Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оценка вредного воздействия полигонов твердых бытовых отходов на окружающую среду 10
1.1. Ситуация в области утилизации бытовых отходов и существующие методы борьбы с эмиссиями биогаза в атмосферу.. 10
1.2. Экологическое воздействие эмиссий вредных веществ с полигонов ТБО 18
1.3. Образование биогаза на полигонах ТБО и факторы влияния на процесс деструкции отходов 21
1.4. Аналитическое описание процесса биодеструкции с использованием моделей образования биогаза 29
1.5. Оценка длительного воздействия полигонов бытовых отходов на окружающую среду 35
1.6. Комплексная оценка внедрения систем дегазации с учетом экологической и экономической составляющих 40
1.7. Выводы по главе 1 42
Глава 2. Постановка экспериментальных исследований 44
2.1. Обоснование и планирование экспериментальных исследований 44
2.2. Описание экспериментальной установки для исследования влияния элементного состава отходов на процесс биодеструкции 45
2.3. Исследование влияния элементного состава отходов на содержание метана и диоксида углерода в составе биогаза 48
2.4. Описание экспериментальной установки для исследования факторов влияния на биогаза с полигонов ТБО 53
2.5. Исследование влияния влажности и температуры в толще отходов на содержание метана и диоксида углерода в составе биогаза 58
2.6. Исследование влияния вида отходов на содержание метана и диоксида углерода в составе биогаза 66
2.7. Исследование изменения количества образующегося биогаза во времени 72
2.8. Выводы по главе 2 76
Глава 3. Критерии оценки воздействия полигонов на окружающую среду и эффективности их дегазации 78
3.1. Оценка количества биогаза, попадающего в атмосферу с полигонов ТБО 78
3.2. Оценка длительного воздействия полигонов ТБО на атмосферу 80
3.3. Оценка эколого-экономической эффективности строительства систем дегазации полигонов 89
3.4. Выводы по главе 3 94
Глава 4. Сравнительная оценка антропогенного влияния полигонов г. Волгограда и эффективность их дегазации... 96
4.1. Характеристика полигонов г. Волгограда и их месторасположение 96
4.2. Количественная оценка выделившегося биогаза на полигонах г. Волгограда 99
4.3. Комплексная оценка эффективности внедрения систем дегазации на полигонах г. Волгограда 104
4.4. Рекомендации по устройству полигонов ТБО 111
4.5. Выводы по главе 4 113
Заключение 115
Список использованной литературы 117
Приложения 131
- Ситуация в области утилизации бытовых отходов и существующие методы борьбы с эмиссиями биогаза в атмосферу..
- Оценка количества биогаза, попадающего в атмосферу с полигонов ТБО
- Характеристика полигонов г. Волгограда и их месторасположение
Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост количества твердых бытовых отходов (ТБО), складируемых на полигонах, находящихся в непосредственной близости с жилыми зданиями и сооружениями, наносит значительный вред атмосфере. По данным Департамента по охране окружающей среды Волгоградской области объемы образования бытовых отходов в г. Волгограде составляют 4030 тыс. куб. м. (845,88 тыс. тонн). Основная опасность, исходящая от полигонов ТБО -загрязнение воздушного бассейна веществами, образующихся при биохимических процессах распада складируемых отходов (биогаз), сохраняется на десятки лет даже после консервации полигона. Общее содержание примесей, загрязняющих атмосферу застроенных территорий, зависит от вида захораниваемых отходов. Кроме основных компонентов (метана и диоксида углерода), в составе биогаза присутствуют аммиак, этилмеркаптан, ацетальдегид, ацетон, бензол, аргон, гаптан, толуол. Антропогенное воздействие полигонов на воздушную среду - процесс многостадийный и многофакторный. Поэтому целесообразно определить закономерности образования основных компонентов биогаза при влиянии таких факторов, как температура, влажность, доля углерода и элементный состав отходов.
