Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ANALYSIS OF VARIABILITY OF CHEMICAL COMPOSITION OF THE FILTRATE AND OF EMISSIONS OF THE BIOGAS UNDER INTENSIVE ANAEROBIC DECOMPOSITION OF MUNICIPAL SOLID WASTE

Dzhamalova G.A. 1
1 Kazakh National Technical University after K.I. Satpayev
The article shows the results of a statistical study on the analysis of variability of the chemical composition of the filtrate and the emissions of biogas based on the experimental data obtained during intensification of the processes of anaerobic decomposition of solid waste in bioreactors. According to the research found that the high the production of «enriched» methane (CH4 = 67 %, limits 60 % and 73 %) of biogas (40,42 liters) with low content of CO2 (16 %) can be achieved subject to certain conditions of loading (the ratio of solid waste / compost should be 70/30); must have an acid phase (10–31 days); emission of biogas has a positive correlation with pH, and negative – with such indicators of the chemical composition of the filtrate as COD, BOD5, SO42– Cl–, PO43–, HCO3–. It was found that a high yield of biogas by 36 % dependent on the quality of the loaded masses of the waste.
Municipal solid waste (MSW)
bioreactor
anaerobic digestion
filtrate
biogas
1. Dzhamalova G.A. Intensifikacija anajerobnogo razlozhenija modelnyh obrazcov tverdyh bytovyh othodov v bioreaktorah // Izvestija SPbGTI(TU). SPb., 2014. no. 23 (49). рр. 84–86.
2. Dzhamalova G.A. Kolichestvennyj i kachestvennyj sostav filtrata, poluchaemogo iz bioreaktora pri uskorennoj biodegradacii tverdyh bytovyh othodov // Izvestija SPbGTI(TU). SPb., 2014. no. 24 (50). рр. 73–77.
3. Lakin G.F. Biometrija. M., Vysshaja shkola. 1990. 349 р.
4. Potapov P.A. Metody lokalizacii i obrabotki filtrata poligonov zahoronenija tverdyh bytovyh othodov / Potapov P.A., Pupyrev E.I., Potapov A.D. M.: Izd. associacii stroitelnyh vuzov. 2004. 168 р.
5. Project No.516732. Project acronym: NISMIST. Project title: Management of environmental risks associated with landfills in seismically active regions in the New Independent States (NIS) of Central Asia. 2008. 91 р. URL: http://www.ist-world.org (data obrashhenija: 3.02.2010).

Изучение качественного преобразования продуктов разложения ТБО в биореакторе имеет практическое значение для поиска решений по интенсификации процессов анаэробного разложения ТБО, обезвреживанию фильтрата и обеспечению высокого выхода биогаза с «обогащенным» содержанием метана.

Цель исследования – статистический анализ изменчивости химического состава фильтрата и эмиссии биогаза при интенсивном анаэробном разложении ТБО.

Материал и методы исследования

Материалом исследования послужили продукты разложения ТБО (биогаз, фильтрат) в биореакторах (№ 1, 2 и 3) малого объема (8,8 л) при разных условиях загрузки (табл. 1).

Таблица 1

Материальный поток при разложении ТБО в биореакторе

№ п/п

Протокол загрузки

Биореактор №

1

2

3

1

Загружено, г: ТБО

Компост

1540

660

1152

1152

0

3000

2

Добавлено дистиллированной воды, мл

1504

1430

1005

3

Отобрано фильтрата на анализ

1964

1794

1998

4

Произведено биогаза, л

40,42

35,40

1,07

Как видно из табл. 1, условия загрузки трех биореакторов существенно различались по содержанию компоста (30; 50 и 100 % соответственно для биореактора № 1, 2 и 3), влажности загружаемых ТБО (29,8; 27,1 и 41,5 % соответственно) и рН (6,42; 6,76 и 7,33 соответственно). При этом 80 % в составе ТБО составляли отходы органической и 20 % неорганической природы. Всего же загружено отходов в биореакторы 2200, 2304 и 3000 г соответственно. При этом общий водный режим для биореакторов составил 2946, 2730 и 2785 мл, а полученный при разложении биогаз в среднем содержал метана 67, 60 и 0,06 % соответственно [1, 2, 5]. Пробы отбирались на 9, 17, 24, 31, 46, 51, 58, 65, 72, 79, 86, 93, 100, 107, 114 и 128-й день эксперимента [2]. Анализ по химическому составу проб фильтрата и эмиссии биогаза был проведен с использованием методов математической статистики [3].

