Энергетический потенциал Карасайского полигона ТБО г.Алматы

Г.А. Джамалова

Энергетический потенциал Карасайского полигона ТБО г.Алматы

(Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева, г.Алматы)

В составе биогаза Карасайского полигона ТБО CH4 занимает 50%, CO2 - 40%. Полигоном ТБО выделяется от нескольких сотен до нескольких тысяч м³ газа в час. Энергетический потенциал Карасайского полигона оценен приблизительно в 5 кВтч от 1 м³ биогаза, т.е. эмиссия биогаза 2500 м³/ч (<50 % теоретической нормы производства биогаза) может производить приблизительно 12 500 кВтч энергии.

Биогаз полигонов ТБО, образующийся при анаэробном разложении органической составляющей отходов, представляет интерес, прежде всего, как альтернативный источник энергии [1-3].

В Казахстане сбор биогаза на полигонах ТБО, можно признать, не практикуется, и причиной этому является то, что его качсество намного ниже, чем у природного газа, а себестоимость вырабатываемой электроэнергии гораздо выше, чем электроэнергии, вырабатываемой традиционными методами при сжигании ископаемого топлива [4]. Но, несмотря на это во многих развитых странах мира осуществляются специальные мероприятия по минимизации эмиссии биогаза. Поэтому значимость учета и контроля эмиссии метана в глобальном и локальных масштабах обуславливает необходимость проведения оценочных расчетов объема валовой эмиссии, скорости и масштабов распространения этого газа вне границ полигонов захоронения ТБО.

Сложность методов прямых полевых измерений и их высокая стоимость являются причиной того, что такого рода исследования малочисленны. Разнообразие местных кли-матогеографических условий, разнородность объектов исследования, их изменчивость во времени затрудняет получение статистически достоверных результатов и требует прове-дения многолетних исследований. В связи с этим высокоинформативные натурные эксперименты являются единичными, особенно в отечественной практике. Поэтому основным инструментом исследований остается использование современного математического аппарата и математического моделирования процессов метаногенеза во времени. Моделирование должно рассматриваться с одной стороны в качестве приблизительного индикатора ожидаемых тенденций образования биогаза, с другой - использоваться шире и более гибко в зависимости от поставленных задач [5].

Органические компоненты ТБО разлагаются сообществом метаногенных микроорга- низмов в анаэробной зоне свалочного тела с образованием биогаза (5-7 м³ на 1 т отходов), состоящего в основном из метана (50-70%) и диоксида углерода (30-50 %) [2,3]. 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 [6]. Удельные скорости эмиссии газообразных веществ с территорий захоронений отходов заметно превыша

Для Карасайского полигона ТБО г.Алматы характерно наличие разновозрастных участков. Рассматриваемый участок Карасайского полигона ТБО расположен на холмисто- увалистой предгорной равнине северного микросклона Заилийского Алатау и представляет собой естественный V-образный лог, простирающийся с севера на юг. Захораниваемый мусор уплотняется бульдозерами и каждый двухметровый слой мусорных отложений пересыпается полуметровым слоем грунта. Толщины такого "сэндвич-распределения"достигает 30 м.

Сформированное свалочное тело покрывается запирающим слоем почвы толщиной 1 - 1,5м.

Основной причиной усложнения изучения закономерностей образования и движения биогаза в толще складированных отходов является сложность и длительность полу-ченных достоверных экспериментальных данных.

Кинетические процессы биодеструкции ТБО и ее полнота зависит от эндогенных и экзогенных процессов и характеристик:

- морфологического и химического составов ТБО;

- климатогеографических условий;

- специфики стадий жизненного цикла полигона.

Известно, что основная эмиссия метана образуется в активной фазе метаногенеза, а его выход зависит от следующих параметров: содержания биоразлагаемого органического углерода в отходах; степени и продолжительности биодеструкции; величины рН среды;

влагосодержания; температуры. Стабилизация биохимических процессов начинается после 30-40 лет с начала депонирования отходов и обычно совпадает с рекреационным и рекультивационным этапом жизненного цикла полигона (табл.1).

