Математическая модель для прогнозных расчетов образования и извлечения свалочного газа на закрытых свалках ТБО Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

содержание этих элементов в злаках составило соответственно 6,9; 1,4; 0,7 мг/кг.

Выводы. Комплексная оценка экологической безопасности использования осадков сточных вод на породах шламохранилища ЗСМК показала, что они не могут рассматриваться в качестве источника внесения дополнительного загрязнения в породы шламохранилища. Содержание питательных элементов в сформированных техноземах при размещении ОСВ повышается, что обеспечивает успешное произрастание многолетних трав. Подбор видового состава высеваемых трав определяется их устойчивостью к экстремальным условиям, способностью формировать прочный дерновый горизонт и при этом травосмесь должна создавать фитомелиоративный эффект, что позволяет сформировать устойчивый культурфитоценоз в условиях неблагоприятного техногенного воздействия промышленных отходов ЗСМК. Выноса тяжелых металлов с растительным материалом не происходит, что свидетельствует об эффек-

тивности проводимых мероприятий по биологической рекультивации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тарчевский В.В. Классификация

промышленных отвалов // Растительность и промышленные загрязнения: Охрана

природы на Урале. 1970. Вып. 7. С. 84 - 89.

2. СанПиН 4630 - 88 «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения». Утверждено Минздравом СССР 04.07.1988.

3. Методика исчисления размера вреда окружающей среде, причиненного нарушением требований законодательства в области охраны окружающей среды. Утверждена Постановлением № 105 Коллегии Администрации Кемеровской области 26.04.2007.

© 2014 г. А. С. Водолеев, Е.С. Черданцева,

И.А. Куренский Поступила 12 сентября 2014 г.

УДК 628.474.76

Е.П. Волынкина, К.И. Домнин

Сибирский государственный индустриальный университет

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ПРОГНОЗНЫХ РАСЧЕТОВ ОБРАЗОВАНИЯ И ИЗВЛЕЧЕНИЯ СВАЛОЧНОГО ГАЗА НА ЗАКРЫТЫХ СВАЛКАХ ТБО

Одним из основных видов антропогенного воздействия свалок и полигонов ТБО на окружающую среду является загрязнение атмосферного воздуха свалочным газом (СГ), образующимся в результате естественного биологического разложения органических компонентов, складируемых на свалках отходов. Основными компонентами СГ являются метан (40 - 60 %) и диоксид углерода (30 - 45 %). Теплота сгорания СГ составляет 18 -

25 МДж/м3. Метан и углекислый газ относятся к числу парниковых газов, при этом парниковый эффект метана в 21 раз превышает парниковый эффект углекислого газа. На неизолированных российских свалках образование метана является причиной их самовозгорания, приводит к трудно ликвидируемым пожарам и выделению в атмосферу значительного коли-

чества токсичных веществ, являющихся продуктами неполного сгорания горючих компонентов отходов (оксиды углерода, серы и азота, полициклические углеводороды, включая бензапирен, хлорфторуглеводороды, включая диоксины и фураны). Образование СГ продолжается в течение десятков лет после прекращения приема отходов, при этом наиболее активная фаза газовыделения составляет 20 - 30 лет.

Международный опыт показывает, что единственным способом прекращения выделения в атмосферу свалочного газа является его организованное удаление через систему скважин и коллекторов с последующим сжиганием. Тепло от его сжигания может быть эффективно использовано на расположенных поблизости объектах или для получения электроэнергии, передаваемой в местные энергосистемы.

-62-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Для технико-экономической оценки и проектирования систем сбора СГ необходимо надежное прогнозирование его количества. Статистические данные Рамочной конвенции ООН по изменению климата по проектам сбора СГ, реализованным в качестве проектов механизма чистого развития Киотского протокола в 2003 - 2010 гг., продемонстрировали недопоставку единиц сокращения выбросов по сравнению с исходными прогнозами, в среднем, около 50 % [1]. Авторами отмечается, что наиболее существенной причиной расхождений считается переоценка потенциала газообразования в связи с наличием факторов неопределенности моделирования, связанных с недостаточностью входных данных о характеристиках отходов, условиях в теле полигона и влиянии методов эксплуатации.

