Зональное определение эмиссий биогаза на полигоне ТБО для оценки геоэкологического состояния и обоснования управления процессами разложения отходов при рекультивации

В соответствии с этим повторим основные укрупненные научно-практические задачи, сформулированные ранее [ 1], которые целесообразно решать в области строительной геоэкологии, а именно:

1) изучение изменений литосферы (геологической среды) при активизации природных эндо-и экзогенных процессов в результате строительной деятельности;

2) оценка устойчивости урбанизированных территорий к природным и техногенным воздействиям;

3) обоснование инженерной защиты городских агломераций от антропогенных и активизированных в результате строительных работ природных геологических процессов;

4) обоснование инженерной защиты застраиваемых территорий от опасных катастрофических природных процессов;

5) исследование природных геохимических и геофизических аномалий, геопатогенных зон и их воздействия на здоровье человека и комфортность проживания;

6) определение характера и интенсивности геохимического воздействия на литосферу различными видами строительства и закономерностей техногенной миграции химических элементов;

7) оценка изменения химического состава (качества) поверхностных и подземных вод и их истощения в результате промышленного, транспортного, жилищно-гражданского, гидротехнического и гидромелиоративного строительства и функционирования ЖКХ;

8) оценка защищенности вод от техногенного загрязнения коммунально-бытовыми отходами;

9) обоснование захоронений (изоляции в литосфере) токсичных строительных и коммунальных отходов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федоров, М.П. Анализ геоэкологических проблем при строительстве городов на примере Санкт-Петербурга [Текст] / М.П. Федоров, В.Н. Уманец // Научно-техн. ведомости СПбГПУ,— 2010. N°2. Т. 2 (100).- С. 196-201.

2. СНиП 11-02—96. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Раздел 8 — Инженерно-экологические изыскания [Текст]. — М„ 1996.

3. Требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию [Текст] // В кн.:

Временные положения по организации и проведению ГДП-200 / Отв. ред. А.И. Бурде. — М.: ВСЕГИНГЕО, 1991.

4. Требования к геолого-экологическим исследованиям масштаба 1:50 000-1:25 000 [Текст]. — М.: ВСЕГИНГЕО, 1990.

5. Андросова, Н.К. Геолого-экологические исследования и картографирование (Геоэкологическое картирование) [Текст]: Учеб. пособие / Н.К. Андросова. - М.: Изд-во РУДН, 2000. -98 с.

УДК 628.336:628.472:504.06

В.И. Масликов, А.И. Чусов, Д. В. Молодцов, М.Г. Рыжа ков а

ЗОНАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭМИССИЙ БИОГАЗА НА ПОЛИГОНЕ ТБО

ДЛЯ ОЦЕНКИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ОБОСНОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ РАЗЛОЖЕНИЯ ОТХОДОВ

ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

Проблема утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) в России продолжает оставаться достаточно острой. Из 50 млн т ТБО, ежегодно образующихся в РФ, более 90 % захоранивается

на свалках и полигонах. В настоящее время в России эксплуатируется более 1000 полигонов ТБО, из которых примерно 8 % соответствуют санитарно-гигиеническим и экологическим тре-

бованиям. Значительные масштабы необходимых работ и их высокая стоимость определяет актуальность задачи разработки эффективных и относительно дешевых технологий рекультивации полигонов ТБО.

Обычно мероприятия по рекультивации включают в себя комплекс работ по созданию: защитного изолирующего покрытия тела полигона; системы дегазации (сбор, очистка газовых эмиссий и их использование); системы аэрации захороненных отходов; системы сбора и очистки фильтрата; системы мониторинга состояния окружающей среды.

Конкретные мероприятия выполняются в зависимости от состояния полигона или его участков (в случае крупного полигона).

В качестве примера рассмотрим один из крупных полигонов ТБО, расположенный на территории Санкт-Петербурга, предполагаемый к закрытию в виду исчерпания проектного объема. В последние годы на полигоне ежегодно захоранивается около 2 млн м3 ТБО и небольшой объем промышленных отходов 3—4 класса опасности. Полигон эксплуатируется с начала 70-х годов прошлого века и является одним из крупнейших в Северо-Западном регионе страны. Площадь, занимаемая полигоном, составляет около 80 га, объем захороненных отходов на данный момент времени превышает 50 млн м3.

