Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов
Для оценки энергетического потенциала биогаза и эмиссии парниковых газов на полигонах твердых бытовых отходов применяются математическое моделирование газообразования и экспериментальные методы исследования. В работе выполнено сравнение моделирования газообразования с результатами лабораторных и пол...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59503 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов / А.Ю. Пухнюк // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 83-93. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859653504946143232 |
|---|---|
| author | Пухнюк, А.Ю. |
| author_facet | Пухнюк, А.Ю. |
| citation_txt | Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов / А.Ю. Пухнюк // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 83-93. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Для оценки энергетического потенциала биогаза и эмиссии парниковых газов на полигонах твердых бытовых отходов применяются математическое моделирование газообразования и экспериментальные методы исследования. В работе выполнено сравнение моделирования газообразования с результатами лабораторных и полевых исследований на нескольких украинских полигонах ТБО.
Для оцінки енергетичного потенціалу біогазу та емісії парникових газів на полігонах твердих побутових відходів застосовуються математичне моделювання газоутворення та експериментальні методи дослідження. В роботі виконано порівняння результатів моделювання газоутворення з результатами лабораторних та польовихдосліджень на декількох українських полігонах ТПВ.
Mathematical modeling and experimental investigations are used for assessment of landfill gas (LFG) generation and utilization potential, and assessment of greenhouse gas emissions from municipal solid waste (MSW) landfills. In paper results of LFG modeling are compared with laboratory and field investigations at several Ukrainian MSW landfills.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:36:09Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 34, №4 83
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
УДК 657.471.23:662.767.2
Пухнюк А.Ю.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗООБРАЗОВАНИЯ НА СТАРЫХ УКРАИНСКИХ
ПОЛИГОНАХ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Для оцінки енергетичного по-
тенціалу біогазу та емісії парни-
кових газів на полігонах твердих
побутових відходів застосовують-
ся математичне моделювання га-
зоутворення та експериментальні
методи дослідження. В роботі ви-
конано порівняння результатів мо-
делювання газоутворення з резуль-
татами лабораторних та польових
досліджень на декількох україн-
ських полігонах ТПВ.
Для оценки энергетического по-
тенциала биогаза и эмиссии парни-
ковых газов на полигонах твердых
бытовых отходов применяются ма-
тематическое моделирование газо-
образования и экспериментальные
методы исследования. В работе вы-
полнено сравнение моделирования
газообразования с результатами ла-
бораторных и полевых исследова-
ний на нескольких украинских по-
лигонах ТБО.
Mathematical modeling and
experimental investigations are used
for assessment of landfill gas (LFG)
generation and utilization potential,
and assessment of greenhouse gas
emissions from municipal solid waste
(MSW) landfills. In paper results of
LFG modeling are compared with
laboratory and field investigations at
several Ukrainian MSW landfills.
DOC – разлагаемый органический углерод;
F – поправочный коэффициент для учета воз-
гораний;
GB21 – тест на газообразование;
kj –параметр скорости образования метана;
L0 – потенциал образования метана;
MCF – поправочный коэффициент метано-
образования;
OX – поправочный коэффициент окисления
метана;
RA4 – тест на респираторную активность;
W – количество вывезенных отходов;
φ – поправочный коэффициент неточности
модели;
БГ – биогаз;
ВВ – влажное вещество;
МГЭИК – Межправительственная группа экс-
пертов по изменению климата;
л н.у. – литр при нормальных условиях
ОВ – органическое вещество;
ОУ – (общий) органический углерод;
СВ – сухое вещество;
ТБО – твердые бытовые отходы.
1. Введение
Несмотря на современные тенденции со-
кращения захоронения твердых бытовых от-
ходов (ТБО) в развитых странах, складирова-
ние ТБО на полигонах еще долго будет оста-
ваться наиболее распространенной практикой
в развивающихся странах и в странах с пере-
ходной экономикой. Биогаз (БГ) из ТБО, ос-
новными компонентами которого являются
парниковый газ метан и двуокись углерода,
образуется при разложении органических от-
ходов в анаэробных условиях в теле полигона.
До недавнего времени на полигонах и свалках
ТБО развивающихся стран системы сбора БГ
отсутствовали, однако в последние годы боль-
шое количество проектов по сбору БГ в этих
странах были инициированы в рамках реали-
зации финансовых механизмов Киотского про-
токола (КП).
Для технико-экономической оценки и про-
ектирования систем сбора БГ необходимо
надежное прогнозирование его количества.
Статистические данные Рамочной конвен-
ции ООН по изменению климата по проектам
сбора БГ, реализованным в качестве проек-
тов механизма чистого развития КП в 2003 –
2010 годах, продемонстрировали недопостав-
ку единиц сокращения выбросов по сравне-
нию с исходными прогнозами, в среднем, око-
ло 50 % [1].
