НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ
ПРЕДПРИЯТИЕ "ЭКОПРОМ"
АКАДЕМИЯ
КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА им. К.Д. ПАМФИЛОВА
НИИ
ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА И ГИГИЕНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
им. А.Н. СЫСИНА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по расчету количественных характеристик
выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
от полигонов твердых бытовых и промышленных отходов
Москва
1995
СОДЕРЖАНИЕ
Методические указания предназначены для использования
при разработке проектов нормативов предельно допустимых и временно согласованных
выбросов для полигонов твердых бытовых и промышленных отходов и прогнозов
ожидаемого загрязнения атмосферы в районах их расположения.
Настоящие указания распространяются на основные виды
газообразных загрязняющих веществ, образующихся в результате биотермического
анаэробного процесса распада органических составляющих твердых бытовых и
промышленных отходов и выделяющихся с поверхностей полигонов отходов в
атмосферу.
Указания содержат примерный морфологический состав и
основные характеристики отходов, вывозимых на полигоны отходов и свалки
Московского региона, поэтапную временную характеристику процессов, происходящих
в толще отходов, складированных на полигонах, способы определения
количественного и качественного состава выделяемого полигонами биогаза, методы
расчета удельных и валовых выбросов образующегося биогаза в целом и по
компонентам. Приведены основные формулы программной обработки расчетных
исходных данных на ЭВМ.
Замечания и предложения по настоящим указаниям просьба
направлять по адресу: 117218, Москва, ул. Кржижановского, д.15, корп.7,
Научно-производственное предприятие «Экопром»; телефон: 124-49-65.
Авторы разработки методических указаний:
Абрамов Н.Ф. - член-корреспондент Жилищно-коммунальной
академии;
Корнеев В.Г. - инженер отдела санитарной очистки
городов Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова;
Санников Э.С. - инженер научно-производственного
предприятия "Экопром";
Терловский П.М. - инженер научно-производственного
предприятия "Экопром";
Русаков Н.В. - доктор медицинских наук НИИ экологии
человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина.
В толще твердых бытовых и
промышленных отходов, складированных на полигонах, под воздействием микрофлоры
происходит биотермический анаэробный процесс распада органических составляющих
отходов. Конечным продуктом этого процесса является биогаз, основную объемную
массу которого составляют метан и диоксид углерода. 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.
Количественный и качественный состав биогаза зависит от многих факторов, в том
числе, от климатических и геологических условий места расположения полигона,
морфологического и химического состава завозимых отходов, условий складирования
(площадь, объем, глубина захоронения), влажности, плотности и т.д., и подлежит
уточнению в каждом конкретном случае.
В настоящей методике
использованы данные статистической обработки результатов, полученных АКХ им.
К.Д. Памфилова и другими организациями, в том числе НПП "Экопром",
методами полевых замеров на многих полигонах Московской области и лабораторных исследований.
Это дает основание считать, что приведенные в методике величины, уточненные
применительно к конкретным условиям, правомочно использовать при разработке
проектов нормативов ПДВ для полигонов твердых бытовых и промышленных отходов и
свалок Московского региона.
На большей части полигонов и
свалок Московской области основную массу поступающих отходов составляют бытовые
(до 90 %), остальные 10 % являются промышленными отходами, разрешенными для
захоронения совместно с бытовыми.
Морфологический состав
твердых отходов, складируемых на полигонах и свалках, по усредненным данным
исследований АКХ по Москве и Московской области [2]
в процентах по массе следующий:
- бумага,
картон - 38,0
- пищевые
отходы - 30,0
- дерево - 1,5
- текстиль - 5,5
- кожа,
резина - 1,3
- полимерные
материалы - 5,5
- кости - 0,7
- черный
металл - 2,5
- цветной
металл - 0,5
- стекло - 4,3
- камни,
керамика - 1,4
- отсев менее
16 мм - 8,8
Плотность (насыпная масса)
отходов составляет 0,2 - 0,3 т/куб.м, влажность колеблется от 40 до 55 %,
содержание органического вещества (в процентах на сухую массу) - до 70 %.
По общепринятой технологии
захоронения отходов предусматривается планировка и уплотнение завозимых
отходов, а также регулярная изоляция грунтом рабочих слоев.
