Фев 19 2004

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА БИОДЕГРАДАЦИИ СВАЛКИ ТБО

Опубликовано в 17:47 в категории Сбор и переработка отходов

М.Е. Краснянский, А. Бельгасем, О.Н. Калинихин Донецкий Национальный технический университет

1. Кинетика биоразложения ТБО

Процессы, происходящие в толще полигона ТБО, можно описать в следующей последовательности.

1) На первой стадии клетчатка органической части ТБО (высокомолекулярная целлюлоза) подвергается гидролизу:

6Н10О5)n + nН2О ? n·6Н12О6) .

2) Вторая стадия – биохимическое (анаэробное) разложение глюкозы до уксусной или других (пропионовой, масляной) летучих жирных кислот (ЛЖК): С6Н12О6 ? 3 СН3СООН.

3)Третья стадия – это анаэробное разложение ЛЖК (и имеющихся в ТБО жиров) до метана и углекислого газа: СН3СООН ? СН4 + СО2 .

Таким образом, в толще ТБО имеют три последовательные реакции [1]:

k1 k2 k3

А ? В ? С ? D (1)

Если в начальный момент времени имеется (a) моль вещества А, то через t минут осталось (а – х) моль вещества А , но появилось (х – y) моль вещества В, (y - z) моль вещества С и z моль вещества D.

Скорость превращения вещества А равна:

, (2)

вещества В:

(3)

Интегрируя уравнения (2) и (3) в пределах от 0 до t и решая полученное неоднородное линейное дифференциальное уравнение первого порядка методом Эйлера, получим

(4)

(5)

Тогда для вещества С скорость превращения запишется в виде:

(6)

Интегрирование уравнения (6) дает:

, (7)

; ; (8)

Отсюда легко найти z (т.е. кол-во СН4+СО2). Для удобства дальнейших расчетов конечный множитель после объединений уравнений (4), (5) и (7) обозначим ?, тогда

z = а· (?) (9)

Полная теоретическая газопроизводительность полигона ТБО (СН4+СО2) во времени t с учетом того, что из одного моля моносахарида образуется три моля метана (и три – диоксида углерода), составит:

Vm = (3,1 х 3 х 22,4 х 0,5 х G)· ? = 102G · ? (10)

Точка (t0,5) на оси , где кривые расхода, например, вещества А и прихода вещества В пересекаются (т.е. а-х=х или х=а/2) есть «время полураспада». Из уравнения (4) легко получить полезное для оценки величины k выражение: t0,5 = ln2 / k , откуда k = 0,7 / t0,5 (11)

2. Оценка констант скорости реакций

Т.к. в толще ТБО преимущественно слабокислая среда (в первые годы эксплуатации на глубине 1 м рН ~ 6,5), там имеет место необратимый кислотно-каталитический гидролиз. Макромолекулы целлюлозы состоят из линейных регулярных 1,5-ангидро-?-D-глюкопиранозных звеньев, связанных

1-4-гликозидными связями:

[-(С6Н10О5)—O—(С6Н10О5)-]n (12)

При гидролизе целлюлозы [5] протекает реакция первого порядка (т.к. вода имеет «постоянную концентрацию») c разрывом гликозидных связей и получением низкомолекулярной D-глюкозы.

6Н10О5)n + nН2О ? n·6Н12О6) (13)

Однако при этом (благодаря слабокислой среде) сперва образуется ион гидроксония Н2О + Н+ = Н3О+, который затем образует с элементарным моносахаридным звеном целлюлозы промежуточный комплекс за счет образования слабых водородных связей с двумя атомами кислорода, входящими в гликозидную связь (14):

[-(С6Н10О5)—O—(С6Н10О5)-] + Н3О+ ? [-(С6Н10О5)—O—(С6Н10О5)-]

I I

Н+——–H2О

Поэтому, если расчет константы k1 реакции (13) вести с учетом реакции (14), то её порядок будет выше единицы.

Процесс гидролиза целлюлозы в лабораторных условиях изучен довольно хорошо [2] и его константа (в 1%-ном растворе Н24) имеет зависимость: °, что при Т = 300 °K даёт величину

k1 =~10-2 мин -1.