Наиболее существенной причиной расхож-
дений считается переоценка потенциала газо-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №484
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
образования в связи с наличием факторов не-
определенности моделирования, связанных с
недостаточностью входных данных о характе-
ристиках отходов, условиях в теле полигона и
влиянии методов эксплуатации. Модели газо-
образования, широко применяемые для оцен-
ки потенциала выхода БГ, были разработаны
для климатических условий и высоких стан-
дартов захоронения отходов развитых запад-
ных стран. Применение моделей в странах с
другим составом отходов, неразвитой систе-
мой управления ТБО может приводить к су-
щественным погрешностям.
2. Модели газообразования
Модели газообразования описывают из-
менение образования БГ во времени в зави-
симости от состава и графика захоронения
отходов. В последнее время чаще всего ис-
пользуются модели, основанные на кинетике
распада первого порядка (РПП). Используют-
ся простые однокомпонентные и многоком-
понентные варианты модели. Согласно иссле-
дованиям [2], многокомпонентные модели,
которые учитывают индивидуальные свойства
отдельных фракций отходов, дают более точ-
ные результаты. Многокомпонентная (много-
фазная) модель 1-го порядка рекомендована к
использованию МГЭИК для расчета эмиссии
метана на полигонах ТБО при подготовке на-
циональных кадастров выбросов парниковых
газов.
В работе были использованы два варианта
многофазных моделей РПП: модель МГЭИК и
украинская модель газообразования для поли-
гонов ТБО (Версия 1.0, 2009). В качестве пара-
метров обе модели используют скорость об-
разования метана kj и содержание разлагае-
мого органического углерода (DOCj) для
отдельных фракций отходов и включают по-
правочные коэффициенты для учета местного
климата и условий на полигонах.
Многофазная модель МГЭИК. Согласно
“Методологии для определения выбросов ме-
тана с мест захоронения твердых бытовых
отходов” МГЭИК (Версия 05.1.0, далее – “ме-
тодология МГЭИК”, [3]), выход метана с по-
верхности полигона ТБО QCH4, y (тонн в году y)
оценивается следующим образом:
4, 16 /12 (1 ) = ϕ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ×CH y fQ OX DOC MCF
1 j
· ·(1 )−
=
× −∑ ∑ j j
y
-k y x -k
j,x j
x
W DOC e e( ) ,
где Wj,x – количество органических отходов
фракции j в году x (тонн).
Поправочный коэффициент модели φ при-
меняется для учета возможной погрешности
моделирования (по умолчанию 0,9). Доля ор-
ганического углерода, разлагающегося в анаэ-
робных условиях DOCf , по умолчанию равна
0,5. Поправочный коэффициент окисления ме-
тана (OX), равный 0,1, применяется в случае
наличия на полигоне специального верхнего
покрывающего слоя (почвы или компоста), в
котором происходит окисление метана. На ис-
следуемых полигонах этот коэффициент был
принят равным нулю. Поправочный коэффици-
ент метанообразования (MCF) учитывает долю
аэробности полигонов и изменяется в пределах
0,4…1,0 (для крупных украинских полигонов
наиболее часто используется значение 0,8).
Разлагаемый органический углерод (DOC).
По рекомендациям МГЭИК используются
следующие значения DOC (% ВВ) для фрак-
ций органических отходов: древесина – 43 %,
бумага и картон – 40 %; пищевые отходы –
15 %; текстиль – 24 %; садово-парковые отходы –
20 %. Для оценки доли фракций в общем пото-
ке ТБО использовался усредненный морфоло-
гический состав отходов в Украине, рассчитан-
ный на основании исследований состава ТБО,
проведенных в период 2004 – 2012 гг. в 16 горо-
дах Украины [4– 6]: пищевые отходы – 36,1 %,
садовые отходы – 9,8 %, бумага и картон –
14,3 %, текстиль – 3,4 %, древесина – 1,9 %,
резина, кожа, кости – 2,2 %, другие органичес-
кие отходы – 0,4 %.
Украинская модель газообразования раз-
работана в 2009 г. при поддержке программы
«Метан на рынок» Агентства по охране окру-
жающей среды США [7] на базе модели газо-
образования LandGEM (Агентство по охране
-kj(y–x)
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 34, №4 85
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
окружающей среды США, версия 3.02, 2005)
и имеет аналогичную многофазную структуру:
1
4,
1 0,1
2 [ /10] ( ) ( )−
= =
= × × ×∑ ∑ ij
n
kt
CH y 0 i
t j
Q kL W e MCF F .
Потенциал метанообразования (L0) ха-
рактеризует удельный потенциал образования
метана из тонны отходов и определяется на ос-
новании рекомендуемого в модели LandGEM
значения 100 м3/т ТБО с содержанием сухо-
го вещества (СВ) 44 % и оцененного влагосо-
держания органических фракций ТБО.
Скорость образования метана (kj). В ме-
тодологии МГЭИК константа kj отличается
по категориям отходов и климатическим ус-
ловиям. Среднегодовая температура в Украине
составляет + 6…13 ºC, среднегодовой уровень
осадков (О) – 610 мм, средний уровень сум-
марной эвапотранспирации (ЭТ) – 530 мм.
