автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Технологический процесс и оборудование для аэрации несанкционированных свалок и полигонов твердых бытовых отходов Московской области

Введение

Глава 1. Обзор существующих методов дегазации полигонов и свалок

1.1. Метаногенез в местах захоронения ТБО и его влияние на окружающую среду.

1.2. Дополигонные технологии минимизации метаногенеза

1.3. Переработка тела полигона как способ минимизации метаногенеза

1.4. Аэробные схемы складирования ТБО.

Глава 2. Анализ теоретических моделей образования биогаза на полигонах и свалках ТБО

2.1. Феноменологические модели биохимических процессов метаногенеза при захоронении ТБО.

2.2. Сравнительный анализ существующих моделей образования биогаза в захоронениях ТБО.

2.3. Газодинамическая модель процесса аэрации свалочного тела

Глава 3. Разработка опытно-промышленной технологии дегазации несанкционированных свалок.

3.1. Описание экспериментальной площадки и конструкции системы пассивной аэрации.

3.2. Описание методов, аппаратуры и условий измерений.

3.3. Результаты первичных измерений.

3.4. Обработка и анализ результатов измерений на установке по эжекции биогаза.

3.5. Обработка и анализ результатов измерений концентраций компонентов биогаза на установке для подавления метаногенеза

3.6. Оптимизация конструкции устройств для пассивной аэрации свалочного тела.

Выводы

Актуальность темы диссертации. В Московском регионе ежегодно образуется около 6 млн. тонн твердых бытовых отходов [ТБО]. Большая часть из них [96-98 %] захоранивается на территории Московской области. Захоронение ТБО связано с большими трудностями. Основными из них являются: отсутствие вблизи городов региона свободных экологически безопасных земельных участков, постоянное увеличение расстояния перевозок, недостаток транспорта, топлива, перерабатывающих предприятий, а также средств на строительство экологически безопасных полигонов и контроль за ними.

Вышеназванные причины приводят к тому, что ежегодно более 1 млн. тонн ТБО нелегально вывозятся из Москвы, образуя многочисленные несанкционированные свалки. Эти неконтролируемые захоронения оказывают негативное воздействие на окружающую среду. В районе расположения свалок происходит замусоривание территории, образование запахов, загрязнение почв, растительности, поверхностных и подземных вод, приземного слоя воздуха и т.д. Очень часто наблюдается постоянное горение свалок.

Одним из источников неблагоприятного воздействия несанкционированных свалок на окружающую среду является биогаз, который образуется в результате разложения органической части отходов. Основными компонентами биогаза являются метан [40-70 об.%] и диоксид углерода [30-45 об.%]. Образование биогаза является одной из причин возгорания ТБО. Взрыво-пожароопасная смесь образуется при содержании в газовоздушной смеси от 5 до 15 % метана и 12% кислорода. Биогаз оказывает угнетающее действие и на растительность за счет проникновения в поровое пространство почв и вытеснения из него кислорода.

Кроме этого биогаз относится к числу газов, создающих "парниковый эффект". "Конвенция о предотвращении глобального изменения климата", ратифицированная Россией в 1992 г., обязывает страны-участницы минимизировать выбросы в атмосферу "парниковых газов", таких как диоксид углерода и метан.

За рубежом в последнее десятилетие получило широкое распространение обезвреживание и утилизация биогаза с использованием процессов и аппаратов химической технологии. На полигонах захоронения ТБО осуществляется либо направленное пассивное рассеивание биогаза в приземной атмосфере или сжигание в факелах, либо сбор и использование в качестве источника энергии в различного типа установках. Недостатком существующих технологий является то, что практически все они направлены на уменьшение воздействия и утилизацию уже образовавшихся объемов биогаза и не затрагивают сам процесс его образования. При разработке технологических схем управления биогазом на полигонах, как правило, вопросы минимизации процесса образования биогаза не рассматриваются.

Научно-методическое обоснование и разработка технических решений по снижению экологической опасности несанкционированных свалок и полигонов посредством управления самим процессом образования биогаза в теле отходов является актуальным и своевременным на существующей стадии управления объектами размещения ТБО.

Работа является обобщением результатов исследований, выполненных автором на о полигонах Московской области в 1989-2002 годах.

Объект исследований. Депонированные твердые бытовые отходы несанкционированных свалок и полигонов Московской области.

Предмет исследований. Управление процессом образования биогаза на различных стадиях разложения органических фракций ТБО в условиях депонирования.