На полигоне имеются участки с различными сроками эксплуатации (рис. 1), отличающиеся количеством захороненных отходов, их морфологическим составом, интенсивностью процессов биоразложения, степенью минерализации свалочных масс и т. д., а следовательно, уровнем и характером воздействия на окружающую среду.

Очевидна необходимость в дифференцированном подходе при выборе технологий рекультивации полигона, обеспечивающих надежную защиту окружающей среды с учетом состояний конкретных участков.

Для оценки состояния полигона ТБО необходимо проведение трудоемких натурных и лабораторных исследований. Предлагается использовать сравнительно простой метод оценки состояния полигона в зависимости от эмиссии биогаза, которая во многом отражает степень разложения отходов на текущий момент времени и может определяться расчетным путем [ 1 ].

Для каждого участка полигона был проведен расчет эмиссии биогаза с использованием моде-

Рис. 1. Схема участков полигона ТБО: 1, 3 — эксплуатируемые участки захоронения отходов; 2, 4— участки, сравнительно недавно закрытые для приема отходов; 5, 6, 7— участки, давно закрытые для приема отходов

лей Табасарана — Реттенбергера и ЬапсЮЕМ, применяемых для оценки потенциала биогаза на полигонах ТБО в странах Европы и США. Сопоставление полученных результатов показало, что более низкую оценку эмиссии биогаза дает использование модели Табасарана — Реттенбергера. Если рассматривать возможность в дальнейшем практического использования биогаза, то целесообразно ориентироваться на заниженные оценки, чем обеспечивается надежность принятия решений. [2] На рис. 2 приведены графики эмиссии биогаза на каждом из участков полигона.

Анализ полученных результатов показывает существенную зональность эмиссии биогаза. На эксплуатируемых участках (7, 3) процессы биоразложения находятся в активной фазе, при этом в течение 15—20 лет после их закрытия будет интенсивно выделяться биогаз (от 20 до 7 млн м3/год), содержащий до 50—60 % метана. На этих участках целесообразно создать систему сбора и использования биогаза. В последующий период примерно в течение 25 лет будет происходить заметное снижение его эмиссии (до 1 млн м3/год), что делает нецелесообразным использование энергетического потенциала. При этом будет наблюдаться постоянное загрязнение атмосферного воздуха, существовать риск возникновения пожаров, а также возможной миграции свалочного метана в толщу грунтов земельных участков, расположенных в окрестностях полигона.

Объем биогаза, млн м3

2000 2010 2020 2030

2040 Годы

Объем биогаза,-млн м3 1,8 -

2000

2010 2020 2030 2040 Годы

Рис. 2. Эмиссия биогаза на участках полигона ТБО:

а — участки /1-) и 3 (----);

б — участки 2 Г-), 4{----), 5 < —©—), 6

На давно закрытых участках захоронения (5, 6,7) в течение длительного периода будет наблюдаться остаточная эмиссия биогаза (от 0,2 млн м3/год и менее), пока процессы биохимического разложения отходов не затухнут. Очевидно, на этих участках необходимо ускорить минерализацию отходов.

На сравнительно недавно закрытых участках (2, 4) наблюдается относительно небольшая эмиссия биогаза (менее 0,5 млн м3/год), что делает их неперспективными для использования биогаза. На этих участках целесообразно создать систему пассивной дегазации с отводом биогаза в атмосферный воздух.

Возникает задача зонального управления процессами разложения отходов на полигоне ТБО для более полного использования биогазового потенциала участков с активной эмиссией, а так же перевода в кратчайший срок участков с остаточной эмиссией биогаза в безопасное для окружающей среды инертное состояние. Вопросу интенсификации процессов разложения отходов уделяется большое внимание в развитых зарубежных странах, так как поставлена цель повторного полезного использования на урбанизированных территориях значительных площадей дорогостоящих земель, ранее выделенных под захоронение отходов.

Интенсификацию процессов разложения отходов на полигонах ТБО проводят путем аэрации свалочных масс на участках с остаточной

газовой эмиссией и орошения отходов «свежей водой» или очищенным фильтратом на участках с активной эмиссией биогаза [3].

