НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЭКОПРОМ" АКАДЕМИЯ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА им. К.Д. ПАМФИЛОВА НИИ ЭКОЛОГИИ
ЧЕЛОВЕКА И ГИГИЕНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Москва 1995 СОДЕРЖАНИЕ 1. АННОТАЦИЯМетодические указания предназначены для использования при разработке проектов нормативов предельно допустимых и временно согласованных выбросов для полигонов твердых бытовых и промышленных отходов и прогнозов ожидаемого загрязнения атмосферы в районах их расположения. Настоящие указания распространяются на основные виды газообразных загрязняющих веществ, образующихся в результате биотермического анаэробного процесса распада органических составляющих твердых бытовых и промышленных отходов и выделяющихся с поверхностей полигонов отходов в атмосферу. Указания содержат примерный морфологический состав и основные характеристики отходов, вывозимых на полигоны отходов и свалки Московского региона, поэтапную временную характеристику процессов, происходящих в толще отходов, складированных на полигонах, способы определения количественного и качественного состава выделяемого полигонами биогаза, методы расчета удельных и валовых выбросов образующегося биогаза в целом и по компонентам. Приведены основные формулы программной обработки расчетных исходных данных на ЭВМ. Замечания и предложения по настоящим указаниям просьба направлять по адресу: 117218, Москва, ул. Кржижановского, д.15, корп.7, Научно-производственное предприятие «Экопром»; телефон: 124-49-65. 2. РАЗРАБОТЧИКИАвторы разработки методических указаний: Абрамов Н.Ф. - член-корреспондент Жилищно-коммунальной академии; Корнеев В.Г. - инженер отдела санитарной очистки городов Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова; Санников Э.С. - инженер научно-производственного предприятия "Экопром"; Терловский П.М. - инженер научно-производственного предприятия "Экопром"; Русаков Н.В. - доктор медицинских наук НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина. 3. ВВЕДЕНИЕВ толще твердых бытовых и промышленных отходов, складированных на полигонах, под воздействием микрофлоры происходит биотермический анаэробный процесс распада органических составляющих отходов. Конечным продуктом этого процесса является биогаз, основную объемную массу которого составляют метан и диоксид углерода. Наряду с названными компонентами биогаз содержит пары воды, оксид углерода, оксиды азота, аммиак, углеводороды, сероводород, фенол и в незначительных количествах другие примеси, обладающие вредным для здоровья человека и окружающей среды воздействием. Количественный и качественный состав биогаза зависит от многих факторов, в том числе, от климатических и геологических условий места расположения полигона, морфологического и химического состава завозимых отходов, условий складирования (площадь, объем, глубина захоронения), влажности, плотности и т.д., и подлежит уточнению в каждом конкретном случае. В настоящей методике использованы данные статистической обработки результатов, полученных АКХ им. К.Д. Памфилова и другими организациями, в том числе НПП "Экопром", методами полевых замеров на многих полигонах Московской области и лабораторных исследований. Это дает основание считать, что приведенные в методике величины, уточненные применительно к конкретным условиям, правомочно использовать при разработке проектов нормативов ПДВ для полигонов твердых бытовых и промышленных отходов и свалок Московского региона. 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИГОНОВ ОТХОДОВНа большей части полигонов и свалок Московской области основную массу поступающих отходов составляют бытовые (до 90 %), остальные 10 % являются промышленными отходами, разрешенными для захоронения совместно с бытовыми. Морфологический состав твердых отходов, складируемых на полигонах и свалках, по усредненным данным исследований АКХ по Москве и Московской области [2] в процентах по массе следующий: - бумага, картон - 38,0 - пищевые отходы - 30,0 - дерево - 1,5 - текстиль - 5,5 - кожа, резина - 1,3 - полимерные материалы - 5,5 - кости - 0,7 - черный металл - 2,5 - цветной металл - 0,5 - стекло - 4,3 - камни, керамика - 1,4 - отсев менее 16 мм - 8,8 Плотность (насыпная масса) отходов составляет 0,2 - 0,3 т/куб.