Методика по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых отходов

Назва: 
Методика по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых отходов

Download

                                                                                   Приложение №17 к                

   приказу Министра охраны окружающей среды Республики Казахстан

                                                                              от «18» 04 2008  года  № 100 -п.

Методика
по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

от полигонов твердых бытовых отходов

1. Общие положения

Настоящая методика по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых отходов (далее  Методика) разработана с целью создания единой методологической основы по определению выбросов загрязняющих веществ от полигонов твердых бытовых отходов.

Настоящая методика рекомендуется к применению предприятиями и территориальными управлениями по охране окружающей среды, специализированными организациями, проводящими работы по нормированию выбросов и контролю за соблюдением установленных нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ).

Полученные по настоящей Методике результаты используются в качестве исходных данных при учете и нормировании выбросов на действующих предприятиях и объектах, а также при разработке предпроектной и проектной документации на новое строительство.

2. Общие сведения

В толще твердых бытовых и промышленных отходов, захороненных на полигонах, под воздействием микрофлоры происходит биотермический анаэробный процесс распада органической составляющей отходов.

Конечным продуктом этого процесса является биогаз, основную объемную массу которого составляют метан и диоксид углерода. Наряду с названными компонентами биогаз содержит пары воды, оксид углерода, оксиды азота, аммиак, углеводороды, сероводород, фенол и в незначительных количествах другие примеси, обладающие вредным для здоровья человека и окружающей среды воздействием.

Количественный и качественный состав биогаза зависит от многих факторов, в том числе, от климатических и геологических условий места расположения полигона, морфологического и химического состава завозимых отходов, условий складирования (площадь, объем, глубина захоронения), влажности отходов, их плотности и т.д., и подлежит уточнению в каждом конкретном случае, но не ранее двух лет с начала эксплуатации полигона. В первые два года эксплуатации полигона используются данные о выбросах приведенные в проектной документации (ОВОС, раздел ООС).

На большей части полигонов складируются как бытовые, так и промышленные отходы, разрешенные согласно законодательству Республики Казахстан для захоронения совместно с бытовыми.

Ориентировочный морфологический состав и физико-химический состав твердых бытовых отходов (ТБО), складируемых на полигонах приведен в таблице 2.1.


Таблица 2.1

Морфологический и физико-химический состав ТБО , % по массе

 

Морфологический состав ТБО

Пищевые отходы

35...45

 

Бумага, картон

32...35

 

Дерево

1...2

 

Черный металлолом

3...4

 

Цветной металлолом

0,5...1,5

 

Текстиль

3...5

 

Кости

1..2

 

Стекло

2...3

 

Кожа, резина

0,5...1

 

Камни, штукатурка

0,5...1

 

Пластмасса

3...4

 

Прочее

1...2

 

Отсев (менее 15 мм)

5...7

 
 

Физико-химический состав ТБО

 

Зольность на раб. массу, %

10...21

 

Зольность на сух. массу, %

20...32

 

Органическое вещество на сухую массу, %

68...80

 

Влажность, %

35...60

 

Плотность, кг/м3

190...200

 

Теплота сгорания низшая на рабочую массу, кДж/кг

5000...8000

 

Агрохимические показатели, % на сухую массу

 

Азот общий N

0,8...1

 

Фосфор Р2О5

0,7-1,1

 

Калий К2О

0,5...0,7

 

Кальций СаО

2,3...3,6

       

Плотность (насыпная масса) отходов составляет 0.2-0.3 т/м3, влажность колеблется от 40% до 55%, содержание органического вещества (в процентах на сухую массу) может достигать 70%.

По общепринятой технологии захоронения отходов предусматривается планировка и уплотнение завозимых отходов, а также регулярная изоляция грунтом рабочих слоев отходов.

В начальный период (около года) процесс разложения отходов носит характер их окисления, происходящего в верхних слоях отходов, за счет кислорода воздуха, содержащегося в пустотах и проникающего из атмосферы. Затем по мере естественного и механического уплотнения отходов и изолирования их грунтом усиливаются анаэробные процессы с образованием биогаза, являющегося конечным продуктом биотермического анаэробного распада органической составляющей отходов под воздействием микрофлоры. Биогаз через толщу отходов и изолирующих слоев грунта выделяется в атмосферу, загрязняя ее. Если условия складирования не изменяются, процесс анаэробного разложения стабилизируется с постоянным по удельному объему выделением биогаза практически одного газового состава (при стабильности морфологического состава отходов).


