Моделирование изменения эмиссионного потенциала твердых бытовых отходов при разных способах претритмента

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Охрана окружающей среды


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 504. 064. 47
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭМИССИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ ПРЕТРИТМЕНТА
Слюсарь Н. Н., Вайсман Я. И., Глушанкова И. С., Рудакова Л. В.
ФГОУ «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», Пермь, e-mail: irina chem @mail. ru
Представлены результаты моделирования эмиссионного потенциала твердых бытовых отходов при различных способах их предварительной подготовки: ручной и оптико-механической сортировки, аэробной стабилизации биодеградируемой фракции отходов. При расчетах эмиссий использованы результаты натурных исследований морфологического состава твердых бытовых отходов действующего полигона ТБО г. Перми, состав потоков отходов, образующихся при работе мусоросортировочной линии, и разработанные биохимические модели анаэробной деструкции ТБО и аэробной стабилизации биодеградируемых фракций отходов. Предварительная оптико-механическая сортировка отходов с последующей аэробной стабилизацией отсевов позволит снизить объемы депонируемых отходов на 58−60% и предотвратить выделение метана при деструкции. Разработанные подходы к расчету эмиссионного потенциала ТБО могут быть использованы при проектировании санитарных полигонов ТБО и прогнозной оценке их воздействия на объекты окружающей среды.
Ключевые слова: твердые бытовые отходы, биохимическая деструкция, модель, эмиссионный потенциал, ручная и оптико-механическая сортировка
MODELING CHANGE EMISSION POTENTIAL SOLID WASTE IN DIFFERENT WAYS PRETREATMENT Slyusar N.N., Vaisman Y.I., Glushankova I.S., Rudakovа L.V.
Federal state budgeted educational institution of high professional education «Perm National Research Polytechnic University», Perm, e-mail: irina chem @mail. ru
Based on the results of field studies of the morphological composition of municipal solid waste landfill acting Perm, composition of waste streams generated during waste sorting line manual work and opto-mechanical sorting and biochemical model developed by solid waste and destruction of aerobic stabilization of biodegradable waste fractions calculated emission potentials for different waste methods of their preparation. Preliminary optical -mechanical sorting of waste followed by aerobic stabilization of biodegradable fraction will reduce the volume of waste deposited at 58−60% and prevent the release of methane from the destruction. Developed approaches to the calculation of the emission potential of MSW can be used in the design of sanitary landfills and predictive evaluation of their impact on the environment.
Keywords: municipal solid waste, biochemical degradation model, the emission potential, hand made and optical-mechanical sorting
Утилизация твердых бытовых отходов (ТБО) является одной из ключевых санитарных и экологических проблем урбанизированных территорий. В настоящее время существуют различные схемы управления потоками ТБО, включающие раздельный сбор, ручную, механическую и/или оптикомеханическую сортировку отходов с переработкой вторичного сырья, применение биотехнологических методов (предварительной механобиологической обработки и компостирования), депонирование на полигонах ТБО.
Следует отметить, что даже при использовании современных технологических систем переработки отходов, применяемых в развитых странах Европы и США, не исключается размещение отходов в окружающей среде на полигонах ТБО.
Воздействие полигона ТБО на окружающую среду обусловлено образующимися при деструкции отходов газовыми выбросами -биогазом, основными компонентами которо-
го являются метан и углекислый газ, и фильтрационными водами (ФВ), образующимися за счет влажности отходов, инфильтрации атмосферных осадков, биохимических процессов, сопровождающихся образованием воды, которые характеризуются высоким содержанием токсичных органических и неорганических веществ. Обеспечение требуемого санитарного состояния полигонов ТБО предусматривает использование эффективных технологий обезвреживания фильтрационных вод и дегазации объектов.
Для управления потоками эмиссий на полигонах ТБО при проектировании новых объектов необходимо прогнозировать количественные и качественные изменения их состава. Длительность процессов разложения отходов не позволяет получить достоверных экспериментальных результатов по составу эмиссий и в этом случае моделирования является более надежным инструментом прогнозирования эмиссионного потенциала отходов.
В работах [1, 2] авторами на основании анализа морфологического состава отходов и процессов биодеструкции каждой фракции ТБО была разработана модель биодеструкции отходов на полигонах ТБО, где депонировались несортированные отходы.
Отходы в зависимости от процессов, лежащих в основе их разложения, подразделяют на следующие виды:
• биодеградируемые фракции ТБО, к которым относятся пищевые, садово-парковые отходы, бумага, древесина, некоторые виды текстиля-
• фракции ТБО, подвергающиеся химической и фотохимической деструкции -черные и цветные металлы, пластмассы-
• балластные — камни, стекло, строительные материалы.