В случае аэрации отходов (рис. 3, а) ускорение процессов их биоразложения (по органическому углероду) увеличивается в 6—8 раз, практически прекращается эмиссия метана вследствие его окисления, резко снижается содержание в фильтрате органических веществ. Продолжительность аэрации полигона определяется остаточным содержанием органического углерода и может длиться несколько лет. Недостатком технологии аэрации являются высокие затраты, связанные с подачей воздуха в тело полигона, а также с откачкой и очисткой отходящих газов, при этом в основном будет наблюдаться эмиссия углекислого газа, энергетический потенциал отходов не используется.

При подаче очищенного фильтрата в тело полигона (рис. 3, б) процессы биоразложения ускоряются, срок разложения отходов с 80—100 лет может сократиться до 10— 15 лет. В этом случае основной объем биогаза выделяется за короткий промежуток времени, что повышает эффективность его использования [4].

С целью определения необходимого объема воздуха для аэрации участков 5, 6, 7с остаточной эмиссией биогаза была использована методика, рассмотренная в работе [5]. Основой для расчетов является предположение, что в случае 25—30-летних захоронений потребность кислорода для

Линия

Компрессор подачи воздуха

Линия откачки газа

Компрессор с системой очистки

Трубопровод подачи воды

Цг

Тело полигона

\ I

ф

4-

+

/ / I ^ \ ^

Тело полигона

Рис. 3. Схема устройства аэрации полигона ТБО

разложения остаточного органического вещества составит от 10 до 25 мг 02/г органического углерода. Это соответствует объему воздуха от 30 до 80 м3, необходимого для разложения 1 т отходов. Аэрация участков будет продолжаться около года.

На участках 7, 3, где предполагается сбор биогаза, необходимо создание изолирующего покрытия, предотвращающего его утечку в атмосферу. При этом практически прекратится проникновение осадков в тело полигона, содержание влаги в отходах будет быстро уменьшаться, так как она используется в процессах биохимического разложения, а следовательно, будет сокращаться эмиссия биогаза. При содержании влаги в отходах в пределах 30—50 % ее увеличе-

ние на 1 % повышает выход биогаза примерно на 3,5 %. Для поддержания оптимального влаж-ностного режима отходов необходимо обеспечить промывной режим за счет орошения свалочных масс очищенным фильтратом с последующим отводом загрязненных вод [6].

Рекомендуется подача воды в количестве не менее 0,15—0,2 л/м3 отходов в день, что примерно соответствует естественному поступлению воды с осадками. Для ускорения процесса разложения отходов необходимо примерно в три раза увеличить этот объем воды.

На рис. 4 приведена схема размещения систем дегазации участков полигона ТБО в зависимости от зональной эмиссии биогаза.

Главный коллектор биогаза Рис. 4. Схема размещения систем дегазации участков полигона ТБО

Рис. 5. Эмиссия биогаза на полигоне ТБО (теоретический потенциал) - - естественный режим;--управляемый режим

На рис. 5 приведен суммарный прогнозный график эмиссии биогаза на эксплуатируемых участках 1 и 3 полигона ТБО для вариантов естественного и управляемого режимов разложения отходов.

В случае реализации управляемого режима (промывка отходов очищенным фильтратом) в период 2016—2036 годов ежегодная эмиссия биогаза в среднем увеличится на 20—25 %, что позволит более полно использовать биогазовый потенциал. После этого эмиссия биогаза практически прекратится, и участки будут переведены в режим аэрации на короткий период с по-

следующим их использованием для хозяйственных нужд.

На рис. 6 приведен прогнозный график технического биогазового потенциала (с учетом возможных потерь) участков 1 и 3.

