Полигон ТБО

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Прикладная экология»
Совершенстование производства биогаза
экобезопасной
природнопромышленной системы
«Полигон ТБО»
Научный руководитель: д.т.н.,
профессор
Г.Г. Ягафарова
Исполнитель: к.т.н., преподаватель
А.М. Шаимова
Целью научной работы явилось совершенствование производства биогаза
экобезопасной природно-промышленной системы «Полигон ТБО».
Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1.
На основе анализа состояния проблемы образования и утилизации ТБО разработать методологическую схему
исследований: выявить особенности образования свалочного биогаза из ТБО на свалках и полигонах и перспективы его
использования.
2.
Смоделировать процесс образования биогаза в лабораторных условиях.
3.
Исследовать закономерности образования метана в составе биогаза на разработанной лабораторной установке в
зависимости от ряда основных факторов: температуры, влажности, времени разложения, содержания органического углерода
(Собщ), кислотности среды (рН), окислительно-восстановительных условий.
4.
Интенсифицировать процесс образования метана в составе биогаза из ТБО с применением разработанного
инициирующего слоя, выступающего в качестве регулятора-биодобавки.
5.
Спрогнозировать период максимального газовыделения метана в составе биогаза в зависимости от этапа эксплуатации
полигона.
6.
Разработать математическую модель, позволяющую прогнозировать количество биогаза, выделяющегося с полигонов
бытовых отходов в атмосферу.
7.
Проанализировать экологические условия полигона ТБО как среды жизнедеятельности микроорганизмов. Определить их
роль в формировании эмиссий СБ.
8.
Изучить микробиологические процессы, протекающие на полигоне, работающего в режиме биологического реактора:
установить состав, структуру и стратегии микробных популяций, деструктирующих органические вещества ТБО.
9.
Выявить основные особенности и процессы обмена между техногенной и природной составляющими природнопромышленной системы «Полигон ТБО», позволяющие описать жизненный цикл ППС «Полигон ТБО» с производством биогаза.
10.
Рассмотреть полигон ТБО с позиции биологического реактора в составе ППС «Полигон ТБО» с производством биогаза;
11.
Разработать основу концепции мультибарьерной экологической защиты, включающей учет качества отходов,
естественные условия площадки, конструкционные параметры полигона.
12.
Разработать алгоритм многоуровневой системы принятия решений по снижению воздействий ППС «Полигон ТБО» на
окружающую среду.
2
Объекты исследования:





отходы различного морфологического состава;
инициирующая биодобавка;
полезная вместимость объекта депонирования
отходов;
полигон депонирования ТБО г. Стерлитамака и
свалка ТБО Бакалинского района;
микроорганизмы, участвующие в процессе
биодеструкции ТБО.
3
Лабораторная установка получения биогаза
1 – биореактор; 2 – адсорбер; 3 – ротаметр; 4 - пробоотборник
4
Основные направления исследований:
определение влияния компонентного состава отходов,
содержания органического углерода, температуры,
влажности, кислотности среды и окислительновосстановительных условий;

интенсификация процесса образования метана в составе
биогаза из ТБО с применением разработанного
инициирующего слоя, выступающего в качестве регуляторабиодобавки;

установление закономерностей микробиологической
сукцессии полигона ТБО в процессе биодеструкции и
трансформации органогенов твердых отходов и ее роли в
формировании эмиссий метана в составе биогаза;

разработка математической модели прогнозной оценки
образования биогаза.
5

Образование метана в составе биогаза при разложении
модельных образцов отходов типичного полигона ТБО
(при температуре T = 40 оС и влажности W = 65 %)
70
60
50
№ 1 (Соб = 0,150)
№2 (Соб=0,200)
№3 (Соб=0,250)
40
30
20
10
25
0
22
0
19
0
16
0
13
0
10
0
70
40
0
10
Содержание метана в составе биогза, %
об.
