Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Утилизация твердых бытовых отходов (ТБО) является одной из ключевых санитарных и экологических проблем урбанизированных территорий. В настоящее время существуют различные схемы управления потоками ТБО, включающие раздельный сбор, ручную, механическую и/или оптико-механическую сортировку отходов с переработкой вторичного сырья, применение биотехнологических методов (предварительной механобиологической обработки и компостирования), депонирование на полигонах ТБО.

Следует отметить, что даже при использовании современных технологических систем переработки отходов, применяемых в развитых странах Европы и США, не исключается размещение отходов в окружающей среде на полигонах ТБО.

Воздействие полигона ТБО на окружающую среду обусловлено образующимися при деструкции отходов газовыми выбросами – биогазом, основными компонентами которого являются метан и углекислый газ, и фильтрационными водами (ФВ), образующимися за счет влажности отходов, инфильтрации атмосферных осадков, биохимических процессов, сопровождающихся образованием воды, которые характеризуются высоким содержанием токсичных органических и неорганических веществ. Обеспечение требуемого санитарного состояния полигонов ТБО предусматривает использование эффективных технологий обезвреживания фильтрационных вод и дегазации объектов.

Для управления потоками эмиссий на полигонах ТБО при проектировании новых объектов необходимо прогнозировать количественные и качественные изменения их состава. Длительность процессов разложения отходов не позволяет получить достоверных экспериментальных результатов по составу эмиссий и в этом случае моделирования является более надежным инструментом прогнозирования эмиссионного потенциала отходов.

В работах [1, 2] авторами на основании анализа морфологического состава отходов и процессов биодеструкции каждой фракции ТБО была разработана модель биодеструкции отходов на полигонах ТБО, где депонировались несортированные отходы.

Отходы в зависимости от процессов, лежащих в основе их разложения, подразделяют на следующие виды:

• биодеградируемые фракции ТБО, к которым относятся пищевые, садово-парковые отходы, бумага, древесина, некоторые виды текстиля;
• фракции ТБО, подвергающиеся химической и фотохимической деструкции – черные и цветные металлы, пластмассы;
• балластные – камни, стекло, строительные материалы.

Химический и микробиологический состав эмиссий зависит от механизмов, скорости и полноты протекания химической и биохимической деструкции каждой фракции ТБО и этапа жизненного цикла полигона. Превалирующую роль при разложении отходов играют биохимические процессы, протекающие в анаэробных условиях [3–6]. Анаэробному разложению подвергаются в основном целлюлозосодержащие отходы (бумага, садово-парковые отходы, дерево, ткань) [3, 4]. В работах Barlaz и было установлено, что именно при анаэробной деструкции целлюлозы и гемицеллюлозы формируется 91 % метанового потенциала большинства отходов [4].

При разработке биохимической модели деструкции ТБО были использованы следующие допущения:

1. Целлюлозосодержащие отходы (C6H10O5)п в биохимических превращениях были представлены в виде твердой глюкозы – nC6H12O6.

2. Полагалось, что основными продуктами разложения целлюлозосодержащих отходов являются летучие жирные кислоты, разлагающиеся до уксусной кислоты, углекислого газа, водорода и воды. На стадии стабильного метаногенеза биоразложению подвергается наиболее трудно разлагаемый лигнин – С9Н10О4, содержание которого в целлюлозосодержащих отходах составляет 20–25 %.

3. Химический состав формирующейся в анаэробных условиях биомассы выражен следующей формулой C1H1,8O0,5N0,2 [6].

4. Химический анализ формирующегося свалочного грунта (СГ) и природы гуминовых веществ, их свойств позволил смоделировать основной фрагмент свалочного грунта, формирующегося в течение 20–25 лет, и установить его структурную формулу, на основании которой была определена брутто-формула органической фракции свалочного грунта: C1H1,2O0,5N0,2.