По данным специалистов в результате деструкции отходов над полигонами, а также в атмосфере застроенных территорий, находящихся в непосредственной близости от них, концентрация биогаза составляет от 150 до 600 иг/и. Эта концентрация превышает допустимый гигиенический норматив для воздуха населенных пунктов (ОБУВ2 = 50 мг/м ) - в 3 -12 раз. В США и Западной Европе для снижения экологической опасности полигонов ТБО применяются системы дегазации. В России опыт использования систем сбора биогаза значительно меньше. Кроме того, отсутствуют методические основы оценки величины риска загрязнения воздушной среды населенных пунктов, позволяющие определить целесообразность и эффективность внедрения систем сбора биогаза на полигоне ТБО. Существующие методики оценки эффективности
строительства систем сбора биогаза не учитывают геометрических и технических параметров систем, а также эксплуатационных характеристик полигонов ТБО. Известные математические модели, позволяющие прогнозировать количество биогаза, образующегося в результате распада, не в полной мере учитывают действие основных физических факторов на процесс деструкции. Таким образом, актуальным является разработка методологических основ для проектирования и экологически безопасной эксплуатации полигонов, а также получение моделей, позволяющих прогнозировать количество биогаза, выделившегося в окружающую среду применительно для полигонов России.
Работа выполнялась в рамках подпрограммы «Отходы» Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» (постановление Правительства РФ от 7.12.2001 г. № 860), а также в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского' государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы - защита атмосферного воздуха населенных пунктов от загрязнения основными компонентами биогаза при строительстве и эксплуатации полигонов ТБО посредством использования систем сбора биогаза на основе рационального выбора проектного решения и методологического обоснования их применения.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
разработка математической модели, позволяющей прогнозировать количество биогаза, выделяющегося с полигонов бытовых отходов в атмосферу застроенных территорий с учетом влияния основных факторов на процесс деструкции;
разработка методологических основ оценки риска вредного воздействия эмиссий биогаза в атмосферу населенных пунктов с учетом характера и назначения территорий, а также факторов влияния на процесс распада отходов;
- совершенствование методики оценки эффективности строительства
систем сбора биогаза на полигонах для снижения антропогенного воздействия
полигонов на атмосферный воздух населенных пунктов;
исследование закономерностей изменения содержания основных компонентов биогаза в воздухе полигонов и прилегающих застроенных территорий от температуры, влажности, количества органического вещества и элементного состава бытовых отходов;
экспериментальное определение количества биогаза, образующегося в результате деструкции отходов;
разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации полигонов ТБО.
Основная идея работы состоит в совершенствовании методических основ оценки риска загрязнения атмосферы населенных пунктов и оценки эффективности строительства систем сбора биогаза для выбора рационального решения на стадии проектирования и в период эксплуатации.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов и обработку экспериментальных данных методами математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов и подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в том, что: уточнена математическая модель, позволяющая прогнозировать количество биогаза, выделяющегося в атмосферный воздух застроенных территорий, учитывающая влияние основных факторов на процесс деструкции отходов; разработаны методологические основы оценки риска загрязнения атмосферы населенных пунктов для обоснования и осуществления мероприятий по снижению экологической опасности полигонов ТБО с учетом характера и назначения застроенных территорий, а также факторов влияния на процесс распада отходов;
- получены экспериментальные зависимости содержания основных компонентов
биогаза, выделяющегося в атмосферу населенных пунктов, от влияния температуры, влажности и количества органического вещества в отходах;
получена экспериментальная зависимость, характеризующая изменение содержания основных компонентов биогаза, образующегося при деструкции отходов различного элементного состава;
получена экспериментальная зависимость для определения количества биогаза, образующегося в результате деструкции отходов.
Практическое значение работы: усовершенствована методика оценки эффективности строительства систем сбора биогаза на полигонах ТБО, учитывающая основные эксплуатационные характеристики полигонов, а также геометрические и технические характеристики систем;
усовершенствована методика оценки риска загрязнения атмосферы населенных пунктов для обоснования и осуществления мероприятий по снижению экологической опасности полигонов ТБО;
разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации полигонов. Реализация результатов работы:
рекомендации по снижению экологической опасности полигонов ТБО использованы при проектировании полигона бытовых отходов Городищенского района Волгоградской области;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой ТГС Волг-ГАСУ в курсах лекций и в дипломном проектировании при подготовке инженеров специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция».
