Содержание к диссертации
Введение
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМИССШ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В МЕСТАХ ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ НА КОМПОНЕНТЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ 10
1.1. Существующее положение в системе переработки и обезвреживания твердых бытовых отходов 10
1.2.Теоретические особенности эмиссии загрязняющих веществ при складировании ТБО на свалках и полигонах 16
1.2.1.Загрязнение подземных вод 16
1.2.2.3агрязнение атмосферы 23
1.2.3.Разложение органического вещества в свалочных грунтах 25
1.3.Существующая теоретическая оценка потенциальных запасов биогаза 26
1.4.Существующие методы рекультивации полигонов, свалок 28
1.5.Экологическая оценка складирования твердых бытовых отходов на полигонах Московской области 32
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ 35
2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБРАЗОВАНИЯ БИОГАЗА НА ПОЛИГОНАХ ТБО 39
3.МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 49
3.1 .Выбор направления исследований в лабораторных условиях 49
3.2.Методика газохимического исследования в лабораторных условиях 50
3.2.1 . Методика определения физико-химических свойств ТБО 50
3.2.2. Методика определения газового состава биогаза 57
3.2.3. Определение интенсивности разложения
Сает в зависимости от времени 59
3.2.4.0пределение зависимости выхода биогаза
от влажностного и температурного режимов 62
ВЫВОДЫ ПО ЛАБОРАТОРНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ 66
4.ПОЛЕВЫЕ ГАЗОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 67
4.1 .Методика полевых газохимических исследований 67
4.2.Анализ газового поля полигона 70
4.2.1. Анализ метанового поля 71
4.2.2. Анализ поля диоксида углерода 75
4.2.3.Анализ поля оксида углерода 80
4.2.4.Анализ поля молекулярного водорода 83
4.2.5.Анализ полей индивидуальных газовых компонентов.. 87
4.2.6.Анализ взрывопожароопасности на территории полигона 89
4.2.7. Токсикологические характеристики компонентов биогаза 91
4.2.8.Морфология свалочного грунта 93
ВЫВОДЫ ПО ПОЛЕВЫМ ГАЗОХИМИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯХ 98
5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ УДЕЛЬНОГО ВЫХОДА БИОГАЗА.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫБРОСА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ С ПОВЕРХНОСТИ СВАЛОК И ПОЛИГОНОВ ТБО
6. ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДЕГАЗАЦИИ СВАЛОК И ПОЛИГОНОВ 114
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 133
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 140
- Существующее положение в системе переработки и обезвреживания твердых бытовых отходов
- Методика определения физико-химических свойств ТБО
- Анализ метанового поля
Введение к работе
Актуальность работы. Накопление твердых бытовых отходов (ТБО) в РФ в 2000 году составило около 30 млн. т. С учетом увеличения удельных норм накопления ТБО прогнозируется их рост к 2010 году до 35 млн. т. в год. Около 98% этих отходов вывозятся из городов и поселков городского типа на свалки и полигоны, занимающие в стране свыше 40 тыс. га нарушенных земель. Кроме того, около 50 тыс. га нарушенных земель составляет площадь закрытых свалок и полигонов. Ежегодно для размещения новых полигонов отчуждают около 1 тыс. га полезных земель включая и сельскохозяйственные. В соответствии с федеральным законом РФ от 24.06.1998г. № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления», под объектом размещения отходов подразумевается специально оборудованное сооружение, предназначенное для размещения отходов (полигон, хвостохранилище и др.).
Однако из всего количества действующих в настоящее время полигонов только около 8% отвечают санитарным требованиям, остальные - представляют собой значительную эпидемиологическую опасность, нарушают ландшафт и являются источниками распространения загрязняющих веществ.
В зоне влияния свалок, полигонов существует три вида загрязнений -химическое, микробиологическое, тепловое. Первое обусловлено поступлением со свалки в окружающую среду химических соединений. Микробиологическое загрязнение связано с поступлением патогенной микрофлоры из твердых бытовых отходов в почву, грунтовые воды. Тепловое загрязнение обусловлено изменением геологической среды в результате биотермического разложения органической составляющей твердых бытовых отходов, а также при их возгорании.