Динамика образования метана в составе биогаза при
разложении «идеальных» образцов отходов (при
температуре T = 40 оС и влажности W = 65 %)
Продолжительность эксперимента, сутки
Зависимость содержания метана от температуры и
влажности модельного образца отхода № 2 с
Соб=0,200 г/кг
Изменение значений рН в зависимости от времени
биодеструкции модельного образца отхода № 2 с
Соб=0,200 г/кг (при температуре T = 40 оС и
влажности W = 65 %)
6
Изменение значений показателя окислительновосстановительного потенциала rH2 в зависимости от
времени биодеструкции модельного образца отхода № 2 с
Соб=0,200 г/кг
60
50
40
30
20
10
10
0
12
0
14
0
16
0
18
0
20
0
22
0
24
0
80
60
40
20
10
0
1
Содержание метана в составе
биогаза, % об.
Динамика образования метана в составе биогаза для
модельного образца отхода № 2 с Соб=0,200 г/кг (при
температуре T = 40 оС и влажности W = 65 %)
Продолжительность эксперимента, сутки
Продолжительность эксперимента, сутки
Микрорганизмы, подсчитанные прямым методом*10^7 кл/мл
Содержание метана в составе биогаза, % об.
0
10
0
12
0
14
0
16
0
18
0
20
0
22
0
24
0
25
0
22
0
19
0
16
0
13
0
10
0
70
40
15
1
0
2
80
10
60
20
4
40
30
6
20
40
8
10
50
10
1
60
Динамика численности микроорганизмов в процессе
биодеструкции модельного образца отхода № 2 с Соб=0,200
г/кг (при температуре T = 40 оС и влажности W = 65 %)
Количество микрорганизмов
Динамика численности микроорганизмов и образование
метана в составе биогаза в процессе биодеструкции
модельного образца отхода № 2 с Соб=0,200 г/кг (при
температуре T =40 С и влажности W=65 %)
Продолжительность эксперимента, сутки
Микроорганизмы, подсчитанные прямым методом*10^7 кл/мл
7
Микрорганизмы, выросшие на МПА*10^3 КОЕ/мл
Выделенные метаногенные бактерии при биодеградации ТБО
1) род Methanococcus х 900
2) род Methanobacterium х 900
«Дыхание» метаногенных бактерий
8
Ацетогенная стадия
Бактерии р. Pseudomonas,
р. Azotobacter, р. Bacillus
актиномицеты и микромицеты
(рН=7,97-7,31,
rH2 =21,38-16,89)
Промежуточные продукты
биодеградации (жирные кислоты,
сахара, аминокислоты)
Ацетогенная стадия
Гидролиз
Анаэробные условия
Схема биодеградации
органогенов ТБО
Аэробные условия
ОРГАНОГЕНЫ ТБО
Ацидогенез
Первичные анаэробы:
бактерии
р. Clostridium
(рН=7,31-6,27, rH2 =14,09-8,9)
Промежуточные продукты
биодегрдации (летучие жирные
кислоты, спирты)
Метаногенная стадия
Вторичные анаэробы:
бактерии р. Desulfovibrio,
р. Methanococcus и
р. Methanobacterium
(рН=6,7-8,2, rH2 =5,6-2,68)
СН4, CO2 , Н2S и др.
9
Исследования по изучению экологических
особенностей полигона захоронения ТБО г.
Стерлитамак по микробиологическому показателю
проводили по нескольким направлениям:
выявление роли микроорганизмов в биодеградации
органической фракции ТБО полигона;

определение роли микроорганизмов, участвующих в
формировании метана в составе биогаза.

10
Сравнительная характеристика микробиологической
активности биодеструкции ТБО на полигоне
11
Критерии отбора компонентов
инициирующего слоя:
1.
2.
3.
Компонент должен являться отходом
производства с возможностью его
утилизации на полигоне ТБО.
Применение компонента должно быть
направлено на поддержание оптимальных
условий образование метана в составе
биогаза из ТБО.
