграция газа в толще свалки
II зависимости от расстояния, на которое продольно пере-мнщш’Н’я биогаз в результате конвекционных и диффузионным процессов сквозь разломы и неровности свалочной и грун-п ан ill то ищи, необходимо размещать полигоны на безопасном |Ш1Ч'тон1111и от жилой застройки с целью предотвращения на-нон itt’iiioi биогаза в подпольях зданий и сооружений.
II гннзи со способностью биогаза удаляться на значи-гадыпн* расстояние, которое пропорционально глубине на-Й1Н1 ивиоых отходов, при проектировании полигона необ-•нднмо предусматривать санитарно-защитную зону.
Vuniri арно-защитная зона от жилой застройки до границ поиигопа По СНиП 2.07.01-89 принимается 500 м. При |М1>Ч«т«> газообразных выбросов размер ее уточняется и ва-|Н*И|»У'»тю1.
('дниinpno-защитная зона от жилой застройки до гра-ИИЦ Нипигона составляет 500-1000 м [44, 45]. Размер са-защитной зоны уточняется при расчете газообраз-йЫ« выбросов в атмосферу.
2.4.	Состав и свойства основных компонентов биогаза
Химический состав и интенсивность эмиссии биогаза ИМн*о1 и о дни и дуальный характер для каждого полигона и ипнв ш <н качественного и количественного состава скла-
65
Ицмиииним мг। > tit к >i tiiin.KiM па полигонах твердых бытовых отходов tinрнминиi.ix отходов, природных условий участка разме-и|1мн1>1 полигона, возраста полигона, влажностного и тем-11<'1>нтурного режимов и многих других факторов.
Состав газовой фазы формируется совокупностью процессов биодеструкции ТБО, испарения летучих фракций отходов и химических реакций. Биогаз представляет собой сложную смесь продуктов микробной жизнедеятельности, веществ искусственного происхождения или специ фических биогенных продуктов, не характерных для при родных экосистем.
Многочисленными исследованиями определено и идентифицировано более сотни компонентов органического и неорганического происхождения. В их числе нормальные и разветвленные алканы, нафтены и ароматические углеводороды, галогенсодержащие органические вещества. Проведенные исследования позволили обнаружить в составе газа свалок разнообразный набор углеводородов С,- С2, некоторых их производных, а также ранее не определяемых веществ группы силоксанов. Из неорганического класса веществ определили сероводород, окислы азота, окислы углерода, а также ряд металлов.
2.4.1.	Состав биогаза
В биогазе выделяют две группы составляющих: макрокомпоненты и микрокомпоненты, которые называют также следовыми газами. К макрокомпонентам относятся метан и диоксид углерода, азот, водород. Наиболее характерный состав биогаза представлен в табл. 2.4 [15].
Составы биогаза различных полигонов существенно отличаются в зависимости от объема и качества депониро ванных отходов, географических условий района располо жения полигона, конструкции основания и покрытия полигона, возможности доступа кислорода воздуха к отходам, высоты складирования отходов, условий их уплотнения, интенсивности процессов разложения [9, 12].
Установлено, что в период стабильного микробиологи ческого процесса количество метана в биогазе свалок со ставляет 44—66 %, диоксида углерода 33—55%, соотноше ние СН4 : СО2 - в пределах от 0,8 до 2,0. Содержание азот» не превышает 15%, водорода — 1, аммиака - 0,1-0,3; количество сероводорода 200 мг/м3, паров воды — 60 г/м '.
66
Гпава 2
Биогаз, образующийся в толще свалки ТБО в результя ги нинэробных микробиологических процессов, содержит lUiMiioiieHTbi, вредно действующие на здоровье человека. При максимальном содержании в биогазе этих веществ ннинггельно превышаются установленные для них в атмосферном воздухе ПДК (раз): метан - 8500, нонан — 4, циклогексан — 8, пропен - 3, этен — 10, бутен — 7, бензол — I, метилбензол — 1025, ксилол - 35, кумол - 2285, хлоро-фирм 66, хлорэтан — 1320, дихлорэтан — 90, тетрахлорэ-itui 2367, сероводород — 25 000. Кроме того, присутствующие в биогазе аммиак и сероводород, оксид углерода и rehciui, циклогексан и бензол, этилен, пропилен и бутилен ••Пннднют эффектом суммированного воздействия [46].
Таблица 2.4
Характерный состав свалочного газа
1ИММЧИСКПЯ	Соединение	Химическая формула	Содержание в биогазе, мг/м3	мг/м3	мг/м3	Класс опасности
Аннины	Метан	А	44-66%	100	25	4
	Этан	СА	0,8-48,0	100	25	4
	Пропан	С3Н8	1,4-13,0	100	25	4
	Бутан	C,HW	0,03-23,0	200		4
	Пентан	с5н,г	0-12	100	25	4
	Гексан	с8нм	3-18	60	-	4
	Гептан	с А	3-8	100	25	4
	Октан	СА	0,05-75,0	100	25	4
	Нонан	СА	0,05-400,0	100	25	4
	Декан (изодекан)	с,<А	0,2-137,0	100	25	4
	Ундекан	с, А	7-48	-	-	-
	Додекан	с А	2-4	1	-	4
	Тридекан	с А	0,2-1,0	1	-	4
	2-метияпентан	СА	0,02-1,5	—	-	
	3-метилпентан	СА о <4	0,02-1,5	-	-	-
	2-метилгексан	СА	0,04-16,0	-	-	-
	3-метилгексан	с А	0,04-13,0		-	-
	2-метилгептан	с А	0,05-2,5	-	-	-
	3-метмлгептан	с8 н,в	0,05-2,5	-	-	
67
Унрнннниио метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Продолжение таблицы 2.4
Химическая г ругггш Циклоалканы	Соединение	Химическая формула	Содержание в биогазе, мг/м3	ПДК».».-мг/м3	ПДК., мг/м3	Класс опасности
	Циклогексан	с А	0,03-11,0	1,4	1,4	4
	Бицикло-3, 1 -о-гексан-2, 2-метил-5-метилэтил	с10н14	12-153			
Алкены	Этен	С л	0,7-31,0	3	3	3
	Пропен	<А	0,04-10,0	3	3	3
	Бутен	С л	1-21	3	3	4
Циклоалкены	Циклогексен	СА	2-6	-	-	—
	Бицикло-3,2,1-октан-2,3-метал-4-метилен	с А	15-350		0,10	
Ароматические углеводороды	Бензол	с6н6	0,03-7,0	1,5	0,60	2
	Толуол	с7н8	0,2-615,0	0,60	0,02	3
	Диметилбензол	СА	0,2-7,0	0,20	0,02	3
	Изопропилбензол	СА	0-32	0,014	0,014	4
	1,3,5-метилбензол	СА	10-25	-	-	-
Галогенированные углеводороды	Дихлорметан	сн2аг	0-6	8,80	-	4
	Трихлорметан	ста,	0-2	-	0,03	2
	Тетрахлорметан	СС14	0-0,6	4	0,7	2
	Хлорэтан	W	0-264	—	0,2	4
	Дихлорэтан	сгнго3	0-294	3	1	2
	Трихлорэтан	с, НС)3	0-182	—	—	—
	1.1,1-трихлорэтан	Wk	0,5-4,0	2	0,2	4
Трихлорэтилен	с, на,	0-0,1	4	1	3	
	Хлордифтор-метан	ccif2	5-10	—	—	-
	Хлортрифтор-метан	ccif3	0-10	-	-	-
	Дихлордифтор-метан	CCI?F?	4-119	100	10	4
68
Глава 2
Окончание таблицы 2.4
Кммычоская Ipytlrlfl	Соединение	Химическая формула	Содержание в биогазе, мг/мI * 3 ч	ПД^. мг/м3	пдк с, мг/м3	Класс опасности
	Трихпорфтор-метан	CCIJ	1-84	100	10	4
	Хлорбензол	W	0-0,2	0,1	0,10	3
ГуММПрНОС 1пдп|>ж;|ние • Ш1|М		Ч	25-40	0,1	0,03	2
•Ыциниические ШИЦие Ilia	Оксид углерода	со	0-0,3%	3,0	3	4
	Аммиак	NH3	0-0,1%	0.20	0,04	4
	Сероводород	H2S	200	0,008	-	2
Дня оперативной оценки состояния системы дегазации •нмпкп состав биогаза можно принять по табл. 2.5 [11].
Таблица 2.5
Типичный состав биогаза (%)
1И» Нишам'	Метай СН4, %	Диоксид углерода СОг %	Кислород О2, %	Азот N2, %
1 'J t	55	45	—	—
	40	30	6	24
:i 4	45	35	1	18
	35	30	5	30
Гиттии газа в наибольшей степени определяется фазой ЙННи|1оГ>|1ого разложения. В ацидогенной фазе в составе ЙИН|'Ш1н преобладает углекислый газ, на стадии метаноге-метан. Наличие в биогазе более 50% метана являет-нИ имрпктерным признаком стабилизации метаногенеза. Другие компоненты сильно варьируют, хотя на обеих фа-МП биодеградации веществ в составе биогаза присутству-IW ндорииты - меркаптаны, жирные кислоты [47].
I ни I мт тын биогаз, полученный в анаэробных условиях; тип 2 - в биогазе присут-
п азот в соотношении, свойственном атмосферному воздуху. Воздух посту-
НЙ « ........чей костей во всасывающем трубопроводе; тип 3 - над поверхностью свалки
ч |)еН| и и iiii.uu'x, кислород которого используется в микробиологическом процессе; тип J » MHitititiutti тиков 2 и 3.
69
Vii|ьmiioiim: мегаютенезом на полигонах твердых бытовых отходов
11|>1>н(*д<*11ный нами анализ компонентов свободно виде и и пшегося газа и приземной атмосферы на городском полигоне ТБО г. Перми «Софроны» показал, что в его составе присутствуют бензол, толуол, этилбензол, ксилол и его гомологи. В зоне свалки отмечено превышение предельно допустимых концентраций по этилбензолу (1,5—6 ПДК) и сумме углеводородов (до 4,5 ПДК). В зоне горения отходов отмечалось превышение концентраций по оксиду углерода, взвешенным веществам, сероводороду, бензолу, толуолу, этилбензолу и углеводородам. Наиболее интенсивные потоки метана были обнаружены в рекультивированной зоне свалки. Значения концентрации метана в приземном воздухе этой зоны представлены в табл. 2.6. В точках отбора проб за территорией свалки в пределах санитарнозащитной зоны обнаружено превышение концентраций загрязняющих веществ по метану и хлористому водороду. Результаты хроматографического анализа биогаза «Софронов» показаны в табл. 2.7.
Таблица 2.6
Изменение концентрации метана
в рекультивированной зоне свалки «Софроны»
Точки отбора проб	Концентрация метана, мг/м3		
	2000 г.	2001 г.	2002 г.
1	1,05-1,91	4,6-4,9	4,7-5,1
2	1,43-4,83	8,28-8,97	6,6-6,9
3	4,67-4,96	6,65-7,32	4,9-5,1
фоновая	0,94-,02		
Близость состава газов, генерируемых различными объектами, величина соотношения «метан: диоксид угле рода», отмеченная большинством отечественных и зарубежных исследователей [10, 12, 20, 37], свидетельствуют << близости общих закономерностей и характера протекания метаногенеза в свалочных телах.
2.4.2.	Свойства основных компонентов биогаза
Метан - главный компонент биогаза, который легче воздуха, не имеет цвета и запаха, придает биогазу свой ство горючести, удушлив и взрывоопасен в смеси с возду
70
— trf 2.7
ftxr&nm иалш атмосферного воздуха свалки «Софроны»
*к-е г-Вора яроб	Концентрация, мг/м3
		ПЫЛЬ	СД	NO,	H,S	SO,	СО	бензол	толуол	этилбензол	КСИЛОЛЫ	П(М-КСИ-ЛОЛЫ	о-кси-ЛОЛЫ	ПХБ'	HCI
ПДК		0,5	1,0	0.085	0,008	0,5	0,5	1,5	0,6	0,02	0,2	-	-	0,005	0,2
На полигоне, 1,5 м от поверхности I !				1	0,26	1,05	0,02	0,003	0,05	0,75	0,12	0,04	0,03	0,02	менее 0,02	менее 0,02	-	-
	2	0,26	4,83	0,02	0,005	0,05	1,0	0,35	0,14	0,12	0,06	0,04	0,02	-	-
На полигоне, 0,4 м от поверхности	1	-	1,91	-	-	-	0,9	0,13	0,03	0,01	менее 0,02	менее 0,02	менее 0,02	-	- I
	2	-	1,43	-	-	-	0,75	0,06	0,02	0,02	0,01	0,02	0,02	—		1
На полигоне, в зоне горения		3,48	8,41	0,07	0,017	0,05	7,4	1,67	0,64	0,60	0,13	0,11	менее 0,02	менее 2,0	менее 0,1
В санитарно-защитной зоне		менее 0,26	1,02	0,03	0,003	0,05	0,75	0,04	0,02	0,01	0,02	0,02	менее 0,02	—	0,4
За территорией свалки		0,26	0,94	0,02	0,003	0,05	0,75	0,02	0,02	0,01	0,02	0,02	0,02		0,1
* Нг/м
Глава 2
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
хом (5—15 %). Содержание метана в биогазе колеблется в зависимости от стадии метаногенеза и достигает 50—55%.
Углекислый газ. Углекислый газ — второй основной компонент биогаза, который тяжелее воздуха, без цвета и запаха, в высоких концентрациях токсичен, удушлив.
Неметановые органические компоненты. В биогазе содержится широкий спектр неметановых органических соединений. К таким соединениям относятся: бензол, толуол, этилбензол, винилхлорид, дихлорметан, трихлорэтилен, 1,2-цис-дихлорэтилен, тетрахлорэтилен. Эти компоненты широко присутствуют во многих предметах домашнего оби
хода или используются для их производства.
Пары воды. Газ, образованный в процессе биоразложения отходов, содержит обычно 4-7 % водяного пара. Вследствие влажности отходов и температуры рабочего тела полигона выше, чем в окружающей среде, генерируемый газ оказывается насыщен водяным паром. Содержание пара в биогазе зависит от температуры окружающего пространства (рис. 2.11), наличия системы сбора биогаза, давления и условий складирования.
Из-за присутствия в биогазе некоторых компонентов (силоксаны, хлорорганика, сероводород) могут возникнуть проблемы при эксплу
атации дегазационных систем. Характерной особенностью следовых компонентов является способность вызывать негативные эффекты при очень низком проценте содержания в газе.
Хлорорганические вещества. Результаты химического анализа биогаза показали наличие следующих представителей этого класса веществ: трихло-рэтен, тетрахлорэтен, толуол, этилбензол,
Рис. 2.11. Зависимость содержания водяного пара в биогазе от температуры [23J
72
Глава 2
цихлорбензол, хлорфенол. Кроме того, конденсат, образу ющийся в системе трубопроводов, также содержит эти вещества. Хлорорганические элементы в составе биогаза разрушающе воздействуют на механизмы. Органический хлор при сжигании свалочного газа и смешивании с водяным пиром, который всегда присутствует в составе свалочного гмин, образует хлороводородную кислоту, которая, как известно, обладает коррозионными свойствами. Источник заг-рнппения биогаза хлором — это промышленные растворы, такие как дихлорметан и тетрахлорэтилен. Точная количественная характеристика содержания хлора в составе Пиигнза необходима для принятия мер по устранению или уменьшению коррозионного воздействия [11].
('илоксаны. Исследования, проведенные на свалке «Кучи но* (Московская обл.), позволили обнаружить в биогазе ннплки, помимо разнообразного набора углеводородов * । *'»..• некоторые из их производных, вещества группы ен «оксанов [48]. Присутствие в составе биогаза микроко-«ИЧесгв силоксанов вызывает ряд серьезных проблем при непользовании биогаза в качестве топлива.
Х*.4.3. Физические и химические свойства биогаза
К физическим свойствам биогаза относятся: плотность, ИИИКость, теплота сгорания, влажность, температура.
Плотность биогаза зависит от компонентного состава. НйИрпмер, смесь, состоящая из 10% водорода и 90% угле-НИедого газа (обычно образуется на первой стадии анаэ-рбПного разложения), тяжелее воздуха, в то время как смесь МН (10% метана и 40% углекислого газа (образуется в результате фазы метаногенеза) легче воздуха. Прослежива-WH тенденция: чем выше плотность отходов, тем выше КИЦетический выход биогаза.
р(ГН4) 0,714х10^кг/м8;
р(йиогаз) = 1,07x10 4кг/м3.
Низкость — это свойство, которое характеризует сопро-1ИНпенис движению внутри жидкости или газа. Абсолютизм низкость биогаза и метана m составляет:
•н. 1Н)	1,04х10“5 Н-с/м2 ,
ш, ,	1,15x105 Н * с/м2.
73
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Температура. Температура биогаза зависит от места складирования, глубины залегания и фазы разложения.
Теплота сгорания. Очищенный от примесей биогаз имеет теплоту сгорания 1800—25 100 кДж/м3, что составляет половину аналогичного показателя природного газа. При содержании метана 50% и углекислого газа 45% 1 м3 биогаза имеет теплоту сгорания около 18 500 кДж (5,14 Вт), что соответствует теплоте сгорания 0,5 л дизельного топлива.
Влагосодержание. Количество влаги в газе зависит от температуры и давления. Газ может быть насыщен или не насыщен влагой. Добываемый биогаз в среднем содержит от 25 до 45% влаги, основная часть которой поступает с отходами животного и растительного происхождения. Атмосферные осадки, поверхностные и подземные воды являются источниками дополнительной влаги.
В целом свойства биогаза отличаются от свойств газов, входящих в его состав (табл. 2.8).
Компоненты биогаза обладают коррозионными свойствами и способны вызывать серьезные проблемы при утилизации биогаза. Диоксид углерода и пары воды могут оказывать негативное влияние на газомоторные установки.
Для устранения коррозионной опасности, неприятного запаха, удаления токсичных компонентов биогаза, повышения эффективности его утилизации применяется очист ка биогаза путем отделения (сепарация) или разрушения (деградация) нежелательных компонентов. При сепараци
Таблица 2.8
Свойства компонентов биогаза [4]
Свойства	снч	со2		H2S	со	N2
Относительная плотность	0,555	1,520	0,069	1,190	0,967	0,967
Горючесть	есть	нет	есть	есть	есть	нет
Взрывчатость*, %	5-15	нет	4-75,6	4,3-45,5	74	нет
Температура горения,'С	650		560	270	605	-
Запах	нет	нет	нет	есть	нет	не!
Токсичность	нет	есть	нет	есть	есть	нет
Инертность	есть	-	есть	-	-	есть
’ Взрывчатость компонентов газа в смеси с воздухом указана для температуры 20*С в давления 1 атм в пределах верхней и нижней границы взрыва.
74
Глава 2
кипой очистке смесь газов разделяется на два потока. Деградация приводит к изменению химической структуры и свойств определенных компонентов биогаза. Сепарационные методы используют для предварительной обработки биогаза с целью его последующей утилизации.
Для обеспечения максимального приближения свойств биогаза к свойствам природного газа и беспрепятственной доставки его потребителю газ подвергают осушке.
2.4.4.	Потенциал опасности полигона по образованию биогаза
Рассмотренные физические и химические свойства биогаза, закономерности его образования формируют потенциал опасности любого захоронения отходов.
Для того чтобы оценить величину этого потенциала, необходимо располагать следующей информацией о полигоне: мощность полигона, год начала заполнения, подсти-нающие грунты, удаленность полигона от населенных пунктов, вид хозяйственного использования площадки до размещения полигона, степень уплотнения поверхности, последующее использование полигона.
Мощность полигона является основным фактором, определяющим общий газовый потенциал полигона. На основе анализа отечественной и зарубежной литературы, экспериментальных исследований действующих полигонов Нй к оронения, результаты которых были предоставлены Йенским техническим университетом, паспортизации дей-ннующих свалок ТБО на территории Пермской области, Проведенной в 1996 — 1999 годах [49], можно определить Грипп цы потенциала опасности по биогазу следующим обрядом.
Мели общий объем выделяемого биогаза менее 40 млн нм3 — Нипигон имеет низкий потенциал опасности по уровню воз-НИЙетвия на окружающую среду. При 40—100 млн нм3 потен-НИНД опасности может быть оценен как средний. При общем мРваме выделяемого газа более 100 млн нм3 — высокий.
Потенциал опасности полигона по биогазу определяет ttl'Hi стратегию его развития: закрытие, дальнейшую эксп-Чун1н111111>, метод дегазации и направление рекультивации. |(|ыг«>му целесообразно рассмотреть расчетные методы оп-|Ф<|в'H’liiin объема и скорости образования биогаза.
75
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Проектирование и эксплуатация полигонов для захоронения твердых бытовых отходов в странах с переходной экономикой. Рабочие материалы / Доклад ЕРА на П Конгрессе по управлению отходами. - М.: Вэйсттэк, 2001. 207 с.
2.	Форстер К., Вейз А. Экологическая биотехнология. - Л.: Химия, 1990.
3.	Lang R. J., Stallard W. М., Chang D. P., Tchobanoglous G. Movement of gases in Municipal solid waste landfills / Report California Waste management Board, US EPA, 1989.
4.	Ham R. R., Barlaz M. A. Measurement and prediction of landfill gas quality and quantity / ISWA International sanitary landfill symposium. Cagliari, 1987. P. V1H-1 — VIII-23.
5.	El-Fadel M., Findikakis A. N., Leckie J. O. A Numerical model for methane production in manage sanitary landfills / Waste management & Research, 1989, №7. P. 31—42.
6.	Marticorena B., Attai A.,Camacho P., Manem G., Hesnault D., Salmon P. Prediction rules for biogas valorization in municipal solid Waste landfills I Wat. Sci. Tech. 1993, V.27, №2. P.235-241.
7.	Tchobanoglous G., Theisenh, Eliassen R. Solid waste. — New lork: Me. Grow-HU, 1977.
8.	Methods for estimating greenhouse gas emissions from municipal waste disposal. ЕПР vol.VIH, chap.5 I Municipal waste management, 1999. ISF Consulting (EPA, 1999).
9.	Горбатюк О. В., Минько О. И., Лифшиц А. Б. Ферментеры геологического масштаба / Природа,1989, № 9. С.71-79.
10.	Кожевникова А. Н., Лебедев В.С., Заварзин Г. А., Иванов Д. В., Некрасова В. К., Лифшиц А. Б. Образование, окисление и эмиссия биогаза на объектах захоронения бытовых отходов / Журнал общей биологии, 1995, т.54, №2. С.167—181.
11.	Ножевникова А. Н. Мусорные залежи — «метановые бомбы планеты» / Природа, 1995, Ns 6. С. 25—34.
12.	Ножевникова А. Н., Елютина Н. Ю., Некрасова В. К., Труфманова Е. П. Образование метана микрофлорой грунта полигона твердых бытовых отходов / Микробиология, 1989, т. 58, вып. 5. С. 859—863.
13.	Технико-экоиомическое обоснование (проект) рекультивации городской свалки г. Перми «Софроны». Т.2. Оценка воздействия на окружающую среду. ООО предприятие «КОНВЭК». — Пермь, 2001. С. 31-35.
14.	Проект рекультивации городской свалки г. Чайковского / ООО предприятие «КОНВЭК». — Пермь, 2000. 230 с.
15.	Deponiegas NiederOsterreich. Gefahrdungs und Nutzungpotential allgemeine grundlagen. Teil 1. - Amt der NO Landesregierung, 1991.
16.	Deponiegas NiederOsterreich. Deponieuntersuchungen Gashaushalt. Teil 2. - Amt der NO Landesregierung, 1991.
17.	Federal waste management plan 2001. Austrian Federal Ministry of Agriculture and Forestry environment and water management. — Wien, 2001.
76
Глава 2
18.	Бейли Д., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. -М.: Мир, 1989. Т.1. 691 с.
19.	Feliubadalo J. A generalization of mathematical models for LFG emission / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. Vol. IV. P. 37—44.
20.	McDougal J. R-, Pyrah L. C. Moisture effects in a biodegradation model for waste refuse / 7 International waste management and landfill simposium. Sardinia, 1999. Vol. I. P. 59-66.
21.	El-Fadel M., Massoud M. Comparative assessment of methodologies for methane emissions estimation from MSW landfills 11 International waste management and landfill symposium. — Sardinia, 1999.Vol. IV. P. 63-70.
22.	Steyer E., Ililigsmann S., Radu J. P. A biological pluridisciplinary model to predict municipal landfill life / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. Vol. I. P. 37-45.
23.	Brunner P., Lahner T. Die Deponie. — TU Wien: Institut fur Wassergute und abfallwirtschaft, 1994—1995.
24.	Ham R. R. Sanitary landfill, state of the art I Second landfill symposium. - Sardinia, PortoContc, 1989.
25.	Трибис В.П. Формирование почв на рекультивационном полигоне бытовых отходов / Почвоведение, 2000, № 7. С. 898-904.
26.	Шешнев Е. С., Ларионов В. Г., Куркии П. Ю. Компости-рокание органического мусора / Экология и промышленность России, 1999, июль.
27.	Greenhouse gas emissions from management of selected materials in municipal solid waste. Report. - US EPA, 1998.
28.	DIN EN 13137. Charakterisierung von Abfall - Bestimmung <l»s gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) in Abfall, Schlammen null Scdimenten I Ausgabe: 2001, №12. — Deutsche Fassung EN I Hl 37, 2001.
29.	Umweltmeteorologie — Emissionen von Gasen, Geruchen und Hlnube.n aus diffusen Quellen — Deponien I VDI 3790, Blatt 2, Ausgabe: 2000, №12.
30.	Deponie V. Verordnung fiber Deponien und Langzeitlager mid znr Anderung der Abfallablagerungsverordnung I Ausgabe: 1МИ12. № 07-24.Veroffentlicht in: BGB1 I, 2002.
31.	Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекуль-тиннции полигонов для ТБО. - М.: АКХ им. К. Д. Памфилова, IW0H.
32.	Greenhouse gas emissions from management of selected HiMlrruils in municipal solid waste — US EPA, 1998. 168 p.
33.	Pasey J. Landfill gas production-past and future, a case history I IMWA International sanitary landfill symposium. 1987. P. XI-1 -KI in
II I Barlaz M .A., Ham R. R., Schaefer D. M. Methane production bin» municipal refuse: a review of enhancement techniques and ml* i iibuil dynamics ICRC critical Reviews in Environmental Controle. V III. N'3. P. 557-584.
77
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
35.	Zacharov A. I., Butler А. Р. Modelling biodegradation processes in heterogeneous landfill! waste I 7 International waste management and landfill symposium. Sardinia, 1999. Vol. I. P. 95-103.
36.	De Poli F., Fabrizi F., Rinaldy. Modeling for design of biogas plant and top cover I Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. II11 7 International waste management and landfill symposium. — Sardinia, 1999. Vol. IV. P. 513—519.
37.	Ehrig H. J. Prediction of gas production from laboratory scale tests / Proceedings Sardinia 91. Third international landfill symposium, Cagliari, CISA publisher. Vol.l, 1991. P. 87—114.
38.	Municipal Solid Waste Landfills I Volume 1: Summary of the Requirements, for the New Source Performance Standards and Emission Guidelines for Municipal Solid Waste Landfills (EPA, 1996).
39.	Cooper C. D., Reinhart D. R., Rash F. Landfill gas emissions. Report I Florida center for solid and hazardous waste management. — US EPA, 1992. 130 p.
40.	Baccini P., Henseler R. Water and element balances of municipal solid waste landfills/ Waste management and research 5, 1987. P. 483-499.
41.	Barlaz M., Comobreco V., Repa E., Felker M., Rousseau C-, Rathll J. Life-ciclc inventory of modern municipal solid waste landfill I Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. IV // 7 International waste management and landfill symposium. Sardinia, 1999. P. 337-343.
42.	Aprili P., Bergonzoni M., Buttol P., Cecchini, Neri P. Life-cicle assessment of a municipal solid waste landfill I Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. IV // 7 International waste management and landfill symposium. — Sardinia, 1999. P. 345-352.
43.	Hartz K.E., Klink R.E., Ham R.K. J. Environ. Eng. Div. ASCE, 1982. V.108. P. 629.
44.	СНиП 2.07.01-89. Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений.
45.	СанПиП 2.2.1/2.1.1-98. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов.
46.	Christensen Т., Kjeldsen Р. Basic biochemical processes in landfills Sanitary landfilling, Process, Technology and environmental impart. — London: Academic press, 1994.
47.	Рудакова Л. В. Научно-методическое обоснование снижения эмиссии загрязняющих веществ полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) биотехнологическими методами /Дисс. на соиск. ученой степени доктора биол. наук. — Пермь: IITTV, 2000. 311 с.
48.	Минько О. И., Лифшиц А. Б. Экологические и геохимические характеристики свалок твердых бытовых отходов / Экологическая химия, 1992, №2.
49.	Инвентаризация мест размещения отходов на территории Пермской области / Отчет по НИР. - Пермь: ПГТУ, 2001. 32 с.
Глава 3
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ И ПЕРЕНОСА БИОГАЗА НА ПОЛИГОНАХ ТБО
Необходимым условием дальнейшего прогресса в области обезвреживания отходов в целом, и технологии захоронения в особенности, становится развитие теоретических методов прогноза образования биогаза при разложении ТБО [1].
Несмотря на значительное количество научных публики ций по частным вопросам образования биогаза, закономерности метаногенеза в толще складированных отходов iit'TiuoTCH недостаточно изученными. В известной степени ито объясняется тем, что подобными исследованиями занимаются сравнительно недавно и эмпирической информации накоплено мало. Сложность методов прямых полемик измерений и их высокая стоимость являются причиной того, что такого рода исследования малочисленны. |*Ш1Нообразие местных климато-географических условий, ЦШНюродность объектов исследования, их изменчивость во времени затрудняет выбор из их числа типичных, а необ-ЙПдимость получения статистически достоверных результатом требует проведения многолетних исследований. И пниаи с этим высокоинформативные натурные экспери-М«и*1'Ы являются единичными, особенно в отечественной гике. Поэтому основным инструментом исследований ЙЙТйотся использование современного математического ап-HRpK'i ii и математического моделирования процессов мета-ЙРГтК’ии во времени.
3.1.	Расчетные методы определения объема образования биогаза
Методология оценки эмиссий биогаза со свалочных тел пись по мере развития технологии захоронения. До ♦к» пор. пока реализовывался принцип «собрать и вывез
79
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
ти», об оценке эмиссий не было и речи. К концу 80-х годов в развитых странах свалки постепенно были ликвидированы, началось строительство полигонов захоронения ТБО [2]. В это же время начались и активные исследования процессов разложения отходов, образования биогаза, сделаны первые попытки теоретической и экспериментальной оценки эмиссий.
В России оценкой потенциальной газоносной способности полигонов занимаются с начала 80-х годов Разнощик В. В., Горбатюк О. В., Лифшиц А. Б., Минько О. И., Кожевникова А. Н., Труфманова Е. П. и др. [3, 4, 5, 6, 7, 8].
Среди зарубежных наиболее известны исследования, проведенные Ham R. К., Barlaz М. К., Ehrig Н. J., Tchobanoglous G., Christensen Т. [9, 10, 11, 12, 13].
, В настоящее время моделирование развивается в двух направлениях: для оценки диффузии и миграции биогаза через тело полигона и для оценки количества и скорости выделившегося газа.
С начала 1980-х годов активно развивается моделирование процессов диффузии биогаза на основе теории пере носа вещества с целью установления потоков эмиссий с поверхности [14,15]. Модели переноса используют законы гидравлики, в частности закон Дарси. В настоящее время их применяют при проектировании систем сбора биогаза, при условии, что количество образующегося газа определено стехиометрическим или иным путем.
Для оценки количества и скорости образования биогаза долгое время использовался стехиометрический подход, позволяющий определить теоретически возможный выход биогаза в результате полного разложения в идеальных ус ловиях [1. 2]. Постепенно накапливающиеся эмпиричес кие данные о процессах метаногенеза, о роли биоценозов и абиотических факторов в процессах разложения, развитие мониторинга, прогресса в математическом моделировании привели к созданию моделей биологического разложения Эти модели основаны на исследованиях кинетики и диви мики анаэробных процессов и разделении процесса разло жения ТБО на три стадии: гидролиза, кислотообразования (ацидогенеза) и метаногенеза [4, 10]. Findikakis [16] и I1',! Fadel [17] много лет работали над предварительной моде лью и выводом формулы выхода газа как функции време
80
Глава 3
ии после захоронения отходов на полигоне. В основу расчета были положены результаты определения уровня газообразования для отдельных разлагающихся компонентов и трех фазах: неметаногенной; гиперболически возрастающего разложения (активного метаногенеза); медленного экспоненциального разложения (стабильного метаногенеза).
В России изучением метаногенеза занимались: Институт микробиологии РАН, Всероссийский институт ядер-ной геологии и геодезии, Академия коммунального хозяйства им. Памфилова, фирма «Геополис», ГУП «Экотех-П|)ом». Для прогноза образования биогаза в настоящее Время используются разновидности модели биологического разложения [5, 18].
Г развитием технологии захоронения и изменениями иекоподательства в области захоронения ТБО, в конце 90-х годов в моделировании появился многофазный подход с целью создания комплексных, или мультиплетных, моделей прогноза, учитывающих взаимодействие между газом, жидкостью и твердой фазой [19, 20]. В России, в Института иодных проблем РАН Вавилин В. А., Щелканов М. Ю., Локшина Л. Я. разрабатывали модель активной биохимической среды [21]. Пока эти модели в силу сложности не Ившли широкого применения на практике и остаются в Иодо зрения узкого круга специалистов-исследователей.
Благодаря активным исследованиям полигонов и на-Влюдониям за эмиссиями метана, предпринятым в мире в ИИОладние десятилетия, наряду со сложными подходами к оценке эмиссий появились простые модели, основанные М статистических исследованиях. Примером такого под-»НДИ может служить способ оценки эмиссий, разработанный US ЕРА [22]. Количество выделившегося метана (ЮИн/год) определяется в зависимости от общего количе-НМ захороненных отходов W (тонн) по формулам 4.1—4.4.
Хотя в целом методология оценки эмиссий парниковый генов, в число которых входит и метан, образующий-йв Не полигонах ТБО, развивается и совершенствуется, оценки эмиссий биогаза с полигонов ТБО носит ^ВЦпмгидательный характер, как в России [18, 23], так и М жом. Существующие модели в вычислительном от-NMUiuiinи остаются весьма громоздкими и предъявляют МЫгоапг требования к качеству исходных данных. Отсут
81
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
ствуют и методики определения некоторых ключевых параметров: содержания органического углерода, метанового потенциала, константы разложения.