Таким образом, kj выбирались для умеренно-
го (среднегодовая Т < 20 ºC) и влажного кли-
мата (О/ЭТ > 1). Значения kj в украинской мо-
дели определены для каждой группы отходов
на основании типа отходов и климата области
Украины, где расположен полигон. Каждая
административная область отнесена к одному
из 4-х климатических регионов. Средний уро-
вень осадков для региона полигонов A, Б со-
ставляет 500…599 мм/год, для полигона B –
430…499 мм/год. Применяемые коэффициен-
ты потенциала образования БГ (содержание
CH4 – 50 %), L0 и скорости образования метана
kj приведены в табл. 1.
Поправочный коэффициент для учета воз-
гораний (F). По данным операторов полигонов
на них могут случаться возгорания, во время
которых происходит окисление органического
вещества отходов и метана. Модель дисконти-
рует образование БГ с учетом процента пло-
щади полигона, попавшей под воздействие
пожаров и коэффициента интенсивности их
влияния (1/3 для низкой интенсивности, 2/3
для средней интенсивности, и 1 для высокой
интенсивности). Для обеспечения консерва-
тивной оценки потенциала БГ были использо-
ваны следующие предположения: площадь воз-
действия – 30 %, интенсивность воздействия –
средняя (F = 0,8).
3. Цели и методы исследования
В работе обсуждаются результаты иссле-
Табл. 1. Применяемые коэффициенты потенциала газообразования L0 и скорости образования
метана k
Модель МГЭИК
Тип отходов L0, м
3 БГ /т ВВ k, 1/год
Быстроразлагающиеся (пищевые отходы) 154 0,185
Умеренноразлагающиеся (садово-парковые отходы) 205 0,10
Медленноразлагающиеся
– бумага, картон 410 0,06
– текстиль и др. 246 0,06
– древесина 439 0,03
Среднее: 157
Украинская модель
Быстроразлагающиеся (пищевые отходы) 138 0,140
Умеренноразлагающиеся (садовые отходы) 253 0,070
Умеренно-медленно разлагающиеся (бумага, картон, текстиль) 428 0,028
Медленноразлагающиеся (древесина и др.) 403 0,014
Среднее: 167
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №486
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
дований четырех украинских полигонов, про-
веденных с целью оценки потенциала газо-
образования перед инвестированием в ком-
мерческие системы сбора БГ. Программа ис-
следований включала определение химичес-
ких, биологических характеристик и остаточ-
ного потенциала метанообразования образцов
отходов с полигонов в лабораторных услови-
ях, а также проведение тестовой откачки БГ на
полигонах. Результаты, полученные в лабора-
торных и полевых исследованиях, сравнива-
лись с результатами моделирования БГ, а так-
же с фактическими данными по сбору БГ, по-
лученными в процессе эксплуатации полно-
масштабной системы сбора БГ.
3.1. Описание полигонов и методов
исследования
Полигон А эксплуатировался с 1967 по
2010 г. Площадь полигона – 14,3 га, масса
накопленных отходов – 2,6 млн. т, глубина –
до 30 м. В 2008-2010 годах поверхность по-
лигона покрыта глино-почвенной смесью. В
2008 г. на полигоне проводился 30-ти днев-
ный насосный тест с использованием трех
скважин. Оценка радиуса влияния скважин
проведена с помощью измерения разрежения
в теле полигона на различных расстояниях
от скважин. Проведена оценка удельного вы-
хода БГ на единицу массы отходов.
Полигон Б обслуживает тот же населен-
ный пункт, что и полигон А, находится в экс-
плуатации с 1976 г.; количество накопленных
отходов (на 2010 г.) – 2,7 млн.т. Кроме быто-
вых отходов на полигон могли поступать инерт-
ные отходы промпредприятий. Во время экс-
плуатации были зафиксированы пожары, в том
числе во время проведения полевых исследо-
ваний наблюдались очаги возгораний по пе-
риметру полигона. В декабре 2009 г. на поли-
гоне обустроены скважины глубиной до 16 м.
Во время бурения было тобрано пятнадцать
образцов ТБО массой до 5 кг с глубины от 3 до
15 метров.
Полигон В эксплуатируется с 1981 г., ко-
личество накопленных отходов по данным
оператора – 3 млн. т. На обследованных участ-
ках есть промежуточное почвенное покрытие.
В 2006 г. на полигоне отобраны семь образ-
цов отходов с глубины от 4 до 11 м в разных
частях полигона. Во время отбора по пери-
метру полигона также наблюдались очаги за-
дымления.
Полигон Д площадью 14 га и глубиной
15…16 м принимает ТБО с 1961 г., верхнее
покрытие отсутствует. По данным оператора
количество накопленных отходов составляет
4 млн. т. На полигоне было пробурено 10 сква-
жин глубиной 9…11 м. Образцы массой до 5 кг
(13 шт.) были отобраны на двух площадках из
5 скважин (с глубины от 3-х до 12 метров).