Химический и микробиологический состав эмиссий зависит от механизмов, скорости и полноты протекания химической и биохимической деструкции каждой фракции ТБО и этапа жизненного цикла полигона. Превалирующую роль при разложении отходов играют биохимические процессы, протекающие в анаэробных условиях [3−6]. Анаэробному разложению подвергаются в основном целлюлозосодержащие отходы (бумага, садовопарковые отходы, дерево, ткань) [3, 4]. В работах Багіа2 и было установлено, что именно при анаэробной деструкции целлюлозы и гемицеллюлозы формируется 91% метанового потенциала большинства отходов [4].
При разработке биохимической модели деструкции ТБО были использованы следующие допущения:
1. Целлюлозосодержащие отходы (С6И10О5)я в биохимических превращениях были представлены в виде твердой глюкозы — «С6И12О6.
2. Полагалось, что основными продуктами разложения целлюлозосодержащих отходов являются летучие жирные кислоты, разла-
Активный метаногенез:
гающиеся до уксусной кислоты, углекислого газа, водорода и воды. На стадии стабильного метаногенеза биоразложению подвергается наиболее трудно разлагаемый лигнин -С9Н10О4, содержание которого в целлюлозосодержащих отходах составляет 20−25%.
3. Химический состав формирующейся в анаэробных условиях биомассы выражен следующей формулой С1Н18Оо5К02 [6].
4. Химический анализ формирующегося свалочного грунта (СГ) и природы гуминовых веществ, их свойств позволил смоделировать основной фрагмент свалочного грунта, формирующегося в течение 20−25 лет, и установить его структурную формулу, на основании которой была определена брутто-формула органической фракции свалочного грунта: С1Н12О0 5К0 2.
При описании процессов анаэробной биодеструкции отходов на полигонах ТБО выделялись следующие основные фазы: гидролиз, ацетогенез, активный метаноге-нез, стабильная фаза метаногенеза и полная ассимиляция, которые совпадают с основными этапами жизненного цикла полигона: активной эксплуатации, рекультивации и ассимиляции [4, 5]. Несмотря на то, что при биодеструкции ТБО протекают сложные биохимические процессы с образованием ряда органических соединений, из всего многообразия реакций при разработке модели были выделены основные: анаэробное разложение целлюлозосодержащих отходов, сопровождающееся образованием летучих кислот жирного ряда, биогаза, свалочного грунта, содержащего твердые органические соединения гумусовой природы, и ростом биомассы (анаэробных бактерий).
Модель биодеструкции целлюлозосодержащих фракций ТБО на стадии активного и стабильного метаногенеза представлена следующими уравнениями:
ПС6Н12О6 + 0,32**Нз (г) ^ 0,64П С1Н1, Оо, Ко,(т) + П0,96 С1Н1. 2Оо, Ко,(т) + + 2,15пСО2() + 2,24 пСН4 + 0,84пН2О
5 2(г) 5 4 5 2
Стабильный метаногенез:
а) биодеструкция лигнина:
(1)
ПСД0О4 + п*Нз (г) + 2,5 ПН2О ^ 5 пС1Н1. 2О0, К0,(Т) + 2пСО2(г) + 2СН4 + 2 пН2 (2)
б) биодеструкция неразложившейся ча- руемых фракций ТБО с последующим засти целлюлозы протекает по уравнению (1). хоронением стабилизированных отходов
В настоящей работе представле- на полигоне ТБО.
ны результаты моделирования эмисси- При моделировании эмиссионных по-
онного потенциала ТБО после их пред- токов ТБО использовали результаты натур-
варительной подготовки путем ручной ных исследований морфологического сои/или оптико-механической сортировки става отходов действующего полигона ТБО
с утилизацией вторичного сырья, механо- г. Перми, проведенных в 2009—2012 гг.,
биологическая стабилизации биодегради- а также состава потоков отходов, образу-
ющихся при работе мусоросортировочной линии ручной и оптико-механической сортировки [7]. На основании полученных данных определены коэффициенты трансформации (коэффициент извлечения вторичного сырья) каждой фракции отходов и рассчитан морфологический состав отходов после ручной ТБО-РС и оптико-механической сортировки ТБО-ОМС, представленный в табл. 1. Следует отметить, что за последние десять лет в ТБО значительно увеличилось содержание полимерных отходов (15,2%). Высокое содержание полимерных отходов, их неупорядоченное складирование совместно с другими фракциями препятствует процессам деструкции био-разлагаемых фракций ТБО. Предварительная сортировка ТБО позволяет выделить из них целевые фракции (металл, макулатуру, полимеры), использовать их ресурсный потенциал и сократить объем депонированных отходов.
