Управление отходами. Полигонные технологии захоронения твердых бытов

Таким образом, проведенные исследования и анализ свалочного грунта объектов захоронения ТБО г. Перми длительного складирования позволили установить:

–в свалочном грунте 20–25-летнего возраста формируется микробиологическое сообщество, близкое к микробиологическому сообществу дерново-подзолис- тых почв, оно обладает высокой ферментативной активностью, соответствующей активности окислительно-восстановительных процессов, протекающих в дерновоподзолистой почве, и не представляет опасности в санитарно-микробиологическом отношении;

–уровень загрязненности свалочного грунта варьируется с глубиной, а также зависит от условий, в которых находится объект складирования ТБО;

–по привносимым металлам рассчитанный класс опасности свалочных грунтов относится к 4-му классу (минимальный 5-й класс);

–требуется дифференцированный подход к возможности использования технического грунта на селитебных территориях исходя из установленной степени его загрязненности;

–возможно использование технических грунтов полигонов ТБО: для выращивания технических культур, создания лесозащитных полос, проведения технической рекультивации нарушенных земель не сельскохозяйственного назначения вне селитебных территорий, собственно для технических нужд полигонов в качестве грунтово-строительных материалов.

201

Вместе с тем проведенные исследования позволили разработать алгоритм действий при получении технических почвогрунтов из свалочного грунта объектов захоронения ТБО, а также разработать технические условия ТУ 571190- 002-02069065–2007 на технический почвогрунт и ТУ990000-003-02069065–2007

на компост из бытовых и промышленных отходов.

4.3.2. Оценка ресурсного потенциала рабочего тела закрытых полигонов ТБО

Рабочее тело полигона захоронения ТБО после 20–25 лет с момента закрытия на прием свежих отходов с позиций оценки ресурсного потенциала может быть в формализованном виде представлено как сумма ресурсных потенциалов, подвергнувшихся деструкции захороненных отходов и почвогрунтов, использованных на полигоне для промежуточной и окончательной (перекрытие) изоляции отходов [26–31]:

ПРТП = ПДТБО + ППР ВМР ВМР ПГ , (4.1)

где ПРТПВМР – потенциал вторичных материальных ресурсов рабочего тела полигона; ПДТБОВМР – потенциал вторичных материальных ресурсов, подвергнувшихся деструкции захороненных (после 20–25-летнего периода) ТБО; ППРПГ – природ-

ный потенциал почвогрунтов, использованных для промежуточной и окончательной изоляции рабочего тела полигона.

В результате разложения органической составляющей ТБО образуется биогаз, являющийся энергоресурсом, и технический почвогрунт (компост) – возобновляемый природный ресурс. Можно записать следующее:

где ПТБОБ – биологический потенциал ТБО, характеризует количество вещества, которое будет участвовать в процессе биологической деструкции с переходом в качественно новое состояние (компост, биогаз); ПЭ – энергетический потенциал; ПТГ – потенциал технических почвогрунтов.

Из вышеизложенного следует, что и рабочее тело полигона обладает ресурсным потенциалом вторичных материальных ресурсов – ПРТПВМР , который складывается из потенциала вторичного сырья – ПРТПВС , энергетического – ПЭРТП

и возобновляемого ресурсного потенциала – потенциала свалочных технических почвогрунтов:

202

где ПТГРТП – потенциал технических почвогрунтов рабочего тела полигона.

Потенциалом вторичного сырья характеризуется доля i-х кондиционных материалов, которые могут быть извлечены из свалочного грунта РТП и использованы в качестве вторичного сырья. Количественная оценка, кг/кг СГ, производится по формуле

масса свалочного грунта массива отходов, кг; η i1 – коэффициент, характеризующий долю кондиционных фракций i-й компоненты вторичного сырья, б/р; η i2 – доля i-й компоненты вторичного сырья на единицу массы свалочного грунта (удельный выход), кг/кг свалочного грунта; η i3 – коэффициент, характеризующий эффективность технологического оборудования по извлечению i-й компоненты вторичного сырья, б/р.

В качестве элементов, характеризующих ПЭРТП, рассматриваются биогаз,

вырабатываемый рабочим телом полигона, и компоненты свалочного грунта, которые могут иметь практическое значение в качестве топлива и отвечают требованиям достаточной химической активности, обеспечивающей возникновение горения компонента в присутствии кислорода воздуха, а также наличие достаточных тепловыделений на единицу массы сжигаемого вещества.

Ресурсный потенциал технических почвогрунтов ПТГРТП характеризуется

теми компонентами свалочного грунта, которые можно использовать как заменители природных ресурсов и определяется по аналогии как

где МСГПР – масса компонентов (технический грунт, инертные фракции), выделенных как природный ресурс, кг.

203

Таким образом, чтобы оценить ресурсный потенциал рабочего тела полигона, необходимо знать морфологический и фракционный составы свалочного грунта, его газоносный потенциал.

