книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов

ББК 20.18 В 12 УДК 628.4

Рецензенты:

Абрамов Н. Ф., к.т.н., начальник отдела санитарной

очистки городов Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова.

Закиров 3. Г., д.т.н., профессор, ФГУП Межотраслевой научно-исследовательский

институт экологии топливно-энергетического комплекса (МНИИ ЭКО ТЭК).

В монографии исследуются процессы метаногенеза на полигонах твердых бытовых отходов и их воздействие на окружающую среду. Приведены результаты исследований полигонов Пермской области, Германии, Нижней Австрии. Разработаны методические основы управления метаногенезом для решения задач освоения задолженных террито­ рий, занятых закрытыми для приема ТБО полигонами, на основе дифференцированного подхода к управлению метаногенезом с учетом мощности полигонов, морфологии и свойств захороненных отходов, этапа жизненного цикла и сложившейся инфраструктуры. Рассмотрены современные методы комплексной переработки и термического обезвре­ живания ТБО с целью регулирования их морфологическо­ го состава; системы сбора и переработки биогаза при эксп­ луатации полигонов ТБО; эффективные системы монито­ ринга в период рекультивации. Разработана методология оценки эмиссий биогаза со свалочных тел.

Книга предназначена для работников жилищно-комму­ нального хозяйства, научных, учебных, проектных, при­ родоохранных организаций и организаций санитарно-эпи­ демиологического надзора, студентов и аспирантов.

ISBN 5-93824-023-9

© Пермский государственный технический университет, 2003

повышаются. Если отходы подвергаются всесторонней подготовке к депони­ рованию, эмиссии на выходе значительно уменьшаются и дальнейшая эксп­ луатация и рекультивация полигона требует минимального финансирования.

На стадии активного выделемя биогаза освоение территорий для рекреа­ ционного использования, промыиленного, транспортного или гражданского строительства хотя и возможно, но требует больших затрат по применению активных методов дегазации. Утилязация биогаза в качестве энергоносителя не окупает вложенных средств. По мере затухания метаногенеза затраты уменьшаются, но фаза ожидания уровня эмиссий, при котором можно ограни­ читься системами аварийной сигнализации, часто оказывается весьма дли­ тельной. Управление метаногенезои позволяет прогнозировать и контроли­ ровать эмиссии, регулировать продолжительность эмиссий и определять вре­ мя безопасного освоения рекультивированной территории свалок в различных народнохозяйственных направлениях.

При анализе путей и возможностей реализации различных сценариев уп­ равления метаногенезом необходимо учитывать закономерности процессов разложения отходов, присущий им длительный жизненный цикл.

В основе управления скоростью разложения отходов, геометрией поверх­ ности захоронения, периодом выделения сточных еод и биогаза лежит диаг­

ностика свалочного тела и анализ закономерностей образования, движения и накопления биогаза. Большую роль играют методы прогнозирования эмиссий биогаза. Основным инструментом оценки эмиссий свалочных газов как в Рос­ сии, так и за рубежом остаются теоретические методы прогноза, базирующи­ еся на математическом моделировании. Математические модели, которые ис­ пользуются для оценки эмиссий биогаза с полигонов твердых бытовых отхо­ дов в Европе и США, не всегда применимы в условиях Российской Федерации из-за отсутствия предварительной подготовки отходов перед захоронением, учета длительности воздействия складированных отходов на окружающую сре­ ду. Анализ этих методов позволил предложить метод прогноза образования биогаза с учетом специфики российских полигонов.

Управление такими объектами, как полигоны для захоронения ТБО, осу­ ществляется, как правило, в условиях недостаточности информации. При вы­ боре методов управления метаногенезом необходимо учитывать как суще­ ствующее состояние полигона, так и долгосрочные перспективы и последствия принимаемых решений. Поэтому выбор метода и технологии управления ме­ таногенезом (предварительное озоление, компостирование отходов с высо­ ким содержанием биологически разлагаемого углерода, обработка тела свал­ ки фильтратом, пассивная или активная дегазация и т.д.) является сложной технико-экономической задачей, связанной с учетом разнородных, иногда не­ сопоставимых по значимости факторов.

Решение такой задачи возможно с помощью математико-статистических методов в сочетании с эвристическими, которые находят в последние годы все более широкое признание у математиков, экономистов и экологов, полу­ чив, в частности, развитие в стандартах ISO 14000. Эти методы применены нами с учетом специфики решения экологических задач при оценке взаимо­ связи факторов, обусловливающих воздействие полигонов ТБО на окружаю­ щую среду, решения многокритериальной задачи выбора систем дегазации.

Активное управление метаногенезом, включающее диагностику состоя­ ния свалочных тел и научно обоснованный выбор соответствующего комплек­ са мероприятий, позволяет преобразовать закрытые санитарные полигоны в полноценную территорию, пригодную в том числе и под интенсивное строи­ тельство, предотвратить необоснованное изъятие и задалживание земель и поэтапно приблизиться к инертному телу свалки, безопасному для окружаю­ щей среды.