Все четыре исследуемых объекта не могут
считаться инженерными полигонами, являясь
по существу простыми свалками, поскольку
для них характерны отсутствие промежуточ-
ной пересыпки и недостаточное уплотнение
отходов, отсутствие гидроизоляционного слоя
на дне, поверхности и склонах полигона, на-
личие возгораний, отсутствие системы уп-
равления фильтратом и сбора биогаза и др.
3.2 Лабораторные исследования
Программа исследования образцов, соб-
ранных на полигонах Б, В, Д, включала из-
мерение влажности, содержания органичес-
кого вещества (ОВ) и общего органическо-
го углерода (ОУ). Для образцов с полигона Б
дополнительно проводились биологические
тесты на газообразование и респираторную
активность в Технологическом университете
Гамбург-Харбург (TUHH, Германия).
Стандартный тест на газообразование
(GB21) используется для определения потен-
циала газообразования органических веществ –
отходы сбраживаются в анаэробном реакторе
объемом 0,5 л при температуре 35 °C в присут-
ствии инокулянта. Тест проводился объемным
и манометрическим способом (рис. 1).
Тест на респираторную активность (RA4)
позволяет оценить способность к биологиче-
скому разложению органического вещества
в аэробных условиях и служит дополнитель-
ным индикатором степени биологической
стабилизации отходов. Тест RA4 был выпол-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 34, №4 87
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 1. Объемный (слева) и манометрический (OxiTop®) методы оценки
потенциала образования БГ [6].
нен в лабораторном респирометре (IBUK
Co, Германия), в котором измеряется потреб-
ление кислорода (мг O2/г СВ) при аэробном
разложении органического вещества в тече-
ние 4 дней при T = 20 °C.
Подготовка образцов для биологических те-
стов включала измельчение до размера < 20 мм
и гомогенизацию, до этого были изъяты вруч-
ную не поддающиеся дроблению инертные
вещества (камни, металлы и др.). До начала
программы измерений образцы хранились в
замороженном состоянии при температуре –
18 ºC.
4. Результаты исследований
4.1. Исследование общих свойств
образцов отходов
Результаты исследования образцов с поли-
гонов Б, B, Д приведены в таблице 2.
Полигон Б. В отходах с глубины 3 м на
участке меньшего возраста (Б2, Б4) визу-
ально различались фракции ТБО – смешан-
ная органика, бумага, текстиль, древесина,
в то время как на глубинах ≥ 6 м скважин
Б2, Б4 и по всей глубине скважины Б1 отходы
имели однородный характер влажной темно-
серой песчано-почвенной массы с включения-
ми медленноразлагаемых фракций ТБО (дре-
весины, текстиля, изредка картона), инертных
отходов (камней, стекла) и повышенным от-
носительным содержанием пластика. Во вре-
мя бурения встречались слои шлака, который,
по-видимому, использовался для пересыпки
отходов. Влажность отходов повышалась с
глубиной, однако накопление фильтрата на
глубине не было обнаружено. Содержание
инертных материалов (камни, стекло, метал-
лы), отсортированных перед измельчением об-
разцов, составляло в среднем 36 ± 10 % массы
(до 50…60 % в двух образцах). Измеренные
в лаборатории значения ОВ и ОУ были скор-
ректированы с применением понижающего
коэффициента для учета отсортированных пе-
ред измельчением инертных материалов. Сред-
Табл. 2. Характеристики образцов, отобранных на полигонах Б, B, Д
Параметр Полигон Б Полигон B Полигон Д
Год начала работы/год закрытия 1976/2007 1981/2003 1961/2010
Год отбора проб 2009 2006 2009/2011
Отсортированные инертные материалы, % СВ 19…36 – 3…49
Влажность, % 23,1 ± 5,5 33,4 ± 6,6 43,3 ± 7,6
Органическое вещество (ОВ), % СВ 9,4 ± 2,9 14,43 ± 3,16 20,6 ± 7,1
Общий органический углерод (ОУ), % СВ 4,7 ±1,8 5,41 ± 1,19 9,1 ± 2,5
CaCO3, % СВ 9,1 ± 5,7 – 3,5 ± 1,9
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №488
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 2. Общее содержание органического вещества и органического углерода
в образцах с полигонов Б, В, Д.
TOC/LOI = 0,46
R2 = 0,8871
N=35
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20 25 30 35
Органическое вещество (LOI), % СВ
О
рг
ан
ич
ес
ки
й
уг
ле
ро
д
(T
O
C
),
%
С
В
няя влажность образцов составляла 23 ± 6 %,
содержание органического вещества (ОВ) на-
ходится в диапазоне 10…21 % для 13 из 15
образцов (для двух образцов – 24 % и 5 %), а
с учетом предварительного отбора инертных
материалов – 9 ± 3 %. Содержание ОУ с уче-
том отсортированных инертных компонентов –
5 ± 2 %.
Полигон В. В образцах отходов наблюдалось
влагосодержание в диапазоне 25…42 %, низкое
содержание ОВ (9,5…18,6 %) и ОУ (3…7 %).