Для того чтобы математическое моделирование стало полноценным инструментом управления метаногенезом, необходимо определить критерии выбора методики оценки газового потенциала полигонов ТБО из существующего обилия методических подходов и адаптировать эту методику к российским условиям.
Моделирование как метод исследования состоит из трех общих уровней: создание содержательной теории или гипотезы; интерпретация содержания в виде формальной системы — математической зависимости; разработка метода, с помощью которого можно наметить пути решения отдельных задач.
Для описания процессов разложения отходов целесообразно применить теорию, основные принципы которой заложены Brunner Р. [24] и развиты в работах Коротаева В. Н. [25].
Осуществление и завершение жизненного цикла ТБО происходит в рамках глобального природно-ресурсного цикла и является его неотъемлемой частью [24].
Отходы, размещаемые в окружающей среде, ассимилируются путем метаболизма в естественные геологические субстанции - торф, каменный уголь, гидроксиды, сульфаты и др. Эмиссии, сопровождающие процесс ассимиляции, по величине и продолжительности наносимого ущерба значительно превышают соответствующие показатели по дру гим стадиям жизненного цикла ТБО (рис. 4.1, 4.2 [25]).
Основное воздействие ТБО на окружающую среду в про цессе ассимиляции связано с микробиологическими про цессами и биохимическими реакциями, проходящими на объекте захоронения отходов на стадии ацидогенеза и ме таногенеза. Полигон является динамичной экосистемой, проходящей через стадии гидролиза компонентов, роста и разложения ацидогенной и метаногенной биомассы и за канчивающейся утилизацией кислот в результате образо вания метана и диоксида углерода.
Для понимания природы моделей образования биогаза на полигоне необходимо знать свойства объекта и опредс лить параметры, благодаря которым устанавливается ана
82
Глава 3
Гис 3 2 Временная характеристика жизненного цикла продукции и отходов [25]
83
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
логия между моделью и действительностью. Знание свойств объекта, а также математических зависимостей, описывающих механизм биодеградации отходов, позволяет подойти к третьему уровню моделирования — решению задач управления метаногенезом. Такой подход к процессу моделирования позволяет дать достоверное отражение свойств объекта, прогнозировать его состояние на любом этапе его жизненного цикла и наметить рекомендации для практического использования.
Критерии выбора модели и методика расчета основных параметров могут быть разработаны на основе анализа известных моделей прогноза эмиссий биогаза с полигонов ТБО. Рассмотрим их область применения, достоинства и недостатки.
3.2.	Стехиометрическая модель
Стехиометрическая модель является классическим подходом, принятым в общей химии и основанным на исполь зовании брутто-формулы разложения основных составляющих отходов: белков, жиров и углеводов [17, 26].
В общем виде уравнение полного разложения может быть представлено в виде:
а b с d‘e
LL^e\i Ozi
4 2 4	2
a b с 3d
2 8 4 8
... (а b с 3d е\ Нл+\-----+ -+ +
4 <2 8 4 8 4J
('(>2 i dNliу теН
(3.1)
е
4
Расчетные коэффициенты и индексы в уравнении мож но определить по табл. 3.1.
В настоящее время использование этой модели для рас четов ограничено, так как она не учитывает реальные ус ловия разложения, такие как степень аэробной и анаэроб ной деструкции, питательных ограничений, биологичес кого ингибирования процесса, физико-химических взаимодействий. Поэтому полученные значения эмиссии оказываются выше значений, полученных путем натурны х испытаний. По данным US ЕРА [27], стехиометрические расчеты показывают максимальный выход биогаза на урон не 200—500 м3/т ТБО в год. В действительности уровень образования биогаза, по многочисленным полевым изм<-
84
Глава 3
репиям, колеблется от 7 до 80 м3/т ТБО в год [22, 27, 28 и др.]. Однако стехиометрический подход может использо-ипться для определения некоторых ключевых параметров И более сложных моделях биологического разложения, особенно при отсутствии данных о морфологическом составе тио.
Таблица 3.1
Морфологический и химический
состав биоразлагаемых ТБО типичного полигона
•рвяция отходов	Брутто-формула [21]	Молярная масса, кг/кмоль
Пищевые отходы	С 3203 ^507.9^188.4	14,9 $	7 606,5
Ьумпга	□80,6 9Ь2,3 440,8 3.4Й	15 051,9
Сцдово-парковые отходы	С 424.8 Н 635.9^253.8 6.41	9 916,04
	^1321^1904^855,6^4,6^	31 542
кинь, юкстиль	С Я Г) N S V978,8n 1396^416,8'W 70,2°	20825,2
KoNUI	^404.4^634,9^58.1^57.2^	7202,1
hitwim	C4m.eHbmNS	5 574,0
Нмшик	^3506^5.003^1^	63,075
3.3.	Модели биологического разложения
Мидели этого типа находят все большее применение бла-И1Дйрл накоплению экспериментальных данных, которые ННКйиывают приемлемую сходимость результатов прогно-М И реальных значений эмиссий. М. El-Fadel и М. Massoud |И| провели сравнительную оценку эмиссий метана теоре-♦ММ«»окими и экспериментальными методами. Полевые из-уровня биогаза в скважинах показали, что про-Hplrti мы полненный на основе модели биоразложения, со-HUWnriTiyeT реальным значениям эмиссий. Для сравнения М (IMiv 3.1 показана величина эмиссий, рассчитанных сте-ЩйМйтри'кчжи.
Нроцеге биологического разложения описывается ки-им уравнением реакции первого порядка [10, 16,
д[к]/ St —kt. [л]
(3.2)
85
s
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
MB'S'
где |А | концентрация реактивной материи, [kJ — коэффициент пропорциональности.
Для описания процессов разложения отходов большинство авторов [10 и др.] используют это уравнение в виде:
ж =	(3.3)
dt
где Со — начальное содержание органического вещества; k -константа периода полураспада первого порядка (год ’).
На основе этого общего выражения можно определить объем (или массу) биогаза V(t), образованного полной массой отходов за время t, как функцию максимального объе ма биогаза, генерированного единицей массы отходов в единицу времени [26]:
V(t)=Voe k-‘	(3.4)
В разных странах для прогноза образования биогаза используются разновидности уравнения (3.3) в дифференцированном или интегрированном виде (таблица 3.4).
Как правило, они учитывают коэффициент полураспада отдельных компонентов на соответствующих стадиях анаэробного процесса к, - константу разложения [27, 29].
Коэффициент полураспада k = 1/t (1/год) — параметр, относящийся к точке во времени, когда ожидается макси мальный уровень соответствующей стадии разложения компонента — ацидогенеза или метаногенеза [30]. Считает ся, что период стабилизации газовыделения наступает после двухлетней выдержки отходов в толще полигона. Поэтому коэффициент полураспада определяют как величину, об ратную времени с момента закрытия полигона [17] или < момента, когда условия для метаногенеза установились [ 11.
Поскольку принято считать, что 71-77% целлюлозы разлагается на последних этапах жизненного цикла поли гона и образует 90% общего количества метана, биоразлп гаемая часть отходов большинством авторов разделяется на три фракции, с разными периодами полураспада t (год) сахара, жиры, протеины — 1 год, k = 1; садовые отходы 5 лет, k = 0,2; целлюлоза, лигнин — 15 лет, k = 0,067 )
Другим базовым параметром многих моделей биоразлп жения является метановый потенциал отходов (Lo).

86
Глава 3
Годы
-О— стехиометрический метод
—Л— с помощью модели биоразложения
—О— нолевые измерения (прогноз с 2002 года
Рис. 3.3. Сравнение величин эмиссий биогаза, Умученных экспериментальными и теоретическими методами [17]
Метановый потенциал - это количество метана, выделя-
*М(№ 1 тонной отходов данного морфологического состава.
Ниачение метанового потенциала трудно определить 5|||1И|И1'1ески. Оно может иметь величину от 6,2 до м* *С114/т ТБО в зависимости от содержания органичес-ВЧ1 Компонента и условий разложения. Вследствие этого ИМИИнство исследователей устанавливают его различными Ч'роротическими способами или принимают усреднении ямпирическое значение. Например, Lo = 100 м3/т ре-9ИШ«нду<‘•гея US ЕРА, как в наибольшей степени совпада-о эмпирическими данными при значении константы М^иишния k = 0,04. В таблице 3.2 приводятся установ-фЦИМ" различными авторами значения метанового потен-ЦЙМй отходов.
ТИН пик максимальный метановый потенциал све-|Й1* "тх<>д<>11 является их внутренним свойством, неза-ЙЬИмы м от условий полигона, то в настояхцее время |фЬнй'1нцп1от теоретические или лабораторные методы определения.
87
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Таблица 3.2
Значения метанового потенциала (по данным различных источников)
Источник информации	Страна	Метановый потенциал L,m3/tT6O	
		по лабораторным или полевым испытаниям	теоретически рассчитанный
[31]	Италия	106	
[24]	Австрия	120-150	
[27]	США	100-170	
[32]	Австралия	144	
[6,7,8]	Россия	1 880-17987	
[33]	Германия		410
[35]	Австрия		108-450
[26]	Испания	13,86	
[36]	Франция	65	
Максимальный метановый потенциал может опреде ляться с помощью ускоренного биотеста [10] с учетом всех видов ТБО или только с учетом целлюлозы, как преобладающей фракции. Объем образующегося мета на определяется в лабораторных условиях за 60-днен ный период по методике, аналогичной методике опре деления БПК. Он может быть также рассчитан стехио метрически [37].
Тем не менее, не существует единого мнения о велим п не метанового потенциала отходов в целом и морфологи ческих компонентов в частности. Tabasaran, Findikakin указывали величину 150-200 м3/т ТБО [16], Barlaz 35 м3/т сухих отходов [10]. Большая разница между пони зателями может быть результатом излишней формалиаи ции в использовании большого количества данных, неон ходимых для теоретических вычислений. Лабораторные тесты, как правило, не позволяют достичь полного разно жения ТБО, особенно трудноразлагаемых фракций, таки» как древесина, целлюлоза, что также ведет к искаженны реальных показателей.
Некоторые модели первого порядка (например, разри ботанные Marticorena [36], Tabasaran—Retenberger [24 |) <>п ределяют количество образуемого биогаза в зависим!» hi
88
Глава 3
от содержания в отходах разлагаемого органического углерода (degradable organic carbon DOC).
Содержание такого углерода в отходах может быть определено по формуле, предложенной Bingemer и Crut'zeri [28]:
DOC = ОДЛ + 0,1 ТВ + 0,15С + 0,307),
(3-5)
где А1 - содержание в отходах бумаги и текстиля, % ; II содержание садово-парковых и других непищевых отходом, %; С - содержание пищевых отходов, %; D — дерево и Т.п, отходы, %.
По данным ЕРА [37], содержание органического угле-|М1ДП в ТБО разных стран составляло величины, представ-Нкнпые в таблице 3.3.
Таблица 3.3
Содержание органического углерода и твердых бытовых отходах разных стран
Рципн/страна	Содержание органического углерода, д.ед.	Регион/страна	Содержание органического углерода, %
(Жицишя Америка	0,18-0,21	Индия	0,18
|ц*ДД*ит Европа •’	0,08-0,19	Китай	0,09
||ЛИШ)британия	0,1	Бразилия	0,12
ЯМОИИ	0,17		
И целом оба параметра, метановый потенциал и содер-[МИВ разлагаемого углерода, отражают один из главных NTopou в процессе образования биогаза — морфологию Точность прогноза будет зависеть от возможности I Правильного определения. Многообразие расчетных ЦМиЙ, основанных на уравнении (3.3), отсутствие еди-I Методики определения их основных параметров сви-|*ЛМ'твует о сложности прогнозирования эмиссий био-М| большом числе локальных факторов, влияющих на ЦЩМ'пты, и необходимости уточнения расчетных коэф-И4Мви'1'<н1 с учетом особенностей местности и сложившей-РИгтамы управления отходами.
89
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
3.4.	Мультиплетные модели прогноза
Мультиплетные модели объединяют различные ключевые параметры полигона. Уравнения, приведенные ниже, являются элементами такой модели [20]. Наряду с влажностью и содержанием органики, влияющими на процесс образования биогаза, мультиплетная модель характеризует изменение параметров сточных вод и осадки полигона S во времени t.
где Со — начальное содержание органического вещества.
pH=6.71t+4,5	(3.6)
БПК/ХПК = 1,9024 - 0,1015t
[SO4 ] = 2553,3 - 454,7 t
S = 5,7784 log(t) - 19,175
Авторы отмечают хорошую корреляцию теоретических расчетов с результатами, полученными на реальном полигоне Энтон Склэйн в Бельгии (Anton Sclayn, Belgic).
Чтобы повысить точность прогноза, Zacharov A.I. и Butler А.Р. предложили интегрированную модель прогноза [30]. Хотя диапазон факторов внешней среды, влияющих на биологическое разложение, широк, авторы опираются на распространенное мнение о том, что влажность — наиболее управляемый фактор в течение всего жизненного Цикла полигона. Модель базируется на гипотезе о том, что дь-и-жение жидкости через разрушающиеся отходы влияет на преобразование твердого вещества и генерацию метана.
Модель состоит из трех уравнений: уравнения перво го порядка (3.5), уравнения водного потока (3.6) и ста тистической оценки вероятности времени движения за г рязнителя р(Ть) от точки загрязнения к основанию по лигона:
G=Ate kt	(3.71
7g,Ж
-------------- (З.в|
М
90
Глава 3
1 г	-ц 1	Jln(/+5/) -р 1 1
P(h,) =	erf ---'-/=£=4 - erf------------J,
2	[	у/2 о J [	V2 с J
(3.9)
Таблица 3.4
Разновидности моделей прогноза образования биогаза на основе уравнения разложения первого порядка
Источник	равнение	Обозначения
Mnssoud, Н ladel М. [17] lnllubadaloJ. [26]	V(t)= V„ c и	V(t) - объем биогаза; Vo -объем биогаза, образованный ед. отходов в ед. времени; t - общее время генерации; к -константа разложения, 1/год
l>li L.C., McDougal J. R. [19] MulxKlalo J. [26]	V(t) - (V„- k./k’) (e “-I)-( cM- 1)	V(t) - объем биогаза; Vo - объем биогаза, образованный ед. отходов в ед. времени; t - общее время генерации; к -константа разложения, 1/год; к(- ежегодная засыпка
Модель AM им. И Д Памфилова [18]	-k.	]>85 Q.-G„(I-.O-)| w 13	Qt - объем образуемого биогаза, м3/т W - естественная влажность отходов, %; t - продолжительность периода стабилизированного выхода биогаза, год; к - константа разложения
Mtyipni> Tabasaran-№hoiger [24,34]	GI=Gl-(1-'IO"kt} G,= 1,868-CV (0,0141+0,028)	^-количество выделившегося метана за время t, м3; G, - потенциал генерации метана; Со- содержание органического углерода; Т - температура в теле полигона
91
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Окончание таблицы 3.4
Источник	^равнение		Обозначения
LandGEM [27]	A' v G -WL—(i-e**-* 5		G - количество биогаза; Ц- потенциал генерации метана; t - общее время генерации; t( - время от размещения до начала генерации; s - фазовая константа увеличения скорости распада 1-го порядка, 1/год
Marticorena В., Altai А., Camacho Р., ManemG., HesnaultD., Salmon P„ 1993 [36]	V- \MPV F=Sl'i —-—exp a	2 V d )]	F - количество метана, м3/год; Т - вес отходов с одной ячейки; । - количество ячеек или слоев (карт], d - время разложения, год; t - продолжительность периода выхода биогаза; МРС - метановый потенциал неразложившихся отходов
ЕРА, 1998 [22]	2k	+ 2	к- константа разложения; Go - количество биогаза; Т - время пикового уровня биогаза, год; Т - время хранения отходов; Ls - потенциал генерации метана
EIIP, 1999 Landfill Air Emissions Model [28]	Q = Lo R (e kc-e	)	Q  уровень метанообразо вания; Lo - потенциал генерации метана; R - ежегодный прирост о< ходов; с - время с момента закры тия полигона; t - текущий год; к - константа разложения
92
Глава 3
где: С. — концентрация i-ro компонента; Gi — уровень генерации i-ro компонента, прошедшего через толщу отходов с иодным потоком q к основанию полигона площадью А] за иремя Ть; р(Ть) ~ вероятность времени движения загрязнителя от точки образования до основания полигона; erf — функция стандартной ошибки; ц — логарифмическая скорость вертикального гидравлического потока; <т — стандартное* отклонение.
3.5.	Модели переноса свалочных газов
Модели переноса используются в настоящее время для рйечета параметров систем дегазации. В основу этих моделей положен фундаментальный физический процесс переноса потока газа через пористую среду, вызванный градиентом давления. При этом принимается, что модельное сиилочное тело является гомогенной средой.
Модель переноса, разработанная Lang (1989), определяет уровень газовой генерации как функцию времени [15]. II ходе экспериментальной проверки разработанных уравнений он установил, что на мелких полигонах большой Площади путь наименьшего сопротивления газовому потому направлен вверх даже с глиняным покрытием полиго-ММ. Сорбция газов в засыпке приводит к нарушению процесса переноса к поверхности. Lang показал, что массовый 1млдпс элементарного объема газа в полигоне описывается |фйнпением:
P~ = -v(p1/)+G,	(з.1О)
|<ДЛ1 р плотность газа, кг/м3; t — время, с; V — объемная НИфость, м/с; G — уровень газообразования, кг/м3*с;
После ряда преобразований по закону идеальных газов | Никову Дарси уравнение движения газа по Lang прини-1ММГГ «ил:
,	<• ( М фг/ д( М Sp1'\ д( М фА
Г I М атомная масса биогаза (СН4+СО2), кг/кг* моль; у пи нереальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль • К;
I н-мпература газа, °К; р. - вязкость газа, кг/м*с;
93
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
К - внутренняя проницаемость, м; G — уровень газообразования, кг/м3-с; х, у, 2 — координаты.
Основным недостатком моделей переноса является их одномерность. Они не учитывают сорбционные процессы и процессы биоразложения, которые значительно влияют на диффузию главных (смесь СН, и СО2) и следовых компо нентов биогаза [27].
Модели переноса предполагают наличие определенных базовых допущений; часть из которых, однако, если не все, не совсем корректны. Во-первых, предполагается, что пространственное распределение отходов в теле свалки и их состав известны; во-вторых, что «история» захоронения отходов записана; в-третьих, допускается, что тело свалки — гомогенная пористая среда с известными характеристиками; в-четвертых, уровень газообразования известен в каждой точке внутри полигона и является постоянным. Свойственные моделям переноса допущения практически не встречаются, поэтому такой подход к оценке эмиссий в настоящее время ограничен.
Практические расчеты систем дегазации, тем не менее, основываются на использовании математического описания движения газа в условиях градиента давления. В настоящее время эти задачи решаются на основе закона Дар си для ламинарного потока жидкости через пористые среды. Поток газа из тела полигона к скважине выражается математически следующим образом:
V = -k—,	(3.12)
dl
где: I — расстояние от скважины (м); V — скорость газа (м/с); k — коэффициент проницаемости (м/с); h — гидрав лический напор (м).
Производная dh/dl - гидравлический градиент на расстоянии 1 м.
Закон Дарси применим только к ламинарному потоку-жидкости или газа. Для определения характера потока обычно используется число Рейнольдса (Re).
Ламинарное движение жидкости имеет место, если число Рейнольдса, определяемое по формуле (3.13), больше-или равно 2000.
Re = 0,0354 Q/d • v,	(3.13)
94
Глава 3
I'Air. Q - расход газа, м3/ч; d — внутренний диаметр газопровода, см; v - коэффициент кинематической вязкости, м3/с.
Это означает, что закон Дарси применим только к очень медленному перемещению воды или газа. Максимальная скорость газа (V) при соблюдении ламинарного режима «оставляет 0,3 см/с. В условиях активной дегазации поток Пиогаза рассчитывается как турбулентный (число Рейнольдса - более 4000).
Использование теоретических моделей, основанных на пиконе Дарси, требует оценки таких параметров, как гидравлическое сопротивление, газопроницаемость слоя отходив, текущий уровень газообразования, статическое давление. в скважине, вязкость биогаза, радиус трубы, радиус Влияния буровой скважины.
Гидравлическое сопротивление слоя отходов может’ сильно изменяться даже в пределах одного полигона. Обычно оно находится в интервале от 10 7 до 1012 см2.
Газопроницаемость может быть измерена, принята по физическим характеристикам свалочного грунта или рассчитана по формуле [15]:
Р,, Л2-1п(/?/г)-И Р 6-£о
2 + Р/) (^D/Z.)~ ’
(3.14)
Где: k - проницаемость слоя отходов (см2); PL — давление в Толе полигона (Па/м2); Pv - давление в скважине (Па/м2); Н радиус влияния, (м); г — радиус буровой скважины (м); (Л — вязкость биогаза (Па/с); D — плотность среды (Кг/м3); Q — уровень газообразования (м3/с/- Е — эффективность системы сбора (1 — 100 %); М — емкость полиго-Ий (кг); WD - длина экрана скважины (м); L — глубина Полигона ТБО (м).
Применение этих уравнений возможно только при условии, что уровень газообразования Q, или метановый по-УВИЦиал, известен, то есть либо измерен, либо определен Теоретически с помощью моделей биоразложения.
3.6. Метод расчета эмиссий
Все перечисленные методы расчета газообразования довольно сложны и требуют определенного качества и коли-цнгтпн исходных данных. Их общим недостатком являет-
95
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
ся использование большого числа зависимых параметров, которые не могут быть должным образом определены или измерены. С практической точки зрения сомнительно, что вся требуемая информация будет когда-нибудь существовать.
Зачастую известно лишь общее количество складируемых отходов и их поступление на полигон за последние несколько лет. Это влияет на точность прогнозирования и усложняет практическое применение моделирования.
Так как характеристики отходов и условия работы полигона существенно варьируют в различных регионах, скорость выделения свалочного газа и его состав колеблются в широком диапазоне. Тем не менее, можно систематизировать основные требования к моделированию процессов метаногенеза.
Для прогноза эмиссий биогаза с российских полигонов параметры моделей должны учитывать их характерные особенности: отсутствие учета длительности воздействия складированных отходов на окружающую среду; отсутствие предварительной подготовки отходов перед захоронением; отсутствие системы дегазации; применение земляной засыпки в качестве защитного покрытия; отсутствие изолирующей пересыпки складируемых слоев отходов.
Поэтому моделирование должно рассматриваться, с одной стороны, в качестве приблизительного индикатора ожидаемых тенденций образования биогаза [1], с другой -использоваться шире и более гибко, в зависимости от поставленных задач. Идеальной была бы модель, которая позволяла бы решать практические задачи в реальные сро ки и при минимуме исходных данных. На данном этапе исследований разработать универсальную модель невозможно, однако при наличии определенных исходных данных и методов расчета эмиссий, применяемых в практи ке проектирования полигонов, можно адаптировать су ществующие модели в соответствии с поставленными задачами для закрытых, эксплуатируемых и проектируй мых полигонов в зависимости от их емкости и специфи ческих особенностей.
На основе проведенного анализа можно сформулиро вать основные принципы разработки модели прогноза <>1»
96
Глава 3
ршювания биогаза на полигоне ТБО, с тем чтобы она стала надежным инструментом управления метаногенезом.
Модель должна отвечать некоторым общим требованиям:
it) соответствовать поставленной задаче (оценка глобальных эмиссий илй локальных воздействий);
б) соответствовать типу полигона (свалка или санитарный полигон) и этапу его жизненного цикла (рекультивируемый или действующий);
и) учитывать наиболее важные факторы, влияющие на «миссию метана;
г) быть удобной для проектировщика и пользователя и ИВ содержать большого количества эмпирически определяемых констант;
д) давать результаты, достаточные для принятия практических решений.
Скорость и полнота протекания процессов биодеструкции отходов зависят, главным образом, от их морфологического, химического состава, климато-географических условий, стадии жизненного цикла полигона.
Источником биогаза являются биоразлагаемые фракции отходов, составляющие в среднем 60 — 80% от массы ТБО, И которым относятся пищевые отходы, садово-парковые, Цумнга, древесина, некоторые виды текстиля.
\ Наиболее важной стадией, лимитирующей общую скорость разложения органических веществ в теле полигона, Йиляется разложение целлюлозы. Считается, что 71—77% Целлюлозы разлагается на последних этапах жизненного Цикла полигона. Поэтому общее время разложения отходом определяется временем распада средне- и медленно-рйилягаемых фракций.
Факторами, которые целесообразно учитывать в прогно-ЙХ образования биогаза, являются влажность отходов и ЦХ морфология. Температуру в теле полигона и рН-среды Можно рассматривать в оптимальных для метаногенеза Диапазонах значений и не принимать во внимание их ко-ДаПмния, так как они всегда приводят к торможению или Н|н» к ращению процесса. Таким образом, целесообразно, Моделируя процесс, принять следующие допущения.
I.	Температура и pH среды рассматриваются в диапазона пнпчений, оптимальных для метаногенеза.
97
Управление метаногенезом на полигонах твердых (ытовых отходов
2.	Содержание метана в биогазе составляет 50% [24, 37].
3.	Активная фаза метаногенеза наступает через два года после формирования анаэробных условий.
4.	При деградации отходов 1% от общего содержания биоразлагаемого углерода переходит в фильтрат.
5.	Процесс разложения отходов подчиняется кинетическому уравнению первого порядка (3.3). Константа скорости разложения k определяется по времени полураспада основных фракций отходов и их влажности.
Величина константы разложения k может быть рассчитана следующим образом.
Время полураспада это время, за которое начальная концентрация Со уменьшается наполовину, т.е.
В результате интегрирования кинетического уравнения первого порядка (3.3) получаем уравнение:
cfSC Ь
J—=	(3-15)
1пС0—lnC=fe(t	(3.16)
Отсюда	.
£=--1п —
* G	(3.17)
При С = 1/,С0 константа разложения определяется по формуле:
где т0 5 — время полураспада компонента.
Время полураспада для разных типов отходов зависит и первую очередь от влажности поступающих на захороне ние отходов и годового количества осадков, присущих ме
98
Глава 3
гтпости, где расположен полигон. Значения периода полураспада и константы разложения для разных условий понизаны в табл. 2.2.
« Наиболее важной стадией, лимитирующей общую скорость разложения органических веществ в теле полигона, пиляется разложение целлюлозы. Считается, что 71—77% целлюлозы разлагается на последних этапах жизненного цикла полигона и образует 90% общего количества метана 110, 11]. Поэтому общее время разложения отходов определяется временем распада средне- и медленноразлагаемых фракций, и величину константы скорости разложения можно принять как среднее для этих фракций значение, пренебрегая значением для быстроразлагаемых фракций: Й - 0,072 для районов с годовым количеством осадков бо-нрг <>50 мм (влажные условия), k = 0,037 для районов с годовым количеством осадков менее 650 мм (сухие условия).
Принимая указанные допущения, можно считать, что величина эмиссии биогаза будет определяться количеством И морфологическим составом отходов, их влажностью. Изменение этих параметров можно выразить через величину метанового потенциала отходов, определенного с учетом коэффициента биоразложения. Максимальное коли-ЧШ’тпо биогаза, которое может выделиться из одной тонны отходов, определяется стехиометрически. Однако (мыльное газообразование значительно меньше. Точность Прогнозирования будет зависеть от того, как определен Иитиновый потенциал отходов. Экспериментально обосно-ММиую максимально возможную в реальных условиях НЧФнень разложения отходов — фактор биоразложения BF |MUличных органических отходов — можно определить по НАлице 2.2.
Тйким образом, для моделирования эмиссий метана НИЛыювателю в качестве исходных достаточно определить МВдукпцие параметры: морфологический и химический МИНИН биоразлагаемой части ТБО; зольность отходов А (доля влажность и> (доля ед.); коэффициент биоразложения НУМодои на стадии полного метаногенеза ВДдоля ед.).
Первоначально на основе морфологического состава ТБО (ИНЧ’Чн гывается метановый потенциал Lm (нм3/т сухих от-•идни) для каждой фракции отходов, с учетом коэффици-он । и Пцоразложения BF и зольности А, по формуле (3.19):
99
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Л01 = 1 ООО "' (1 - А ) 22,4  а  0,99	(3.19)
Г,	’
где пс — число киломолей углерода, содержащееся в 1 тонне фракции; р. — молярная масса фракции, кг/кмбль (табл. 2).
После соответствующих преобразований формула принимает вид:
= 11088 -^--(1 А )В f , (нмз/т). (3.20) а,
Полный потенциал генерации метана Lo (нм3/т сухих отходов) можно определить по формуле:
А, =£(/.„, х.) («м3/т)>	(3.21)
где xt — доли биоразлагаемых фракций.
Количество метана Q (нм3), выделившееся за время t. можно определить следующим образом:
“Г = (А, Mc-Q)-k,	(3.22)
dx
где Lo — метановый потенциал отходов, нм3/т; k — константа разложения.
Мг ~ масса сухих отходов (в тоннах), которую удобнее выразить через массу влажных отходов, М поступающих на полигон:
Ч =А/вл(1-и),	(3.23)
где w — влажность отходов, поступающих на полигон, доли ед. Интегрируя, а затем логарифмируя это уравнение, получаем объем выделившегося метана (нм3):
Q = ЛД,(1 -	AM1-e h )•	(3.24)
Дифференцируя уравнение (3.21), можно определить скорость образования метана (в нм3) в год;
)/.„4 = (1 - w)Z,0A/„ к е лк"т'),	(3.25)
где т; ~ время, необходимое для установления анаэробных условий.
100
Глава 3
Формулу (3.25) можно использовать для расчета эмиссий метана (биогаза) на различных этапах жизненного цикла полигона.
Для действующего полигона необходимо учитывать среднегодовое накопление массы отходов Мсг. В этом случае Мшя рассчитывается так:
М = М т., ВЛ	СГ 17
где г( расчетный год эксплуатации полигона.
Формула (3.25) принимает вид:
Усщ = (1 - w)L^MaTi - к 	(3.26)
На этапе рекультивации полигона масса отходов прини-Мйстся постоянной и равной общей массе на момент закрытия Мх. Расчет ведется по формуле (3.25).
Особенностью захоронений ТБО в России является горе-иис складированных отходов, так как происходит ряд экзотермических реакций, приводящих к саморазогреву. При Мйличии кислорода в пограничных зонах, объем которых Может быть достаточно большим, и метана, мигрирующе-ID И теле полигона, происходит самовозгорание, приводящие к пожарам. На большинстве эксплуатируемых свалок НЦЖиие происходит круглый год в течение многих лет. В рциультате часть отходов, а следовательно и органического |>ГЛ«рода, выгорает. Поэтому в расчетах целесообразно при-ЙИМНТь это явление во внимание и уменьшать массу отхо-на величину сгоревших, которую можно определить, Пользуясь действующими Временными рекомендациями по |Ж(|’1Сту выброса вредных веществ в атмосферу в результа-W сгорания на полигонах твердых бытовых отходов [38].
Рошение системы уравнений (3.24) и (3.11) позволяет Нронзнодить расчет систем дегазации.
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Проектирование и эксплуатация полигонов для захоронения твердых бытовых отходов в странах с переходной экономикой / Рабочие материалы. Доклад ЕРА на II Конгрессе по управлению отходами. - М.: Вэйсттэк, 2001. 207 с.
2.	Вайсман Я. И., Коротаев В. Н., Петров В. Ю. Управление отходами. Захоронение твердых бытовых отходов. — Пермь: Перм. гос. техн, ун-т, 2001. 103 с.
3.	Разнощик В. В. Проектирование и эксплуатация полигонов для ТБО. - М., 1981.
4.	Горбатюк О. В., Минько О. И., Лифшиц А. Б. Ферментеры геологического масштаба / Природа, 1989, № 9. С. 71- 79.
5.	Проскуряков А. Ф. Методы обезвреживания свалочных грунтов, фильтрата, биогаза. М., 1993.
6.	Ножевникова А. Н., Лебедев В. С., Заварзин Г. А., Иванов Д. В., Некрасова В. К., Лифшиц А. Б. Образование, окисление и эмиссия биогаза на объектах захоронения бытовых отходов / Журнал общей биологии, 1995, т. 54, №2. С. 167- 181.
7.	Ножевникова А. Н. Мусорные залежи - «метановые бомбы планеты» / Природа, 1995. С. 25-34.
8.	Ножевникова А. Н., Елютина Н. Ю., Некрасова В. К., Труфманова Е. II. Образование метана микрофлорой грунта полигона твердых бытовых отходов / Микробиология, 1989, т. 58, вып. 5. С. 859 863.
9.	Ham R.R. Sanitary landfill, state of the art / Second landfill symposium. - Sardinia, PortoConte,1989.
10.	Ham R. R., Bari az M. A. Measurement and prediction of landfill gas quality and quantity / ISWA International sanitary landfill symposium. Cagliari, 1987. P. VIII 1 - VIII-23.
11.	Ehrig H.J. Prediction of gas production from laboratory scale tests I Proceedings Sardinia 91, Third international landfill symposium. - Cagliari, CISA publisher, 1991. Vol.l. P. 87-114.
12.	Tchobanoglous G., Theisenh, Eliassen R. Solid waste. — Me. Grow-Hill, New lork, 1977.
13.	Christensen T., Kjeldsen P. Basic biochemical processes in Landfills. Sanitary landfilling, Process, Technology and environmental impart. - London: Academic press, 1994.
14.	Seigner C., Coughlin P., Robert E., Newburger H. Perceptions of Landfill Operations Held by Nearby Residents. — Philadelphia, Pennsylvania: Regional Science Research Institute, 1973.
15.	Lang R. J., Stallard W. M., Chang D. P., Tchobanoglous G. & all. Movement of gases in municipal solid waste Landfills / Report California Waste management Board. - US EPA, 1989.
16.	El-Fadel M., Findikakis A. N., Leckie J. O. A Numerical model for methane production in manage sanitary landfills / Waste management & Research, 1989, №7. P. 31—42.
17.	El-Fadel M., Massoud M. Comparative assessment of methodologies for methane emissions estimation from MSW landfills  7 International waste management and landfill symposium. Sardinia, 1999.Vol. IV. P. 63-70.
102
Глава 3
18.	Методические указания по расчету количественных ха ршстеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых отходов. — М.: АКХ им. К. Д. Памфи-шнш, НПП «Экопром». 1995.
19.	McDougal J. R., Pyrah L. С. Moisture effects in a biodegradation model for waste refuse / 7 International waste mnnagement and landfill simposium. Sardinia,1999. Vol. I. P. 59—66.
