Разработка технологии утилизации биогаза на промышленном объекте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение

2. Характеристика полигонов

2.1 Типы характеристика и состав полигонов

2.2 Классификация полигонов ТБО

2.3 Состав отходов на полигоне «Торбеево»

3. Требования к размещению, условиям приёма и обезвреживанию ТБО

3.1 Гигиенические требования к условиям приема промышленных отходов на полигоны твердых бытовых отходов

3.2 Требования к размещению, устройству и содержанию объектов

3.3 Защитные экраны полигона

4. Модели образования биогаза

4.1 Процессы метаногенеза при захоронении ТБО

4.2 Модели образования биогаза при захоронении ТБО

5. Разработка системы дегазации на полигоне ТБО «Торбеево»

5.1 Анализ существующих методов и обоснование выбора рационального способа сбора и утилизации биогаза

5.2 Система для сбора и утилизации свалочного газа с полигона ТБО «Торбеево»

5.3 Материальный баланс

6. Сборник конденсата

6.1 Пояснительная записка

6.1.1 Назначение конструкции и описание

6.1.2 Технологическая характеристика

6.1.3 Особенности монтажа и испытаний сборника конденсата

6.1.4 Техническое обслуживание и ремонт

6.2 Расчет сборника конденсата

6.2.1 Технологический расчет

6.2.1.1 Расчет количества выделяющегося конденсата

6.2.2 Прочностной расчет

6.2.2.1 Расчет цилиндрической стенки

6.2.2.2 Расчет днища

7. Газовый колодец

7.1 Пояснительная записка

7.1.1 Назначение конструкции и описание

7.1.2 Технологическая характеристика

7.1.3 Особенности монтажа и испытаний газового колодца

7.1.4 Техническое обслуживание и ремонт

7.2 Расчет газового колодца

7.2.1 Необходимая мощность откачки

7.2.2 Расход газового колодца

7.2.3 Выбор параметров труб

7.2.4 Расчет радиуса влияния

7.2.5 Прочностной расчет винтов



1. Введение

В столичном регионе ежегодно образуется около 6 млн. тонн твердых бытовых отходов. Захоронение отходов в Московском регионе связано с очень большими трудностями.

Основные из них: отсутствие вблизи города свободных земельных участков, постоянное увеличение дальности вывоза отходов, недостаток транспорта, техники и топлива на вывоз и переработку отходов, а также средств на подготовку экологически безопасных полигонов и контроль за ними. Средняя дальность вывоза отходов из Москвы к местам захоронения составляет 70 км, а из городов Подмосковья - 25-40 км. Удаленность мест санкционированного захоронения отходов от источников их образования, приводит к тому, что ежегодно около 1 млн. тонн твердых бытовых отходов (ТБО) нелегально вывозится из Москвы, образуя многочисленные несанкционированные свалки, территории которых не имеют никакой инженерной подготовки и последующего экологического контроля, оказывают негативное воздействие на окружающую природную среду: вызывают пожары, замусоривание территории, образование запахов, парниковых газов, микробиологическое и химическое загрязнение.

Полигон - наиболее простой и дешевый метод для утилизации ТБО. Находить площади в 40-200 га вблизи крупных городов становится все труднее, и это заставляет искать иные методы обезвреживания ТБО. Полигон наряду с фильтратом, загрязняющим водоисточники, выбрасывает в атмосферу метан и другие токсичные газы, что не только загрязняет воздух вблизи полигона, но и отрицательно влияет на озоновый слой земли. При захоронении на полигоне теряются все ценные вещества и компоненты ТБО. Однако с учетом невысоких (по сравнению с заводами) капзатрат полигон еще многие годы будет оставаться самым распространенным методом обезвреживания ТБО.

Из всего количества полигонов только около 8% отвечают санитарным требованиям, большинство полигонов представляют значительную эпидемиологическую опасность, нарушают природный ландшафт.

Наиболее опасное воздействие на окружающую среду оказывает биогаз, выделяющийся из складируемых отходов, в результате анаэробного разложения органической фракции. Основными компонентами биогаза являются:

-метан от 40 до 70 %

-диоксид углерода от 30 до 45%.

Биогаз, распространяющийся в окружающую среду вызывает ряд негативных эффектов как локального, так и глобального характера:

-биогаз создает взрывопожарные условия на полигоне, а также зданиях и сооружениях расположенных вблизи захоронения ТБО (при содержании в воздухе от 5 до 15% метана и 12% кислорода образуется взрывопожароопасная смесь);

биогаз накапливается в приземном слое атмосферы в больших концентрациях, что вызывает отравления эксплуатирующего полигон персонала;

биогаз оказывает негативное воздействие на растительный покров. Причиной угнетения растительности на примыкающих к полигонам ТБО площадях является насыщения биогазом верхнего слоя почвы и вытеснение из нее кислорода;

биогаз относится к числу «Парниковых газов», вызывающих глобальное потепление климата Земли в целом. «Конвенция о предотвращении глобального изменения климата» (ратифицирована Россией в 1992 г.) обязывает страны- участницы минимизировать выбросы в атмосферу парниковых газов, таких как диоксид углерода и метан. Важно отметить, что в соответствии с международными стандартами (ВРСС 1994), выброс в атмосферу 1м3 метана по своим губительным последствиям для изменения климата эквивалентен выбросу в атмосферу 24,5м3 диоксида углерода.

В этой связи уменьшение выбросов биогаза в атмосферу обеспечивает не только улучшение экологической ситуации вокруг несанкционированных свалок и полигонов ТБО, но и способствует выполнению Россией своих международных обязательств.

Негативное воздействие биогаза на окружающую среду привело к тому, что в большинстве развитых стран владельцы полигонов законодательно принуждаются к предотвращению его стихийного распространения. В связи с этим за рубежом в последнее десятилетие получили широкое распространение технологии обезвреживания и утилизации биогаза с использование процессов и аппаратов химической технологии.