Результаты исследований и их обсуждение

На первом этапе исследования для изучения условий образования биогаза при интенсификации процессов разложения ТБО в биореакторах был проведен вариационно-статистический анализ по химическим показателям фильтрата (рис. 1, 2) и количеству образуемого в процессе анаэробного разложения ТБО биогаза (рис. 3).

 

pic_3.wmf
а
pic_4.wmf
а
pic_5.wmf
в
pic_8.wmf
г
pic_6.wmf
д 
pic_7.wmf
е 

 

Рис. 1. Химический состав фильтрата, образующегося в биореакторе: 1.wmf МБ 1; 2.wmf МБ 2; 3.wmf МБ 3; а – рН; б – электропроводность, мСм/см; в – ХПК, мгО/л; г – БПК, мгО2/л; д – НСО3–, мг/л; е – РО43–, мг/л

pic_10.wmf
а
pic_11.wmf
б
pic_9.wmf
в
pic_13.wmf
г
pic_14.wmf
д 
pic_12.wmf

 е

Рис. 2. Химический состав фильтрата, образующегося в биореакторе: 4.wmf МБ 1; 5.wmf МБ 2; 6.wmf МБ 3; а – Cl–, мг/л; б – NO2–, мг/л; в – SO42–, мг/л; г – NO3–, мг/л; д – N общ., мг/л; е – NH4+, мг/л

Как видно из рис. 1, а, при интенсификации процессов разложения ТБО в биореакторах образование биогаза для рассматриваемого интервала эксперимента проходило в слабощелочных условиях, в среднем при рН воды, равном 7,47 ± 0,25 (биореактор № 1), 7,47 ± 0,53 (биореактор № 2) и 7,95 ± 0,02 (биореактор № 3). При этом изменчивость рассматриваемого показателя относительно более высока для биореактора № 1 (13,4 %) по сравнению с биореакторами № 2 (2,7 %) и № 3 (0,9 %).

Так как вычисленные значения достоверности (dgamal01.wmf) намного больше табличных значений t на трех уровнях вероятности (2,13; 2,95;4,07) [3, 323 с], то можно считать полученные средние арифметические высоко достоверными.

Следует отметить, что за весь период эксперимента для трех биореакторов не было зафиксировано резких колебаний рН. Так, в условиях биореактора № 1 наименьший показатель рН воды (5,45) был зарегистрирован на 17-й, а наибольший (8,28) – на 93-й день эксперимента, тогда как в условиях биореактора № 2 – на 9-й (6,97) и 46-й (8,06), а в условиях биореактора № 3 – на 9-й (7,84) и 31-й (8,05) день эксперимента соответственно. Как видим, кислая среда по показателям рН была характерна для биореактора № 1 до 17-го дня эксперимента. Также следует отметить, что уже через 29 дней, на 46-й день эксперимента, когда рН находился на уровне 8,08, общая эмиссия биогаза возросла почти в 157 раз, достигнув 19,96 л.

Средняя электропроводность фильтрата (рис. 1, б) для трех биореакторов соответственно составила 9,57 ± 0,49 (лимиты: 7,52 на 128-й и 14,28 на 24-й день эксперимента), 6,3 ± 0,43 (лимиты: 4,17 на 107-й и 10,07 на 17-й день эксперимента) и 8,36 ± 0,31 (лимиты: 6,85 на 107-й и 10,33 на 17-й день эксперимента) мСм/см. При этом высокая вариация была отмечена для биореактора № 2 (27,1 %), низкая – для биореактора № 3 (8,36 %).