20.	Steyer E., Hiligsmann S., Radu J. P. A biological pluridisciplinary model to predict municipal landfill life / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. Vol. I. P. 37-45,-
21.	Вавилин В. А., Щелканов M. Ю., Локшина Л. Я. Влияние диффузии на распространение концентрационных химических волн при разложении твердых бытовых отходов / II Конгресс по управлению отходами. - М.: Вэйсттэк, 2001. С. 142.
22.	Greenhouse gas emissions from management of selected materials in municipal solid waste. Report. - US EPA, 1998.
23.	Инструкция no проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для ТБО. - М.: АКХ им. К. Д. Памфилова, 1998.
24.	Brunner Р., Lahner Т. Die Deponie. — TU Wien: Institut fur Wussergute und abfallwirtschaft, 1994—1995.
25.	Коротаев В. H. Научно-методические основы и технические решения по снижению экологической нагрузки при управлении движением твердых бытовых отходов / Дисс. на соискание уч. ст. докт. техн. наук. - Пермь, 2000.
26.	Feliubadalo J. A generalization of mathematical models for I.FG emission / 7 International waste management and landfill Nllnposium. — Sardinia, 1999. Vol. IV. P. 37-44 (Garaff landfill).
27.	Cooper C. D., Reinhart D. R., Rash F. Landfill gas emissions. Report. Florida center for solid and hazardous waste management. -UH EPA, 1992. 130 p.
28.	Methods for estimating greenhouse gas emissions from municipal waste disposal. ЕПР, vol.Vin, chap. 5. Municipal waste hiiuiiigcment, 1999. 1SF Consulting (EPA, 1999).
29.	De Poli F., Fabrizi F., Rinaldy. Modeling for design of biogas plniil and top cover I Environmental impact, aftercare and falnndiation of landfills. Vol. II // 7 International waste management Hint hindfill symposium. - Sardinia, 1999. Vol. IV. P. 513—519.
.'1	0. Zacharov A. I., Butler A. P. Modelling biodegradation liroeeases in heterogeneous landfilll waste / 7 International waste lllMiiiigeincnt and landfill symposium. - Sardinia, 1999. Vol. I. I' 91» 103.
III.	Aprili P., Bergonzoni M., Buttol P., Cecchini, Neri P. Life iiyrln n.ssessinent of a municipal solid waste landfill / 7 International Wn«ttv management and landfill symposium. — Sardinia, 1999. Vol. I I* 345-348.
Swarbrick G., Valsky A. Mass transfer rates for Australian IhikII'iIIs. Australian landfills, 1999.
33 Thrupp G., Lamborn J. M., Delfino T. A. Landfill gas H»>iini nt ion rates estimated from pressure rebound in extraction
103
Illi ШМ1И11ИИХ шердых бытовых отходов_
кн v li niuiH'ii I ill impact, aftercare and remediation of ihiiiI)IHh t Inlet niil ioiial waste management and landfill «I ih|«i«iiiiii IIni 111111a, 1999. Vol. II. P. 449—456.
II linpoiilcgiis NiederOsterreich. Gefahrdungs und Nut-»11 иg pi<11'и l.lи I iillgemeine grundlagen. Teil 1. - Amt der NO 1 .и 1111 on i I'girrurig, 1991.
.1	5. Deponiegas NiederOsterreich. Deponieuntersuchilngen Gn.-iliiiiislnilt. Teil 2. — Amt der NO Landesregierung, 1991.
36.	Marticorena B., Attai A., Camacho P., Manem G., Hesnault D., Salmon P. Prediction rules for biogas valorization in municipal solid Waste landfills / Wat. Sci. Tech., 1993. V.27, №2. P. 235-241.
37.	Municipal Solid Waste Landfills. Volume 1: Summary of the Requirements, for the New Source Performance Standards and Emission Guidelines for Municipal Solid Waste Landfills. — US EPA, 1996.
38.	Временные рекомендации по расчету выброса вредных веществ в атмосферу в результате сгорания на полигонах твердых бытовых отходов и размеров предъявляемого иска за загрязнение атмосферного воздуха. - Минэкологии РФ, 1992.
Глава 4
ПРИМЕНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ПРОГНОЗА ОБРАЗОВАНИЯ БИОГАЗА
4.1. Применение моделей Американского агентства по охране окружающей среды (US ЕРА)
Американское агентство по охране окружающей среды мсдет постоянный мониторинг эмиссий биогаза на полигонах ТБО, данные которого облегчают использование расчетных моделей, так как позволяют назначать некоторые параметры в виде констант. Для оценки глобальных эмиссий US ЕРА рекомендует следующую методику [1].
Для больших полигонов вместимостью более 1,1 млн Типи, расположенных во влажной климатической зоне с родовым количеством осадков более 650 мм, количество образующегося метана определяется следующим образом:
метан (т/г) = 0,0077x(0,26W + 417,957) ± 15%,	(4.1)
рдо W — общее количество захороненных отходов, тонн.
Для южных полигонов, расположенных в сухой зоне с родовым количеством осадков менее 650 мм:
метан (т/г) - 0,0077x(0,16W + 417,957) + 15%.	(4.2)
Соответственно для малых полигонов (вместимостью Ц*иое 1,1 млн тонн):
метан (т/г) = 0,0077x(0,35W + 20%) (во влажной зоне); (4.3)
метан (т/г) = 0,0077x(0,27W + 20 %) (в сухой зоне). (4.4)
Итот подход, основанный на статистическом анализе данных 22 американских полигонов, по мнению самих йнторов, имеет ряд недостатков. Во-первых, невелика
105
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
точность оценки ± 15—20%, особенно для малых полигонов. Во-вторых, модель основана на данных, полученных при рекуперации выделившегося метана, которые по отношению к метанообразованию являются косвенными. Поэтому такой способ расчета может использоваться лишь для приблизительных оценок общей эмиссии метана с полигонов в масштабе региона.
Альтернативной моделью расчета является модель расчета воздушных эмиссий полигона (Landfill Air Emissions Estimation Model) [1]. Она базируется на уравнении первого порядка в следующем виде:
QCHi-RLo(e^-e^),	(4.5)
где: QCH4 - уровень метанообразования в год; Rx — среднегодовое накопление отходов; Lo — потенциал генерации метана; t — текущий год; с — время, прошедшее с момента закрытия полигона (для действующих полигонов с=0); к - константа скорости распада 1-го порядка (1/год).
US ЕРА рекомендует принимать Lo= 170 м3/т; к = 0,04 при уровне осадков более 635 мм, к = 0,02 — при уровне осадков менее 635 мм.
Модель LandGEM разработана в виде программного продукта на основе уравнения (4.6) и позволяет определить общий объем метана, выделяемого тонной ТБО в момент времени t [2, 3]:
G - WLO (i-e -ч-i,)) . (ke h<'	(4.6)
где: G — генерация биогаза полигона, т/год; W — отходы на площадке, т; Lo~ потенциал генерации метана, м3/т; t — время от начала размещения отходов, годы; t1 — время между размещением отходов и началом регенерации био газа, годы; k - константа скорости распада 1-го порядка, год 1; s — фазовая константа увеличения скорости распада первого порядка, год1.
С помощью этой модели можно рассчитать величину максимальных ожидаемых эмиссий биогаза (по парамет рам Clean Air Act, 1990 (САА): k = 0,05 год4; Lv == 100 м3/т) и так называемых типичных эмиссий (параметры Ап
106
Глава 4
Pollution Emission Factor, 1995 (AP-42): k = 0,04 год1; - 170 m3/t).
Прогноз эмиссий по параметрам, характерным для конкретного полигона, возможен в том случае, если полигон оборудован скважинами, позволяющими определить поток метана, и точно известен состав складируемых ТБО, » частности содержание органически разлагаемого углерода. Для расчета константы разложения (к) необходимо знать количество и диаметр газосборных скважин, радиус их влияния, а для расчета метанового потенциала, Lo, необходимы полевые измерения потока метана в скважинах.
Модель позволяет также рассчитать количество неметановых органических соединений (одорантов, летучих органических соединений, в т.ч. хлорорганических соединений), входящих в состав биогаза и выделяющихся в микроконцентрациях.
Необходимо отметить, что значения эмиссий, полученные по уравнению (4.6), могут отличаться от действительных на 38 — 200% из-за особенностей, присущих каждому отдельному полигону. Однако многими исследователями отмечается приемлемая сходимость результатов экспериментов на реальных полигонах с данными, полученными с Помощью этой модели.
Согласно расчетам образования биогаза, выполненным Aprili Р., Bergonzoni М., Buttol Р., Cecchini, Neri Р. [4] по Методу LandGEM, одной тонной твердых отходов в течение первых 30 лет эксплуатации полигона Поятика (Poiatica) производится 201 м3 биогаза. Органическая со-ОТанляющая отходов на полигоне составляет 77% общей Мйссы, 1 тонна органических отходов образует 250 Нм3 бМ(Н'аза, содержание метана в биогазе 55%, плотность отходов — 0,8 т/м3. В этих условиях константа генерации Метана k = 0,089 1/год, потенциал генерации метана - 106 м3/т.
Thrupp G. и др. указывают, что на австралийском полигоне Нарре Варен (Narre Warren), оборудованном системой сбора газа из 188 скважин [5], при соответствующей ШЦфсктировке входных данных по плотности отходов расчеты но параметрам АР-42 более близки к реальным зна-•н>ппям, полученным в полевых условиях.
107
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Особенности российских полигонов захоронения ТБО не позволяют использовать модель LandGEM без изменений,
учитывающих высокое содержание активного углерода в отходах и повсеместное отсутствие систем дегазации. Поэтому достоверное определение численных значений константы скорости генерации метана к и потенциала генерации метана Lo представляет определенные трудности.
Мы провели верификацию параметров по значениям k и Lo в соответствии с фактическими данными, характеризующими состояние городской свалки г. Перми «Софроны».
Среднегодовое поступление ТБО составляет 247,7 тыс. тонн. Массив ТБО сложен из разновозрастных отходов смешанной морфологии (бумага — 22,5%; стекло — 17,2%; пищевые отходы — 10,5%; текстиль, дерево, кости — 7,2%; строительный мусор — 7,1%; пластмасса — 5,6%; металлы и прочее — 28%). Содержание органического вещества в ТБО составляет (С ) - 41,5% [6].
В модели LandGEM значение константы скорости генерации метана k = 0,04—0,05 принято для зон с годовым количеством осадков не более 400 мм/год. Для нашего климатического района с годовым максимальным количеством осадков 600—700 мм/год k должна иметь величину 0,07—0,09. При этом значения метанового потенциала Lo в российских условиях должны быть не менее 170 м3/т. Для полигона «Софроны» принято 170 м3/т, в соответствии рекомендациями АР-42. Результаты расчета эмиссий представлены на рис. 4.1.
Значения эмиссий, которые могут быть получены при использовании этой модели, в большой степени зависят от качества вводимых исходных данных. Помимо константы
разложения и метанового потенциала, величины которых на большинстве российских полигонов можно установить лишь теоретически, необходимо иметь точную информацию о ежегодном поступлении отходов на захоронение в течение всего периода эксплуатации. Российские полигоны эксплуатируются десятки лет. Часто время начала эк сплуатации установлено приблизительно, а год закрытия определен с точностью в 5—10 лет. Мониторинг состояния окружающей среды отсутствует. В таких условиях приме нение модели LandGEM оправданно только для оценки общих эмиссий и времени воздействия полигона на окру жающую среду (правая часть кривой).
108
Глава 4
Рис. 4.1. Эмиссия СН4 с полигона «Софроны» с использованием уточненных параметров модели LandGEM
4.2. Расчет эмиссий биогаза в Австрии и Германии
В Австрии и Германии при исследовании полигонов и разработке проектов дегазации используется модель расчета эмиссий биогаза, разработанная Tabasaran — Retenberger [7, 8, 9, 10].
Математическое уравнение разложения 1-го порядка имеет вид:
G, =g;-(i-io-‘'),
(4.7)
где Gt - количество газа, которое может образоваться за Вр('МЯ t из 1 тонны ТБО (нм3).
Величина Ge определяется по формуле:
G, = 1,868 Со(0,014Г + 0,028),
(4.8)
109
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
где Со — содержание органического углерода в отходах (кг/т ТБО); Т — температура (°C), принимается для ограниченной области температур от 25 до 40°С.
Константа разложения k назначается равной 0,025 или 0,05, так как считается, что 75% отходов разлагаются в период от 24 до 12 лет.
В реальных условиях полигона ТБО образуется лишь часть теоретически возможного количества биогаза, газообразование рассчитывается с учетом поправочных коэффициентов по формуле, предложенной Weber [8]:
Gt =i,86&MCofaflofJskeh,
(4.9)
где М — количество отходов, т; Со — то же, что и в (4.7); fav — коэффициент, принимаемый при послойном уплотнении 2-метровыми слоями и заделке отвалов по краям 0,95 и 0,8 — при заделке тонкими слоями; fa — коэффициент разложения, учитывающий содержание в отходах нераз-лагаемого и трудноразлагаемого углерода, принимаемый 0,7; fo — коэффициент, отражающий соотношение между образованием газа в оптимальных и реальных условиях, принимаемый 0,7; Д — фактор регистрации, учитывающий наличие или отсутствие систем дегазации на полигоне (показывает соотношение между собранным системой газом и фактическим его количеством).
Величина фактора регистрации принимается следующим образом:
fs = 0,0 0,1 - полигоны без систем дегазации;
—	fs = 0,1—0,2 - пассивная дегазация;
—	fs = 0,25—0,5 — активная дегазация;
—	fs = 0,3-0,7 — активно-пассивная дегазация;
—	fs = 0,7—1,0 — загерметизированный полигон;
где k — коэффициент разложения первого порядка, принимается по литературным данным — от 0,05 до 0,15; т -время разложения.
Для примера приведем расчеты образования биогаза на полигонах «Люнебург» в Германии и «Корнебург» в Австрии.
Новый полигон ТБО «Люнебург» заложен в 1989 году рядом со старым, существовавшим с 1959-го по 1986 г., площадью 12 га. С 2002 г. отходы подвергаются предвари тельной механико-биологической обработке [10].
110
Глава 4
Количество отходов, которое будет размещаться на полигоне, принято по согласованию со службой эксплуатации с учетом плотности укладки. Ежегодное поступление определено таким образом, чтобы в 2046 году был достигнут нетто-объем окончательной формы хранилища в 4960 323 м3. В таблице 4.1 показаны значения основных расчетных параметров полигона.
На рис. 4.2 показано максимальное и регистрируемое количество биогаза, которое может ежегодно образоваться из заданной массы отходов. На графике видно воздействие старого тела полигона: резкое возрастание количества газа с 1996-го по 2000 год в результате заделки большой массы отходов. Процесс разложения начинается в 2046 году в соответствии со сроком окончания эксплуатации. Максимальное количество газа, в соответствии с заданной степенью регистрации, составит 2600 м3/ч и 1300 м3/ч.
Таблица 4.1
Расчетные параметры для прогноза количества биогаза на полигоне «Люнебург» [10]
Наименование основных расчетных параметров	Значения расчетных параметров	Примечания
- коэффициент укладки	0.9	Заделка слоями по 0,3 м, 5 м/год
/ - коэффициент оптимизации	0,7	
f. - коэффициент регистрации	0,5 1	
f - коэффициент разложения	0,7	
Содержание органического углерода Со	150 кг/т ТБО 115 кг/ТБО	До 2002 г. После 2002 г.
Константа разложения к	0,09	
Полигон «Корнебург» в Нижней Австрии емкостью 290 тыс. м3 (266 тыс. т) отходов эксплуатировался с 1970-го по 1999 год. Прогноз выполнялся для оценки газоносного потенциала полигона и определения возможности его использования в качестве источника электроэнергии. Согласно прогнозу, максимальное количество газа образовалось на полигоне в 1991 году и составило 39,4 млн нм3. На
111
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовы; отходов
Рис. 4.2. Прогноз образования биогаза на полигоне «Люнебург» [10]
рис. 4.3, отражающем результаты прогноза, четко видно изменение количества складируемых отходов в 1987 году и снижение газообразования с 1991 года, связанное с началом раздельного сбора ТБО и снижением количества органического углерода в отходах.
При использовании модели Tabasaran - Retenberger — Weber возникают определенные трудности. Они связаны с определением количества биологически разлагаемого углерода и отсутствием, в большинстве случаев, практических данных о приеме отходов в течение тех лет эксплуатации, когда технологический контроль на полигоне отсутствовал.
К недостаткам данной модели можно отнести отсутствие определенности в назначении коэффициента разложения f и константы разложения k, которые назначаются без расчета и должного обоснования. Необходима также поправка к значению коэффициента укладки fao, так как при
112
Глава 4
послойном уплотнении, применяемом в России, минимально возможная плотность укладки составляет 0,45 т/м8 при массе бульдозера или катка 3-6 т, а максимально возможная — 0,84 т/м8 при массе бульдозера 20-22 т и начальной плотности 0,15—0,3 т/м3 [И].
Таблица 4.2
Расчетные параметры для прогноза количества биогаза на полигоне «Корнебург» в Нижней Австрии (10]
Наименование основных расчетных параметров	Значения расчетных параметров	Примечания
f - коэффициент укладки	1	Заделка слоями по 0,3 м, 5 м/ год
f- коэффициент оптимизации	0,7	
/ - коэффициент регистрации	0,2	
f - коэффициент разложения	0,7	
Содержание органического углерода С°	170 кг/т ТБО 100 кг/ТБО	До 1996 г.
Константа разложения к	0,035	
4.3. Расчет эмиссий биогаза по методике АКХ им. Памфилова
В России для прогноза образования биогаза используется методика, разработанная Академией коммунального хозяйства (АКХ) им. Памфилова на основе уравнения Tabasaran — Retenberger [12]. Уравнение (4.7) преобразовано с учетом влажности ТБО. Определение удельного выхода биогаза производится по формуле (4.8). Расчет выбросов биогаза ведется после стабилизации процесса разложения при максимальном выходе биогаза в 4-й фазе анаэробного разложения с постоянным выделением метана (10 — 30 лет).
Q, - G„ (l-10~kt)  1,85/(1~(W - 60)/13).	(4.10)
где Qt - объем образуемого биогаза, м3/т ТБО; W — естественная влажность отходов, %; t — продолжительность
113
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Рис. 4.3. Прогноз образования биогаза на полигоне «Корнсбург» [10]
периода стабилизированного выхода биогаза (4-я фаза); к — постоянная разложения; Go — определяется по формуле 4.8-
Общее количество биогаза, выделившееся в период с начала эксплуатации до момента расчета, определяется по формуле:
Q, == Pt (t - 2) V.
(4.11)
где Р' — количество отходов, завезенных на полигон с начала эксплуатации до расчетного момента, за вычетом отходов, завезенных за последние 2 года, т; t — период с начала эксплуатации до момента расчета; V — количествен ный выход биогаза на 1 тонну ТБО в период 4-й фазы, кг/т ТБО год.
Эмиссия биогаза (кг) с 1 м2 активной части полигона и год рассчитывается по формуле:
F=P V/S.
(4.12)
где S - площадь полигона (м2).
114
Глава 4
Рассчитав удельный выход биогаза по концентрациям компонентов биогаза и зная его плотность, определяют удельные массы выбрасываемых компонентов, которые пересчитываются на удельные выбросы в единицу времени.
Зная количестйо отходов, завезенных на полигон по годам (Р{), и удельные выбросы компонентов биогаза в единицу времени (Pt ), можно определить максимальные разовые выбросы загрязняющих веществ с полигона (г/с).
-	X Pt ^000.	(4.13)
где Pt — удельные выбросы в единицу времени (мг/с на тонну ТБО); Pti - количество отходов, завезенных в i-й год (тонн); Т - продолжительность эксплуатации полигона к моменту расчета (лет).
Валовые выбросы вредных веществ (т/год) определяются с учетом среднего коэффициента неравномерности обра-вования биогаза в теплое и холодное время.
Прогноз образования биогаза по этой методике выполнен нами в проекте рекультивации эксплуатируемого полигона «Софроны» г. Перми [6].
Для расчета были использованы следующие исходные данные.
Объем складированных отходов — 27 250 тыс. тонн при Начальной плотности в местах сбора 0,2 т/м3. Общий объем складированных отходов за 22 года эксплуатации -4«36О тыс. м3, или 5450 тыс. тонн. Среднегодовое поступление ТБО в период 1978 — 2000 г., исходя из общего объема накопленных отходов и времени эксплуатации свалки 22 года, составляет 247,7 тыс. тонн. В перспективе количество завозимых ТБО увеличится и составит 1457,8 тыс. м3, или 291,6 тыс. тонн. Время стабильного образования метана составляет 20 лет с момента размещения отходов. Удельный выход биогаза принят равным 5,61 м3/т ТБО И год, содержание метана в биогазе — 56%.
Результаты прогноза газоносной способности представлены на рис. 4.4.
По прогнозу, максимальный выход биогаза с территории свалки предполагается в 2009 году. Максимальный нОьем биогаза - 31 150 тыс. м8/год.
115
Управление метаногенезом на полигонах твердых бьговых отходов
Расчеты показывают, что главный недостаток модели заключается в оценке содержания органического углерода и определении удельного потока биогаза, который всегда принимается одинаковым — 5,6 м®/т ТБО. По данным таблицы 3.3, содержание органического углерода в отходах для различных свалок России сильно колеблется и зависит от величины населенного пункта, а величина потока вообще может варьироваться в широких пределах, что должно учитываться в расчетах.
Рис. 4.4. Динамика образования биогаза на полигоне «Софроны»
4.4. Управление метаногенезом путем математического моделирования процесса образования биогаза
С целью увеличения точности прогноза, учета таких параметров, как влажность, морфологический состав, нами была опробована методика, изложенная в параграфе 3.6 Расчет выполнялся для полигона «Софроны» г. Перми.
По формулам (3.25 — 3.26) на основе установленного т> результатам многолетних исследований морфологически го состава отходов были рассчитаны объем образующего»-и метана и скорость его выделения.
116
Глава 4
Количество образовавшегося газа рассчитано по формуле (3.10) с учетом количества накопленных отходов (Мв) за период эксплуатации полигона и прогноза их дальнейшего поступления на полигон до 2008 года.
Таблица 4.3
Количество отходов, размещаемых на полигоне «Софроны»
Период	Ежегодное поступление, тыс. т	м». тыс. т
1978-1999	247,7	5201,7
2000-2008	291,56	2624,04
Всего	539,26	7825,74
Количество отходов, способных генерировать биогаз, можно определить следующим образом:
Mt 0,9- 0,69 -М,
(4.14)
где 0,9 — коэффициент, учитывающий количество отходов, сгоревших в результате пожаров на полигоне; 0,69 — коэффициент, учитывающий долю влаги в отходах; М — количество отходов, накопленных к моменту времени I, тыс. т.
По СНиП 2.01.03 [13], годовое количество осадков для Перми и области — более 697 мм, поэтому константа разложения принимается для влажных условий эксплуатации. Общее время разложения отходов лимитируется средне- и медленноразлагаемыми фракциями, поэтому используем среднее значение констант этих типов отходов. Таким образом:
^0098^46 2
(4.15)
Расчет потенциала генерации метана с учетом фактора биоразложения по формулам (3.21—3.26) приведен в табл. 4.4.
Полный потенциал генерации метана (Lo) для «Софронов» составляет 153,621 м®/т ТБОсух. Если учесть то, что в Последние несколько лет резко снизился объем бумаги, поступающей на полигон, полный потенциал генерации уменьшится на соответствующую величину и составит
117
118
Результаты расчета максимального потенциала генерации метана
Фракция отходов	Число атамов углерода, пе	Молярная масса, И,	Число молей в 1 кг сухой фракции	Зольность, \	Разлагаемая часть (1-А.1	Максимальный потенциал генерации, Ц, м’/т	Потенциал генерации, М ЛуБО	Доля фракции, х (по массе)	Гкпепаш генераамя метай
Пищевые	320,3	7606,5	0,042	0,05	0,95	443,556	368,152	0,106	38,914
Бумага*	580,6	15051,9	0,039	0,06	0,94	402,038	221,121	0,226	49,885 '
Дерево	1321	31542	0,042	0,015	0,985	457,407	100,630	0,023	0,101
Садовые*’	424,8	9916,04	0,043	0,045	0,955	453,631	326,614	0,12145	39,194
Текстиль	978,8	20825,2	0,047	0,025	0,975	508,116	421,736	0,042	17,502
Кожа’*’	400,4	7202,1	0,056	0,1	0,9	554,793	410.753	0,012	4,929
Резина”*	454,9	5574,2	0,082	0,1	0,9	814,384	410,753	0,012	4,929
Итого						3633,925	2259,758		153,621
* При поступлении на полигон бумага не сортируется, поэтому фактор биоразложения усреднили.
*4 Долю садовых отходов принимаем как 50% от прочих.
Пги поступлении на полигон кожа и резина не разделяются.
Глава 4
103,648 м3/т ТБО ух. Это.,хорошо согласуется с данными Findikakis, полученными в результате наблюдений и анализа массового баланса, указывающего уровень образования метана от 100 до 250 м3/т ТБО [14].
Скорость образования метана, м3/год, рассчитанная по (3.25) и (3.26), показана на рис. 4.5.
Рис. 4.5. Скорость образования метана на полигоне «Софроны» по методике АКХ им. Памфилова
Для сравнения был выполнен прогноз по методике Tabasaran - Retenberger. При расчетах была принята температура в 'теле полигона 35° С и расчетные параметры, указанные таблице 4.5.
Таблица 4.5
Расчетные параметры для прогноза количества биогаза на полигоне «Софроны» г. Перми по методике Tabasaran — Retenberger
Наименование основных расчетных параметров	Значения расчетных параметров
f,„, - коэффициент укладки	0,8
С- коэффициент оптимизации	0,7
t. коэффициент регистрации	0,1
- коэффициент разложения	0,7
Содержание органического углерода Со	319,75 кг/т ТБО
Константа разложения к	0,015
		0,072		
119
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
На рис. 4.6 показаны результаты прогноза при двух значениях константы разложения: k = 0,015 в соответствии с рекомендациями методики (7, 8] и значением k = 0,072, которое наиболее соответствует условиям «Софронов» [13] и определено по формуле (3.16).
Рис. 4.6. Скорость образования биогаза на полигоне «Софроны» по методике Tabasaran — Retenberger при различных значениях константы разложения
На рис. 4.7 представлен сравнительный график прогнозов метанообразования, полученных с помощью рассмотренных выше моделей.
Различия, которые возникают при использовании различных методов прогноза, объясняются в первую очередь отсутствием четкой и обоснованной методики определения массы отходов, участвующей в процессе метаногенеза, количества органически разлагаемого углерода или метанового потенциала, константы разложения. Климатические условия также учитывают не все модели. На рисунке видно, что период эмиссий свалочных газов, определенный по предлагаемой методике, значительно короче, чем по другим прогнозам, что подтверждают результаты, получен ные при исследовании свалочных грунтов 10—12-летней давности на свалках «Софроны» и «Голый Мыс» в районе г. Перми. На свалке «Голый Мыс», закрытой 20 лет назад.
120
Глава 4
—— -Retenberger	— —USEPA
—О—АКХим. Памфилова -<8 предлагаемая
время, лет
Рис. 4.7. Сравнение прогнозов образования биогаза на полигоне «Софроны», полученных с помощью различных моделей
эмиссий не обнаружено [15]. В этой связи предлагаемая нами методика оценки газоносной способности полигонов по формулам 3.21—3.26 с учетом зольности отходов представляется более обоснованной и полной. Она позволяет достаточно точно подсчитать метановый потенциал, учитывая зону влажности и морфологический состав отходов данного полигона. Коэффициент разложения выбирается также с учетом морфологического состава и климатической зоны (формула 3.16). Расчет ведется по массе складированных отходов, что позволяет пренебречь изменениями плотности отходов при укладке и в процессе разложения. Учет сгоревшей части отходов также повышает точность прогноза.
Модель достаточно проста и может использоваться при минимуме информации о полигоне или хранилище отходов для решения различного типа инженерных и исследо
121
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
вательских задач, для любых мест захоронения ТБО и на любом этапе его жизненного цикла.
Для оценки точности модели нами были проведены лабораторные исследования, в основу которых была положена методика J. Е. Jois и др. [16]. Биоразлагаемые отходы следующего состава: пищевые - 17,2%, садовые -27,8%, бумажные - 53,3%, - подвергались аэробному разложению в натурных условиях в течение 90 суток, затем были извлечены и гомогенизированы. Проба весом 0,5 кг помещена в стеклянный реактор, в котором созданы анаэробные условия. Лабораторная установка показана на рис. 4.8. Периодически, в процессе наблюдения за выделением биогаза, проводился газохроматографический анализ (ГХА).
Рис. 4.8. Схема лабораторной установки для определения объема биогаза, образующегося в результате анаэробного разложения отходов
Расчет метанового потенциала выполнен на период раз ложения 119 дней по формулам (3.21) и (3.22). Расчет па раметров приведен в таблице 4.6. Зольность и влажность определены лабораторным путем по методике [17]. Объем выделившегося метана — по формуле (3.24).
Метановый потенциал смеси Lo~ 0,2796. Константа раз ложения k == 0,0628 = 1,72 • 10 4 1/день.
122
Глава 4
Таблица 4.6
Расчет метанового потенциала
Наименование отводов	Зольность А} доли ед.	Содержание компонента в смеси отходов, %	Молярная масса	Число атомов углерода vr	Фактор биоразложения	Метановый потенциал, л/кг
Пищевые	0, 0519	17,2	7674	320,3	0,83	0,062
Бумага	0, 0519	53,0	15045,96	580,6	0,6	0,12879
Садово-парковые	0, 0519	27,8	9916,04	424,8	0,72	0,0889
В таблице 4.7 приведены результаты определения количества газа лабораторным и расчетным путем. Скорость образования биогаза показана на рис. 4.9. Корреляционный анализ показал уравнение регрессии для эмпирической кривой: у — 0,074е °>0386х . Квадрат смешанной корреляции R2 = 0,935.
Для расчетной кривой: у = 0,0797е O-O26fe ; R2 = 0,8263.
На рисунке 4.9 видно, что эмпирическая и расчетная кривые совпадают, когда биогаз состоит в основном из диоксида углерода. По мере увеличения количества метана в биогазе (приблизительно через 50 суток) наблюдается отклонение расчетной кривой (метан) от эмпирической (биогаз), что соответствует характеру выделения и составу биогаза на начальной стадии разложения.
Проведенный анализ существующих способов прогноза эмиссий биогаза с полигонов ТБО, а также экспериментальных данных позволяет сделать ряд выводов.
Выбор метода оценки эмиссий биогаза зависит от поставленной цели. На глобальном уровне, когда биогаз рассматривается как парниковый газ, целесообразно оценить (ч'о максимально возможный выход стехиометрическим путем, а в масштабах региона или области — по приближенным формулам, исходя из суммарного количества захороненных на полигонах и свалках отходов.
На региональном или локальном уровне для определения рентабельности добычи биогаза, проектирования систем дегазации, а также для решения инженерных задач рекультивации и т.д. целесообразно использовать модели биоразложения, параметры которых должны быть скорректированы в соответствии с морфологическим составом TI1O, жизненным циклом полигона, технологией захоро-
123
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Таблица 4.7
Количество метана, определенное расчетным путем и в лабораторных условиях
Время разложения, суг	Объем выделившегося газа в пересчете на нормальные условия, л/кг сухого вещества	Расчетное количестто метана, л/кг сухою вещества	Количество метана по данным ПСА, %
3	0,1937	0,0268	
7	0,3880	0,06250	
10	0,4850	0,0893	0,013
15	0,6789	0,1339	
17	0,7263	0,1500	
21	0,900	0,1800	0,09
23	1,3105	0,205	
30	1,6989	0,267	
53	3,9705	0,4718	0,25
60	6,3915	0,5339	
75	8,3263	0,6660	
86	10,9915	0,7635	
97	13,7515	0,8604	
119	18,448	1,018	3
лабораторные данн ые, биогаз Нрасчетиые дани не, м етан J
Рис. 4.9. Объем выделившегося биогаза
124
Глава 4
нения и инженерной инфраструктурой полигона. Важным фактором при выборе модели, от которого зависит точность и надежность прогноза, является наличие исходных данных о полигоне.
По этим признакам полигоны можно разделить на группы, в каждой из которых модель будет выполнять определенную задачу с соответствующей точностью: закрытые, находящиеся на этапе эмиссий (старые свалки); эксплуатируемые, не имеющие систем дегазации; эксплуатируемые и проектируемые с пассивной системой дегазации, проектируемые с активной системой дегазации.
Таблица 4.8
Область применения моделей биоразложения
Тип полигона	Требуемые исходные данные	Задачи	Модели и параметры
Проектируемый	Морфология ТБО Ежегодное накопление ТБО, наличие системы дегазации	Проектирование систем дегазации и оценка воздействия на окружающую среду	г. vjJ*?. (1 - ,->'«). Ice-Mu.) Л -4SU.., «,) (1 eh) G, - Гц 11-10 h) 1.86» Cn (0,0141 +V.O28)
Эксплуатируемый	Общая мощность складированных отходов, частичные данные о ежегодном складировании и морфологическом составе ТБО	Оценка воздействия на окружающую среду; оценка газоносной способности	О 1,868 C« (O.OMT+0,028) (1-юЪ
Закрытый	Общая мощность складиро-	Определение этапа жизненного цикла, продолжительности периода воздействия и начала освоения площадки	e=w.(i ")£(/,,-x,в,) о-,-”)
Закрытый до 1990 г. мощностью до 100 000 м3 ТБО	ванных отходов	Мониторинг с целью предотвращения взрывов и пожаров	Оценка газоносной способности не требуется. Максимальный метановый потенциал - 10,5 м3/т ТБО
125
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
В таблице 4.8 приводятся основные требования к исходным данным и инженерные задачи, которые могут быть решены с достаточной надежностью при использовании моделей биоразложения.
В ближайшем будущем, как в России, так и за рубежом, математическое моделирование останется основным инструментом при решении задач по управлению негативными воздействиями полигонов на окружающую среду. Для того чтобы результаты полученных прогнозов можно было использовать для расчета конкретных проектов, необходим минимальный ряд измеренных в течение нескольких лет эмиссий. В этом случае, с помощью соответствующей поправки, модели расчета образования биогаза могут работать с достаточно высокой надежностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Municipal Solid Waste Landfills. Volume 1: Summary of the Requirements, for the New Source Performance Standards and Emission Guidelines for Municipal Solid Waste Landfills (EPA, 1996).