Установлено, что при ручной сортировке масса отходов сокращается на 15,7%, при оптико-механической — на 26,9% в результате выделения части макулатуры, полимерной тары и металлов. Характеристика химического состава и некоторых физико-химических свойств биодеградиру-емых фракций ТБО представлены в табл. 2.
Морфологический состав ТБО до и после
В представленном морфологическом составе ТБО г. Перми биодеградируе-мая фракция составляет 40,0% (без учета мелкой фракции), являющихся основным источником эмиссий на полигоне. Уста -новлено, что в результате извлечения вторичного сырья доля биодеградируемой фракции в депонируемых отходах после ручной сортировки (ТБО-РС) несколько увеличивается и составляет 42,86%, после оптико-механической сортировки (ТБО-ОМС) — 37,7%, при этом в ней увеличивается содержание легко разлагаемых составляющих — пищевых отходов. Отсев сортировки целесообразно подвергать аэробной стабилизации (АС), заключающейся в интенсивной аэрации отходов, например, в биобарабанах, при температуре 30−50°С, влажности 45−50%, скорости подачи воздуха 40−60 нм3/(ч-т) в течение 10−12 часов и с последующей обработкой в штабелях на открытых площадках в течение 10−12 недель. При этом происходит интенсивная ферментация отходов под действием термофильных аэробных микроорганизмов с формированием гумусовых соединений, сопровождающаяся снижением массы отходов в 2−2,2 раза.
Таблица 1
ручной и оптико-механической сортировки
Категория Подкатегория Содержание, % по массе, ТБО К PC т Содержание, % по массе, ТБО-РС К опс т Содержание, %, по массе, ТБО-ОМС
Органические отходы Пищевые отходы 7,09 0,00 8,44 0,00 10,0
Растительные отходы 1,9 0,00 2,28 0,00 2,66
Макулатура Картон 8,6 0,37 6,45 0,26 3,12
Бумага 10,5 0,06 11,76 0,37 5,28
Прочая макулатура 3,7 0,00 4,22 0,00 5,17
Полимеры Пленка 5,7 0,23 5,22 0,40 4,80
Бутылка 4,0 0,48 2,47 1,00 0,00
Прочая упаковка 2,3 0,26 2,02 0,8 2,57
Прочие полимеры 2,2 0 2,49 0,00 3,10
Стекло Стеклотара 17,7 0,38 13,06 0,38 15,33
Прочее стекло 0,0 0,40 0 0,00 0,00
Металлы Черные металлы 2,2 0,43 1,50 0,63 0,83
Цветные металлы 0,5 0,52 0,29 0,63 0,02
Текстиль Текстиль 5,0 0,01 5,90 0,00 7,00
Дерево Дерево 1,3 0,00 1,55 0,00 1,81
Комбинированные материалы Комбинированная упаковка 1,0 0,00 1,19 0,00 1,41
Электронные отходы 0,8 0,04 0,91 0,00 1,11
Опасные отходы Опасные отходы 0,3 0,00 0,36 0,00 0,42
Инертные материалы Строительные отходы 1,2 0,00 1,43 0,00 1,70
Прочие инертные материалы 0,2 0,00 0,02 0,00 0,30
Прочее Подгузники 1,9 0,00 2,26 0,00 2,66
Кожа, резина, обувь 2,0 0,00 2,38 0,00 2,81
Прочее 7,6 0 9,04 0,00 10,62
Мелкая фракция Мелкая фракция 12,4 0 14,76 0,00 17,31
ИТОГО ИТОГО 100,0 100,0 100,0
Таблица 2
Химические и физико-химические свойства биодеградируемых фракций ТБО
Фракция отходов Химический состав фракции (в расчете на сухие ТБО) Мо- лярная масса, кг/ кмоль Период полураспада*, лет Содержание, кг/т Содержание С кг/т
ТБО ТБО- РС ТБО- ОМС ТБО ТБО- РС ТБО- ОМС
Пищевые отходы С320Н571О188М15Э 7661 1 71, О 84,4 100 35,59 42,3 50,12
Расти- тельные отходы С425Н636О254^,§ 9921,6 15 19, О 22,8 26,6 9,77 11,72 13,67
Картон Бумага Прочие С581Н952О44Л/ 15 059,6 25 7 15 86.0 105.0 37.0 64,5 117,6 42,2 31,2 52,8 51,7 105,25 103,84 62,82
Дерево С Н О N S 1321 19О4 856 4.6 31 548,4 25 13, О 15,5 18,1 6,53 7,79 9,095
Ткань, текстиль, подгуз- ники С979Н13 960 417^ 2О828 15 69, О 81,6 96,6 38,92 46,026 54,49
Биоде- гради- руемая фракция С613Н1325О394^ - ТБО** С621Н975О3898, 8 — ТБО — РС С653Н1О14О347^з/ - ТБО — ОМС или С1ОН15,8О5,3^), 36^О, О15 1311О 7−2О 400 428,6 377,0 196,06 211,68 109,195
Примечания: *- период полураспада фракций представлен для средней влажности отходов — 30−60% [5]-
** - брутто-формула биодеградируемой фракции отходов определена с учетом химического и количественного состава каждой фракции.