Полигон Д. Образцы, отобранные на этом
полигоне, отличаются относительно высоким
содержанием ОВ и ОУ (9…32 % и 5…13 % со-
ответственно), что может свидетельствовать
о меньшей степени разложения органических
фракций, чем на полигонах Б и В. Влажность
отходов высокая, на глубине от 8…9 м до дна
полигона (~16 м) отходы насыщены фильтра-
том.
Содержание органического вещества в об-
разцах изменяется в широком диапазоне (от 4
до 32 %), при этом соотношение ОВ и ОУ ос-
тается примерно постоянным (рис. 2) – таким
образом, для оценки степени стабилизации
отходов достаточно использовать один из этих
двух параметров.
Как видно на рис. 3, для большинства об-
разцов наблюдается общая тенденция умень-
шения содержания ОУ с увеличением глуби-
ны образца. Однако данная тенденция нару-
шается для некоторых скважин и отдельных
образцов, где наблюдается сравнительно вы-
сокое содержание ОВ и ОУ на больших глу-
бинах. По-видимому, можно сделать вывод о
том, что существенное влияние на количество
и степень разложения органики оказывают ло-
кальные условия в теле полигона.
Измеренные значение ОВ и ОУ включа-
ют медленноразлагаемый в анаэробных усло-
виях лигнин и неразлагаемую пластмассу. В
исследовании образцов с полигона США со-
общалось, что из-за присутствия пластмасс
и лигнина, значение ОВ во многих случаях
было выше 15 % даже для образцов с низким
потенциалом метанообразования [9]. Поэтому,
предполагается, что измеренные значения ОВ
и ОУ представляют, в основном, неразлагае-
мую органику. Повышенное содержание кар-
боната кальция в образцах с полигона Б (в
несколько раз выше, чем в образцах с полиго-
на Д) может свидетельствовать о повышенном
содержании строительных отходов.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 34, №4 89
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 3. Общее содержание органического вещества и органического
углерода в образцах с полигонов Б, В, Д .
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20
Глубина отбора образца, м
О
рг
ан
ич
ес
ки
й
уг
ле
ро
д,
%
С
В
Полигон Б, скважина 1
Полигон Б, скважины 2-3
Полигон В
Полигон Д,скважины 1-2
Полигон Д, скважина 3
Полигон Д,скважины 4-5
4.2. Лабораторные тесты
потенциала газообразования
Результаты тестов остаточного потенциала
газообразования GB21, которые проводились с
образцами с полигона Б, приведены на рис. 4.
Наблюдается взаимосвязь между возрастом
образца (глубиной его отбора) и остаточным
потенциалом образования БГ. Самый высокий
потенциал образования БГ был определен для
образцов на глубинах 3…6 м. Образцы из двух
скважин (Б2, Б4) на «новой» части полигона
продемонстрировали более высокий потен-
циал по сравнению с образцами из скважины
(Б1) с более старой части полигона. Самые
высокие остаточные потенциалы газообразо-
вания были получены для трех образцов из
двух скважин, взятых на глубине 3 м и 6 м в
новой части полигона – от 9,3 л н.у/кг СВ
до 18,5 л н.у./кг СВ. Еще три образца проде-
монстрировали потенциалы газообразования
от 3 до 7 л н.у./кг СВ, остальные девять образ-
цов – менее 2 л н.у./кг СВ. В нескольких об-
разцах наблюдалось снижение газообразова-
ния инокулянта в присутствии образцов ТБО,
что может быть связано с подавлением газо-
образования присутствующими в ТБО инги-
бирующими химическими компонентами
(например, тяжелыми металлами).
Необходимо отметить, что лабораторные
измерения связаны с погрешностями, вызван-
ными негомогенностью образцов и соответ-
ствующим расхождением кривых газообразо-
вания, наличием лаг-фазы (от 2-х до 5-ти дней),
поэтому некоторые кривые газообразования
не достигали плато в течение времени изме-
рений. Кроме того, стандартный тест GB21 оце-
нивает только часть полного потенциала про-
изводства газа. Подобные тесты газообразо-
вания, которые проводились для старых от-
ходов в течение длительных промежутков
времени (от 1 года до 6 лет) показывают, что
результаты теста GB21 могут составлять при-
мерно от 30 % до 60 % долгосрочного потен-
циала газообразования [10]. С увеличением
возраста и степени разложения отходов раз-
ница между ними повышается, так как в этом
случае в отходах преобладают медленнораз-
лагаемые фракции. В дальнейшем предпола-
галось, что результат GB21 составляет 50 %
общего потенциала для образцов возраста
< 5 лет, 40 % для образцов возраста 5…10 лет
и 30 % – для образцов возраста > 10 лет. С
учетом данных предположений общий потен-
циал газообразования может составлять при-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №490
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
близительно 37 л н.у./кг СВ для одного из из-
меренных образцов, от 16 до 23 л н.у./кг СВ
для четырех образцов, для остальных образ-
цов получены значения от 2 до 10 л н.у./кг СВ.