2.	Cooper C. D., Reinhart D. R., Rash F. Landfill gas emissions. Landfill gas emission. Report. Florida center for solid and hazardous waste management. US EPA, 1992. 130 p.
3.	Gabr M. A., Hossain M. S., Barlaz M. A. Solid waste settlement in landfills with leachate recirculation.
4.	Aprili P., Bergonzoni M., Buttol P., Cecchini, Neri P. Life cycle assessment of a municipal solid waste landfill I 7 International waste management and landfill symposium. — Sardinia, 1999. Vol. I. P. 345-348.
5.	Thrupp G., Lamborn J. M., Delfino T. A. Landfill gas generation rates estimated from pressure rebound in extraction systems I Environmental impact, aftercare and remediation of landfills П1 International waste management and landfill symposium. — Sardinia, 1999. Vol. II. P. 449-456.
6.	Технико-экономическое обоснование (проект) рекультивации городской свалки г. Перми «Софроны» Т.2. Оценка воздействия на окружающую среду / ООО предприятие «КОНВЭК». — Пермь, 2001. С. 31-35.
7.	Brunner Р., Lahner Т. Die Deponie. — TU Wien: Institut fur Wassergute und abfallwirtschaft, 1994-1995.
8.	Deponiegas NiederOsterreich. Gefahrdungs und Nutzungpotential allgemeine grundlagen. Teil 1. — Amt der NO Landesregierung, 1991.
126
г-ч
Глава 4
9.	Deponiegas NiederOsterreich. Deponieuntersuchungen Gashaushalt. Teil 2. — Arnt der NO Landesregierung, 1991.
10.	Erganzungsplanung Zentraldeponie Luneburg Genehmigungsantrag. Gesellschaft fur Abfallwirtschaft Luneburg mbH. Pr. № 926, 1997.
11.	Санитарная очистка и уборка населенных мест: Справочник / Под ред. А. Н. Мирного. — М., 1990.
12.	Методические указания по расчету количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых отходов. — М.: АКХ им. К.Д.Памфилова, 1995.
13.	СНиП 2.01.01 — 82. Строительная климатология и геофизика. — М.: Стройиздат, 1983. 136 с.
14.	El-Fadel М., Findikakis A.N., Leckie J.O. A Numerical model for methane production in manage sanitary landfills I Waste management & Research, 1989, №7. P. 31-42.
15.	Комплексная опенка загрязнения окружающей среды пермской городской свалкой. Отчет о НИР / Аналнтцентр КНР. — Пермь, 1998.
16.	Jois J.E., Sato С., Cardena R. Composting of polycyclic aromatic hydrocarbons in Sunulaties municipal solid waste / Water & environmental research, 1998, №8. P. 356-367.
17.	ГОСТ 23740-79. Грунты. Методы лабораторного определения содержания органических веществ.
Глава 5
МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОГЕНЕЗОМ
Управление метаногенезом позволяет регулировать и эффективно снижать эмиссию загрязняющих веществ. Комплексная переработка ТБО, аэробная стабилизация, увлажнение и орошение полигона, дегазация в сочетании с соответствующими программами мониторинга являются взаимосвязанными инструментами управления метаноге незом на всех этапах жизненного цикла системы «ТБО — полигон — эмиссии». При регулировании входных параметров системы путем всесторонней подготовки к депонированию ТБО эмиссии на выходе значительно уменьшаются и дальнейшее содержание и восстановление полигона требует значительно меньших затрат. При отсутствии технической или финансовой возможности предварительной подготовки ТБО эмиссии можно снизить с помощью более сложных систем дегазации и мониторинга, что приводит к повышению затрат на эксплуатацию и рекультивацию полигона.
5.1.	Комплексная переработка ТБО как инструмент управления метаногенезом
Ключевым звеном стратегии формирования инертного тела полигона являются прием на складирование предварительно обработанных отходов, сжигание ТБО и склади рование образующегося шлака.
Механическая и биологическая предварительная обра ботка позволяет управлять основными факторами, ответ ственными за эмиссии полигона: морфологией отходов, технологией захоронения и жизненным циклом полигона. Устранение биоразлагающихся компонентов, окисление неорганических материалов, изменение плотности отходов.
128
Глава 5
снижение содержания влаги приводят к поведению отходов на полигоне, близкому к инертному.
В период эксплуатации полигона, на котором захороненные ТБО не проходят биологическую и механическую предварительную обработку, эффективным способом ускорения процессов разложения могут служить активация окислительных процессов в верхних слоях отходов путем продувки воздухом в сочетании с экскавацией старых, разложившихся отходов и использованием их для пересыпки новых отходов.
5.1.1.	Комплексная механико-биологическая обработка отходов
Одним из эффективных путей снижения эмиссий является предварительная обработка отходов, поступающих на захоронение. В наибольшей степени экологическим и экономическим требованиям соответствует технология комплексной механико-биологической обработки ТБО (МБО). Она сочетает в себе процессы сортировки, термическую и биологическую переработку отходов.
В развитых странах применяются различные методы МБО (табл. 5.1), цель которых — минимизация образующегося газа и фильтрата, сокращение периода эмиссий.
Эффективность использования МБО принято оценивать по величине эмиссий биогаза, содержанию летучих веществ (в процентах) и респирационной активности отходов (мг О2/г сух.).
Изменения этих показателей приведены на рис. 5.1 для полигона в Люнебурге. Предварительно сортированные ТБО измельчают и подвергают биологической обработке в сочетании с рециркуляцией фильтрата в течение 16 недель [9]. Исследования показали, что газовый потенциал снижается от 150—250 л/кг сух. ТБО до 10 л/кг сух. ТБО. За счет более высокой гомогенности обработанных отходов их гидравлическая проводимость составляет 10'7—10 в. Эффективность разложения обработанных отходов по уровню выделяемого метана соответствует разложению в условиях обычного полигона в течение 100 лет.
Основной задачей механико-биологической обработки (МБО) является интенсивная минерализация органического и стабилизация оставшегося неорганического вещества.
129
Таблица 5.1
Методы предварительной обработки и их влияние на свойства отходов
130
Методы предварительной обработки	Источник	Цель обработки	Полученный эффект	1 Остаток, направляемый 1 на захоронение, %, или др. аффекты
Усиленное увлажнение в комбинации со сжиганием и без сжигания	Япония [6]	Ускорение стабилизации полигона	Снижение общего содержания углерода	Сокращение периода эмиссий
Трехстадийная сортировка с двухстадийной выдержкой при температуре 30° — 600°, влажности 45 — 50%, аэрации 60 нм3/ч	Австрия [2]	Достижение инертного состояния тела полигона	Снижение уровня биогаза до безопасного за 19 недель	На захоронение 21 %,остаток от сжигания 8,9%
Обработка потоком воды	Италия [5]	Увеличение скорости разложения органических веществ, отделение нераз-лагаемых химических соединений	Выделение газа снижается на 90%, снижение ХПК на 90%, снижение эмиссий РЬ, Zn, Hg	Сокращение периода эмиссий
Измельчение, гомогенизация, компостирование в открытых траншеях на полигоне. Сепарация	Германия [7]	Снижение общего количества углерода	Снижение эмиссии с 20 мг/м3 до 10,4 мг/м3, отсутствие запахов через 4 дня обработки	50%
Окончание таблицы 5.1
Методы предварительной обработки	Источник	Цель обработки	Полученный эффект	Остаток, направляемый на захоронение, %, или др. эффекты
Отделение бумаги, пластика. Измельчение. Биологическая обработка в авто-: клавах. Обработка на био-фильтрах I	Германия [8]	Снижение уровня образования биогаза	Снижение общего содержания углерода на 87,5% Снижение уровня биогаза на 90%	Сокращение периода эмиссий
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Благодаря этой стратегии инертное состояние тела полигона достигается за более короткий срок, при незначительных эмиссиях биогаза. Механическая обработка влияет на характер последующего уплотнения материала. Биологическая обработка, которая обычно делается в аэробной системе, снижает количество органического вещества, складируемого на полигоне.
В целом МБО является одним из эффективных способов управления метаногенезом на вновь сооружаемых полигонах, так как способствует гомогенизации и снижению веса и объема отходов, снижению количества биоразлагаемых компонентов или биологической стабилизации, снижению газового потенциала и компонентов, образующих фильтрат, снижению газовой и гидравлической проводимости [1, 8].
Элементами комплексной переработки отходов являются механическая, биологическая и термическая обработка ТБО, аэробная стабилизация окислительных процессов.
Рис. 5.1. Изменение воздействий полигона в результате предварительной МБО отходов на полигоне «Люнебург» [9] (Заштрихованная область - необработанные отходы. Область черного цвета отходы после 16 недель МБО. VS - содержание летучих твердых соединений. ЛТ - респирационная активность, GB - количество выделяемого биогаза)
132
Глава 5
5.1.2.	Механическая обработка отходов
Механическая обработка отходов может включать сортировку, измельчение отходов и прессование.
Сортировка — это разделение твердых отходов по морфологическому составу. В результате селективного сбора отходов изменяется их количественный и качественный состав. При сортировке отделяется утилизируемая фракция отходов, выделяется поток биоразлагаемых пищевых и растительных отходов, направляемых на биологическую обработку. В результате снижается общее количество отходов, направляемых на захоронение, и уменьшается доля органической составляющей отходов, что впоследствии влияет на количество образовавшегося биогаза.
В таблице 5.2 показано фактическое изменение эмиссий биогаза в результате введения в Германии процесса сортировки отходов [10, 11].
Таблица 5.2
Влияние сортировки отходов на количество генерированного газа
Полигон	Количество генерированного биогаза, млн. Нм3 (период)		Максимальный выход биогаза, Нм3/час (год)	
	при сортировке	без сортировки	при сортировке	без сортировки
Tulin	136,1 (1984-2020)	199,4 (1983-2020)	697 (1996)	1,286 (2001)
Hohenruppersdorf	115,0 (1991-2039)	218,5 (1990-2039)	342 (2030,2031)	868 (2020)
St. Valentin	270,5 (1977-2076)	399,2 (1977-2076)	594 (1994)	1,042 (2025)
Как следует из таблицы 5.2, при разделении отходов происходит снижение максимального выхода биогаза, а общее его количество сокращается почти в 2 раза.
Внедрение системы полного селективного сбора ТБО в России на современном этапе не представляется возможным по ряду причин, прежде всего из-за неподготовленности населения и отсутствия необходимой инфраструктуры. Однако механизированная сортировка на объектах промышленной переработки отходов и на мусороперегру-<ычпых станциях, с учетом специфики и возможности ре
133
Vi леиие Mei аногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
ализации выделенных компонентов ТБО, показала свою эффективность на ряде предприятий Москвы и Московской области. По предварительным оценкам, механизированная сортировка позволяет снизить поток отходов, направляемых на захоронение, на 23—25%.
Измельчение. Интенсивность и эффективность большинства химических, диффузионных и биохимических процессов, протекающих в теле полигона, возрастает с уменьшением размера складируемых материалов. Поэтому наряду с сортировкой уменьшение размеров отходов имеет важное самостоятельное значение. В зависимости от размера получаемой фракции выделяют дробление (размер частиц не менее 5 мм) и помол (размер частиц менее 5 мм). При измельчении уменьшается объем отходов (до 50%) и облегчается складирование их на полигонах. Кроме того, измельченные отходы могут подвергаться более высокой степени уплотнения. При измельчении твердые отходы из различных компонентов преобразуются в относительно однородную массу. Материал становится гумусоподобным, почти без запаха, что не привлекает мух и паразитов, и относительно негорючим.
Органическое вещество в измельченных отходах распределено более равномерно, что увеличивает скорость его аэробного разложения и, как следствие, ускоряет стабилизацию полигона.
Но у технологии измельчения отходов есть свои недостатки: во-первых, в отходах всегда содержатся фракции, которые не подвергаются измельчению. Поэтому перед измельчением должна быть стадия сортировки. Во-вторых, хотя биологическое разложение отходов ускоряется, вместе с этим ускоряются процессы миграции загрязняющих веществ в грунт под полигоном, что может привести к заг рязнению грунтовых вод. Поэтому складировать измельченные отходы необходимо на полигон, имеющий изоляционный экран, не позволяющий загрязняющим веществам просачиваться в грунтовые воды.
Прессование. В практике утилизации отходов в каче стве подготовительной стадии широко используются мето ды прессования отходов в брикеты (брикетирование) с це лью придания им компактности, обеспечивающей лучшие условия транспортирования и хранения отходов.
134
Глава 5
Уплотнение, присущее этому процессу, способствует уменьшению занимаемого объема. Помимо этого, прессование отходов имеет еще ряд преимуществ. При уплотнении устраняется большинство расщелин и пустот, через которые возможны неорганизованные эмиссии биогаза. Уменьшается доступная для насекомых площадь поверхности, в которой они предпочитают откладывать яйца, что положительно сказывается на эпидемиологической обстановке полигона.
Основные затруднения, возникающие в процессе брикетирования твердых бытовых отходов, связаны с тем, что поступающие отходы не гомогенны и их состав нельзя заранее предугадать. Производственные испытания показали, что целесообразно предварительно измельчать отходы, перед тем как подавать их в брикетирующую установку.
Снижение влажности брикетированных отходов замедляет процессы метаногенеза, но не останавливает их. В результате метаногенез брикетированных отходов все же происходит, хотя и в меньшей степени. Данные о составе газа, образующегося при хранении брикетов до захоронения их на полигонах, приведены в табл. 5.3 [12].
5.1.3.	Биологическая обработка отходов
Одним из наиболее известных методов биологической обработки отходов является компостирование. Несмотря на различные модификации метода — от немеханизированных грунтовых площадок до автоматизированных заводов — компостирование ТБО в промышленных масштабах не получило широкого распространения. Затраты на компостирование примерно равны затратам на сжигание и пиролиз отходов. Однако при сжигании объем отходов уменьшается на 90%, а при компостировании — на 30 — 40% [13]. При этом компост, получаемый из ТБО, характеризуется высоким содержанием балластных, иногда токсичных веществ, имеет невысокую агротехническую ценность и в большинстве случаев рекомендуется для использования только в технических целях. Целесообразно его использовать на самих полигонах для рекультивации или ежедневной засыпки. Компостирование, таким образом, выгодно осуществлять не на компостных заводах, а на специальных участках на территории традиционных полиго
135
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
нов. Такая схема позволит снизить затраты на процессы компостирования, транспортировку и получать компост более низкой себестоимости.
Таблица 5.3
Состав газа в уплотненных отходах
Типы брикетов	Продолжительность отбора проб, сут.	Содержание газа, %		Температура брикета, °C	
		С0г	0,	внутри	на поверхности
Бытовые рыхлые,	4,5	7	13,1	40,5	35
23,8 кПа	8	2,9	17,5	38,9	33,9
Бытовые рыхлые, 13,6 кПа	4,5	6,4	14,2	53,9	51,7
Упакованные в бумажн.	4,5	4,2	16,2	47,8	45
мешки, 23,8 кПа	8	4,5	15,6	37,8	43,3
Упакованные в бумажн.	4,5	4,2	16,2	46,1	39,4
мешки, 13,6 кПа	8	6,9	13,2	46,1	39,4
Упакованные	4,5	3,5	17,3	41,1	36,7
в пластмассу, 23,8 кПа	8	3,7	16,7	41,1	32,2
Упакованные	4,5	7,6	12,4	36,1	33,9
в пластмассу, 13,6 кПа	8	4,7	15,5	33,3	31,7
5.2.	Аэробная стабилизация полигона, увлажнение и орошение полигонов
Аэробная стабилизация полигона, как метод управления метаногенезом, сокращает период разложения отходов и может использоваться как на эксплуатируемых, так и на старых полигонах. Аэробная стабилизация заключается в подаче воздуха в тело полигона.
Аэробные процессы обычно протекают быстрее, сопровождаются большим количеством выделяемого тепла, идут до образования конечных продуктов разложения органических веществ — СО2, Н2О, NH3, H2S.
Аэробная стабилизация полигона представляет собой простой, практичный и экономичный способ захоронения отходов, обеспечивающий успешное удовлетворение сани тарных требований и решение задач охраны окружающей среды [14].
Аэробное разложение обеспечивает практически пол ное обеззараживание отходов, значительное уменьшение
136
Глава 5
объема складированных отходов и более короткие сроки их переработки, а также исключает взрыво- и пожароопасное выделение биогаза. Просадка и стабилизация поверхности наступают относительно быстро, что позволяет использовать площади свалок по новому назначению без экскавации.
Таблица 5.4
Сравнительная характеристика эффективности аэробных и анаэробных процессов при депонировании ТБО на свалках
Показатель эффективности процессов	Процессы	
	аэробные	анаэробные
Время разложения органических веществ ТБО	меньше	больше
Уменьшение объема ТБО на свалке	больше	меньше
Время оседания	меньше	больше
Длительность процесса наблюдения после закрытия свалки	меньше	больше
Неприятные запахи, загрязнение воды и воздуха	меньше	больше
Количество грызунов, мух и птиц, обитающих на свалке	меньше	больше
Возможность использования отходов после закрытия свалки в сельском хозяйстве (компоста), извлечение металлов, стекла	да	нет
Гибель возбудителей инфекционных заболеваний и яиц гельминтов	да	нет
Получение биогаза	нет	Да
Пожаро- и взрывоопасность	меньше	больше
На рис. 5.2 показана принципиальная схема метода аэробной стабилизации, который был использован в северной Германии для старого полигона общей площадью 3,2 га и мощностью отходов 220 тыс. м3. Были установлены 16 скважин сбора свалочного газа и 7 — аэрационных. Образующиеся в процессе окисления газы по коллектору направлялись на биофильтры. Скорость подачи воздуха — 100 м3/час.
Исследования свалочного тела подтвердили положительный эффект аэробной среды, которая способствует быстро-
137
Рис. 5 2. Принципиальная схема аэробной стабилизации полигона [15]
му росту микроорганизмов, потребляющих клетчатку, и повышению температуры внутри полигона, вызывая тем самым увеличение скорости окисления твердых органических отходов. Процесс разложения ускоряется. Аэрация также оказала положительное влияние на подстилающий слой грунта в основании полигона [15].
Новейшим методом аэрации и активации окислитель ных процессов в теле полигона является метод BIO-PUSTER. Он также может использоваться перед экскавацией свалочного грунта для предотвращения выхода ядовитых газов и одорантов. Установка состоит из нагие тательных и всасывающих кислородных фурм, помещен ных в скважины (рис. 5.3).
Воздух обогащается кислородом до 20% в смешиваю щем устройстве и в сжатом виде (2-10 бар) по трубам по падает в свалочное тело. Компрессорная установка coctohj из компрессора и пневматических устройств — пустеров Процесс аэрации протекает в сотые доли секунды с образе ванием сильной «взрывной» волны, которая способствуй проникновению кислорода в глубоко залегающие слои Выделяемый свалочный газ проходит по трубам через ва
138
Глава 5
Рис. 5.3. Схема метода BIO-PUSTER
куумные насосы, используемые в целях безопасности, в биофильтр, где происходит его биодеградация.
Благодаря такой технологии достигается полное удаление потенциально токсичных и практически всех взрывоопасных газов из тела свалки.
Поскольку биогаз взрывоопасен, система запроектирована с учетом номинального давления 10 бар, каждая труба оборудована специальным регулировочным вентилем. Также предусмотрено дополнительное снабжение системы кислородом.
Всасывающие системы состоят из системы водяных насосов, водоотделителя, водоохладителя, воздушного программатора для аэрирования биофильтров, непосредственно биофильтров и любых фильтров из активированного древесного угля. Свалочные газы при нормальных условиях подводятся к биофильтру, где разлагаются до двуокиси углерода и водяного пара. Вещества, биологически плохо разлагаемые, улавливаются в фильтрах из активированного древесного угля.
В целях безопасности всасывающие трубы разработаны таким способом, что могут выдержать любые вспышки газа.
139
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
В Пермском техническом университете, на кафедре охраны окружающей среды, в исследованиях, проведенных Л. В. Рудаковой, установлено, что аэробная стабилизация отходов в комплексе с компостированием и вермикомпос-тированием биологически разлагаемой фракции ТБО позволяет уменьшить поток органического углерода, поступающего на полигон, до 12—15% [13].
Увлажнение и орошение полигонов. Влажность отходов значительно влияет на скорость их разложения, поэтому для оптимизации процессов биоразложения и ускорения биологической стабилизации полигона, наряду с аэрацией, применяют контролируемое увлажнение отхо дов. Интенсивное орошение усиливает водооборот и тем самым способствует извлечению загрязняющих веществ. Происходит биологическая стабилизация полигона.
Heyer K.-U. и Stegmann R. экспериментально доказали, что периодическое увлажнение полигона с помощью вертикальных и горизонтальных систем орошения приводит к увеличению образования газа и скорейшей стабилизации полигона [17].
В результате увлажнения достигаются следующие цели: ускорение процессов разложения отходов, ускорение процесса стабилизации захороненных отходов и последующее снижение потенциала эмиссий биогаза, сокращение пострекультивационной фазы и, как следствие, снижение затрат.
5.3.	Термическая обработка отходов
Термическая переработка отходов заключается в тепловом воздействии на отходы, при котором происходит окисление или газификация горючих компонентов.
Существуют два метода, позволяющие уменьшить объем отходов путем термической обработки и получит!, практически инертные материалы (зола, шлак), не содержащие органического вещества, — это сжигание и пиролиз [18].
Сжигание. Мусоросжигание рекомендуется в случаях, когда содержание активного органического вещества и бытовых отходах менее 30%, при отсутствии гарантиро ванных потребителей компоста и биотоплива в радиусе нс
140
Глава 5
менее 15 км, в условиях повышенных санитарных требований к обезвреживанию отходов.
Сжигание мусора происходит в основном в мусоросжигательных установках. Бытовые отходы являются очень разноразмерным и разнохарактерным по теплотворной способности топливом, поэтому их сжигание без предварительной сортировки нецелесообразно. Содержание органического вещества в остатке после сжигания, по данным [19], не превышает 4%. Кроме того, возможность получения тепловой энергии также является позитивным элементом сжигания. В результате сжигания объем складируемых отходов сокращается в 3—10 раз, отходы эффективно обезвреживаются, что снижает затраты на последующую рекультивацию полигона, а отсутствие биогаза и фильтрата дает возможность быстрого градостроительного освоения территории.
Пиролиз — окисление отходов в инертной среде без доступа кислорода воздуха. В результате пиролиза мусора образуется твердый остаток и различные газовые и масляные фракции. Содержание органического вещества в твердом остатке не превышает 2% [19].
Особенностью российского мусора является сравнительно небольшая доля хлор-, фтор- и серосодержащей органики, и, соответственно, в дымовых газах, образующихся при сжигании, содержится в несколько раз меньшее количество НС1, HF и соединений серы [20]. Существующие методы очистки отходящих газов позволяют достаточно надежно очищать выбросы мусоросжигательных заводов, а предубеждение населения при некоторых просветительских усилиях может быть преодолено.
Вместе с тем при выборе технологии и оборудования для переработки российских ТБО необходимо учитывать различие в составе и свойствах ТБО России и зарубежных стран. Как показывает опыт эксплуатации построенных на территории СНГ и укомплектованных импортным оборудованием мусоросжигательных заводов, механический перенос европейского оборудования не является оптимальным решением, так как при отсутствии раздельного сбора российские ТБО имеют высокую влажность и значительное содержание токсичных и негорючих компонентов.
141
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Комплексная предварительная обработка, включающая процедуры механико-биологической обработки и сжигания отходов, позволяет сократить поток отходов, направляемых на захоронение, до 22—30% от начальной массы [21].
В настоящее время, даже при отсутствии раздельного сбора отходов, это один из наиболее простых и дешевых способов управления метаногенезом, позволяющий воздействовать на весь дальнейший жизненный цикл полигона. В Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Уфе и других городах России в настоящее время имеются действующие мощности по механизированной обработке и сжиганию ТБО.
Технология механизированной переработки, применяемая на одном из старейших заводов МПБО-1 в Санкт-Петербурге, позволила уже на сегодняшний день сэкономить 90 га земли, которые были бы необходимы для строительства полигонов ТБО. Опытный завод использует биотерми-ческий метод обезвреживания и пиролиз некомпостируемо-го остатка с получением пирокарбона. Последний используется в производстве асфальтовых смесей, в металлургической промышленности. В ближайшее время планируется довести производительность завода с 0,9 до 2,3 млн м3 в год и на 70% покрыть эксплуатационные затраты за счет производ ства тепловой и электрической энергии [22].
5.4.	Системы дегазации полигонов захоронения ТБО
Одним из главных инструментов минимизации эмиссий биогаза является дегазация.
В отечественной и зарубежной практике проводится дега зация полигонов с помощью пассивных и активных систем.
К пассивной дегазации полигонов захоронения ТБО от носятся системы, которые используют естественный гра диент между давлением внутри полигона и атмосферным давлением.
Активная дегазация основывается на движении биога за под действием специальных нагнетательных устройств (компрессоры, вентиляторы). Эти устройства создают гра диент давления в вертикальных скважинах или горизон тальных трубах системы сбора.
142
Глава 5
Пассивная система сбора является эффективной, если она обеспечивает защиту от прямых эмиссий биогаза. Активная дегазация используется там, где необходима более высокая степень надежности. Опа основывается на теоретических оценках потенциала биогаза, тщательном проектировании и включает две подсистемы - сбора и обработки биогаза, что делает ее наиболее эффективной.
Выбор метода зависит от цели управления (удаление или предотвращение миграции газа) и таких факторов, как конструкция и возраст свалки, тип отходов (содержание органических веществ в отходах), объем и глубина отходов, локальное состояние (геология, место, использование прилегающей территории и демография).
Методы дегазации позволяют уменьшать эмиссию метана и органических соединений, предотвращать газовые вспышки, взрывы и пожары, управлять миграцией газа.
Проектирование систем дегазации основано на предварительных расчетах общего количества образующегося газа и прогнозах его образования.
5.4.1.	Пассивные системы сбора био.'а.ш
Пассивные методы дегазации основываются на природных процессах конвекции и диффузии. Такие* гш теми устанавливаются в местах низкого газообразования н отсутствия перемещения газа.
Системы сбора биогаза подобного типа не могут приме няться для полигонов с внутренними изолирующими <• и<> ями, так как дегазация будет происходить только в верх нем слое. Давление, которое создастся в нижних слоях, может привести к взрыву. При применении пассивной гхе мы дегазации потенциал биогаза, как источника энергии, не используется, поэтому такая система нерациональна для крупных полигонов емкостью более 40 000 тонн.
Однако траншейная схема целесообразна и эффективна для небольших полигонов, для старых хранилищ ТВО с невысоким уровнем выделения биогаза или для полигонов с высоким уровнем фильтрата. В настоящее время для полигонов с низким уровнем биогаза развивается способ дегазации с помощью биофильтров.
Траншейная схема сбора биогаза. Траншеи могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальная тран
143
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
шея монтируется в процессе функционирования полигона по такому же принципу, как и вертикальная скважина, и представляет собой полость, заполненную гравием, в пределах одной ячейки депонирования отходов.
Вертикальные траншеи не нашли широкого применения из-за восприимчивости к движениям тела полигона: они легко деформируются и теряют свои функциональные свойства. Ремонт таких систем требует больших затрат.
Горизонтальная траншейная система монтируется после закрытия полигона. Перед установкой верхнего изолирующего слоя на поверхности полигона монтируются траншеи шириной 1 метр и глубиной около 1,5 метра (рис. 5.4).
Расстояние между траншеями определяется по данным мониторинга и расчетным данным участка, но не более 50 метров. Чтобы предотвратить засорение проницаемой среды, траншеи должны быть снизу укрыты фильтрующим материалом.
Траншеи заполняются гравием фракции 16—32 мм (доля карбоната — не более 10%). В гравийном пакете устанавливаются дренажные перфорированные трубы из поливинилхлорида (PVC), полиэтилена высокой плотности (HDPE), полипропилена (РР), стеклопластика или другого подходящего по прочности непористого материала. Из-за коррозии, возможной в среде биогаза и конденсата, рифленая сталь обычно не используется.
Диаметр газосборной трубы принимается от 8 до 15 см. При отсутствии стандартных труб такого диаметра допус-
Рис. 5.4. Устройство горизонтальной траншеи
144
Глава 5
кается применение труб диаметром, близким к указанному. Перфорационные отверстия распределяются по всей поверхности. US ЕРА рекомендует производить перфорацию отверстиями диаметром 1,25 см через каждые 15 см по длине трубы; по диаметру трубы располагаются 4 отверстия в шахматном порядке [23].
Трубы соединяются друг с другом с помощью гибких соединений, что позволяет монтировать системы различной конфигурации и делает их менее восприимчивыми к изменению внутренних усилий.
Дренажные трубы должны иметь уклон не менее 2% вовнутрь полигона для отвода конденсата. Конденсат просачивается через слой гравия в конце дренажных трубопроводов внутрь хранилища.
Для обеспечения выхода газа на поверхность траншеи должны иметь газовыпуски, как показано на рис. 5.5.
Расстояние между газовыпусками определяется по расчету прогнозируемого количества биогаза и диаметра трубы газовыпуска. После монтажа траншейной системы монтируется верхний изоляционный слой.
Главные преимущества траншейных систем - простота строительства и относительно однородное изъятие биогаза по всей области.
Однако траншеи восприимчивы к движению тела полигона, могут обводняться, если находятся ниже уровня грунтовых вод.
При устройстве траншей должны выполняться следующие условия: адекватный выбор глубины, ширины и наклона траншеи, расстояния между траншеями; установка основы пакета гравия и устройство укрывающего слоя; уплотнение; установка труб и верхнего изолирующего покрытия в соответствии с рекомендациями изготовителей.
Установка портов отбора проб позволяет проводить измерения давления, температуры газа, концентрации и контролировать работу траншейной системы.
Дегазация полигонов с использованием газоотводящих колодцев. Скважины пассивной дегазации могут монтироваться в процессе заполнения полигона или быть просверленными после его заполнения. Пассивные скважины должны располагаться приблизительно в 10—15 м от края тела полигона отходов и не более двух на гектар. Допол-
145
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
60см
1м (минимум)
ZZZ ~ зо см бетон
1м песчено-бенто-нитоеея смесь
30см
песок
3 м
гравий (2,5 - 4 см)
Рис. 5.5. Газовыпуск при устройстве траншейной системы сбора газа
нительные скважины могут быть необходимы, если произойдет изменение конфигурации тела полигона.
Для пассивной дегазации пробуриваются колодцы диаметром 60 см до отметки минус 4 м, в которые помещается перфорированная труба диаметром 8 см с газовыпус-ком. Трубы изготавливаются из поливинилхлорида, по липропилена, полиэтилена высокой плотности или стеклопластика. Пространство между трубой и стенками скважины послойно заполняется гравием размером 16 32 мм, с содержанием карбонатов не более 10%, до от метки минус 1,6 м. Затем укладывается слой бетона д< отметки минус 1,3 м и слой песчано-гравийной смеси д< отметки минус 0,3 м. На поверхности монтируется бетой ный оголовок.
Надежная работа системы пассивной дегазации зависи i от функционирования скважины, поэтому в случае нару шения режима ее работы, вызванного, например, повыше нием влагосодержания или замерзанием, выход биогаз; может происходить другими путями. По этой причине скип
146
Глава 5
жива пассивной дегазации при некоторых обстоятельствах может считаться источником неконтролируемых эмиссии газа в атмосферу. Кроме того, она не решает проблем г неприятным запахом. Вместе с тем принцип действия нас сивных скважин более стабилен и предсказуем, так кик создаваемое повышенное давление исключает проникни вение воздуха в систему сбора и препятствует смешная нию его с биогазом, чего не наблюдается в системах актин ного сбора.
Применение биофильтров для дегазации полигонов При содержании метана в биогазе менее 30% и выходе газа менее 30 м3/час сжигание его на факеле ста по ните я нецелесообразным. В таких случаях применяются гнете мы дегазации на основе биофильтров.
На биофильтре помимо метана могут быть обезврежены ароматические вещества и галогенсодержащие газы. IC т< >м у же биофильтр можно использовать для удаления искрил г ного запаха и обезвреживания органических загрязните лей.
Работа биофильтра основана на способности метанотроф ных микроорганизмов использовать метан в качестве пг точника энергии и углерода и полностью разлагать метан на оксид углерода и воду.
Для микробиологического окисления метана в (ню фильтрах должны выполняться следующие условна температура — от 10° до 45°С, влажность в пределах 30—70%, pH раствора: нейтральный или слабокиенып [24].
Загрузочными материалами для биофильтров служат чаще всего дешевые природные материалы: торф, опил, компост. Эффективность работы биофильтров составляет 90% [13].
5.4.2.	Активные системы дегазации
Система активного сбора биогаза включает в себя ус г ройства, создающие градиент давления (компрессоры, вен тиляторы), экстракционные скважины и горнзоптальпув» систему сбора биогаза. Компрессоры (или вен тиля горы), подключенные к магистральным газопроводам, обеспечн Пают эффективное извлечение газа из тела полигона. Си (•тема активной дегазации обязательно включает уткни
147
Управление Mei аногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
зацию извлеченного газа (сжигание, очистка, сжижение и т.д.).
Градиент давления, созданный в скважинах или трап шеях, является движущей силой для удаления газа из тела полигона. Газ по трубам коллектора направляется на переработку.
Эффективность активной дегазации зависит от работы и конструкции систем сбора и утилизации, а также от методов управления этими системами. Эффективная система должна быть ориентирована на максимальный уровень газогенерации и сбор биогаза со всей территории полигона, обеспечение контроля каждого элемента системы дегазации.
Активная система сбора имеет четыре главных компонента: систему газовых скважин (или горизонтальных траншей), газоперемещающее оборудование, оборудование для переработки биогаза, оборудование для осушки биогаза и удаления конденсата.
Попадание воздуха — главная опасность в проектировании активных систем сбора. Воздух может проникать через покрытие полигона, что особенно опасно в засушливых регионах, где сухое покрытие почвы легко проницаемо для воздуха.
Газосборный пункт предназначен для принудительного извлечения биогаза из свалочной толщи. Для этого с помощью вентилятора в системе газопроводов создается небольшое разрежение (около 100 мбар).
Изменение условий (давление, температура) в коллекторной системе способствует образованию конденсата. Температура биогаза в толще отходов может достигать 40—50°С, а содержание влаги — 5—7% об.
После экстракции биогаза из свалочного тела и его поступления в транспортные газопроводы происходит резкое снижение температуры, что приводит к образованию кон денсата, который может выделяться в значительных ко личествах. Ориентировочно при добыче биогаза в объеме 100 м3/час в сутки образуется около 1 м3 конденсата. По этому отвод конденсата с помощью специальных устройсти является задачей первостепенной важности, так как его наличие в газопроводе может затруднить или сделать не возможной экстракцию биогаза.