Различают пять фаз процесса распада органической составляющей твердых отходов на полигонах:

Первая фаза

- аэробное разложение;

Вторая фаза

- анаэробное разложение без выделения метана (кислое брожение);

Третья фаза

- анаэробное разложение с непостоянным выделением метана (смешанное брожение);

Четвертая фаза

- анаэробное разложение с постоянным выделением метана;

Пятая фаза

- затухание анаэробных процессов.

Первая и вторая фазы имеют место в первые 20-40 дней с момента укладки отходов, продолжительность протекания третьей фазы – до 700 дней. Длительность четвертой фазы – определяется местными климатическими условиями, и для различных регионов РК колеблется в интервале от 10 (на юге) до 50 лет (на севере), если условия складирования не изменяются.

За период анаэробного разложения отходов с постоянным выделением метана и максимальным выходом биогаза (четвертая фаза) генерируется около 80% от общего количества биогаза. Остальные 20% приходятся на первые три и конечную фазы, в периоды которых в образовании продуктов разложения принимают участие только часть находящихся на полигоне отходов (верхние слои отходов и медленно разлагаемая микроорганизмами часть органики). Количественный и качественный состав выбросов, приходящихся на эти фазы, зависит от состава отходов, определяемого при обследовании того или иного конкретного полигона.

Поэтому расчет выбросов биогаза целесообразно проводить для условий стабилизированного процесса разложения отходов при максимальном выходе биогаза (четвертая фаза) с учетом того, что стабилизация процесса газовыделения наступает в среднем через два года после захоронения отходов. На эту фазу приходится 80% выделяемого биогаза. А остальные 20% выбросов учитываются концентрациями компонентов биогаза, определяемыми анализами (при анализах отобранных проб биогаза не представляется возможным дифференцировать, какая часть из общей определяемой концентрации того или иного компонента создается при смешанном брожении, а какая – при анаэробном разложении с постоянным выделением метана).

Процесс минерализации отходов происходит в течение первого года – на 12 см, второго года – на 21 см, третьего года – на 27 см и т.д.

Поступление биогаза с поверхности полигона в атмосферный воздух идет равномерно, без заметных колебаний его количественных и качественных характеристик.

3. Расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух с полигонов

Расчет выбросов газообразных загрязняющих веществ в атмосферный воздух в данной методике приводится для нормального режима эксплуатации полигона ТБО.

Выбросы твердых и газообразных вредных веществ при работе автотранспортной и дорожной техники и котельных (при их наличии), а также выбросы твердых вредных веществ при складировании, перемещении и хранении отходов рассчитываются, при необходимости, по соответствующим действующим методикам.

Возгорание отходов на разных участках полигона рассматривается как аварийные выбросы.

На количественную характеристику выбросов загрязняющих веществ с полигонов отходов влияет большое количество факторов, среди которых:

-               климатические условия;

-               рабочая (активная) площадь полигона;

-               сроки эксплуатации полигона;

-               количество захороненных отходов;

-               мощность слоя складированных отходов;

-               соотношение количеств завезенных бытовых и промышленных отходов;

-               морфологический состав завезенных отходов;

-               влажность отходов;

-               содержание органической составляющей в отходах;

-               содержание жироподобных, углеводоподобных и белковых веществ в органике отходов;

-               технология захоронения отходов.

Удельный выход биогаза (кг/кг отходов) за период его активной стабилизированной генерации при метановом брожении определяется по уравнению:

,                                          (3.1)

где:

Qудельный выход биогаза за период его активной генерации, кг/кг отходов;

Rсодержание органической составляющей в отходах, %;

Gсодержание жироподобных веществ в органике отходов, %;

U – содержание углеводоподобных веществ в органике отходов, %;

Bсодержание белковых веществ в органике отходов, %.

Значения R, G, U и B определяются анализами отбираемых проб отходов.

