Управление отходами. Полигонные технологии захоронения твердых бытов

Разложение жиров в анаэробных условиях происходит по схеме:

В разложении жиров принимают участие Clostridium perfringens, Clostridium Sporogenes и многие другие.

Высшие жирные кислоты в процессе сбраживания в результате разрыва углеродной цепи образуют низшие кислоты. Глицерин сначала образует пировиноградную кислоту, которая затем разрушается до конечных продуктов.

Белковые соединения разлагаются в анаэробных условиях спорообра-

зующими (Bacillus putrificus, Bacillus Sporogenеs), а также факультативными анаэробами (Proteus Vulgaris, Вacteria Coli). На первой ступени распада образуются промежуточные продукты – амины, аминокислоты ароматического ряда, меркаптаны, сероводород. На второй ступени промежуточные продукты включаются в биохимические процессы восстановительного дезаминирования, при этом образуется аммиак и органические кислоты, которые затем разлагаются с образованием СО2 и СН4. Сера, входящая в состав белка, переходит в тиоспирты, тиоэфиры, сероводород.

Нитраты могут восстанавливаться до свободного азота за счет воздейст-

вия микробов – денитрификаторов (Bacterium denitrificans, Pseudomonas

flourescens и др.).

Особого внимания заслуживает метановое брожение, в котором принимают участие несколько групп микроорганизмов: Methanococcus Vannielii (восстановление СО2 водородом); Methanobacterium Omelianskii (сбраживание спиртов);

Methanococcus mazei, Methanosarcina methanica, Methanobacterium Sohngenii

(сбраживание солей органических кислот) и многие другие.

Основные биохимические процессы метанового брожения, несмотря на их разнообразие в зависимости от химического состава разлагающихся веществ и групп микробов, принимающих участие в разложении, могут быть сведены к трем типам:

1) разложение органических кислот:

21

2) разложение спиртов:

3) восстановление СО2 водородом:

Более 70–75 % метана образуется из уксусной кислоты, которая является промежуточным продуктом распада многих органических кислот и спиртов.

Метановое брожение идет при рН = 5,6…8,2, оптимум– 7,0–7,6. Образующийся газ содержит около 62–65 % метана и 30–35 % диоксида углерода. Выход газа увеличивается при увеличении содержания в ТБО углеводородов, жиров [84].

Оба процесса – аэробный и анаэробный – приводят к разложению органической части ТБО, образованию СО2, биомассы и выделению тепла. Различие между ними заключается в том, что при аэробном процессе тепла выделяется на порядок больше, но не образуется метан, а при анаэробном процессе тепла выделяется меньше, но образующийся метан может служить источником утилизируемого тепла.

В качестве иллюстрации можно привести данные по аэробной и анаэробной деструкции глюкозы [83].

Аэробная деструкция глюкозы:

Анаэробная деструкция глюкозы:

Сравнивая по данным ряда работ [6–9] эффективность аэробных и анаэробных способов депонирования ТБО на свалках, можно отметить, что при почти равных затратах [7] аэробная свалка обеспечивает практически полное обеззараживание отходов, значительное уменьшение объема складированных отходов и более короткие сроки их переработки, а также исключает взрыво- и пожаро-

22

опасное выделение биогазов. Просадка и стабилизация поверхности наступают относительно быстро, что позволяет снова использовать площади свалок через небольшой период времени после их закрытия. Аэробные свалки менее привлекательны для грызунов, насекомых, птиц, мало подвержены пожарам и взрывам.

Анаэробная свалка при правильном ее устройстве и содержании также отвечает всем санитарным требованиям, позволяет получать биогаз, который может быть утилизирован, не требует специальных устройств для аэрации, более проста в эксплуатации.

В настоящее время в России и зарубежных странах широко используются анаэробные свалки, хотя аэробные имеют ряд преимуществ перед ними.

Сравнительная характеристика аэробных и анаэробных процессов, происходящих на свалках ТБО, приведена в табл. 1.2.

Таблица 1 . 2

Сравнительная характеристика эффективности аэробных и анаэробных процессов при захоронении ТБО на полигонах

1.2.3. Изменение массоразмерных характеристик рабочего тела полигона захоронения ТБО на этапах его жизненного цикла. Осадочные явления

Известно, что рабочее тело полигонов захоронения ТБО меняет свои массоразмерные характеристики (высоту, плотность, устойчивость) в течение жизненного цикла, которые происходят в результате самопроизвольного (слеживаемость) или управляемого увеличения плотности захораниваемых отходов, потерь массы вещества отходов за счет выноса за пределы рабочего тела (эмиссии) газообразных и водорастворимых продуктов биохимической деградации неконсервативных (в основном органики) веществ, фильтрационной консоли-

23

дации (выжимания воды из пор материала) и вторичной консолидации (ползучести скелета захороненного вещества) [20, 21].