148
Глава 5
Конденсат обычно содержит воду, органические вещества и следовые количества неорганики.
Исследование конденсата, образующегося при охлаждении биогаза на полигоне «Маунтин Вью» (Mountain View), показало, что в его составе содержатся 94 органических соединения, 15 из которых считаются токсичными [23].
Биогаз конденсируется не только в системе сбора, но и в системах его обработки. Этому способствует как естественное охлаждение, так и искусственное, используемое в процессах очистки биогаза.
Количество образующегося конденсата зависит от генерации биогаза, возраста свалки, количества влаги на свалке, постоянства температуры в теле полигона, размеров и конфигурации свалки, рельефа местности, типа покрытия, климатических условий.
Свойства и количество конденсата необходимо учитывать при проектировании систем сбора и утилизации биогаза.
Перед поступлением на газосборные станции конденсат отводится через напорные трубопроводы с большим гидравлическим уклоном в гидравлические затворы соответствующих шахтных стволов для просочившейся воды, которые также предотвращают всасывание воздуха в газовую систему.
Конденсатосборник представляет собой стальной резервуар с системой гидрозатвора. Конденсатосборники размещаются с интервалом 150—230 м. Отбираемый конденсат либо сбрасывается на свалку, либо отправляется на очистку.
Активная система дегазации с применением газосборных горизонтальных траншей. Траншеи для активной дегазации монтируются аналогично траншеям пассивной системы, но без газовыпусков. Конец дренажной трубы соединяется гибким резиновым соединением с трубой магистрального газопровода. Схема активной системы дегазации с применением траншей приведена на рис. 5.6.
Подобные системы могут применяться для полигонов без промежуточных изолирующих слоев, полигонов небольшой глубины, обводненных полигонов (полигонов с высоким уровнем фильтрата).
149
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Активная система дегазации с применением дегазационных скважин. Для добычи биогаза на полигонах ТБО применяются газосборные скважины. Обычно они располагаются равномерно по территории свалочного тела с шагом 50—100 м между соседними скважинами. Их диаметр колеблется в интервале 200-600 мм, а глубина определяется мощностью свалочного тела и может составлять несколько десятков метров.
Существует несколько вариантов конструкций скважин и несколько схем их расположения. Технология получе ния биогаза различна для закрытых и эксплуатируемых полигонов.
5.4.3.	Системы дегазации на эксплуатируемых полигонах
Перед разработкой проекта системы сбора и утилизации биогаза с эксплуатируемого полигона определяют состав и свойства поступающих на него отходов, вместимость и сроки эксплуатации полигона, схему и максимальную
5 6 Схема активной дегазации
с применением горизонтальных траншей [23]-
1 — дегазационные скважины, 2 — конденсатосборник;
3 - факельное устройство, 4 — компрессор
150
Глава 5
высоту складирования отходов, pH вытяжки из отходов, гидрогеологические условия земельного участка, а также составляют уравнение водного баланса полигона. На основании перечисленных материалов составляется количественный прогноз образования биогаза и делается заключение о целесообразности его утилизации.
В целях получения максимального экономического эффекта полигон разбивают на очерёди эксплуатации с учетом обеспечения каждой очередью приема ТБО в течение трех-пяти лет. Каждую очередь эксплуатации делят на рабочие карты площадью 8000 10 000 м2 и высотой 2 м. По вертикали очередь эксплуатации разбивают на газоносные зоны высотой 8—10 метров.
Скважины монтируют из сборных железобетонных колец диаметром 0,7 м типа К-7-10. [25]. На верхний срез нижнего кольца наносят слой цементного раствора и устанавливают следующее кольцо и т.д. Предварительно на железобетонных кольцах делают пропилы или перфорационные отверстия. Внутри колец устанавливают перфорированные асбестоцементные трубы диаметром 100—120 мм. Пространство между внутренними стенками колец и перфорированными трубами засыпают щебнем крупных фракций.
Пропилы и перфорационные отверстия располагают в шахматном порядке. Длину пропила принимают равной половине диаметра трубы или кольца, ширину — 10—12 мм, расстояние между пропилами — 150—200 мм. Перфорационные отверстия сверлят диаметром 16—18 мм на расстоянии 100—150 мм друг от друга.
К скважинам через каждые 2 м по высоте (толщина рабочего слоя) проводят три-четыре дренажные сети. Длина каждой сети 10—15 м. Дренажную сеть устраивают из перфорированных асбестоцементных труб диаметром 50—60 мм, щебня фракции 30—60 мм или хвороста (пластинчатый дренаж). Сверху дренажную сеть засыпают отходами.
На устье газовой скважины монтируют оголовок, который обеспечивает герметизацию обсадной трубы и является опорой «елки». «Елки» устанавливаются крестовые или тройниковые, в зависимости от применяемой арматуры и места скважины в общем ряду. Пространство между обсадной трубой и оголовком герметизируют резиновыми
151
л»|и1Н111м»и<| М1ип1и>111|к>*>м iwi noiwioiiax твердых бытовых отходов
>it <н 11 и и i о и нм и. Гил отбирают через отвод тройника или |||||ц<|пнины и ннпрнвляют в газосборную сеть.
IIim jii' покрытия полигона изолирующим слоем монтируют устья скважин, устанавливают запорную арматуру, мон тируют промежуточные и магистральные газопроводы. Из скважины биогаз поступает в промежуточный, а затем в магистральный газопровод.
Расстояние между скважинами принимают равным 30—40 м, что позволяет свободно маневрировать мусоровозам, бульдозерам и другой технике.
5.4.4.	Системы дегазации на полигонах, закрытых для приема ТБО
Для монтажа скважин в теле закрытого полигона обычно применяют бурение.
Для проходки скважин используется как обычное буровое оборудование, так и специализированная техника, позволяющая сооружать скважины большого диаметра. При этом выбор того или иного оборудования обычно обусловлен экономическими причинами.
При бурении скважин в толще отходов в российских условиях наиболее целесообразно использование шнекового бурения. Оно сравнительно недорого и легкодоступно, так как широко используется в инженерно-геологических изысканиях. При использовании этого вида бурения максимально возможный диаметр скважин составляет 0,5 м. Однако бурение скважин в условиях полигона встречает ряд трудностей, связанных с присутствием большого количества инородных включений в свалочной толще (металлических и бетонных конструкций, остатков техники, механизмов и пр.), затрудняющих бурение и приводящих к частой поломке бурового инструмента. Опыт показыва ет, что относительно легко могут быть пробурены скважины диаметром 250—300 мм, что вполне достаточно для добычи биогаза.
Инженерное обустройство скважины включает несколько этапов. На первом — в скважину опускается перфориро ванная стальная или пластиковая труба, заглушенная снизу и снабженная фланцевым соединением в приустьевой час ти. Затем в межтрубное пространство засыпается порис тый материал (например, гравий) с послойным уплотнени
152
Главам
ем до глубины 3—4 м от устья скважины. На последнем этапе сооружается глиняный замок мощностью 3—4 м для предотвращения попадания в скважину атмосферного воздуха.
В России по Технологическому регламенту получения биогаза с закрытых полигонов [25] требуется устройство буровых скважин минимальным диаметром 150 мм на всю глубину складирования отходов. Обсадные трубы скважины могут быть асбестоцементными, полиэтиленовыми или полихлорвиниловыми диаметром 100 мм с перфорационными отверстиями или пропилами, сделанными по аналогии с перфорированными трубами, применяемыми для действующих полигонов. В настоящее время используются железобетонные трубы, которые обладают рядом недостатков. Высокий коэффициент внутреннего трения железобетонных труб, связанные с ним потери напора и небольшой радиус влияния приводят к увеличению требуемого числа скважин, что мешает работе техники.
Пространство между обсадной трубой и скважиной заполняют крупнозернистым материалом и заливают бетоном на глубину 0,5 м.
Площадь вокруг скважины на расстоянии 1,5—2 м изолируют слоем глины или цементного раствора толщиной 30—40 см. Это обеспечивает надежное крепление скважины и сбор биогаза, предохраняет от проникновения в скважину поверхностных вод. Газовая скважина является основным элементом системы сбора биогаза, и поэтому ее обустройство необходимо выполнять особенно тщательно. Устья газовых скважин монтируются идентично устьям газовых скважин на эксплуатируемых полигонах.
В плане скважины располагают в виде квадратной сетки с минимальным расстоянием друг от друга 30—40 м и соединяют между собой в прямолинейные батареи промежуточными газопроводами, подключаемыми к магистральному.
Количество скважин принимают в зависимости от площади и вместимости полигона, а также от мощности потребителя. Для предварительных расчетов дебит скважины на полигоне ТБО, расположенном в средней полосе европейской части России, может быть принят равным 6—8 м3/час.
153
Управление метано! енезом на полигонах твердых бытовых отходов
Необходимое разрежение в скважине, обеспечивающее надежный сбор газа, составляет 100—150 мм вод. ст.
На заключительной стадии на оголовок скважины устанавливается металлический или пластмассовый короб — для предотвращения несанкционированного доступа к скважине.
В США для монтажа газоизвлекающего оборудования бурятся колодцы диаметром от 30 до 100 см [23, 26]. Про странство между колодцем и трубой заполняется битым камнем или щебнем крупностью 16/32 с содержанием карбонатов менее 10%, который позволяет увеличить эффективный диаметр отсоса газа. Скважины связаны между собой коллекторной системой, по которой газ от них подается в систему очистки и утилизации.
Скважины располагают по периметру свалки и в центре нее. Экстракционные скважины изготавливают из коррозионно-устойчивых материалов, к которым относятся: поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен низкого давления (ПНД), стеклопластик, сталь. Диаметр трубы варьирует в пределах от 5 см до 30 см. Низ трубы на три четверти перфорирован. Перфорация имеет характеристики, установленные стандартами: каждые 15 см по перпендикулярному сечению длины трубы располагаются отверстия по 1,25 см в диаметре. Трубы с подобной перфорацией также могут быть использованы в конструкции скважины. Диаметр колодца, в который устанавливают скважину, составляет 30—100 см. Из-за разницы диаметров скважины и колодца образуются пустоты, которые необходимо засыпать щебнем. Засыпка обеспечивает более полное извлечение биогаза, т.е. увеличивает эффективный диаметр скважины.
На полигонах, где противофильтрационный барьер отсутствует, основным критерием при определении глубины скважины является уровень грунтовых вод. На экраниро ванных свалках этим критерием является целостность эк рана, так как при бурении колодца экран не должен быть поврежден. Установленная глубина бурения на экраниро ванных полигонах составляет 75% толщи складированных отходов.
Для регулирования давления оголовок каждой скважи ны снабжается клапанами различной модификации (мем бранные, шаровые и др.). Скважина для активного сбора биогаза показана на рис. 5.7 [26].
154
Глава 5
Расстояние между скважинами определяется в зависимости от радиуса влияния каждой дегазационной скважины. Радиус влияния — расстояние от центра скважины до точки за пределами скважины, в которой постоянное давление биогаза составляет 25 мм водного столба (около 5 мм ртутного столба). Предполагается, что за пределами скважины, т.е. в радиусе влияния, присутствует некоторое количество несобранного биогаза.
Для скважины типичным абсолютным давлением является давление 120 380 мм водн. ст.
Рис. 5.7. Конструкция скважины активной дегазации, рекомендуемая US ЕРА
155
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Самый надежный способ определения радиуса влияния скважины и необходимого разрежения в газопроводе проведение испытаний, однако стоимость их высока, поэтому используются расчетные методы, основанные на моделях переноса газов и моделях биоразложения. Для расчетов необходимы такие данные, как толщина защит ных экранов (слоев), свойства биогаза (плотность, вязкость, давление), метановый потенциал отходов, газопроницае мость среды, характеристика материалов.
Использование теоретических моделей расчета радиуса влияния требует оценки ряда параметров: характера поступающих отходов; типа покрытия; свойств газа (плот ность, вязкость); проницаемости свалочного грунта; исполь зуемых в покрытии или при прокладке систем сбора и ути лизации биогаза; давления в теле полигона. Собрать такой объем информации не всегда возможно, поэтому Агент ством по защите окружающей среды США было принято расчетное значение радиуса влияния 60 м.
Из всех параметров наиболее непредсказуемым являет ся проницаемость свалочного грунта, которая меняется л пределах тела свалки от 107 до 1012 см2.
Расчетное давление в устье скважины определяется раз ностью давлений внутри свалки и атмосферного давления. При высоком уровне газогенерации и непроницаемост» покрытия величина расчетного давления может достигать 375 мм водного столба.
Факторы, оказывающие влияние на количество сква жин, включают радиус влияния скважины, размеры свал ки, пространственную структуру. Перекрывание зон влия ния скважин желательно для повышения эффективности контроля и сбора газа. Уровень генерации газа и радиус влияния скважины находятся в прямой связи. Необходи мо принять во внимание факт, что поток биогаза, а значи1 и радиус влияния скважины, может быть скорректирован при введении в эксплуатацию системы очистки биогаза.
Оголовок системы сбора биогаза соединяется с экстра к ционной скважиной посредством подвижных труб. Огол<> вок скважины изготавливается из поливинилхлорида (ПВХ) или полиэтилена низкого давления (ПНД). Размеры труп оголовка зависят от показателей газового потока и motvi быть 15—60 см в диаметре.
156
Глава 5
В регионах с холодным климатом оголовок располагают между поверхностью свалки и ее покрытием, так как незащищенный оголовок подвергается периодическому воздействию отрицательных температур, что негативно сказывается на функционировании всей системы.
В теплом климате оголовок располагают прямо над поверхностью свалки. Трубы изготавливают из стойких материалов — поливинилхлорида (ПВХ) или полиэтилена низкого давления (ПНД). Оголовок, расположенный на поверхности полигона, обеспечивает беспрепятственный доступ к трубе, что важно при эксплуатационных и ремонтных работах.
Уклон труб должен быть рассчитан на весь срок жизни полигона. Установленный минимальный уклон составляет 2%.
В Германии для активной дегазации полигонов используется другая конструкция скважины (рис. 5.8) [27].
После заполнения полигона сооружаются газоотводящие колодцы с диаметром бурового отверстия 600 мм. Буровые отверстия охватывают все газообразующие слои отходов.
Прежде чем вставить фильтрующую трубу, буровое отверстие заполняется на высоту приметно 1 метр не содержащим известь материалом крупностью 16—32 мм. Эта зона служит емкостью для просочившейся конденсатной влаги. В качестве фильтрующей трубы используется перфорированная труба из полиэтилена высокой плотности (PEHD). Выбранный диаметр трубы учитывает возможность использования дренажного насоса, а также осмотра. Между стенкой бурового колодца и трубой скважины также насыпается гравий крупностью 16/32 мм (содержание карбонатов менее 10%).
Чтобы компенсировать силы растяжения-сжатия вследствие оседания тела полигона, фильтрующая труба в зоне оголовка колодца телескопически заводится в трубу из полиэтилена высокой плотности (PEHD). Уплотнение производится с помощью кольца с круглым сечением.
Труба входит в отходы на глубину до 2,4 метра под нижней кромкой верхнего изолирующего слоя и по всей длине уплотняется перемычкой из способного к набуханию мате-
157
Управление метаногенезом на полигонах твердых Сытовых отходов
Анемометр
ПроЙоотГюрим
Тазскбйрнйя часть
Пгчиди
ВурМЙЯ СЕВОГЙЖ
ХаМгЭДИИрсЖШН-’ СКрйЖННЬ!
- J'Mim упчотзденис
Jlq^piipomw
!Гс®КК0П«Че£Х2Я Tpyfxs
«03
«4Й
-—2 k»2jes.*fKfMwtf «-члая часть сшжвш
. I |С!1рЖП£ЯСМиП -УЛСЖН!
.llaswatOW^ из травив
Вкипашйя
ЧАС1> 1ШМЪ1
I -2 м
Ch сек сбора осша 0.5-LOm
ti-eo
QOC

4«С


Рис. 5.8. Дегазационная скважина на полигоне в Люнебурге
риала, чтобы избежать бесконтрольного поступления воздуха. Дополнительно поверх минерального уплотнения в радиусе 5 метров наносится гидроизоляционный матери ал, который сваривается с крепежной трубой.
На расстоянии около 0,5 метра над минеральным уплотнением на крепежную трубу устанавливается оголовок колодца, состоящий из трубы (PEHD) с измерительной и контрольной позицией и боковым выходом. Оголовок ко лодца защищен бетонной шахтной конструкцией. Шахт-
755
Глава 5
Труба из ПВХ, диаметр 10-15 си
уплотненный слой толщиной
0.0254)1)5 от глубины отходов
Отверстие для отбора проб, диаметр 6 мм
Гибкая труба, диаметром 10-15 см
Отходы
Отсылка из гравия
Магистральная труба
ПВХ-тдеба перфорированная, диаметр 20-15см
s' Уплотнение из бентонита,выложенно!» / поверхкопьцаизгеотекстилыюгома1врилнл
Бетонное покрытие, 2,5 см 1
Верхнийлочвенныйслой
Окончательная засыпка
уплотненная глина

К
Общая закладка уплотненная ручным способом
Рис. 5.9. Газосборная часть скважины акттшм для закрытого полигона
159
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
ная конструкция (опорная конструкция и верхняя часть шахтного ствола) выполняется на бетонном фундаменте.
Подключение газовых колодцев к коллектору выполняется гибко, что позволяет компенсировать деформации, вызванные оседанием полигона.
Размещение скважин производится в соответствии с радиусом влияния скважины и коэффициентом перекрытия радиусов (рис. 5.10).
Рис 510 Схема расположения скважин и радиусов влияния на полигоне в Люнебурге
Вентиляторы и компрессоры. Для сжатия и извлечения биогаза из системы сбора служат компрессоры и вентиляторы. Применяют несколько видов устройств, отличающихся между собой многими свойствами. Это односту пенчатые и многоступенчатые центробежные вентиляторы, вентиляторы и компрессоры с регенеративным циклом, ротационные компрессоры.
Количество газа, максимальный выход биогаза, расчет ное давление, давление в скважине являются ключевыми параметрами для выбора определенного типа вентилято ра, подходящего для данной ситуации.
Различают одноступенчатые (т.е. имеющие один виш) и многоступенчатые (т.е. имеющие два или более винтов в одном корпусе) вентиляторы. Одноступенчатые использу
160
Глава 5
Ю*г, когда требуемое давление не превышает 150 мм ртутного столба. Принцип действия заключается в следующем: входное устройство, выполненное в виде сужающего пространства, обеспечивает некоторое увеличение скорости поступающего газового потока, который входит по оси и проходит радиально по корпусу на высокой скорости. Увеличение диаметра цилиндра повышает скорость потока в рабочем колесе.
1 Центробежные вентиляторы могут работать с переменным объемом при постоянной скорости, пригодны для более высокого наружного давления, имеют маленькие габариты и незначительную материалоемкость, низкий уровень шума и вибрации, режим автостопа, просты в эксплуатации; на одном валу может размещаться до 11 винтов.
Регенеративные вентиляторы состоят из нескольких винтов, которые вращаются в неподвижном корпусе. Воздух проходит через входное отверстие и заполняет пространство между двумя вращающимися винтами.
Вентиляторы такого типа предназначены для высокого уровня давления в скважине, которое может достигать порядка 380 мм ртутного столба.
Преимущества вентиляторов этого типа: компактность; отсутствие масляных выбросов в атмосферу; способность работать при повышенном давлении в скважине, пропускать разные объемы газа при постоянной скорости и работать в равномерном режиме. Вместе с тем регенеративные вентиляторы требуют низкого содержания влаги и обязательного использования сепараторов.
Ротационные компрессоры классифицируются как машины, работающие при постоянном объеме и переменном давлении,. Изменение объема может происходить в случае изменения размеров шкива или при изменении скорости и частоты вращения ротора. Компрессоры применяют при давлении 40—320 мм ртутного столба.
В конструкцию компрессора входят два сопоставимых, вращающихся в неподвижном корпусе винта. Корпус разделен на приемный и выходной бункеры. Винты вращаются в противоположных направлениях относительно друг друга. Поток газа захватывается в наружном бункере и переносится по периметру на выход. Синхронное враще-
161
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
ние винтов обеспечивается передающим механизмом от вала.
При эксплуатации ротационных компрессоров необходимо следить за тем, чтобы масляные фракции смазочных материалов не попадали в поток биогаза. Основное преимущество ротационных компрессоров — высокое давление при фиксированных параметрах потока. Недостатками их являются высокий уровень шума, а также необходимость постоянного проведения мониторинговых исследований, технического контроля и очистки от масляных фракций смазочных материалов.
Кольцевые вакуумные компрессоры используют в работе как газовый поток, так и поток жидкости. Центробежные силы формируют поток жидкости на внутренних стенках корпуса. Поток газа, проходя сквозь лопасти винта с кольцом жидкости, увеличивает радиальное давление. Последующий оборот приводит к образованию некоторого количества сжатого газа и жидкости, которые подлежат
Рис. 5.11. Вентиляторы, используемые для извлечения биогаза /5/
1) центробежный вентилятор;
2) ротационный вентилятор; 3) кольцевой вакуумный компрессор
162
Глава 5
удалению. Жидкость может использоваться для ох лаж де ния нагревающихся частей компрессора. Рассмотренные аппараты показаны на рис. 5.11.
Компрессоры и вентиляторы, используемые в системе утилизации биогаза, должны быть рассчитаны на макси мальный уровень потока газа в течение всего срока экс и луатации системы.
5.5.	Мониторинг воздействий биогаза на окружающую среду
5.5.1.	Общие принципы организации мониторинга мест захоронения ТБО и прилегающих территорий
В концепции санитарного захоронения ТБО важным элементом является мониторинг воздействия свалочного тела на объекты окружающей среды. Идеология мониторинга полигонов реализует схему организации наблюдений за источниками антропогенного загрязнения, включая пространственно-временную структуру, обоснование перечня контролируемых показателей, методическое и аппаратурное обеспечение [28].
Ведение постоянных во времени и пространстве наблюдений позволяет получить необходимую информацию для оценки и прогноза природно-техногенных процессов, выдачи рекомендаций по управлению инженерными сооружениями, обеспечивающими безопасность полигона для природной среды.
Достижение поставленной цели осуществляется путем решения отдельных задач, таких как:
-	оценка валовой эмиссии и динамики образования загрязняющих веществ в составе биогаза и фильтрата;
-	выявление путей миграции загрязнения во внешней среде и возможность накопления в депонирующих средах;
-	определение изменения состояния природной среды в границах влияния полигона;
-	определение возможности использования газоносной способности захоронения ТБО для утилизации метана в промышленных масштабах;
-	обоснование инженерно-технических мероприятий, предупреждающих опасную эмиссию биогаза и фильтрата в окружающую среду и позволяющих ускорить процесс
163
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
повторного использования территории после закрытия объекта;
-	прогноз просадки тела полигона и др.
Систему мониторинга отличает комплексный и системный подход при организации наблюдений и сборе первичной информации:
1.	Наблюдения за состоянием природной среды ведутся на всех этапах жизненного цикла - инвестиционном этапе и приеме полигона в эксплуатацию; в период эксплуатации и рекультивации; в пострекультивационный период.
2.	Наблюдению подлежат все компоненты природно-техногенной системы - приземные слои атмосферы, природные воды (подземные и поверхностные), почва и грунты, снеговой покров, биота.
3.	Наблюдению подлежат элементы инженерной защиты, состояние и эффективность работы которых определяют степень воздействия на природные объекты. Технологический мониторинг учитывает вариант системы дегазации полигона, наличие системы отведения сточных вод и их очистки, тип инженерной защиты основания полигона и др.
4.	Наблюдения проводятся с разным уровнем периодичности.
5.	В режиме наблюдения и сбора информации используются современные методы и приборы, широко применяемые в смежных областях науки и техники (газоанализаторы, aZarm-датчики, автономные уровнемеры, лизиметры и др.). Сбор информации обеспечивается переносным и лабораторным оборудованием владельца полигона и контролирующих организаций.
6.	Результаты наблюдений фиксируются на бумажных и в электронных носителях информации, обрабатываются в электронной базе данных, интегрированной в территориальную систему управления базами данных о состоянии природной среды региона. Графическая визуализация осуществляется с помощью ГИС.
Осуществление систематических наблюдений распространяется на следующие объекты:
—	обязательные объекты — атмосферный воздух, подземные воды, поверхностные водные объекты, принимав) щие очищенные стоки полигона, почва;
164
Глава 5
— дополнительные объекты — грунты, снеговой покров, растительные сообщества. В отдельных случаях дополнительными объектами наблюдений могут быть уровень шума, санитарно-эпидемиологическое благополучие территории, состояние водозаборов, метеорологические условия, радиационный фон.
Набор контролируемых параметров, периодичность осуществления наблюдений, расположение контрольных точек и их техническое оснащение устанавливается в проектах и программах мониторинга. Программа мониторинга учитывает:
—	динамические изменения, происходящие на протяжении всего жизненного цикла полигона;
—	интенсивность влияния полигонов на окружающую среду, индивидуальную для разных категорий полигонов;
—	наличие технической возможности организации стационарных режимных наблюдений.
Программы мониторинга делятся на обязательные (полную и сокращенную) и дополнительные (специальная, арбитражная), которые составляются по требованию контролирующих органов.
В таблице 5.5 представлены основные элементы программы мониторинга, включая объекты наблюдений, контрольные точки и показатели, отражающие изменения состояния природных объектов в границах влияния полигона ТБО.
Техническое обустройство современных полигонов ТБО формировалось в соответствии с изменениями в области стратегии захоронения отходов. Существующие в России захоронения ТБО можно разделить на три основные категории.
1-я категория — стихийные свалки, характеризуются отсутствием инженерно-экологических изысканий для территории, отведенной под размещение отходов, и минимальными экономическими затратами на этапах эксплуатации и закрытия объекта, при этом отходы размещены насыпью без уплотнения и изоляции, а само захоронение и зона его влияния не контролировались.
2-я категория — санкционированные необорудованные захоронения ТБО, введены в эксплуатацию с соблюдением нормативов размещения объекта по санитарным и геолого-гидрологическим критериям; при размещении отхо-
165
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Таблица 5.5
Основные элементы программы мониторинга
Объект наблюдения	Пункт наблюдения	Показатели состояния объекта
Подземные воды	Кусты наблюдательных скважин, наблюдательные колодцы, каптированные родники	-	уровень залегания грунтовых вод; -	дебит родников; -	физические свойства; -	химический состав; -	биотоксичностъ; -	бактериологические и паразитологические показатели; -	санитарно-эпидемиологическая безопасность нецентрализованных источников водоснабжения
Поверхностные водоемы и водотоки	Гидрологические створы	гидрологические характеристики; -	физико-химический состав; -	бактериологические и паразитологические показатели; -	водосбор и сброс; -	пересыхание и перемерзание водного объекта
	Территория зон санитарной охраны	- санитарное состояние; - санитарно-эпидемиологическая безопасность водозаборов
Атмосферный воздух	Пункты наблюдений на рекультивированных участках, система дегазации, граница СЗЗ	-	компоненты биогаза; -	неметановые соединения; -	выбросы технологических машин и автотранспорта; -	метеорологические параметры
Почва	Почвенно-ботанические площадки	- водно-физические свойства почвы, содержание химических веществ
Растительные сообщества	Почвенно-ботанические площадки	-	видовой состав, угнетенность, болезни растений; -	содержание химических соединений
Снеговой покров	Почвенно-ботанические площадки	-	снегомерная съемка; -	физико-химические показатели
166
Глава 5
Окончание таблицы 5.5
Объект наблюдения	Пункт наблюдения	Показатели состояния объекта
Инженерно-технические сооружения		
Противофильтра-ционная защита, полимерный экран	Стационарные линии	Например: показатели состояния экрана по методу ВЭП-электропрофи-лирования
Противофильтра-ционная защита неизолированного основания	Сухие колодцы Лизиметрические установки	Влажность, уровень воды
Система дегазации	Газовыпуски	Взрывоопасные концентрации метана и кислорода Компоненты биогаза
Система сбора и очистки сточных вод	Вход в очистные сооружения	Расход, физико-химические показатели (pH, ХПК, ВПК5 солесодержа-ние, тяжелые металлы)
	Выпуск очищенных стоков	Расход, физико-химические показатели (pH, ХПК, ВПК5, солесодержа-ние, тяжелые металлы), биотоксичность, бактериологические и паразитологические показатели
Окончательное покрытие	Вешки просадки	Смещение вешек
Производственный контроль		
Прием отходов	Въезд на полигон	Производственный контроль Количество, состав (визуально и идентичность химического состава по представительным пробам)
Технология захоронения	Тело полигона	Учет размещения 1ЬО но картам, разравнивание, уплощение, иилмцич слоев
167
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
дов проводится послойное уплотнение; в некоторых случаях, без изоляции слоев, окончательная засыпка рабочей поверхности захоронения завершает эксплуатацию объекта; регулярные наблюдения за полигоном и в зоне влияния не проводятся.
3-я категория — санитарное захоронение отходов, что предусматривает наличие интегрированного менеджмента отходов, соблюдение технологии складирования, наличие инженерных сооружений и контроля влияния на объекты окружающей среды.
С учетом жизненного цикла объекта захоронения отходов и факторов, влияющих на эмиссию в ООС, полигоны ТБО можно разделить на следующие группы:
•	необорудованные (стихийные) свалки, закрытые к настоящему времени, т.е. находящиеся на пострекультивационном этапе;
•	необорудованные полигоны на стадии эксплуатации или подлежащие рекультивации в ближайшее время;
•	санитарные полигоны на стадии эксплуатации;
•	санитарные полигоны на инвестиционном этапе (в стадии проектирования, строительства, ввода в эксплуатацию). Последняя категория полигонов не опасна для окружающей среды, но принимается для рассмотрения с целью оптимизации мониторинга.
5.5.2.	Методы отбора проб биогаза и аппаратурное обеспечение мониторинга биогаза
Для проведения анализа атмосферного воздуха на территории свалки, определения состава биогаза и величины потока необходимо произвести отбор проб по разрешенным методикам и аттестованными приборами. В зависимости от целей анализа пробоотбор ведут разными методами. Различают пробы: для мониторинга атмосферного воздуха на территории свалки; специальные пробы на выявление1 определенного компонента в составе биогаза; пробы для определения состава биогаза.
В соответствии с этим существуют различные методы пробоотбора.
Для анализа атмосферного воздуха отбор проб произво дят аспирационным методом или в сосуды ограниченной емкости. При использовании аспирационного метода объем
168
Глава 5
Таблица 5.6
Мониторинг полигонов ТБО в зависимости от этапа жизненного цикла
Этап жизненного цикла	Категория объекта	Мониторинг
Инвестиционный	3	Инженерно-экологические изыскания для строительства (СП 11-102-97), п. 1-4
Эксплуатация	1-2-3	Режимно-стационарные наблюдения состояния объектов окружающей среды в границах влияния полигона. Технологический мониторинг (инженерно-технические сооружения, прием отходов, соблюдение технологии захоронения), п. 1- 8
Рекультивация	1-2-3	Инвентаризационные наблюдения состояния объектов окружающей среды. Технологический мониторинг (инженерно-технические сооружения), п. 1- 8
Пострекультивационный	1-2	Инвентаризационные наблюдения, п. 1- 4
воздуха протягивается аспиратором через поглотительный прибор. Поглотителями служат специально приготовленные поглотительные растворы или твердые поглотители: силикагель, активированный уголь, волокнистые или другие фильтрующие материалы. Отбор проб воздуха проводят в сосуды ограниченного объема в тех случаях, когда методы определения исследуемого вещества обладают высокой чувствительностью или же концентрация его в воздухе значительна. Для отбора проб воздуха применяют бутылки, газовые пипетки и резиновые камеры.
Для анализа состава биогаза и оценки газоносной способности полигона бурят скважины с применением специального оборудования и изучают состав газа послойно. Пробоотбор биогаза осуществляется через газовыпуски (рис. 5.12). Разогретый внутри складированных отходов биогаз, до температуры порядка 40—50°С, легче воздуха. Из толщи отходов через фильтрующую обсыпку и неплотности в стыках железобетонных колец он проникает во внутреннюю полость колодца. Оттуда по порам внутренней засыпки из крупного щебня биогаз свободно поднима
169
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
ется вверх по газовыпуску [29]. Для обеспечения доступа газовыпуски располагаются по бермам откосов полигона. Основание газоотборников должно быть выше самой высокой сезонной отметки подъема грунтовой воды. Иногда для отбора газа используется группа из трех газоотборников с коротким фильтром.
Для определения поверхностного выделения газа используются боксы, устанавливаемые по возможности более плотно к поверхности складированных отходов. Для более надежного уплотнения их засыпают слоем почвы. Поступивший в бокс метан отводят с помощью насоса, который встроен в измеряющий прибор (обычно  хроматограф с плазменно-ионизационным детектором).
Для точности получаемых результатов, в каждый момент времени взятия пробы, дополнительно определяются и регистрируются следующие данные: содержание метана в окружающем воздухе, температура окружающего пространства, скорость ветра, влажность, атмосферное давление.
Действие пассивных пробоотборников основано на адсорбции летучих компонентов в сорбирующем материале, который закладывается в грунт. Основными недостатками данного метода являются вытеснение необходимых адсорбированных летучих компонентов влагой, что приводит к снижению измеряемых скоростей эмиссии, и разрушение почвенного покрова, которое может привести к повышен ной скорости эмиссии по сравнению с действительной.
Рекомендуемые US ЕРА методы 2Е и ЗС базируются на пробоотборе из мониторинговых скважин. Для определении количественных и качественных показателей газа исполь зуется хроматограф с детектором теплопроводности [30J.
Метод 25С для определения неметановых органических составляющих биогаза является комплексным и состоит из нескольких этапов. Проба берется ниже покрытия свалки с помощью цилиндра. Часть взятого образца впрыскивает ся в колонку газового хроматографа для отделения окси дов углерода (СО2, СО) от СН4. Неметановые вещества окн< ляются до СО2, остальные проходят через плазменно-ионизп ционный детектор (ПИД). Так как процедура являете» комплексной, то вероятность определения каких-либо др\ гих веществ сводится к минимуму [30].