Таблица 1 - Фазы процесса разложения органической части ТБО Фазы процесса разложения органической части ТБО

1 - аэробное

разложение

2 - анаэробное разложение без выделения метана (кислое брожение)

3 - анаэробное

разложение с

непостоянным выделением

метана (смешанное брожение)

4 - анаэробное

разложение с

постоянным выделением метана

5 - затухание анаэробных

процессов

Фазы процесса разложения органической части ТБО 20-40 дней с момента

укладки отходов

с 20 - 40 дней с момента укладки отходов до 10-100 лет

до 700 дней от 10 (на юге) до 50 лет (на севере)

от100 до 1000 лет

Время протекания фаз Биодеструкция

легкоразлагаемых

фракций ТБО

(пищевые отходы)

Гидролиз

целлюлозосодержащих отходов

Стабилизация газовыделения наступает через два года после захоронения отходов

Разложение 50-70

% целлюлозы и гемицеллюлозы с образованием биогаза

Процесс метаногенеза постепенно затухает

Процесс минерализации отходов происходит в течение первого года - на 12 см, второго года - на 21 см, третьего года - на 27 см и т.д.

Рисунок 1 - План расположения участков на территории Карасайского полигона ТБО г.Алматы

С помощью портативного газоанализатора (GA 2000; PORTAFID, Sewerin) на 6 участках больше чем в 50 местоположениях измеряли газовый состав в верхних слоях тела полигона (рис.1). Как видно из рисунка на различных участках полигона наблюдаются пожары разной мощности (большие огни - интенсивные пожары с сильным задымлением).

Были обнаружены CH₄, CO₂, O₂, CO и H₂S. Общая норма производства биогаза (LFG) на Карасайском полигоне составляет на 2008 г. более 5 500 мi/ч. Почасовые выбросы биогаза для различных участков полигона представлены в таблице 2.

Из таблицы видно, что поток метана с поверхности полигона зависит от возраста захоронения свалочного тела. В результате регулярных измерений нами показано, что с

Таблица 2 - Выбросы биогаза и метана для различных участков Карасайского полигона ТБО

Участок, № Площадь, гa Биогаз, м³/ч CH4, ppm

I 4,24 803,904 948

II 1,45 274,92 948

III 1,94 808,592 2084

IV 2,02 525,2 1300

V 3,92 1633,856 2084

VI 4,08 1700,544 2084

Всего 17,65 5747,016 -

увеличением возраста захоронения до определенного предела увеличивается доля метана в выделяемом (из поверхности полигона) биогазе.

Расчет метанового потенциала, полного потенциала образования, скорости и объема образования метана. Для прогноза эмиссии метана от полигонов в период его максимального образования была использована методика АКХ имени К.Д.Памфилова [1], учитывающая объем размещенных отходов, их влажность и метановый потенциал. Для расчета были использованы справочные показатели (табл.3).

Таблица 3 - Справочные данные для расчета Физические свойства

биогаза

Физические свойства метана

Типичный состав биогаза над полигоном, %

Коэффициент биоразложения для сухих свалок

Константы разложения для сухих свалок

Влажность КО

- плотность (с) 1,07 х 10-4кг/м³;

- относительная плотность: 0,555;

- СН4 - 45; 0,22 0,05 и 0,0276 16-45 % (зависит от сезона - вязкость (м) 1,15 х

10-5Нс/м²;

- взрывчатость, % 5-15;

- СО2 - 35; года и сроков

захоронения) - теплота сгорания

очищенного от примесей биогаза 1800-25100 кДж/м³;

- температура горения - 650^◦С;

- О2- 1;

В среднем биогаз содержит 25-45%

влаги

- инертность - есть - N2- 18

На полигоне - 25%

Содержание в отходах разлагаемого органического углерода (РОУ):

= 0,14 + 0,17 + 0,15 + 0,30, (1)

где: А,% - содержание в отходах бумаги и текстиля; В, % - парковых и других непищевых отходов; С, % - пищевых отходов; Д, % - дерева. Для Карасайского полигона РОУ = 16,82 %.

Объем биогаза (Q, м₃/т ТБО) определяется выражением:

Q= 1,85G_o(1−10^kt)/[1−(W −60)/13], (2) Где: W - влажность отходов, %; t - продолжительность периода стабилизированного выхода биогаза, годы; k - константа разложения, год⁻¹; G₀ - метановый потенциал, кг / т КБО.

Для прогнозирования эмиссий метана с полигонов ТБО в качестве необходимых для расчета исходных данных принимают следующие параметры: морфологический и химический состав биоразлагаемой части ТБО; зольность отходов, А; влажность, W;

коэффициент биоразложения отходов на стадии полного метаногенеза - B_f, который зависит от морфологического состава биоразлагаемой части ТБО.