Модели газообразования описывают динамику образования СГ во времени в зависимости от состава и графика захоронения отходов. Известно множество математических моделей для оценки газоносного потенциала полигонов ТБО [1 - 4]. Все известные методы оценки газоносного потенциала полигонов базируются на модели процесса анаэробной деструкции целлюлозосодержащих отходов. Для долгосрочного прогнозирования образования свалочного биогаза наиболее часто используют модели, основанные на реакции разложения первого порядка, дифференциальное кинетическое уравнение которой запишется как

dC_

dx

= KV с,

(i)

где С - концентрация реагирующего вещества;

dC

т - момент времени; -- - скорость реакции;

dx

Гпр - коэффициент пропорциональности.

Решение дифференциального уравнения (1) имеет вид экспоненты, т.е. концентрация исходного вещества со временем изменяется по экспоненциальному закону:

С = С^еК\ (2)

Экспоненциальная математическая модель образования СГ, основанная на реакции разложения первого порядка, имеет вид

Gt=G0(l-e-*\ (3)

где Gt - количество образующегося газа по годам, м3/т отходов; G0 - общее количество образующегося газа (потенциал газообразова-

ния), м3/т отходов; к - константа скорости разложения, равная натуральному логарифму периода полураспада отходов {к = ln^/2); t - возраст отходов, лет.

Точность расчетного прогнозирования зависит от полноты учета всех влияющих на процесс факторов, например, морфологического состава отходов, типа свалки или полигона, наличия и масштабов очагов возгораний и др.

Наиболее известными моделями, опробованными в условиях разных стран, являются:

- модель, разработанная Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) - модель IPCC (2006 г.);

- Land GEM Model, разработанная Агентством защиты окружающей среды США (ЕРА) (2005 г.) и ее модифицированные варианты:

- Украинская модель, разработанная НТЦ «Биомасса» (Институт теплофизики АН Украины) (2009 г.);

- Восточно-Европейская модель (2013 г.).

Сравнение моделей и величин их основных

показателей приведено в табл. 1, откуда видно, что все модели представляют собой экспоненциальные уравнения реакции первого порядка, но учитывают различные, влияющие на процесс метанообразования, факторы. При этом модели IPCC рассчитывают динамику образования метана, а Украинская и ВосточноЕвропейская - в целом СГ (LFG - Landfill Gas). Все модели учитывают морфологический состав отходов при расчете потенциала метанообразования Lo, но в модели IPCC потенциал метанообразования рассчитывается по эмпирической формуле, а в остальных моделях принимается в зависимости от типа полигона (в Американской), категории отходов (в Украинской) или типа отходов (в ВосточноЕвропейской).

Значения константы реакции к все более уточняются от модели к модели. Так, если в модели IPCC даны только минимальные (0,02) и максимальные (0,2) значения, то в Американской модели предлагается уже пять значений - от 0,02 до 0,7 в зависимости от типа полигона, в Украинской - шестнадцать значений в зависимости от категории отходов и типа региона, а в Восточно-Европейской - двадцать в зависимости от категории отходов и климата. В Украинской модели значения к принимаются в зависимости от типа региона, в котором находится свалка и типа отходов (очень быстро разлагающиеся, медленно разлагающиеся и т.д.). Регионы, включенные в данную модель,

-63 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Сравнение математических моделей образования свалочного биогаза

Таблица 1

Параметры модели Модель IPCC Американская модель Land GEM (ЕРА) Украинская модель Восточно-Европейская модель

Объем образования свалочного га-за/метана в расчетный год, Q, м3/год бсн4 = L0Mte Q^--ltkL{^VK /=1 _/=0.1 V LKJ J Qlfo = ElWlXMFQ(F) /=1 y=0.1 Qlfo = ElWlXMFQ(F) /=1 y=0.1

