Главная
страница
Сведения об авторах
ПРОБЛЕМА БАКТЕРИАЛЬНОГО ГАЗООБРАЗОВАНИЯ НА ПОЛИГОНАХ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА КАК ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ
Лыков И. Н., Шестакова Г. А., Логинов А. А., Калужский государственный
университет
имени К. Э. Циолковского, Калуга, Россия
Зякун А. М., Лауринавичус К. С., Институт биохимии и физиологии микроорганизмов
имени Г. К. Скрябина Российской академии наук, Пущино, Московская обл., Россия
Современные городские свалки ТБО — значительный источник эмиссии газообразного метана в атмосферу Земли, которая ежегодно составляет 10–30 млрд м3. Метан, накапливающийся на определенных высотах в атмосфере, приводит к выраженному парниковому эффекту и, как следствие, к постепенному потеплению климата планеты. Молекулы метана обладают в 20 раз более сильным поглощающим эффектом в инфракрасной области спектра, чем молекулы углекислого газа. Вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30 % от величины, принятой для углекислого газа.
Исследования проводили на полигоне ТБО города Калуги. Общая площадь полигона 15 га, крыши – 6,77 га, склонов – 14,2 га. Объем захороненных отходов 8 155 172,2 м3, или 1 190 012,6 т. Полигон находится в эксплуатации с 1972 г. В разрезе свалка представляет собой блок разновозрастных слоев ТБО, пересыпанных грунтом. Высота тела полигона достигает 25–30 м. Основным субстратом верхнего слоя полигона ТБО являются пищевые отходы (35 %), бумага и картон (24 %), полимерные материалы (9 %), древесные материалы (4 %), прочие целлюлозосодержащие отходы (8 %). Достаточно большой объем отходов (20 %) приходится на металл, керамику и стекло. Таким образом, более 70 % отходов могут подвергаться биологическому разложению с участием сообщества микроорганизмов.
Для оценки степени биодеградации органических отходов территория полигона разбурена сетью из 8 скважин, которые располагаются на разных участках полигона. Глубина скважин составляет от 5 до 15 м, возраст — 3 года. Каждая скважина состоит из обсадочной трубы диаметром 89 мм с перфорацией в нижней части. Обсадочная труба на поверхности оснащена завинчивающейся герметизирующей крышкой со штуцером. Полутораметровый интервал в призабойной зоне перфорирован фильтром в виде сетки.
Установлено, что температура свалочного тела варьирует от 18 до 35 °С при температуре воздуха 17 °С. На единичных участках поверхности полигона некоторые замеры фиксировали 50–60 °С.
В слое полигона глубиной до 5 м процесс разложения органических отходов протекает в зависимости от доступа кислорода воздуха. В зонах аэрации наблюдаются аэробные процессы с накоплением аммиака, сероводорода, нитратов, нитритов, органических кислот (масляной, пропионовой, молочной, олеиновой, пальмитиновой, уксусной), а также низших спиртов, водорода и воды. Аэробная биодеградация сопровождается повышением температуры до 60–80 °С, что способствует росту активности микроаэрофилов и факультативных анаэробов. При этом имеет место снижение растворимости кислорода и переход аэробных условий в анаэробные.
В анаэробных условиях биоразложение органического вещества замедляется, температура снижается, в среде накапливаются ацетаты, сложные органические вещества, аммиак, сероводород, углекислота и метан. Скорость протекания аэробных процессов замедляется в зимний период. Скорость протекания анаэробных процессов по сезонам практически не меняется.
Отбор проб биогаза производили при помощи установки, состоящей из электронасоса, автомобильного аккумулятора, расходометра и датчика давления. Для хранения проб использовали стеклянные бутыли объемом 1,5 л. Такие большие объемы позволяли производить измерение изотопного состава СН4 и СО2 даже в пробах с низким содержанием исследуемых газов.
Для оценки количества парниковых газов, выделяемых свалкой ТБО в атмосферу, на ее поверхности рядом со скважинами были установлены колпаки-ловушки для сбора метана и углекислоты (металлические кубы с завинчивающимися штуцерами).
Состав биогаза исследовали на масс-спектрометре СН-7, для расчетов использовали калибровочные кривые.
Калибровочные кривые для СН4 и СО2 строили при разбавлении газов-стандартов атмосферным воздухом. Концентрации калибруемого газа составили 100, 50, 25, 12,5, 6,25 и 3,125 %. Построение калибровочных кривых для N2 и О2 осуществляли с учетом доли атмосферного воздуха в смесях газов-стандартов (СН4 и СО2).