м, влажность колеблется от 40 до 55 %, содержание органического вещества (в процентах на сухую массу) - до 70 %. По общепринятой технологии захоронения отходов предусматривается планировка и уплотнение завозимых отходов, а также регулярная изоляция грунтом рабочих слоев. В начальный период (около года) процесс разложения отходов носит характер их окисления, происходящего в верхних слоях отходов, за счет кислорода воздуха, содержащегося в пустотах и проникающего из атмосферы. Спустя год со времени закладки по мере естественного и механического уплотнения отходов и изолирования их грунтом усиливаются анаэробные процессы с образованием биогаза, являющегося конечным продуктом биотермического анаэробного распада органических составляющих отходов под воздействием микрофлоры. Биогаз через толщу отходов и изолирующих слоев грунта выделяется в атмосферу, загрязняя ее. Если условия складирования не изменяются, процесс анаэробного разложения стабилизируется с постоянным по удельному объему выделением биогаза практически одного газового состава (при стабильности морфологического состава отходов). Различают пять фаз процесса распада органической составляющей твердых отходов на полигонах: 1-ая фаза - аэробное разложение; 2-ая фаза - анаэробное разложение без выделения метана (кислое брожение); 3-яя фаза - анаэробное разложение с непостоянным выделением метана (смешанное брожение); 4-ая фаза - анаэробное разложение с постоянным выделением метана; 5-ая фаза - затухание анаэробных процессов. Первая и вторая фазы имеют место в первые 10 - 15 дней с момента укладки отходов, продолжительность протекания третьей фазы - от 180 до 500 дней. Длительность четвертой фазы - 10 - 30 лет, если условия складирования не изменяются. Процесс минерализации отходов происходит в течение первого года - на 12 см, второго года - на 21 см, третьего года на 27 см и т.д. Эмиссия биогаза с поверхности полигона идет равномерно, без аварийных и залповых выбросов. 5. РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ С ПОЛИГОНОВРасчет выбросов загрязняющих веществ с полигонов отходов и свалок в данной методике приводится для нормального режима эксплуатации мест захоронения отходов. Возгорания отходов на участках складирования, работа автотранспорта и выбросы котельных (при их наличии) не учитываются и рассчитываются при необходимости по существующим соответствующим методикам. Рассчитываются выбросы газообразных загрязняющих атмосферу веществ, входящих в состав биогаза. На количественную характеристику выбросов загрязняющих веществ с полигонов отходов влияет большое количество факторов, среди которых: - количество завозимых ежегодно отходов; - влажность отходов; - мощность слоя складированных отходов; - климатические условия; - состав отходов; - соотношение углерода и общего азота. На основании результатов многочисленных лабораторных исследований, проведенных на крупных полигонах отходов, составлена математическая модель определения удельного выхода биогаза за период его активной стабилизированной генерации. Эта модель описывается формулой: - удельный выход биогаза, куб.м/т. отходов; G0 = 1.868Сакт(0,014Т + 0,28); Сакт - активный органический углерод, г/т. отходов; Т - температура в теле полигона, °С; температура в теле полигона колеблется от 28 до 32 °С; k - постоянная разложения, равная отношению углерода к общему азоту (C/N), определяется по "Методическим исследованиям свойств твердых отбросов" [3]; t - продолжительность периода стабилизированного выхода биогаза (четвертая фаза), год; W - естественная влажность отходов, %. Органические вещества, содержащиеся в отходах, обладают различной интенсивностью разложения. Так, резина, кожа, полимерные материалы и т.