На защиту выносятся: уточненная математическая модель, позволяющая прогнозировать количество биогаза, выделяющегося в атмосферу прилегающих застроенных территорий, учитывающая влияние основных факторов на процесс деструкции отходов;
аналитические и экспериментальные зависимости для оценки влияния
состава отходов, а также основных физических факторов на процесс образования основных компонентов биогаза, загрязняющих атмосферу населенных пунктов;
экспериментальные зависимости, характеризующие количество биогаза, выделяющегося в атмосферу.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на III Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, 2003; VII, VIII и IX Региональных конфе: ренциях молодых исследователей «Экология, охрана окружающей среды, строительство», Волгоград, 2002-2004.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 7 печатных работах.
Ситуация в области утилизации бытовых отходов и существующие методы борьбы с эмиссиями биогаза в атмосферу
В мире твердо удерживается тенденция роста количества бытовых отходов. При внимательном рассмотрении проблема отходов представляется более сложной, чем просто дефицит места для новых свалок. Со временем, вследствие постоянной угрозы здоровью населения, исходившей от полигонов ТБО (отравление грунтовых вод, размножение переносчиков заболеваний, неприятный запах, дым от частых самовозгораний), во многих странах стали предъявлять более строгие требования к их размещению и эксплуатации.
Количество отходов в мире достигает геологических масштабов - вместе с мусором в геосферу попадает около 85 млн. тонн углерода (рис. 1.1). При этом природное поступление этого элемента в почвенные пласты планеты составляет 40 млн. тонн в год [9,10].
Количество бытовых отходов в России увеличивается, а их состав, особенно в крупных городах, морфологически разнообразен. В Волгоградской области в 2004 г. количество бытовых отходов составило около 3 млн. т/год, эта цифра продолжает расти, и производство отходов за каждые 10 лет увеличивается примерно на 10% [33].
В целом в России под полигоны отчуждено около 0,8 млн. га земель, среди которых не только пустыри, овраги и карьеры, но и плодородные земли. Для размещения отходов ежегодно отчуждаются 10000 га пригодных для использования земель [9,10,33].
Отходы представляют собой сложную смесь неорганических и органических материалов. Для России усредненный морфологический состав ТБО приведен на диаграмме (рис. 1.2) [9, 20, 36]. В составе отходов по сравнению с другими компонентами преобладают пищевые (кухонные) отходы и бумага.
Существует реальная проблема, связанная с образованием и ростом количества бытовых отходов в России и в мире в целом. Проблема переработки и использования отходов в нашей стране недостаточно изучена. Следовательно, утилизация данных отходов потребления категорически необходима, так как заполонение городов и других населенных пунктов может привести к экологической катастрофе.
Таким образом, существует множество вопросов, связанных с утилизацией бытовых отходов, среди которых наиболее важными и основополагающими являются следующие:
- количество бытовых отходов в мире непрерывно возрастает как в абсолютных величинах, так и на душу населения; - состав отходов резко усложняется, включая в себя все большее количество экологически опасных компонентов.
Оценка количества биогаза, попадающего в атмосферу с полигонов ТБО
Полигоны бытовых отходов в процессе своего существования, значительно ухудшают экологическое состояние окружающей природной среды. Для обеспечения безопасной эксплуатации и оздоровления территорий следует осуществлять мероприятия, направленные на снижение или исключение попадания вредных компонентов в окружающую среду. Основным критерием при принятии решения об организации таких мероприятий является риск нанесения ущерба природной среде. В настоящее время для оценки вредного воздействия полигонов бытовых отходов на окружающую среду применяется Временная методика определения предотвращенного экологического ущерба [8], имеющая ряд недостатков:
- отсутствие учета местных условий распространения вредных веществ в атмосфере и грунте;
- отсутствие учета вреда, наносимого здоровью людей при воздействии эмиссий на жилые здания;
- отсутствие формул для количественной и качественной оценки выделяющихся вредных веществ с полигона ТБО;
- отсутствие формул для оценки опасности полигона ТБО в качестве источника выделения вредных веществ для определения целесообразности оборудования его системами дегазации;
- при укрупненных оценках предотвращенного ущерба источники выделения вредных веществ в городе или регионе рассматриваются как единый "приведенный источник".