Цель работы. Разработка методических основ и технически?: решений по снижению экологической опасности несанкционированных свалок и полигонов ТБО Московской области.

Основные задачи исследований.

- Исследовать процесс образования метана и двуокиси углерода при разложении органической фракции ТБО в свалочном теле.

- Произвести количественную оценку образования биогаза свалочного тела от начала разложения до полной минерализации.

- Построить математическую модель подавления метаноо бразования и аэрации свалочного тела.

- Экспериментально обосновать оптимальные параметры технологии и конструкции аппаратов управления образованием метана и дегазацией несанкционированных свалок и полигонов ТБО.

- Разработать инженерную методику расчета технологического процесса подавления метанообразования и дегазации несанкционированных свалок и полигонов ТБО.

- Разработать и внедрить аппараты подавления метанообразования и дегазации несанкционированных свалок и полигонов ТБО.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- Обоснована принципиальная возможность управления процессами метанообразования на несанкционированных свалках и полигонах ТБО.

- Построена газодинамическая модель процесса аэрации свалочного тела.

- Разработаны и обоснованы оптимальные параметры технологии и конструкции аппаратов управления образованием метана и дегазацией ТБО в местах их складирования.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Результаты исследований по снижению экологической опасности несанкционированных свалок и полигонов ТБО через управление процессом метанообразования на всех стадиях существования свалочного тела от начала складирования до полной минерализации [10,18,40,61].

2. Математическая модель и инженерная методика для расчета аэрирующих систем на свалках и полигонах[8,9].

3. Конструкции технологического оборудования для подавления метанообразования и дегазации несанкционированных свалок и полигонов ТБО [17].

Практическая значимость результатов исследований заключается в разработке:

- технологии подавления метанообразования и дегазации свалочного тела на всех стадиях существования несанкционированных свалок и полигонов ТБО;

- конструкции опытно-промышленного технологического оборудования для подавлении метанообразования и дегазации свалочных тел;

- инженерной методики расчета процесса и оборудования для подавления метанообразования в условиях депонирования ТБО.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на 2-ой Международной выставке по управлению отходами ВЭЙСТТЭК [ Москва, 2001 г.]; на 4-ой Московской международной выставке Доркомэкспо [ Москва, 2002 г.]; на 2-ой научно-практической конференции: "Московская наука: проблемы и перспективы" [Москва., 2002 г.].

Публикации. По теме диссертации опубликованы тезисы докладов, 4 статьи, получено положительное решение по заявке на 1 патент.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность д.т.н., проф. В.Г.Систеру за консультации в постановке цели и задач научных исследований; особую благодарность автор выражает д.т.н., проф. А.М.Гонопольскому за ряд ценных рекомендаций, позволивших более глубоко и полно раскрыть тему диссертации; к.т.н., проф. Н.Е.Николайкиной за замечания и советы, используемые при корректировке глав диссертации; к.т.н. Л.Г.Федорову, В.В.Иванову, А.Б.Лифшицу за помощь в проведении экспериментальных исследований и ряд ценных рекомендаций во время работы над диссертацией.

Диссертация выполнена в Государственном унитарном предприятии г. Москвы "Экотехпром".

Выводы

Многолетними экспериментальными исследованиями доказано, что направленная пассивная аэрация захоронений твердых бытовых отходов является эффективным способом снижения экологической и пожарной опасности полигонов и несанкционированных свалок.

Разработана и исследована экспериментально и теоретически новая технология дегазации полигонов и несанкционированных свалок твердых бытовых отходов путем направленной пассивной аэрации свалочного тела.

-- Разработана и испытана в промышленных условиях установка направленной пассивной аэрации свалочного тела.

В результате экспериментальных исследований на действующем полигоне захоронения твердых бытовых отходов доказано, что явления «временного лага» в образовании биогаза на полигонах ТБО не существует. В реальности оказалось «временный лаг» это период заполнения биогазом свалочного тела. Образование биогаза начинается с момента захоронения ТБО.

Разработана газодинамическая квазиодномерная математическая модель аэрации свалочного тела, качественно верно отражающая процесс аэрации.

Разработана типовая конструкция дегазирующей системы для полигонов и несанкционированных свалок ТБО.

Реализация результатов исследований является единственным на сегодня способом дегазации несанкционированных свалок твердых бытовых отходов, она позволит резко снизить их пожароопасность и влияние на эмиссию парниковых газов в Московской области.

1. Абрамович Г.М. Прикладная газовая динамика, М., 1969, с. .

2. Астрецов В.М., Зайцев С.Е., Лифдтиц А.Б. и др. Полигоны твердых бытовых отходов ближнего Подмосковья. (Анализ. Проблемы. Новая политика) «Чистый город», №4,1998, с.37-43.

3. Беренгартен М.Б., Васильева И.А., Девяткин В.В., Николайкина Н.Е. Управление отходами в городском хозяйстве. Учебное пособие под редакцией

4. B.Г.Систера М., МГУИЭ, 1999 , с.120.

5. Волковинский А.А. Обезвреживание и утилизация твердых бытовых отходов

6. C.-Петербурга. «Чистый город», №3(7), 1999, с.21-24.

7. Васильченко Е.А., Любомирский Я.А., Ютина А.С. Усовершенствование эксплуатации полигона ТБО в г. Одессе. В сб. докладов Международного конгресса «ЭТЭВК-2001». Украина, Крым, г.Ялта 22-26 мая 2001 г, с.297-298.

8. Гонопольский А.М., Слободкина Ф.А. «Изв. АН СССР, МЖГ», 1976, №6, с.124-130.

9. Гонопольский А.М., Даутов А.И., Исмаилов Р.Х., Слободкина Ф.А. «ИФЖ» том 33, №1,1977, с. 50-53.

10. Гонопольский A.M., Кремер А.И., Мурашов В.Е., Тимошенко О.Б. "Оценка методов обследования полигонов для захоронения твердых бытовых отходов и технологий по прерабопсе тела полигона". М., ГУЛ "Экотехпром". 2000, с.

11. Гонопольский A.M., Мурашов В.Е. Разработка технологии подавления метанообразования на несанкционированных свалках и полигонах ТБО. Сб. докладов 2-ой Международной выставки по управлению отходами ВЭЙСТЭК. М., 2001, С. 1*7.

12. Гонопольский А.М., Федоров Л.Г., Мурашов В.Е. Новые технологии полигонного захоронения ТБО. Труды 2-ой научно-практической конференции. Московская наука: проблемы и перспективы. М., 2002 , с. \ М \ ^ £> •

13. ГОСТ 3743-47 «Камеры биотермические».

14. ГОСТ 17.2.3.02-78. «Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями».

15. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. М., Химия, 1988, с. 2\

16. Гюнтер Л.И., Гольдфарб JI.JL, МетантИси, М., Стройиздат, 1991, с. V87.

17. Добыча биогаза на полигонах ТБО, его обезвреживание и утилизация.

18. ГУЛ «Экотехпром», М., 1998 г. (ссылка на: Ж.»Природа», Москва, 1995, №6, с.23

19. Дуелл. Воздействие газов, образуемых в районах свалок, на почву и растительный noKpoB.(Effect of Landfill on Soil and Vegetation.) Pollution Engineering, 1986, p.38-40.

20. Заявка на патент №2002122537 от 22.08.2002 г. Способ и система аэрации свалок ТБО. Авторы: Гонопольский A.M., Федоров Л.Г., Мурашов В.Е.

21. Иванов В.В., Мурашов В.Е., Абросов В. П." Современные требования к полигонам твердых нетоксичных промышленных отходов". Доклад. 4-я

22. Московская международная выставка Доркомэкспо 2002., Москва, с. h

23. Интернет. http://cci.glasnet.ru/mc/waste/KUCH.htm Рекультивированный полигон Кучино. 1992.

24. Интернет. Адрес http ://www.vspto/gov/patMndex/html/. Детальные описания и информация по патентам аэробной деградации отходов. 1999.

25. Интернет. Адрес: www.aerobiclandfill.com. Информация по аэробному подходу утилизации отходов.

26. Иппсов А.Г. Диоксины: общемировая проблема или мир? «Чистый город», №1(9), 2000. С.31-32.

27. Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85, Госкомитет СССР по делам строительства, М, 1986, с.56.

28. Козловская С.Б., Ютина А.С. Утилизация биогаза полигонов твердых бытовых отходов (ТБО). Сборник докладов Международного конгресса "ЭТЭВК -2001". Украина, Крым, г. Ялта 22-26 мая 2001 года, с. 301-303.

29. Количественная оценка влияния окисления на эмиссию метана со свалок. J. Geophys.Res.D/-1996-101, №11. -с. 16721-16729. (Из «Управления отходами». Экспресс-информация. ГУЛ «Экотехпром», вып. 1, М. 1998. С.64-6^.