170
Глава 5
колпачок ПВХ,
соедин шланг
труба ПВХ, 1 “
7
нетал.защити покрытие, 4”
—цемент бетонная заделка
низ наглухо закрыт ~
Г труба с перф., ПВХ
(см. перф. деталь)
мин.2‘
3
песок и гравий
>- газовая проба
“труба ПВХ, 0,5” -----
клей,стекловолоконная, лента и ткань — гравий
1/8" перф,-волоконная обертка ~
глубина
труба ПЭ 1/8”.дл.4' с резиновой пробкой
12'
газовая проба
перфорированная деталь бетонная заделка
О о

1
Рис. 5.12. Пробоотборное устройство для проведения мониторинга [23]
Кроме перечисленных, достаточно сложных методов, существуют портативные технические средства определения компонентов биогаза. Анализаторы органических паров, плазменные ионизационные детекторы являются самыми эффективными для измерения метана, хотя и инфракрасный детектор вполне годится для мониторинга [26]. В период рекультивации, кроме аппаратурного контроля, необходимы визуальные наблюдения за полигоном, так как
171
Управление метанстене-чом на иолинжах твердых бытовых отходов
подавление растительности всегда служит сигналом о наличии метана.
Для того чтобы убедиться, что биогаз не мигрирует и не накапливается в опасных концентрациях в сооружениях на полигоне и вблизи него, проводится мониторинг миграции с помощью портативных индикаторов горючих газов или специальных колодцев, расположенных на границе полигона (рис. 5.13) [26].
Для предотвращения образования взрывоопасной смеси метана с воздухом необходимо организовать постоянный
Рис. 5.13. Колодец с однослойным экраном для мониторинга газа [26]
172
Гчава 5
контроль содержания метана, который требует приборного оснащения ~ газовых хроматографов (стационарных) и портативных переносных приборов для качественного обнаружения метана.
5.5.3.	Особенности мониторинга биогаза
Мониторинг биогаза на полигонах ТБО является частью общего мультимедийного мониторинга, который сопровождает захороненные отходы на протяжении всего жизненного цикла. Согласно действующей директиве ЕС минимальный период мониторинга составляет 30 лет [32].
Мониторинг эмиссии метана является одним из ключевых звеньев управления метаногенезом, так как гарантирует информационное обеспечение управления экологической безопасностью захоронения ТБО, позволяет оценить динамику образования и валовую эмиссию основных компонентов биогаза (CO.Z, СН4, N.z, О,) и неметановых органических соединений, определить период максимального выделения и возможность использования газоносной способности захоронения ТБО для утилизации метана в промышленных масштабах.
Кроме того, мониторинг позволяет выявить горизонтальную миграцию метана, обосновать инженерно-технические мероприятия, предупреждающие опасную эмиссию метана на этапе эксплуатации полигона и позволяющие ускорить процесс использования территории после закрытия объекта. Выбор системы мониторинга биогаза должен базироваться на предварительной оценке максимального газообразования и прогнозе количества газа, образующегося в рекультивационный и пострекультивационный период.
В процессе эксплуатации мониторинг газа должен проводиться в каждой секции полигона ежемесячно. В пострекультивационный период эта процедура должна проводиться каждые шесть месяцев. По литературным данным, целесообразно производить мониторинг загрязнения атмосферы дважды в сутки в течение 7-10 дней подряд за один или несколько месяцев, когда миграция вероятнее всего имеет место. Необходимо иметь в виду, что при замерзании грунта и насыщении его водой возможность миграций газа увеличивается.
173
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Обычно газ, выделяемый из массива полигона отходов, проверяется на содержание метана. Список контролируемых параметров может пополниться и другими опасными загрязнителями воздуха. При концентрации метана в воздухе от 5 до 15% по объему метан является взрывоопасным. Проникновение газа происходит импульсами. В силу высокой изменчивости концентрации газа в течение квар тала или даже месяца мониторинг может не показать реальное состояние выделения и миграции газа в силу того, что время и дата отбора проб могут не совпасть с периодом достижения высокой концентрации [33].
По российским нормативам требуется проводить мони торинг атмосферного воздуха на территории свалки и в зоне ее влияния. Контроль газовых выделений производится с помощью газоанализаторов или aZa/’m-датчиков на поверхности рабочего тела и с помощью сети контрольных скважин, оснащенных приборами для обнаружения СН4.
Мониторинг миграции должен проводиться регулярно, например, по требованиям US ЕРА, раз в 3 месяца. Измерение газа в строениях проводится в помещениях, расположенных в верхней и нижней точке склона, с наружной части фундамента на уровне земли, вблизи трещин или отверстий в фундаменте и в полах. Также рекомендуется проводить измерения в строениях, расположенных за пределами полигона, имеющих подвалы.
Системы контроля газа, защищающие здания, как пра вило, должны иметь несколько уровней защиты. Особое внимание нужно уделять коммуникациям, траншеям, в которых они проходят, точкам их пересечения с защитными барьерами. Все коммуникации, проходящие через земляную засыпку, должны быть газонепроницаемыми. Не обходимо также контролировать газогеохимическое состояние грунтов, используя различные виды газовых съемок, скважинные газометрические наблюдения.
В процессе эксплуатации оборудования необходимо иметь в виду, что конденсат биогаза, содержащий коррозионно опасные компоненты, может воздействовать на датчики систем контроля, снижая их чувствительность или разру шая их. Поэтому состояние систем контроля должно нахо диться под наблюдением, с тем чтобы можно было вовре мя произвести их ремонт или замену.
174
Глава 5
По результатам мониторинга полигона ежегодно составляется краткий информационный отчет, содержащий оценку состояния полигона и выполнения нормативных требований к санитарному захоронению ТБО, состояния объектов окружающей природной среды и изменения, произошедшие за истекший период наблюдений, оценку эффективности инженерных сооружений, рекомендации по коррекции режима эксплуатации полигона и наблюдательной сети.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Heiss-Ziegler С., Lechner Р. Behavior of stabilized organic matter under anaerobic landfills conditions / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. P. 511—518.
2.	Raninger B., Pilz G., Gheser D. Optimisation of mechanical-biological treatment of waste to achieve Austrian landfill requirement / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. P. 387-394.
3.	Diaz L. F., Savage G. M. Mechanical and biological pretreatment of MSW. P. 371—378-
4.	Mancini I. M., Masi S. Influence of mechanical pretreatment on MSW Disposal in integrated systems / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. P. 362—370.
5.	Catalani S., Cossu R. Flushing of mechanical-biological and thermal pretreated Waste. Lab scale tests / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. P. 345—359.
6.	Higuch S., Hanashima M. Wash-out solid waste landfill system / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. P. 337-344.
7.	Paar S., Brummack J., Gamende B. Advantages of dome aeration in mechanical-biological waste treatment / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia,1999.V. 3. P. 427—434.
8.	Retenberger G. New Landfill technology for mechanically-biologically pretreated waste. V. 3. P. 527—528.
9.	Von Felde D., Doedens H. Full scale results of landfilling mechanical-biological pretreated MSW. P. 533—537.
10.	Deponiegas NiederOsterreich. Gefahrdungs und Nutzungpotential allgemeine Grundlagen. Teil 1. — Amt der NO Landesregierung, 1991.
11.	Deponiegas NiederOsterreich. Deponieuntersuchungen Gashaushalt. Teil 2. — Amt der NO Landesregierung, 1991.
12.	Санитарная очистка и уборка населенных мест. Справочник под ред. Мирного А. Н. — М.: Стройиздат, 1985.
13.	Рудакова Л. В. Научно-методическое обоснование снижения эмиссии загрязняющих веществ полигонов захоронения твер
175
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
дых бытовых отходов (ТБО) биотехнологическими методами / Дисс. па соиск. уч. степ. докт. биол. наук. — Пермь, 2000.
14.	Ralph Stone and Company. Aerobic Landfill Stabilization. — Los Angeles, California, 1970.
15.	Heyer K.-U., Hupe K., Stegmann R. Aeration of old landfills as an innovative method of process enhancement and remediation / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999.
16.	Dammann B., Streese J., Stegmann R. Microbial oxidation of methane from landfills in biofilters.
17.	Heyer K.-U., Stegmann R. New experiences with drying effects in covered landfills and technical methods for controlled water addition / 7 International waste management and landfill simposium. Sardinia, 1999. V. 3. P. 547 - 558.
18.	Перелыгин В. M. Гигиена почвы и санитарная очистка населенных мест. - М., 1973.
19.	Дударев А. Я. Санитарная очистка городов от твердых бытовых отходов. - Ленинград: Медицина, 1974.
20.	Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России. — М., 2000.
21.	7 International waste management and landfill simposium. -Sardinia, 1999. V. 3.
22.	Лихачев Ю. M., Федашко M. Я., Федоров П. M. 30-лет-пий опыт работы лучшего мусороперерабатывающего завода России. 2-й Международный конгресс по управлению отходами. • М.: Вэйсттэк, 2001. С. 112-113.
23.	Landfill off-gas collection and treatment systems. U.S. Army Corps of Engineers. — Washington, DC, 1995.
24.	Dammann B., Streese J., Stegmann R. Microbial oxidation of methane from landfills in biofilters / 7 International waste management and landfill simposium. - Sardinia, 1999. V. 3. P. 345 378.
25.	Абрамов H. Ф., Проскуряков А. Ф., Букреев E. M. Технологический регламент получения биогаза с полигонов ТБО. — М., 1990. 21 с.
26.	Рабочие материалы учебных курсов «Проектирование и эксплуатация полигонов захоронения ТБО в странах с переходной экономикой»,— М., 2001. 208 с.
27.	Erganzungsplannung Zentraldeponie Luneburg. BRP Consult. Projekt № 926, 1997.
28.	СНиП 11-102-96. Инженерно-экологические изыскания для строительства.
29.	Проект полигона ТБО г. Березники / ПГТУ, ООО «КОН-ВЭК». - Пермь, 2000. 187 с.
30.	Cooper С. D., Reinhart D.R., Rash F. Landfill gas emissions. Report. Florida center for solid and hazardous waste management. — USEPA, 1992. 130 p.
31.	Offermann-Clas C. The new EU-low on the landfills of waste / Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. IV // 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. P. 263-217.
32.	Draft European Union Directives, ISO 5667-2, 1991.
33.	Bagchi A. Design, construction and monitoring of sanitary landfill. USA, 1990.
Глава 6
УТИЛИЗАЦИЯ БИОГАЗА
Утилизация биогаза позволяет значительно снизить, а в некоторых случаях и полностью исключить загрязнение окружающей среды метаном.
Целесообразность применения того или иного способа утилизации биогаза зависит от конкретных условий хозяйственной деятельности на полигоне ТБО и определяется наличием платежеспособного потребителя энергоносителей. В большинстве развитых стран этот процесс стимулируется государством: приняты законы об использовании биогаза свалок в энергетических целях. Во многих странах ЕЭС и США существуют законы, обязывающие потребителей покупать альтернативную энергию. В соответствии с законом Италии от 1995 года, установлены нормы по вторичному использованию биогаза для получения тепловой и электрической энергии [1]. Нормативно определена стоимость такого вида энергии, которая, как правило в 2—2,5 раза выше стоимости энергии, произведенной на основе традиционных энергоносителей (природный газ, нефтепродукты и пр.).
В мировой практике известны следующие способы утилизации биогаза [2]:
•	факельное сжигание, обеспечивающее устранение неприятных запахов и снижение пожароопасности на территории полигона ТБО, при этом энергетический потенциал биогаза не используется в хозяйственных целях;
•	прямое сжигание биогаза д ля производства тепловой энергии;
•	использование биогаза в качестве топлива для газовых турбин с целью получения электрической и тепловой энергии (рис. 6.1);
•	доведение содержания метана в биогазе (обогащение) до 94—95% с последующим его использованием в газовых сетях общего назначения;
•	сжижение биогаза для получения жидкого топлива;
•	получение твердого СО2.
177
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Рис. 6.1. Схема утилизации биогаза с использованием паровой турбины [7]
6.1.	Оценка ресурсного потенциала полигона ТБО
Вопрос об использовании биогаза в качестве источника энергии решается после тщательного изучения процесса метаногенеза на полигоне. Оценка газоносного потенциала полигона является первым шагом в решении вопроса об утилизации биогаза.
Обычно максимальное выделение газа с оптимальным для коммерческого использования соотношением метана и углекислого газа продолжается от 5 до 50 лет. Проведенная оценка газоносной способности 22 полигонов ТБО в Нижней Австрии [3] выявила целесообразность получения энергии лишь на 8 из них, имеющих полезный объем более 500 000 м3 (табл. 6.2), а оценку «высокий потенциал использования» получили только четыре: St. Valentin, Hollabrunn, Hohenruppersdorf, St. Polten.
По опыту развитых стран, эффективность использования биогаза на энергетические нужды непосредственно на полигоне зависит от газового потенциала: при общем по тенциале газа менее 100 млн нм3 - оценка низкая; при более 100 млн нм3 — оценка высокая, при эксплуатации не менее 30 лет [4].
Помимо полезного газового потенциала полигона, то есть количества газа, которое можно переработать в электро энергию, критериями для оценки ресурсного потенциала
178
Глава 6
полигона должны являться: период использования полигона, мощность полигона, качество неочищенного газа, наличие потребителей энергии. Полигон имеет низкую оценку при сроке эксплуатации менее 10 лет, среднюю — 10 20 лет, высокую - более 20 лет.
Необходимо также изучить перспективы возмещения источника энергии после прекращения образования газа и предусмотреть необходимые капиталовложения в гарантию оптимальной эксплуатационной надежности. По наличию потребителей полигон может иметь низкую оценку, если поблизости нет потребителей, и высокую, если поблизости находится много потребителей газа. Целесообразно при оценке потребительского спроса на энергоносители выяснить месторасположение потребителя энергии относительно полигона, период энергетической потребности (во время холодного сезона; только в рабочие дни; в течение дня), требуемое количество и вид энергии.
Необходимо также учитывать возмещение источников энергии после завершения газообразования.
Общая оценка эффективности использования полигона как источника энергии складывается из суммы оценок по всем указанным критериям.
Для получения более объективной картины исходная информация о направлениях использования энергии из биогаза может быть представлена в виде таблицы 6.1.
Положительное решение об использовании полигона в качестве источника энергии принимается, если выполняются следующие условия:
•	полезный потенциал газа составляет не менее 90 млн нм3;
•	период использования - не менее 15—20 лет;
•	мощность полигона — 300 000—500 000 м3;
•	содержание метана в биогазе — не менее 45—50%;
•	имеются потребители энергии.
6.2.	Методы и технологии утилизации биогаза с целью производства тепловой и электрической энергии
Основные способы утилизации биогаза — сжигание в качестве среднекалорийного топлива в существующих промышленных котлоагрегатах и выработка электроэнергии. В единичных случаях биогаз обогащают до высококало
179
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
рийного топлива, близкого по теплотехническим свойствам к природному газу, удаляя из него диоксид углерода. Развитие этой технологии сдерживается низкими ценами на природный газ [5].
Вблизи Мюнхена (ФРГ) введена в эксплуатацию ТЭС, работающая на биогазе свалки ТБО. Сбор биогаза осуществляется через 21 скважину (общий расход до 200 м3/ч). На ТЭС биогаз подается в 12-цилиндровый V-образный двигатель внутреннего сгорания, приводящий в действие асинхронный генератор мощностью 253 кВт. Годовая выработка электроэнергии — до 2 млн МВт-ч.
На крупнейшем полигоне ТБО Западного Берлина, зак рытом в 1980 г., для получения биогаза пробурено 135 скважин. Биогаз используется для выработки электроэнергии. Годовая выработка — 9,8 МВт-ч.
Получаемый на свалке г. Манчестера (Великобритания) биогаз применяется в туннельной печи непрерывного действия для обжига кирпича. Для сбора биогаза на свалке площадью 27 га пробурено 12 скважин. Планируется получать биогаз в течение 10 лет.
В 1995 году на полигоне бытовых отходов в Бохум Корнхапене (Германия), с объемом захороненных отходов 6 млн м3, введена в эксплуатацию первая очередь теплоэлектростанции производительностью 3260 кВт тепловой и 2400 кВт электрической энергии, работающей на биога зе полигона (1300 м3в час, или 14 млн м3 в год). ТЭС обес
Таблица 6.1
Области применения биогазового потенциала полигона
	Территория полигона	Прилегающие к полигону территории	Использование для объектов за пределами региона
Область применения газа как источника энергии	Отопление зданий. Подготовка горячей воды. Самообеспечение электроэнергией. Прочее (например, приведение в действие агрегатов или транспортных средств)	Отопление зданий. Подготовка горячей воды. Снабжение района электроэнергией.	Снабжение электроэнер гией за пределами региона Подготовка и включение в газопровод природною газа. Прочее (например, транс формация в жидкий газ)
180
Глава 6
Таблица 6.2
Оценка газоносной способности полигонов для захоронения ТБО в Нижней Австрии
Место расположения полигона	Емкость полигона, м3	Срок эксплуатации		Количество биогаза, переработанного в электроэнергию, м’/ч		Срок эксплуатации полигона как источника биогаза
		начало	конец	max	min	
St. Valentin	1 500 000	1974	экспл.	200	60	57 лег
Purgstall	550 000	1975	ЭКСПЛ.	240	80	19 лет
Tulin	700 000	1983	экспл.	240	80	25 лет
Mannersdorf	240 000	1976	экспл.	60	60	12 лет
Ameis	285 000	1979	экспл.	120	60	14 лет
Hollabrunn	850 000	1/1984	экспл.	240	80	ЗОлет
Horn	139 000	1975	экспл.	60	60	4 года
Krems	1 036 000	1966	экспл.	320	80	26 лег
Waidhofen a. d. Thaya	210 000	1982	экспл.	60	60	11 лет
Steinfeld	400 000	1976	1989	120	60	14 лет
Obergrafendort	150 000	1981	1989	60	60	5 лет
Schonkirchen - Reyersdorf	400 000	1975	1988	120	60	13 лет
Perchtoldsdorf	315 000	1975	экспл.	120	60	11 лет
Hohenruppersdorf	800 000	1991	экспл.	120	60	46 лег
Amstetten	193 000	10/1980	экспл.	80	80	8 лет
St. Polten	1 453 000	1972	экспл.	500	100	28 лет
Rschamend	760 000	1984	экспл.	320	80	24 года
Breitenau 1 + II	442 000	1974	1989	120	60	10 лет
Wr. Neustadt	220 000	12/1983	экспл.	120	60	13 лет
Korneuburg	290 000	1970	экспл.	100	60	14 лет
Stockerau	478000	12/1973	ЭКСПЛ.	120	60	16 лег
Versuchsdeponie Breitenau	100 000	12/1986	1988	60	60	Згода
печивает теплом и электроэнергией соответственно 1250 и 5500 квартир. Стоимость строительства ТЭС — 14 млн марок. Для сбора биогаза создана система из 20 газосборных колодцев, связанных трубопроводами с компрессорной, подающей биогаз на газомоторы. Утилизация энергии биогаза предотвращает его эмиссию в окружающую среду и избавляет от необходимости сжигания 13 млн литров мазу
181
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
та, сопровождающегося выбросом в атмосферу до 50 тысяч тонн СО2 [6].
В Соединенных Штатах Америки осуществляется широкая программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с участием крупнейших университетов и организапий, имеющая целью расширить использование биогаза свалок.
В России в настоящее время существуют большие трудности, связанные со сбытом энергии, полученной из биогаза. Кроме того, экономическая целесообразность использования биогаза ограничивается сроками его образования. Эти факторы сдерживают широкое распространение такой технологии в нашей стране: реализуется всего два проекта в Московской области — полигон «Дашковка» в Серпуховском районе и полигон «Каргашино» в Мытищинском районе [5].
На территории полигонов были построены системы газодобычи, включающие скважины, газопроводы и компрессорные станции, обеспечивающие подачу газа к генераторам, находящимся в непосредственной близости от полигонов ТБО. Обе установки функционируют в опытнопромышленном режиме, вырабатывая по 80 кВт-ч электроэнергии.
Отличительная черта проводимых работ в области сбора и утилизации биогаза свалок в развитых странах — четкое разграничение требований с точки зрения применения биогаза, с одной стороны, и охраны окружающей среды — с другой.
По мнению специалистов из ФРГ, каждая из свалок ТБО является единственной в своем роде, и локальные условия, такие как содержание в биогазе вредных веществ, могут в значительной мере осложнить использование этого энергоносителя [8]. При современных ценах на энергию экономичная реализация биогаза как источника энергии возможна только в том случае, если разработана общая концепция рекультивации свалки и вблизи нее имеется потребитель энергии и тепла, использующий их ежеднев но и значительное количество часов.
В этом случае биогаз после необходимой предваритель ной очистки (если она требуется) подается в газовый дви гатель с электрогенератором или в газовую турбину с пос
182
Глава 6
ледовательно подключенным котлом-утилизатором. Вырабатываемая энергия и образующееся тепло отпускаются затем потребителям по рыночным ценам. Для упрощения технических и договорно-правовых проблем в идеальном случае вырабатываемая электроэнергия должна поступать непосредственно в сеть специализированного предприятия по энергоснабжению. Использование биогаза свалки как источника электроэнергии наиболее экономично, когда процесс организован на самой свалке и расходы по сбору биогаза несет предприятие, в чьем ведении она находится.
Организация экономически выгодной утилизации биогаза с отработанных (старых) свалок осложняется тем, что после относительно кратковременного повышения объемов образования его в первые годы эксплуатации в последующие 20-30 лет происходит их постоянное уменьшение. Для пользователя это означает необходимость позаботиться не только о резервной мощности электроэнергии, но и о дополнительном подводе природного газа в перспективе [2, 3].
С учетом значимости проблемы биогаза свалок, с точки зрения энергетического потенциала и общего количества образующихся ТБО, Федеральное ведомство по охране окружающей среды и Федеральное министерство исследований технологий ФРГ финансировали многие проекты систем сбора и утилизации биогаза. Одна из таких разработок — проект дегазации свалки ТБО «Георгсведер» в г. Гамбурге. При расчете газоносного потенциала и прогнозе объемов сбора биогаза использовали следующие исходные данные:
—	количество ТБО, складированных на свалке, — 5 млн т;
—	отходы завозились на свалку в течение 31 года с интенсивностью в среднем 161 000 т в год;
—	постоянное газообразование возникало в каждом слое ТБО примерно через год после складирования;
—	газоносная способность одной тонны ТБО уменьшалась наполовину в течение 6 лет.
Проектируемая система сбора биогаза имела эффективность 30%. Свалка эксплуатировалась с 1948-го по 1979 г., и после закрытия на ее территории предполагалось создать городской парк. Однако было установлено, что на большей площади свалки уже на глубине 30 см от поверхности в свалочных грунтах отсутствует кислород. Содержание метана в пробах газа составляло 50—60%, диоксида углерода —
183
н«|»ннн*ни» MfMHHitiHHi* *нМ ihl linilMHHlilX ШирДЫХ бЫГОВЫХ ОТХОДОВ
till ill'* IhuHH.i । ihip|iiiui,i значительное количество при-ч«и|| и г|и*цн ин» угтчшдородов до 1000 мг/м3, сероводо-|wiHH ни НН» mi м, и ТИКЖ1! галогенсодержащие соединения и пр (М( II iMiuiM случае полигон должен иметь покрытие, • iiiiHti ни и функция которого — удалять атмосферные осадки । ।ерритории объекта.
Il hi те время покрытие не должно быть абсолютно га-|<>||1Ч1р<>и11Ц}1емым, а лишь обеспечивать направленную дгг11:н1цик>, чтобы предотвратить образование избыточного давления.
Система сбора биогаза на свалке «Георгсведер» включает 39 газовых скважин, расположенных в среднем на расстоянии 65 м друг от друга и имеющих глубину около 16,6 м; 19 шахт, обеспечивающих изменение направления газопроводов и различные их уровни по высоте; кольцевой и радиальные газопроводы из полиэтиленовых труб диаметром 80—110 мм, две кольцевые дренажные системы, выполненные из слоя гравия толщиной 35 см, в котором проложены трубопроводы. Обе дренажные системы через предохранительные устройства соединены с кольцевым газопроводом, подающим в свою очередь биогаз на станцию сжижения. На станции есть поршневые насосы, с помощью которых биогаз откачивается из скважин и направляется по газопроводу длиной 800 м на очистку.
Биогаз, поступающий на станцию сжижения, проверяется на содержание кислорода и метана. Если содержание кислорода достигает 3%, поступает сигнал об опасности; при уровне в 5 % установка отключается.
Перед поршневыми насосами биогаз охлаждается для снижения содержания влаги. Для этой цели используются два теплообменника и четыре холодильных агрегата. Станция рассчитана на обработку 2400 м3 биогаза в час.
В процессе эксплуатации системы сбора биогаза установлено, что металлические детали газовых скважин и газопроводов, контактировавшие с биогазом, подвергались коррозии и выходили из строя менее чем через три года. За это же время были частично повреждены резиновые манжеты и уплотнители. Не подверглись какому-либо воздействию биогаза полиэтиленовые и полихлорвиниловые трубы газопроводов [8].
184
Глава 6
Использование биогаза в двигателях внутреннего сгорания возможно лишь при условии предварительного удаления из него галогенированных углеводородов (рис. 6.2). Наличие этих веществ в биогазе свалок приводит к значительной коррозии двигателей, которая возникает под воздействием соляной кислоты, образующейся в камере сгорания [8].
Рис. 6.2. Схема утилизации биогаза с использованием двигателя внутреннего сгорания [7]
Осушка биогаза в начале технологической цепочки позволяет исключить появление коррозии в последующих узлах установки, обеспечить нормальную работу измерительных приборов, защитить всасывающее оборудование от капельных ударов, предотвратить капиллярную конденсацию на адсорбционной ступени удаления галогенированных углеводородов и достигнуть требуемой влажности биогаза при подаче в двигатель на сжигание. Обеспечивается также возможность объединения процессов обезвреживания конденсата, получаемого при сушке, и образующегося на свалке фильтрата. Максимальную влажность биогаза — 0,6%, необходимую для применения 4-тактных газовых двигателей, можно обеспечить при температуре точки росы (5иС). Классические методы осушки газов, такие как сжатие и конденсация, нерентабельны из-за небольших объе-
185
Vli(i,IIIIII>1IIИI Mnlillll i|IIHI’.IOM па полиюнах твердых бытовых отходов
.... iiiiiirii.nl 11<*|||>срыв1юсть процесса осушки и сравни-...ни । |<ч к । и । .11 к if количество конденсата позволили отка-1л п.1 и иг <• унии! 1.1 них реагентов [7].
Тгнпоиогичсская схема энергетического использования niiorii.ni < очисткой его методом адсорбции сводится к сле-цукицему. В начале процесса биогаз подается в холодильные машины, где охлаждается до 5 °C. Тот факт, что машины имеют значительный запас производительности, позволяет обеспечить процесс при любых погодных условиях. Образующийся при осушке конденсат накапливается в специальных емкостях. После холодильных машин биогаз подается на сжатие в компрессоры, что снижает гидравлические потери при последующих перемещениях его по технологической цепочке.
В процессе сжатия биогаз нагревается до 60 65"С. Для снижения температуры перед подачей его на очистку применены теплообменники.
В качестве адсорбента применяется активированный уголь, так как другие, преимущественно гидрофильные, адсорбенты поглощают углекислоту и воду.
В то же время уголь более интенсивно адсорбирует сероводород по сравнению с галогенированными углеводородами. Поэтому процесс разбит на два этапа: вначале производится селективное удаление из биогаза сероводорода с помощью наиболее эффективного для этой цели йодированного или не содержащего железо активированного угля, а затем — выделение галогенированных углеводородов.
Адсорбционные колонны запроектированы на продолжительность цикла 114 сут. Для регистрации возможного резкого повышения содержания сероводорода в биогазе предусмотрен анализатор непрерывного действия. Удаление галогенированных углеводородов из биогаза производится в колоннах, заполненных специальным активированным углем.
Регенерация адсорбера для галогенированных углеводородов производится с помощью водяного пара при противотоке по отношению к направлению загрузки со скоро стью движения в газопроводе 0,35 м/с. Пар, содержащий после продувки колонн галогенированные углеводороды, охлаждается водой в конденсаторе до 50°С. С помощью центробежного насоса конденсат закачивается в сепаратор. Тяжелая органическая фаза попадает в сборную емкость,
186
Глава 6
где и обезвреживается. Водная фаза подвергается разделительному процессу с использованием воздуха (по соображениям экономии), во время которого содержание галогенированных углеводородов доводится до значений примерно 0,5 мг/м3. После этого водная фаза отводится на установку обезвреживания фильтрата. Разделительный процесс осуществляется в обдувочной колонне, куда воздух подается от компрессора.
Для предупреждения капиллярной конденсации в адсорбере в потоке воздуха, идущего через байпас, предусмотрена установка сушильного патрона.
С течением времени эффективность действия активированного угля снижается, поэтому в адсорбере (на выходе) необходим непрерывный контроль концентрации хлора. Величина его служит одновременно и задающим параметром для автоматического регулирования адсорбера.
Возможна также утилизация биогаза с непрерывным процессом его абсорбционной осушки. Процесс этот обладает тем преимуществом, что нет необходимости в предварительном удалении сероводорода. Присутствие его не мешает абсорбции галогенированных углеводородов.
В качестве абсорбера и десорбера по этой технологии используются колонны с наполнителем в виде колец Ра-шига, обладающих низкими значениями гидравлического сопротивления, высокой удельной поверхностью раздела фаз, хорошими показателями теплового обмена. После очистки биогаз направляется в 4-тактные газовые двигатели внутреннего сгорания. Преимущество использования таких двигателей в том, что они не требуют дополнительного горючего, дают возможность снизить эмиссию и получить более высокий КПД, чем у газовых турбин. Все компоненты утилизационной установки, за исключением оборудования охлаждения газа, располагаются в здании из пористого бетона, которое постоянно проветривается с помощью двух вентиляторов производительностью 5000 м3 воздуха в час [7].
Среди других примеров практического применения биогаза свалок ТБО в промышленных масштабах — действующая в США электростанция мощностью 9 МВт. Для получения биогаза на свалке площадью 20 га пробурено 76 скважин диаметром 600 -900 мм и глубиной 3—5 м.
187
vii|KiniiiMiiin Mi'iiiiHiitiiK'him ini iiuiinioiiax твердых бытовых отходов
< i> пиn< пиi>i иГ>п|>удо111111ы перфорированными трубами из iiii'iiiiiiiiiiilieI'lipo.iin. Система сбора биогаза, содержащего пи MI41UUI, находится под разрежением. Сбор и утили-IIIIIHH oiii>rn;iii производятся в автоматическом режиме, с in iKiui.iKniiinucM новейших методов и средств контроля, пк >iio*iiiji ЭВМ и телевидение. Разработан проект расширения системы сбора биогаза по всей площади свалки (МО га). После ее ввода в эксплуатацию планируется обеспечивать электроэнергией 10 тысяч индивидуальных жилых домов, экономя при этом 9540 т/год жидкого топлива [6].
Анализируя опыт утилизации биогаза в других странах и единичные попытки применения этой технологии в России, мы считаем, что объективных предпосылок полноценного использования биогаза свалок в качестве источника энергии в нашей стране нет. Развитие этой технологии на Западе стимулируется двумя факторами: необходимостью возмещения природных источников энергии и накоплением больших масс отходов на существующих полигонах при постоянном дефиците свободных земель из-за высокой плотности населения. В России нет недостатка в природных энергетических ресурсах, при необходимости всегда находится требуемый участок земли, нет и высоконагруженных полигонов. По оценкам российских специалистов, имеется около 20 объектов с массой свалочного тела более 2,5 млн тонн [9], эксплуатация которых может дать экономический эффект.
В сложившихся условиях, когда производство электроэнергии на основе свалочного газа не стимулируется государственной политикой, отсутствует нормативно-правовая база, реальным направлением является использование биогаза для удовлетворения нужд полигона ТБО или локального потребителя.
6.3. Методы и технологии утилизации биогаза без получения энергии
Сжигание биогаза — один из основных методов контро ля газовых эмиссий.
Конструкция системы дегазации состоит из дегазацион ных скважин и коллекторов, насосов и баков для сбора
188
Глава 6
конденсата; вентиляторов, труб с факе льно-запальным устройством.
До свечи газ доставляется через систему труб одним или несколькими вентиляторами. Барабан для удаления конденсата предохраняет пламя от затухания. Схема сжигания показана на рис. 6.3. При сжигании биогаза особое внимание уделяется методам, оборудованию и режимам экологически чистого сжигания биогаза в факелах с организацией технологического и экологического контроля этих процессов [3, 4, 7].
Существует два вида систем сжигания биогаза: открытая и закрытая (рис. 6.3). Каждая имеет свои преимущества и недостатки [3, 10].
Открытое сжигание, или свеча, представляет первое поколение систем открытого сжигания, то есть наиболее простой метод утилизации биогаза, который при определенных условиях уменьшает содержание метана на 98 %.
Преимуществами открытого сжигания являются:
—	простота проекта из-за отсутствия систем управления процессом горения;
-	удобство конструкции (простота установки);
—	с экономической точки зрения этот способ утилизации свалочного газа является наиболее выгодным;
открытое пламя можно располагать как на уровне земли, так и на любой высоте.
Рис. 6.3. Схема технологического процесса закрытого сжигания биогаза
189
Управление метаногенезом на полигонах твердых адговых отходов
К недостаткам открытого сжигания относятся отсутствие возможности управлять и следить за температурой, поступлением воздуха, контролировать параметры биогазового потока и непосредственно процесса горения.
Закрытое сжигание позволяет контролировать и воздушный поток, и поток биогаза. Поток свалочного биогаза выталкивается через пламя вентилятором, а воздух нагнетается к пламени через специальные воздушные заслонки.
Использование для сжигания специальных высокотемпературных факельных устройств (рис. 6.4) позволяет исключить образование диоксинов и других опасных компонентов.
При сжигании биогаза высокотемпературным факелом выполняются следующие условия [3, 10]:
1.	Температура горения выше 1000 °C. Углеводороды становятся неустойчивыми и могут окисляться (предпочтительная температура горения 1200 °C).
2.	Сжигание производится при коэффициенте избытка воздуха более 1, с тем чтобы все углеводороды могли полностью окисляться до СО2 и Н2О.
3.	Время пребывания газов в указанных условиях достаточно для полного протекания реакций окисления.