Обычно эти изменения проявляются в виде геометрического изменения размеров рабочего тела, которые достаточно часто диагностируются как оседание его поверхности и откосов.

Особенностью оседания поверхности рабочего тела полигонов захоронения ТБО является его неравномерность как по площади (различные абсолютные величины в центральной и периферийных частях тела), так и во времени, которая определяется комплексом факторов – морфологией отходов, технологией их подготовки к захоронению (измельчением, механобиологической обработкой, механохимической и механофизической стабилизацией), технологией складирования отходов и эксплуатацией полигона (разравниванием, усреднением, первоначальным ежедневным уплотнением захораниваемых отходов, высотой рабочего тела, управлением инфильтрацией атмосферных осадков, управлением биодеструкцией неконсервативных компонентов, удалением или рециркуляцией фильтрата, промывкой тела полигона водой и т.д.)

Эти особенности оседания рабочего тела полигона захоронения ТБО в первую очередь определяются специфической природой и состоянием ТБО, которые проявляются в изменении их плотности во времени при захоронении на полигонах в результате слеживаемости.

Слеживаемость как процесс протекает самопроизвольно без активного внешнего воздействия и оценивается как один из ведущих факторов изменения плотности захороненных ТБО.

ТБО рассматриваются с физической точки зрения как двухфазные системы, состоящие из твердых частиц и пустот. Пространство этих пустот заполнено воздухом или водой, оно во много раз больше пространства, занятого твердыми частицами. Засчет удаления этих пустот при уплотнении (деформации при сжатии пустотелых компонентовотходов) достигаетсязначительноеуменьшениеихобъема.

Твердые бытовые отходы, представляющие собой смесь различных фракций, можно считать насыпным материалом, уплотнить который можно с помощью сжатия, укатывания, трамбования, виброуплотнения или сочетания перечисленных методов. Из всех перечисленных методов уплотнения захораниваемых ТБО обычно используется укатывание.

Все отходы можно разделить на две части в зависимости от способности подвергаться деформации сжатия:

–деформируемая часть (составляет примерно 35 % по весу), в которую входят такие материалы, как пищевые отходы, картон, бумага и др.;

–недеформируемая часть (составляет до 65 % по весу), в которую входят стекло, металл и др.

24

Вобщем случае ТБО можно рассматривать как сыпучую деформируемую смесь твердых частиц различной формы и размеров. Промежутки между частицами и поры самих частиц заполнены водой или воздухом.

Сучетом этого важно для управления процессом оседания рабочего тела полигона производить предварительную подготовку отходов перед захоронением путем деформации способных к этому процессу отходов с измельчением недеформируемых инертных материалов для более плотной их укладки.

Известен ряд численных методов для расчета потерь массы захороненных ТБО за счет биодеградации неконсервативных элементов. Большинство из них содержит ряд допущений (например, принимается одинаковая плотность отходов вне зависимости от глубины залегания слоя в рабочем теле, не дифференцируется массовая доля отдельных фракций, различающихся скоростью и глубиной разложения, принято простое суммирование кинетических членов реакций разложения первого порядка, хотя это не отражает реальную ситуацию

ит.д.), что облегчает саму технику расчетов, но при этом очевидна значительная возникающая погрешность получаемых результатов.

Вкачестве примера можно привести методический подход к проведению подобных расчетов, изложенный в работах Findikakis и Leckie (1979), Hettiarachchi et al. (2009) [38], основанный на сложении результатов кинетических реакций первого порядка разложения каждой фракции захораниваемых неконсервативных отходов

i=1

где t′ – время, прошедшее с начала депонирования отходов, годы; Ω(t′) – потеря массы на единицу объема за время t′ с начала депонирования, кг/м3; ρ0 – плотность размещенного объема отходов, принимаемого однородным по высоте складирования, кг/м3; i – количество разлагаемых фракций, i = 1, …, n; βi и λ – массовая доля, %, и кинетическая постоянная первого порядка для i-й фракции соответственно, год–1.

При практическом использовании этого уравнения возникают определенные трудности, так как необходимо учитывать известный из практики факт, что полигон заполняется с непостоянной скоростью, и возраст отходов на разных глубинах рабочего тела существенно различен, что сказывается на характере, скорости и глубине протекающих реакций биоразложения. С учетом этого рядом авторов предлагается упростить методические подходы на основании допущения, что полигон ТБО заполняется с постоянной скоростью. Время, необходимое на заполнение– tf. Отходы внижней части складируются раньше, поэтому возраст отходов и скорость разложениявнижнейчастиотличаютсяоттехжепоказателейдляверхнейчасти.