Респираторная активность 14 из 15 образцов
составляет до 2 мг О2/г СВ, для одного образца
с глубины 3 м – 5,8 мг О2/г СВ. Эти значения
подтверждают значения низкого биогазового
потенциала, которые наблюдались в тестах на
газообразование. Значения GB21 и RA4 при-
ведены на рис. 4.
Согласно немецким стандартам, ТБО пос-
ле механико-биологической обработки, вывоз
которых разрешен на полигоны характеризу-
ются следующими параметрами: ОУ ≤ 18%;
GB21 ≤ 20 л н.у./кг СВ; RA4 ≤ 5 мгО2/г СВ.
Таким образом, большинство исследованных
образцов имеют высокую степень стабилиза-
ции.
4.3. Сравнение результатов моделирования
и лабораторных исследований
Потенциал образования БГ по лаборатор-
ным исследованиям образцов с полигона Б
сравнивался с модельными данными. На рис. 5
измеренный в лаборатории потенциал БГ пре-
дставлен в сравнении со значениями, рассчи-
танными по описанным выше моделям (в обе-
их моделях применен коэффициент MCF 0,5).
Показанный диапазон отклонения в верхнюю
Рис. 4. Общее содержание органического вещества и органического
углерода в образцах с полигонов Б, В, Д.
сторону 50…70 % учитывает возможную недо-
оценку долгосрочного потенциала в тесте GB21.
Видно, что результатам лабораторных из-
мерений ближе к расчетным значениям по мо-
дели МГЭИК или украинской модели с при-
менением понижающего коэффициента для
учета пожаров (F = 0,8). Однако по обеим
моделям даже с применением понижающих
коэффициентов остаточный потенциал образо-
вания БГ ниже в 2…5 раз.
4.4. Сравнение моделирования с
фактическими объемами извлечения БГ
Удельный потенциал газообразования от-
ходов на полигоне А, оцененный в насосном
тесте, сравнивался с фактическими объемами
извлечения БГ за период двухлетней эксплуа-
тации полномасштабной системы сбора газа
на этом полигоне с 2010 г. Во время насосно-
го теста стабилизированный после трех недель
отбора поток газа составил 44,2 м3/ч (50 % CH4).
По оценке, объем отходов, находящихся в ра-
диусе воздействия, составлял от 167,1 тыс. м3
до 235,4 тыс. м3, потенциал сбора газа в 2008 г.,
экстраполированный на весь объем полигона –
492…693 м3/ч (1,6...2,3 м3/(год∙т отходов)). С
учетом эффективности сбора газа 85 % в пре-
делах исследуемого объема отходов, уровень
газообразования оценивался на уровне 580…
815 м3/ч (1,9…2,7 м3/(год∙т отходов)).
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 34, №4 91
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 5. Сравнение лабораторных и расчетных значений потенциала газообразования.
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Возраст ТБО, лет
П
от
ен
ци
ал
г
аз
оо
бр
аз
ов
ан
ия
(G
B
21
),
л
н.
у.
/к
г
вл
аж
ны
х
ТБ
О
Скважина Б1 Скважина Б2
Скважина Б4 Украинская модель, MCF=0.5
Модель IPCC, MCF=0.5 Украинская модель, MCF=0.5, F=0,8
Образование БГ в 2010 году оценивалось
с использованием моделей на уровне 542…
723 м³/ч (1,8…2,4 м³/(год∙т отходов)). Таким
образом, результаты моделирования были близ-
ки к результатам насосных тестов. Однако,
сбор БГ после двух лет работы полномасштаб-
ной системы сбора БГ в 2011 г. был на уровне
175 м3/ч (50% CH4). Принимая эффектив-
ность сбора 0,6, объем газообразования равен
292 м3/ч. Таким образом, фактический объем
сбора газа оказался в 1,8…2,4 раза ниже, чем
спрогнозированный во время насосного теста
и моделирования. Поскольку полигон А по-
лучает отходы того же города и эксплуатиро-
вался таким же образом как полигон Б, дан-
ные лабораторных измерений образцов с по-
лигона Б о низком остаточном газообразова-
нии косвенным образом согласуются с малым
количеством БГ, собранного на полигоне А.
Выводы
Для повышения точности оценки газооб-
разования необходимо проведение исследова-
ний, охватывающих репрезентативно большой
объем полигона, поскольку результаты могут
существенно отличаться в зависимости от со-
става, возраста, степени распада отходов и ло-
кальных условий в теле полигона. Тем не ме-
нее, могут быть сделаны выводы относительно
условий и факторов, влияющих на газообразо-
вание на исследованных полигонах.