Таким образом, задачами данной дипломной работы являются:

- исследование эмиссии биогаза;

- обоснование предлагаемого метода и оборудования его реализующего с эколого-экономических позиций;

- разработка инженерной методики проектирования исследованного оборудования;

- расчет оборудования по полученной методике, для конкретно заданного полигона ТБО «Торбеево» и оценка его: коррозионной стойкости под действием сред, безопасности жизнедеятельности и экономической эффективности в процессе эксплуатации.



2. Характеристики полигонов

2.1 Типы, количество и состав полигонов

Вопросы утилизации свалочных газов в настоящее время носят приоритетный характер, поскольку они напрямую связаны с проблемами изменения климата т.к. свалочный газ относится к группе парниковых газов. Кроме того, свалочный газ является топливом, и его использование для получения тепловой и электрической энергии будет обеспечивать замещение ископаемых видов топлива, что также благоприятно скажется на состоянии окружающей среды.

Одним из основных препятствий по широкому использованию свалочного газа в качестве топлива, является низкая рентабельность таких установок. Особенно это характерно для современных условий в Российской Федерации, где стоимость топлива существенно ниже, чем в западных странах. Кроме того, в Российской Федерации отсутствуют экономические стимулы для использования альтернативных источников энергии, в том числе и использование свалочного газа в качестве топлива для энергетических установок. Во многих промышленно развитых странах на законодательном уровне приняты определенные стимулирующие меры для тех предприятий, которые используют альтернативные виды топлива, включая свалочный газ. К сожалению, в Российской Федерации такие нормы отсутствуют. Следует отметить, что существующая законодательная база Российской Федерации не обязывает хозяйствующие субъекты выполнять работы по сбору и утилизации свалочных газов. Более подробно существующая законодательная и нормативно-техническая база будет проанализирована на последующих этапах работы. В этих условиях особую актуальность приобретают работы по поиску путей привлечения частного бизнеса к решению этой задачи. Ключевым звеном в этих условиях является поиск путей, которые сделали бы вопросы использования свалочного газа коммерчески привлекательными в условиях Российской Федерации.

Ежегодно в Российской Федерации образуется около 7 млрд. тонн отходов, из которых используется лишь 2 млрд. тонн, или 28,6 процентов. На территории страны в отвалах и хранилищах накоплено около 80 млрд. тонн только твердых отходов. Особую тревогу вызывает накопление в отвалах и свалках токсичных, в том числе содержащих канцерогенные вещества, отходов, общее количество которых достигло 1,6 млрд. тонн. Не следует забывать и о том, что свалки являются мощным источником образования парниковых газов, что негативно сказывается на экологии уже в глобальном масштабе.

Отходы производства и потребления - это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, которые образовались в процессе производства или потребления, а также товары (продукция), утратившие свои потребительские свойства.

Значительную проблему представляют собой твердые бытовые отходы. К твердым бытовым относятся отходы хозяйственной деятельности населения (приготовления пищи, уборки и текущего ремонта квартир и др.), крупногабаритные предметы домашнего обихода, упаковку, мусор с дворовых территорий, улиц, площадей, отходы ухода за зелеными насаждениями и другие. Значительное количество ТБО попадает на несанкционированные свалки, количество которых постоянно растет. Поэтому ТБО представляют собой источник загрязнения окружающей среды, способствуя распространению опасных веществ. Вместе с тем они содержат в своем составе ценные компоненты, которые могут быть использованы в качестве вторичных ресурсов. Кроме того, твердые бытовые отходы являются источником образования свалочного газа, одного из самых сильных парниковых газов.

Объемы накопления ТБО и их морфологический состав чрезвычайно разнообразны и зависят не только от страны и местности, но и от времени года и от многих других факторов. Бумага и картон составляют наиболее значительную часть ТБО (до 40% в развитых странах). Вторая по величине категория в России - это так называемые органические, в т.ч. пищевые, отходы; металл, стекло и пластик составляют по 2-6% от общего количества отходов. Примерно по 1-5% приходится на дерево, текстиль, резину и т.д. Изменение морфологического состава ТБО в зависимости от климатических зон для условий России приведено в таблице.

Морфологический состав ТБО, образующихся в разных климатических зонах, % массы.

Компонент	Климатическая зона
	средняя	южная	северная
Пищевые отходы	35…45	40…49	32…39
Бумага, картон	32…35	22…30	26…35
Дерево	1…2	1…2	2…5
Черный металлолом	3…4	2…3	3…4
Цветной металлолом	0,5…1,5	0,5…1,5	0,5…1,5
Текстиль	3…5	3…5	4…6
Кости	1…2	1…2	1…2
Стекло	2…3	2…3	4…6
Кожа, резина	0,5…1	1	2…3
Камни, штукатурка	0,5…1	1	1…3
Пластмасса	3…4	3…6	3…4
Прочее	1…2	3…4	1…2
Отсев	5…7	6…8	4…6

Количество муниципальных отходов в России увеличивается, а их состав, особенно в крупных городах приближается к составу ТБО в западных странах с относительно большой долей бумажных отходов и пластика.

Норма накопления ТБО изменяется, отражая состояние снабжения населения товарами, и в тоже время она в значительной мере зависит от местных условий. Анализ данных по твердым бытовым отходам в городах России показывает, что среднесуточная норма накопления ТБО в благоустроенных жилых зданиях составляет 0,52 кг/чел или 0,96 м3/чел в год при плотности до 0,2 т/м3. Коэффициент суточной неравномерности накопления ТБО (неравномерность поступления в приемные контейнеры) равен 1,26. Максимальное накопление наблюдается осенью. Твердые бытовые отходы отличаются стабильно высоким содержанием органического вещества (до 78% сухого вещества) с незначительными сезонными колебаниями.

Твердые бытовые отходы собираются специализированными организациями и вывозятся за пределы населенных пунктов.

Наиболее распространенными в настоящее время сооружениями по приемке и обезвреживанию удаляемых из города ТБО являются полигоны.

Полигоны - комплекс природоохранительных сооружений, предназначенных для приема, складирования, изоляции и обезвреживания ТБО, обеспечивающий защиту от загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных и грунтовых вод, препятствующий распространению грызунов, насекомых и болезнетворных микроорганизмов.

В России подлежат захоронению - 96,5 % от общего числа отходов. Площадь, занятая полигонами на территории РФ ежегодно увеличивается на 2,5-4 %. Под полигоны твердых бытовых отходов ежегодно отчуждается около 10 тыс. га пригодных для использования земель, не считая площади земель, загрязняемых многочисленными несанкционированными свалками.

Площадь свалок и полигонов для захоронения отходов достигла в России 107 тыс. га, всего же площадь нарушенных земель превысила 1 млн. га. Объем образования отходов достигает 2,6 млрд. тонн в год, из них 1-4 класса опасности - 287 млн. тонн, в том числе твердых бытовых отходов - 25 млн. тонн.

Динамика внедрения различных методов переработки бытовых отходов в разных странах показывает, что за последние двадцать лет объем ТБО, направляемых на полигоны, уменьшился примерно на 10-15 %. Однако, с учетом сравнительно невысоких капитальных и эксплуатационных затрат полигоны будут оставаться самым распространенным методом утилизации отходов ближайшие 10-15 лет. Захоронение на полигонах, кроме того, остается необходимым методом для отходов, не поддающихся вторичной переработке, несгорающих или сгорающих с выделением токсичных веществ. В этих условиях можно говорить о том, что в Российской Федерации имеется большое количества объектов, которые являются источниками выделения свалочного газа, который оказывает существенное влияние на окружающую среду.

Быстрая урбанизация и недостаточное развитие доступных технологий обезвреживания и утилизации твердых бытовых отходов привели к тому, что повсеместно в пределах больших и малых населенных пунктов образовались места захоронения твердых бытовых отходов (ТБО), различные по объему, морфологическому составу, площади захоронения, высоте и геометрии свалочного тела. Находясь на разных фазах жизненного цикла, они относятся к наиболее типичным нарушениям ландшафтов, приводя к тому, что часть территорий на длительные сроки исключается из пользования, освоение которых для хозяйственного использования сдерживается различными причинами. Кроме того, такие объекты являются очень сильными источниками образования парниковых газов, а также других токсичных газов, которые негативно влияют на окружающую среду.

Влияние полигонов ТБО на состояние окружающей природной среды

В районах размещения полигонов и свалок отходов производства и потребления обнаруживается сложный характер загрязнения различных компонентов ландшафта и геологической среды, связанной с разнообразными механизмами процессов переноса загрязнителей и особенностями геолого-гидрогеологического строения изучаемой площади.

При оценке взаимодействия «полигон - окружающая среда» следует выделять два аспекта: влияние и воздействие.

Если изменения в природной среде не превышают предельно допустимых концентраций, можно говорить о влиянии. Оценка этих изменений производится путем сравнения количественных и качественных показателей состояния природных компонентов с фоновыми значениями.

Если количественные и качественные изменения превышают предельно допустимые нагрузки для окружающей природной среды, то процесс, их вызывающий, определяется как воздействие. В этом случае для поддержания определенного качества природной среды необходимо проведение соответствующих природоохранных мероприятий.

Использование экологических критериев дает возможность оценить степень и направление изменения окружающей природной среды во времени и пространстве. Временные показатели характеризуют скорость нарастания неблагоприятных изменений. Пространственные показатели характеризуют размеры ареалов, в пределах которых проявляются техногенные нарушения природных комплексов. В связи с этим используется понятие «предельно допустимая площадь нарушения», т.е. тот предел, до которого еще возможна регенерация природной системы. Превышение допустимой площади нарушения приводит к нарушению структурно-функциональной целостности.

Захоронение отходов даже на хорошо организованных полигонах представляют потенциальную опасность для компонентов окружающей среды - воздуха, воды и почвы. В основном это относится к полигонам и свалкам, не отвечающим экологическим требованиям и нормам. Неорганизованные свалки нарушают не только бесценный ландшафт, но и становятся непредсказуемым источником опасности на многие поколения.

Существующие полигоны, а точнее свалки ТБО, представляют собой значительную экологическую опасность, которая будет действовать еще десятки лет.

Биохимическое разложение и химическое окисление материала свалки может сопровождаться образованием очагов выделения тепла с повышением температур до 75°С, т.е. возможно самовозгорание отходов. Гниение материала ТБО сопровождается распространением запаха на расстояние более 1 км.

Однако, основная проблема такого метода обращения с ТБО как размещение их на полигонах состоит в том, что при складировании многокомпонентных отходов в определенных благоприятных условиях в теле полигона ТБО протекают непредсказуемые физико-химические и биохимические процессы, продуктами которых являются многочисленные токсические химические соединения в твердом, жидком и газообразном состоянии. Данные соединения представляют собой дополнительную экологическую опасность.

Несмотря на значительное разнообразие существующих методов утилизации ТБО, в нашей стране в силу ряда причин еще многие годы основным направлением обращения с отходами будет размещение их на полигонах. Поэтому основные разработки должны быть направлены на модернизацию старых и строительство новых экологически безопасных объектов складирования ТБО. Такие объекты должны, прежде всего, обеспечивать максимальную защиту окружающей среды.

2.2 Классификация полигонов ТБО

Складирование (депонирование) твердых бытовых отходов (ТБО) на контролируемых свалках (полигонах) является самым распространенным методом их обезвреживания. Полигоны ТБО различаются по климато-географическим условиям, возрасту объему, составу и сроку действия эмиссий, локальным особенностям местности. В настоящее время объекты захоронения ТБО классифицируются по форме (карьерные, отвальные, откосные, резервуарные захоронения), по годовому объему принимаемых ТБО, тыс.м3/год (10, 20, 30, 60, 120, 240 и т.д. до 3000); мощности захоронения (высоконагруженные полигоны общей высотой или глубиной более 20 м и нагрузкой 10 т/м2, и насыпные захоронения высотой до 20 м).

Существующие захоронения ТБО можно разделить на три основные категории:

1 категория - стихийные свалки, которые 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 в течение длительного времени не контролировались.

2 категория - санкционированные необорудованные захоронения ТБО. Введены в эксплуатацию с соблюдением нормативов размещения объекта по санитарным и геолого-гидрологическим критериям; при размещении отходов проводится послойное уплотнение, в некоторых случаях, без изоляции слоев, окончательная засыпка рабочей поверхности захоронения завершает эксплуатацию объекта; регулярные наблюдения за полигоном и в зоне его влияния не проводятся.

3 категория - санитарные полигоны, на которых предусматривается соблюдение технологии складирования, наличие инженерных сооружений и контроля влияния на объекты окружающей среды.

В зависимости от этапа жизненного цикла объекта захоронения отходов и факторов, влияющих на эмиссию свалочного газа, 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).

С точки зрения стратегии восстановления территорий, выбора направления рекультивации, оценки состояния свалочного тела на заключительных этапах жизненного цикла необходима классификация полигонов как источников метана. В этой связи целесообразно разделить захоронения ТБО на три группы:

несанкционированные старые свалочные тела с земляной засыпкой, закрытые для приема отходов, 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, отсутствием системы дегазации, применением земляной засыпки в качестве защитного покрытия и отсутствием изолирующей пересыпки складируемых слоев отходов. Процессы метаногенеза на объектах первой группы, закрытых для приема ТБО более 20 лет назад, находятся на уровне затухания эмиссий. Естественно такие объекты не пригодны к извлечению и полезному использованию свалочного газа.

Объекты второй группы представлены свалками площадью более 30 - 40 га, расположены чаще всего 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. Такие объекты могут представлять интерес в качестве источников свалочного газа и рассмотрения возможности его полезного использования. Это же относится и к объектам третьей группы. При этом необходимо иметь в виду, что решению вопроса о возможности извлечения и коммерческого использовании я свалочного газа должны предшествовать работы по инженерным изысканиям. При этом должны быть определены:

- суммарный потенциал запасов свалочного газа;

- возможный выход свалочного газа в течении заданного времени (часовой, суточный, годовой в том числе за расчетный срок.

При этом следует иметь ввиду, что для коммерческого использования желательно, чтобы запасов свалочного газа было бы достаточно на значительный период времени. В идеале не менее расчетного срока службы основного технологического оборудования утилизационных установок, или дольше, но кратно этой величине. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке технико-экономического обоснования и бизнес планов.

Общее количество учтенных свалок составляет 865. Общее количество отходов, размещаемых на свалках, составляет 122,4 млн. м3, или 24,6 млн.т в год. Количество накопленных отходов на учтенных свалках составляет 354 млн.т.

В результате анализа информации, установлено, что в Российской Федерации практически отсутствуют объекты размещения отходов, которые можно назвать санитарными полигонами. Подавляющее большинство полигонов - это санкционированные (легальные) свалки, которые не отвечают действующим санитарным нормам. Практические все существующие свалки в России организованы стихийно, не имеют проекта (за исключением новых полигонов, построенных после 2000 г.). Территории свалок не обвалованы, санитарно-защитная зона не организована, технология складирования не соблюдается (отсутствует или недостаточно ведется пересыпка инертным материалом, производится недостаточное уплотнение отходов), не подготовлено водонепроницаемое основание, отсутствуют противофильтрационные экраны, не ведется сбор и очистка фильтрата, не предусмотрен отвод дождевых вод, не организован сбор свалочного газа. На подавляющем большинстве свалок наблюдается самовозгорание отходов. Подавляющее большинство свалок не имеет систем мониторинга, не ведется контроль за состоянием подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха, почвы. Большинство свалок переполнено и подлежит закрытию.

Владельцы большинства свалок - местные администрации (городские и сельские), входящие в их состав отделы городского хозяйства или муниципальные предприятия. В последние годы в ряде городов ведется проектирование, строительство или уже начата эксплуатация так называемых полигонов, которые не в полной мере удовлетворяют современным требованиям, но в то же время, предусматривают природоохранные мероприятия (водонепроницаемое основание, пересыпка грунтом, сбор и очистка дождевых стоков), а также взвешивание и контроль поступающих отходов. Такие объекты более правильно назвать усовершенствованными свалками, их владельцы в подавляющем большинстве случаев - коммерческие компании.

На основании собранной информации выполнено ранжирование свалок по площади, количеству поступающих и количеству накопленных отходов. В результате ранжирования выявлены наиболее крупные свалки, которые могут быть первоочередными кандидатами для реализации проектов по извлечению метана.

Распределение свалок по занимаемой площади представлено в таблице Представленные данные показывают, что 78,4% всех отходов размещается на свалках площадью свыше 10 га, в том числе 21,3% - на свалках площадью от 10 до 20 га, 35,5% - от 20 до 50 га, 21,6% - более 50 га.

Распределение свалок по занимаемой площади(таблица)

Площадь, га	Количество свалок	Доля от общего количества свалок, %	Масса поступающих отходов, тыс.т/год	Доля от общего количества отходов, поступающих на свалки, %
> 50	25	2,9	5328,3	21,6
20-50	74	8,5	8751,7	35,5
10-20	117	13,5	5253,7	21,3
<10	649	75,0	5301,3	21,6
ИТОГО:	865	100	24635	100,0

7 из 25 наиболее крупных свалок площадью более 50 га расположено в Центральном ФО (Московская область - «Икша», «Домодедовский», «Саларьево», «Щербинка», «Тимохово», «Хметьево» и г. Ярославль - полигон «Скоково»), 7 - в Приволжском ФО (гг. Пенза, Пермь, Самара, Пугачев, Балашов, Нижний Новгород, Уфа), 6 - в Сибирском ФО (гг. Улан-Удэ, Томск, Назарово - Красноярский край, Славгород - Алтайский край), 2 - в Северо-западном ФО (Ленинградская область), 2 - в Уральском ФО (г. Челябинск), 1 - в Южном ФО (г. Краснодар).

Распределение свалок по количеству поступающих отходов представлено в таблице.