Потенциал метанообразования, /„, м3/т отходов U = MCF • DOC • DOCf • ССн4' 16 /(12 0,0007168) Сет - доля метана в биогазе; 16 -молекулярная масса метана; 12 -то же углерода; 0,0007168 - плотность метана, т/м3 Тип полигона: соответствующий требованиям ЕРА - 170 засушливый, соответствующий требованиям ЕРА - 170 обычный (инвентаризованный) - 100 засушливый (инвентаризованный) - 100 влажный биореактор (инвентаризованный) - 96 Категооия отходов: очень быстро разлагающиеся -пищевые и др.орг. - 69 средне быстро разлагающиеся -садовые - 126 средне медленно разлагающиеся - бумага, картон, текстиль - 214 медленно разлагающиеся - дерево, кожа, кости, солома - 201 Тип отходов: пищевые - 70 садовые - 93 бумага - 186 дерево и солома - 200 текстиль и одноразовые подгузники - 112 L0=MCF-DOC-DOC/F-16/(12-0,0007 168)

Коэффициент метановой генерации (константа реакции), к, год 1 Категооия к л и мата/Кате гоо ия отходов: максимальное значение 0,2: влажный климат, быстро разлагаемые отходы с периодом полураспада до 3 лет, например, пищевые минимальное значение 0,02: сухой климат, медленно разлагаемые отходы с периодом полураспада до 35 лет, например, древесные и бумажные Тип полигона: соответствующий требованиям ЕРА - 0,05 сухой, соответствующий требованиям ЕРА - 0,02 обычный (инвентаризованный) -0,04 сухой (инвентаризованный) -0,02 влажный биореактор (инвентаризованный) - 0,7 Категооия отходов/Тип оегиона (Соедний уоовснь осадков): очень быстро разлагающиеся -пищевые и др.орг.: 0,110; 0,120; 0,140; 0,150; средне быстро разлагающиеся - садовые: 0,055; 0,060; 0,070; 0,075; средне медленно разлагающиеся - бумага, картон, текстиль: 0,022; 0,024; 0,028; 0,030; медленно разлагающиеся - дерево, кожа, кости, солома: 0,011; 0,012; 0,014; 0,015 Категооия отходов/Категооия климата (Влажный, ymcdchho влажный, умсоснный. умеренно сухой, сухой): очень быстро разлагающиеся - пищевые и др.орг.: 0,180; 0,160; 0,140; 0,120; 0,100; средне быстро разлагающиеся - садовые : 0,090; 0,080; 0,070; 0,060; 0,050; средне медленно разлагающиеся - бумага, картон, текстиль: 0,036; 0,032; 0,028; 0,024; 0,020; медленно разлагающиеся -дерево, кожа, кости, солома: 0,018; 0,016; 0,014; 0,012; 0,010

Ми т - - - -

Поправочный коэффициент метанообразования, MCF Тип полигона: контролируемый анаэробный - 1,0 управляемый полуанаэробный - 0,5 неконтролируемый глубокий (> 5 м) и/или с высоким уровнем грунтовых вод - 0,8 Тип по л и го на/Г л \б и на (< 5 м/ > = 5 м): неуправляемая свалка - 0,4/0,8 управляемый полигон - 0,8/1,0 полуаэробный полигон - 0,4/0,5 неизвестный - 0,4/0,8 Тип полигона/Глубина (< 5м/5-10 м /> 10 м): свалка - 0,4/0,4-0,7/0,8 контролируемый полигон или свалка - 0,7/0,7 - 0,8/0,9 санитарный полигон: 0,9/0,9-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Параметры модели Модель IPCC Американская модель Land GEM (ЕРА) Украинская модель Восточно-Европейская модель

неконтролируемый неглубокий (< 5 м)- 0,4 вне категории - 0,6 0,95/1,0 неизвестный - 0,4/0,4 - 0,7/0,8

Поправочный коэффициент учета возгорания, F - - для низких воздействий - 1/3 для средних воздействий - 2/3 для сильных воздействий - 1

Корректирующий коэффициент эффективности сбора - - Влияющие факторы: - практика управления захоронением (наличие почвенного покрова, уплотнения отходов и выравнивания, контроль за размещением отходов, контроль за вывозом мусора, борьба с пожарами, системы управления фильтратом); - система сбора газа и степень охвата ею полигона; - глубина захоронения отходов; - покрытие (тип и степень); - изоляция полигона; - уплотнение специальной техникой; - размеры активной области захоронения; - управление фильтратом