25

вить составляющие механизма осадочных явлений рабочих тел полигонов. Основными из них являются:

♦деформация и изменение недеформируемых компонентов захораниваемых отходов в процессе первичного механического уплотнения (сжатия) для более плотной укладки ТБО;

♦мгновенное сжатие, приводящее к частичному выдавливанию воды и воздуха, находящихся между твердыми частицами отходов и в их порах;

♦фильтрационное уплотнение (консолидация), приводящее к более полному выдавливанию воды(поровой и межпоровой) иззахораниваемых материалов;

♦вторичная консолидация за счет ползучести скелета после удаления поровых и межпоровых воды и воздуха, а также потерь массы вещества в результате удаления (эмиссии) за пределы рабочего тела образовавшихся газообразных и водорастворимых продуктов биохимической деструкции неконсервативных веществ – компонентов отходов.

В литературе приводятся различные точки зрения по выделению основных этапов оседания рабочего тела в зависимости от морфологии захораниваемых отходов и применяемых технологий и привязки определенных механизмов оседания к различным этапам жизненного цикла полигонов [22, 23].

Оседание полигона начинается в период эксплуатации полигона в процессе ежедневного уплотнения ТБО и продолжается после его закрытия под действием собственного веса и развивающихся биологических процессов разложения отходов (рис. 1.5). По мнению F. De Poli, F. Fabrizi, K.E. Hartz [22], за 15–20 лет происходит снижение общей массы разлагающихся отходов на одну треть.

Рис. 1.5. Изменениевысотыполигонаврезультатедеформации свалочного грунта: t1 – времязаполненияодногослоя отходов; t2 – общеевремязаполненияполигона; t2 – t3 – технический этапрекультивации

M.A. Barlaz выделяет три фазы оседания массива [23]:

♦ начальное сжатие, наблюдаемое визуально и зависящее от типа уплотнения, применяемого к отходам;

27

♦первичное сжатие, происходящее после заполнения полигона в течение короткого периода от двух месяцев до двух лет в результате отжатия воды и выделения газа;

♦вторичное сжатие, происходящее 10–12 лет в результате биологического разложения.

Анализ литературы позволяет соотнести основные фазы оседания полигона с этапами его жизненного цикла.

Так, на эксплуатационном этапе происходит в основном начальное и первичное сжатие в результате реализации механизмов деформации захоранивае-

мых отходов и мгновенного сжатия, а также фильтрационного уплотнения и вторичной консолидации.

На рекультивационном этапе продолжаются фильтрационное уплотнение, вторичная консолидация и постепенное затухание активной фазы метаногенеза.

На пострекультивационном этапе завершаются фаза стабильного метаногенеза, биодеструкция остаточных количеств неконсервативных компонентов, эмиссия газообразных и водорастворимых продуктов биодеградации и вторичная консолидация за счет ползучести скелета остатков биодеградированных веществ.

Изменение массоразмерных характеристик рабочего тела полигонов захоронения ТБО имеет большое практическое значение, так как может при развитии осадочных явлений (особенно неравномерной просадки) привести к изменению геометрии рабочего тела, нарушению устойчивости откосов, разрушению водонепроницаемых экранов в основании полигона и окончательного верхнего покрытия, инженерных систем дегазации, сбора и отвода фильтрата, эрозии почвенного покрова, повлиять на долговечность зданий и сооружений, возведенных на рабочем теле полигона после его рекультивации.

Практика свидетельствует о том, что равномерное оседание поверхности рабочего тела полигона, особенно медленно развивающегося во времени без резких заметных изменений абсолютных значений, не представляет серьезной опасности для полигона как инженерного сооружения и достаточно просто учитывается в регламенте по эксплуатации.

В случае проявления неравномерных осадочных явлений даже относительно небольшая разность в абсолютных величинах на различных участках рабочего тела может привести к серьезным нарушениям и отказам в работе важных инженерных систем и элементов полигона.

Это определяет актуальность проведения исследований с целью получения эмпирических данных и разработки методических подходов, позволяющих оценить возможную амплитуду абсолютных величин неравномерных осадочных явлений, диагностировать возникающие при этом риски (технические, экологические, экономические), оценить вероятность возникновения и тяжесть возможных

28

негативных последствий, определить уровень допустимых для конкретных видов полигонов захоронения ТБО абсолютных величин неравномерных осадок

ив конечном итоге разработать методику прогноза и дать рекомендации по управлению осадочными явлениями с целью минимизации их негативных проявлений (вероятность возникновения в неприемлемых количественных значениях)

итяжести последствий до приемлемого уровня.