При описании процессов анаэробной биодеструкции отходов на полигонах ТБО выделялись следующие основные фазы: гидролиз, ацетогенез, активный метаногенез, стабильная фаза метаногенеза и полная ассимиляция, которые совпадают с основными этапами жизненного цикла полигона: активной эксплуатации, рекультивации и ассимиляции [4, 5]. Несмотря на то, что при биодеструкции ТБО протекают сложные биохимические процессы с образованием ряда органических соединений, из всего многообразия реакций при разработке модели были выделены основные: анаэробное разложение целлюлозосодержащих отходов, сопровождающееся образованием летучих кислот жирного ряда, биогаза, свалочного грунта, содержащего твердые органические соединения гумусовой природы, и ростом биомассы (анаэробных бактерий).

Модель биодеструкции целлюлозосодержащих фракций ТБО на стадии активного и стабильного метаногенеза представлена следующими уравнениями:

Активный метаногенез:

nC6H12O6 + 0,32nNH3(г) → 0,64n C1H1.8O0.5N0.2(т) + n0,96 C1H1.2O0.5N0.2(т) + + 2,15nCO2(г) + 2,24 nCH4 + 0,84nH2O (1)

Стабильный метаногенез:

а) биодеструкция лигнина:

nС9Н10О4 + nNH3(г) + 2,5 nН2O → 5 nC1H1.2O0.5N0.2(т) + 2nCO2(г) + 2CH4 + 2 nH2 (2)

б) биодеструкция неразложившейся части целлюлозы протекает по уравнению (1).

В настоящей работе представлены результаты моделирования эмиссионного потенциала ТБО после их предварительной подготовки путем ручной и/или оптико-механической сортировки с утилизацией вторичного сырья, механо-биологическая стабилизации биодеградируемых фракций ТБО с последующим захоронением стабилизированных отходов на полигоне ТБО.

При моделировании эмиссионных потоков ТБО использовали результаты натурных исследований морфологического состава отходов действующего полигона ТБО г. Перми, проведенных в 2009–2012 гг, а также состава потоков отходов, образующихся при работе мусоросортировочной линии ручной и оптико-механической сортировки [7]. На основании полученных данных определены коэффициенты трансформации (коэффициент извлечения вторичного сырья) каждой фракции отходов и рассчитан морфологический состав отходов после ручной ТБО-РС и оптико-механической сортировки ТБО-ОМС, представленный в табл. 1. Следует отметить, что за последние десять лет в ТБО значительно увеличилось содержание полимерных отходов (15,2 %). Высокое содержание полимерных отходов, их неупорядоченное складирование совместно с другими фракциями препятствует процессам деструкции биоразлагаемых фракций ТБО. Предварительная сортировка ТБО позволяет выделить из них целевые фракции (металл, макулатуру, полимеры), использовать их ресурсный потенциал и сократить объем депонированных отходов.

Установлено, что при ручной сортировке масса отходов сокращается на 15,7 %, при оптико-механической – на 26,9 % в результате выделения части макулатуры, полимерной тары и металлов. Характеристика химического состава и некоторых физико-химических свойств биодеградируемых фракций ТБО представлены в табл. 2.

В представленном морфологическом составе ТБО г. Перми биодеградируемая фракция составляет 40,0 % (без учета мелкой фракции), являющихся основным источником эмиссий на полигоне. Установлено, что в результате извлечения вторичного сырья доля биодеградируемой фракции в депонируемых отходах после ручной сортировки (ТБО-РС) несколько увеличивается и составляет 42,86 %, после оптико-механической сортировки (ТБО-ОМС) – 37,7 %, при этом в ней увеличивается содержание легко разлагаемых составляющих – пищевых отходов. Отсев сортировки целесообразно подвергать аэробной стабилизации (АС), заключающейся в интенсивной аэрации отходов, например, в биобарабанах, при температуре 30–50 °С, влажности 45–50 %, скорости подачи воздуха 40–60 нм3/(ч∙т) в течение 10–12 часов и с последующей обработкой в штабелях на открытых площадках в течение 10–12 недель. При этом происходит интенсивная ферментация отходов под действием термофильных аэробных микроорганизмов с формированием гумусовых соединений, сопровождающаяся снижением массы отходов в 2–2,2 раза.