Оценка окисления метана, ОХ Тип полигона: управляемый, неуправляемый и вне категории - 0 управляемый, укрытый метаноокисляющим материалов -0,1 - - Значение по умолчанию - 10 % Расчет по формуле: (эффективность сбора, %) • (20 % • % области с финальным покрытием + 10% • % области с промежуточным покрытием + 5% • % области с ежедневным покрытием)

Масса (доля) биологически разложимого органического углерода, DOC Рассчитывается по формуле: DOC = (ОДА) + (0Д7В) + (0Д5С) + (0,30) А - доля отходов бумаги и текстиля; В - доля садовых отходов; С -доля пищевых отходов; D - доля древесных отходов - - Рассчитывается по формуле: DOC = (0 М) + (0,2В) + (0Д5С) + (0,43/9) + (0,24Е) + (0,05 F) + (0,39 G) + (0,18/7) + (0,15/) А, В, С, D ~ то же, что и для модели IPCC; Е - доля отходов текстиля и одноразовых подгузников; F - доля осадков сточных вод; G - доля резины; И- доля смешанных отходов; / - доля промышленных отходов

DOQ 0,5 - - 0,5

Ссн« 0,5 - - 0,5

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

относятся исключительно к территории Украины. В Восточно-Европейской модели коэффициент к зависит уже от типа климата и также от типа отходов, как и в Украинской модели.

Во всех моделях присутствует поправочный коэффициент метанообразования, численные значения которого различаются, но всегда зависят от глубины свалки и от типа управления свалкой. В Восточно-Европейской модели шире, чем в остальных моделях, рассмотрена зависимость этого коэффициента от глубины свалки.

Восточно-Европейская модель включает в себя структуры модели IPCC и Украинской модели и допускает возможность расчета объемов образования свалочного газа по собственным данным о климате и составе отходов. В целом Украинская модель представляет собой уточненную Американскую, а ВосточноЕвропейская основана на Американской, но содержит некоторые элементы модели IPCC. Восточно-Европейская модель учитывает наибольшее количество влияющих факторов и поэтому является в настоящее время наиболее универсальной.

Необходимо отметить, что Американская, Восточно-Европейская и модель IPCC были разработаны для климатических условий и высоких стандартов захоронения отходов развитых западных стран. Применение моделей в странах с другим составом отходов, неразвитой системой управления ТБО может приводить к существенным погрешностям. В связи с этим в Украинской модели учтены такие нехарактерные для западных полигонов факторы, как окисление метана на открытых свалках, влияние возгораний и др.

При расчете динамики образования СЕ важнейшее значение имеет точность расчета значения параметра L0, описывающего общее количество метана, которое потенциально может выделить 1 т разлагающихся отходов, и зависящего почти исключительно от состава захороненных отходов. Величина L0 является функцией содержания способной к разложению органической части в захороненных отходах. Обычно L0 рассчитывается на основе морфологического состава исходных ТБО и доли фактически разложившейся органической части, принятой в модели IPCC, - 0,5, а в Восточно-Европейской - 0,77. Для точности расчета этого параметра важнейшее значение имеет правильность данных о морфологическом составе захороненных отходов. Во всех без исключения моделях предлагается использовать известные в настоящий момент данные о морфологическом составе отходов. При от-

сутствии таких данных в ВосточноЕвропейской модели, например, используется по умолчанию имеющаяся в базе данных информация для разных стран, например:

• Сербия: пять категорий, в том числе для четырех крупнейших городов (Белград, Кра-гуевац, Ниш и Нови-Сад) и для всех других городов;

• Польша: три категории, в том числе одна для больших городов с населением свыше 50000 человек, одна для небольших городов с населением менее 50000 человек и одна для сельских районов;

• Болгария: две категории, в том числе одна для столицы Софии и одна для всех других областей;

• Украина: одна категория для всей Украины.