Масса поступающих отходов, тыс.т/год	Количество свалок	Доля от общего количества свалок, %	Масса поступающих отходов, тыс.т/год	Доля от общего количества отходов, поступающих на свалки, %	Количество образующегося метана, млн. м3/год
> 250	19	2,2	8308	33,8	292
100-250	41	4,7	6185	25,1	217
50-100	58	6,7	4245	17,2	149
10-50	212	24,5	4361	17,7	153
<10

2.3 Состав отходов на полигоне «Торбеево»

Выбросы газа по компонентам в виде диаграммы



Таблица. Характеристика источников выбросов вредных веществ

№ источника выброса	Часы работы в год соответвующего источника, час	Высота источника выброса, м	Диаметр, размер устья источника, м	Параметры газовоздушной смеси на выходе из источника	Наименование вредного вещества	Количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферуру
				Скорость, м/сек	Объем, м3/сек	Температура 0С		Максимальн. г/сек	Суммарное т/год
1.1-1.7	8760	5,0	0,125	0,02	0,001	24,0	Диоксид азота Аммиак Сероводород Оксид углерода Метан Ксилол Толуол этилбензол фенол	0,000007 0,000058 0,000372 0,003155 0,155800 0,003585 0,000797 0,000010 0,000007	0,00021 0,00185 0,01171 0,09956 4,91488 0,12157 0,02515 0,00031 0,00024
2	1990	3,5	0,1х0,1	0,4	0,08	60,0	Диоксид азота Сажа Сер.ангидрид Оксид углер Амилены	0,009400 0,001040 0,002620 0,028400 0,004200	0,06040 0,07000 0,05300 0,47900 0,12200
3	1990	3,5	0,1х0,1	0,4	0,08	60,0	Диоксид азота Сажа Сер.ангидрид Оксид углер Амилены	0,066500 0,024540 0,044330 0,063300 0,066500	0,45300 0,17500 0,31700 0,45300 0,47600
4	1990	3,5	0,1х0,1	0,4	0,08	60,0	Диоксид азота Сажа Сер.ангидрид Оксид углер Амилены пыль	0,288900 0,111900 0,202200 0,028900 0,303300 0,011724	2,06900 0,80100 1,44800 0,20700 2,17200 0,37050

Таблица Выбросы биогаза по компонентам на момент максимальной эмиссии

Вещества	Доля массовая вещества, k	Газогенерация полигона V, т/год	Выбросы в атмосферу
			G, г/с	М, т/год
Метан	0,177	7786,2	43,7011	1378,16
Углерода диоксид	0,80685	7786,2	199,2103	6282,30
Толуол	0,0024	7786,2	0,5926	18,69
Аммиак	0,00179986	7786,2	0,4444	14,01
Ксилол	0,00115998	7786,2	0,2864	9,03
Углерода оксид	0,0095	7786,2	2,3455	73,97
Азота диоксид	0,00002	7786,2	0,0049	0,16
Формальдегид	0,00005	7786,2	0,0123	0,39
Серы диоксид	0,001	7786,2	0,2469	7,79
Этилбензол	0,00003	7786,2	0,0074	0,23
Бензол	0,000116	7786,2	0,0286	0,90
Сероводород	0,00005	7786,2	0,0123	0,39
Фенол	0,000018	7786,2	0,0044	0,14
Водород цианистый	0,000005	7786,2	0,0012	0,04
ВСЕГО	1,0			7786,2

Нормы опасности и защиты на полигонах

Гигиенические требования к условиям приема промышленных отходов на полигоны твердых бытовых отходов СП 2.1.7.1038-01

Основное условие возможности приема промышленных отходов на полигоны твердых бытовых отходов - соблюдение санитарно-гигиенических требований по охране атмосферного воздуха, почвы, грунтовых и поверхностных вод.

Основным санитарным условием является требование непревышения токсичности смеси промышленных отходов с бытовыми по сравнению с токсичностью бытовых отходов по данным анализа водной вытяжки.

Промышленные отходы IV класса опасности, принимаемые без ограничений в количественном отношении и используемые в качестве изолирующего материала, характеризуются содержанием в водной вытяжке (1 л воды на 1 кг отходов) токсичных веществ на уровне фильтра из твердых бытовых отходов (ТБО), а по интегрирующим показателям - биохимической потребностью в кислороде (БПКполн) и химической потребностью в кислороде (ХПК) - не выше 300 мг/л, имеют однородную структуру с размером фракций менее 250 мм.

Промышленные отходы IV и III класса опасности, принимаемые в ограниченном количестве (не более 30 % от массы твердых бытовых отходов) и складируемые совместно с бытовыми, характеризуются содержанием в водной вытяжке токсичных веществ на уровне фильтрата из ТБО и значениями БПК20 и ХПК 3400 5000 мг/л О2.

Вопрос о количестве указанных отходов, принимаемых на полигон твердых бытовых отходов, решается организацией эксплуатирующей полигон, по согласованию с территориальным ЦГСЭН и утверждается в установленном порядке. Санитарно-эпидемиологическое заключение о совместном хранении и захоронении промышленных отходов и ТБО выдается территориальным ЦГСЭН на основе анализов лабораторий, аккредитованных (аттестованных) в установленном порядке.

Организация, в ведении которой находится полигон твердых бытовых отходов, обеспечивает безопасное в санитарно-гигиеническом отношении хранение и захоронение отходов.



3.2 Требования к размещению, устройству и содержанию объектов СанПиН 2.1.7.1322-03

Выбор участка для размещения объектов осуществляется на основании функционального зонирования территории и градостроительных решений.

Объекты размещаются за пределами жилой зоны и на обособленных территориях с обеспечением нормативных санитарно-защитных зон в соответствии с требованиями санитарно-эпидемиологических правил и нормативов.

Размещение объекта складирования не допускается:

на территории I, II и III поясов зон санитарной охраны водоисточников и минеральных источников;

во всех поясах зоны санитарной охраны курортов;

в зонах массового загородного отдыха населения и на территории лечебно-оздоровительных учреждений;

рекреационных зонах;

в местах выклинивания водоносных горизонтов;

в границах установленных водоохранных зон открытых водоемов.

Объекты складирования отходов производства и потребления предназначаются для длительного их хранения при условии обеспечения санитарно-эпидемиологической безопасности населения на весь период их эксплуатации и после закрытия.

Выбор участка для размещения объекта осуществляется на альтернативной основе в соответствии с предпроектными проработками.