Жиры и белки определяются по стандартным методикам аналитического анализа (жиры – экстрагированием, белки – с применением гидролиза). Методика определения углеводов описана, например, в [2].

Уравнение (3.1) составлено применительно к абсолютно сухому веществу отходов.

В реальных условиях отходы содержат определенное количество влаги, которая сама по себе биогаз не генерирует. Следовательно, выход биогаза, отнесенный к единице веса реальных влажных отходов, будет меньше, чем отнесенный к той же единице абсолютно сухих отходов в 10-2 (100-W) раз, так как в весовой единице влажных отходов абсолютно сухих отходов, генерирующих биогаз, будет всего 10-2 (100-W) от этой единицы. Здесь Wфактическая влажность отходов в %, определенная анализами проб отходов.

С учетом вышесказанного уравнение выхода биогаза при метановом брожении реальных влажных отходов принимает вид:

,     (3.2)

где сомножитель 10-2 (100-W) учитывает, какова доля абсолютно сухих отходов, для которых составлено уравнение (3.1), в общем количестве реальных влажных отходов.

Количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне отходов, определяется по формуле:

                                                        (3.3)

где – период полного сбраживания органической части отходов, в годах, определяемый по приближенной эмпирической формуле:

                                                               (3.4)

где: tср.тепл. –       средняя из среднемесячных температура воздуха в районе полигона за теплый период года (tср.мес. > 0 °С), в °С;

Tтепл.продолжительность теплого периода года в районе полигона ТБО, в днях;

10248 и 0.301966 – удельные коэффициенты, учитывающие биотермическое разложение органики.

П р и м е ч а н и е - Метеоданные запрашиваются в РГП «Казгидромет".

Органические вещества, содержащиеся в отходах, обладают различной интенсивностью разложения. Так, резина, кожа, полимерные материалы и т.п. разлагаются микроорганизмами очень медленно, в то время как органические составляющие отходов, содержащие белковые вещества, крахмал, разлагаются очень быстро. Таким образом, можно считать, что органическая составляющая отходов состоит из «пассивного» (не генерирующего или очень медленно генерирующего) органического вещества и «активного» (генерирующего) органического вещества. Следовательно, от морфологического состава отходов зависит интенсивность образования и выделения биогаза и в зависимости от него и от климатических условий, колеблется продолжительность периода стабилизированного активного выхода биогаза.

Плотность биогаза, определяется по формуле:

                                                                               (3.5)

где Сi – концентрация компонентов в биогазе, в мг/м3.

В таблице 3.1. указаны плотности наиболее вероятных компонентов биогаза.

Таблица 3.1

Плотность наиболее вероятных компонентов биогаза

Наименование вещества

Плотность,

кг/м3

Метан

0.717

Углерода диоксид

1.977

Толуол

0.867

Аммиак

0.771

Ксилол

0.869

Углерода оксид

1.250

Азота диоксид

1.490

Формальдегид

0.815

Ангидрид сернистый

2.930

Этилбензол

0.867

Бензол

0.869

Сероводород

1.540

Фенол

1.071

Состав биогаза и концентрации компонентов в нем определяются анализами проб биогаза, отобранных в ряде точек по площади полигона на глубине 1,0-1,5 метра (количество и расположение точек отбора зависит от активной площади полигона и числа разнородных участков) путем отсоса биогаза и дальнейших его химических анализов по существующим утвержденным методикам.

Для полигонов складирования осадков сточных вод и активного ила в случае обнаружения в выбросах биогаза смеси природных меркаптанов, нормируемой по этилмеркаптану (этантиолу), последний также включается в перечень ингредиентов биогаза и пробы биогаза анализируются на концентрацию в нем этил меркаптан а.

Используя полученные анализами концентрации компонентов в биогазе и рассчитанную его плотность, определяется весовое процентное содержание этих компонентов в биогазе:

                                                                                    (3.6)

где:

Сi – концентрации компонентов в биогазе, в мг/м3;

rб.г. – плотность биогаза, кг/м3.

По рассчитанным количественному выходу биогаза за год, отнесенному к одной тонне отходов (формула 3.3) и весовым процентным содержаниям компонентов в биогазе (формула 3.6) определяются удельные массы компонентов, выбрасываемые в год, по формуле:

                                                  (3.7)

При использовании расчетного метода инвентаризации выбросов действующего полигона и при проектировании нового или расширении существующего полигона ТБО может приниматься среднестатистический состав биогаза по таблице 3.2, рекомендуемый при проектировании.