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОГЕНЕЗОМ НА ПОЛИГОНАХ ЗАХОРОНЕНИЯ ТБО

1.1.Предпосылки развития методов

итехнологий управления метаногенезом

Сдоисторических времен свалки твердых бытовых от­ ходов (ТБО) являлись непременными спутниками населен­ ных мест. На первом этапе развития методов и технологий захоронения ТБО действовал простой принцип «собрать и вывезти». Лишь к концу XX века были разработаны мето­ ды обезвреживания отходов и соответствующая законода­ тельная база, благодаря которым произошла замена неор­ ганизованных, неконтролируемых свалок на усовершен­

ствованны е инж енерны е сооруж ения — полигоны захоронения ТБО, оборудуемые системами дегазации и противофильтрационной защитой [1].

Внастоящее время во всех развитых странах сложилась законодательная и нормативная база, регулирующая про­ ектирование, эксплуатацию и рекультивацию полигонов (табл. 1.1). Полигоны классифицируются по степени тех­ нической оснащенности, потенциалу опасности и исполь­ зования для производства электроэнергии [2]. Разработа­ на методология оценки жизненного цикла полигона (LCA), которая рекомендуется стандартами ISO/DIS 14040 [3].

Накопленные за последние десятилетия знания в облас­ ти охраны окружающей среды, а также принятая миро­ вым сообществом стратегия устойчивого развития приве­ ли к формированию новой политики в области захороне­ ния отходов, направленной на всестороннее снижение эмиссий загрязняющих веществ с полигонов ТБО.

Внастоящее время в мировой практике существует две концепции достижения этой цели: концепция «вечного за-

Таблица 1.1

Основные законодательные требования к полигонам захоронения ТБО в разны х странах [2]

хоронения» [4] и концепция полигона ТБО как биологи­ ческого реактора [5].

Концепция «вечного захоронения» заключается в ши­ роком использовании системы раздельного сбора отходов в местах их образования и термическом обезвреживании неутилизируемых фракций ТБО. Основная идея концеп­ ции заключается в запрещении размещения на полигоне не обезвреженных термическими методами отходов.

Сторонники второй концепции предлагают управлять полигоном как биологическим реактором, в котором про­ исходит разложение органических веществ определенным микробоценозом. Регулируя количество и качество биораз­ лагаемого субстрата (органического углерода и др.) на вхо­ де в реактор, можно управлять выходом конечного про­ дукта и эмиссией загрязняющих веществ. При этом воз­ действие на окружающую среду будет минимальным, если содержание органических веществ в ТБО не превышает 5%. Достижение такого уровня органики требует значитель­ ных финансовых затрат даже в развитых странах. Более реальным представляется уровень 7—9% [6, 7], однако и он труднодостижим. В настоящее время Директива ЕС пред­ писывает всем государствам —членам ЕС разрабатывать национальную стратегию, обеспечивающую снижение ко­ личества биоразлагаемых отходов, направляемых на по­ лигон. Стратегия опирается на такие мероприятия, как претритмент и рециклинг [8].

Процедура снижения должна быть осуществлена не по­ зднее 2016 года в три этапа: снижение массы биоразлагае­ мых отходов в течение 5 лет должно достигнуть 25%, в течение 8 лет —50%, не позднее чем через 15 лет —75%.

ВРоссии задача уменьшения потока органических ве­ ществ, направляемых на захоронение, решается недоста­ точно эффективно.,

Внастоящее время в Московской области имеются только два объекта, которые отвечают требованиям Европейского сообщества к полигонам по захоронению ТБО: полигон «Икша» и полигон «Хметьево» [9].

Инфраструктура переработки ТБО в России существен­ но проще, чем в Европе. Более 90% всех отходов после сбора вывозятся на свалки и полигоны без какой-либо пред­ варительной обработки. По данным Государственного док­

лада «О состоянии окружающей природной среды Россий­ ской Федерации», из 130 млн. т твердых бытовых отхо­ дов, образованных в 1998 году, только 3,6 % перерабаты­ вается промышленными методами, остальные вывозятся на полигоны ТБО и свалки [11].

Наиболее благополучная ситуация складывается в Мос­ кве, где ГП «Экотехпром» разработало перспективную схе­ му санитарной очистки города с перегрузкой ТБО на мусорбперегрузочных станциях (МПС). Схема предусматрива­ ет ввод в эксплуатацию семи МПС, трех дополнительных полигонов (Пушкино, Раменское, Одинцово), мусоросжи­ гательных и мусороперерабатывающих заводов [10].

Закон «Об охране окружающей среды», Государствен­ ная программа «Отходы» и ряд нормативных документов предусматривают снижение объемов образования отходов и экологически безопасное их размещение. Однако техни­ ческая политика, направленная на восстановление и пос­ ледующее освоение задолженных под свалки и полигоны ТБО территорий, еще не сложилась.

При инженерном освоении территорий закрытых сва­ лок и полигонов ТБО особенно большие трудности возни­ кают в связи с проявлениями метаногенеза в ходе процес­ са анаэробного разложения ТБО, который пока остается неуправляемым и плохо предсказуемым.