Наиболее важным аспектом негативного воздействия свалок и полигонов захоронения твердых бытовых отходов, на окружающую среду является биогаз.
Не управляемый процесс распространения биогаза в окружающую среду вызывает ряд негативных эффектов как локального, так и глобального характера. Например, при накоплении в определенных концентрациях биогаз создает взрыво - пожароопасные ситуации как непосредственно на свалках и полигонах, так и в зданиях и сооружениях расположенных в непосредственной близости от мест захоронения ТБО. Кроме того биогаз накапливаясь в приземном слое атмосферы в значительных концентрациях, вызывает эффект отравления у эксплуатационного персонала, а при насыщении биогазом порового пространства почвы, наблюдается угнетение растений на прилегающих к свалкам и полигонам землях. Биогаз относят к числу так называемым «парниковым газам», вызывающим глобальные изменения климата на Земле.
В материалах конференции ООН по окружающей среде и развитию современного общества (Рио-де-Жанейро, июнь 1992 года) указывается на углубление понимания всей совокупности процессов (физических, химических, геологических, биологических и др.), воздействующих на атмосферный воздух земли. Поэтому решения по дегазации «старых» свалок, закрытых и эксплуатируемых полигонов захоронения твердых бытовых отходов с применением организованных методов управления выходом биогаза за период его активной стабилизированной генерации актуальны, своевременны и имеют большое практическое значение, как в местном, региональном и глобальном масштабах.
Цель и задачи исследований. Целью работы является обоснование и разработка методов дегазации свалок и полигонов захоронения ТБО, обеспечивающих экологическую и взрыво- пожарную их безопасность.
7 Достижение поставленной цели связанно с решением целого ряда новых задач, включающих:
Анализ воздействия свалок и полигонов захоронения твердых бытовых отходов на окружающую среду с выявлением приоритетного компонента;
Исследование процесса образования биогаза и его эмиссии из толщи свалочного тела в лабораторных и полевых условиях;
Разработку математической модели оценки удельного выхода биогаза за период его активной генерации;
Разработка методики расчета эмиссии биогаза с поверхности свалок и полигонов захоронения твердых бытовых отходов.
Научная новизна. В результате выполненных многолетних исследований в рамках сформулированной цели и решения задач: определенны временные периоды фазового образования биогаза в свалочном теле и его эмиссии с поверхности свалок и полигонов ТБО; выявлены закономерности и установлена зависимость выхода биогаза от влажностного, температурного режимов и содержания в свалочном материале органических составляющих; разработана математическая модель расчета удельного выхода биогаза за период его активной генерации с учетом физико-химических процессов распада органического вещества ТБО; разработана и экспериментально обоснованна методика расчета количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в составе биогаза в атмосферный воздух в местах размещения свалок и полигонов ТБО; предложены методы обоснования решений по дегазации свалок и полигонов ТБО.
Методика исследований. Исследования проводились на основе анализа ранее опубликованных работ выполненных другими авторами, проведения
8 теоретических, лабораторных и полевых опытов с использованием аппарата математической статистики при обработке результатов опытов. При проведении лабораторных работ и полевых опытов использовались стандартные методики и теория планирования эксперимента. Объектом исследования являлись свалки и полигоны захоронения ТБО.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
1. Математическая модель оценки удельного выхода биогаза из толщи отходов за период его активной генерации и результаты экспериментальных исследований, обосновывающие эту модель;
2. Методика расчета количественных характеристик выброса загрязняющих веществ в атмосферный воздух с поверхности свалок и полигонов ТБО;
3. Инженерно-технические и технологические методы дегазации и рекультивации свалок и полигонов.
Практическая значимость и использование полученных результатов.