В качестве примера можно привести количественную оценку ресурсного потенциала рабочего тела на примере городского полигона «Софроны» г. Перми. Данные по фракционному составу свалочного грунта полигона «Софроны» приведены в табл. 4.11, из которой видно, что размеры стеклянной компоненты не превышают 6 см, поэтому использовать данную компоненту в качестве ВС нецелесообразно.

Таблица 4 .11

Фракционный состав свалочного грунта старых карт (20–25 лет) захоронения действующей свалки «Софроны», г. Пермь

Размеры бумажной компоненты не превышают 2 см, выделять данную компоненту также нецелесообразно.

Используя данные табл. 4.7, 4.11, можно определить коэффициенты η i1 и η i2 (табл. 4.12). При определении удельного выхода биогаза исходили из следующих положений: с 1 т ТБО выделяется около 180 м3 биогаза; плотность биогаза – 1,248 кг/м3; при складировании ТБО на полигонах используется почвогрунтовый материал, который составляет 15–20 % всего свалочного грунта. Коэффициент η i3 определяется паспортными данными оборудования, так, например, сепаратор цветных металлов КМ-203А имеет эффективность извлечения 85 %, эффективность сепаратора пленки КМ-204А – 65 %, сепаратор стекла – 60 %. При определении коэффициента η i3 для технического грунта (компоста) учитывались потери материала, которые имеют место при сепарации, грохочении.

204

Таблица 4 .12

Значения коэффициентов η ij для рабочего тела свалки «Софроны» г. Перми

Пользуясь данными табл. 4.12, можно оценить ресурсный потенциал старых карт 20–25-летнего захоронения полигона «Софроны» г. Перми, который

составил ПРТППР = 0,823 кг/кг СГ. Доля потенциала вторичного сырья составила

6,6 %, доля почвогрунтовых материалов – 74,6 %. Качественная и количественная характеристики ресурсного потенциала рабочего тела полигона «Софроны» приведены в табл. 4.13.

Полученные результаты исследований изменения ресурсного потенциала рабочего тела полигонов захоронения ТБО [26–33], а также анализ литературы [34–45] позволили сформулировать следующие выводы:

–на момент образования ТБО обладают ресурсным потенциалом ПТБО ;

–в процессе захоронения отходы подвергаются физико-механическому воздействию (часть кондиционного сырья теряется) и пересыпаются, изолируются почвогрунтовыми материалами (в рабочее тело полигона вводится новый материал); на момент закрытия рабочее тело полигона обладает по-

тенциалом ПtРТП=0 ;

–качественная и количественная характеристики ресурсного потенциала рабочего тела полигона и ТБО отличны;

–качественная и количественная характеристики ресурсного потенциала рабочего тела полигона с течением времени изменяются (снижаются доля ВС, его газоносная способность, происходит потеря массы заскладированных ТБО, трансформация заскладированных ТБО приводит к образованию нового мате-

риала), т.е. ПtРТП=0 ≤ ПТБО и ПtРТП=100000 ≤ ПtРТП=n ;

205

– конечным итогом захоронения ТБО (после ассимиляции, t = 10000) является их трансформация в ресурсный материал, ПtРТП=100000 = ППРПГ .

Отходы из органических веществ природного происхождения – целлюлоз- но-бумажные материалы, картон, волокнистые материалы из клетчатки или из ее производных, а также белковые материалы, в том числе разнообразные пищевые отходы – под воздействием биологических и биохимических факторов будут в первую очередь подвергаться биохимическому разложению.

С точки зрения биоразложения в ТБО можно выделить 4 группы компонентов: легкоразлагаемые (быстроразлагаемые), среднеразлагаемые, медленноразлагаемые и неразлагаемые.

К биологически неразлагаемым компонентам относятся металлы, стекло, строительный мусор, камни и т.п. Однако старению подвергаются все материалы: из органических и неорганических веществ, в том числе металлические отходы и пластмассы. Деструкцию большинства материалов, относимых к биологически неразлагаемым, инициируют процессы небиологического характера, такие как термическое и фотоокисление, термолиз, механическая деградация и т.п. Большинство пластмасс, например, медленно разрушаются в результате

206

деполимеризации, протекания фотохимических и химических процессов. Полиэтилен и полипропилен теряют менее 1 мас. % после 10 лет захоронения [45]. В состав ТБО полимерные материалы (пластмассы, полиэтилен) в основном попадают как непригодные тароупаковочные материалы. Сроки, необходимые для разложения тароупаковочных материалов в естественных условиях, могут составлять от нескольких месяцев и десятилетий до нескольких сотен лет. По данным отраслевого сервера «Индустрия упаковки» для разложения различных материалов в естественных условиях потребуется:

Приблизительные сроки разложения для жестяных банок (составляют основную долю черного лома) – 100 лет; алюминиевая банка – до 500 лет, очень трудноразлагаемые компоненты (пластмасса) – около 5000 лет.