В настоящее время отсутствуют общие методические под­ ходы, позволяющие регулировать процесс метаногенеза.

Вместе с тем, целенаправленное изучение основных пара­ метров процесса разложения ТБО, определяющих его фак­ торов, разработка и внедрение технологий переработки ТБО и систем дегазации позволяют прогнозировать объем обра­ зования газа и эффективно управлять метаногенезом на основных этапах движения отходов.

При управлении метаногенезом должны использовать­ ся методы комплексной переработки и термического обез­ вреживания с целью регулирования морфологического состава ТБО при формировании потока отходов; систе­ мы уплотнения ТБО, формирования водного режима, си­ стемы сбора и переработки биогаза при эксплуатации полигонов ТБО; современные биотехнологические мето­ ды и эффективные системы мониторинга в период ре­ культивации.

Проведенный анализ состояния проблемы метаногенеза на полигонах захоронения ТБО в развитых странах, Мос­ ковской области, а также проведенные нами исследования на полигонах Пермской области («Софроны», «Голый мыс», г. Пермь, «Страшная гора», Пермский район), Германии (полигоны г. Ганновера, Висбадена, Люнебурга), Нижней Австрии позволили разработать методические основы уп­ равления метаногенезом для решения задач освоения задолженных территорий, занятых закрытыми для приема ТБО полигонами. Они базируются на дифференцирован­ ном подходе к полигонам ТБО с учетом их мощности, мор­ фологии и свойств захороненных отходов, этапа жизнен­ ного цикла и сложившейся инфраструктуры. Выбор комп­ лекса оптимальных технических и биотехнических мероприятий по управлению метаногенезом осуществлял­ ся с помощью комплексного эколого-экономического кри­ терия, обеспечивающего экологическую безопасность и оптимизацию затрат на восстановление народнохозяйствен­ ной ценности территорий закрытых для приема ТБО сва­ лочных тел.

Развитие системы управления метаногенезом является элементом экономически и социально обоснованной рефор­ мы действующей системы управления отходами. Комплек­ сный подход к управлению метаногенезом на всех этапах жизненного цикла полигонов ТБО позволяет в максималь­ но короткие сроки, с разумными затратами минимизиро­ вать негативные воздействия на окружающую среду. Воз­ вращение рекультивированной территории полигона с со­ ответствую щ ими экологическим и и инж енерны м и характеристиками в градостроительную среду будет сви­ детельствовать об успешном достижении поставленной цели.

1.2. Классификация полигонов ТБО как источников образования метана

Быстрая урбанизация и недостаточный в течение мно­ гих лет контроль за состоянием природной среды привели к тому, что в пределах крупных городов в карьерах, овра­ гах и других естественных понижениях рельефа образова­ лись стихийные или контролируемые свалки, которые впос­

ледствии засыпались грунтом или просто зарастали расти­ тельностью и превращались в пустыри.

Объекты захоронения ТБО, находящиеся на разных эта­ пах жизненного цикла, отличающиеся по объему отходов, их морфологическому составу, времени и площади захоро­ нения, высоте и геометрии тела распространены повсемес­ тно, занимая огромные территории в границах населен­ ных мест. Состояние объектов захоронения ТБО в целом по России можно охарактеризовать как неудовлетворитель­ ное, а многие из них могут быть отнесены к числу откры­ тых свалок, интенсивно загрязняющих окружающую сре-

ДУ [И ].

Только в Пермской области на учете находятся более 400 свалок общей площадью свыше 2000 га. Из них толь­ ко 160 разрешены природоохранными службами и адми­ нистрациями территорий, примерно 240 свалок являются несанкционированными [12].

Эксплуатируемая свалка г. Перми «Софроны» площа­ дью 50 га находится в 12 км от города и функционирует с 1978 года. Территория, непосредственно используемая под складирование ТБО, занимает 33 га. Объем складирован­ ных отходов составляет 5450 тыс. т, средняя плотность ТБО —0,8—1,2 т/м 3. Эксплуатация свалки не сопровожда­ ется технологическим контролем. Рекультивация свалки «Софроны» проводится с 1999 года, в настоящее время ре­ культивирована приблизительно 1/8 часть территории. За­ вершение процесса рекультивации планируется в 2010 году. В зоне свалки отмечено превышение предельно допусти­ мых концентраций в атмосферном воздухе по этилбензолу (1,5—6 ПДК) и сумме углеводородов (метану) (до 4,5 ПДК). Выделение биогаза на уровне 6-10 мг/м3 зафиксировано в рекультивированной части свалки [13].

Территория полигона не имеет надежного естественного водоупорного основания под рабочим телом и расположе­ на в верхней части водораздельной возвышенности с уси­ ленной нисходящей вертикальной фильтрацией подземных вод, что приводит к избыточному увлажнению территории и способствует формированию больших объемов загрязнен­ ных грунтовых и фильтрационных вод.

На территории, прилегающей к полигону, отмечено заг­ рязнение почвенного покрова, угнетение лесной раститель­