30. Контроль за активным газом из органических отходов: проектирование коллекторной cemlWM Proceeding. Март, 1999, с.4-8.

31. Крельман Э.Б. Мусороперерабатывающий завод-гигант в Санкт-Петербурге. «Чистый город», №1,1998, с.28-31.

32. Крельман Э.Б., Маслов B.C. Проектирование мусоросортировочных цехов и станций. «Чистый город», №2(10), 2000, с. 42-45.

33. Крхамбаров Я.Н. Технология ускоренного биотермического обезвреживания твердых городских отбросов. В сб.: Обезвреживание и использование городских отбросов. Сб.науч. Тр. АКХ им.Панфилова, вып. XIV. 1962. с.55-66.

34. Лифшиц А.Б., Гурвич В.И. Утилизация свалочного газа мировая практика, российские перспективы. «Чистый город», №2(6), 1999.C.8-17.

35. Материалы научно-производственного предприятия «Экотехпром», 1996, с.(?-\А.

36. Матросов А.Е., Управление отходами. -М.: Гайдорики, 1999, с.480.

37. Маякин А.С., Рыбкин М.Д., Егоров В.Е. Создание сортировочных комплексов -одно из перспективных направлений промышленной переработки городских отходов в Москве. «Чистый город», №2(18), 2002, С.2>.

38. Мелкуиов Ю.А., Лифшиц А.Б., Грибанова Л.П., Корнеев В.Г. Управление твердыми бытовыми отходами в Московском регионе. «Чистый город», №3(7), 1999, С.>7-44.

39. Менее В.Г. Бескамерный биотермический метод обезвреживания твердых бытовых отходов (с направленной аэрацией). Обезвреживание и использование городских отбросов.Сб.научн.тр.АКХ им.Панфилова, вып.ХГУ.1962. с.30-54.

40. Мирный А.Н., Маслов B.C., Крельман Э.Б. Проект Оренбургского завода механизированной переработки твердых бытовых отходов (ТБО). «Чистый город»,№4(8), 1999. c.31-34f

41. Мирный А.Н. Мусороперерабатывающий минизавод для города с населением 100-180 тыс.жителей «Чистый город» №1(9), январь-март2000г., сЪЪ-Vr.

42. Моисеев Н.Н. Экология, охрана природы и экологическая безопасность. М.: МНЭПУ, 1996.

43. Мурашов В.Е. Современные подходы к эксплуатации действующих полигонов. Сб. Экология города: проблемы и решения. М., 1997 } с. 17.

44. Отчет по теме: «Экологическая паспортизация рабочей зоны полигона ТБО «Тимохово». Геополис, М.1991.;с.85.

45. Патент 5599138 США, МКИ6 В09В 1/00.

46. Пигута Д.Б. Санитарная очистка населенных мест. Медгиз. М., 1955, с.Ы-П.

47. Полигонные стандарты. Руководство по регулированию и рассмотрению требований для новых или расширяющихся полигонов. Канада, Онтарио, Министерство окружающей среды. Май 1998.-P.I-VI, 1-127.

48. Потапов А.Д., Щербина Е.В., Теличенко В.И. и др. О теоретических основах проектирования современных полигонов ТБО (твердых бытовых отходов). Изв. ВУЗ. Строительство №6,2001, с.98-105.

49. Простакишин Г.П., Осин О.М., Ивашина Л.И. и др. Токсикологогигиеническая оценка загрязнения атмосферного воздуха веществами, выделяющимися при рекультивации городских земель. «Гигиена и санитария», №1,2001, с.22-25.

50. Рабочие материалы учебных курсов «Проектирование и эксплуатация полигонов для захоронения твердых отходов в странах: с переходной экономикой». 4-6 июня 2001. Москва, Россия^ c.zog.

51. Результаты выборочных исследований свойств материала тела свалки твердых бытовых отходов (ТБО), АКХ им. К.Д.Памфилова, М.,1997

52. Рудакова JT.B. Научно-методическое обоснование снижения эмиссии загрязняющих веществ полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) биотехнологическими методами. Автореф. Дисс, На соискание уч.ст.д.т.н. Пермь, 2000, с.49.

53. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1031-01 санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. М,, 2001г.

54. СП 2.1.7.1038-01. Санитарные правила. Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов. 2001 г.

