Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическое моделирование воздействий биогаза полигонов твердых бытовых отходов на окружающую среду

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическое моделирование воздействий биогаза полигонов твердых бытовых отходов на окружающую среду"

Алёшина Татьяна Анатольевна

Геоэкологическое моделирование воздействий биогаза полигонов твердых бытовых отходов на окружающую среду

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)»

1 3 ОКТ 2011

Москва-2011

4857467

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор Чернышев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сметанин Владимир Иванович

кандидат технических наук, профессор Князева Валентина Петровна

Ведущее предприятие: Государственное унитарное предприятие. «Научно-исследовательский и проектный институт Генерального плана города Москвы».

Защита состоится 27 октября 2011 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.07 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, МГСУ, Зал заседаний Ученого Совета (1 этаж административного здания).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «26» сентября 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета с Потапов А.Д.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Одной из актуальных проблем современности является охрана окружающей среды от антропогенного воздействия мест захоронений отходов. Современные крупные города производят ежегодно миллионы тонн твердых бытовых отходов (ТБО). В последние десятилетия в нашей стране в связи с ускоренным ростом количества ТБО проблема их утилизации стоит очень остро. В московском регионе ежегодно образуется около 20 млн. м3 твердых бытовых отходов в год. За последние 20 лет объем ТБО, образующихся в Москве среднестатистическим жителем возрос со 190 кг до 272 кг в год. Основная часть отходов захоранивается на свалки. Свалки представляют серьезную эпидемическую опасность, нарушают ландшафт и являются источниками распространения загрязняющих веществ. В пределах захоронений и на прилегающих к ним территориях нарушается естественное равновесие биоценозов, развиваются гетеротрофные сукцессии, что приводит к постепенной деградации и разрушению экосистем. В зоне влияния свалок существует несколько видов загрязнений: химическое, механическое, тепловое, бактериальное, радиоактивное.

Важными аспектами негативного воздействия свалок и полигонов захоронения твердых бытовых отходов на окружающую среду является образование биогаза и фильтрата. За последние годы был накоплен обширный опыт в проектировании и эксплуатации полигонов, но далеко не все действующие места захоронения отходов отвечают существующим нормам и требованиям. Существует потребность в универсальных научных разработках проблемы совершенствования организации работы мест захоронений отходов, с обобщением новых научных исследований в данной области, внедрением разрабатываемых и совершенствуемых стандартов и норм, правовых и инструктивно-методических документов по обращению с отходами, включая вопросы снижения антропогенного воздействия мест захоронений, за счет утилизации образующегося свалочного газа. В данной диссертационной работе проводится геоэкологическая оценка воздействий биогаза полигонов твердых бытовых отходов на окружающую среду для прогноза и минимизации его воздействия на окружающую среду.

Известно, что поступление биогаза в окружающую среду вызывает отрицательные эффекты локального и глобального характера. Биогаз оказывает угнетающее воздействие на биоценоз, в первую очередь на растительность за счет вытеснения кислорода из порового пространства почвы. При накоплении свалочного газа в определенных концентрациях создается взрыво- и пожароопасные ситуации непосредственно на местах захоронения, а также в зданиях и сооружениях расположенных в непосредственной близости. Горение компонентов отходов на территории свалки, сопровождается эмиссией токсичных соединений поли-хлорированных дибензодиоксинов (ПХДД) и полихлорированных дибензофура-нов (ПХДФ), которые за счет атмосферного массопереноса и миграции с поверхностным стоком попадают в поверхностные и подземные воды, аккумулируются в почве и донных отложениях и грунтах. Накапливаясь в приземном слое атмосферы биогаз вызывает отравления у эксплуатационного персонала. Кислые газы, входящие в состав биогаза активизируют коррозию технического оборудования. В состав свалочного газа входят парниковые газы метан и углекислый газ, вызывающие глобальные изменения температуры на Земле.

«Конвенция о предотвращении глобального изменения климата», ратифицированная Российской Федерацией в 1992 году обязывает минимизировать выбросы в атмосферу парниковых газов. Для России рекомендуемое сокращение выбросов СО2 к 2012 г. - 100 млн. тонн в год относительно объемов выброса 1990 г, которое составляло 2301 млн. т. Распоряжением Правительства РФ на период до 2020 года утверждены направления государственной политики, в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики нашей страны на основе возобновляемых источников энергии, к которым относится и биогаз, образующийся на свалках. Поэтому научно-методическое обоснование, изучение и разработка моделей прогноза процессов образования биогаза в теле отходов, оптимизация технических решений для утилизации с дальнейшим использованием свалочного газа является актуальной и своевременной задачей.

Цель работы: геоэкологическая оценка эмиссий биогаза полигонов ТБО на основе математической модели с целью выявления размера экономического ущерба и минимизации антропогенного воздействия на окружающую среду.