Однако такой метод обусловливает значительную неточность, особенно в условиях старых закрывающихся российских свалок, по следующим причинам:

- морфологический состав отходов, захораниваемых в разные периоды эксплуатации свалки, был различным и неизвестен;

- в период закрытия свалки и создания системы дегазации органические отходы уже разложились, причем в различной степени в зависимости от конкретных условий;

- начальное состояние захороненных отходов в период создания системы дегазации совершенно не соответствует морфологическому составу исходных отходов, направляемых на захоронение в этот период.

В связи с этим, для достижения наиболее точного модельного прогнозирования образования СЕ на старых закрывающихся свалках целесообразно использовать в расчетах L0 данные о фактическом состоянии захороненных отходов (свалочном грунте), включая их фактический морфологический состав и степень разложения органических компонентов.

В период 2011 - 2013 гг. на старой свалке г. Новокузнецка, закрытой в 2009 г., была создана пилотная установка и проведены полевые исследования, целью которых являлась оценка ресурсов и состава СЕ и свалочного метана на долгосрочный период для последующего выполнения технико-экономического обоснования возможности коммерческого использования СЕ для выработки тепловой и электрической энергии [5, 6]. Для проведения полевых исследований на экспериментальном участке свалки в ноябре - декабре 2011 г. пробурены три вертикальные скважины глубиной 9 - 10 м при глубине отходов 13 - 14 м. Каждая скважина осуществляла дренаж СЕ в радиусе до

-66-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

20 м (2,0 - 2,5 глубины). В процессе бурения скважин отбирались пробы отходов послойно с шагом 1 м по всей глубине. С целью определения стадии биоразложения органических компонентов отходов и фазы, в которой находится метаногенерирующая экосистема внутри свалочного тела, а также определения потенциала метанообразования выполнены исследования морфологического состава и свойств отходов по глубине свалки (свалочный грунт).

В табл. 2 представлены результаты исследования морфологического состава отобранных проб и для сравнения исходных отходов.

Как видно из представленных данных, содержание в отходах таких биологически неразлагаемых компонентов, как стекло, металл, камни и пластмассы не зависело от глубины их залегания и определялось содержанием их в захораниваемых в каждом конкретном слое исходных отходов. Содержание стекла колебалось от нуля на глубине 2,1 - 3,1 м в скважине № 1 до 32,28 % на глубине 2 м в скважине № 2. Металлы, главным образом железо, в 11-ти из 27 исследованных пробах отсутствовали, максимальное содержание металлов составило 5,5 % на глубине 0,2 м в скважине № 1. Максимальное содержание

Таблица 2

Морфологический состав отходов на свалке ТБО, г. Новокузнецк

Г дубина

Содержание компонентов, %

скважины, м Стекло Ме- талл Резина Пластмас- са Камни Дерево Бумага Текстиль Свалочный грунт

Исходные отходы 6,5 2,75 3,0 4,0 2,0 2,0 28,0 5,0 Пищевые - 35,0 Отсев (менее 15 мм) - 8,0 Прочее - 2,5