Особенно важным является прогнозирование возможности развития осадочных явлений и определения их численных характеристик для проектирования полигонов: выбора размеров (площадных и высотных) полигона; обеспечения устойчивости и угла откоса массива, конструкции и материалов водонепроницаемых экранов основания и окончательного покрытия; инженерных сетей по дегазации, сбору и отводу фильтрата, направлений хозяйственного освоения территории полигона после проведения рекультивации (особенно в части возможных негативных влияний неравномерных осадок на долговечность и эксплуатацию возводимых на бывшем рабочем теле полигона зданий и сооружений).

На кафедре охраны окружающей среды ПНИПУ с 1985 года по настоящее время проводятся большие объемы научно-исследовательских и опытно-конструк- торских работ по широкому спектру исследований обращения с отходами, в том числе и тех из них, результаты которых важны для решения теоретических и прикладных вопросов в области изменений массоразмерных характеристик рабочих тел полигонов захоронения ТБО (получение эмпирических данных по диагностике осадочных явлений, экспериментальные полевые и лабораторные исследования по определению их качественных характеристик и численных значений, оценке вероятности возникновения и тяжести последствий, разработке рекомендаций по их нормированию и управлению с целью минимизации возникающих рисков до приемлемых уровней). В ряде выполненных на кафедре докторских диссертаций (В.Н. Коротаев, Л.В. Рудакова, И.С. Глушанкова, Т.А. Зайцева, С.В. Максимова) [24, 29, 30, 31, 32] были обобщены результаты многолетних исследований сотрудников кафедры по вопросам, связанным с оценкой основных факторов, определяющих возможность изменения массоразмерных характеристик рабочих тел полигонов и осадочных явлений.

Так, в результате ряда экспериментальных исследований на полигонах Пермского края С.В. Максимовой было подтверждено известное теоретическое положение о том, что скорость оседания поверхности полигонов захоронения ТБО зависит преимущественно от скорости разложения отходов. Основными факторами, влияющими на процесс разложения, являются температура, влажность, плотность укладки отходов, состав питательной среды для микробов, степень сопротивления отходов воздействию микробов и т.д.

При проведении натурных исследований на полигонах, где проводились захоронения ТБО разного морфологического состава (на одном из них – отходы

29

смешанного состава, на другом – только быстроразлагаемые фракции в соотношении пищевые/садовые 1:1), было установлено, что осадка смешанных отходов, по составу относящихся к быстро- и среднеразлагаемым, находящихся под слоем песчаной засыпки, за три месяца (с июля по октябрь) составила 40 %, за год – 45 %. За это же время осадка второго экспериментального полигона, где были депонированы только быстроразлагаемые фракции (пищевые и садовые отходы), составила соответственно 64 и 83 %.

Полученные в работах Л.В. Рудаковой, Т.А. Зайцевой, И.С. Глушанковой, С.В. Максимовой [30, 31, 32, 24] эмпирические данные по скорости биодеградации неконсервативных компонентов отходов, потери массы в результате выноса газообразных и водорастворимых компонентов, а также результаты исследований по сжимаемости грунтов, отдельных фракций и в целом смешанных ТБО позволяют сделать вывод о том, что скорость и абсолютные величины оседания полигонов захоронения ТБО зависят от конкретных параметров полигона, морфологии захораниваемых отходов, первоначального уплотнения, других технологических параметров эксплуатации полигона, а также свойств формирующегося при разложении захороненных неконсервативных фракций ТБО рабочего тела.

Осадку полигона можно представить в общем виде как функцию совокупности ряда переменных и постоянных величин: время t; мощность полигона M; высота складирования отходов H; входная плотность отходов PВ; начальная плотность отходов после первоначального уплотнения при укладке PН; метановый потенциал в виде массы уноса (потери) вещества ТБО с газообразными выбросами В; потери вещества в виде массы водорастворимых продуктов биохимического разложения ТБО, удаляемых с фильтратом за пределы рабочего тела Ф:

Процесс оседания полигона захоронения ТБО можно интегрально представить в виде суммы вкладов определяющих общее оседание факторов. Основными из них являются: оседание, связанное с входным и начальным уплотнением отходов – SУПЛ, уносом и потерей вещества с фильтратом – SФ и газовыми выбросами – SБ, ползучестью скелета остаточных компонентов захороненных отходов после выноса продуктов биодеградации с биогазом и фильтратом – SП:

С учетом того, что мощность полигона меняется во времени, а также на разных этапах жизненного цикла полигона меняются характер, направленность и интенсивность процессов, определяющих его оседание, можно, используя адекватные методы, прогнозировать величину оседания как совокупную функцию этих факторов.

30