Анализ показателей ХПК и БПК5 в фильтрате (рис. 1; в, г) показал, что высокие средние данные для ХПК (5778,12 ± 1940,9 мгО/л) и БПК5 (10840 мгО2/л) были зафиксированы в биореакторе № 1, тогда как в других биореакторах показатели ХПК и БПК5 были намного меньше по сравнению с показателями биореактора № 1: в биореакторе № 2 – в 2,2 раза для ХПК (2620,93 ± 773,9 мгО/л) и в 3,4 раза для БПК5 (999,76 ± 575,6 мгО2/л) и в биореакторе № 3 – в 4,5 раза как для ХПК (1278,12 ± 89,2 мгО/л), так и для БПК5 (69,87 ± 20,1 мгО2/л). Необходимо отметить, что более высокая изменчивость по ХПК была характерна для первого (134,4 %) и второго (118,1 %) биореактора, тогда как для третьего биореактора изменчивость не превысила 27,9 %. По БПК5 высокая вариация отмечена для биореактора № 2 (224,5 %), далее по изменчивости следовал биореактор № 1 (158,4 %) и № 3 (112,2 %). Особенностью было то, что для всех трех биореакторов чем дальше по времени продвигался эксперимент, тем ниже становились значения ХПК и БПК5. Так, для биореактора № 1 в начале эксперимента (9-й день) ХПК составляло 14850 мгО/л, а БПК5 – 10840 мгО2/л, то в конце эксперимента (128-й день) соответственно 1100 мгО/л и 131,3 мгО2/л. То же самое происходило в биореакторах № 2 (6320 и 930 мгО/л; 3860 и 58,7 мгО2/л) и № 3 (1260 и 670 мгО/л; 320 и 19 мгО2/л) соответственно.

Таким образом, согласно показателям ХПК и БПК5 можно утверждать, что от начала эксперимента кислая среда в первом биореакторе держалась 31 день (13300 мгО/л, 10532 мгО2/л), во втором – 24 дня (5560 мгО/л, 8310 мгО2/л), после чего процесс разложения ТБО перешел в метановую фазу, тогда как для биореактора № 3 весь процесс разложения в период исследования протекал при метановой фазе (лимиты: 710 – 1260 мгО/л и 19 – 320 мгО2/л) [4, с. 34].

Анализ ионов HCO3– (рис. 1, д) показал, что их среднее содержание в биореакторах № 1–3 соответственно было 3916,43 ± 156,15 (лимиты: 2750 на 24-й и 4942 на 86-й день) 2853,81 ± 174,55 (лимиты: 1983 на 128-й и 4169 на 17-й день) и 2772,4 ± 156,3 (лимиты: 1983 на 128-й и 4678 на 9-й день) мг/л. Особенностью является то, что показатель вариации для трех биореакторов был незначительным (16–25 %).

Анализ ионов сульфата SO42– (рис. 2, в) показал, что их среднее содержание существенно отличалось и зависело от качества загружаемого в биореактор состава ТБО. Так, наименьшее среднее (41,25 ± 21,15 мг/л) при высокой вариации (205 %) было характерно для биореактора № 2 (лимиты: 0–340 мг/л), наибольшее (657,87 ± 120,49 мг/л) при низкой вариации (73 %) – для биореактора № 3 (лимиты: 143–1690 мг/л).

Показатели фильтрата по ионам Сl– (438,81 ± 46,18; 356,43 ± 49,38; 502,06 ± 59,88 мг/л) и РО43– (1,95 ± 0,14; 1,08 ± 0,16; 1,45 ± 0,16 мг/л) для трех биореакторов примерно находились на одном уровне, при этом изменчивость была относительно невысокой и варьировала в пределах 43–57 % для Сl– и 29–54 % для РО43– (рис. 1, е; рис. 2, а).

Средние показатели по общему содержанию азота были для первого биореактора выше (446,7 ± 38,9 мг/л), чем для третьего (75,8 ± 7,2 мг/л) и второго (53,9 ± 8,3 мг/л) биореактора. При этом высокие показатели вариации были характерны для второго биореактора (62 %; лимиты: 21,8 мг/л на 100-й день и 94,8 мг/л на 51-й день) по сравнению с третьим (38 %; лимиты: 13,2 мг/л на 9-й день и 101,8 мг/л на 46-й день) и первым (35 %; лимиты: 36,8 мг/л на 9-й день и 631,6 мг/л на 107-й день) биореактором.

pic_15.wmf pic_16.wmf

а б

Рис. 3. Производство биогаза в биореакторах: 7.wmf МБ 1; 8.wmf МБ 2; 9.wmf МБ 3; а – ежедневная, л; б – общая, л

Как видно из рис. 3, процесс разложения ТБО в биореакторах сопровождается также образованием биогаза, в среднем равном 0,28 ± 0,1 (биореактор № 1), 0,27 ± 0,1 (биореактор № 2) и 0,001 (биореактор № 3) л. Так как вычисленные значения достоверности (dgamal02.wmf) больше табличных значений t при уровне вероятности 0,99 (2,13; 2,95;4,07) [3, 323 с], то можно считать полученные средние арифметические достоверными. При этом изменчивость рассматриваемого показателя более высока для биореактора № 1 (143 %; лимиты: 0 на 17-й и 1,3 л на 46-й день) по сравнению с биореакторами № 2 (122 %; лимиты: 0,01 на 9-й и 0,3 л на 46-й день) и № 3 (0; лимиты: 0 на 24-й и с 65-го дня эксперимента до конца и 0,02 л на 9-й день). Как видим, процесс образования биогаза при разложении ТБО в биореакторах протекал неравномерно и зависел как от качества загружаемой массы ТБО, так и от химического состава фильтрата. Поэтому было интересно изучить силу связи между эмиссией биогаза с отдельными химическими показателями фильтрата.