1,3 1,83 5,50 0,00 Скважина № 1 11,01 33,03 3,67 0,92 0,00 44,04

2,0 0,14 0,53 0,00 2,02 5,01 1,16 0,00 0,00 91,04

2,8 0,00 0,00 0,00 0,00 8,89 4,44 0,00 0,00 86,67

2,9 0,00 0,00 0,00 3,50 15,05 36,71 0,00 13,67 31,07

3,8 0,00 0,00 0,00 0,57 0,00 2,21 0,00 0,00 97,21

4,3 0,00 0,00 0,00 0,08 0,00 6,11 0,00 0,00 93,81

5,3 0,02 0,00 0,00 0,06 1,45 0,55 0,00 0,00 97,92

6,3 0,11 0,00 0,00 0,07 0,30 0,55 0,00 0,02 99,35

6,8 2,00 0,23 0,00 0,46 2,96 0,00 0,00 0,00 94,36

8,4 1,26 1,41 0,00 0,53 2,65 0,75 0,00 0,00 93,40

9,2 3,80 0,00 0,00 0,78 1,56 0,41 0,00 0,00 93,46

Среднее 0,83 0,70 0,00 1.73 6.45 5,14 0,08 1,24 83,85

значение 2 Д 12,64 1,53 0,00 Скважина № 2 3,33 23,68 3,77 0,54 0,00 54,50

3,1 32,28 0,00 0,00 9,57 2,82 0,62 0,00 0,00 82,81

4,1 0,55 0,00 0,00 1,59 0,58 3,79 0,00 0,00 93,49

5Д 0,88 0,14 0,57 1,43 2,72 0,81 0,00 0,54 92,97

6,1 1,36 0,00 0,31 0,53 3,48 0,41 0,00 0,00 93,91

7,7 2,19 0,22 0,00 1,03 4,11 1,43 0,00 0,00 91,01

8,7 3,74 2,13 1,95 1,15 1,29 1,38 0,00 0,80 87,56

9,6 1,97 0,00 2,16 2,92 4,20 2,67 0,00 2,54 83,53

Среднее 6,95 0,50 0,62 2.69 5.36 1,86 0,07 0,49 84,97

значение 3,7 0,67 0,13 0,27 Скважина № 3 1,26 2,22 1,37 0,00 0,01 94,07

4,7 0,91 0,08 0,62 0,76 9,08 0,44 0,00 0,02 88,09

5,2 0,37 0,00 0,02 0,30 0,73 0,73 0,00 0,00 97,85

6,2 1,26 1,50 0,35 0,80 4,77 1,39 0,00 0,02 89,92

6,7 0,76 0,82 0,55 0,60 10,24 1,52 0,00 0,00 84,74

7,7 0,69 1,30 1,11 0,56 4,58 2,33 0,03 0,32 89,09

8,6 0,65 1,80 1,99 0,22 5,27 1,01 0,00 0,05 89,01

9Д 1,52 1,76 0,74 0,89 4,43 0,54 0,00 0,07 90,06

Среднее значение 0,85 0,92 0,71 0,67 5,17 1,17 0,00 0,06 90,35

-67-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

камней найдено в верхних слоях отходов в скважинах № 1 (33,03 %) и № 2 (23,68 %), что обусловлено размещением в местах отбора проб строительных отходов. Содержание пластмасс колебалось от нуля до 11%. Резина отсутствовала в скважине № 1 и в незначительном количестве (в среднем 0,62 - 0,71 %) содержалась в отходах скважин № 2 и № 3.

Основными биоразлагаемыми компонентами ТБО, являющимися причиной образования биогаза, являются пищевые отходы с периодом биологического разложения 1 год, отходы бумаги, текстиль - 2 - 3 года, древесина - до 10 лет. В результате проведенных исследований установлено, что отходы в скважинах не содержат пищевых компонентов, которые полностью разложились и стали компонентом свалочного грунта. В отходах практически не содержались компоненты бумаги (небольшое содержание зафиксировано лишь в верхних слоях отходов в скважинах № 1 и № 2), которые также перешли в свалочный грунт в результате разложения. Содержание древесины имело тенденцию к снижению по глубине скважины, что свидетельствует о закономерном увеличении степени ее разложения. Количество текстиля было незначительным (0 ч 0,50 %) за исключением пробы 1 в скважине № 1 на глубине 2,1 м (13,67 %). Содержание свалочного грунта, представляющего собой продукты разложения органических компонентов отходов, в основном колебалось от 83 до 99 % за исключением трех проб со значительно меньшим содержанием, что было обусловлено, главным образом, высокой концентрацией камней. При исключении проб с непредставительно низким содержанием свалочного грунта и высоким содержанием камней среднее содержание свалочного грунта составило 89 - 94 % при незначительных колебаниях вокруг средних значений.