Полный потенциал генерации метана L₀ (нм³/т сухих отходов) определяется по формуле:

L0=X

(Loii) (3)

где х_i - доли биоразлагаемых фракций; L_oi - метановый потенциал (нм³/т сухих отходов) для каждой фракции отходов с учетом коэффициента биоразложения Bf и зольности А, определяется по формуле:

L_oi= 11088nc

µ_i(1−A)B_f (4)

где: nc - число киломолей углерода, содержащееся в 1 тонне фракции; µi - молярная масса фракции (кг/кмоль).

Количество метана Q (нм₃), выделившееся за время ф, определяется по формуле:

∂Q

∂τ = (L_oM_c−Q)k (5)

где: L_o - полный потенциал генерации метана (нм³/т); k = 1/ф - константа скорости разложения; М_с - масса сухих отходов, определяется по формуле:

M_c = (1−w)M_вл (6)

M_вл - масса влажных отходов (т).

Рисунок 2 - Метановый потенциал Карасайского полигона ТБО г.Алматы

Из рисунка 3 видно, что метановый потенциал Карасайского полигона будет реализован ближе к 2034-2036 году. Прогнозные данные свидетельствуют, что даже после прекращения размещения отходов на полигоне объем газовой эмиссии в течение длительного времени будет оставаться высоким (вплоть до 2048 - 2054 гг.). Таким образом, в составе биогаза Карасайского полигона ТБО метан занимает 50%, углекислый газ 40%. Полигоном ТБО выделяется от нескольких сотен до нескольких тысяч м₃ газа в час. Энергетический потенциал Карасайского полигона оценен приблизительно в 5 кВтч от 1 м₃ биогаза, т.е. эмиссия биогаза 2500 м₃/ч (<50 % теоретической нормы производства биогаза) может производить приблизительно 12 500 кВтч энергии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вайсман Я.И. Управление отходами. Захоронение твердых бытовых отходов./Вайсман Я.И., Коротаев В.Н., Петров В.Ю. Пермь: ПГТУ, 2001. -128с.

2. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т.3. Калуга: Издательство Н.

Бочкаревой, 2003. - 1024 с.

3. Мирный А.Н., Скворцов Л.С., Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Коммунальная экология.

Энциклопедический справочник. Москва: Прима-Пресс-М, 2007. - 806с.

4. Ножевникова А.Н., Каллистова А.Ю., Кевбрина М.В. Эмиссия и окисление метана на полигоне захоронения твердых бытовых отходов: сезонные изменения// Труды института микробиологии имени С.Н.Виноградского. Выпуск XIII. К 100-летию открытия метанотрофии.

Москва: Наука, 2006.- С.172-189.

5. Абрамов Н.Ф., Вайсман Я.И., Максимова СВ., Глушанкова И.С., Батракова Г.М., Вайсман О.Я, Коротаев В.Н., Рудакова Л.В. Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации полигонов захоронения твердых бытовых отходов.М.,2003,19с.

6. Лебедев В.С., Горбатюк О.В., Иванов Д.В. и др. Биогеохимические процессы об-разования

и окисления биогаза на свалках бытовых отходов//Журнал экологической химии. 1993.- №4.- С.323-334.

7. Минько, О.И. Экологические и геохимические характеристики свалок твердых бытовых отходов / О.И. Минько, А.Б. Лифшиц // Экологическая химия. - 1992. - № 2. С. 37-47.

Жамалова Г.А.

Алматы қ. ҚТҚ Қарасай полигонының энергетикалық потенциалы

ҚТҚ Қарасай полигонының құрамы бойынша CH4 50%, CO2 - 40% құрайды. ҚТҚ полигонынан сағатына бiрнеше жүзден бiрнеше мың м3 газ шығады. Қарасай полигонының энергетикалық потенциалы шамамен биогаз 1 м3

5 кВт-сағ, яғни биогаз эмиссиясы 2500 м3/сағ (<50 % биогаз өндiрiсiнiң теориялық нормасы) бағаланады, шамамен 12 500 кВТсағ энергия бөле алады.

Jamalova G.A.

Energy potentia of Karasay andfill of Amaty city

In the biogas composition Karasay landfills CH4 is 50%, carbon - 40%. Landfills stands out from several hundred to several thousand m3 of gas in hour. The energy potential of Karasay landfills is estimated at about 5 kWh of 1 m3 of biogas, ie emission of biogas 2500 m3 / h (<50% of the theoretical rules of biogas production) can drive production-approximately 12 500 kWh of energy.

Поступила в редакцию 15.10.10 Рекомендована к печати 30.10.10