Для достижения поставленной цели были сформулированы н решены следующие задачи:

1. Комплексно изучить негативное воздействие эмиссий биогаза свалок ТБО на окружающую среду.

2. Выделить формирующие ущерб компоненты биогаза, определить их динамику и условия формирования.

3. Изучить и оптимизировать методику расчета экономического ущерба от поступления биогаза в атмосферный воздух.

4. Разработать алгоритм, построить модель и создать программное обеспечение для определения объема выброса приоритетных компонентов биогаза на окружающую среду во времени и выявления экономического ущерба.

5. Исследовать экономические и экологические выгоды от внедрения биогазовых установок на полигонах ТБО с целью получения энергии.

Объектом исследования является биогаз свалок и полигонов твердых бытовых отходов.

Предметом исследования является сочетание факторов способствующих поступлению биогаза со свалок и полигонов ТБО как источника загрязнения атмосферного воздуха, формирующего ущерб окружающей среде.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и теоретических результатов, обработку статистических данных для построения математической модели для оценки негативного воздействия свалочного газа на окружающую среду.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Математическая модель для оценки геоэкологического воздействия биогаза свалок и полигонов на окружающую среду.

2. Результаты оценки геоэкологического ущерба от воздействий биогаза свалок и полигонов ТБО, полученные с помощью разработанного алгоритма.

3. Утилизация биогаза при существующих в РФ ценах на природный газ и существующих методах и технических средствах получение биогаза может быть организована только на основе государственной программы и привлечения инвесторов.

Научная новизна диссертационного исследования:

1. Выбраны критерии оценки негативного воздействия свалочного газа на окружающую среду.

2. Установлена зависимость выхода биогаза от поступления бытовых отходов для захоронения и времени их разложения.

3. Разработана методология определения путей воздействия свалочного газа на окружающую среду.

4. Разработана математическая модель и программное обеспечение «ЭкоЛо-гика» для расчета генерации биогаза с учетом поступления отходов на захоронение, физико-химических процессов в теле полигона ТБО, экологических характеристик компонентов свалочного газа, а также для расчета экономического ущерба наносимого окружающей среде с учетом денежной инфляции.

5. Оптимизирована методика расчета экономического ущерба от воздействий биогаза в окружающую среду.

6. Предложены перспективные направления использования свалочного газа с целью сокращения его антропогенного воздействия и обеспечения геоэкологической безопасности, повышения эффективности отечественной электроэнергетики за счет внедрения в качестве альтернативы традиционным источникам.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты диссертационной работы могут быть использованы для прогноза объемов образования биогаза свалок и полигонов и размера ущерба причиняемого загрязнением окружающей среды. Результаты диссертационного исследования используются при преподавании студентам МГСУ и ПСТГУ дисциплин: «Экология», «Экология городской среды».

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях » (г.Москва 4-7 июля 2002 г.; 29 июня-3

июля 2005г.); Всероссийской научно-практической конференции (г.Самара, 02-04 декабря 2003 г.); Тематической научно-практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан» (г.Москва, 910 ноября 2005 г.); Международной научной конференции: «Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов» (г.Пермь, 1416 декабря 2005 г.); Международной научно-технической конференции «Экология урбанизированных территорий» (г.Москва, 15-16 июня 2006 г.); Научно-практическом семинаре ф-та ГСХ МГСУ «Анализ воздействий биогаза полигонов ТБО на окружающую среду» (г.Москва, 12 декабря 2008 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительной физики» (г.Москва, май 2009 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация объемом 129 страниц печатного текста состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 110 источников, в том числе 86 отечественных и 18 зарубежных авторов, иллюстрирована рисунками, таблицами, схемами, фотографиями.

Благодарности. Автор благодарит проф., д.т.н. Е.В. Щербину и коллектив НПиУЦ «Экогеос», на базе которого сформировалось направление исследования. Автор также с благодарностью вспоминает своего первого научного руководителя зав. кафедрой «Экология ГСХ», проф., д.т.н. Ю.В. Кононовича, поддержавшего направление научного исследования. Выражает глубокую признательность проф., д. г.-м. наук С.Н. Чернышеву за конструктивные замечания и советы, позволившие более глубоко и полно раскрыть тему диссертации. Особую благодарность автор выражает коллективу кафедры «ИГ и ГЭ» и зав. кафедрой проф., д.т.н. А.Д. Потапову за доброжелательное обсуждение работы и ряд ценных рекомендаций. Отдельную благодарность выражает родным и друзьям за помощь и поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит аргументы, подтверждающие актуальность темы диссертационной работы, обоснование цели и задач исследования, определены элементы научной новизны и обозначена практическая значимость диссертационной работы.