После 3−4 месяцев, необходимых для полного созревания и формирования компоста, стабилизированные отходы (ТБО-АС) могут быть складированы на полигоне или использованы в качестве грунта, используемого для пересыпки отходов или рекультивации закрытых для приема отходов карт.
Процесс аэробной стабилизации отходов может быть отражен следующей схемой:
Биодеградируемая фракция (отсев сортировки) + 02 + Н20 ^ компостная фракция + СО + БО + уксусная кислота —
СНР2
Модель аэробной стабилизации ТБО-ОМС:
С10Н15, АЛзЛ015 + 5,24 02 + О, 12 (КН2)2СО ^ 5 СіНиО0,5К0,2 + 4Д2 С02(г) +
0,015 ^02(г) + 0,5 С2Н402(ж) + 4,14 Н2О (3)
На основе разработанной биохимической модели биодеструкции отходов проведены расчеты эмиссионного потенциала отходов и формирования твердой фазы при различных способах их предварительной подготовки: несортированные отходы —
ТБО, ТБО-РС, ТБО-ОМС, результаты которых представлены в табл. 3.
Рассчитанные эмиссии биогаза коррелируют с литературными данными [6].
Анализ полученных данных показал, что внедрение оптико-механической сортировки на полигоне позволит не только значительно снизить объем депонированных отходов, увеличить полезную площадь захоронения, но и снизить объем эмиссий в 1,5 раза. При депонировании сортирован-
ных отходов необходимо учитывать возможность значительной интенсификации процессов деструкции и соответственно значительного сокращения жизненного цикла полигона ТБО.
Используя модель аэробной стабилизации биодеградируемой фракции ТБО-ОМС, рассчитано, что при обработке 1 т ТБО-ОМС образуется 178 кг компоста, при этом будет выделяться 270,1 кг СО2 (137,5 м3) и 1,43 кг 802 (0,5 м3).
Установлено, что оптико-механическая сортировка отходов с последующей аэробной стабилизацией биодеградируемой фракции отсева позволит снизить обЪемы депонируемых отходов на 58−60% и предотвратить выделение метана при деструкции.
Таблица 3
Результаты расчета эмиссий биогаза на различных стадиях деструкции ТБО (расчеты проводились на 1 т ТБО)
Стадия дєструкции Масса эмиссий и фор-мирующєйся биомассы и свалочного грунтя, Примечание
CH4 CO2 сг и биомасса
ТБО
Активный метаногенез, кг/т сух. ТБО 68,77 181,51 74,41 Неразложившаяся часть ТБО на стадии активного метано-генеза, кг, в том числе: глюкоза (ТВ.) — 74,02 кг лигнин — 82,25 кг
Стабильный метаногенез, кг/т сух. ТБО, разложение лигнина, оставшейся целлюлозы 14,4 29,47 39,6 77,79 54,24 31,9
Итого, кг/т сух. ТБО нм3/т сух. ТБО 112,64 157,7 298,9 152,17 160,55
ТБО-РС
Активный метаногенез 72 190,05 77,92 Неразложившаяся часть ТБО на стадии активного метано-генеза, кг, в том числе: глюкоза (ТВ.) — 77,5 кг лигнин — 85,54 кг
Стабильный метаногенез: разложение лигнина, оставшейся целлюлозы 15,04 30,86 45,76 81,45 56,4 31,38
Итого, кг/т сух. ТБО нм3/т сух. ТБО 117,9 165,06 317,26 161,51 165,7
ТБО-ОМС
Активный метаногенез 57,9 81,45 53,07 Неразложившаяся часть ТБО на стадии активного метано-генеза, кг, в том числе: глюкоза (ТВ.) — 62,32 кг лигнин — 69,16 кг
Стабильный метаногенез: разложение лигнина, оставшейся целлюлозы 12,16 16,64 27,1 65,20 45,6 25,24
Итого, кг/т сух. ТБО нм3/т сух. ТБО 86,7 121,38 173,75 88,45 123,91
Выводы
1. На основании разработанной биохимической модели деструкции ТБО рассчитаны эмиссионные потенциалы несортированных отходов и отходов после ручной и оптико-механической сортировки на различных стадиях метаногенеза и установлено влияние способа претритмента на формирование эмиссий.