Таким образом, отсутствие по глубине скважины пищевых отходов и бумаги свидетельствует о полном завершении процессов гидролиза и минерализации этих органических компонентов ТБО; низкое содержание текстиля также показывает достаточно высокую степень его минерализации, отходы древесины еще находятся в стадии гидролиза. В связи с этим более обоснованной для оценки экономической эффективности создания и эксплуатации системы дегазации на закрытой свалке является оценка потенциала метанообразования L0 с учетом фактического состояния образовавшихся свалочных грунтов. Результаты проведенных исследований свалочных грунтов о содержании органической массы и выходу

летучих веществ, характеризующему долю способного к разложению органического вещества, позволяют выполнить такие расчеты (см. табл. 3).

Полученные данные показывают, что зольность грунтов по глубине свалочного тела на территории экспериментального участка колеблется от 72 до 84,5 %, соответственно содержание в грунтах органической массы колеблется от 15,5 до 28 %. При этом органическая масса свалочных грунтов характеризуется высоким выходом летучих веществ - от 56,5 до 93,8 %. Средние значения выхода летучих веществ по скважинам составили: № 1 - 82,43 %, № 2 -75,77 %, № 3 - 72,37 %. Высокий уровень выхода летучих веществ характеризует органическую массу свалочных грунтов как слабо разложившуюся с высоким содержанием легко разлагающихся летучих органических компонентов. При этом наблюдается экстремальная зависимость выхода летучих веществ от глубины свалочного тела с максимумом на глубине 3 -6 м. Вероятными причинами такой зависимости могут быть окисление легколетучих компонентов органической массы в верхних слоях свалки атмосферным воздухом в процессе длительного тления или даже горения в поверхностных слоях и закономерное увеличение степени разложения в нижних слоях.

На основании полученных данных выполнен расчет показателя L0 по уравнению Восточно-Европейской модели образования СГ (табл.1). Результаты расчета, представленные в табл. 3, показали, что наибольшим потенциалом метанообразования обладают отходы в скважине № 2 - среднее значение L0 = 121,36 м3/т, а наименьшим потенциалом метанообразования обладают отходы в скважине № 3 - Lq = 97,17 м/т. При этом значения показателя L0 для размещенных в теле свалки отходов на момент проведения полевых исследований были близки к заданным в ВосточноЕвропейской модели L0 для таких медленно разлагаемых компонентов ТБО, как садовые отходы (/.„ = 93 м3/т), текстиль (/.„ =112 м3/т) и бумага (L0 =186 м3/т).

С использованием полученных данных были выполнены прогнозные расчеты динамики образования и извлечения СЕна свалке ТБО г. Новокузнецка по Восточно-Европейской модели на период с момента проведения полевых исследований до 2030 г. (скорректированная Восточно-Европейская модель). Для сравнения были выполнены также прогнозные расчеты по Украинской и Восточно-Европейской моделям с использованием рекомендованного моде-

-68 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Свойства свалочных грунтов Таблица 3 и расчетные показатели потенциала метанообразования отходов на свалке ТБО г. Новокузнецка

Глубина, м Зольность, Аа, % сух. массы Содержание органической массы, % сух. массы Выход летучих веществ Vdaf, % орг. массы Z0, м3/т отходов