В главе I на основе отечественных и зарубежных работ автором произведен анализ состояния проблемы обращения с ТБО. Проанализирован морфологический состав и свойства ТБО, показана динамика образования и накопления ТБО в Москве с 1988 по 2010 гг. На основании научно-технической и нормативно-методической документации освещен отечественный и зарубежный опыт в области сбора, переработки и утилизации ТБО. Так для решения вопросов, вызванных образованием объемов отходов в развитых зарубежных странах, создана система «waste management» (управление отходами). Одной из задач данной системы является организованный сбор вторичного сырья. В Германии действует государственная программа, цель которой к 2010 года ликвидировать все имеющиеся у страны необорудованные свалки и превратить их в специализированные полигоны захоронения отходов.

Основным способом утилизации твердых бытовых отходов в нашей стране к началу 2012 года остается захоронение на свалках ТБО. По воздействию на окружающую среду наиболее опасен биогаз.

Существенный вклад в изучение состояния мест захоронения ТБО, протекающих физических и биохимических процессов и воздействий на окружающую среду внесли: департамент охраны окружающей среды и экологической безопасности Министерства природных ресурсов РФ, Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, отдел управления отходами и экологической безопасности АКХ им. К.Д. Памфилова, Роспотребнадзор, Институт геологии и геохронологии докембрия РАН, Научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, институт биохимии РАН, кафедра «Физической географии мира и Геоэкологии» МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра «Гражданского строительства и прикладной экологии» СПбГПУ, кафедра «Охрана окружающей среды» ПГТУ, НПиУЦ «Экогеос» МГСУ и др., а также отече-

ственные и зарубежные специалисты: Абрамов Н.Ф., Вайсман Я.И., Гонопольский A.M., Грибанова Л.П., Глушанкова И.С., Лифшиц А.Б., Лихачев Ю.М., Мирный А.Н., Максимова C.B., Кожевникова А.Н., Потапов П.А., Разнощик В.В., Семин Е.Г., Федоров М.П., Щербина Е.В., Коссу Р., Христенсен Т., Штегманн Р. и др.

В коммунальном секторе г.Москвы ежегодно образуется более 3,6 млн. тонн твердых бытовых отходов, помимо этого около 1,4 млн. тонн отходов образуется в организациях, учреждениях, на предприятиях. Всего в 2008 году ГУП «Экотех-пром» утилизировано 2,226 млн. тонн ТБО, в том числе 1,472 млн. тонн захоронено на двух муниципальных полигонах МО. Автором проанализирована динамика прироста нормы накопления ТБО в г.Москве за 20 лет с 1988 по 2010 гг., приведена в Таблице 1.

Таблица 1. Динамика нормы накопления ТБО на жителя г. Москвы

Год 1988 1995 2000 2005 2010

Норма накопления, кг/чел. 190 203 221 270 272

Ориентировочная норма накопления ТБО в 2011 году на одного жителя города Москвы сохраняется 272 кг или в объеме 1,45 м3 в год. Известные технологии утилизации отходов методом компостирования, сортировки и повторного использования, а также пиролиза не имеют применения из-за ряда технологических ограничений и высокой стоимости по сравнению с захоронением на свалках. В странах Европейского Союза в среднем на полигоны вывозится уже менее 60% твердых бытовых и промышленных отходов. В России это количество до сих пор достигает более 90%, под полигоны ТБО ежегодно отчуждается около 10 тыс. га земель, которые заняты лесами, пригодны для хозяйственного использования.

Правовое обеспечение обращения с отходами в России основывается на законодательных актах федерального, отраслевого и регионального уровня. На федеральном уровне оно представлено, в первую очередь, Федеральным законом РФ «Об охране окружающей среды» (2002 г.) и Федеральным законом «Об отходах производства и потребления» (редакция от 1 января 2010 года), которые определяют правовые основы государственной политики в области охраны окружающей среды. Дополняют и развивают федеральное законодательство

подзаконные акты Правительства РФ. На региональном уровне в большинстве субъектов Российской Федерации законодательными либо исполнительными органами власти приняты документы, регламентирующие процесс обращения с отходами с учетом требований федерального законодательства. Так, например, в Санкт-Петербурге с 2006 года действует Закон «Об обращении с отходами производства и потребления в Санкт-Петербурге», а в Курской области с 2002 года действует областной закон «О порядке обращения с отходами производства и потребления на территории Курской области». В Московской области приняты Закон «Об отходах производства и потребления в Московской области» и в развитие его - Постановление Правительства Московской области «О порядке формирования и утверждения тарифов на оказание услуг по размещению твердых бытовых отходов на объектах размещения отходов, расположенных на территории Московской области». Московской областной Думой в 2006 году была разработана Концепция областной целевой программы «Обращение с отходами производства и потребления в Московской области на 2006-2015 годы».