В начальный период (около
года) процесс разложения отходов носит характер их окисления, происходящего в
верхних слоях отходов, за счет кислорода воздуха, содержащегося в пустотах и
проникающего из атмосферы. Спустя год со времени закладки по мере естественного
и механического уплотнения отходов и изолирования их грунтом усиливаются
анаэробные процессы с образованием биогаза, являющегося конечным продуктом биотермического анаэробного
распада органических составляющих отходов под воздействием микрофлоры. Биогаз
через толщу отходов и изолирующих слоев грунта выделяется в атмосферу,
загрязняя ее. Если условия складирования не изменяются, процесс анаэробного
разложения стабилизируется с постоянным по удельному объему выделением биогаза
практически одного газового состава (при стабильности морфологического состава
отходов).
Различают пять фаз процесса распада органической
составляющей твердых отходов на полигонах:
1-ая фаза - аэробное разложение;
2-ая фаза - анаэробное разложение без выделения метана
(кислое брожение);
3-яя фаза - анаэробное разложение с
непостоянным выделением метана (смешанное брожение);
4-ая фаза - анаэробное разложение с постоянным
выделением метана;
5-ая фаза - затухание анаэробных процессов.
Первая и вторая фазы имеют место в первые 10 - 15 дней
с момента укладки отходов, продолжительность протекания третьей фазы - от 180
до 500 дней. Длительность четвертой фазы - 10 - 30 лет, если условия
складирования не изменяются.
Процесс минерализации отходов происходит в течение
первого года - на 12 см, второго года - на 21 см, третьего года на 27 см и т.д.
Эмиссия биогаза с поверхности полигона идет
равномерно, без аварийных и залповых выбросов.
Расчет выбросов загрязняющих веществ с полигонов
отходов и свалок в данной методике приводится для нормального режима
эксплуатации мест захоронения отходов. Возгорания отходов на участках
складирования, работа автотранспорта и выбросы котельных (при их наличии) не
учитываются и рассчитываются при необходимости по существующим соответствующим
методикам.
Рассчитываются выбросы газообразных загрязняющих
атмосферу веществ, входящих в состав биогаза.
На количественную характеристику выбросов загрязняющих
веществ с полигонов отходов влияет большое количество факторов, среди которых:
- количество завозимых ежегодно отходов;
- влажность отходов;
- мощность слоя складированных отходов;
- климатические условия;
- состав отходов;
- соотношение углерода и общего азота.
На основании результатов
многочисленных лабораторных исследований, проведенных на крупных полигонах
отходов, составлена математическая модель определения удельного выхода биогаза
за период его активной стабилизированной генерации. Эта модель описывается
формулой:
, где: (1)
- удельный выход биогаза,
куб.м/т. отходов;
G0 = 1.868Сакт(0,014Т
+ 0,28);
Сакт
- активный органический углерод, г/т. отходов;
Т - температура
в теле полигона, °С;
температура в теле полигона колеблется от 28 до 32 °С;
k - постоянная
разложения, равная отношению углерода к общему азоту (C/N),
определяется по "Методическим исследованиям
свойств твердых отбросов" [3];
t - продолжительность периода стабилизированного выхода
биогаза (четвертая фаза), год;
W - естественная
влажность отходов, %.
Органические вещества, содержащиеся в отходах,
обладают различной интенсивностью разложения. Так, резина, кожа, полимерные материалы
и т.п. разлагаются микроорганизмами очень медленно, в то время как органические
составляющие отходов, содержащие белковые вещества, крахмал, разлагаются очень
быстро. Таким образом, можно считать, что органическая составляющая отходов
состоит из "пассивного" (негенерирующего) органического вещества и
"активного" (генерирующего) органического вещества. Активный
органический углерод, входящий в формулу (1) относится к
"активной" органике и определяется по "Методическим
исследованиям свойств твердых отбросов" [3].
Для практических расчетов более удобно пользоваться
известным уравнением выхода биогаза при метановом брожении:
, где: (2)
- удельный
выход биогаза за период активного выхода, кг/кг отходов;
W - средняя
влажность отходов, %;
R - содержание
органической составляющей в отходах, на сухую массу, %;
Ж -
содержание жироподобных веществ в органике отходов, %;
У - содержание
углеводоподобных веществ в органике отходов, %;
Б - содержание
белковых веществ в органике отходов, %.
W, R, Ж, У и Б -
определяются анализами отбираемых проб отходов.
Расчет выбросов биогаза ведется для условий
стабилизированного процесса разложения при максимальном выходе биогаза (в
период четвертой фазы).