Участок для размещения полигона токсичных отходов должен располагаться на территориях с уровнем залегания подземных вод на глубине более 20 м с коэффициентом фильтрации подстилающих пород не более 10-6 см/с; на расстоянии не менее 2 м от земель сельскохозяйственного назначения, используемых для выращивания технических культур, не используемых для производства продуктов питания.

Не допускается размещение полигонов на заболачиваемых и подтопляемых территориях.

Размер участка определяется производительностью, видом и классом опасности отходов, технологией переработки, расчетным сроком эксплуатации на 20 - 25 лет и последующей возможностью использования отходов.

Функциональное зонирование участков объектов зависит от назначения и вместимости объекта, степени переработки отходов и должно включать не менее 2 зон (административно-хозяйственную и производственную).

На территории объектов допускается размещать автономную котельную, специальные установки для сжигания отходов, сооружения мойки, пропарки и обеззараживания машинных механизмов.

Размещение отходов на территории объекта осуществляется различными способами: террасами, терриконами, грядами, в котлованах, в траншеях, в цистернах, в емкостях, накопителях, на картах, на платформах.

Хранение и захоронение отходов на объекте осуществляется с учетом классов опасности, агрегатного состояния, водорастворимости, класса опасности веществ и их компонентов.

Захоронение отходов I класса опасности, содержащее водорастворимые вещества, следует производить в котлованах в контейнерной упаковке, в стальных баллонах с двойным контролем на герметичность до и после их заполнения, помещаемых в бетонный короб. Заполненные отходами котлованы изолируются слоем грунта и покрываются водонепроницаемым покрытием.

При захоронении отходов, содержащих слаборастворимые вещества I класса опасности, должны быть предусмотрены дополнительные меры по гидроизоляции стен и дна котлованов с обеспечением коэффициента фильтрации не более 10-8 см/с.

Твердые пастообразные отходы, содержащие растворимые вещества II - III класса опасности, подлежат захоронению в котлованах с гидроизоляцией дна и боковых стенок.

Захоронение твердых и пылевидных отходов, содержащих отходы II - III класса опасности, нерастворимые в воде, осуществляют в котлованах с уплотнением грунта и коэффициентом фильтрации не более 10-6 см/с.

Твердые отходы IV класса опасности складируются на специальной карте с послойным уплотнением. Эти отходы в соответствии с санитарно-эпидемиологическим заключением могут использоваться в качестве изолирующего материала.

Отходы производства и потребления III - IV класса опасности разрешается складировать вместе с ТБО в соотношении не более 30 % от массы ТБО при содержании в их водной вытяжке химических веществ, комплексное воздействие которых по уровню потребления кислорода (БПК20 и ХПК) не превышает 4000 - 5000 мг/л, что соответствует фильтрату ТБО.

Без ограничения в количестве на полигоны принимаются и используются в качестве изолирующего промежуточного слоя промышленные отходы IV класса опасности, имеющие однородную структуру с размером фракций менее 250 мм при условии сохранения в фильтрате уровня биохимического потребления кислорода (БПК20) на уровне 100 - 500 мг/л, ХПК - не более 300 мг/л.

Промышленные отходы, допускаемые для совместного складирования с ТБО, должны отвечать следующим технологическим требованиям - не быть взрывоопасными, самовозгораемыми и с влажностью не более 85 %.

Объекты должны быть обеспечены централизованными сетями водоснабжения и канализации, допускается использование привозной воды для хозяйственно-питьевых целей в соответствии с санитарно-эпидемиологическим заключением. Для очистки поверхностного стока и дренажных вод предусматриваются локальные очистные сооружения.

Для перехвата поверхностного стока в зоне складирования полигона предусматривается система нагорных канав и дождевая канализация, а для отвода фильтрата - дренажная система.

В проекте полигона по всему периметру зоны захоронения должны быть предусмотрены кольцевой канал и кольцевой вал высотой не менее 2 м.

Не допускается попадание ливневых и талых вод с участков карт полигона, на которых захоронены токсичные отходы, на любую территорию, особенно используемую для хозяйственных целей. Сбор этих вод осуществляется на специальные карты - испарители внутри полигона.

Для предотвращения попадания загрязнений в водоносный горизонт, грунты предусматривается гидроизоляция дна и стен ложа уплотненными глинистыми, грунтобитумно-бетонными, асфальтобетонными, асфальтополимербетонными и другими материалами, имеющими санитарно-эпидемиологическое заключение.

3.3 Защитные экраны полигона

Защитные экраны основания и поверхности карт складирования отходов - это основные конструктивные элементы, обеспечивающие природоохранную функцию - защиту грунта, грунтовых и поверхностных вод от проникновения фильтрата, а также атмосферы от выделяющего газа, пыли, запахов, распространения болезнетворных микробов. Конструкции защитных экранов, расположенных на бортах котлованов и на откосах насыпей ТБО должны удовлетворять требованиям расчета геокомпозиционных систем по I предельному состоянию с коэффициентом запаса устойчивости Kst ? 1,2.

Охрана грунта, грунтовых и поверхностных вод во время эксплуатации достигается благодаря сочетанию геологического барьера и основной системы гидроизоляции полигона. В период пассивной фазы, после закрытия полигона и вывода его из эксплуатации охрана грунта, грунтовых и поверхностных вод, воздушного пространства обеспечивается сочетанием системы верхней гидроизоляции (защитный экран поверхности полигона) с защитным экраном основания полигона.

Геологические барьеры.

Геологическим барьером называется естественное грунтовое основание, расположенное ниже планировочной отметки карты, которое обладает свойствами и размерами, достаточными для препятствия распространения вредных веществ в грунтовой среде.

Геологический барьер состоит из тонкодисперсных грунтов, обладающих низким коэффициентом фильтрации, менее 1?10-7 м/с, и низкой адсорбционной способностью по отношению к загрязнителям и токсикантам.