Таким образом, требования к техническим средствам сжигания биогаза таковы:
а)	во избежание образования холодных краевых зон сжигание должно производиться в термоизолированных камерах сгорания;
б)	вплоть до момента выхода из камеры газообразные продукты сгорания должны сохранять температуру 1200 °C;
в)	время пребывания в камере горячих газообразных продуктов сгорания с момента окончания процесса горения до выхода из камеры должно быть не менее 0,3 с;
г)	подвод необходимого для процесса горения воздуха регулируется таким образом, чтобы, во-первых, сгорание происходило при температуре 1200 °C и, во-вторых, коэф фициент избытка воздуха был больше 1;
д)	при запуске процесса стенки камеры сгорания долж ны нагреваться достаточно быстро, чтобы холодные крае вые зоны существовали короткое время. Это обеспечивает
190
Глава 6
ся применением изоляционного материала с низкой теплоемкостью;
е)	за счет улучшения техники сжигания необходимо добиться, чтобы концентрация NO_ в дымовых газах была не выше 200 мг/м3. Для снижения концентрации SO2, соединений хлора', фтора и пыли необходима предварительная обработка сйрого биогаза;
ж)	начиная С’тепловой мощности 1,2 МВт газовые горелки запуска'ю'тся в работу на уменьшенной мощности.
В процессе исследований на свалке г. Майнц-Буденгей-ма (ФРГ) установлено, что при высокотемпературном сжигании биогаза в муфельных камерах удается полностью исключить выбросы вредных и ядовитых веществ с дымовыми газами. Достижение этого эффекта стало возможным за счет футеровки камеры сгорания, технических особенностей горелок, соблюдения техники безопасности и регулирования процесса (скорости изменения нагрузок и диапазонов колебаний концентрации метана) [4].
В настоящее время в России, на Самарском полигоне ТБО, осуществляется проект утилизации биогаза в факеле. В перспективе предполагается утилизировать газ с выработкой электроэнергии около 500 кВт в час [11].
6.4.	Материалы для газопроводов
Эффективность системы сбора и утилизации биогаза во многом зависит от применяемых материалов. С этой точки зрения хорошо зарекомендовали себя трубы из термопластичных, пластичных, стекловолоконных материалов. Зарубежные проектировщики отдают предпочтение ПВХ (поливинилхлорид), ПНД (полиэтилен низкого давления) и полипропилену. В России в основном используются стальные и железобетонные трубы.
Критериями выбора материалов для газопроводов являются механическая прочность и стойкость к коррозии в среде биогаза.
Полиэтиленовые газопроводы имеют ряд преимуществ перед металлическими: они гораздо легче, обладают достаточной прочностью, эластичностью и коррозионной стойкостью, хорошо свариваются. Газопроводы не требуют электрохимической защиты. Производительность труда при
191
Управление метаногенезом на полигонах гвьдых бытовых отходов
Рис. 6.4. Типы факельного сжигания: а) открытое; б) и в) закрытое
строительстве полиэтиленовых газопроводов в 2,5 раза выше. При приемке в эксплуатацию полиэтиленовых газопроводов требуется исполнительная документация согласно [12, 13]. Пластиковые трубы из полиэтилена низкого давления (PEHD) имеют преимущество и с точки зрения восприятия усадочных деформаций, возникающих при уплотнении ТБО.
При отсутствии полиэтиленовых могут быть применены стальные трубы. В связи с повышенной агрессивностью среды свалочной толщи, при их использовании газо провод должен быть изолирован защитными покрытиями усиленного типа в соответствии с действующими техническими нормативами: битумно-полимерными, битумноминеральными, полимерными [14].
Основное преимущество стальных труб обусловлено ме ханической прочностью и их повсеместным использовано ем при строительстве газопроводов в России. Для проме жуточных и магистральных газопроводов рекомендуется
192
Глава 6
применять трубы из полиэтилена низкого давления с маркировкой «Газ», изготовленные в соответствии с ТУ-6-19-051-538-85 типа «Т» [15].
Стеклопластик, используемый для газопроводов в странах Европы и США, представляет собой стекловолокно, введенное в матрицу эпоксидной смолы. Такие трубы состоят из непрерывно переплетающихся прядей стекла, направление и плотность которых влияют на физические свойства и прочность труб. Внешне эти трубы выглядят неровными по сравнению с ПВХ и полиэтиленом, но внутренняя поверхность их очень гладкая. Стеклопластиковые трубы обычно соединяют с помощью клеящих составов на основе эпоксидной смолы или механическим способом. Использование этих труб в системах сбора биогаза ограничено по причине высокой стоимости материала. Стеклопластиковые трубы обладают высокой прочностью и долговечностью, стойкостью по отношению к высоким и низким температурам, коррозионной стойкостью.
Сравнительная характеристика материалов для изготовления труб приведена ниже (таблица 6.3).
Трубы, предназначенные для сбора конденсата при атмосферном давлении, в европейских странах чаще всего изготавливаются из ПВД. Углеродные стали с антикоррозионным пластмассовым покрытием применяются при давлении менее 70 кПа. Незащищенные стальные части, подверженные высокому давлению, обрабатывают цинком или эпоксидной смолой [7].
Обычно используют подземную прокладку трубопроводов, так как надземные системы трубопроводов требуют защиты от УФ-лучей, поэтому могут применяться только временно. Количество трубных соединений необходимо минимизировать.
Соединение труб рекомендуется производить с помощью гофрированных полимерных материалов или резины, что позволяет компенсировать деформации газопровода или скважины, вызванные движением тела полигона.
Разработка системы дегазации на полигоне - это масштабная акция, включающая все этапы проектирования и строительства любого другого предприятия. При разработке системы эффективно использование комплексного подхода, который включает: прогнозирование количества био-
193
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Таблица 6.3
Достоинства и недостатки труб из различных материалов
Наименование материала	Достоинства	Недостатки
Сталь	Высокая устойчивость к озону и УФ-излучению, к разрушениям, вызванным атмосферными и механическими воздействиями. Высокая эксплуатационная надежность при низких и высоких температурах. Высокие прочностные характеристики	Низкая стойкость к воздействию углеводородов, низкая стойкость к коррозии. Сложность сшивания. Высокий удельный вес
Полиэтилен низкой и высокой плотности	Стойкость к воздействию большинства химикатов. Высокие прочностные характеристики и качество швов. Хорошая эксплуатационная надежность при низких температурах	Низкая стойкость к проколам
Поливинилхлорид (PVC)	Высокие прочностные характеристики. Простота сшивания. Надежность при высоких и низких температурах	Низкая стойкость к воздействию УФ-излучения, озона, сульфидов и атмосферных осадков. Низкая эксплуатационная надежность
Стеклопластик	Высокая прочность. Долговечность. Стойкость к высоким и НИЗ- КИМ температурам. Коррозионная стойкость.	Высокая стоимость
Железобетон	Дешевизна	Низкая стойкость к коррозии. Высокий коэффициент трения. Потери напора
194
Глава 6
газа, расчет области влияния полигона, нахождение оптимального числа скважин, гидравлический расчет трубопроводов, выбор оборудования для утилизации биогаза, экономическое и техническое обоснование принятых решений. Разработанные с использованием таких методических подходов дегазационные системы обеспечивают успешную дегазацию полигонов ТБО.
6.5.	Критерии выбора технологий дегазации и утилизации биогаза
Методы дегазации полигонов различаются сложностью инженерной инфраструктуры, межремонтными сроками эксплуатации отдельных элементов сооружений, долговечностью, временем реализации и множеством других характеристик. К решению многокритериальных задач подобного рода применима методология системного анализа, позволяющая перевести проблему в разряд структурированных, к решению которой можно приложить аппарат математического моделирования и выбора оптимальных решений.
Согласно методологии системного анализа необходимо провести логико-структурный анализ методов и технологий дегазации полигонов ТБО: преобразовать исходную информацию в систему критериев, определить комплексные оценки.
Анализ процесса метанообразования, основных свойств биогаза и существующих технологий дегазации позволяет определить критерии выбора систем дегазации полигона в соответствии с его статусом, возрастом и мощностью следующим образом.
Процесс метаногенеза описывается формулой:
^ = (44-Q)k	(6.1)
сП
Все переменные параметры полигона — мощность, морфологический состав, влажность отходов и, наконец, время их разложения — учитываются в выражении скорости выделения метана в единицу времени:
к е “т-т')	(6 2)
195
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Эффективность системы дегазации будет зависеть от соотношения между собранным и утилизированным в единицу времени количеством газа Qc и образующимся QM4:
где Qc и QHa4 определяются по формуле (3.24).
Экологическая эффективность системы может быть выражена в виде показателя валового выброса загрязняющих веществ в атмосферу (Ва):
Вя = Ва "“* —Ва	(6.4)
Собранное количество газа, выраженное в процентах, характеризует производительность метода дегазации. Под производительностью метода понимается количество газа, прошедшее в единицу времени через сечение газосборной скважины или 1 м2 биофильтра, или в случае активной системы — через сечение воздуховода на входе в вентиляционную установку.
Производительность методов утилизации зависит от потерь газа в системе газосбора, например от диффузии через поверхность, конденсации его в системе сбора и других физических явлений. По различным оценкам, при активной дегазации примерно 40—50 % газа можно собрать [3, 4, 9].
Производительность современных систем инсинерации позволяет сжечь весь собранный метан.
Системы утилизации газа для производства тепловой и электрической энергии требуют минимальной скорости выделения газа не менее 60 м3/час. По опыту австрийских и немецких осуществленных проектов полигонов, эта минимальная скорость должна поддерживаться не менее 20 лет. Такая скорость эмиссии возможна только при соответствующей мощности полигона, высоком содержании органичес кого углерода в отходах, а также при условии, что время, прошедшее с момента закрытия полигона, не привело к существенному снижению метанообразования [3, 7].
Все эти многочисленные оговорки в формализованном виде отражает величина скорости выделения метана в еди ницу времени.
196
Глава 6
Минимальный поток метана 60 м3/ч является граничным значением, ниже которого целесообразны пассивные системы, выше - активные (рис. 6.5).
Граничные условия применения пассивных систем дегазации связаны с величиной избыточного давления внутри свалочного тела. Если избыточное давление мало, менее 50 мм водн. ст. (0,49 кПа), в горизонтальных траншеях возможны подсосы воздуха с образованием взрывоопасных газовоздушных смесей, поэтому в таких случаях целесообразны вертикальные дегазационные колодцы. При избыточном давлении более 100 мм водн. ст. (0,98 кПа) во избежание опасных прорывов через изолирующее покрытие необходимы активные системы дегазации с принудительной откачкой газа. Величина избыточного давления внутри полигона в наибольшей степени зависит от времени разложения отходов, поэтому скорость эмиссий и в этом случае может использоваться в качестве критерия выбора системы.
Границей применения в качестве способа дегазации окончательного покрытия в виде окислительного биофильтра является его максимальная окислительная способность. Линейная скорость проходящего через него потока газа не должна превышать 0,002 м/с. Известно, что биофильтры эффективно окисляют метан при скорости выделяемого газа не более 30 м3/ч [12].
Очевидно, что нижней границей применения специальных систем дегазации будут являться нормативы чистоты приземного слоя воздуха: предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосфере (ПДК для метана — 50 мг/м3) и пожаро-взрывоопасные концентрации метана в атмосфере (5—15% об., или 34,45 — 91 мг/л).
Если содержание метана в приземном слое ниже указанных пределов, достаточно ограничиться алармовыми средствами сигнализации. На рис. 6.5 показаны области применения различных типов систем дегазации в соответствии с возрастом свалочного тела и скоростью выделения метана. Так как между метановым потенциалом и мощностью полигона существует линейная зависимость [17], то для удобства проектирования можно в качестве критерия принять мощность полигона (количество складированных отходов).
197
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Рис. 6.5. Граничные условия выбора систем дегазации (т,— т3 — время эксплуатации полигона как источника энергии, т, — год закрытия полигона, т3-т4 — период пассивной дегазации)
Перечисленные условия применения различных методов дегазации, в зависимости от мощности полигона ТБО, сведены в табл. 6.7.
Проведенный логико-структурный анализ показывает, что выбор метода дегазации полигона необходимо производить по большому набору разнородных показателей, которые отличаются направленностью действия, размерностью, методическим описанием, критериальными условиями.
На первом этапе необходимо провести выбор критериев, по которым будут сопоставляться объекты. Исходя из общей теории управления движением отходов, базирующейся на трех основных принципах — ресурсном, экологическом и экономическом, можно провести соответствующую группировку разнородных показателей, характеризующих различные сценарии дегазации полигонов следующим образом:
1)	ресурсные: экономия/утилизация энергетических ре сурсов (Эр);
2)	экологические: воздействие па атмосферу (Ва); воздействие на персонал полигона (Вп);
3)	экономические: капитальные и эксплуатационные затраты; предотвращенный ущерб (Уп), эффективность системы дегазации (Эд).
198
Глава 6
Общая стоимость системы определяется:
з з -t 3j Зр - э,,	(6.5)
где (Зк) — уровень капитальных затрат; Зэ — эксплуатационных затрат, включая затраты в пострекультивационный период Зр, показатель экономии условного топлива Ээ при производстве электроэнергии.
Затраты на рекультивацию полигона хотя и зависят от конкретных условий, но в целом составляют значительную долю общих расходов по созданию полигона. Стоимость рекультивации полигона, оборудованного системами управления фильтратом и биогазом, будет во много раз превышать расходы по полигону, где требуется обслуживание верхнего изолирующего покрытия и периодический экологический мониторинг.
Как показывает мировой опыт, затраты на рекультивацию полигона практически не будут компенсированы. Поэтому необходимо обеспечить средства для рекультивации полигона еще в период его активной эксплуатации. Анализ расходов на рекультивацию полигона необходимо проводить при планировании полигона и включать их в общую смету расходов при составлении пакета документов.
Количество энергии, вырабатываемой из биогаза, можно рассчитать через показатель экономии энергии [23]:
Э, = Qt-ST,	(6.6)
где Qt — полученная электроэнергия, либо количество тепла, поступающее в теплоцентрали, кВт; St - стоимость полученной электроэнергии, руб./кВт.
Энергетический потенциал ТБО может быть приведен к общему эквиваленту, выраженному в виде экономии условного топлива (Ву).
Удельная теплота сгорания условного топлива (Q ) равна 29 300 кДж/кг.
Пересчет массы выработанного газа в условное топливо (Ву) производится по формуле:
By QOK,	(6.7)
где Эк = QH|/29 300 — безразмерный калорийный эквивалент; Qh| — теплота сгорания биогаза (кДж/кг); Q — масса биогаза (кг).
199
MfH.HHiHiiiiiniM ни ЦИНИ....... к!||ДЫХбытовых ОТХОДОВ
Iih>hm HtipHiniM, it। и нппи’ич'тш) анэргии, которое выра-iiHii itiHi'ii и н и।>ш।иi,.iy।нтii, учитывался как условное топ-ihhii | Пу|
Mui iiiiiiiiii 1Щ1Ч1КИ апологического уцерба от полигонов |||||||1нП||и iiitiipiiOiiTiiiia н нормативной литературе [18].
UhiiniirivtiK-KHc показатели определяется по валовому iH.iHpnrV вредных веществ в атмосферу ипо величине превышении 11Д1С [19].
Наличие семи самостоятельных показателей, имеющих различные качественные и количественные характеристики, требует применения соответствующих экономико-математических методов.
Выбор сценария дегазации необходим» произвести с учетом оценки по каждому из критериев. Оценив их по частным, локальным критериям, общую оценку целесообразно выполнять по одному обобщенному (комплексному) критерию. Поскольку все перечисленные критерии имеют численные значения, задача выбора оптимального решения относится к хорошо структуризованным, в соответствии с классификацией задач в системном анализе.
Для решения таких задач используются количественные методы анализа. Так как размерность и математическое описание критериев различны, необходимо воспользоваться непараметрическими методами оценки, заменив численные значения критериев на их ранги. За максимальный ранг принимаются наилучшие значения частных критериев, и они распределяются в порядке возрастания. Обозначим сценарии дегазации С\ С2 С, критерии — Xj ... Хг
Выполним ранжировку сценариев по каждому критерию (табл. 6.4). Заметим, что перечисленные выше составляющие комплексного ресурсно-эколого-экономического критерия в рамках решаемой управленческой задачи одинаково значимы, поэтому задача сводится к расчету суммарного (комплексного критерия). Оптимальный вариант дегазации принимается по величине нормированного приоритета Р,отн-.
В практике выбора систем дегазации возникают и задачи другого рода, например, когда при выборе схемы дегазации необходимо оценить ее долговечность, надежность, обосновать выбор того или иного материала для трубопроводов, оценить возможности сокращения санитарно-защит-
200
Глава 6
Таблица 6.4
Матрица ранжирования сценариев дегазации
Частные	Численное	Ранг	Численное	Ранг	Численное		Сумма	Приоритет; Комплексе.	
Сценарии	критерия		критерия	v’	критерия	л	рангов		критерии р„ 	
С,	3,	1	И	2		3	6	.. Р| ..	I—
г с?	35	2	.о.	4	Ва,		со		Р отв
L-	3,		I । ']		Ва.		5	р	-2
							—					 ЕР __ _ ...L. .JLJ		—
ной зоны и т.д. Эти критерии не могут быть выражены в численной форме. Простое суммирование ранжировок в таких случаях недопустимо, так как эти критерии имеют различную значимость (весовой коэффициент) в суммарном критерии, на основе которого принимается решение. Такая задача относится к разряду слабоструктуризован-ных и должна решаться с помощью методов экспертных опенок. Значимость локальных критериев для каждого сценария может быть определена методом расстановки приоритетов, который обладает определенными преимуществами по сравнению с другими методами экспертных оценок, так как не требует непосредственной количественной оценки отношений между объектами, позволяет использовать нетранзитивную информацию [20].
В задачах расстановки приоритетов в качестве метода высказывания суждений экспертами принимается метод парных сравнений, что дает возможность согласования соотношений между объектами с помощью подбора коэффициента а [21].
Объектами ранжировки являются частные критерии X . Решение многокритериальной задачи с применением метода расстановки приоритетов осуществляется на основе линейного свертывания критериев, для каждого из которых должна быть определена весомость (значимость) в суммарном критерии.
Матрица для определения значимости критериев показана в табл. 6.5.
Приоритет i-ro критерия Р‘‘т,! определяется на основе матрицы смежности, полученной методом парных сравне-
201
Vii|i,iniK!iiM<! М1!г;н11>|С1К!30М на полигонах твердых бытовых отходов
Таблица 6.5
Матрица смежности для определения значимости критериев
	X,		...х(	Za.	Р,	р™
	а,,	а<2	а>з	а.,	Р,	Р|0'Н
X,	яг,	а22	a2i		Р2	Р™
...X	а,<	а е	ач		Рз	РГ
ний критериев. Значимость i-ro критерия р. определяется путем перемножения матрицы столбца £ af на матрицу строки £Х...
Суммарный критерий рассчитывается как сумма взвешенных частных критериев:
P = tprp,™	(6.8)
I
rjifi’. Р°тн — приоритет i-ro критерия, р.отн — значимость i-ro критерия, п — число частных критериев.
Принятие решения по выбору системы дегазации может проводиться на основе экспертных оценок и другими способами. На наш взгляд, наиболее простой является оценка эффективности альтернатив [21], которая позволяет учесть и сопоставить все указанные критерии, выраженные в численной и стохастической форме. Рассматриваемые варианты систем дегазации представляют собой альтернативы А, Б, В, которые оцениваются, например, по стоимости, эффективности системы, экологическому эффекту (табл. 6.6).
Таблица 6.6
Матрица оценки эффективности принимаемых решений
Альтернатива	Стоимость	Эффективность системы	Экологический эффект	Преимущества	Недостатки
А	з,	эд1		А,		D,
Б	Зг	Эд2	Ваг	Аг	Ц
В	З3			А,	D3
202
Выбор систем дегазации
203
Таблица 6.7
Мощность полигона, тыс. м3	Минимальный расчетный метановый потенциал, м3/час	Пассивные системы дегазации			Активные системы дегазации			Примечание
		Горизонтальные дренажные траншеи с газо-выпусками	Газовые колодцы	Биофильтры	Сбор и рассеивание	Сжигание	Получение тепловой и электрической энергии	
Менее 50	Менее 30			4.				Без промежуточных гидроизоляционных слоев или обводненные
		4-						С промежуточными гидроизоляционными слоями; при избыточном давлении не менее 0,49 кПа (50 мм водн. ст.)
	30-40		+ 	4.	+			
50-800	Менее 40			+*>	+	+		'' при потоке менее 30 м3/час
	40-60					+		
Более 800	Более 60 при сроке эксплуатации менее 20 лет							
	Более 60 при сроке эксплуатации более 20 лет						+	
Глава 6
Управление метаногенезом на полигонах твердых битовых отходов
Сопоставление альтернатив производится следующим образом. Каждому преимуществу и недостатку методом шрных сравнений придается вес, и альтернативы сопос-тгвляются по средневзвешенному отклонению. Количественная оценка эффекта от реализации альтернативы А. внчисляется по формуле:
тд	(6.9)
где А.. — преимущества альтернативы, /Д — ее недостатки, Р(А ), P(D.) — ожидаемые вероятности осуществления А и 4
Качественное преимущество той или иной альтернативы учитывается в виде весового коэффициента k количественной оценки.
Проверка возможности использования предлагаемого метода расчета комплексных ресурсно-эколого-экономических критериев на примере выбора сценариев дегазации проектируемых, закрытых для приема ТБО, находящихся на стадии рекультивации и в пострекультивационном периоде полигонов захоронения ТБО в Пермской области показала его практическую применимость. Предлагаемый подход позволяет произвести оценку сценариев дегазации полигонов, находящихся на различных этапах жизненного цикла, различающихся по инженерной инфраструктуре, возрасту и мощности рабочего тела, морфологии отходов, независимо от изменения нормативов качества окружающей среды, нормативов платы за ее загрязнение, цен на природные и вторичные ресурсы и других изменяющихся во времени показателей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Offermann-Clas С. The new EU-low on the landfills of waste / Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. IV/7 International waste management and landfill simposium. -Sardinia, 1999. P. 203-217.
2.	Рабочие материалы учебных курсов «Проектирование и эксплуатация полигонов захоронения ТБО в странах с переходной экономикой». - М., 2001. 208 с.
204
Глава 6
3.	Deponiegas NiederOsterreich. Gefahrdungs und Nutzungpotential allgemeine grundlagen. Teil 1. Amt der NO Landesregierung, 1991.
4.	Deponiegas NiederOsterreich. Deponieuntersuchungen Gashaushalt. Teil 2. - Amt der NO Landesregierung, 1991 / Freserick M. Gate, Werner Heller. Deponiegas NiederOsterreich, департамент строительства земли в Нижней Австрии.
5.	Гурвич В. И., Лифшиц А. Б. Инженерный консалтинг в области переработки отходов и охраны окружающей среды. - ЗАО «Фирма Геополис».
6.	Абрамов Н. Ф., Проскуряков А. Ф. Сбор и утилизация биогаза на полигонах твердых бытовых отходов: Обзорная информация. - М.: ЦБНТИ Минжилкомхоза РСФСР, 1989. 40 с.
7.	Landfill off-gas collection and treatment systems. U.S. Army Corps of Engineers. - Washington, DC, 1995.
8.	Ryser W. Erfahrungen und Methoden zur Zwansentgasung. — TU Berlin, 1979. 15 s.
9.	Гурвич В. И., Лифшиц А. Б. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ) - самостоятельная отрасль мировой индустрии. -http://www.ecoline.ru, 2001. 11 с.
10.	Brunner Р., Lahner Т. Die Deponie. - TU Wien: Institut fur Wassergute und abfallwirtschaft, 1994-1995.
11.	Сецогин M. П., Чупшев В. Г. Опыт строительства системы сбора биогаза на полигоне ТВО. - М.: Вэйсттэк, 2002.
12.	Рудакова Л. В. Научно-методическое обоснование снижения эмиссии загрязняющих веществ полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТВО) биотехнологическими методами / Дисс. на соиск. уч. степ. докт. биол. наук. - Пермь, 2000.
13.	СНиП 2.04.08-87. Газоснабжение.
14.	СНиП 3.05.02-88. Газоснабжение.
15.	ГОСТ 15836-79. Мастика битумно-резиновая изоляционная. Технические условия.
16.	Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов / Министерство строительства РФ. АКХ им. Памфилова. - М., 1998. 63 стр.
17.	Marti согепа В., Attai A., Camacho Р., Manem G., Hesnault D., Salmon Р. Prediction rules for biogas valorization in municipal solid Waste landfills I Wat. Sci. Tech. V. 27, 1993, №2. P. 235-241.
18.	Методика определения предотвращенного экологического ущерба. ГК РФ по охране окружающей среды. - М., 1999.
19.	Санитарные правила № 4946-89 по охране атмосферного воздуха населенных мест.
20.	Блюмберг В. А., Глущенко В. Ф. Какое решение лучше. Метод расстановки приоритетов. - Л.: Лениздат, 1982. 159 с.
21.	Бешелев С. Д., Гурвич Ф. Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. — М.: Статистика, 1980. 271 с.
22.	Экология и промышленность России, 2000, сентябрь. С. 42-45.
23.	Вайсман Я. И., Петров В. Ю. Полигоны депонирования ТБО. - Пермь: ПГТУ, 1996. 145 с.
Глава 7
УПРАВЛЕНИЕ МЕТАНОГЕНЕЗОМ В ПЕРИОД ЗАКРЫТИЯ И РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЛИГОНОВ ТБО
Рекультивация закрытых полигонов — комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности территорий, а также окружающей среды [1]. Рекультивация территории завершает комплекс работ по экологическому управлению полигонами в целом и управлению метаногенезом в частности.
На рекультивационном этапе жизненного цикла полигона происходит стабилизация биохимических процессов. В этой фазе метаногенеза снижаются скорость и объем эмиссий метана, начинают протекать процессы гумификации целлюлозосодержащих отходов, формирующие свалочный грунт. При этом основным источником загрязняющих веществ становятся фильтрационные воды полигона. Конструкция и качество окончательного покрытия, его содержание, выбор метода рекультивации и направление дальнейшего развития восстановленной территории позволяют свести к минимуму потенциальные опасности и экологические риски, предотвратить чрезвычайные ситуации и незапланированные расходы.
Мероприятия по управлению метаногенезом в период закрытия включают формирование поверхности свалочного тела в соответствии с направлением рекультивации, инвентаризационные наблюдения за состоянием объектов окружающей среды. При рекреационном, сельскохозяйственном и лесотехническом использовании территории закрытого полигона необходимы мероприятия по предупреждению эрозии почвы, наблюдения за просадкой свалочного тела и своевременный ремонт покрытия. Если при этом полигон используется в качестве источника энергии, то необходим технологический мониторинг инженерных сооружений.
206
Глава 7
7.1. Формирование слоя окончательной засыпки как фактор управления метаногенезом
Закрытие полигона по существующим нормативам сопровождается устройством окончательного (верхнего) изолирующего покрытия. Конструкция и целостность этого покрытия определяет характер процессов, происходящих в свалочном теле.
Баланс состава газа и интенсивность его образования могут существенно меняться в течение года под влиянием сезонных условий и изменения напора грунтовых вод. Это приводит к значительным колебаниям давления в системе рыхлых образований. При наличии свободного, незатрудненного у поверхности обмена с атмосферой поток биогаза может усиливаться. Установлено, что средний поток метана со свалочного тела в атмосферу может достигать величин примерно в 300 раз выше, чем от дерново-подзолистой почвы (около 0,025 г-м 2*сут’°), а средняя величина потока СОг -- в 5 и более раз [2].
Вместе с тем окончательное покрытие может способствовать окислению метана и снижению эмиссий. Напри-
1 — плодородный слой почвы;
2' - фильтрующий (верхний) слой;
3	- биотический барьер;
4	- дренажный слой; 5 - гидравлический барьер;
6	- фундаментный слой (буфер);
7	— фильтрующий (нижний) слой;
8	слой для
вентиляции газа
Рис. 7.1. Устройство окончательного покрытия с гидравлическим барьером [5]
207
Управление метаногенезом на ппигонах твердых бытовых отходов
1- плодородный слой; 2 - Щавий, щебень для дренажа воды; 3 — минеральный слабофильтэующий слой (глины, суглинки);
4 - слой для Доенажа биогаза
Рис. 7.2. Состав окончательного покрытия без гидравлического экрана
мер, в анаэробной зоне свалки «Кучино» ежегодно генерируется 4 • 107м3 СН4и 2,4 • 107м3СО2, а в аэробной приповерхностной зоне более 50% метана, поступающего из зоны генерации, окисляется. В результате в атмосферу выделяется 1,7 • 107 м3 СН4 и 3,2 • 107 м3 С02. На свалке «Раменки» весь метан окисляется и в атмосферу выделяется лишь С02 [3, 4].
С учетом этих свойств окончательного покрытия, его конструкция должна обеспечивать физический барьер между захороненными отходами и объектами окружающей среды, регулировать эмиссии биогаза из тела полигона, обеспечивать прочное основание для возможного инженерного освоения территории, препятствовать фильтрации атмосферных вод в тело полигона, препятствовать эрозии, в результате которой могут быть обнажены складированные отходы.
Комплексное перекрытие может состоять из 8 различных слоев, каждый из которых выполняет определенные функции (рис. 7.1).
В развитых в промышленном отношении странах существуют нормативные требования по обязательной изоляции рабочего тела полигона после закрытия его для приема ТБО [5]. Конструкция перекрытия схематически может быть представлена в следующем виде (рис. 7.2).
208
Глава 7
В наружном изоляционном слое должна быть предусмотрена система вентиляции и выпуска газов, образующихся в Геле полигона после сооружения покрытия. Механизм вентиляции газа предусматривает устройство пористого слоя с проницаемостью 10*2 см/с, толщиной не менее 30 см, расположенного как можно ближе к отходам.
В тех случаях, когда необходимо полностью исключить инфильтрацию осадков в тело полигона и неорганизованный выход биогаза снизу, в конструкцию перекрытия вносится дополнительный элемент — искусственная водонепроницаемая пленка толщиной 2,5 мм (полиэтилен высокого давления, стабилизированный сажей).
По действующим в России нормативам [1] не требуется обязательного устройства изоляционного покрытия. Обычно ограничиваются уплотнением верхнего слоя ТБО и нанесением подстилающего грунта и почвенного слоя.
Качество материала для подстилающего грунта и его толщина зависят от характера последующего использования участка полигона.
В качестве материала культурного слоя используется плодородная почва, содержащая глины и суглинки, компост. Подготовленный таким образом изолирующий слой отличается высокой устойчивостью к ветровым воздействиям и размыв57 водой, содержит достаточный минимум питательных веществ для растений-пионеров, сохраняет влагу, исключает накопление биогаза в подпочвенном слое, что важно для обеспечения нормальных условий вегетации растений [6].
Правильно подобранная засыпка приводит к образованию метанотрофного слоя почвы, естественного «приспособления» для улавливания свалочных газов, одновременно выполняет санитарную и газорегуляторную функции. Интенсивность окисления метана в покровных почвах свалок может достигать весьма больших величин — до 45 г/м2 в сутки [8, 9, 10].
Проведенные исследования показали, что в почвенных профилях разрезов на участках с нормальным развитием растительности выделяются следующие горизонты: верхний гумусовый, слабодифференцированный переходный («красный слой»), глеевый (11].
209
Vi i| ши n< >i ii« ’ mi ч i и к in •! к i к >M mi понтонах твердых бьговых отходов
Норный i v' to пронизан корнями и корневищами растений и имеет черно коричневый цвет и волокнистую струк-ivpv. НП11ОМИ1ННО1ЦУ1О торф. Необычным является прояв-iii iiiie второго слоя, который назвали «красный слой» за его хороню выраженную, довольно равномерную красно-нурую окраску. Его цвет обусловлен характерной специ-...некой пигментацией населяющих его метано- и мети-лотрофных микроорганизмов. Этот слой не является препятствием для распространения корней растений.
Далее идет горизонт, где встречается специфическая разновидность глееобразования - свалочное (биогазовое) глееобразование. Корни растений в этом слое не встречаются.
Конструкция и качество окончательного покрытия, наличие системы сбора газа по всей площади объекта, согласно современным представлениям, являются главными факторами, влияющими на процесс эмиссий биогаза в окружающую среду. Полигон ТБО с соответствующей засыпкой и хорошо работающей системой сбора и контроля газа может иметь средние поверхностные эмиссии метана ниже 104 мг • м2 • с2. У объектов без такой системы поверхностные эмиссии метана на несколько порядков выше.
Далее (табл. 7.1) показаны результаты исследований влияния типа засыпки и системы сбора биогаза (табл. 7.2) на величину поверхностных эмиссий [12].
Для небольших молодых свалок и свалок промежуточного возраста, построенных без систем сбора газа, целесообразно устройство изолирующего покрытия из рыхлого грунта, способствующего активации аэробных процессов в верхнем слое, выполняющего роль окислительного биофильтра. В сочетании с такими техническими средствами регулирования движения биогаза, как дренажные канавы, траншеи и т.д., это эффективное средство предотвращения эмиссии биогаза.
Для больших полигонов, имеющих высокий потенциал использования биогаза как источника энергии, целесообразно устройство непроницаемого окончательного покрытия. Пострекультивационный период таких полигонов значительно длиннее. Соответственно затраты на закрытие и рекультивацию такого полигона будут во много раз превы-
210
Глава 1
Таблица 7.1
Зависимость потока метана от типа покрытия
Тип покрытия	Поток метана, мг/(м  с)2		
	Максимальный	Минимальный	Среднее значение
Глина, толщиной 2 м	5,0-10 2	1,6-Ю5	4,8-КГ
Песок/ геомембрана	3,0-10 ’	5,7-10 5	1,6-Ю'4
Грунт/ др. материалы	3,9-10'	2,4 -10 s	3,6-Ю2
Таблица 7.2
Зависимость потока метана от наличия системы дегазации
Наличие системы дегазации	Поток метана, мг/(м  с)2	
	Минимальный	Максимальный
Нет	6,0-Ю'2	7,8-Ю5
Есть(активная)	1,2-Ю3	1,6-Ю5
шать затраты на тех полигонах, где нет дорогостоящих геомембран и требуется только обслуживание верхнего покрытия и периодический мониторинг.
7.2. Экскавация свалочного грунта и ее влияние на состояние свалочного тела
В 90-х годах муниципалитеты многих городов проявили интерес к методу экскавации свалочных тел для рекультивации полигонов в соответствии с современными экологическими требованиями, снижения площади закрытых полигонов и сокращения расходов на закрытие.
Разработка и удаление свалочных тел ~ это метод плановой и управляемой выемки и переработки складированных отходов. Он используется как способ модернизации открытых свалок, неудачно спроектированных, или неэффективно функционирующих полигонов или как способ быстрого начала нового хозяйственного использования территории [5].