Кроме того, при определении ущерба атмосфере, наносимого полигонами ТБО, необходимо установление предельных значений экологического вреда, при которых должны осуществляются мероприятия по обеспечению экологически безопасной эксплуатации свалок.
Поэтому для оценки длительного воздействия полигонов ТБО на окружающую среду и выявления риска предлагается использовать усовершенствованную методику [136].
По данной методике автором были рассчитаны значения суммарных рисков при различных условиях эксплуатации полигонов (возраст, состав отходов, геологические параметры грунтов, назначение территории расположения и т.д.). В результате построен график зависимости суммарного риска нанесения вреда окружающей среде (рис. 3.2) при «базовых» условиях (при минимальном значении риска):
- возраст полигона 30 лет; - состав отходов, складируемых на полигоне, соответствует 100 % ТБО;
- укладка отходов производится в виде хранилища;
- вид основания полигона и грунта по пути миграции биогаза - глина;
- в окрестностях полигона отсутствуют инженерные коммуникации;
- здания, находящихся в зоне вредного воздействия эмиссий биогаза с полигона, имеют подвалы;
- концентрация метана и диоксида углерода над поверхностью полигона 5 % об. (нижний предел взрываемости);
- назначение территории в непосредственной близости от полигона ТБО - площадка для отдыха площадью 10000 м2, расстояние до полигона 200 м.
Характеристика полигонов г. Волгограда и их месторасположение
В городе Волгограде существует несколько полигонов для складирования твердых бытовых отходов. Для сравнительной оценки их вредного воздействия на окружающую среду исследованы наиболее крупные полигоны -Кировский, Красноармейский и Дзержинский.
Кировский полигон ТБО основан в 1959 году и располагается на восточном склоне Ергенинских гор западнее поселка «Купоросная балка», в 2 км от жилых домов по ул. Медвежегорской. Площадь полигона составляет 8,8 га и глубина складирования отходов 10 м. Характер подстилающих грунтов -глина. На полигоне ежегодно захоранивается 233,6 т бытовых отходов в год.
Полигон ТБО Красноармейского района функционирует с 1960 года и располагается на южных склонах Ергенинских гор (ул. Новопортная). Площадь свалки составляет 12 га и глубина залегания отходов 30 м. Характер подстилающих грунтов — пески. Полигон расположен в 500 м от жилых по-строек. Ежегодное поступление ТБО составляет 150 тыс. м .
Полигон бытовых отходов Дзержинского района введен в эксплуатацию в 1950 году. Площадь, занимаемая ТБО составляет 15 га, а глубина -20 м. Полигон расположен на территории Городищенского района в 100 м от жилых домов. Характер подстилающих грунтов - глина.
В городе Волгограде имеются полигоны ТБО, на которых отсутствует организация производственного экологического контроля воздействия полигона на окружающую среду (контроль выбросов, загрязнения почвы и т.д.). Кроме того, при эксплуатации полигонов существуют следующие нарушения: отсутствие нормативной документации в области природопользования полигона;
отсутствие мониторинга состояния подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха, почв и растений; на выезде из полигона отсутствует контрольно-дезинфицирующая зона. Таким образом, для принятия решения по организации мероприятий по защите атмосферы и жилых объектов в окрестностях свалок ТБО, требуется провести комплексную оценку риска нанесения вреда окружающей среде и определить эффективность внедрения систем активной дегазации на полигонах.
Оценка риска вредного воздействия полигонов ТБО г. Волгограда производится с использованием зависимости (3.6) и матрицы действий по обеспечению экологической безопасности, приведенной в табл. 1.1 главы 1.
Уровень риска нанесения ущерба окружающей среде полигонами ТБО зависит от геометрических параметров и характеризуется рядом особенностей защищаемых объектов, расположенных в их окрестностях.
Используя усовершенствованную методику комплексной оценки риска окружающей среде, рассчитан риск длительного вредного воздействия полигонов г. Волгограда (таблица 4.1) и получена диаграмма суммарного (взвешенного) риска.