Геологический барьер должен быть распространен за границы полигона на расстояние, обеспечивающее невозможность расположения (внешнего или преднамеренного) тела полигона вне его предела, а также с расчетом удлинения пути фильтрации фильтрата, соответствующего коэффициенту фильтрации не менее 1?10-7 м/с. Минимальная мощность геологического барьера должна быть не менее 1 м, если это условие не выполняется, то необходима укладка однородного глинистого экрана толщиной не менее 0,5 м, с коэффициентом фильтрации Кf ? 1?10-7 м/с.

Наличие геологического барьера является необходимым условием при выборе места строительства полигона. Если это условие невыполнимо, то необходимо использование дополнительных инженерных мероприятий.

В случае необходимости, возможно применение технологической мелиорации грунтов основания полигона, решение о которой принимается по результатам инженерных изысканий, после чего разрабатывается соответствующий раздел проекта.

Защитные экраны полигона или равноценные системы должны быть запроектированы в соответствии с пунктами 9.2. и 9.3.

Деформации основания полигона, обусловленные нагрузкой от полигона и влиянием изменения режима подземных вод, не должны влиять на функциональную пригодность защитных экранов. Осадки и деформации основания полигона необходимо рассчитывать на стадии проектирования и контролировать наблюдениями во время эксплуатации за установленными глубинными реперами либо по специальным датчикам перемещений, заложенным в процессе подготовки основания полигона, согласно СНиП 3.02.01.

Дренажная система, обеспечивающая сбор и удаление фильтрата, должна быть запроектирована таким образом, чтобы обеспечить возможность ее контроля и промывки во время эксплуатации.

Для устройства защитных экранов допускается применять материалы, допущенные для использования в этих конструкциях и имеющие соответствующие сертификаты. Основные требования к материалам приведены в п. 9.4.

На строительство защитных экранов полигона назначается один ответственный подрядчик.

На время строительства разрабатываются специальные мероприятия, обеспечивающие защиту конструктивных элементов и экрана в целом от механических повреждений и атмосферных воздействий (в т.ч. града, наледей, ветра) путем отсыпки защитного слоя грунта. Эти мероприятия, заключающиеся в установке ограждений и специальных настилов по путям перемещения техники и персонала, применяются в случае необходимости.

Перед строительством защитных экранов полигона проектировщиком разрабатывается проект контроля качества, определяющий параметры качества материалов и исполнения конструктивных элементов экранов; данный проект подлежит утверждению заказчиком. Контролю подлежит материал минерального и дренажного слоев; прочность и стойкость к агрессивным воздействиям дренажных труб; качества синтетического материала (прочность на разрыв и продавливание), а также качество сварки отдельных полотен синтетических материалов (так называемых геосинтетиков).



4. Модели образования биогаза

4.1 Процессы метаногенеза при захоронении ТБО

Процесс превращения органического вещества в биогаз в анаэробных условиях под действием различных бактерий (метановое брожение или биометаногенез) известен давно. Серьезные исследования метанового сбраживания с точки зрения химизма и кинетики этого процесса имеются применительно к осадкам городских сточных вод. В большинстве исследований подтверждается, что разложение органического вещества ТБО протекает подобно сбраживанию упомянутых осадков, проводимому в специальных метантенках. Анаэробные процессы и выделение биогаза на полигоне начинаются после уплотнения (механического и естественного) отходов при существовании условий нормальной жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в процессе сбраживания Органического вещества. В процессе биохимического разложения отходов, кроме биогаза, в теле полигона образуется фильтрат - токсичный раствор, который должен собираться, очищаться и частично подаваться (возвращаться) в тело полигона для создания в последнем необходимой влажности. При этом не только снижается пожароопасность, но и ускоряется ферментация ТБО.

Качественное и количественное изменение состава биогаза и фильтрата определяется различными стадиями деструкции биоразлагаемых отходов. В соответствии с современными представлениями анаэробное превращение практически любого вида биоразлагаемого вещества в метан включает четыре взаимосвязанные стадии:

- стадия ферментативного гидролиза (расщепления) сложных органических веществ (углеводов, белков, жиров) с образованием более простых растворимых веществ (мономеров, аминокислот и др.);

- стадия кислотообразования (кислотогенная стадия - кислотогенез) с образованием летучих жирных кислот, спиртов, водорода, углекислого газа, аммиака, сероводорода и др.;

- ацетогенная стадия (ацетогенез) - стадия превращения жирных кислот и др. в уксусную кислоту, диссоциирующую на анион ацетата и катион водорода;

- метаногенная стадия (метаногенез), с образованием метана из уксусной кислоты и ацетата, а также в результате реакции восстановления углекислого газа водородом.

Все указанные стадии биохимических процессов осуществляются при участии различных групп бактерий (микроорганизмов). Так первые две стадии осуществляются при участии ферментативных бактерий, относящихся к роду Pseudomonas, Micrococcus, Clostridium и др. Эти бактерии относятся к быстрорастущим анаэробам (организмам, живущим за счет энергии расщепления химических соединений в условиях отсутствия Свободного кислорода) при оптимальном значении рН = 6,5 - 7,6. Ацетогенная стадия осуществляется двумя группами ацетогенных бактерий: первая группа образует ацетат с выделением водорода, вторая приводит к образованию уксусной кислоты путем использования водорода для восстановления углекислого газа. На метаногенной стадии метанообразующие бактерии (метаногены) образуют метан путем расщепления уксусной кислоты и восстановления углекислоты водородом. Метановые бактерии очень чувствительны к присутствию в среде растворенного кислорода и нитратов (для них губительна концентрация кислорода, равная 0,01 мг/л), оптимальное значение рН среды для этих бактерий 7-7,5.

Метановое брожение происходит при температуре 4 - 70°С; при этом может иметь место психрофильный режим сбраживания (t = 4 - 25°С), мезофильный (t = 30 - 35 °С) и термофильный (t = 50 - 70 °С). Для обеспечения нормальной жизнедеятельности метаногенов необходимо соблюдение следующих условий: постоянство температуры и давления, строгий анаэробный процесс, нейтральная или слабощелочная среда, отсутствие света, оптимальная влажность массы (60 --70%), оптимальное соотношение водорода и азота, углерода и азота (1:16-1:19).

