Проблема бактериального газообразования на полигонах твердых бытовых отходов и использования метана как источника энергии
, ,
, , Институт биохимии и физиологии микроорганизмов
имени 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 ,2 м3, или 1 ,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.
