1.2 Общие сведения о процессе метаногенеза
Газ, образующийся на полигонах, является продуктом биологического разложения органической фракции складируемых отходов. Источником биогаза являются биоразлагаемые фракции отходов, составляющие в среднем 60-80% от массы ТБО, к которым относятся пищевые отходы, садово-парковые, макулатура и другие целлюлозосодержащие отходы.
Скорость и полнота протекания процессов биоразложения зависят от морфологического и химического состава ТБО, климатогеографических условий, а также стадии жизненного цикла полигона. Процесс биологического разложения включает фазы аэробной и анаэробной деструкции. Анаэробные процессы обусловливают основные эмиссии загрязняющих веществ.
Длительность аэробной фазы зависит от предварительной обработки и способа складирования ТБО, определяющих диффузионную способность отходов и степень доступности кислорода. В аэробных условиях, которые складываются на глубине до 50 - 80 см, гидролиз и окисление пищевых отходов, содержащих жиры, белки, протеины, протекает достаточно быстро. Биогаз выделяется в незначительных количествах и состоит в основном из метана, двуокиси углерода, азота и водяного пара.
Анаэробный процесс начинается на эксплуатационном этапе жизненного цикла и заканчивается на пострекультивационном, проходя следующие стадии развития :
1 этап - адаптационную, с периода формирования рабочего тела, когда в течение первых 2-7 лет после начала эксплуатации начинаются процессы метаногенеза;
2 этап- экспоненциального развития, 12-17 лет, (с момента, когда условия метаногенеза сложились, рН фильтрата установилось на уровне 8, до максимального выхода биогаза);
3 этап - стабилизационную, при постоянном потоке биогаза (25-30 лет с момента закрытия);
4 этап - затухание анаэробных процессов, снижение потока биогаза до безопасных концентраций по метану;
5 этап - стадия биологической инертности.
В течение 1-2 лет с момента начала складирования ТБО, по мере естественного и механического уплотнения отходов, усиливаются анаэробные процессы разложения с постоянным образованием биогаза. При переходе аэробных условий в анаэробные облигатные (строгие) аэробные микроорганизмы умирают, а факультативные (условные) аэробные микроорганизмы переходят в анаэробное состояние. Образуются диоксид углерода, вода и водород.
В процессе анаэробного разложения (метанового брожения) принимают участие несколько групп микроорганизмов: Methanococcus Vannielii (восстановление СО2 водородом); Methanobacterium Omeiianskii (сбраживание спиртов); Methanococcus mazei, Methanosarcina methanica, Methanobacterium Sohngenii (сбраживание солей органических кислот) и др.
Выделяются следующие основные фазы анаэробной биодеструкции отходов: гидролиз, когда происходит разрушение полимера до коротких фрагментов и мономеров; ацетогенез, когда образуется уксусная кислота, Н2 и СО2; метаногенез, синтез биогаза снижение биологической активности, полная ассимиляция.
В фазе гидролиза под действием ферментативных бактерий происходит биодеструкция легкоразлагаемых фракций ТБО и гидролиз целлюлозосодержащих отходов (бумага, садово-парковые отходы, древесина). Биогаз в этот период состоит из аммиака, водорода, водяного пара, сероводорода.
В ацетогенной или кислой фазе (рН=4,5 -6,5) в течении 4-5 лет происходит дальнейший распад целлюлозы, с образованием уксусной и пропионовой кислоты, углекислого газа и воды, приводящие к значительному снижению величины рН и ускорению процессов деструкции легко- и среднеразлагаемой фракций ТБО. Биогаз в этот период содержит углекислый газ, азот, аммиак, углеводороды, низкомолекулярные спирты и альдегиды, кетоны. Метан может появляться только в конце этой фазы.
Метаногенная фаза анаэробного разложения включает две стадии: активную и стабильную. В активной стадии, протекает ферментативное разложение образованных в ацетогенной фазе кислот, которое сопровождается значительным выделением газов (метан, углекислый газ, меркаптаны, аммиак и др.). Преобладающим восстановленным сульфидным соединением в биогазе является сероводород. Концентрация метана в биогаза увеличивается до 40-60%. Максимальный выход биогаза наступает после двухлетней выдержки отходов в толще полигона и стабилизации процессов разложения.
Стабильная стадия метаногенеза лимитирует общую скорость разложения органических веществ в теле полигона. Характерным признаком наступления этой фазы является наличие более 50 % метана в пробах биогаза. Если не нарушаются условия складирования ТБО, процесс анаэробного разложения отходов стабилизируется с постоянным по объему выделением биогаза, фактически постоянного состава. На этом этапе разлагается 50—70% целлюлозы. Со временем в результате разложения средне- и медленно разлагаемых отходов, количество питательного субстрата уменьшается и процесс метаногенеза постепенно затухает. Содержание метана в газе снижается до 40 %.