Отечественная законодательная база предусматривает ограничение объема отходов путем использования малоотходных и безотходных технологий. Однако это не выполняется, поэтому предусматриваются следующие принципы обращения с отходами:

1. Охрана здоровья человека;

2. Поддержание или восстановление благоприятного состояния окружающей среды и сохранение ее биологического разнообразия;

3. Сочетание экономических и экологических интересов общества для обеспечения устойчивого развития общества;

4. Переработка отходов как материально-сырьевого ресурса для уменьшения антропогенной нагрузки на окружающую среду и создания полезных продуктов;

5. Использование методов экономического регулирования обращения отходов для уменьшения количества отходов и вовлечения их в хозяйственный оборот;

6. Международное сотрудничество РФ в области обращения с отходами.

По сведениям Минэкологии Московской области, в 2007 году размещено 210 санкционированных полигонов и свалок на общей площади 678 га из них функци-

онировало 59 полигонов ТБО общей мощностью 97 млн. т. Кроме официальных полигонов отходов производства и потребления, на территории Московской области имеется большое количество стихийных свалок. Соблюдение зоны санитарной охраны (СЗЗ) на территории складирования отходов осуществлется только на 49 объектах, не соблюдается на 96. Мониторинг состояния окружающей среды территорий свалок проводится на 35 объектах, отсутсвует на 110.

В результате обработки опубликованных, в частности НПО «НОЭКС» материалов по влиянию свалок и полигонов ТБО Московской области на атмосферный воздух, нами выделено пять видов атмосферного загрязнения: механическое, тепловое, химическое, бактериальное, в некоторых случаях радиоактивное. В таблице 2 представлены существующие классификации видов воздействий свалочного газа на атмосферный воздух, и рекомендуемые автором.

Таблица 2. Виды воздействий свалочного газа в атмосферный воздух

№ Кудинов В.Н., 2002 г. Вайсман Я.И., Вайсман О.Я., Максимова C.B. 2003 г. Дроздова Т.В., 2004 г. Пьянкова Е.Д., 2007 г. Рекомендуемое, 2011 г.

1. Химическое Химическое Химическое Химическое Химическое

2. Тепловое - - - Тепловое

3. - - - Радиационное Радиоактивное

4. - - - - Механическое

5. Микробиологическое Бактериальное

6. - Токсическое Токсическое - -

В главе II автором произведено теоретическое исследование методик оценки экономического ущерба наносимого атмосферному воздуху от свалок и полигонов ТБО и предложена методология определения путей воздействия свалочного газа, оптимизирована методика расчета ущерба наносимого свалочным газом.

Ущерб окружающей среде наносится в результате прямого разрушения элементов природной среды, истощения природных комплексов, нерационального использования природных ресурсов, вторжения в природные процессы, от нарушения экологических связей в среде обитания. Основой установления размера взыскания за вред, причиненный окружающей среде от биогаза поступающего в атмосферный воздух от свалок и полигонов ТБО в разработанной модели, являются следующие показатели: масса поступивших на захоронение отходов, объем эмиссий биогаза, состав биогаза, класс опасности выделяющихся загрязняющих веществ, интенсивность выделения.

эмиссии биогаза

Распространение и химические реакции с окружающей средой

Концентра- 1 ция и экс- }_ позиция I

Отклик реципиентов

| УЩЕРБ

Потеря гомеосгаза 1

Изменение полезности реципиентов

Блок-схема 1. Методология определения путей воздействия свалочного газа.

Для расчета размера взыскания за основу взята «Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды». Экономическая оценка ущерба (У) причиняемого годовыми выбросами компонентами биогаза полигонов ТБО в атмосферный воздух, определяется в соответствии с данной методикой:

где у - константа, определяющая стоимость условной тонны выбросов, руб./усл.т.;

6 - показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над территориями различного типа;

руб год

£ - безразмерный коэффициент, учитывающий характер рассеивания примесей и легких мелкодисперсных частиц;

М - масса годового выброса загрязнений из источника, усл.т/год. В соответствии со ст. 15 Закона Российской Федерации «О Федеральном бюджете на 2002 год» от 30.12 2001 года №194-ФЗ для расчета ущерба, установлен Федеральный коэффициент индексации платы за загрязнение окружающей среды только до 2002 года. Для расчета ущерба в последующие годы в разработанной нами модели учитывается дополнительный коэффициент - процент денежной инфляции. Уровень денежной инфляции в России с 2002 по 2011 гг. сведен в Таблицу 3 (по данным Росстата).

Таблица 3. Уровень инфляции в РФ 2002-2011 гг.