Изотопный состава углерода в смеси СО2 и СH4 измеряли путем раздельного осаждения в виде карбоната бария нативной углекислоты в первом случае и углекислоты, полученной при сжигании метана, во втором случае. В первом случае исследуемый образец газовой смеси пропускали через раствор 1 М NаОН в обход печи и затем добавляли ВаСl2. Осадок фильтровали, высушивали, переносили в пробирку и разлагали Н3РО4. Затем СH4 сжигали в печи и повторяли операцию, как и для СО2. Изотопный состав полученного углекислого газа изучали с использованием масс-спектрометра «BreathMat plus Thermo Finnigan».
Количественные и изотопные характеристики газов в анализируемых горизонтах свалки ТБО свидетельствуют о бактериальном метанообразовании: метан обеднен изотопом 13C, а углекислота как источник его углерода, наоборот, обогащена этим изотопом. Разность в содержании 13C в углекислоте и метане составляла 37–58 %.
Установлено, что эмиссия парниковых газов (СН4 и СО2) на порядок выше на склонах свалки, чем на ее крыше. Вероятнее всего, это связано с более высокой скоростью диффузии газов через склоны свалки ТБО, где мощность глиняного перекрытия меньше, чем на крыше. Низкая скорость эмиссии СН4 с поверхности крыши 0,07–0,15 л/(м2∙ч) связана с трудностью прохождения биогаза через горизонтальные слои грунта. Скорость эмиссии метана на склонах составила от 2,34 до 7,525 л/(м2∙ч).
Средняя скорость эмиссии метана со склонов полигона ТБО 4,9 л/(м2∙ч) сопоставима с эмиссией метана с рисовых полей 2,3 мг/(м2∙ч). По расчетам, суммарная скорость эмиссии метана со всей площади полигона составила 71,67∙104 л/ч.
Анализ изотопного состава углерода CO2 и СН4 указывает на высокую активность метанокисляющих бактерий в поверхностных слоях свалки, особенно в теплое время года. При более быстром прохождении через тело свалки к поверхности, что наблюдается на склонах, метан, содержащийся в биогазе, в меньшей степени подвергается окислению. Данные факты говорят о наличии на поверхности свалки мощного метанокисляющего барьера, который снижает эмиссию метана в атмосферу.
Установлено, что каждый новый слой полигона ТБО может продуцировать биогаз в течение 10–12 лет. Максимум производительности приходится на четвертый год, затем происходит медленное ее снижение. Ежегодно полигон генерирует около 3 млн м3 метана, который при определенном техническом решении может быть использован в качестве источника энергии.
Работа выполнена при поддержке проекта РФФИ 07-06-00132.
Lykov I. N., Shestakova G. A., Loginov A. A., K. E. Tsiolkovskiy Kaluga
State Pedagogic University, Kaluga, Russia
Zyakun A. M., Laurinyavichus K. S., G. K. Skryabin Institute of Biochemistry
and Physiology of Microorganisms, Puschino, Moscow Oblast, Russia
The paper examines the dynamics of methane genesis at the municipal solid waste landfills. The study involves the measurements of temperature, chemical and isotope structure of gas emissions. The long-term objective of this study is to contribute to the minimization of greenhouse effect and development of bio-energy.
It has been established that: 1) the methane emissions from a landfill body are
reduced significantly as a result of activity of methane-oxidating bacteria in
the upper layers of a waste body; 2) the average specific methane generation
rate is 200,000 m3/(hectare∙year); 3) each new layer of dump can generate biogas
within 10–12 years.
Лыков Игорь Николаевич, д-р биол. наук, проф.,
директор, Институт естествознания Калужского государственного педагогического
университета имени К. Э. Циолковского, ул. Степана Разина, 26, Калуга,
248023, Россия. Тел. (4842) 56-21-59. E-mail
Шестакова Галина Александровна, д-р биол. наук, проф., зав. кафедрой
ботаники и экологии, Калужский государственный педагогический университет имени
К. Э. Циолковского, ул. Степана Разина, 26, Калуга, 248023, Россия. Тел. (4842)
56-21-59. E-mail
Логинов Александр Александрович, канд. хим. наук, руководитель Центра
экомониторинга, Калужский государственный педагогический университет имени К. Э.
Циолковского, ул. Степана Разина, 26, Калуга, 248023, Россия. Тел. (4842)
56-21-59. E-mail
Зякун Анатолий Маркович, д-р биол. наук, ст. науч. сотр., зав.
лабораторией, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов имени Г. К.
Скрябина РАН, просп. Науки, 5, Пущино, Московская обл., 142290, Россия. Тел.
(495) 925-74-48. E-mail
Лауринявичюс Кестутис Сергеяус, канд. биол. наук, ст. науч. сотр.,
Институт биохимии и физиологии
микроорганизмов имени Г. К. Скрябина РАН, просп. Науки, 5, Пущино, Московская
обл., 142290, Россия.
Тел. (495) 925-74-48
© Независимое агентство экологической информации
Последние изменения внесены 24.08.08