2. Разработана биохимическая модель процесса аэробной стабилизации биодегра-дируемой фракции отходов и рассчитаны формирующиеся материальные потоки при аэробной обработке отсева оптико-механической сортировки.
3. Предварительная оптико-механическая сортировка отходов с последующей аэробной стабилизацией биодеградируемой фракции позволит снизить объемы депонируемых отходов на 58−60% и предотвратить выделение метана при деструкции.
4. Разработанные подходы к расчету эмиссионного потенциала ТБО при различных способах их предварительной подготовки могут быть использованы при проектировании санитарных полигонов ТБО
и выборе эффективных технологий дегазации полигона и утилизации биогаза.
Список литературы
1. Вайсман Я. И., Коротаев В. Н., Глушанкова И. С. Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твердых бытовых отходов: монография. — Пермь: Из-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. — 259 с.
2. Глушанкова И. С., Зайцева Т. А., Рудакова Л. В. Управление полигонами ТБО на основе биотехнологических принципов // Экология и промышленность России. -2011. — № 5. — С. 35−39.
3. Micales J.A., Skog K.E. The Decomposition of Forest Products in Landfills // International Biodeterioration & amp- Biodegradation. — 1997. — Vol. 39. — № 2−3. — Р 145−158.
4. McDougal J.R., Pyrah L.C. Moisture effects in a biodegradation model for wast refuse // 7 International wast management and landfill simposium. — Sardinia, 1999. — Vol I. -Р 59−66.
5. Barlaz M., Camobreco V. Life — cycle inventory of modern municipal solid waste landfill / Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. II // 7 International waste management and landfill symposium. — Sardinia, 1999.
6. Barlaz M., Ham R. Mass balance analysis of anaerobically decomposed refuse // J. Environ. Eng. — ASCE 115(6), 1989. — Р. 1088−1102.
7. Ильиных Г. В., Слюсарь Н. Н., Базылева Я. В., Матвеев Ю. Б., Пухнюк А. Ю. Управление метановым потенциалом твердых бытовых отходов путем их предварительной обработки.
References
1. Vaysman Ya.I., Korotaev V.N., Glushankova I.S. Uprav-lenie othodami. Stochnyie vodyi i biogaz poligonov zahoroneni-ya tverdyih byitovyih othodov: monografiya. Perm: Iz-vo Perm. nats. issled. politehn. un-ta, 2012. 259 p.
2. Glushankova I. S., Zaytseva T.A., Rudakova L.V. Up-ravlenie poligonami TBO na osnove biotehnologicheskih printsipov // Ekologiya i promyishlennost Rossii, 2011, no. 5, p. 35−39.
3. Micales J.A., Skog K.E. The Decomposition of Forest Products in Landfills // International Biodeterioration & amp- Biodegradation Vol. 39, no. 2−3 (1997) pp. 145−158.
4. McDougal J.R., Pyrah L.C. Moisture effects in a biodegradation model for wast refuse / 7 International wast management and landfill simposium. Sardinia, 1999. Vol I, pp. 59−66.
5. Barlaz M., Camobreco V. Life — cycle inventory of modern municipal solid waste landfill / Environmental impact, aftercare and remediation of landfills. Vol. II // 7 International waste management and landfill symposium. Sardinia, 1999.
6. Barlaz M., Ham R. Mass balance analysis of anaerobically decomposed refuse // J. Environ. Eng., ASCE 115(6), 1989, pp. 1088−1102.
7. Ilinyih G.V., SlyusarN.N., BazyilevaYa.V., MatveevYu.B., Puhnyuk A. Yu. Upravlenie metanovyim potentsialom tverdyih byitovyih othodov putem ih predvaritelnoy obrabotki.
Рецензенты:
Уланова Т. С., д.б.н., профессор, зав. лабораторией физико-химического анализа, ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», г. Пермь-
Халтурин В. Г., д.т.н., профессор кафедры охраны окружающей среды, ФГОУ «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 06. 03. 2014.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой