Физико-химические процессы в техносфере

Для выявления характера и интенсивности загрязнения окружающей среды была проведена типизация предприятий, учитывающая технологические характеристики объектов, геолого-гидро- геологические и инженерно-геологические условия территорий их размещения. Геолого-гидрогеологические и инженерно-экологические условия территорий для размещения полигонов рассмотрены сточки зрениястепени защищенностиокружающей среды.

К наиболее важным критериям инженерно-экологической классификации территорий расположения промышленных предприятий относятся: строение и мощность зоны аэрации; наличие юрского регионального водоупора; наличие водоносных горизонтов, залегающих выше питьевых горизонтов. Определяющий признак типизации предприятий – степень экологической опасности их воздействия на окружающую среду:

I – потенциально опасные участки характеризуются отсутствием или песчаным составом зоны аэрации, регионального юрского водоупора и спорадическим распространением местного водоупора, близким залеганием водоносных горизонтов, наличием в санитар- но-защитной зоне социально значимых объектов;

II – участки средней экологической опасности характеризуются песчаным составом пород зоны аэрации, невыдержанностью по мощности и площади водоупорных горизонтов, наличием в сани- тарно-защитной зоне субаквальных ландшафтов, гумусированных почв, социальных объектов, водозаборных сооружений, неблагоприятным геоморфологическим расположением;

III – участки относительно безопасные характеризуются наличием в зоне аэрации слабопроницаемых водоупорных грунтов и защищенностью основных водоносных горизонтов (региональные и местные водоупоры), отсутствием селитебных объектов, водозаборных сооружений, природоохранных территорий в санитарнозащитных зонах (СЗЗ), наличием благоприятных ландшафтногеоморфологических условий и т.д.

51

Контрольные вопросы

1.Приведите зависимости, характеризующие изменения давления и температуры с высотой, опишите причины этих изменений.

2.Охарактеризуйте основные потоки энергии и факторы, их определяющие, в радиационном балансе Земли.

3.Охарактеризуйте глобальные и локальные особенности циркуляции атмосферного воздуха.

4.Приведите примеры процессов, которые способствуют сле-

дующим изменениям концентрации атмосферной примеси: а) снижению; б) сохранению на прежнем уровне; в) увеличению.

52

3.МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ

ВТЕХНОСФЕРЕ

3.1. Стадии биодеструкции

При декомпозиции задачи по биохимическим процессам, протекающим в техносфере, можно использовать модель анаэробного биореактора, в котором основные биохимические реакции под воздействием поступающих атмосферных осадков, техногенного влияния промышленности и участия живого вещества трансформируют техносферу. Процесс биоразложения можно описать с помощью многофазной модели биохимических реакций.

В качестве базовой модели выступает закон неразрывности потока с учетом диффузионного влияния [34]:

где t (0,T ) – временная переменная; x Ω – пространственная

переменная; ω(х,t) – влажность массива; β(х,t) – концентрация веществ в фильтрате; D (х,t) – диффузионно-фильтрационный тензор

(d × d) , q(х,t) – функция Дарси.

Левая часть уравнения (3.1) характеризует закон сохранения массы с учетом разницы, возникающей за счет нарушения балансовых процессов, протекающих в результате биодеструкции отходов, вводится оператор R (правая часть уравнения), опиcывающий некоторое произвольное множество, сущность которого – в балансе материального уравнения (возможное изменение массы вещества за счет физических и биохимических процессов).

Согласно исследованиям [35] начальная стадия биодеструкции отходов протекает в аэробных условиях. При исчерпании молеку-

53

лярного кислорода и накоплении диоксида углерода создаются анаэробные условия, характеризующиеся переходом рН среды из кислой в щелочную и стабилизацией качественного состава жидкой фазы при существенном снижении показателей ХПК и БПК5 и концентраций ионов тяжелых металлов в составе фильтрата.

Биохимические (окислительно-восстановительные) реакции, протекающие во внутренних слоях полигона ТБО, схематично можно представить в следующем виде [38]:

СхНуОz N + NH3 + O2 → С5Н7 NО2 + CO2 + H

При дальнейшем протекании окислительных процессов в массиве ТБО происходит трансформация клеточного вещества:

На типичной свалке процесс аэробного окисления чаще всего заканчивается образованием и накоплением высоких концентраций жирных кислот. В органической фракции к этому времени достигается соотношение C / N > 55.

Анаэробная биодеградация требует присутствия микроорганизмов разных видов, входящих в состав смешанных популяций. Группа гидролитических или ацидогенных бактерий обеспечивает начальный гидролиз субстрата до низкомолекулярных органических кислот и других соединений: уксусной, пропионовой, масляной, капроновой кислоты, метанола, этанола, глицерина, целлюлозы, водорода, метана. Гетероацентогенные бактерии продуцируют уксусную кислоту и водород. Конверсия отдельных органических соединений протекает в соответствии с химическими реакциями

54

Метаногенные бактерии синтезируют метан в результате восстановления метильной группы уксусной кислоты и метилового спирта:

CH3COOH → CH4 + CO2

(3.5)

4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O

Обобщая результаты влияния процедур увлажнения и уплотнения на массив ТБО в процессе анаэробного биохимического разложения отходов, получили эмпирическую зависимость влагопотребления ТБО в процессе биохимического разложения ТБО от времени их размещения на полигоне [62] методом графической аппроксимации:

где ωначпол – влажность ТБО после их уплотнения при захоронении на полигоне ТБО, % об.; ρнач – плотность поступающих на полигон ТБО, кг/м3; ωотн – относительная влажность поступающих на поли-

гон ТБО, мас.%; 37,5 – полевая влагоемкостъ ТБО, % об.

В результате получена формула расчета величины удельного среднегодового потребления влаги ТБО в процессе биохимического разложения, м3/т ТБО в год [62]:

где τ – возраст отходов в массиве полигона, лет.

Анализ результатов, полученных при проведении расчетов образования фильтрата проектируемого полигона г. Березники Пермского края, показал необходимость учета образования отжимной влаги ТБО и потребления влаги в процессе биохимического разложения ТБО (23,3–29,2 % и 0,4–18,8 % от величины инфильтрации атмосферных осадков в массив отходов соответственно) [62], что подтверждает принудительную подачу воды на карты ТБО (например, в результате рециркуляции фильтрата).

55

В связи с этим особое внимание уделяется процедуре управления полигоном ТБО при помощи рециркуляции фильтрата. Технология многократной рециркуляции фильтрата через тело полигона приводит к тому, что массив полигона начинает работать как анаэробный реактор, в котором стабилизируются процессы и сокращается жизненный цикл полигона ТБО. Поэтому особое внимание уделяется модели анаэробного биореактора. Процесс анаэробного разложения (ферментации) [64] имеет целый ряд существенных преимуществ перед другими способами обработки органических отходов. Первые модели этого класса были стационарными, основанными на теории непрерывного культивирования, использующей соотношение Моно [63] для описания взаимодействия между концентрацией субстрата и скоростью роста, которые впоследствии были расширены до динамических. Процесс биодеструкции органических отходов состоит из последовательно протекающих стадий

(рис. 3.1).

Рис. 3.1. Стадии биодеструкции отходов

56

При рассмотрении стехиометрии и кинетики процессов биодеструкции отходов дадим количественную оценку биодеструкции ТБО: расходные (стехиометрические) коэффициенты балансовых уравнений в виде матричной формы [74]

где NS – количество химических соединений, NR – количество реакций. Молекулярную форму матрицы, отражающей химический со-

став компонентов, опишем как

A = (a1,...aNS ) RNE × NS ,

где NS – количество химических соединений; NE – количество элементов химических реакций.

Таким образом, общее уравнение мультикомпонентной модели записано следующим образом [34]:

Без учета диффузионно-фильтрационных процессов уравнение (3.9) запишется в виде

Далее исследована кинетическая модель биохимических реакций. Кинетическая модель представляет собой соотношения скорости роста биомассы и влияния на нее комплекса факторов почвенного массива.

Моделью первого порядка, описывающей рост биомассы, является автокаталитическое соотношение, задаваемое выражением

57

ddсt = μс,

где с – концентрация организмов, моль/л; t – время, сут.; μ – удельная скорость роста, сут.–1.

Моно обнаружил, что удельная скорость роста Rr не является истинно постоянной, а зависит от концентрации некоторого лимитирующего вещества [63], и описал эту зависимость при помощи гиперболической функции, представленной в уравнении

где μmax – максимальная удельная скорость роста, сут.–1; с – концен-

трация субстрата; ks – коэффициент насыщения, моль/л.

Развитием модели Моно явилась модель Моно–Иерусалимско- го [45]. Изменение концентрации вещества со временем по данной модели представлено как

где Р – концентрация продукта метаболизма; ks – коэффициент насыщения питательного субстрата, моль/л; kр – коэффициент насыщения продукта метаболизма, моль/л.

Известны модели, учитывающие физико-химические факторы окружающей среды, описывающие влияние рН на продукты метаболизма.

Ряд моделей кинетики роста биомассы разработан на основе различныхпо сложности схем обобщенныхферментативныхреакций:

→

e + s ks [es] kp → e + p , (3.13)

←

k − s

где е – фермент; s – субстрат; [es] – фермент-субстратный комплекс; p – продукт реакции; k – кинетический коэффициент.

58

Скорость потребления субстрата с формированием двуокиси углерода и метана может быть выражена через скорость роста организмов при помощи стехиометрического уравнения и выражения, определяющего скорость роста (3.12), (3.13):

где QCH4 – скорость производства метана, л/сут.; D – объем 1 моля

газа; V – объем жидкости в реакторе.

При описании кинетики моделей биодеструкции субстрата на системах ПТО можно воспользоваться моделью процесса анаэробной биодеструкции целлюлозосодержащих отходов на основе кинетического уравнения первого порядка

где с– концентрацияорганических веществ; k – константа скорости. Процессы деструкции могут быть представлены следующей

биохимической моделью:

Формирование эмиссий может быть описано двумя последовательно протекающими реакциями

k1 k2

A → B → C

↓

n C6H12O6 (ж) → n C2H4O2 (ж) → n CO2 (г) + n CH4 (г)

ацетогенез метаногенез

59

Изменение эмиссии загрязняющих веществ и биогаза может быть определено на основе кинетического последовательной реакции первого порядка:

– dA / dt = k1 A , – dC / dt = k2 B ,

где k1 – константа скорости реакции в фазе ацетогенеза; k2 – константа скорости реакции в фазе метаногенеза.

Модель может быть использована для расчета эмиссий биогаза на различных этапах жизненного цикла: на стадии рекультивации при k2 >> k1 величиной k1 можно пренебречь. Расчет основан на следующих допущениях: общее время разложения определяется временем распада медленноразлагаемых фракций; температура и рН среды рассматриваются в диапазоне значений, оптимальных для метаногенеза; содержание метана в биогенезе составляет 50 %; активная фаза метаногенеза наступает через 2 года после формирования анаэробных условий [46]. Ценность данной модели заключается

втом, что время разложения отходов на объекте их депонирования зависит от их влажности. Для быстроразлагаемых и медленноразлагаемых отходов скорости биодеструкции фактически одинаковы,

вто время как для трудноили медленноразлагаемых фракций (таких как целлюлозосодержащие компоненты) увлажнение этих отходов увеличивает скорость реакции в фазе метаногенеза и скорость биодеструкции более чем в 2,2 раза.

Химическая реакция, протекающая в жидкой фазе полигона ТБО, между растворенной двуокисью углерода и бикарбонатом будет представлена в виде уравнения

где (CO2)D – концентрация растворенной двуокиси углерода, моль/л; (HCO3-) – концентрация бикарбоната, моль/л.

Согласно [45] модель работает в ограниченном диапазоне рН от 6 до 8.

60