Компонент должен быть дешевым и
доступным.
12
Состав инициирующего слоя
13
Результаты исследований по определению внесения оптимального
значения концентрации инициирующего слоя в толщу модельного
образца отхода № 2 с Соб=0,200 г/кг (при температуре T = 40 оС и
влажности W = 65 %)
14
Усадка, %
Результаты по усадке модельного образца отхода № 2 с Соб=0,200 г/кг
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Контроль
5%
7%
0
30
60
90
120 150 180 210 240
Продолжительность эксперимента, сутки
15
0,6
0,5
0,4
5%
7%
Контроль
0,3
0,2
0,1
0
Содержание метана в составе
биогаза, % об.
Содержание метана в составе биогаза, % об.
Результаты опытно-промышленных
испытаний инициирующего слоя
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Контроль
5%
7%
0
1
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 120 150 180 210 240
Продолжительность эксперимента, сутки
Результаты выхода метана в составе
биогаза из твердых бытовых отходов
полигона
30
60
90
120 150 180 210 240
Продолжительность эксперимента, сутки
Результаты по усадке
твердых бытовых отходов
полигона
16
1400
1200
1000
800
1
2
600
400
200
25
0
22
0
19
0
16
0
13
0
10
0
70
40
15
0
1
Образование биогаза Q, мл/сут
Количество образующегося биогаза в % об.:
1 - полученный в результате эксперимента при влажности отходов 80 %;
2 - рассчитанный с использованием математической модели Табазарана
Продолжительность эксперимента, сутки
Q= 0,04 t4+ 0,051W + 0,00036tW - 2,74
17
Характеристика жизненного цикла ППС «Полигон ТБО»
18
Противофильтрационный экран
Универсальная конструкция
системы сбора фильтрата и биогаза
Технико-экологический
мониторинг полигона
Основные технические
элементы конструкции
систем полигона
Рекультивация
поверхности полигона
Послойное складирование,
внесение биодобавкирегулятора
Размещение универсальной
системы сбора биогаза и
фильтрата
Техническое оформление
процесса захоронения
Технологическое
оформление
процесса захоронения
Естественная очистка
фильтрата
геологическим барьером
Естественная
защита
Установка ПФЭ на
существующий природногеологический барьер
Расчет необходимой
мощности геологического
барьера
Прогноз качества
подземных вод
при проникновении
фильтрата
Выбор площадки
расположения полигона
Система идентификации
отходов (определение
потенциальной опасности)
Контроль отходов,
поступающих на полигон
Определение
качества отходов
Процессы естественной
очистки фильтрата
Методы оптимизации и
автоматизации
процесса выборе площади
полигона
Существующие
требования к
расположению площадок
полигонов
Оценка токсичности и
миграционной способности
отходов на основе
лабораторных тестов
Рекомендации про
проведению контроля
поступающих на полигон
отхдов
Основные положения принципа мультибарьерной защиты
Мультибарьерная защита
при захоронении ТБО на
полигонах
Искусственная
защита
Уровень
фильтрата над
основанием
полигона
Состояние
грунтовых вод
Мониторинг
атмосферного
воздуха
Мониторинг
почвы
19
Распространение загрязнений во
времени и в пространстве (оценка риска)
Данные о прогнозе эмиссии,
загрязняющих веществах
III.
Математическое моделирование
миграций загрязнений в окружающей
среде
БАЗА ДАННЫХ ППС « ПОЛИГОН ТБО»
Алгоритм многоуровневой
системы принятия решений по
снижению воздействия
ППС «Полигон ТБО» на
окружающую среду
Принятие решения по снижению
воздействия на окружающую среду
Статистическая обработка результатов
натурных и лабораторных исследований
Прочее
Данные о текущем состоянии полигона
II.
Лабораторные исcледования
I.