Удаление свалочного тела связано также с извлечением вторичных ресурсов. В условиях экономически развивающихся стран, где отходы имеют высокое содержание материалов, подверженных гниению, вторичные ресурсы включают биологически стабильные мелкие органические час,-
211
Viip.iiuiciiMn Mi>i;iiioiene3OM на полигонах твердых бытовых отходов
11111,1.1,	которые можно использовать в качестве промежуточного изолирующего материала, окончательного изолирующего покрытия, добавки в почву и т.п. Из отходов можно извлекать золу и другие мелкие неорганические фракции. Потенциальной сферой применения этих материалов является дорожное строительство и производство строительных материалов.
Существуют различные варианты экскавации, улучшающие экологическое состояние объекта, сокращающие затраты на эксплуатацию и закрытие полигона:
1)	выемка или сбор отходов на внешней границе полигона для снижения его площади в сочетании с немедленным размещением, уплотнением и укрытием слоем грунта собранного материала на оставшейся площади;
2)	выемка всех отходов (особенно при малом размере свалки) и перевозка материалов на соответствующий полигон для ТБО;
3)	выемка всех материалов, временное складирование вблизи свалки при обеспечении соответствующего экологического контроля, строительство нового полигона на исходном участке в соответствии с санитарными требованиями современных полигонов и захоронение ТБО на новом полигоне;
4)	выемка материалов, переработка и извлечение регенерируемых материалов, модернизация площадки и захоронение ТБО на новом полигоне.
При полном удалении свалочного тела желательно, чтобы органические отходы на полигоне были стабилизированы.
Поскольку выемка и переработка недостаточно разложившихся отходов чревата риском неприятных и опасных воздействий на здоровье и безопасность людей, необходимы соответствующие меры. Экскавация и вывоз свалочного грунта осуществляются после устранения запаха. Проблему безопасности рабочих на месте позволяет решить метод метод активации окислительных процессов с помощью биопустера [13].
Экскавация свалочных тел, тем не менее, не может заменить полноценной рекультивации и ремедиации полигонов. Целесообразность ее применения зависит от конкретных условий: экономических возможностей и ценности земельного участка, занятого полигоном; геометрических
212
Глава 7
параметров полигона, степени разложения отходов, имеющихся возможностей по перевозке отходов на другой полигон. Решение об удалении свалочного тела должно приниматься после соответствующих экологических, санитарно-эпидемиологических, газогеохимических и инженерно-геологических исследований.
7.2.1.	Экскавация в процессе эксплуатации полигонов
Свалочные грунты являются опасными в газогенерирующем отношении при содержании метана более 1 об.%. Но, как показывают исследования, извлекаемые грунты не всегда опасны. При экскавации свалки в графстве Кольер (Флорида) никакого вредного воздействия на рабочих или население зафиксировано не было. Степень разложения грунта была высокой. Извлеченный почвоподобный материал с низким содержанием тяжелых металлов использовался в качестве изолирующего грунта. Аналогичная картина имела место и на свалке Барре (Массачусетс), где экскавация проводилась спустя 20 лет после окончания эксплуатации [5].
Почвоподобный материал с аналогичными свойствами мы обнаружили в процессе исследований свалок в Пермской области [14].
Полевые исследования грунтов на закрытой 20 лет назад свалке «Голый Мыс» показали, что по гранулометрическому составу техногенные образования свалки представлены частицами размером от 1 до 0,005 мм и менее, что соответствует номенклатуре грунта: суглинок тугопластичный тяжелый и глина тугопластичная пылеватая. Основные физические свойства грунтов характеризуются параметрами, приведенными в табл. 7.3.
По величине коэффициента водонасыщения грунт соответствует категории «весьма влажные, насыщенные грунты» по СНиП 2.05.02-85 и ГОСТ 25100-82. Величины модуля деформации грунтов, полученные по данным штамповых и компрессионных испытаний, показывают, что процесс консолидации грунтов в теле свалки практически закончился.
Вместе с тем по гигиеническим характеристикам эти грунты представляют определенную опасность. Так, по
213
Управление метаногенезом на полигонах твердых битовых отходов
Таблица 7.3
Гранулометрический состав грунтов свалки «Голый Мыс»
Глубина отбора, м	Полные остатки на ситах (%1 при размерах отверстий сит, мм:					
	1-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,005	<0,005
2		0,3	0,5	11,4	81,5	6,3
3,5	0,8	3,9	12,5	6,3	29,1	47,4
4,0	0,3	0,7	33	17,2	33,6	15,2
5,0		10,2	29,3	9,8	32,2	18,5
Таблица 7.4
Физико-механические свойства грунтов свалки «Голый Мыс»
Характеристики грунта	Глубина залегания			
	2м	Зм	4м	5 м
Естественная влажность	0,252	0,262	0,316	0,267
Плотность, гс/см3	1,93	1,93	1,87	1,93
Плотность скелета, гс/см3	1,54	1,53	1,43	1,56
Плотность частиц, гс/см3	2,72	2,71	2,72	2,71
Пористость, %	43,38	43,54	47,43	42,44
Коэффициент водонасыщения	0,89	0,91	0,93	0,96
Модуль деформации (компрессионный), МПа	9	8	11	10
химическому составу грунты в районе свалки характеризуются повышенным по сравнению с ПДК содержанием микрокомпонентов: никеля — до 70 ПДК, кобальта — до 40 ПДК (в подвижной форме), меди и хрома — до 10 ПДК. В одной точке зафиксировано повышенное содержание марганца (12 ПДК) и цинка (2 ПДК). С увеличением глубины концентрация марганца, никеля, кобальта и хрома снижается до значений ПДК и ниже. При удалении от свалки идет постепенное снижение содержания указанных компонентов до ПДК и ниже и на расстоянии 1500 м от свалки оно соответствует фону. Эмиссия биогаза не обнаружена. В связи с этим при принятии решения об экскавации и использовании этих грунтов должны быть учтены санитарно-гигиенические и экологические требования.
214
Глава 7
На российских полигонах традиция удалять разложившийся свалочный грунт в процессе эксплуатации хранилищ отходов с целью освобождения места для складирования свежих отходов сложилась стихийно. За десятки лет эксплуатации свалки «Софроны» старые отходы многократно перекапывали, ими пересыпались новые. Процесс сопровождался постоянным горением отходов. Такая практика повлияла на процесс метаногенеза, на структуру и свойства свалочных образований.
В грунтах, извлеченных с глубины 12 м, на свалке «Софроны» выделены фракции от 250—300 мм до 2—10 мм и менее.
В основном разложившийся грунт состоит из смеси почвы, мелкого стекла, стройматериалов и дерева с очень малым количеством бумаги и веток. Очевидно, это связано с постоянным горением свалки, в результате которого выгорает часть органических отходов, прежде всего бумаги, веток, текстиля и других углеродсодержащих компонентов.
Крупные фракции (100—300 мм) находятся в виде обломков стройматериалов и компонентов отходов.
Фракции размером 10—100 мм представлены неразло-жившимися компонентами ТБО (стекло, древесина, углеобразные частицы, пластмасса, резина, металл и т.п.).
Фракция менее 10 мм является смесью продуктов разложения ТБО и унаследованных минеральных компонентов в виде сыпучего, практически бесструктурного, темносерого материала. При этом в свалочном грунте преобладают глинистые минералы (около 1/3 от массы фракции <2 мм), кварц и кальцит. Содержание органических компонентов отходов приведено в таблице 7.5.
Физические свойства грунтов представлены в табл. 7.6. Свалочные грунты характеризуются высокой пористостью — 65—70%, причиной которой являются процессы выгорания отходов. Высокое водонасыщение нижнего горизонта типично для свалочных тел и свидетельствует о наличии в теле полигона фильтрационных вод. Коэффициент фильтрации значительно снижается с глубиной. Средние значения коэффициента фильтрации лежат в пределах значений, характерных для песков и супесей. Это согласуется со сведениями, которые приводятся в литературе: коэффи
21,5
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
циент фильтрации отвалов 15-летнего возраста, определенный в натурных условиях, составляет от 10 2 до IO4—106 см/с [15].
По величине коэффициента фильтрации грунт соответствует категории водопроницаемых грунтов (кф<0,3) по ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».
Дисперсионный анализ результатов показал, что достоверно характерными для каждой глубины являются значения коэффициента фильтрации, водонасыщения и объемного веса скелета грунта (Р < 0,001). Изменения остальных физических свойств по глубине свалочного тела не являются статистически значимыми.
Химический состав техногенных грунтов характеризуется повышенным, в сравнении с ПДК, содержанием некоторых микрокомпонентов (Сг, Ni, Va, Zn, Sr и др.). По результатам анализа отмечены повышенные концентрации никеля и хрома — в 1,5-2 раза, ванадия — в 1,5 раза, цинка -в 1,5—2,5 раза, стронция — в 19 раз. В ряде проб отмечено повышенное содержание марганца, меди. Содержание микроэлементов в грунтах с глубиной уменьшается.
Проведенные исследования показали, что свалочные грунты захоронений ТБО, сформировавшиеся в последние десятилетия в результате периодической экскавации старых разложившихся отходов, по морфометричес-
Таблица 7.5
Основные характеристики свалочного грунта
Глубина отбора проб, м	Зольность, %	Содержание органического углерода, %	Содержание бумаги, %	Содержание древесины, %
1	81,80	4,5	0,8	1,4
3	82,81	6,9	0,2	1,4
4	78,89	9,4	1,5	3,9
5	74,67	7,6	0,2	1,9
7	80,55	7,1	1,3	нет
9	83,73	6,2	нет	нет
10	77,47	8,5	0,9	5
11	91,97	3,6	0,9	0,9
Среднее значение	81,48	4,8	0,828	2,416
216
Глава 7
Таблица 7.6
Свойства техногенных грунтов свалки «Софроны»
Характеристики грунта	Глубина залегания, м				
	2	4	6	8	10
Естественная влажность	0,428	0,54	0,625	0,737	1,00
Плотность грунта, гс/см3	1,24	1,20	1,40	1,44	1,46
Плотность скелета, гс/см3	0,87	0,78	0,86	0,83	0,73
Удельный вес, гс/см3	2,53	2,51	2,53	2,52	2,53
Пористость, %	65,5	68,9	66,0	67,1	71,1
Коэффициент пористости	1,908	2,218	1,942	2,036	2,466
Степень влажности (коэффициент водрнасыщения)	0,568	0,549	0,814	0,912	1,027
Потери при прокаливании, %	0,17	0,19	0,18	0,17	0,17
Коэффициент фильтрации, м/сут	0,96	0,6	0,345	0,252	0,117
кому строению имеют характерные особенности. Установившиеся процессы метаногенеза периодически нарушаются вскрытием отходов и укладкой новых с возвращением к аэробной стадии разложения. Вкупе с горением это приводит к значительному снижению органики, к преобладанию мелких фракций смеси продуктов разложения и минеральных компонентов. Часть органических отходов разлагается в аэробных условиях или сгорает. Следствием этого является сокращение периода выделения биогаза.
Существенное влияние на ускорение процессов разложения оказывают процессы выгорания таких фракций ТБО, как бумага, садово-парковые отходы, текстиль, являющихся основными источниками биогаза.
Высокая зольность, низкое содержание органической составляющей свидетельствуют о сравнительно быстром (в течение 20—30 лет) завершении процессов разложения органических компонентов отходов.
Таким образом, экскавация свалочного грунта может использоваться не только как способ сокращения жизненного цикла полигона за счет секвестирования рекультивационного периода, но и как способ управления метаногенезом на действующем полигоне.
217
Управление мепногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
7.3. Использование и развитие территорий свалок и полигонов
Свалки бытовых отходов, закрытые для приема ТБО, относятся к наиболее типичным нарушенным территориям. Эти территории, по терминологии US ЕРА называемые «brownfields», часто не восстанавливаются из-за стоимости очистки. В России на рекультивацию и локализацию, например, одной только Приморской свалки Санкт-Петербурга в 1996 году было выделено 600 млн рублей, которые не покрыли необходимых затрат [16].
Во многих случаях существование «brownfields» вызвано упадком деловой активности и потерями доходов. Законодательства многих стран, в частности CERLA и RCRA США, снижают интерес к таким территориям. Тем не менее местные органы власти начинают осознавать ценность городской территории и стремятся к восстановлению и использованию таких земель. В 1980-х годах проявились две объективные тенденции, возродившие интерес к разработке старых свалочных тел. Первая — это дефицит площадей, выделяемых под полигоны, и вторая — извлечение и использование вторичных ресурсов [17].
US ЕРА провозгласило в 1995 году стратегию на стимулирование развития задолженных территорий. Эта стратегия поддерживается государственными и региональными программами, федеральными грантами [18].
Российское законодательство хотя и декларирует необходимость рекультивационных работ после закрытия полигонов, активное коммерческое освоение территорий старых свалок и полигонов ТБО и интерес к ним не стимулирует [1]. Для этого существуют объективные причины. Главная из них заключается в самой природе свалочного тела, являющегося источником повышенной опасности из-за образования биогаза, фильтрата. Такая проблема, как дифференцированная просадка, способна вызвать структурные нарушения построек на полигоне.
Оседание свалочного тела продолжается вплоть до завершения процесса биологического разложения отходов и вызывает проблемы инженерно-технического характера, такие как низкая несущая способность основания, изменение величины просадки во времени.
218
Глава 7
Кроме того, ТБО представляют большую опасность в эпидемиологическом отношении, так как содержат возбудителей различных болезней и являются подходящей средой для их размножения.
В настоящее время опыт застройки таких земель существует. Многие закрытые полигоны с большим или меньшим успехом используются в различных целях.
Использование ведется в следующих градостроительных направлениях: пассивные рекреационные районы или открытые пространства — парки, зеленые зоны; активное рекреационное использование — спортивные площадки, поля для игры в гольф; коммерческое использование — склады, автостоянки, легкие металлические конструкции, дороги с твердым покрытием; гражданское строительство — здания без подвалов и технических подполий.
7.3.1.	Пассивное рекреационное использование
Пассивное рекреационное использование закрытых свалок и полигонов достаточно подробно описано в литературе, в том числе нормативной [1, 5, 24]. Необходимым условием является достаточная толщина верхнего слоя засыпки — не менее 60 см под пастбищные культуры с короткой корневой системой, больший слой земли — под люцерну и клевер.
Сельскохозяйственное использование целесообразно при расположении полигона в зоне землепользования того или иного сельскохозяйственного предприятия. Выращивание овощей и садоводство допускается через 10—15 лет, создание сенокосно-пастбищных угодий - через 1—3 года после закрытия полигона.
Лесохозяйственное использование, как правило, имеет мелиоративное, противоэрозионное или полезащитное назначение.
Исследования в области лесохозяйственного освоения были проведены в Италии на шести свалках общей площадью 120 га [17].
Наблюдения показали следующее: территории, засаженные с большим биоразнообразием, восстанавливались гораздо быстрее, чем территории, засаженные малым количеством видов растений; зеленый слой образуется в течение первого года; в целом вся система развивается в сторону
219
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
преобладания лесной растительности; при плотной посадке ветви деревьев сцепляются между собой уже через 4 года. Время и затраты, которые потребсвались для рекультивации, показаны в табл. 7.7.
Таблица 7.7
Затраты на рекультивацию свалок различной мощности в Италии [17]
Место положения	Период рекультивации	Общая площадь (га)	Территория свалки (га)	Затраты (тыс. евро)	
				на рекультивацию	поддержание территории
Seveso	1984-1999	42	5	1500	1010
Carate Brianza	1990-1998	4,5	4	69	120
Cavenado Brianza	1987-1993	70	35	350	437,5
Firenzuola	1995-1999	17,3	7,65	200	50,1
Modena	1996-1999	120	58	1240	230
Goria Maggiore	1992-1995	1,7	20	57	15
Восстановленный участок Bosco delle Querce в Seveso и территория площадки Cavenado предназначались под зоны отдыха приблизительно через 10 лет кос ле начала работ по рекультивации свалки. Территории свалок в Goria Maggiore и Modena предполагалось использовать в качестве природного ландшафта уже через 1—2 года после посадки растений.
В настоящее время эти территории используются как большие естественные и ландшафтные парки (Bosco delle Querce в Seveso; Carate Brianza, Firenzuola, Modena, Goria Maggiore) и сельскохозяйственные зоны (Cavenado Brianza).
7.3.2.	Активное рекреационное использование
Это направление использования рекультивированных свалок является в мире наиболее распространенным.
Свалка Шун Ван в Гонконге, на которой хранилось примерно 15 млн тонн отходов, занимала территорию в 50 га. После завершения процесса рекультивации свалка используется в качестве площадок для игры в гольф, примыкающих к набережной для прогулок [18].
На территории, расположенной в 24 км от Лос-Анджелеса, с 1951-го по 1969 год существовала свалка площадью
220
Глава 7
61 га. На рекультивированной территории были построены спортивный центр с теннисными кортами, бассейном, выставочный и конференц-зал, гостиница. Образующийся биогаз используется для отопления и получения горячей воды. Система дегазации состоит из 30 специально пробуренных скважин, коллектора, компрессорной установки и котлоагрегата. Строительство центра обошлось в 450 тыс. долларов [191-
Ремедиация свалки «Бейеролаз» (Beirolas) в восточном Лиссабоне является одним из примеров освоения нарушенной территории с последующим ее полноценным использованием [20].
Закрытие полигона «Бейеролаз» явилось частью программы восстановления самой деградированной территории города, проводилось с 1995-го по 1998 год и было приурочено к последней Всемирной выставке столетия — ЕХРО’98, которая проходила в Лиссабоне.
Общий генеральный план предусматривал создание городского парка площадью 80 га, где доминантой является полигон « Бейеролаз», откуда открывается панорама на лежащую внизу долину реки Тежу. Комплекс включает следующие сооружения: гольф-школа на вершине холма, школа вождения автомобилей, лестница по южному склону, прогулочные дорожки, дорога с асфальтовым покрытием и соответствующее оборудование для освещения комплекса, ирригационные сооружения. Относительно мягкие склоны холма, включенные в благоустройство и расширившие возможности ландшафтной архитектуры, были созданы искусственно при строительстве финального покрытия из насыпного слоя суглинка, добытого при строительстве метрополитена. Мягкая, пологая форма склонов потребовала специальной топографической съемки, расчетов устойчивости откосов и системы управления поверхностными водами.
Свалка «Бейеролаз» функционировала в 1985—1990 гг. и приняла 2 млн м8 ТБО. После официального закрытия свалки отходы продолжали поступать с расположенного рядом завода по переработке твердых отходов. В связи с этим свалка увеличилась па 5 метров выше первоначальной планировочной отметки, в результате чего обострились проблемы просадки свалочного тела.
221
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Проект закрытия свалки включал следующие мероприятия: экскавация свалочного тела и выравнивание основания для укладки вновь поступающих отходов; установка глиняного экрана или геомембраны на подготовленном основании; установка системы сбора фильтрата; размещение новых и экскавированных отходов на запланированных участках; установка мониторинговых скважин по периметру полигона; установка сети газосборных скважин через основание окончательного покрытия; установка компонентов окончательного покрытия: геомембраны, дренажа, защитного верхнего слоя и растительного покрова.
В соответствии с Директивой ЕС были подготовлены мероприятия по мониторингу фильтрата, биогаза, подземных вод и осадок полигона. Продолжительность мониторинга — 30 лет.
Эмиссии биогаза измеряются еженедельно, уровень и осадка — ежемесячно. Примерно 400 м3/час биогаза с содержанием метана порядка 36% извлекается и сжигается в факеле. Ожидается, что оседание как отходов, так и подстилающих мягких глин основания будет продолжаться несколько десятилетий и достигнет 3 м на некоторых участках.
Успешное окончание такого проекта менее чем за 3 года потребовало не только значительных финансовых затрат, но и особой координации действий инженеров, ландшафтных архитекторов и строителей.
7.3.3.	Гражданское строительство
Наиболее сложным направлением использования территорий закрытых свалок является строительное направление. Целесообразно более подробно остановиться на передовом опыте осуществленных в этой области проектов.
В качестве примера можно привести строительство комплекса Вестпорт-парка (Westport Office Park) в Калифорнии, США [21].
Вестпорт-парк занимает территорию в 91 000 м2, расположенную вдоль юго-западного побережья Сан-Францисского залива. Комплекс включает 20 административных зданий, парки и сады, автомобильные стоянки и строительство дорог.
222
Глава 7
До начала строительства комплекса потребовалось примерно 18 месяцев для подготовительных работ, включающих инженерно-геологические изыскания и планировку грунта для закрепления площадки старой свалки. Были решены серьезные технические проблемы, связан ные с проектированием специальных фундаментов для уменьшения неравномерной просадки, мероприятиями по защит*3 качества воды и сохранению целостности созданной бетонной подготовки, защите конструкций от взрывчатых газов. Для предотвращения миграции свалочного газа был построен сборный коллектор На реализацию этих мероприятий было потрачено примерно 1,5 млн долларов. Стоимость мероприятий по предотвращению скопления биотаза, предупреждению проседания и защите грунтовых вод составила 10% общей стоимости строительства.
Рис 7.3 Вестпорт парк План (211
223
Управление метаногенезом на полиюнах твердых бытовых отходов
Основным элементом проекта была установка 40-метро-вых предварительно напряженных висячих свай для поддержки опорных плит здания, проходящих через тело свалки и подстилающий грунт. Для каждого здания потребовалось установить 110 таких свай.
Для контроля за миграцией биогаза в зданиях были установлены автоматические газовые датчики и аварийная сигнализация. Поскольку подземные траншеи могут способствовать перемещению газа, в них были установлены барьеры миграции: геомембраны, бентонитовые пробки и уретановые герметики. На тех участках, где возможно скопление газа, были установлены системы для их улавливания (рис. 7.3).
Анализ американского опыта показывает, что самые большие здания и сооружения на свалочных грунтах были построены на глубоких фундаментах (сваях или кессонах), некоторые здания - с использованием «плавающих» фундаментов (с заменой подстилающего слоя отходов). Комбинация этих двух способов использовалась при строительстве на старых мелких полигонах: стены опирались на сваи, а плавающая плита использовалась для перекрытия. На одном из калифорнийских полигонов шарнирная плита была связана со зданием с одной стороны и «плавала» с другой.
Рассматриваемые проекты, безусловно, являются дорогостоящими не только для страны с переходной экономикой, но и для развитых стран Европы.
Высокая стоимость проектов обусловлена в основном очень сжатыми сроками и освоением территории практически сразу по окончании эксплуатационного периода. Такие условия складываются довольно редко, в первую очередь осваиваются в основном территории, находящиеся на последних этапах жизненного цикла, когда эмиссии минимальны. Восстановление свалок, где активная фаза метаногенеза уже закончилась, требует значительно меньших финансовых и инженерных усилий. Кроме того, финансирование может осуществляться поэтапно: краткосрочные операции, охватывающие период, в течение которого принимаются безотлагательные меры; среднесрочные — период от момента закрытия до обеспечения минимизации рисков; длительный срок - освоение полигона после того как обеспечена минимизация рисков.
224
Глава 7
В России в последнее время проводятся исследования возможности строительства зданий и сооружений на территории старых свалок. Труфмановой Е.П. и Галицкой И.В. была разработана соответствующая классификация свалочных тел в зависимости от газогеохимической опасности [22]. Согласно этой классификации, наиболее пригодны для строительства территории безопасных и потенциально опасных свалок. Однако при определенных условиях возможна застройка и газогеохимически опасных свалок. Накопленный опыт строительства на огромной территории России с различными, часто очень сложными геоморфологическими условиями позволяет подобрать необходимые конструкции и выполнить расчет оснований на свалочных грунтах [23].
Разработаны фундаменты с консольными выступами: неразрезные ленточные, пространственно-рамные, плоские и ребристые плитные, которые могут надежно работать в сложных геологических условиях. При соответствующих расчетах такие конструкции могут быть приемлемы и при строительстве на свалочных грунтах.
Освоение территории закрытых свалок и полигонов ТБО является результатом грамотного и эффективного управления метаногенезом, своевременно выполненных прогнозов образования биогаза, корректируемых четко налаженной системой мониторинга. Очень важным при этом является учет постоянно изменяющихся во времени свойств свалочного тела в течение всего его жизненного цикла. Старые свалки различны не только по объему отходов, их морфологическому составу, площади захоронения, высоте и геометрии тела свалки, но и находятся, как правило, на разных фазах жизненного цикла.
Дифференцированный подход в проектировании, учитывающий особенности рекультивационного и пострекультивационного этапов жизненного цикла, надежная оценка эмиссий биогаза и прогноз просадки, использование всех методов управления метаногенезом позволят применять известные конструктивные решения и расширить возможности градостроительного освоения этих земель.
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для ТВО / Министерство строительства РФ. Академия коммунального хозяйства им. Памфилова. - М., 1998.
2.	Минько О. И., Лифшиц А. В. Экологические и геохимические характеристики свалок твердых бытовых отходов / Журнал эколог, химии, 1992, №2. С. 37—47.
3.	Ножевникова А. Н., Лебедев В. С., Заварзин Г. А., Иванов Д. В., Некрасова В. К., Лифшиц А. Б. Образование, окисление и эмиссия биогаза на объектах захоронения бытовых отходов / Журнал общей биологии, 1993. Т. 54, №2.
4.	Ножевиикова А. Н., Елютина Н. Ю., Некрасова В. К., Труфманова Е. П. Образование метана микрофлорой грунта полигона твердых бытовых отходов. Микробиология, 1989. Т. 58, вып. 5. С. 859-863.
5.	Проектирование и эксплуатация полигонов для захоронения твердых бытовых отходов в странах с переходной экономикой. Рабочие материалы / Доклад ЕРА на II Конгрессе по управлению отходами. — М.: Вэйсттэк, 2001. 207 с.
6.	Offermann-Clas С. The new EU-low on the landfills of waste I Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. IV / 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. P. 263-217.
7.	Вайсман Я. И., Петров В. Ю. Полигоны депонирования ТБО: Учебное пособие. — Пермь: ПГТУ, 1996.
8.	Мягков М. И., Алексеев Г. М„ Ольшанецкий В. А. Твердые бытовые отходы города. — Л.: Стройиздат, 1978.
9.	Лындииа Т. Е. Регулирование роста корневых систем полевых культур при неблагоприятных физических свойствах почв / Почвоведение, № 1, 1991. С. 48—57.
10.	Узбек И. X. Развитие корней и интенсивность их разложения в толще рекультивированных почв / Почвоведение, 1995, № 9. С. 1132-1136.
11.	Трибис В.П. Формирование почв на рекультивационном полигоне бытовых отходов / Почвоведение, 2000, № 7. С. 898-904.
12.	Meadows М., Gregory R., Fish С., Gronow J. Characterising methan emissions from different typs of landfill sites / Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. IV // 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. P. 25-32.
13.	Heyer K.-U., Hupe K., Stegmann R. Aeration of old landfills as an innovative method of process enhancement and remediation I 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999.
14.	Комплексная оценка загрязнения окружающей среды Пермской городской свалкой. Отчет / Аналитцентр КПР Пермской области. - Пермь, 1998.
15.	Жиленков В. Н. Опыт исследований фильтрационных и геомеханических свойств твердых бытовых отходов // Геоэкология, 2002, №3. С. 275-280.
226
Глава 7
16.	Донченко В. К. О неотложных мерах по ликвидации несанкционированных свалок в пригородах Санкт-Петербурга и в Ленинградской области // Науч.-информ, бюлл. «Экологическая безопасность». 1997, №1—2.
17.	Lassini Р., Sala G., Sartori F. Reclamation of old and new landfills and their integration with the environment / Environmental impact, aftercare and remediation of landfills //7 International waste management and landfill simposium. Sardinia, 1999. P. 230-242.
18.	Overmann L. K., Lo Y-, Broadgate G. S. Waste treatment facility management-restoration of landfills in urban/sub-urban environments. V. IV. P. 461-468.
19.	Stearns R. P., Wright T. D. Landfill gas recovery and utilization at Industry Hills / Waste Management & Research. 1984, №2. P. 153-161.
20.	Castelao M., Rodrigues L. M., Zungalia E., Rocha J. Beirolas sanitary landfill closure and post-closure use as a park/ V. IV. P. 469 -476.
21.	Miller J. J., Vogt W. G. Case study: Large-scale commercial development above a closed landfill Westport Office Park / Environmental impact, aftercare and remediation of landfills // 7 International waste management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. V. IV. P. 455- 460.
22.	Труфманова E. IL, Галицкая И. В. Геоэкологическая оценка территорий бывших свалок (два аспекта) / Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. 1999, №5. С. 480—485.
23.	СНиП 2.02.01.83. Основания зданий и сооружений.
24.	Экологические требования к выбору площадки, проектированию, сооружению, эксплуатации и рекультивации полигонов захоронения ТБО для населенных пунктов численностью до 50 тыс. жителей Пермской области / ГК по охране природы Пермской обл. — Пермь, 1999.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение........................................... 3
Глава 1. Основные тенденции развития методов и технологий управления метаногенезом на полигонах захоронения ТБО.......................... 5
1.1.	Предпосылки развития методов и технологий управления метаногенезом............ 5
1.2.	Классификация полигонов ТБО как источников образования метана...................9
1.3.	Экологические риски, связанные с метаногенезом................................17
1.3.1.	Влияние на здоровье человека.....19
1.3.2.	Опасности возникновения взрывов и пожаров .....................20
1.3.3.	Выделение неприятного запаха.....24
1.3.4.	Воздействие на биоту.............26
1.3.5.	Загрязнение атмосферы............26
1.4.	Минимизация воздействий полигонов ТБО на окружающую среду как побудительная причина развития системы управления метаногенезом...............29
Список литературы..................................33
Глава 2. Образование, состав и свойства биогаза....36
2.1.	Биотические и абиотические факторы, влияющие на образование биогаза................36
2.1.1.	Атмосферные условия..............37
2.1.2.	Морфологический состав ТБО ......38
2.1.3.	Питательные вещества, обеспечивающие жизнедеятельность метаногенных бактерий..................40
2.1.4.	Влажность отходов ...............43
2.1.5.	Уровень pH поровой среды ........44
228
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
2.1.6.	Температура внутри свалочного тела....45
2.1.7.	Уровень грунтовых вод............46
2.1.8.	Инженерная инфраструктура полигона ...............................47
2.1.9.	Возраст отходов..................49
2.2.	Разложение органических веществ в аэробных и анаэробных условиях ................49
2.2.1.	Разложение органических веществ в аэробных условиях.....................49
2.2.2.	Разложение органических веществ в анаэробных условиях...................52
2.3.	Движение биогаза в теле полигона и его выделение в окружающую среду...............59
2.4.	Состав и свойства основных компонентов биогаза ...................................... 65
2.4.1.	Состав биогаза...................66
2.4.2.	Свойства основных компонентов биогаза...............................  70
2.4.3.	Физические и химические свойства биогаза........................73
2.4.4.	Потенциал опасности полигона по образованию биогаза..................75
Список литературы..................................76
Глава 3. Прогнозирование образования и переноса биогаза на полигонах ТБО................79
3.1.	Расчетные методы определения объема образования биогаза............................79
3.2.	Стехиометрическая модель .................84
3.3.	Модели биологического разложения .........85
3.4.	Мультиплетные модели прогноза.............90
3.5.	Модели переноса свалочных газов ..........93
3.6.	Метод расчета эмиссий.....................95
Список литературы.................................102
229
Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов
Глава 4. Применение расчетных методов для прогноза образования биогаза........................105
4.1.	Применение моделей Американского агентства по охране окружающей среды (USEPA) .................'......................105
4.2.	Расчет эмиссий биогаза в Австрии и Германии......................................109
4.3.	Расчет эмиссий биогаза по методике АКХ им. Памфилова...............................113
4.4.	Управление метаногенезом путем математического моделирования процесса образования биогаза....................116
Список литературы...................................126
Глава 5. Методы и технологии управления метаногенезом ......................................128
5.1.	Комплексная переработка ТБО как инструмент управления метаногенезом.............128
5.1.1.	Комплексная механико-биологическая обработка отходов ..............129
5.1.2.	Механическая обработка отходов...133
5.1.3.	Биологическая обработка отходов .135
5.2.	Аэробная стабилизация полигона, увлажнение и орошение полигонов.................136
5.3.	Термическая обработка отходов..............140
5.4.	Системы дегазации полигонов захоронения ТБО................................ 142
5.4.1.	Пассивные системы сбора биогаза.. 143
5.4.2.	Активные системы дегазации.......147
5.4.3.	Системы дегазации на эксплуатируемых полигонах .................... 150
5.4.4.	Системы дегазации на полигонах, закрытых для приема ТБО .................152
5.5.	Мониторинг воздействий биогаза на окружающую среду ............................163
230
Оглавление
5.5.1.	Обшие принципы организации мониторинга мест
захоронения ТБО и прилегающих территорий.. 163
5.5.2.	Методы отбора проб биогаза и аппаратурное обеспечение мониторинга биогаза...............168
5.5.3.	Особенности мониторинга биогаза....... 173
Список литературы.........................................   175
Глава 6. Утилизация биогаза..................................177
6.1.	Оценка ресурсного потенциала полигона ТБО.............178
6.2.	Методы и технологии утилизации бит аза с целью производства тепловой и электрической	ineprini.. 179
6.3.	Методы и технологии утилизации бпщ а <а без получения энергии...........................................  188
6.4	Материалы для газопроводов......................191
6.5.	Критерии выбора технологий дегазации и у i питании биогаза............................................  195
Список литературы..........................................  204
Глава 7. Управление метаногенезом в период закрыши и рекультивации полигонов ТБО..................................206
7.1.	Формирование слоя окончательной ккыпки как <|>пюор управления метаногенезом............. ... 207
7.2.	Экскавация свалочного грунта и ее влияние па сосюяппе свалочного тела...................... ..............211
7.2.1.	Экскавация в процессе эксплуа ian.олпгопов. 213
7.3.	Использование и развитие территории сванок и поипюпов.218
7.3.1.	Пассивное рекреационное псполь(ование...2'.9
7.3.2.	Активное рекреационное исноныокапне......220
(	7.3.3.	Гражданское crpoiiicjii.ciBo .	 222
Список литературы..........................................  226
231
Научное издание
Вайсман Яков Иосифович, Вайсман Олег Яковлевич, Максимова Светлана Валентиновна
УПРАВЛЕНИЕ МЕТАНОГЕНЕЗОМ
НА ПОЛИГОНАХ
ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Лит. редактор и корректор Н. Се.мукоба Компьютерная верстка — В. Роткин
Лицензия 04155 от 2.03.2001
Подписано в печать 7.07.2003. Формат 60x84 16.
Усл. печ. л. 14.5, Усл. изд. л.11. Набор компьютерный. г Тираж 200 экз. Заказ № 73
Издательство «Книжный мир» 614000. Пермь, уд. Пушкина. 66.
PoianpuHT Пермского государственного технического университета.
641600. г. Пермь. Комсомольский пр.. 29а