Стабилизация процесса
газовыделения наступает спустя в среднем два года после захоронения отходов.
Период активного выхода
биогаза составляет в среднем двадцать лет. За это время генерируется около 80 %
от общего количества биогаза, получаемого с одной тонны отходов.
Для учета мощности слоя залегания отходов вводятся
поправочные коэффициенты. При максимальной высоте полигона 4 метра количество
выбрасываемого биогаза умножается на коэффициент 0,5, а при высоте от 2 до 4
метров эта величина умножается на коэффициент 0,4.
Количественный выход биогаза за год, отнесенный к
одной тонне отходов, можно определить по формулам:
,
кг/т.отходов в год, или: (3)
, кг/т.отходов в год, где: (4)
- удельный
выход биогаза, куб.м/т.отходов (формула 1);
- удельный
выход биогаза, кг/кг отходов (формула 2);
rбг
- плотность биогаза, кг/куб.м;
t - период стабилизированного активного выхода биогаза,
год.
Общее количество биогаза, выделившегося за период с
начала эксплуатации полигона до момента расчета, определяется по формуле:
, кг, где: (5)
- количество
отходов, завезенных на полигон за период с начала эксплуатации полигона до
момента расчета, минус количество отходов, завезенное за последние два года, т;
tэкспл
- время эксплуатации полигона, год.
Состав биогаза и концентрации компонентов в нем
определяются анализами проб биогаза, отобранных в нескольких точках по площади
полигона на глубине 0,5 - 1 метр.
Плотность биогаза определяется по закону аддитивности
как средневзвешенная величина из плотностей всех его компонентов:
, кг/куб.м, где: (6)
- содержание
i-того компонента в биогазе, весовые %;
ri - плотность
i-того компонента биогаза, кг/куб.м;
п - количество
компонентов в биогазе.
Средняя плотность биогаза составляет обычно 0,95 -
0,98 плотности воздуха, т.е. при плотности воздуха 1,2928 кг/куб.м средняя
плотность биогаза будет:
1,2928*0,965 = 1,24755 кг/куб.м
С другой стороны, связь плотности биогаза,
концентраций в нем компонентов и их весового процентного содержания
определяются формулой:
, %, где: (7)
Ci - концентрация
i-того компонента в биогазе, мг/куб.м.
Решая совместно уравнения (6) и (7), получим формулу для
определения плотности биогаза:
, кг/куб.м (8)
В нижеприведенной таблице для справки указаны плотности некоторых
наиболее вероятных компонентов биогаза:
№№ п.п.
|
Наименование вещества
|
Плотность, кг/куб.м
|
1.
|
Метан
|
0,717
|
2.
|
Углерода диоксид
|
1,977
|
3.
|
Толуол
|
0,867
|
4.
|
Аммиак
|
0,771
|
5.
|
Ксилол
|
0,869
|
6.
|
Углерода оксид
|
1,250
|
7.
|
Азота диоксид
|
1,490
|
8.
|
Формальдегид
|
0,815
|
9.
|
Ангидрид сернистый
|
2,930
|
10.
|
Этилбензол
|
0,867
|
11.
|
Бензол
|
0,869
|
12.
|
Сероводород
|
1,540
|
13.
|
Фенол
|
1,071
|
14.
|
Водород цианистый
|
0,901
|
Рассчитав удельный годовой выход биогаза по формуле (4) и
весовое процентное содержание компонентов в биогазе по формуле (7), можно
определить удельные массы компонентов, выбрасываемые в год, по формуле:
, кг/т.отходов в
год (9)
Зная количество отходов, завозимое ежегодно на
полигон, и удельные массы компонентов биогаза, выбрасываемые в год, можно
определить максимальные разовые выбросы загрязняющих веществ с полигона:
, г/с, где: (10)
Ptj - количество
отходов, завезенное в j-тый год, т.;
tэкспл
- продолжительность эксплуатации
полигона со времени открытия до момента расчета ("2" в настоящей формуле
учитывает отходы, завезенные за последние перед расчетом два года).
В том случае, если период эксплуатации полигона
превышает длительность четвертой фазы распада органики отходов, вместо tэкспл
в формулу (10)
подставляется продолжительность четвертой фазы.
Валовые выбросы вредных веществ определяются с учетом
среднего коэффициента неравномерности образования биогаза в теплое и холодное
время, равного 1,3:
, т/год (11)