Натурные эксперименты
Данные о климатических, почвенногидрологических и других условий
Данные о складировании (объем, состав,
класс опасности и др.),
Полигон ТБО
20
Разрез полигона в момент заполнения третьего слоя
первой карты
1 – газосборник; 2 – полимерный трубопровод; 3 – колодец вертикального газового дренажа; 4
– отходы; 5 – дно полигона; 6 – эрлифт; 7 – противофильтрационный экран; 8 – система
горизонтального газового дренажа; 9 – слой-инициатор; 10 – система вертикального газового
дренажа; 11 – дренажная канава
21
Техническим результатом использования
данного способа складирования является:
- извлечение в результате предварительной сортировки
ТБО компонентов, подвергающихся утилизации или
регенерации с получением нового товарного продукта;
интенсификация процесса образования СГ за счет
чередования слоев ТБО слоями-инициаторами с
одновременной их утилизацией;
экономия полезной вместимости толщи полигона,
достигаемая за счет интенсификации процесса образования
СГ;
упрощение способа газосборной системы и
расширение ее технологических возможностей за счет
совмещения функций отвода СГ и фильтрата на
поверхность.
22
Принципиальная схема установки для извлечения и
подготовки биогаза:
1, 4, 6, 8 – задвижки; 2 – коллектор; 3,9 – компрессор; 5 - пламегаситель; 7 – газгольдер;
10 – абсорбер; 11 – адсорбер; 12 - оборудование доп. очистки (при необходимости)
23
Основные выводы:
1.
Проведенный анализ использования ТБО в качестве возобновляемых вторичных
энергетических ресурсов показал возрастающую роль этого направления в
энергосбережении и снижении загрязнения окружающей природной среды, а так же
позволил выявить целесообразность сбора утилизации свалочного биогаза на территории
республики Башкортостан.
2.
Смоделирован процесс образования биогаза в лабораторных условиях, на основе
которого разработана методика получения биогаза из ТБО, позволяющая контролировать
основные параметры процесса метанообразования при биодеградации ТБО, которая
может быть использована для решения различного типа инженерно-экологических задач.
3.
Разделение органических отходов на три основные группы: белки, жиры, углеводы
позволило получить динамику их биодеструкции. Максимальное содержание метана (68,7
% об.) достигается при сбраживании отходов, состоящих преимущественно из углеводов,
являющихся наилучшим субстратом для деструктирующих его микроорганизмов в
процессе метанообразования.
4.
Процесс биодеградации отходов идет с увеличением концентрации метана в
составе биогаза при изменении доли углерода в отходах от 0,150 до 0,250 кг/кг.
Максимальные значения содержания метана (57,5 % об.) в составе биогаза наблюдаются
при Соб.=0,250 кг/кг. Поэтому в процессе разложения для жизнедеятельности бактерий,
продуцирующих биогаз необходимо наличие органического субстрата.
5.
Максимальные значения содержания метана (57,4 % об.) в составе биогаза
достигаются при температуре 40 °С и влажности 80 % в условиях проводимого
эксперимента.
24
Применение метода анаэробной биодеструкции модельных образцов отходов типичного
полигона ТБО в стабильных условиях температуры и влажности показало, что процесс
происходил в ацетогенной (гидролиз, ацидогенез) и метаногенной стадиях. В процессе
биодеструкции отходов кислотность среды менялась от слабокислотной со значением 6,31 до
нейтральной со значением 8,2. Наибольший выход метана (48,1 % об.) в составе биогаза
наблюдался при рН 7-8. Показатель окислительно-восстановительного потенциала изменялся от
21,4 до 2,68. Снижение показателя окислительно-восстановительного потенциала
свидетельствует о постепенном потребление кислорода и переходе анаэробных условий в
аэробные. Наибольший выход метана (48,1 % об.) в составе биогаза наблюдался при показателе
rH2 5,14 до 2,68.
7.