Количество образующегося биогаза и концентрация в нем метана зависят от содержания в ТБО пищевых отходов, растительных остатков, бумаги, текстиля, древесины и других органических фракций, называемых биоразлагаемыми. Продолжительность периода образования биогаза определяется по п.п. 3.2.9.
В биогазе выделяют две группы составляющих: макрокомпоненты и микрокомпоненты, или следовые газы. К макрокомпонентам относятся метан и диоксид углерода, азот, водород. Составы биогаза различных полигонов существенно отличаются в зависимости от объема и качества депонированных отходов, географических условий района расположения полигона, конструкции основания и покрытия полигона, возможности доступа кислорода воздуха к отходам, высоты складирования отходов, условий их уплотнения, интенсивности процессов разложения. Биогаз содержит компоненты, вредно действующие на здоровье человека, которые могут значительно превышать установленные для них в атмосферном воздухе ПДК (раз): Присутствующие в биогазе аммиак и сероводород, оксид углерода и гексан, циклогексан и бензол, этилен, пропилен и бутилен обладают эффектом суммированного воздействия.
В зависимости от возраста полигона состав биогаза меняется. Изменение концентраций основных компонентов биогаза на различных этапах жизненного цикла полигона показано на рис. 1.
Для оперативной оценки состояния систем дегазации полигонов состав биогаза можно принимать по табл.2
Таблица 3 – Состав биогаза на полигонах при различных условиях
| Тип Биогаза*) | Метан,% | Диоксид углерода,% | Кислород,% | Азот,% |
| 1 | 55 | 45 | - | - |
| 2 | 40 | 30 | 6 | 24 |
| 3 | 45 | 35 | 1 | 18 |
| 4 | 35 | 30 | 5 | 30 |
Примечание*): Тип 1 - чистый биогаз, полученный в анаэробных условиях, тип 2 - в биогазе прсутствуют кислород и азот в соотношении, свойственном атмосферному воздуху. Воздух поступает за счет неплотностей во всасывающем трубопроводе; тип 3 -над поверхностью свалки засасывается воздух, кислород которого используется в микробиологическом процессе; тип 4 - комбинация типов 2 и 3.
Физические свойства биогаза: плотность р = 1.07*10-4кг/м3; теплота сгорания очищенного от примесей биогаза Q = 1800-25100 кДж/мЗ, что составляет половину аналогичного показателя природного газа. При содержании в биогазе 50% метана и 45% углекислого газа 1 mj биогаза имеет теплоту сгорания около 18 500 кДж ( 5,14Вт). Влагосодержание биогаза зависит от температуры и давления. Газ может быть насыщен или ненасыщен влагой. В среднем биогаз содержит от 25% до 45% влаги. Атмосферные осадки, поверхностные и подземные воды являются источниками дополнительной влаги.
Таблица 4 – Физические свойства компонентов биогаза
| Свойства | CH4 | CO2 | H2 | Н2S | CO | N2 |
| Относительная плотность | 0,555 | 1,520 | 0,069 | 1,190 | 0,967 | 0,967 |
| Горючесть | есть | нет | есть | есть | есть | нет |
| Взрывчатость*),% | 5-15 | нет | 4-75,6 | 4,3-45,5 | 74 | нет |
| Температура Горения,C | 650 | - | 560 | 270 | 605 | - |
| Запах | Нет | Нет | Нет | есть | Нет | нет |
| Токсичность | нет | Есть | Есть | Есть | есть | нет |
| Инертность | Есть | - | Есть | - | - | есть |
*)Взрывчатость компонентов газа в смеси с воздухом указана для температуры 20°С и давлении 1 атм. в пределах верхней и нижней границы взрыва
Эмиссии метана от полигонов ТБО рассчитываются по следующей формуле:
ЕСН4 (Гг/год) = (MSW x MCF x DOC x DOCf x F x 16/12 – R) x (1-OX) ( 1 ),
где
MSW - общее количество отходов, захороненных на свалках за год (данные предприятия, владеющего полигоном ТБО);
MCF - коэффициент коррекции потока метана, доля (0.6)
DOC - потенциально разлагаемое органическое вещество (определяется по составу отходов на конкретном )
DOCf - доля DOC, которая фактически разлагается (типичное значение 0,77)
F - доля метана в образующихся на свалках газа (типичное значение 0,5)
16/12 - коэффициент преобразования С в СН4
R - утилизированный метан (Гг/год),
ОХ - коэффициент окисления (обычно = 0).
Для расчетов эмиссий метана от полигонов ТБО необходимо иметь данные о морфологическом составе отходов. В качестве примера в таблице 1 представлен компонентный состав отходов на одном из полигонов.