книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов

Смеси «СН4—воздух—С02» и «СН4—воздух-Ы2» выраже­ ны в объемных долях; концентрации рабочей смеси отно­ сятся ко всей смеси [23].

Если газ может улетучиваться по всей поверхности по­ лигона и при этом в достаточной степени разрежаться ат­ мосферным воздухом, то непосредственной опасности взры­ ва нет. Опасность усиливается в местах возможного скоп­ ления биогаза или его увеличенного выхода в зонах трубопроводов и кабельных туннелей, водомерных уст- % ройств для грунтовых вод, контрольных шахт и скважин, а также в подпольях зданий и сооружений, глубоких тран­ шеях.

К опасным зонам, кроме рабочего тела полигона, могут быть отнесены здания и строения, расположенные в не­ посредственной близости от полигона (150—500 м), к кото­ рым биогаз может проникнуть через каналы, трубопрово­ ды или через газопроницаемые почвы (гравий, песок, по­ ристый камень).

Для многих категорий отходов (древесина, бумага, пла­ стмассы) существует опасность самопроизвольного возго­ рания. В уплотненных зонах происходят анаэробные про­ цессы с выделением метана. Выделяемое при этом тепло не отводится, температура массы повышается и начинает­ ся спонтанное горение. Присутствие незначительного ко­ личества кислорода, необходимого аэробным бактериям для окисления метана, способствует воспламенению отходов. Миграция метана, особенно в жаркие периоды года, уско­ ряет воспламенение и создает опасность возникновения по­ жара за пределами свалки. В результате возгорания состав выделяющихся газов резко изменяется, и не только пото­ му, что гидриды, в том числе метан, окисляются до окси­ дов. Сгорание органических фракций при недостатке кис­ лорода приводит к образованию канцерогенных полиароматических углеводородов и других опасных веществ. Отходы поливинилхлорида, сгорая, образуют разнообраз­ ные по составу и строению продукты вплоть до суперток­ сикантов диоксиновой группы, что делает дымовые выде­ ления горящего полигона ТБО чрезвычайно опасными и для человека, и для природной среды [26].

Скрытые пожары возникают на свалках повсеместно и создают большие проблемы для персонала. На полигонах

ТБО земли Баден-Баден с 1990-го по 1994 год было зареги­ стрировано 13 больших пожаров, из которых 11 —скры­ тые [27].

На большинстве эксплуатируемых свалок в России го­ рение происходит круглый год в течение многих лет. По данным [26], официально в Московской области на подоб­ ных объектах регистрируется до 30 пожаров в год. Площа­ ди пожаров варьируют от 0,01 до 2 га с выгоранием толщи отходов на глубину более 1 метра. Общая масса ежегодно сгорающих в Московской области ТБО составляет 210 000 тонн при средней площади усредненного пожара 1 га и плотности ТБО 0,7 т/м3. На полигоне «Софроны» г. Перми объем горящих отходов в 1999 году составил 37 500 тонн, или 10 % от принятых отходов [28].

Проведенное нами исследование причин горения мето­ дом экспертных оценок (Дельфы) выявило ряд факторов, вызывающих пожары на полигонах, в том числе наруше­ ние технологии складирования, избыточное уплотнение, выделение биогаза и т.д. (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Результаты экспертного ранжирования причин возгорания ТБО

А- морфологический состав ТБО; Б - избыточное уплотнение отходов;

В- экзотермические реакции, возникающие в процессе разложения ТБО; Г - нарушение технологии складирования; Д - нарушение техники безопасно­ сти; Е - сезонные климатические факторы; Ж - отсутствие предварительной подготовки ТБО перед захоронением.

Эти факторы были проранжированы экспертами по сте­ пени значимости методом парных сравнений и проанали­ зированы методом ранговой корреляции [29].

Согласованность мнений экспертов оценивалась с помо­ щью коэффициента конкордации Кендалла:

Рср_ —т(п +1) ~ среднее отклонение по всем факторам;

Rtj —ранг, присвоенный i-м экспертом j -му фактору; т —число экспертов; п —число факторов; 7\ - поправоч­ ный коэффициент, который вводится при наличии совпа­ дающих рангов.

При Полностью совпадающих мнениях экспертов W —1. Поскольку это случается довольно редко, необходимо оце­ нить' степень согласованности мнений экспертов. Для это­ го выполняется проверка статистической значимости ко­

Если условие выполняется, то, при заданном уровне значимости а, согласованность мнений экспертов, оцениваемая коэффициентом конкордации, существует.

Величина коэффициента конкордации W составила 0,526. Для группы из 12 экспертов (т = 12) и количества факторов л=7 при 1%-м уровне значимости критическая величина критерия х2кр=16,812. Так как рассчитанная ве­ личина x2=Wm(n—1)=37,872 больше критической, коэф­ фициент W является значимым, согласованность мнений экспертов —существенной [30].