Таблица 1

Морфологический состав ТБО до и после ручной и оптико-механической сортировки

Таблица 2

Химические и физико-химические свойства биодеградируемых фракций ТБО

Примечания: * – период полураспада фракций представлен для средней влажности отходов – 30–60 % [5];

** – брутто-формула биодеградируемой фракции отходов определена с учетом химического и количественного состава каждой фракции.

После 3–4 месяцев, необходимых для полного созревания и формирования компоста, стабилизированные отходы (ТБО-АС) могут быть складированы на полигоне или использованы в качестве грунта, используемого для пересыпки отходов или рекультивации закрытых для приема отходов карт.

Процесс аэробной стабилизации отходов может быть отражен следующей схемой:

Биодеградируемая фракция (отсев сортировки) + O2 + H2O → компостная фракция + CO2 + SO2 + уксусная кислота – C2H4O2

Модель аэробной стабилизации ТБО-ОМС:

С10Н15,8О5,3N0,36S0,015 + 5,24 O2 + 0,12 (NН2)2СО → 5 C1H1,2O0,5N0,2 + 4,12 CO2(г) + 0,015 SO2(г) + 0,5 C2H4O2(ж) + 4,14 H2О (3)

На основе разработанной биохимической модели биодеструкции отходов проведены расчеты эмиссионного потенциала отходов и формирования твердой фазы при различных способах их предварительной подготовки: несортированные отходы – ТБО, ТБО-РС, ТБО-ОМС, результаты которых представлены в табл. 3.

Рассчитанные эмиссии биогаза коррелируют с литературными данными [6].

Анализ полученных данных показал, что внедрение оптико-механической сортировки на полигоне позволит не только значительно снизить объем депонированных отходов, увеличить полезную площадь захоронения, но и снизить объем эмиссий в 1,5 раза. При депонировании сортированных отходов необходимо учитывать возможность значительной интенсификации процессов деструкции и соответственно значительного сокращения жизненного цикла полигона ТБО.

Используя модель аэробной стабилизации биодеградируемой фракции ТБО-ОМС, рассчитано, что при обработке 1 т ТБО-ОМС образуется 178 кг компоста, при этом будет выделяться 270,1 кг СО2 (137,5 м3) и 1,43 кг SO2 (0,5 м3).

Установлено, что оптико-механическая сортировка отходов с последующей аэробной стабилизацией биодеградируемой фракции отсева позволит снизить объемы депонируемых отходов на 58–60 % и предотвратить выделение метана при деструкции.

Таблица 3

Результаты расчета эмиссий биогаза на различных стадиях деструкции ТБО (расчеты проводились на 1 т ТБО)

Выводы

1. На основании разработанной биохимической модели деструкции ТБО рассчитаны эмиссионные потенциалы несортированных отходов и отходов после ручной и оптико-механической сортировки на различных стадиях метаногенеза и установлено влияние способа претритмента на формирование эмиссий.
2. Разработана биохимическая модель процесса аэробной стабилизации биодеградируемой фракции отходов и рассчитаны формирующиеся материальные потоки при аэробной обработке отсева оптико-механической сортировки.
3. Предварительная оптико-механическая сортировка отходов с последующей аэробной стабилизацией биодеградируемой фракции позволит снизить объемы депонируемых отходов на 58–60 % и предотвратить выделение метана при деструкции.
4. Разработанные подходы к расчету эмиссионного потенциала ТБО при различных способах их предварительной подготовки могут быть использованы при проектировании санитарных полигонов ТБО и выборе эффективных технологий дегазации полигона и утилизации биогаза.

Рецензенты:

Уланова Т.С., д.б.н., профессор, зав. лабораторией физико-химического анализа, ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», г. Пермь;

Халтурин В.Г., д.т.н., профессор кафедры охраны окружающей среды, ФГОУ «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 06.03.2014.