55. Систер В.Г., Мирный А.Н., Скворцов JI.C., Абрамов Н.Е., Николосов Х.Н. Твердые бытовые отходы (сбор, транспортирование и обезвреживание). Справочник М.: АКХ им.К.Д.Панфилова, 2001 -с.320,

56. Скворцов J1.C., Мирный А.Н., Варшавский В.Я. Сельскохозяйственное использование компоста, полученного из твердых бытовых отходов. «Чистый город», №2 (6), 1999, г~1

57. Сметанин В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления. М.:Колос, 2000.-c.232,

58. Справочник по санитарной очистке городов и поселков. Шевченко Ю.Л., Дмитриенко Т.А. Киев, «Буд1вельник», 1978,0.98-100.

59. Технико-экономическое обоснование получения и обогащения биогаза, образующегося при совместном складировании ТБО и ОСВ (Полигон «Волхонка» . завода МПБО-1). ОПКТБ «Эко-инж» института «Ленгипроинжпроект». W ? 8, с. 18 >.

60. Токсикометрия химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Под редакцией А.А.Каспарова, И.В.Санацкого, М., 1986.

61. Федоров Л.Г. Оптимизация системы транспортировки твердых бытовых отходов вг. Москве. «Управление отходами». Экспресс-информация. Спецвыпуск. ГУП «Экотехпром», М., 1997, с. 15-20.

62. Федоров Л.Г. Тенденции развития мусороперегрузочных станций в Московском регионе. «Чистый город», №2,1998, с.8-15.

63. Федоров Л.Г., Мурашов В.Е. Технические решения при строительстве и эксплуатации санитарного полигона «Хметьево». Сб. докладов 2-ой Международной выставки по управлению отходами ВЭЙСТЭК.М., 2001 г., с. \Ы>.

64. Федоров М.П., Черемисин А.В. Природоохранные мероприятия на полигонах твердых бытовых отходов с осуществлением сбора и утилизации биогаза. Регион. Экол. №3,1999, с.89-93.

65. Эксплуатация свалок в аэробных условиях. Wastes Management, 2000, март, с. 25-27.

66. Berenyi Е.В. and Gould R.N., 1994-95. Methane Recovery From Landfill Yarbook, governmental Advisory Associates, Yue., New York, 1995.

67. Cal Recovery, Metro Manila Solid Waste Manegment Study, 1982.

68. Don Augenstein and Joan Pacey, Lanfill methane models, TMCON Associates, 1995, p.3.

69. Hanashima, M. /1999/: Pollution control.

70. Ссылка в статье: Эксплуатация свалок в аэробных условиях'. Wastes Management, 2000, март, с.25-27.

71. Hazardous Waste and Hasardous Mater. M. 1996,13, №2, c. 159-163.

72. Hydgins and Harper , 1999 . Ссылка в статье «Эксплуатация свалок в аэробных условиях».Wastes Management, 2000, март, с.25-27.

73. J.Hasardous Mater, 1997, 53, № 1-3, с. 141-164.71. "Landfflling", Department of Water resources engineering Lund Institute of Technology. Lund University, Sweden, 1994, c. -ui.

74. Morelli, I.Municipal Solid Waste Landfills: Optimization, NYSEELDA, Albany, NY

75. Naber, J. Mining the Landfill: The Ultimate Resource Waste Age, 196-197, Nov, 87

76. Personal communications 1960-70.

77. Peter Montague, Rachels environmtnt, Health weeklu. 226, March 27, 1991. Опасно ли жить возле свалки? Интернет. http://cci. Glasnet. Ru /тс/ waste/ us HTM.

78. Shuval, Hillel, Composting Municipal Garbage in Israel Tavruau, Jul-Dec, 58.

79. State of Florida Governors Energy Office and the Board of Collier Country Commissioners Solid Waste Managment Dept, Feasibility Study:Landfill Mining at Collier Country, Florida, Sept 87.

80. Stessel, RL and Murphy, RJ Processing Material Mined from Landfills, Interim Report Vol II, University of S Florida, Tampa, Florida, Sept 91.

81. Tiefbau-Berufsgenoss, 1993,105, №9, c. 614-616, 618-619.

82. Warmer Bull, 1995, №45, c. 10-11.

83. Watson, T, Recycling the Landfill: The mining of disposal sites, Resource Recycling, 20,21, 58, 59, Sept/Oct'88/.

84. Wiss. Z. Techn.Univ., Drezden, 1994,43, №1, c. 25-31.