1,3 78,53 Скважина № 1 21,47 56,54 47,96

2,0 76,81 23,19 85,23 137,05

2,8 74,16 21,53 83,32 127,52

3,8 78,16 21,84 84,70 139,79

4,3 82,04 17,96 93,85 136,00

5,3 80,95 19,05 86,38 121,41

6,3 80,83 19,17 84,12 120,71

6,8 82,60 17,40 85,18 104,06

8,4 79,01 20,99 77,90 115,50

9,2 77,:33 22,67 81,36 129,33

Среднее 78,88 21,12 82,43 117,93

значение 2 Д 73,74 Скважина № 2 26,26 64,68 77,72

3,1 72,53 27,47 83,18 142,44

4,1 80,28 19,72 86,21 128,71

5Д 81,66 18,34 91,47 120,81

6,1 76,71 23,29 75,46 124,47

7,7 76,10 23,90 69,62 115,86

8,7 72,01 27,99 63,39 122,88

9,6 72,33 27,67 72,15 138,03

Среднее 75,67 24,33 75,77 121,36

значение 3,7 84,53 Скважина № 3 15,47 65,68 74,52

4,7 84,50 15,50 80,24 84,12

5,2 82,76 17,24 79,73 101,98

6,2 81,79 18,21 76,57 97,50

6,7 76,63 23,37 60,55 93,13

7,7 77,42 22,58 65,94 106,17

8,6 78,50 21,50 76,35 111,69

9Д 78,73 21,27 73,88 108,25

Среднее 80,61 19,39 72,37 97,17

значение

лями морфологического состава ТБО на период с момента начала захоронения ТБО на свалке г. Новокузнецка (1955 г.) до 2030 г. Результаты представлены на рисунке, откуда видно, что прогнозная величина образования СГ по скорректированной модели с использованием экспериментальных данных о фактическом состоянии отходов в теле свалки значительно ниже расчетных значений по моделям, использующим данные об исходном морфологическом составе ТБО.

В 2012 - 2013 гг. с помощью созданной пилотной установки проведены полевые исследования состава и расхода СГ в динамических условиях (насосный тест), на основании результатов которых определен расход СГ и свалочного метана в этот период. Полученное

значение фактического расхода СГ, составляющее 648 м3/ч, отмечено на рисунке.

Расчетные значения образования СГ в 2013 г. составили: по Украинской модели - 912 м3/ч, а по Восточно-Европейской модели - 1006 м3/ч, что на 36,6 % выше значения, полученного насосным тестом. Расчетное значение образования СГ в 2013 г. по скорректированной ВосточноЕвропейской модели с учетом фактического состояния отходов в теле свалки составило 633 м3/ч, что всего лишь на 3 % ниже полученного в насосном тесте экспериментального значения.

Очевидно, что результаты экспериментальных исследований очень близки к расчетному значению по скорректированной ВосточноЕвропейской модели, в то время как модельные оценки по исходной Восточно-Европейской и Украинской моделям существенно завышены.

-69-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Динамика образования и извлечения СГ на свалке ТБО г. Новокузнецка: образование СГ: 1 - Украинская модель; 2 - Восточно-Европейская модель; 3 - скорректированная Восточно-Европейская модель; сбор (извлечение) СГ: 4 - Восточно-Европейская модель; 5 - скорректированная Восточно-Европейская модель;

б - Украинская модель; • - насосный тест

Выводы. Наиболее точные и реалистичные прогнозы образования свалочного газа для старых закрытых свалок в условиях российских регионов могут быть получены на основе скорректированной Восточно-Европейской модели с учетом состояния свалочных грунтов на момент сооружения системы дегазации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пу х н ю к А.Ю. Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов // Промышленная теплотехника. 2012. Т. 34. № 4. С. 83 - 93.

2. S t е g е A.G. Steps towards initiating LFG utilization prijects indeveloping countries -planning process, LFG models, and managing projects expectations // Proceedings of Methane to Markets Partnership Expo, Delhi, India. - 2010. Access mode: http://www.global metane.org/expo indialO/docs/postexpo/landf ill stege.pdf. (Дата обращения: 05.09.2013).

3. Coops О., Luning L., Oonk H., Weenk A. Validation of landfdl gas formation models // Proceedings from Sardinia 1995 Fifth International Landfdl Symposium, Cossu/Stegmann (eds.). CISA publisher, 1995. P. 635 - 746.

4. Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронений твердых бытовых отходов. Утверждены Государственным комитетом Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу 25.04.2003, 2003. - 19 с.

5. Волынкина Е.П., Аникин А.Е., Домнин К.И. Исследования ресурсов свалочного метана: российский опыт // Твердые бытовые отходы. 2012. № 12. С. 26-32.

6. Волынкина Е.П., Аникин А.Е., Домнин К.И. Исследование свалочных грунтов из скважин пилотной установки по извлечению биогаза с территории свалки ТБО г. Новокузнецка // Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия промышленных регионов России: Сб. докладов четвертой международной научно-практической конференции, 23 - 25 октября 2012 г. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2012. С. 262 - 277.

© 2014 г. Е.П. Волынкина, К.И. Домнин Поступила 5 сентября 2014 г.

-70-