Биогеохимические процессы на полигонах тбо и их использование
Полигон ТБО – это природоохранное сооружение для длительного хранения твердых отходов. Его площадь может достигать несколько сотен гектар, а высота более 30 м. До 70% массы отходов составляют целлюлоза (бумага, картон) и, в меньшей степени, белки (пищевые отходы), 23% –пластмасса, стекло, кожа, металл и около 12% прочие отходы. Средняя плотность свалочных масс в местах сбора около 150 кг/м3, а после специального уплотнения – около 700 кг/м3. Низкая плотность ТБО и высокое содержание органического углерода объясняют активное развитие биогеохимических процессов в теле свалки [43]. Ее толщу можно разделить на три зоны: аэробную, переходную и анаэробную (рис. 38).
В верхнем аэробном слое толщиной до 1,5 м органика окисляется, образуя простые соединения: CO2, H2O, NO3–, SO4–2 и др. Здесь же окисляется часть поступающих снизу газов. Зона служит геохимическим барьером, который препятствует проникновению атмосферного кислорода в нижние слои, с одной стороны и газов из нижних слоев в атмосферу – с другой. При интенсивном образовании газов в нижних слоях мощность аэробной зоны уменьшается до десятков сантиметров.
В переходной зоне бактерии восстанавливают нитриты и нитраты до газообразного азота и его окислов, т.е. идет денитрификация.
Основной объем свалки занимает анаэробная зона, в которой микробиологические процессы протекают при содержании кислорода менее 2%. На начальном этапе причиной дефицита кислорода является бурный рост аэробных бактерий. Позднее притоку кислорода мешает восходящий поток газов, образующихся при анаэробном разложении органики. Сначала биополимеры разрушаются до коротких фрагментов и мономеров, после чего сбраживаются до простых соединений (низших кислот и спиртов, Н2, СО2, H2S). На следующей стадии спирты превращаются в уксусную кислоту с выделением Н2 и СО2. На заключительной стадии из продуктов брожения синтезируется метан СН4 и СО2.
Рис. 36. Вертикальное распределение микробиологических процессов в теле свалки
ЛОВ – летучие органические вещества
Результатом минерализации органического вещества в основном объеме свалки является биогаз ( СН4 – 40-60%; СО2 – 30-45%, N2 – несколько процентов) близкий по составу к продукту твердофазной ферментации органических остатков [44]. Около трети ТБО превращаются в устойчивые полимеры (гуминовые кислоты), которые придают свалочной массе темно-серый цвет.
Скорость разложения органического вещества тесно связана с их химической природой. Быстро утилизируются простые соединения (сахара, аминокислоты), но их доля в ТБО незначительна. Деполимеризация основной массы (целлюлозы) растягивается на десятилетия. Накапливающиеся при разложении гуминовые кислоты разлагаются крайне медленно. Такие отходы, как пластмасса, уголь, резина, стекло разлагаются еще медленнее или вообще не разлагаются.
Полигоны неоднородны по составу, мощности и возрасту толщь, соответственно неоднородны процессы, которые доминируют в его толще. Однако многолетнее изучение зрелых полигонов показывает, что со временем эта неоднородность стирается. Свалка ТБО в процессе эволюции проходит несколько этапов (рис. 39).
1. Поступающие отходы частично окисляются аэробами до простых соединений (CO2, H2O и т.д.). По мере погружения под слой новых отходов и уплотнения свалочной массы газообмен с атмосферой ухудшается. Постепенно запасы кислорода уменьшаются и развиваются анаэробные процессы. Вначале бактерии потребляют более выгодные акцепторы электронов и по мере их уменьшения переходят на менее доступные. Первыми расходуются нитраты. Позднее начинается восстановление марганца, железа и серы. Конечная стадия включает образование метана. Его концентрация в подготовительный период составляет несколько процентов. От истощения кислорода до образования метана проходит несколько месяцев.
2. На втором этапе, который начинается через год после поступления отходов, свалка переходит в основную стадию, отличающуюся максимальной и сравнительно постоянной скоростью образования метана. Продолжительность стадии составляет 15–20 лет.
3. По мере выработки органики (в течение 60–70 лет) микробиологические процессы затухают.
4. Последняя – биологически малоактивная стадия может продолжаться неопределенно долго.
Рис. 37. Стадии развития анаэробного процесса в толще свалки
1 – подготовительный этап; 2 –стационарная стадия развития;
3 – период затухания; 4 – биологическая инертность.
Программы утилизации биогаза есть в развитых странах и России. США планируют извлекать до 5,7 млрд м3 биогаза в год на специально оборудованных полигонах.