Количественный выход биогаза и его состав определяют отдельные компоненты органического вещества: углеводы, белки и жиры при их взаимодействии с влагой и бактериями в соответствии со стехиометрическими уравнениями реакций брожения.

Углеводы представлены в основном целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином (основными веществами стенки растительной клетки).

Более 90% этих веществ содержится в древесных отходах; в основе бумажных и картонных отходов также лежит целлюлоза; натуральные волокна текстиля (хлопок, лен) на 85 - 90% состоят из целлюлозы, часть волокон животного происхождения состоит из белков; пищевые отходы растительного происхождения содержат целлюлозу и белки, а животного происхождения в основном состоят из белков и жиров (в мясных отходах более 50% белков).

В составе органических веществ полигонов ТБО Московского региона содержится (в % к органической части):

углеводов - 89 - 98;

белков - 1,8 - 8;

жиров - 0 - 6,8 при общей органической массе 18,9 - 40,9% к сухой массе ТБО и влажности 30 - 50,6% (указанные данные соответствуют отходам, находящимся в теле полигона на расстоянии 0 - 0,5м от поверхности).

Средние взвешенные значения составляют:

влажность - 36,4%;

органическая часть - 28,8% (к сухой массе) и в % к органической части:

углеводы - 93,2;

белки - 4,5;

жиры -2,3.

Биохимические процессы, протекающие в теле полигона в анаэробных условиях, можно представить следующими уравнениями (в соответствии с вышеописанными стадиями сбраживания вещества):

(С6Н10О5)n + Н2О + микроорганизмы >(С6Н10О6)n;

(С6Н12О6)n + микроорганизмы > 2n (C2H5OH) + 2n (СО2)^ + СН3СН2СООН + СН3СН2СН2СООН;

2n (C2H5OH) + n (СО2) + метановые бактерии > 2n (СН3СООН) +n(СН4)^;

2n (СН3СООН) + метановые бактерии > 2n (CH4)^ + 2n (СO2)^;

СН3СН3СООН + 2Н2O > 2СН3СООН + СО2^ + 3Н2^;

СН3СН2СН2СООН + 2Н2О > 2СН3СООН + 2Н2^;

4Н2 + 2СО2 > СН3СООН + 2Н2О;

СН3СООН > СН4^ + СО2^;

СО2 + 4Н2 > СН4^ + 2Н2О.

Суммарная биохимическая реакция разложения целлюлозы может быть описана в виде уравнения:

С6Н10О5 + Н2О + микроорганизмы > 3CО2^ + 3CH4^ + Q, выделение теплоты, где Q = 238,6 кДж/1 моль глюкозы.

4.2 Модели образования биогаза при захоронении ТБО

Обычно теоретически возможный объем БГ, образующегося в процессе разложения отходов, рассчитывают, исходя из состава отходов. Что касается определения количества образующегося БГ во времени, то это задача намного сложнее. Учет реального состава отходов по сечению и глубине тела полигона при определении выхода БГ делает эту задачу еще более сложной, слишком много факторов определяют физические и химические условия образования БГ, при этом значение этих факторов различны в разных местах тела. С учетом различных данных потенциальный удельный объем образования БГ на полигонах может составить до 200 м3/т отходов (за весь период выхода БГ).

Если рассматривается задача переработки давно закрытого полигона (свалки), на котором вопрос использования БГ уже не решается, то задача определения выхода биогаза во времени не имеет смысла. В этом случае для переработки тела полигона необходима энергия со стороны. При переработке отдельных «старых» участков полигона и наличии других, «молодых» участков, задача оценки выхода биогаза на последних как источника энергии, необходимой для переработки первых участков, важна. В этом случае одновременно решается и задача определения оставшегося органического вещества после выхода биогаза и теплотехнических характеристик оставшихся отходов.

Для оценки искомых показателей предлагаются различные модели газообразования, в том числе базирующиеся на предположении о периоде полураспада отходов, под которым понимается время, необходимое для разложения половины органического вещества, поступившего с отходами. Принимают период полураспада органического вещества в пределах 5-10 лет. Тогда по одной модели (модель «СКУЛ КАНЬОН»), не учитывающей так называемый временной лаг (когда по представлениям многих авторов БГ еще не образуется), скорость образования метана изменяется от максимальной до минимальной непрерывно с начала захоронения отходов (рис.). По другой модели (модель «ЭМКОН МГМ»), учитывающей временной лаг, скорость образования метана с нулевого значения растет до максимального, а затем уменьшается до минимального (рис.). Процесс разложения отходов начинается со стадии кислородного окисления органического вещества, когда отходы в аэробных условиях взаимодействуют с кислородом, содержащимся в пустотах и проникающим из атмосферы при еще неуплотненных исходных отходах, при этом биогаз не образуется. Строго анаэробные условия с образованием биогаза создаются позднее после уплотнения отходов, увеличения глубины их захоронения. Для расчета выхода биогаза предложены различные формулы, представляющие собой результат обработки экспериментальных данных или опытно-расчетные уравнения. Математически строгой формализованной модели здесь не существует.

Комплексное влияние различных факторов на удельный выход биогаза (по разработкам АКХ им. К.Д. Памфилова) по данным отражается в уравнении:

где Qt - объем биогаза (м3/т ТБО) за период t;

Go= 1,868Сак(0,014Т + 0,28);

Сак - активный органический углерод, кг/т ТБО;

Т - температура тела полигона, °С;

k - постоянная разложения отходов, равная отношению C/N;

t - продолжительность периода стабилизированного выхода биогаза, годы;

W - влажность отходов, %.

Величина Сак находится в зависимости от содержания в ТБО углеводов, жиров и белков и содержания в указанных веществах углерода. Для ТБО, вывозимых на полигоны Московского региона, при значениях W = 65; к = 18,8; t = 20; Т = 30 и Сак = 12,3 имеем: Qt = 48 м3/т ТБО

Так же выход биогаза можно подсчитать по следующей формуле:



где все входящие в нее показатели описаны выше

или

где Р - удельный выход биогаза за период t, который принимают равным в среднем 20

годам (для этого случая и проведен расчет).

...