Разработан состав инициирующего слоя, интенсифицирующий образование метана в
составе биогаза из ТБО, представляющий собой смесь компонентов: отхода производства
кормов (пыли комбикормовой) – 85-93 % масс., витаминов - 0,01 – 0,02 % масс., N:P:K –
комплекса минеральных удобрений - 0,1 – 0,2 % масс., известковой крошки - 3 – 5 %,
биопротектора – глутамата - 1 - 1,5 % масс., инокулята аборигенной микрофлоры с плотностью
по микроорганизмам 1*1010-6*1012 кл/мл - 3 – 5 % масс.
7.
Показано, что при использовании разработанного инициирующего слоя происходит
значительная усадка (33-35 % масс.) отходов в процессе биодеградации.
8.
Определен период, приходящийся на вторую половину срока биодеградации ТБО,
позволяющий спрогнозировать максимальное газовыделение метана в составе биогаза в
зависимости от этапа эксплуатации полигона.
9.
Разработана упрощенная математическая модель, учитывающая лишь 2 фактора время и
влажность, что значительно упрощает расчет. Высокая сходимость полученных результатов
позволяет утверждать, что полученная модель является наиболее удобной и приемлемой для
25
прогнозирования эмиссии биогаза.
6.
11.
Установлено, что полигоны ТБО функционируют как биологические реакторы, в
которых последовательно осуществляется микробиологическая сукцессия в процессе
биодеструкции и трансформации органогенов ТБО, определяющая состав эмиссий СБ. Каждой
стадии биодеструкции органических веществ ТБО соответствуют абиотические условия среды
и структура микробиоценоза. На начальном этапе в деструкции органогенов ТБО принимают
участие аэробные микроорганизмы (рН=7,97- 6,31 и гН2=21,4 – 5,6), такие как псевдомонады,
бациллы, актиномицеты, микромицеты и др. В анаэробной зоне (рН=6,31- 8,2 и гН2=5,6 –
2,68)подключаются клостридии, сульфатвосстанавливающие и метанобразующие бактерии.
Наличие метана в газовом составе сбраживаемых отходов подтверждалось присутствием
метанобразующих бактерий, таких как Methanococcus и Methanobacterium. Учитывая что,
метанобразующие бактерии способны развиваться в средах с рН от 7,4 до 9,2 для их развития и
образования биогаза создаются оптимальные условия с рН = 6,7 - 8,2 и rH2 = 5,6 - 2,68.
12.
Дополнен подход в понимании полигонов ТБО, как природно-промышленных систем,
представляющие целостный комплекс техногенных и природных, взаимосвязанных элементов,
границы между которыми условны и передвигаются в зависимости от решаемой задачи и фазы
жизненного цикла ППС «Полигон ТБО».
13.
Определен жизненный цикл ППС «Полигон ТБО», состоящий из инвестиционного,
эксплуатационного, рекультивационного и пострекультивационного этапов, который позволяет
прогнозировать интенсивность и направленность возможных негативных воздействий.
Установлено функциональное состояние элементов инженерной защиты на каждом этапе
жизненного цикла природно-промышленной системы.
26
14.
Разработан принцип мультибарьерной экологической защиты ППС «Полигон ТБО»,
основанный на учете естественных условий площадки, химического состава отходов,
конструкционных параметров полигона, использование которых позволяет обеспечить
экологическую безопасность ППС «Полигон ТБО» на протяжении его жизненного цикла.
15.
Разработан алгоритм многоуровневой системы принятия решений по снижению
воздействий ППС «Полигон ТБО» на окружающую среду. Его олтличительной особенностью
является сочетание методов натурного эксперимента, лабораторных исследований и
математического моделирования.
16.
Разработан комплекс технико-экологических решений, повышающих экобезопасность
ППС «Полигон ТБО» с производством биогаза. При этом рекомендуется:
- применение в технологии складирования ТБО на полигоне разработанного инициирующего
слоя, выполняющего роль биодобавки и интенсифицирующего процесс образования метана в
составе биогаза;
- использование универсальной системы сбора биогаза и фильтрата.
27
Благодарю за внимание!
28