Изучение примерно двух десятков литературных источников (в частности, обзор [3]) позволило авторам предложить для эмпирических расчетов следующие величины (см. табл. 1):

Таблица 1. Эмпирические константы биодеградации ТБО

Вид отходов

Vг (ср.)*

нм3/т ТБО

Период полураспада, год

kср,

год-1

Пищевые

250

1

0,35

Бумага, дерево, текстиль

140

5

0,10

Пластмасса, резина, кожа

60

15

0,01

*) За весь период биодеградации ТБО

На практике для определения метановыделения действующих свалок (V, м3/год) пользуются упрощенной формулой типа (4) , где

V0 – теоретический метанообразующий потенциал ТБО, принимается 80-120 м3/т ТБО (в зависимости от количества пищевых отходов в ТБО – чем их больше, тем больше V0);

Q – среднее количество поступающих на полигон ТБО, тонн/год;

k – константа образования метана, принимается 0,1-0,2 год-1 в зависимости от количества в ТБО пищевых отходов и от влажности ТБО (чем больше то и другое, тем больше k);

t - время с момента открытия полигона, лет.

3. Фильтрат

Очевидно, что количество фильтрата Vф, которое может образоваться в рабочем теле полигона (свалки) , зависит, в основном, от суммы годовых атмосферных осадков (Р) данного региона, их испаряемости (і) и поглощения воды рабочим телом полигона (W):

+ R (м3/год) (15)

где

Vф – количество фильтрата, м3/год;

Р – количество атмосферных осадком, мм/год-кв.м;

I – испаряемость, мм/год-кв.м;

W – поглощение воды рабочим телом свалки, мм/год-кв.м;

F – количество стока, мм/год-кв.м;

S – площадь рабочего тела полигона, м2;

R – количество воды, образующееся внутри рабочего тела полигона при биодеградации ТБО, м3/год: на 1 тонну естественной эмиссии биогаза образуется ~0,1 м3 Н2О. Для условий, например, Донецка можно принять:

Таблица 2. – Характеристика атмосферных осадков

Параметр

Величина (мм*)

P

500

  • I

    200

    W

    100

    F

    10

    *1 мм = 10 т/га осадков;

  • Среднегодовое за 2000 - 2002 гг.

    4. Горение свалки Если это тление с недостатком воздуха, то основными газами будут СО, Н2S, NH3, NO, H2, а также низкомолекулярная ароматика. При горении основные продукты – это СО2, NO2, SO2, частично СО и сажа.

    В соответствии с [4] расчет выбросов вредных веществ в результате горения на полигонах твердых бытовых отходов производится по формуле:

    Mi = M x V x gi, (16)

    где M – расчетная насыпная масса твердых бытовых отходов (принимается равной 0,25 т/м3); V – объем сгоревших ТБО, м3; gi - удельные выбросы загрязняющих веществ, т/т сгоревших ТБО (определяются по табл. 5).

    Таблица 3. - Удельные выбросы загрязняющих веществ при горении ТБО Наименование вредного вещества

    Удельный выброс, т/1 т сгоревших ТБО

    Твердые вещества

    0,00125

    Диоскид серы

    0,003

    Оксиды азота

    0,005

    Оксид углерода

    0,025

    Сажа

    0,000625

    Литература

    1.Панченков Г.М. , Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ. М.: Химия, 1974. – 590 с.

    2.Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. М.: Лесная промышленность, 1989. – 326 с.

    3.Вайсман Я.И., Коротаев В.Н., Петров В.Ю. Управление отходами, захоронение твердых бытовых отходов. – Пермский гос. техн. ун-тет, 2001 г. – 133 с.

    4.Временные рекомендации по расчету выбросов вредных веществ в результате горения полигонов ТБО. М.: Минэкологии РФ. Утв. 2.11.1992 г. 32 с.

    CALCULATION of BIODEGRADATION PROCESS of MSW DUMP

    M.E.Krasnyansky, A.Bel\’gasem, O.N.Kalinikhin

    Donetsk National Technical University

    The mathematical model of processes biodegradation of landfill (dump) of municipal sоlid waste (MSW) is developed. Probable ways of calculation of quantity indicators of emission of biogas, a filtrate, and also fire gases (in case of self-ignition) from a working body of landfill (dump) MSW are shown.

  • Нет пока ответов

    Комментарии закрыты.