Главные положения выработанного научно-методического подхода к решению вопросов дегазации свалок и полигонов захоронения ТБО использованы при: - разработке нормативных документов «Методические указания по расчету количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых отходов. (Утверждены комитетом Мособлкомприрода, № 9/ 583 от 28.08.1996г.) и «Правила по организации складирования тюков прессованных отходов на высоконагружаемых полигонах (Утверждены центром Госсанэпиднадзора Московской области. № 1879-5 от 01.12.1998г.); - разработке рабочих проектов «Рекультивация свалки № 3 г. Тольятти» (Проект утвержден 18.01.1998г) и «Рекультивация полигона ТБО «Щербинка» (Проект утвержден 29.03.95г.).
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на пленуме Межведомственного научного совета по экологии и гигиене человека и охране окружающей среды Российской Федерации «Методические проблемы гигиенической оценки опасности отходов и продуктов их утилизации» (Москва 5.03.1997г.), втором Международном конгрессе по управлению отходами (Москва 5-8 июня 2001г.). По теме диссертационной работы опубликованы 6 печатных работ.
Существующее положение в системе переработки и обезвреживания твердых бытовых отходов
Важным аспектом воздействия свалок и полигонов на геологическую среду является гидрогеохимический. Загрязнение подземных вод приводит к нарушению нормального водоснабжения населенных пунктов, к нарушениям водных экосистем. Степень воздействия на подземные воды зависит главным образом, от количества образующегося фильтрата и степени его загрязненности химическими компонентами.
Образующийся в толще твердых бытовых отходов фильтрат, содержащий компоненты распада органических и минеральных веществ, который при фильтрации в горные породы зоны аэрации и зоны насыщения подземные воды обусловливает их загрязнение. Так, на свалке Ростова — на -Дону обнаружена высокая степень бактериального загрязнения грунтовых вод: в 1 мл воды - 1,5 млн. бактерий, в том числе - 34000 кишечных (коли -индекс), а на свалке города Брукингса, штат Южная Дакота (США), - наблюдалось загрязнение грунтовых вод хлоридами которое составляет 849 мг/л. Свойства фильтратов изучались отечественными, так и зарубежными учеными (ссылки). Установлено, что сроки попадания фильтрата в грунтовые воды, в зависимости от инфильтрационного питания и гидрогеологических условий могут колебаться от 1 года до 10 лет после начала захоронения отходов на свалках. Фильтрат представляет собой сложную гетерогенную систему, загрязненную веществами, которые находятся в растворенном, коллоидном и полирастворенном состояниях. В нем всегда присутствуют как органические, так и неорганические компоненты загрязнений. Органические вещества в фильтрате находятся в виде белков, углеводов, жиров, кислот, спиртов и т.д. Из неорганических компонентов в фильтрате присутствуют ионы кадмия, хрома, калия, натрия, кальция, магния, бария, хлора, карбонатов, сульфатов и т.д., [25,65,76].
В связи со сложностью индивидуального аналитического определения присутствующих в фильтрате органических соединений в России, США, ФРГ, Англии производится суммарная оценка их содержания величинами БПК (биохимическая потребность в кислороде) и ХПК (химическая потребность в кислороде). Указанные показатели являются кислородными эквивалентами содержания органических веществ, окисляемых биохимическим и химическим путем. По литературным источникам величина БПК5 колеблется в больших пределах: на полигонах России от 11000 до 40700 мг/л, в Германии - 250 ч- 5230 мг/л; величина ХПК колеблется от 20000 до 82000 мг/л (таблица 1.5), [4 J.
Исследования, проведенные Калифорнийским университетом (США) показали, что в результате просачивания атмосферных вод на свалке, не удовлетворяющей санитарным требованиям, из 1200 м уплотненных ТБО вымывается не менее 1,5 т натрия и калия, 1,0 т кальция и магния, 0,91 т хлоридов, 0,23 т сульфатов и 3,9 т кислых карбонатов. Квазим и Брушанель вычислили на основании исследований на экспериментальном полигоне емкостью 12000 м ТБО, что в течении 4-6 месяцев выщелачивались загрязнения, характеризуемые БПК5 в количестве 12,33 т, хлоридов - 0,87 т, суспензий - 19,6 т. Проведенные в Англии исследования мест свалок, не удовлетворяющих санитарным требованиям, с высоким уровнем грунтовых вод показали, что в течение двух лет из каждой тонны ТБО проникли в грунтовые воды 25,8 кг загрязнений, характеризуемых величиной БПК5) 25,8 кг органического углерода, 4,98 кг органического азота, 0,5 кг хлоридов, 11,8 кг сульфатов, 1,0 сульфитов, [66,68].