Эксперты считают, что главной причиной пожаров на полигоне «Софроны» является нарушение технологии скла­

дирования отходов, поэтому к мероприятиям, позволяю­ щим предотвратить возникновение пожаров, относят глав­ ным образом предварительную сортировку, уплотнение от­ ходов, своевременную земляную засыпку.

Методами, позволяющими достаточно быстро затушить пожары, признаны искусственные мероприятия (засыпа­ ние землей, песком, поливание водой).

В настоящее ьремя на полигоне «Софроны» усилен кон­ троль за соблюдением технологии складирования отхо­ дов, ведется мониторинг эмиссий биогаза в окружающую природную среду. В резуль?ате осуществления этих ме­ роприятий в ноябре 2002 года горение отходов прекра­ тилось.

1.3.3. Выделение неприятного запаха

Биогаз обладает типичным сладковато-гнилостным за­ пахом. Наряду со сложными эфирами жирных кислот и спиртами, входящими .в состав биогаза, запах формируют сероводород и органические сернистые соединения (мер­ каптаны и сульфиды). Основные компоненты, определяю­ щие неприятный запах: сероводород, 2-пропандиол, 2-бу- тандиол, диметилсульфид, диметилдисульфид, диметилтрисульфид:. Сернистые соединения имеют самые низкие пороговые значения запаха [31]. Известные пороговые зна­ чения запаха приведены в табл. 1.6.

Группу соединений с интенсивным запахом представля­ ют жирные кислоты и амины. Они образуются в свежих отходах и выделяются при анаэробном разложении орга­ нических веществ на стадии кислого брожения. Эти веще­ ства в основном накапливаются в фильтрате.

Запах может проявляться по всей территории свалки и зависит от доли свежих отходов, размера свалки и техно­ логии захоронения отходов. Целесообразно выделять че­ тыре характерные области: по периметру строений; с по­ верхности свалки; контролируемые и неконтролируемые точки эмиссии газа (включая системы сжигания и исполь­ зования); контролируемые и неконтролируемые системы отбора и наблюдения за фильтратом.

На распространение газа влияют местные климатичес­ кие условия в области полигона.

Таблица 1.6

Пороговые значения запаха некоторых веществ и их содержание в ТБО [31]

Пахучее вещество регистрируется с помощью олфактометра. Индикатором служат органы обоняния человека. К чистому воздуху добавляют воздух исследуемой пробы до тех пор, пока запах не' будет различим. Таким образом, устанавливается пороговое значение; Количество воздуха, необходимое для разбавления, является мерой интенсив­ ности запаха:

К + К

(1.3)

К

Где: Z — безразмерный параметр запаха; Уч — объем чистого воздуха, м3; Уз — объем загрязненно­ го воздуха, м3.

Для одиночных веществ установлены следующие поро­

ги запаха:

—серосодержащие вещества —10 3 мг/м3;

-диоксид серы —10 *мг/м3;

-соляная кислота —7,6 мг/м3; —фтористая кислота —30 мг/м3.

Запах является одним из важнейших факторов, опреде­ ляющих зону влияния полигона, и одной из главных при­ чин негативного отношения населения к соседству полиго­ на. При неблагоприятных погодных условиях для рассеи­ вания вредных примесей он может распространяться в радиусе 2 км.

1.3.4.Воздействие на биоту

Взонах интенсивной эмиссии биогаза рост растений практически невозможен. Высокое содержание метана в биогазе способствует вытеснению кислорода из грунта. Вследствие дефицита кислорода и недостатка влаги рост прекращается, и растения отмирают. Высокая температу­ ра в теле свалки также способствует засыханию корневой системы.

Угнетение растительности может наблюдаться и за пре­ делами рекультивированной зоны вследствие миграции и накопления биогаза.

Можно отметить следующие признаки угнетения расте­ ний под действием эмиссий биогаза, повышенного содер­ жания тяжелых металлов в почве свалки:

—карликовый рост; —сухость верхушки;

—утолщение оснований ствола; —сильное разветвление корней; —пожелтевшие листья; —раннее старение листа.

Причиной угнетения растительности могут быть и ток­ сичные компоненты биогаза (табл. 1.7).

1.3.5.Загрязнение атмосферы

Глобальное влияние биогаза на атмосферу Земли при­ влекло серьезное внимание экологов и общественности толь­ ко в последние годы.

Полигон, выбрасывая в атмосферу метан и другие ток­ сичные газы, тем самым загрязняет воздушное простран­ ство не только локально, поблизости, но и в верхних сло­ ях атмосферы. Загрязнение атмосферы метаном и состав­ ляющими биогаза вносит свой вклад в создание парникового эффекта и разрушение озонового слоя.

