НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЭКОПРОМ"

АКАДЕМИЯ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА им. К.Д. ПАМФИЛОВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по расчету количественных характеристик
выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
от полигонов твердых бытовых и промышленных отходов

Москва

1995

СОДЕРЖАНИЕ

1. АННОТАЦИЯ

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.

2. РАЗРАБОТЧИКИ

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.

3. ВВЕДЕНИЕ

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.

4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИГОНОВ ОТХОДОВ

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.

5. РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ С ПОЛИГОНОВ

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 = 1.868С_акт(0,014Т + 0,28);

С_акт - 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);

r_бг - 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;

t_экспл - 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 %;

r_i - 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)

C_i - 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:

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)

P_tj - количество отходов, завезенное в j-тый год, т.;

t_экспл - 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 t_экспл 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)