Год 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 (июнь)

Инфляция (%) 15,1 12 11,7 10,9 9,0 11,9 6,3 13,5 8.8 5

В состав свалочного газа входит более 100 компонентов, обладающих различными свойствами. По характеру воздействия на людей и окружающую среду газообразные выделения от полигонов ТБО классифицированы следующим образом:

• парниковые газы: метан (СН4) и углекислый газ (С02);

• токсичные соединения: Ш3, НгБ, СО и N0;

• соединения, обладающие суммированным эффектом: аммиак и сероводород, оксид углерода и гексан (С6Н14), циклогексан(С6Н12) и бензол (С6Н6), этилен (С2Н4), пропилен (С3Н6)и бутилен (С4Н8).

В разработанной модели учитывается коэффициент агрессивности загрязняющего вещества к окружающей среде. Сероводород оказывает отрицательное влияние на нервную систему, органы обоняния человека. В атмосферном воздухе диоксид углерода в высоких концентрациях опасен: при 9% С02 через 5-10 минут у человека наступает смерть. Оксид углерода (СО) содержится в биогазе в следовых количествах, но при накоплении до концентрации 0,2% вызывает

одышку, судороги, потерю сознания, до 0,5% в течение 5-10 минут - смерть. Некоторые компоненты биогаза, содержащиеся в нем даже в малых концентрациях, канцерогенны или токсичны. В таблице 4 приведены данные по парниковым газам на территории РФ, выбросы которых ограничены международным законодательством, Киотским протоколом.

Таблица 4. Ограничения антропогенных эмиссий парниковых газов на терри-

тории РФ, в соответствии с Киотским протоколом

Парниковый газ Единица измерения 2000 г. 2010 г.

со2 млн. т СОг 1520 1630

СН4 млн. Т СОг экв. 286 336

Известно, что свалочный газ способен накапливаться и мигрировать в толще отходов, а затем постепенно выходить в атмосферу на прилегающие территории в виде неконтролируемых эмиссий, что приводит к образованию локальных полостей, которые создают опасность просадки грунта и очагов возгорания в теле свалки при поступлении воздуха извне, особенно в теплое время года. В безветренную погоду биогаз способен накапливаться в приземном слое атмосферы и оказывать токсическое воздействие на людей на локальном уровне, повреждая органы дыхания, осязание, зрение. Свалочный газ вызывает взрывы и пожары на территориях мест захоронений ТБО.

При термической деструкции некоторых компонентов ТБО образуется целый ряд высокотоксичных канцерогенных соединений: полихлорированные дибензо-диоксины (ПХДД) и полихлорированные дибензофураны (ПХДФ). Свалочный газ насыщает поры корнеобитаемого слоя почв и грунтов, вытесняя из них кислород. Биогаз вызывает коррозию технического оборудования. Автором проанализированы виды геоэкологического воздействия биогаза, и составлена полная схема воздействия. (Схема 1)

ПОЛИГОНЫ ТБО

Схема 1. Полная схема геоэкологического воздействия эмиссий биогаза на биосферу.

В главе III автором проанализированы существующие методики расчета и прогноза образования свалочного газа. Разработан алгоритм и предложена модель геоэкологической оценки воздействий эмиссий биогаза от полигонов ТБО образования эмиссий биогаза и расчета экономического ущерба, наносимого окружающей среде.

В настоящее время разработано значительное количество математических моделей, целью которых является определение эмиссии биогаза, в основном метана, в зависимости от различных исходных параметров. Все они требуют учета множества параметров деструкции отходов, что затрудняет решение проблемы. В

связи с этим актуальна разработка универсальной модели для оценки газовых эмиссий.

Параметры для расчета в данном исследовании установлены на основе анализа предшествующих моделей прогноза эмиссий биогаза с полигонов ТБО, и на основе опубликованных экспериментальных данных. Они следующие: количество принимаемых отходов на полигон (по сезонам), периоды разложения отходов, состав и свойства выбрасываемых компонентов свалочного газа, исчисление ущерба от выброса биогаза в расчетном интервале времени.

Блок-схема 2. Информационная блок-схема геоэкологической оценки эмиссий биогаза полигонов ТБО.

В основе разработанной методики для расчета объема образования свалочного газа использованы «Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронений твердых бытовых отходов», разработанные отделом «Санитарной очистки городов и утилизации отходов» Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова.

Бытовые отходы поступают на полигон захоронения партиями, начало разложения органических компонентов происходит в каждой поступившей партии независимо от предыдущей. Однако в расчетный момент времени (0, когда лимит

поступления отходов на свалку исчерпан, она начинает работать и оказывать негативное воздействие, как единая природно-техногенная система.

