ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРЕВРАЩЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В БИОГАЗ НА ПОЛИГОНАХ ТБО

 

Преподователь, магистр З.А. Айтбаева

Таразский государственный университет имени М.Х.Дулати, Тараз.

 

В настоящее время  существуют различные методы обезвреживания отходов помимо их захоронения в грунте на свалках: предварительная сортировка; санитарная земляная засыпка; компостирование: аэробное и анаэробное компостирование; термические методы утилизации отходов. Однако основная масса ТБО,  все таки  оказывается на свалках.

В результате жизнедеятельности метанообразующих бактерий в толще свалки образуется биогаз. Этот процесс сопровождается выделением теплоты, поддерживающей в слое отходов сравнительно невысокую (30-40°С) температуру, что приводит к 50% окислению целлюлозы до углекислого газа и 50% восстановлению ее до метана, выделяя 238,6 кДж на 1 моль глюкозы. Разложение целлюлозы в анаэробных условиях протекает сравнительно медленно. Поэтому при захоронении отходов на свалках и полигонах отмечается высокая концентрация метана или биогаза и непрекращающееся оседание анаэробной зоны грунта свалки.

Биогаз, проникая в подвалы домов, шахты, колодцы, вытесняет имевшийся там воздух,  создавая взрывоопасную зону.

Модуль математического описания процессов, протекающих в толще полигона, позволяет прогнозировать метановый потенциал полигона на каждом этапе его жизненного цикла.

Для прогнозирования эмиссий метана с полигонов ТБО в качестве необходимых для расчета исходных данных принимают следующие параметры:

-морфологический и химический состав биоразлагаемой части ТБО;

-зольность отходов, А;

-влажность, W;

-коэффициент биоразложения отходов на стадии полного метаногенеза Вf  (зависит от морфологического состава биоразлагаемой части ТБО).

Полный потенциал генерации метана Lо (нм3/т сухих отходов) определяется по формуле:

                                                                                             где х, - доли биоразлагаемых фракций; Loi- метановый потенциал (нм3/т сухих отходов) для каждой фракции отходов с учетом коэффициента биоразложения Вf зольности А, определяется по формуле /1,2/:

 

* Bf                                                                    где  - число киломолей углерода, содержащееся в 1 тонне фракции;  - молярная масса фракции (кг/кмоль).

         Количество метана Q (нм3), выделившееся за время , определяется следующим образом:

 

здесь:   - полный потенциал генерации метана (нм3/т);  - константа скорости разложения; Мc - масса сухих отходов, определяется по формуле:

 

Мc=(1-w) –Мвл

где Мвл - масса влажных отходов (т).

Выполнив соответствующие математические действия, определяем объем  выделившегося метана и скорости его образования.

Модуль алгоритма расчета входит общее количество отходов, коэффициент коррекции потока метана и  потенциально разлагаемое органическое вещество. Помимо вышеизложенного в расчет по использованию ТБО  входят доля фактически разлагаемого вещества, доля метана, коэффициент преобразования С в СН4,  коэффициент окисления.

Для расчетов эмиссий метана  от полигонов ТБО необходимо иметь данные о морфологическом составе отходов их  компонентный состав. Исходные данные  для расчета приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Пример морфологического состава ТБО одном из полигонов

Компоненты ТБО

Содержание, %

Пищевые отходы

30

Пластмасса   

25

Бумага, картон

25

Стекло          

5

Текстиль

5

Шлак, камни, кирпич          

2

Металл          

3

Дерево

2,5

Прочие

2,5

Таблица 2 – Данные о количестве ТБО, вывезенных на свалки и полигоны в 2014 году* на примере Жамбылской области

 

Количество  ТБО, вывезенных  на свалки

Численность населения

ТБО в кг/чел. в день

ТБО в т/чел. В год

Республика Казахстан

2 726 248

15776492

0,47343685

0,173

Жамбылская

55 646

1031144

0,14785015

0,054

Источник: Департамент статистики по Жамбылской области

На основе данных по составу отходов можно определить содержание разлагающегося органического углерода (DOC). Эмиссии метана от полигонов ТБО рассчитываются по следующей формуле:

         ЕСН4 (Гг/год) = (MSWxMCFxDOCxDOCfxFx 16/12 – R) x (1-OX),

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:

F -  доля метана в образующихся на свалках газа ( значение 0,5);       

16/12    -   коэффициент преобразования С в СН4;

R          -  утилизированный метан (Гг/год);

ОХ        -  коэффициент окисления (обычно = 0).

Оценка удельной скорости образования метана.

Величину    DOCf  из формулы (1)  определяют по формуле:

DOCf  = 0,4 (А) + 0,17 (Б) + 0,15 (В) + 0,3 (Г)   

На основании рассмотренных математических зависимостей составляем блок-схему решения задачи, которая  приведена на рисунке 1.

1.      Расчет доли  потенциально разлагаемого органического вещества
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.      Расчет коэффициента преобразования углерода в метан

 

 
 
 

 

 

Блок-схема: знак завершения: конец
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 1 – Блок-схема расчета метанового потенциала при разложении ТБО на  полигоне

Модуль программной реализации  задачи выполняем в Delphi в соответствии с модулями математического описания и алгоритма расчета  эмиссии метана.  расчет эмиссии метана из полигонов ТБО (рисунок 2).

 

.

         Рисунок 2 – Расчет эмиссии метана из полигонов ТБО.

 

Анализ полученных результатов после проведенных расчетов для заданных исходных данных показал следующие результаты процесса получения эмиссии метана: Доля органического вещества, способного разлагаться: 0,77. Эмиссия метана от полигонов ТБО составляет 14437,729617 тыс.тонн в год.  Современная же свалка должна формироваться как биореактор, что потребует и создания ее современной математической модели. Для этого необходимо учитывать сложные физические, химические и биологические процессы, протекающие в трехмерной толще свалки. И не следует забывать, что свалка ведет себя как активная система, которой можно управлять, поддерживая ее возбужденное состояние.

Литература:

1. Christensen Т., Kjeldsen P. Basic biochemical processes in Landfills./ Sanitary  landfilling, Process, Technology and environmental impart. London, Academic  press, 1994.

2.Ножевникова А.Н.,Лебедев B.C., Заварзин Г.А., Иванов Д.В., Некрасова В.К., Лифшиц А.Б. Образование, окисление и эмиссия биогаза на объектах захоронения бытовых отходов. /Журнал общей биологии, т.54,№2, с. 167-181(1995).