По данным польских исследователей вода, стекающая со свалки в городе Гнезне, уносит за год 14 т хлоридов, 6т органического азота, [1,17,20,21].
Анализ состава фильтрата свидетельствует о том, что он является носителем болезнетворных микроорганизмов. В ТБО в течение длительного времени сохраняются бактерии, вызывающие кишечные заболевания (брюшной тиф, паратиф, дизентерию), а также бактерии туберкулеза, столбняка, газовой гангрены, сибирской язвы и т.п. Относительно невысокие температуры при анаэробном разложении не обеспечивают полной ликвидации болезнетворных микроорганизмов, [27].
Методика определения физико-химических свойств ТБО
Одним из главных этапов в исследованиях по проблеме сбора и использования образующегося на свалках (полигонах) биогаза является изучение процесса разложения ТБО, скорости его протекания, количества образующегося на разных стадиях газа, его состава и свойств, а также факторов, оказывающих влияние на перечисленные показатели.
Среди большого числа факторов: влияющих на процессы образования биогаза на свалках (полигонах) твердых бытовых отходов первостепенное внимание автором уделялись: влажности, температуре, морфологическому составу отходов, плотности, химическому составу.
Содержание воды в толще складированных отходов должно обеспечивать возможность максимального распределения питательной среды и самих бактерий по объему свалки. Проведенными экспериментами уровень влажности свалки зависит от ее размеров и применяемой технологии складирования отходов, он может меняться в зависимости от:
количества выпадающих атмосферных осадков и инфильтрационной способности уложенных отходов;
- уровня грунтовых вод и инфильтрационной способности грунтов в основании свалки;
- влажности поступающих отходов и применяемых условий при их механическом уплотнении;
количества дополнительной жидкости, вносимой при складировании совместно с ТБО осадков сточных вод. Вода является основным фактором, влияющим на образование благоприятной для метановых бактерий среды.
Метанообразующие микроорганизмы проявляют активность при температуре от 20 до 40 градусов. При холодном климате решающую роль на температурный режим в толще свалки оказывают ее площадь и глубине. Более вместительные и глубокие свалки меньше подвержены перепадам температуры и лучше сохраняют теплоту, выделяющуюся при разложении отходов.
Содержание органического вещества в отходах является основным показателем, характеризующим их химические свойства и количественные характеристики биогаза, [30]. Однако, органическое вещество, содержащееся в ТБО, имеет различную интенсивность разложения. Резина, кожа, пластмассы разлагаются микроорганизмами очень медленно, в то время такие органические составляющие как пищевые отходы - быстро. В связи с этим, в работе были приведены исследования по определению активной органики.
Большую роль на интенсивность биогаза влияет величина C/N, по литературным источникам эффективность разложения ТБО во многом зависит от этой безразмерной величины
Исследования проводились на пяти моделях полигона ТБО. Модели представляли собой цилиндры диаметром 65 см, высотой 6.0 м (рис. З.І.), изготовленные из стали толщиной 4 мм, покрытие изнутри техническим вазелином (во избежании пристеночного эффекта). Дно цилиндров двойное: наружное, коническое, имеет отверстие с патрубком диаметром 10 мм, внутреннее - является несущим для отходов и выполнено из металлического листа толщиной 3 мм. Во внутреннем дне просверлены отверстия диаметром 3 мм, на расстоянии друг от друга 30 мм. В колоннах имелись лючки для отбора проб ТБО. Через каждые 1.5 метра длины к моделям были приварены патрубки для определения температуры и отбора проб биогаза. В зимний период, для поддержания температуры, модели изолировались стекловатой.