Утилизация метана осуществляется в дизельных электростанциях (ДЭС), наиболее подходящих для данного типа энергоносителя. Мощность и количество блоков ДЭС, величина выработки электроэнергии определяются объемом метана, доступным для использования в рассматриваемый период времени. На период 2016—2020 годов возможна эксплуатация шести блоков ДЭС, об-

обьем биогаза, „з

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 Годы

25 20 15 10

Рис. 6. Технически возможный для использования биогазовый потенциал полигона ТБО (управляемый режим): -е- — экмиссия биогаза; -е- — эмиссия метана

щей мощностью 6 МВт; соответственно в период 2020—2024 годов — 5 блоков общей мощностью 5 МВт; 2024—2028 годы — 4 блоков, общей мощностью 4 МВт; 2028—2032 гг. — 3 блоков общей мощностью 3 МВт; 2032—2037 гг. — 2 блоков общей мощностью 2 МВт; 2037—2040 гг. — 1 блок мощностью 1 МВт. С течением времени часть блоков выводится из эксплуатации с дальнейшим использованием на других полигонах.

В целом суммарное количество электроэнергии за период работы ДЭС

Энергетическое использование биогаза позволит не только обеспечить собственные нужды, но и получить дополнительный доход от поставок избыточной части электроэнергии для нужд местных потребителей. Возможно также получение дополнительного дохода от продажи квот на сокращение эмиссии парникового газа, что позволит компенсировать существенную долю затрат на рекультивацию полигона.

СПИСОК /

1. Федоров, М.П. «Углеродные» инвестиции в энергетическое использование полигонов ТБО / М.П. Федоров, В.В. Кораблев, В.И. Масликов, Е.О. Иокша // Экология и жизнь : научно-популярный и образовательный журнал,— М., 2008,— №4(77).- С. 16-22.

2. Федоров, М.П. Энергетическое использование эмиссий метана на полигоне твердых бытовых отходов Санкт-Петербурга для сокращения парниковых выбросов и привлечения инвестиций в рекультивацию [Текст] / М.П. Федоров, A.B. Зин-ченко, В.В. Кораблев [и др.] // Научно-технические ведомости СПбГПУ,- 2008. № 6 (70).- С. 135— 142.

3. Hupe, К. Gezielte Befeuchtung/BewÄSserung von Altdeponien zur Beschleunigung der biologischen Umsetzungsprozesse [Текст] / К. Hupe, K.-U. Heyer, R. Stegmann // In: Deponietechnik.— 2002,— Hamburger Berichte 18 (Hrsg.: R. Stegmann, G. Retten-

Реализация режима управляемого полигона позволит ввести в оборот для хозяйственного использования значительные его территории. Целесообразно на период проведения работ по дегазации использовать участки, переведенные в инертное состояние, для производственных нужд (выращивание посадочного материала для городского садово-паркового хозяйства, размещение складов, стоянок для автомобилей развивающейся промышленной зоны и др.). В дальнейшем, после завершения работ по дегазации, возможно и рекреационное использование всей территории полигона.

Таким образом, зональное определение эмиссии биогаза расчетным методом позволяет создать рациональную схему использования участков полигона, а также обосновать возможный режим управления процессами разложения отходов с целью наиболее полного использования биогазового потенциала, снижения воздействия на окружающую среду.

В выполненных исследованиях активное участие принимала дипломница A.C. Якимова.

berger, W. Bidlingmaier, H.-J. Ehrig).— Stuttgart:Verlag Abfall aktuell, 2002,- S. 237-264.

4. Henken-Mellies, U. Steigerung der Deponiegasmenge durch Reinfiltration von Sickerwasser— Auswertung von Daten bayerischer Deponien / 19 [Текст] / U. Henken-Mellies, Р. Schwab.— Nbrnberger Deponieseminar.- 2008,- S. 117-128.

5. Rettenberger, G. Stabilisierung einer Altlast durch Einblasen von Euft am Beispiel der Altablagerung Eorenkamp [Текст] / G. Rettenberger // in: Trierer Berichte zur Abfallwirtschaft— Deponiegas. (Hrsg.: Rettenberger, Stegmann).— Stuttgart:Verlag Abfall aktuell, 2001,- 12 s.

6. Rettenberger, G. Anforderungen an eine sichere Deponie — nmgliche Nachsorgestrategien am Beispiel der Deponie Halle-Lochau [Текст] / G. Rettenberger // Die Zukunft der mechanisch-biologischen Abfallbehandlung.— Potsdamer Abfalltage, 22—23. Mai 2000- Heft 6,-