Состав и количество отходов. Состав ТБО
может значительно отличаться в связи с различ-
ными социально-экономическими условиями
в регионах, изменением состава отходов в пе-
риод переходной экономики, неудовлетвори-
тельной стандартизацией, отчетностью и кон-
тролем в сфере утилизации отходов. Обычно
для старых полигонов отсутствует достовер-
ная информация о количестве и составе вы-
везенных отходов за период эксплуатации по-
лигона, а заявленное операторами количество
накопленных отходов может не соответство-
вать реальности. Полигоны могут принимать
отходы промышленных предприятий или стро-
ительный мусор, что, вероятно, является объ-
яснением повышенного содержания карбона-
та кальция в образцах полигона Б. Повышен-
ное содержание инертных отходов, а также
возможное присутствие в них ингибирующих
веществ (тяжелых металлов и др.) может при-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №492
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
вести к уменьшению потенциала генерации
газа на полигоне, что и наблюдалось в экспери-
ментальных исследованиях на полигонах А и Б.
Аэробное разложение отходов. Все иссле-
дованные полигоны имеют холмистую поверх-
ность, низкую степень уплотнения отходов,
для них характерно отсутствие регулярного
послойного перекрытия в процессе эксплуа-
тации. Все эти факторы способствуют про-
никновению атмосферного кислорода в тело
полигона и аэробному разложению ОВ в про-
цессе эксплуатации полигона.
Влагосодержание. Влажность отходов яв-
ляется одним из основных факторов, влияю-
щим на скорость разложения отходов. Отсут-
ствие регулярного покрытия и уплотнения
создает условия, благоприятные для проник-
новения дождевых осадков в толщу полигона
и ускоренного разложения органики. В усло-
виях Украины часто наблюдается повышен-
ный уровень фильтрата в теле полигона.
Ингибирование. Ингибирование может
быть связано с повышенным содержанием
определенных химических соединений, кото-
рые могут присутствовать на полигонах, при-
нимающих промышленные отходы. Например,
в нескольких образцах с полигона Б наблюда-
лось снижение газообразования инокулянта в
присутствии образцов ТБО. Для подтвержде-
ния ингибирования требуются дополнитель-
ные исследования экотоксичности и содержа-
ния тяжелых металлов.
Пожары. Пожары приводят к выгоранию
отходов и органического материала. По сооб-
щениям операторов, они достаточно регуляр-
но случаются на всех исследованных полиго-
нах и наблюдались на двух полигонах во вре-
мя проведения экспериментов. Поэтому дан-
ный факт необходимо учитывать при оценке
потенциала газообразования, хотя он сложно
поддается количественной оценке. В исследо-
ванных образцах с полигона A не наблюдалось
явных признаков разрушения огнем, поэтому
измеренный низкий газовый потенциал мо-
жет быть скорее объяснен аэробным разложе-
нием отходов или более высоким начальным
содержанием инертных материалов на этом
участке полигона, которое не было учтено при
оценке состава отходов.
Прогнозирование газообразования. Потен-
циал газообразования для среднего состава
ТБО в Украине составляет около 160 м3 н.у. БГ/т
отходов (ВВ). Как демонстрируют результа-
ты исследования образцов, остаточный потен-
циал газообразования для одного из образцов
составляет до 25 % начального значения, для
четырех образцов – до 10…15 %, а для ос-
тальных десяти образцов менее 5 % началь-
ного значения. Наибольший потенциал БГ
характерен для ТБО на глубине 3…6 м. На
глубинах более 8 м потенциал газообразова-
ния относительно невелик. Полученные ре-
зультаты свидетельствуют о наличии факто-
ров, ускоряющих аэробное или анаэробное
разложение органики в начале периода захо-
ронения.
Модель МГЭИК и украинская модель, при-
мененные для вычисления потенциала БГ, даже
с применением рекомендуемых факторов дис-
контирования для учета полуаэробных усло-
вий на полигонах и неточностей моделиро-
вания, в 2…5 раз завышают оценку остаточ-
ного потенциала газообразования для иссле-
дованного полигона по сравнению с данны-
ми лабораторных экспериментов. Данные на-
сосного теста были в 1,8…2,5 раза выше, чем
фактический сбор БГ во время эксплуатации
промышленной системы сбора БГ. Расхожде-
ние, по-видимому, связано с гетерогенностью
тела полигона. Можно сделать вывод, что по-
тенциал метана на старых полигонах специ-
фичен для условий конкретного полигона и
зависит от состава отходов и еще более от
эксплуатационной практики. Среди факто-
ров, повышающих неопределенность оценки
выхода БГ и возможность его сбора: низкая и
неравномерная степень уплотнения, отсут-
ствие изоляции дна и поверхности, отсутствие
промежуточной пересыпки отходов, наличие
возгораний Наличие этих факторов приводит
к частичному аэробному разложению или вы-
горанию отходов, а также к возможному ус-
корению разложения отходов в условиях по-
вышенной влажности, связанной с инфиль-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 34, №4 93
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
трацией осадков и накоплением фильтрата в
теле полигона.
Для уточнения потенциала газообразова-
ния необходимо проводить обследование и
экспериментальные измерения на конкрет-
ном полигоне, к тому же на различных его
участках. Необходимо обратить внимание на
уточнение состава отходов и более широкое
применение различных взаимодополняющих
полевых и лабораторных методов исследова-
ния (исследование образцов отходов, тесто-
вые откачки БГ, поверхностные измерения
эмиссии БГ и др.) для получения информации
об условиях в теле полигона и потенциале га-
зообразования отходов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Stege A.G. Steps towards initiating LFG
utilization projects in developing countries –
planning process, LFG models, and managing
project expectations. // Proceedings of Methane to
Markets Partnership Expo, Delhi, India. – 2010.
Access mode: http://www.globalmethane.org/
expo_india10/docs/postexpo/landfill_stege.pdf.
2. Coops O., Luning L., Oonk H., Weenk A.
Validation of landfill gas formation models //
Proceedings from Sardinia 1995 Fifth International
Landfill Symposium, Cossu/Stegmann (Eds.),CISA
publisher. – 1995. – P. 635–746.
3. Methodological tool «Tool to determine
methane emissions avoided from disposal of waste
at a solid waste disposal site» (Version 05.1.0) //
UNFCCC CDM Executive Board, EB 61 Report,
Annex 10. – 2011. – P.1-9. Access mode: http://
cdm.unfccc.int.
4. Скрипник А.П. Анализ морфологичес-
кого состава твердых бытовых отходов Украи-
ны как составляющая подхода к решению про-
блемы отходов // Вісник Одеського державного
екологічного університету. – 2007. – вип. 4. –
С. 78–86.
5. Ukraine National Municipal Solid Waste
Management Strategy: Existing situation and
strategic issues report / [DANCEE]. – Kiev:
COWI, 2004. – 204 p.
6. Improvement of Solid Domestic Waste
Management in Donetsk Oblast of Ukraine / [Та-
сис]. – Донецк: Тасис. 2004. – 291 с.
7. User's Manual Ukraine Landfill Gas
Model (Version 1.0) // Report prepared on behalf
of Landfill Methane Outreach Program of U.S.
Environmental Protection Agency. – 2009. Access
mode: http://www.epa.gov/lmop/international/
tools.html#a07.
8. Heerenklage, J., Stegmann, R. Analytical
Methods for the Determination of the Biological
Stability of Waste Samples // Proceedings
from Sardinia 2005, Tenth International Waste
Management and Landfill Symposium, Cossu/
Stegmann (Eds.),CISA publisher. – 2005. – P. 867-
868.
9. Kelly R.J. Shearer B. D., Kim J., Goldsmith
C.D, Hater G.R.., Novak J.T. Relationships
between analytical methods utilized as tools in
the evaluation of landfill waste stability // Waste
Management. –2006. – Vol. 26. – P. 1349–1356
10. Zach A., Widerin M., Binner E., Lechner P.
Auswahl und Anwendbarkeit von Parametern zur
Charakterisierung der Endprodukte aus mecha-
nisch-biologisch Restmuellbehandlungsverfahren.
// Schriftenreihe 'Abfallwirtschaft' des Bundes-
ministeriums fuer Umwelt, Jugend & Familie,
Wien. – 1998. – Sektion III, Band 9.
Получено 11.07.2012 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59503 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:36:09Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Пухнюк, А.Ю. 2014-04-08T19:31:28Z 2014-04-08T19:31:28Z 2012 Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов / А.Ю. Пухнюк // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 83-93. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59503 657.471.23:662.767.2 Для оценки энергетического потенциала биогаза и эмиссии парниковых газов на полигонах твердых бытовых отходов применяются математическое моделирование газообразования и экспериментальные методы исследования. В работе выполнено сравнение моделирования газообразования с результатами лабораторных и полевых исследований на нескольких украинских полигонах ТБО. Для оцінки енергетичного потенціалу біогазу та емісії парникових газів на полігонах твердих побутових відходів застосовуються математичне моделювання газоутворення та експериментальні методи дослідження. В роботі виконано порівняння результатів моделювання газоутворення з результатами лабораторних та польовихдосліджень на декількох українських полігонах ТПВ. Mathematical modeling and experimental investigations are used for assessment of landfill gas (LFG) generation and utilization potential, and assessment of greenhouse gas emissions from municipal solid waste (MSW) landfills. In paper results of LFG modeling are compared with laboratory and field investigations at several Ukrainian MSW landfills. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Нетрадиционная энергетика Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов Investigation of gas production on the old Ukrainian landfills Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов Пухнюк, А.Ю. Нетрадиционная энергетика |
| title | Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов |
| title_alt | Investigation of gas production on the old Ukrainian landfills |
| title_full | Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов |
| title_fullStr | Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов |
| title_full_unstemmed | Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов |
| title_short | Исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов |
| title_sort | исследование газообразования на старых украинских полигонах твердых бытовых отходов |
| topic | Нетрадиционная энергетика |
| topic_facet | Нетрадиционная энергетика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59503 |
| work_keys_str_mv | AT puhnûkaû issledovaniegazoobrazovaniânastaryhukrainskihpoligonahtverdyhbytovyhothodov AT puhnûkaû investigationofgasproductionontheoldukrainianlandfills |