Объем выделяемого биогаза может быть вычислен с помощью следующей математической модели. Начальный этап функции выделений биогаза одной порцией отходов поступивших на полигон ((^(ц) соответствует аэробному и анаэробному этапу разложения органической составляющей отходов с непостоянным выделением метана (СН4), графически нами представлен в виде линейной аппроксимации (Рис. 1):

£ ~ ¡.„о,

(?п(г, =-— ■ 0,001 • 171,,, при е < с,-!,

где, тп - масса порции твердых бытовых отходов.

Второй этап - максимальный объем выбросов с постоянным выделением биогаза ((}т;и)соответствует четвертой фазе разложения и вычисляется:

<}пах= 0,001 -шЯ/ при *п(1) < £ £ £й<г)

где, С^тах - максимальное количество биогаза в час,

I - время эксплуатации полигона.

По данным исследований проводимых российско-голландской компанией «Геополис» (г. Москва) образование биогаза в час из тонны отходов составляет 0,001 м3.

Третий этап выделений наступает в период затухания анаэробных процессов и определяется с помощью коэффициента полураспада (р) как величина обратная времени с момента закрытия полигона. Этот этап соответствует пятой фазе разложения органической составляющей завезенных ТБО:

1

= ___ , при ^ > г„... Р

Заключительный этап расчета общей скорости выделений биогаза для всех отходов, поступивших на полигон С2(Ц равен сумме всех порций отходов, где Ы-количество порций отходов, п - номер порции:

Графически функция разложения ТБО и выделение биогаза во времени для одной порции отходов поступившей на полигон захоронения выглядит следующим образом:

О-* Г...... ......... -...-.■- ............. •• : •• ........ '

W» У" кт

Рис. 1. Функция выделения свалочного газа одной порцией отходов.

Необходимо отметить, что разработанная модель имеет следующие допущения:

1. Количество выделяемого свалочного газа прямо пропорционально массе поступающих на полигон отходов;

2. Расчет выбросов ведется при максимальном выходе биогаза при анаэробном разложении с постоянным выделением метана;

3.Количество органической составляющей в морфологическом составе ТБО постоянно.

На основе алгоритма и модели нами создана графическая система, которая получила название «ЭкоЛогика», которая может использоваться для компьютерного моделирования геоэкологической оценки эмиссий биогаза полигонов ТБО. Модель разработана для программного обеспечения на языке Java в среде Microsoft Office. На рисунке 2 представлен интерфейс программного обеспечения «ЭкоЛогика».

В Московской области в 2000 году было накоплено 5 млн. тонн твердых бытовых отходов. С помощью разработанного программного обеспечения «ЭкоЛогика» произведен расчет выбросов приоритетных компонентов в составе свалочного газа и определен ущерб окружающей среде от данного воздействия в начале

и конце года, предположив, что все места захоронения отходов МО наносят ущерб как единая антропогенная система.

ЯР 2 815

Иаентифига юр>

Лимиты

Свалки МО *

Фумщмя распада

Свалки МО •V ...........

Состав виогаза

Саапют МО X #

Индексы и ставим

Свалки МО ж , * *

Время начала работы полигона: месяц Январь год 2 000,'*;

Примечания !

Параметры отчета

Отчетный период '2000- 2010 __________________________ ............... Щ 1.

Отменить : Вывести отчет V Ш Сохранить ;)::

Рис.2. Интерфейс программного обеспечения «ЭкоЛогика».

ТБО в нашей стране состоят преимущественно из органических отходов. В программе предусмотрен ввод данных по основным компонентам биогаза, плотность веществ (мг/м3), процентное содержание вещества в биогазе и коэффициент агрессивности по отношению к окружающей среде.

Для определения ущерба от воздействия стационарных источников загрязнения, свалок отходов, используется коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния атмосферного воздуха территории. Для оценки экономического ущерба при загрязнении атмосферного воздуха используется коэффициент относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха на территориях различного типа. Учитывается норматив платы (ставка) как величина годового удельного экономического ущерба. На основе имеющихся данных, с помощью программного обеспечения «ЭкоЛогика» производится расчет экономи-

ческого ущерба (У), причиняемого выбросами свалочного газа в атмосферный воздух в расчетный период.

В таблице 5 приведены результаты прогноза газоносной способности свалок Московской области, выполненный с помощью разработанной программы «ЭкоЛогика» и размеры фактического (на начало года) и потенциального (конец года) ущерба.

Таблица 5.

Результаты прогноза газоносной способности и вреда от свалок Московской области 2000-2010 гг.

Год Объем выбросов, м3 Фактический ущерб (руб.) Потенциальный ущерб за год (руб.)

2000 16 958 000 - 13 416 644

2001 60 756 000 7 436 163 48 068 267

2002 104 676 000 15 115 085 82 816 412

2003 148 596 000 21 457 078 117 564 558

2004 192 516 000 27 799 072 152 312 703

2005 i 236 436 000 34 141 066 187 060 848

г 2006 280 356 000 40 483 060 221 808 993

2007 316 651 000 45 724 013 250 524 474

2008 338 733 000 48 912 626 267 995 070

2009 360 693 000 52 083 623 285 369 142

2010 365 695 000 52 805 906 289 326 570

Итого 2 422 066 000 345 957 692 1 916 263 686

В главе IV автором рассмотрены перспективы возможного применени свалочного газа на территории Российской Федерации.

В связи с прогнозом увеличения потребления энергии в РФ к 2020 году на 60%, потребуется увеличение производства энергоносителей. Распоряжением Правительства РФ от 8 января 2009 г. №1-р утверждены основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе возобновляемых источников энергии на период до 2020 года. На период до 2020 года в соответствии с Распоряжением установлены следующие значения целевых показателей объема производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии: в 2010 году - 1,5 %; в 2015 году - 2,5 %; в 2020 году - 4,5 %. Одним из перспективных направлений утилизации свалочного газа является подпитка сетей природного газа.

В мировой практике известны два принципа дегазации на полигонах ТБО: пассивная и активная дегазация. В нашей стране применяют пассивную дегазацию за счет естественной эмиссии газа без последующей утилизации. В России в настоящее время эксплуатируется более 1 300 полигонов ТБО. Ежегодная эмиссия свалочного метана России оценивается в размере более 1,1 млрд. м3, которая перспективна в использовании.

Теплота сгорания свалочного газа составляет 5-7 кВт ч для 1 м3 газа. Необходимо отметить, что газ свалок при откачке взаимодействует с воздухом. С возрастанием количества подсасываемого воздуха уменьшается содержание метана в газе и тем самым снижается теплота сгорания газовой смеси. Для экономически выгодного использования газа свалок в качестве нижнего предела установлены следующие значения: необходимо отключать систему сбора газа при концентрации метана ниже 25 % и при повышении концентрации кислорода до 5%. Биогаз содержит повышенное количество балластных примесей, примеси токсичных веществ таких как: сероводород, аммиак, оксид азота, бенз(а)пирена, и М-нитрозаминов. Для обеспечения функциональной и эксплуатационной безопасности газ должен быть предварительно очищен от вредных компонентов, водяные пары осушены для избегания коррозии.

Таблица 6. Основные требования по очистке свалочного газа

Способ использования биогаза Необходимость очистки

НгБ С02 н2о Взвешенные частицы

1. Обработка до качества природного газа Да да да да

2. Сжигание в отопительных котлах (подготовка горячей воды) Да нет нет да

3. Сжигание в бытовых газовых плитах Да нет нет да

В рамках российско-голландского проекта "Санитарное захоронение с рекуперацией энергии на территории Московской области" в г. Серпухов и г. Мытищи были построены пилотные установки по добыче и утилизации биогаза. Установки вырабатывают по 80 кВт/ч электроэнергии каждая. Их опыт эксплуатации показал, что в российских условиях из 1 м3 биогаза может быть произведено 1.3-1.5 кВт электроэнергии. При полном использовании запасов биогаза на полигонах, может быть произведено от 260 до 300 кВт электроэнергии в час, что соответствует производству около 2500 МВт электроэнергии в год, что превышает объемы выработки биогаза в европейских странах. Однако себестоимость свалочного газа после очистки для использования в бытовых газовых плитах превышает стоимость природного газа в 2,5 раза, без учета инвестиций. Розничные цены на природный газ, реализуемый населению для бытовых нужд в г. Москве в 2010 году, на отопление жилых помещений составили - 2,51 руб./м3, на приготовление пищи - 3,50 руб./м3. Цена на природный газ на отопление и приготовление пищи, и горячее водоснабжение в Перми и Самаре: 2,37 - 3,02 руб./м3 и 2,5 - 3,3 руб./м3 соответственно. Стоимость этого исчерпаемого энергоресурса продолжает расти. Кроме того, строительство биогазовых станций на полигонах требует значительных начальных инвестиций. В Таблице 7 приводится стоимость монтажа биогазовых станций различных мощностей.

Таблица 7. Стоимость монтажа биогазовой станции на полигоне ТБО.

Производительность, т/сутки Стоимость (проектная документация, оборудование, строительство)

€ (евро) Рубли

40 1 227 000 47. 853 000

60 1 669 000 65. 091 000

80 1 972 000 76. 908 000

160 3 885 000 151.515 000

240 4 760 000 185.640 000

320 5 630 000 219.570 000

Несмотря на то, что строительство биогазовых станций и последующее использование свалочного газа требуют экономических затрат, потребность в использовании свалочного газа в нашей стране очевидна. Следует также для сравнения отметить, что только для освоения природного газа Ковыктинского месторождения в Иркутской области (37-38 млрд. м3 природного газа в год) затрачено 624 млрд. рублей.

В диссертации приводится карта перспективной добычи свалочного газа в Федеральных округах РФ. На карте интенсивность цвета показывает количество образовавшихся отходов в Федеральных округах РФ в 2010 году, синим цветом, нанесена система существующих газопроводов. Таким образом, мы видим, что в стране в ряде регионов отсутствует подача природного газа, но есть отходы, которые являются альтернативным энергоносителем для обеспечения достойного качества жизни людей, проживающих в удаленных от месторождений природного газа регионах. Процесс внедрения биогазовых установок и использование свалочного газа в нашей стране должен развиваться с помощью усовершенствования законодательной базы и грамотного привлечения инвестиций в данную область.

Основные выводы:

1. Построена полная схема воздействия свалочного газа полигонов ТБО на биосферу для комплексной оценки состояния территорий захоронений ТБО и близлежащих к ним районов.

2. Разработан алгоритм геоэкологической оценки воздействия свалочного газа для прогноза загрязнения атмосферного воздуха и выявления экономического ущерба, наносимого окружающей среде.

3. Разработана математическая модель и программное обеспечение «ЭкоЛо-гика» для оценки негативного воздействия свалочного газа на окружающую среду и расчета экономического ущерба загрязнения атмосферного воздуха, позволяющая прогнозировать как суммарный выброс всех компонетов входящих в состав свалочного газа, так и покомпонентно: по каждому загрязнителю отдельно.

4. На основе экономического опыта применения биогазовых установок и использования свалочного газа для подпитки сетей природного газа, сравнения стоимости очищенного биогаза со стоимостью природного газа показана причина отсутствия широкого использования биогаза полигонов ТБО в Российской Федерации.

5. Построена карта перспективы добычи свалочного газа на территории РФ с целью районирования территории страны по признаку накопленных ТБО для поиска рациональных путей использования данного антропогенного ресурса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алёшина Т.А. Щукин С.Н., Экологическая безопасность урбанизированных территорий. // Сб. материалов всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ. М., 2002.

2. Алёшина Т.А., Щербина Е.В. Место экономических и социальных механизмов в управлении отходами. //Труды II Всероссийской научно-практической

конференции. Самара, 2003.

3. Алёшина Т. А. Экономическое значение рециклинга в системе управления отходами. // Сборник трудов: Современные методы проектирования, технической

эксплуатации и реконструкции зданий и сооружений: под ред. проф. д-р техн. наук В.Ф. Касьянова. М: МГСУ, 2005.

4. Алёшина Т.А. Эколого- экономические ущербы при обращении с твердыми бытовыми отходами. // Сб. док. тематической научно-практической конференции: Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан. М: МГСУ, 2005.

5. Алёшина Т.А. К оценке эколого-экономических ущербов от полигонов твердых бытовых отходов. // Тезисы докладов международной научной конференции: Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов. ФГНУ «ЕНИ» и др. - Пермь, 2005.

6. Алёшина Т.А. Значение оценки воздействия на окружающую среду на полигонах ТБО. //Сб. материалов всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ. М., 2005.

7. Алёшина Т.А. Математическое моделирование для эколого-экономической оценки воздействий полигонов твердых бытовых отходов. // Сб. материалов Международной научно-технической конференции: Экология урбанизированных территорий. М.: изд-во Прима-Пресс-М, 2006.

8. Алёшина Т.А. Разработка математической модели для эколого-экономической оценки воздействий полигонов ТБО.// Научно-технический журнал Механизация строительства, №5, 2007.

9. Алёшина Т.А. Математическое моделирование для обеспечения экологической безопасности от выбросов полигонов ТБО.// журнал Экология урбанизированных территорий, № 3, 2008.

10. Алёшина Т.А. К вопросу о методе оценки воздействия биогаза полигонов TBO//Academia. Актуальные вопросы строительной физики, №5, 2009.

11. Алёшина Т.А., Чернышев С.Н. Биогаз как перспективный источник для развития российской электроэнергетики. // журнал Экология урбанизированных территорий, № 3, 2010.

12. Алёшина Т.А. Добыча и утилизация свалочного газа для повышения эффективности отечественной электроэнергетики.// Научно-технический журнал Вестник МГСУ №2, 2010.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.97 Московский государственный строительный университет

Подписано в печать 23.09.2011 Формат 60x84/16 Печать офсетная Объём 1,75 п. л. Тираж 100 Заказ 385

Отпечатано в Типографии МГСУ. 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, корпус 8 Качество печати соответствует качеству предоставленных оригиналов