В результате проведенных исследований было определено, что в целом показатели силы связи между общей эмиссией биогаза и основными химическими показателями фильтрата относительно высоки: для первого биореактора были высоки между общей эмиссией биогаза и рН (+0,8), ХПК и БПК5 (–0,9), а также SO42– (–0,8), выше среднего с PO43– и HCO3– (–0,6), Cl– и NΣ (–0,7); для второго биореактора показатель силы связи был высок для общей эмиссии биогаза с ХПК и БПК5 (–0,8), выше среднего – с SO42– (–0,7) и рН (0,6), низок – с ионами PO43– и HCO3– (–0,3); для третьего биореактора наиболее высокая корреляция наблюдается с общим азотом (+ 0,9) и низкая с рН (+ 0,1), после чего в порядке убывания следует связь с ХПК (–0,4), БПК5 (–0,5), ионами SO42–, PO43– и HCO3– (–0,7).

Следует обратить внимание, что полученные по разным биореакторам показатели силы связи указывают на важность соблюдения общих химических параметров условий метаногенеза. Резюмируя, можно отметить, что минимальное содержание компоста в разлагаемой массе отходов (в нашем случае 30 %) способствует наибольшему выходу биогаза (40,42 л), а максимальное содержание компоста (100 %), наоборот, сопровождается минимальной эмиссией биогаза (1,07 л).

На следующем этапе для изучения особенностей варьирования исследуемых признаков благодаря влиянию различных факторов был применен метод дисперсионного анализа. Известно, что различные факторы действуют на процесс образования биогаза независимо друг от друга с различной силой и в различных направлениях. В результате такого воздействия варьирующий признак, в нашем случае эмиссия биогаза, приобретает какую-то определенную величину изменчивости. Эти факторы могут быть учтенными (х), т.к. они изучаются и контролируются в опыте, и неучтенными (z), которые хотя и оказывают влияние на изменчивость признака, но в опыте не учитываются и не контролируются.

Основной задачей для данного этапа было выявлении степени влияния такого фактора, как качество загружаемой в биореактор массы отходов на эмиссию биогаза.

Согласно методике [3, с. 159] нами определено, что доля изменчивости эмиссии биогаза на 36 % обусловлена влиянием качества загружаемой массы отходов и на 64 % обусловлена влиянием других неучтенных в опыте факторов. Табличное значение F для данного примера при трех уровнях вероятности равно: F0,95 = 1,6839; F0,99 = 2,0211; F0,999 = 2,7045. В нашем примере вычисленное F равно 12,8, следовательно, влияние качества загружаемых в биореактор отходов достоверно. Поскольку нулевую гипотезу отвергают на 1 %-ном уровне значимости (Fф > Fst, Р < 0,01), следовательно, с вероятностью более 99 % можно заключить, что имеющаяся разница между биореакторами по общей эмиссии биогаза не является случайной.

Заключение

Согласно проведенным исследованиям можно заключить, что высокое производство «обогащенного» метаном (СН4 = 67 %; при лимитах 60 и 73 %) биогаза (всего: 40,42 л) можно достичь при соблюдении условий загрузки биореактора № 1:

1) содержание компоста в массе отходов не должно превышать 30 %;

2) необходимо наличие кислой фазы (10–31 день);

3) эмиссия биогаза имеет положительную корреляционную зависимость с рН и отрицательную с такими показателями химического состава фильтрата, как ХПК, БПК5, SO42–, Cl, PO43–, HCO3–;

4) при интенсификации анаэробного разложения ТБО высокое производство биогаза на 36 % обусловлено влиянием качества загружаемой массы отходов.

Рецензенты:

Еликбаев Б.К., д.б.н., профессор кафедры «Экология», декан факультета «Агробиология и фитосанитария», Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы;

Тлеукулов А.Т., д.с.-х.н., профессор кафедры «Водные ресурсы и мелиорация», Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы.