МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ ОТ ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

Расчет выбросов газообразных загрязняющих веществ в атмосферный воздух в данной методике приводится для нормального режима эксплуатации полигона ТБО и ПО.

Выбросы твердых и газообразных вредных веществ при работе автотранспортной и дорожной техники и котельных (при их наличии), а также выбросы твердых вредных веществ при складировании, перемещении и хранении отходов рассчитываются при необходимости по соответствующим действующим методикам.

Возгорание отходов на разных участках полигона рассматривается как аварийные выбросы.

На количественную характеристику выбросов загрязняющих веществ с полигонов отходов влияет большое количество факторов, среди которых:

- климатические условия;

- рабочая (активная) площадь полигона;

- сроки эксплуатации полигона;

- количество захороненных отходов;

- мощность слоя складированных отходов;

- соотношение количеств завезенных бытовых и промышленных отходов;

- морфологический состав завезенных отходов;

- влажность отходов;

- содержание органической составляющей в отходах;

- содержание жироподобных, углеводоподобных и белковых веществ в органике отходов;

- технология захоронения отходов;

Удельный выход биогаза за период его активной стабилизированной генерации при метановом брожении определяется по уравнению:

Q = 10^-4R (0,92 Ж + 0,62У + 0,34 Б),                                            (1)

где: Q - удельный выход биогаза за период его активной генерации, кг/кг отходов;

R - содержание органической составляющей в отходах, %;

Ж - содержание жироподобных веществ в органике отходов, %;

У - содержание углеводоподобных веществ в органике отходов, %;

Б - содержание белковых веществ в органике отходов, %.

R, Ж, У и Б - определяются анализами отбираемых проб отходов.

Жиры и белки определяются по стандартным методикам аналитического анализа (жиры - экстрагированием, белки - с применением гидролиза).

Уравнение (1) составлено применительно к абсолютно сухому веществу отходов. В реальных условиях отходы содержат определенное количество влаги, которая сама по себе биогаз не генерирует. Следовательно, выход биогаза, отнесенный к единице веса реальных влажных отходов, будет меньше, чем отнесенный к той же единице абсолютно сухих отходов в 10^-2(100-W) раз, так как в весовой единице влажных отходов абсолютно сухих отходов, генерирующих биогаз, будет всего 10^-2(100-W) от этой единицы.

Здесь W - фактическая влажность отходов в %, определенная анализами проб отходов.С учетом вышесказанного уравнение выхода биогаза при метановом брожении реальных влажных отходов принимает вид:

Qw = 10^-6R(100-W)(0,92Ж + 0,62У + 0,34Б),                              (2)

где сомножитель 10^-2(100-W) учитывает, какова доля абсолютно сухих отходов, для которых составлено уравнение (1), в общем количестве реальных влажных отходов.

Количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне отходов, определяется по формуле:

                                            (3)

где: t_c6p - период полного сбраживания органической части отходов, в годах, определяемый по приближенной эмпирической формуле:

                                                      (4)

где: t_cp.тепл. - средняя из среднемесячных температура воздуха в районе полигона твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО и ПО) за теплый период года (t_{.ср.мес.} >0), в °С;

Т_тепл. - продолжительность теплого периода года в районе полигона ТБО и ПО, в днях;

10248 и 0,301966 - удельные коэффициенты, учитывающие биотермическое разложение органики.

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» (не генерирующего или очень медленно генерирующего) органического вещества и «активного» (генерирующего) органического вещества.

Следовательно, от морфологического состава отходов зависит интенсивность образования и выделения биогаза и в зависимости от него и от климатических условий колеблется продолжительность периода стабилизированного активного выхода биогаза.

Плотность биогаза определяется по закону аддитивности как суммарная величина произведений объемных концентраций его компонентов на их плотности:

                                                      (5)

где:С_об.i - содержание i-го компонента в биогазе, объемные %;

P_i - плотность i-го компонента биогаза, кг/куб, м;

П - количество компонентов в биогазе.

Примечание: 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 плотностей компонентов, их концентраций в биогазе и объемного процентного содержания определяются формулой:

                                                                         (6)

где: C_i - концентрация i-го компонента в биогазе, мг/куб. м.

Формула для определения плотности биогаза выводится совместным решением уравнений (5) и (6):

                                                          (7)

В нижеприведенной таблице указаны плотности наиболее вероятных компонентов биогаза:

Состав биогаза и концентрации компонентов в нем определяются (через 2 года после начала эксплуатации) анализами проб биогаза, отобранных в ряде точек по площади полигона на глубине 1,0-1,5 метра (количество и расположение точек отбора зависит от активной площади полигона и числа разнородных участков) путем отсоса биогаза и дальнейших его химических анализов по существующим утвержденным методикам.

Для полигонов складирования осадков сточных вод и активного ила в случае обнаружения в выбросах биогаза смеси природных меркаптанов, нормируемой по этилмеркаптану, последний также включается в перечень ингредиентов биогаза и пробы биогаза анализируются на концентрацию в нем этилмеркаптана.

Используя полученные анализами концентрации компонентов в биогазе и рассчитанную его плотность, определяется весовое процентное содержание этих компонентов в биогазе:

                                                                     (8)

Размерности в этой формуле:

С_i - концентрации компонентов в биогазе - [мг/куб. м];

Р_б.г. - плотность биогаза - [кг/куб, м].

По рассчитанным количественному выходу биогаза за год, отнесенному к одной тонне отходов (формула 3) и весовым процентным содержаниям компонентов в биогазе (формула 8) определяются удельные массы компонентов, выбрасываемые в год, по формуле:

                                     (9)

При использовании расчетного метода инвентаризации выбросов действующего полигона и при проектировании нового или расширении существующего полигона ТБО может приниматься следующий среднестатистический состав биогаза, рекомендуемый при проектировании:

Для расчета величин выбросов подсчитывается количество активных отходов, стабильно генерирующих биогаз, с учетом того, что период стабилизированного активного выхода биогаза в среднем составляет двадцать лет и что фаза анаэробного стабильного разложения органической составляющей отходов наступает спустя в среднем два года после захоронения отходов, т.е. отходы, завезенные в последние два года, не входят в число активных.

При подсчете возможны два варианта.

Первый - полигон функционирует менее двадцати лет, т.е. менее периода полного сбраживания (t_cбр). В этом случае учитываются все отходы, завезенные с начала работы полигона, за исключением отходов, завезенных в последние два года. Второй - полигон функционирует более двадцати лет, т.е. более периода полного сбраживания (t_c6p). В этом случае подсчитываются отходы, завезенные за последние двадцать лет (или (t_сбр) без учета отходов, завезенных в последние два года.

Максимальные разовые выбросы i-го компонента биогаза с полигона определяются по формуле:

                      (10)

где:

М_i = 0,01∙С_вес.i∙М_сум                                                                        (10а)

где: - количество активных стабильно генерирующих биогаз отходов, т;

Т_тепл. - продолжительность теплого периода года в районе полигона ТБО и ПО, в днях;

С_вес.i - определяется по формуле 8 или по таблице 2.

Биогаз образуется неравномерно в зависимости от времени года. При отрицательных температурах процесс «мезофильного сбраживания» (до 55° С) органической части ТБО и ПО прекращается, происходит т. н. «законсервирование» до наступления более теплого периода года (t_cp.мec > 0°С).

Приведенная формула (10) справедлива для случая обследования полигона и отбора проб биогаза в теплое время года (t_cp мес > 8°С). При обследовании в более холодное время года (0 < t_cpмec. ≤ 8°С), что нецелесообразно хотя бы из-за дополнительных погрешностей измерений, в формуле следует применять повышающий коэффициент неравномерности образования биогаза 1,3.

С учетом коэффициента неравномерности валовые выбросы i-го загрязняющего вещества с полигона определяются по формуле:

            (11)

G_i = 0,01C_вес.i∙G_сум                                                                          (11а)

Примечание: а и в в формуле (11) соответственно периоды теплого и холодного времени года в месяцах (а при t_cp.мес. > 8°С; в при 0 < t_cр.мес ≤ 8°С)

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

Расчет максимальных разовых и валовых выбросов загрязняющих веществ полигоном твердых бытовых и промышленных отходов

ПРИМЕР 1.

Исходные данные:

1. Результаты анализов проб отходов, отобранных на полигоне:

- содержание органической составляющей в отходах - R=55%;

- содержание жироподобных веществ в органике отходов - Ж=2%;

- содержание углеводоподобных веществ в органике отходов - У=83%;

- содержание белковых веществ в органике отходов - Б=15%;

- средняя влажность отходов - W=47%.

2. Результаты анализов проб биогаза:

Расчет:

1. По формуле (2) определяем удельный выход биогаза (в кг от одного кг отходов) за период активного его выделения:

Q_w = 10^-6∙55 (100-47)∙(0,92∙2 +0,62∙83 +0,34∙15)= 0,170236 кг/кг отх.

Период активного выделения биогаза для Москвы (t_cp тепл.= 11,67° С

Т_тепл.  = 244 дня) составит по формуле 4:

2. По формуле (3) определяем количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне захороненных отходов:

3. По формуле (7) определяем плотность биогаза:

ρ_б.г. = 10-6∙1249233=1,249

4. По формуле (8) определяем весовое процентное содержание компонентов в биогазе (диоксид углерода как ненормируемое вещество из дальнейшего рассмотрения исключается):

5. По формуле (9) определяем удельные массы компонентов биогаза, выбрасываемые за год:

6. Активно вырабатывают биогаз отходы, завезенные на полигон за период с начала его работы (1980 г.) до момента расчета (конец 1995 г.) минус последние два года, т.е. за 14 лет:

208200∙14 = 2914800 тонн

По формулам (9) и (10) рассчитываем максимальные разовые и валовые выбросы загрязняющих веществ:

Суммарный максимальный разовый выброс биогаза полигона составит (формула 10):

В том числе (без СО₂) - (формула 10а):

Валовые выбросы биогаза, т/год (по формуле 11):

(а = 5 мес; в = 3 мес.)

В том числе (без СО₂) - (формула 11а):

ПРИМЕР 2

Исходные данные:

1. Результаты анализов проб отходов, отобранных на полигоне:

- содержание органической составляющей в отходах - R=55%;

- содержание жироподобных веществ в органике отходов - Ж=2%

- содержание углеводоподобных веществ в органике отходов - У=83%

- содержание белковых веществ в органике отходов - Б=15%;

- средняя влажность отходов - W=47%.

2. Полигон функционирует более 30 лет.

3. Ежегодно на полигон в районе Сочи завозится 20000 тонн отходов.

Расчет:

1. По формуле (2) определяем удельный выход биогаза (в кг от одного кг отходов) за период активного его выделения:

Q_w = 10^-6∙55∙(100-47)∙(0,92∙2 + 0,62∙83+0,34∙15) = 0,170236 кг/кг отходов

Период активного выделения биогаза для Сочи (t_{cр.тепл.}= 14,11°С; Т_тепл= 365 дней) составит по формуле 4:

2. По формуле (3) определяем количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне захороненных отходов:

3. Принимаем весовое процентное содержание компонентов в биогазе аналогичным п. 4 Примера 1 (диоксид углерода как ненормируемое вещество из дальнейшего рассмотрения исключается):

4. По формуле (9) определяем удельные массы компонентов биогаза, выбрасываемые за год:

5. Активно вырабатывают биогаз отходы, завезенные на полигон за последние 13 лет (t_сбр.) минус последние два года, т.е. за 11 лет:

20000∙11 = 220000 тонн

По формулам (9) и (10) рассчитываем максимальные разовые и валовые выбросы загрязняющих веществ:

Суммарный максимальный разовый выброс биогаза полигона составит (формула 10):

В том числе (без СО₂) - (формула 10а):

Валовые выбросы биогаза, т/год (по формуле 11)

(а = 10 мес.; в = 2 мес.)

В том числе (без СО₂) - (формула 11а):