Углеводородные газы участвуют в атмосферных фото­ химических реакциях, обеспечивающих сток и образова­ ние части активных радикалов, в число которых входит ОН-группа. Характерные реакции, протекающие в тропос­ фере с участием метана:

Формальдегид является промежуточным продуктом, ко­ торый распадается на СО, С02, Н2.

Атмосферная доля метана увеличивается в результате человеческой деятельности на 1—2% ежегодно. При этом надо учесть, что срок жизни молекулы метана в атмос­ фере составляет 7 -8 лет, а диоксида углерода - 100 лет

[21, 22].

Конечный продукт фотохимического окисления метана — монооксид углерода (СО) - оказывает влияние на цикл озона в верхнем слое тропосферы.

В стратосфере, на высоте 30 км от Земли, произойдет охлаждение воздуха на 4°С в результате поглощения инф­ ракрасного излучения. Последствия подобных изменений климата проявятся в таянии ледников и, как следствие, подъеме уровня океана, морей, а также переносе зон осад­ ков [20, 21]. На рис. 1.3 показан вклад различных газов в образование парникового эффекта.

1.4. Минимизация' воздействий полигонов ТБО на окружающую среду как побудительная причина

развития системы управления метаногенезом

Основной целью управления метаногенезом является минимизация воздействий на окружающую среду, что оз­ начает, в первую очередь, снижение всех экологических рисков, возникающих в результате процесса метаногенеза как на глобальном^ т&к и на локальном уровнях. Анализ экологических рисков, возникающих в связи с проявлени­ ями метаногенеза, позволяет их сгруппировать по возмож­ ному воздействию на человека, биоту, опасности возник­ новения взрывов и пожаров, .загрязнению атмосферного воздуха, выражающемуся в формировании парникового эф­ фекта и разрушении озонового слоя, а также препятствию в инженерном освоении территорий, задолженных под свал­ ки, полигоны, закрытые под прием отходов.

Методология системного анализа позволяет перевести многокритериальные задачи подобного рода в разряд структуризованных, к решению которых уже можно приложить аппарат математического моделирования и выбора оптималь­ ных решений. Для получения информации о взаимосвязи факторов или критериев в системном анализе используется экспертная оценка. Эксперты в значительной мере воспол­ няют недостаток количественной информации относитель­ но элементов системы. Поскольку полученная с помощью экспертов информация о воздействиях полигона ТБО на окружающую среду имеет условный характер и шкала ко­ личественного определения признаков отсутствует, для при­ нятия окончательного решения необходимо воспользовать­ ся непараметрическими критериями, или рангами.

Для определения основных направлений минимизации применима методология FMEA-анализа, которая позволя­

ет анализировать и оцениват! риски, разнородные по ха­ рактеру и направлению воздеютвия, силе и времени про­ явления [32, 33]. В сочетании кметодами экспертных оце­ нок она широко используется дхя решения подобного рода задач в смежных областях науьч и техники.

Методология предполагает оценку рисков проводить по ранговому показателю RPZ, который является произве­ дением рангов, полученных при эсспертной оценке объек­ та по частоте возникновения аварийных ситуаций, тяже­ сти последствий и вероятности ^обнаружения. Приме­ няя этот метод для ранжирования воздействий полигона ТБО, целесообразно вместо параметра частоты возникно­ вения аварийных ситуаций использовать параметр «про­ должительность воздействия на окружающую среду». Тя­ жесть последствий для окружающей среды и человека оп­ ределяется с учетом юридической ответственности за последствия. Ранжирование осуществляется методом пар­ ных сравнений, что дает возможность согласования соот­ ношений между объектами с помощью подбора коэффици­ ента а„ [30, 35]:

а..= 1, если i предпочтительнее j; а.;. = —1, если j предпочтительнее i;

а..= 0, если i и j равноценны.

Ранжирование неблагоприятных воздействий метаногенеза с помощью FMEA-анализа проводилось нами на приме­ ре пермского полигона ТБО «Софроны». Это позволило определить показатель риска RPZ для каждого из воздей­ ствий и ранжировать их по времени воздействия (А), сте­ пени тяжести последствий (В) и вероятности необнаружения (С) (табл. 1.8) [34]. Ранги параметров определялись на основе экспертных оценок методом парных сравнений.

Среди факторов риска от горящего полигона ТБО преоб­ ладают токсичные вещества, выделяющиеся в атмосфер­ ный воздух. При этом значение самого риска от полигона возрастает.

Для снижения степени риска, возникающего на вновь сооружаемых полигонах в связи с образованием биогаза, необходимо надежное инженерно-техническое оснащение сооружения. Система управления полигоном должна быть спроектирована таким образом, чтобы величина RPZ сни­ зилась до значений, не превышающих 100.