п. разлагаются микроорганизмами очень медленно, в то время как органические составляющие отходов, содержащие белковые вещества, крахмал, разлагаются очень быстро. Таким образом, можно считать, что органическая составляющая отходов состоит из "пассивного" (негенерирующего) органического вещества и "активного" (генерирующего) органического вещества. Активный органический углерод, входящий в формулу (1) относится к "активной" органике и определяется по "Методическим исследованиям свойств твердых отбросов" [3]. Для практических расчетов более удобно пользоваться известным уравнением выхода биогаза при метановом брожении: - удельный выход биогаза за период активного выхода, кг/кг отходов; W - средняя влажность отходов, %; R - содержание органической составляющей в отходах, на сухую массу, %; Ж - содержание жироподобных веществ в органике отходов, %; У - содержание углеводоподобных веществ в органике отходов, %; Б - содержание белковых веществ в органике отходов, %. W, R, Ж, У и Б - определяются анализами отбираемых проб отходов. Расчет выбросов биогаза ведется для условий стабилизированного процесса разложения при максимальном выходе биогаза (в период четвертой фазы). Стабилизация процесса газовыделения наступает спустя в среднем два года после захоронения отходов. Период активного выхода биогаза составляет в среднем двадцать лет. За это время генерируется около 80 % от общего количества биогаза, получаемого с одной тонны отходов. Для учета мощности слоя залегания отходов вводятся поправочные коэффициенты. При максимальной высоте полигона 4 метра количество выбрасываемого биогаза умножается на коэффициент 0,5, а при высоте от 2 до 4 метров эта величина умножается на коэффициент 0,4. Количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне отходов, можно определить по формулам: , кг/т.отходов в год, или: (3) , кг/т.отходов в год, где: (4) - удельный выход биогаза, куб.м/т.отходов (формула 1); - удельный выход биогаза, кг/кг отходов (формула 2); rбг - плотность биогаза, кг/куб.м; t - период стабилизированного активного выхода биогаза, год. Общее количество биогаза, выделившегося за период с начала эксплуатации полигона до момента расчета, определяется по формуле: , кг, где: (5) - количество отходов, завезенных на полигон за период с начала эксплуатации полигона до момента расчета, минус количество отходов, завезенное за последние два года, т; tэкспл - время эксплуатации полигона, год. Состав биогаза и концентрации компонентов в нем определяются анализами проб биогаза, отобранных в нескольких точках по площади полигона на глубине 0,5 - 1 метр. Плотность биогаза определяется по закону аддитивности как средневзвешенная величина из плотностей всех его компонентов: - содержание i-того компонента в биогазе, весовые %; ri - плотность i-того компонента биогаза, кг/куб.м; п - количество компонентов в биогазе. Средняя плотность биогаза составляет обычно 0,95 - 0,98 плотности воздуха, т.е. при плотности воздуха 1,2928 кг/куб.м средняя плотность биогаза будет: 1,2928*0,965 = 1,24755 кг/куб.м С другой стороны, связь плотности биогаза, концентраций в нем компонентов и их весового процентного содержания определяются формулой: Ci - концентрация i-того компонента в биогазе, мг/куб.м. Решая совместно уравнения (6) и (7), получим формулу для определения плотности биогаза: , кг/куб.м (8) В нижеприведенной таблице для справки указаны плотности некоторых наиболее вероятных компонентов биогаза:
Рассчитав удельный годовой выход биогаза по формуле (4) и весовое процентное содержание компонентов в биогазе по формуле (7), можно определить удельные массы компонентов, выбрасываемые в год, по формуле: , кг/т.отходов в год (9) Зная количество отходов, завозимое ежегодно на полигон, и удельные массы компонентов биогаза, выбрасываемые в год, можно определить максимальные разовые выбросы загрязняющих веществ с полигона: Ptj - количество отходов, завезенное в j-тый год, т.; tэкспл - продолжительность эксплуатации полигона со времени открытия до момента расчета ("2" в настоящей формуле учитывает отходы, завезенные за последние перед расчетом два года). В том случае, если период эксплуатации полигона превышает длительность четвертой фазы распада органики отходов, вместо tэкспл в формулу (10) подставляется продолжительность четвертой фазы. Валовые выбросы вредных веществ определяются с учетом среднего коэффициента неравномерности образования биогаза в теплое и холодное время, равного 1,3: , т/год (11) |