На внутреннее дно моделей укладывались отходы из жилых домов г. Москвы.
Основным требованием, к пробам укладываемым в модели -максимальное соответствие их среднему морфологическому составу отходов, складируемых на полигонах в разные сезоны года (таблица З.1.).
Составление средней пробы производилось в два приема: отбор первичных проб и отбор средней пробы из первичной.
На основании разработанной Академией коммунального хозяйства и утвержденной Санитарно-эпидемиологическим управлением Министерства здравоохранения СССР 27 мая 1979г. № 121-14,734-5 и 9 июля 1979г. № 121-14,990-5 «Методикой исследования свойств твердых бытовых отходов» для изучения свойств ТБО необходимо отбирать первичную пробу массой 130-150 кг, а среднюю 20-К30 кг.
Анализ метанового поля
Дополнительное бурение, позволило уточнить размещение различных категорий свалочного субстрата на исследуемой территории и приблизительно выделить блоки. Как и предполагалось, южный участок свалки (блок 1) сложен главным образом практически разложившимися ТБО и отходами строительства и промышленного потребления. Мощность свалочных масс варьирует здесь от 3.0 до 7.5 метров. В северо-восточном участке (блок II), более кружном участке свалки, среди строительных отходов выделяются поверхностные и глубинные напластования бытовых отходов, а мощность общей толщи свалочного субстрата разнится в еще больших (4.5-10.0 м) пределах.
Морфологическое описание скважин, позволяющее получить представление о характере, составе, состоянии и мощности свалочных грунтов, приведено в таблице 4.3.
Поверхностный слой вершины холма северо-западного участка свалки (блок III) состоит главным образом из твердых бытовых отходов и части из промышленного потребления, резины и кожи. В более глубоких слоях преобладают среднеразложенные отходы промышленного потребления в виде макулатуры, древесины и полимерных материалов, тряпья и ветоши. Склоны холма образует п чаще твердые бытовые отходы, подстилающий толщу отходов промышленного производства мощностью от 1.5 до 4.5 метров. В этой части свалки расположен спецполигон с радиоактивными отходами. Отбор проб для определения морфологического состава свалочных масс, их влажности, химического состава производился специалистами Академии коммунального хозяйства. Бурение проводилось передвижной буровой установкой, установленной на шасси автомобиля ГАЗ-66. Предпринятая попытка бурения скважин с помощью буровой установки в силу специфики грунта (большая упругость) не увенчалась успехом.
Бурение велось послойно: с начало через 1 метр, а в дальнейшем, в связи с относительной однородностью проходимых масс, через 1.5 метра. Исключение составили участки с явно выраженной неоднородностью субстрата. Бурилось последовательно от 1 до 8 скважин для получения суммарного смешанного образца весом не менее 20 кг. Из полученного смешанного образца бралась средняя проба на влажность, а также на последующий химический анализ. Влажность определялась обычным весовым методом.
Высушенные образцы (средняя проба на химический анализ) весом около 5 кг пропускались через лабораторный грохот с размером ячеек 2 см. Фракция крупнее 2 см тщательно рассматривалась, по ее видовому составу, оценивался тип отходов, из которых состоит изучаемый слой. Наиболее достоверным критерием, по которому относился материал к бытовому, являлось наличие в нем полимерных материалов, костей, пищевых отходов, пластмассы. Бумага, текстиль и стекло, не могли служить объективными критериями при определении типов отходов из-за сильной разложенности двух первых и частой встречаемости во всех типах свалки последнего. Строительные отходы четко выделяются по комплексу: кирпич, бетон, раствор, а также крупногабаритные деревянные обломки.
Фракция мельче 2 см растиралась на растирочных машинах до прохождения через сито с отверстиями 2 мм. После этого образцы подвергались анализу.
Водная вытяжка объемом 1 л выпаривалась, прокаливалась и прокаленный остаток после взвешивания, отсылался на анализ в лабораторию отдела санитарной очистки городов АКХ на содержание микроэлементов. При этом использовались стандартные методики проведения количественного спектрального анализа.