Для оценки изменения ресурсного потенциала рабочего тела полигона ТБО со временем, ПРТП = F (t) , в качестве реперных величин выделены следующие временные точки, t:

а) закрытие полигона ТБО: t = 0, ПtРТП=0 ;

б) t = 50 лет, ПtРТП=50 , выбрана исходя из то, что при средних условиях разложе-

ния через 50 лет биоразлагаемых составляющих не остается. Дифференциация биоразлагаемой составляющей ТБО на быстро-, средне- и медленноразлагаемые компоненты сложна. Например, в категорию «макулатура» при исследованиях ТБО, как правило, входят газетная, офисная, журнальная и упаковочная бумага, различные виды картона и т.п. По натурным исследованиям ТБО г. Перми 60 % массы макулатуры поставляется предприятиями торговли, а также рынками, т.е. ориентировочно 40 % макулатуры можно отнести к быстроразлагаемым;

в) t = 100 лет, ПtРТП=100 – нет черного металла;

г) t = 500 лет, ПtРТП=500 – нет цветного металла (ВС = 0); д) t = 5000 лет, ПtРТП=5000 – нет пластмасс (ВС = 0; ЭР → 0).

Исходные данные для гипотетического полигона ТБО:

– складируются твердые бытовые и приравненные к ним отходы (ТБО), образующиеся в городе с численностью 1 млн жителей;

207

–срок эксплуатации полигона 20 лет;

–в качестве исходных данных по нормам образования и количеству образующихся отходов приняты следующие справочные данные [46]: для средней полосы России удельная норма накопления ТБО на 1 человека составляет 1,53 м3/год (0,3 т/год на человека); объемный вес ТБО в местах сбора 0,2 т/м3; средний рост норм накопления по массе составляет 0,4 % в год, по объему – 0,9 % в год. Количество заскладированных отходов в рабочем теле полигона составит 6,23 млн т;

–состав ТБО принимается расчетным, по данным проведенных в г. Перми исследований, а также справочных данных [46–47], представлен в табл. 4.14.

Примечание. * – в данную категорию попали не поддающиеся сортировке смеси компонентов мелких фракций (<5 см). Основу как по весу, так и по объему составляют пищевые отходы, бумага, уличный смет.

Закрытие полигона ТБО: t = 0, ПtРТП=0 . Для определения ПtРТП=0 необходимо оценить: ПТБО на стадии образования, потери ВС при захоронении, газоносную способность рабочего тела полигона, объем используемых грунтовых материалов. В качестве элементов, характеризующих ПТБОВС , рассматриваются черный и цветной металл, стекло, макулатура. В качестве элементов, характеризующих ПЭРТП, рассматриваются компоненты ТБО, которые могут иметь практическое значение в качестве топлива, – полиэтилен, пластики, кожа, резина. К биологи-

208

ческому потенциалу ПТБОБ отнесены пищевые отходы, бумага картон, дерево, текстиль. Грунтовый потенциал ПТБОГр характеризуется инертными компонента-

ми ТБО: мелкие фракции стекла, камни, штукатурка и т.п., которые можно использовать как заменитель грунтовых материалов. Чтобы оценить ресурсный потенциал ТБО, необходимо знать фракционный состав ТБО (табл. 4.15).

Таблица 4.15

Структура твердых бытовых отходов по г. Перми

Размеры стеклянной компоненты, которую целесообразно отбирать в качестве ВС, ограничиваются составляющей 10–5 см. Размеры бумажной компоненты – составляющей20–15 см. Значениякоэффициентовη i1, η i2, η i3 приведенывтабл. 4.16.

В процессе перевозки, при складировании с послойным уплотнением на ТБО оказывается давление не менее 0,1 МПа, происходит ломка крупных фракций, их измельчение, увеличивается доля стекла, попадающая в категорию «грунтовые материалы». Как показали натурные исследования старых карт захоронения полигона «Софроны», модуль крупности стеклянной фракции не превышает 5 см, в целом порядка 2 см. Результаты расчета ресурсного потенциала для ТБО приведены в сводной табл. 4.17.

Анализ литературных данных и натурные исследования старых карт захоронения показали, что с течением времени состав ТБО в рабочем теле полигона изменяется. Количественная оценка биоразлагаемой составляющей основывалась на теории микробиального роста Monod [48–50], согласно которой рост микробной популяции зависит от количества субстрата или питательной среды и прекращается, когда запасы питательных веществ исчерпаны. Реакции такого типа подчиняются кинетике первого порядка, и изменение биоразлагаемой массы

209

разложения, 1/лет. В конечном итоге, по завершении разложения, часть массы теряется ∆ m и остается масса грунтового материала mГ , т.е. биоразлагаемую массу можно представить как