Таблица  3.2

Среднестатистический состав биогаза

Компонент

Свес.i, %

Метан

52,915

Толуол

0,723

Аммиак

0,533

Ксилол

0,443

Углерода оксид

0,252

Азота диоксид

0,111

Формальдегид

0,096

Этилбензол

0,095

Ангидрид сернистый

0,070

Сероводород

0,026

Для расчета величин выбросов подсчитывается количество активных отходов, стабильно генерирующих биогаз, с учетом того, что период стабилизированного активного выхода биогаза в среднем составляет двадцать лет и что фаза анаэробного стабильного разложения органической составляющей отходов наступает спустя в среднем два года после захоронения отходов, т.е. отходы, завезенные в последние два года, не входят в число активных.

При подсчете возможны два варианта.

Первый – полигон функционирует менее двадцати лет, т.е. менее периода полного сбраживания (tсбр.). В этом случае учитываются все отходы, завезенные с начала работы полигона, за исключением отходов, завезенных в последние два года.

Второй – полигон функционирует более двадцати лет. В этом случае подсчитываются отходы, завезенные за последние двадцать лет или tсбр. без учета отходов, завезенных в последние два года.

Суммарный максимальный разовый выброс биогаза с полигона определяется по формуле:

                                                                         (3.8)

Максимальные разовые выбросы i-го компонента биогаза с полигона определяются по формуле:

                                                            (3.9)

где:

åD –      количество активных стабильно генерирующих биогаз отходов, т;

Ттепл. –    продолжительность теплого периода года в районе полигона ТБО, в днях;

Свес.i –    определяется по формуле 3.6 или по таблице 3.2.

Биогаз образуется неравномерно в зависимости от времени года. При отрицательных температурах процесс "мезофильного сбраживания" (до 55°С) органической части ТБО прекращается, происходит т.н. "законсервирование" до наступления более теплого периода года (tср.мес. > 0°С).

Приведенная формула (3.8) справедлива для случая обследования полигона и отбора проб биогаза в теплое время года (tср.мес. > 8° С). При обследовании в более холодное время года (0 < tср.мес. £ 8°С), что нецелесообразно хотя бы из-за дополнительных погрешностей измерений, в формуле следует применять повышающий коэффициент неравномерности образования биогаза 1.3.

С учетом коэффициента неравномерности суммарный валовый выброс биогаза с полигона определяются по формуле:

  (3.10)

Валовые выбросы i-го компонента биогаза с полигона определяются по формуле:

                                                      (3.11)

Примечание: a и b в формуле (5.10) соответственно периоды теплого и холодного времени года в месяцах (a при tср.мес. > 8°С; b при 0 < tср.мес. £ 8°С).


Приложение А

(справочное)

Примеры расчетов выбросов загрязняющих веществ
полигоном твердых бытовых отходов

А.1 Пример 1

Исходные данные:

1. Результаты анализов проб отходов, отобранных на полигоне:

-               содержание органической составляющей в отходах, R=55%;

-               содержание жироподобных веществ в органике отходов, G=2%;

-               содержание углеводоподобных веществ в органике отходов, U=83%;

-               содержание белковых веществ в органике отходов, B=15%;

-               средняя влажность отходов W=47%.

2. Результаты анализов проб биогаза:

Компонент

Сi, мг/м3

Метан

660908

Углерода диоксид

558958

Толуол

9029

Аммиак

6659

Ксилол

5530

Углерода оксид

3148

Азота диоксид

1392

Формальдегид

1204

Этил бензол

1191

Ангидрид сернистый

878

Сероводород

326

3. Полигон функционирует с 1990 года (менее 20 лет)

4. Ежегодно на полигон завозится 208 200 тонн отходов.

Расчет:

1. По формуле (3.2) определяем удельный выход биогаза (в кг от одного кг отходов) за период активного его выделения:

Qw =10-6´55´(100-47)´ (0.92´2 + 0.62´83 + 0.34´15)= 0.170236 кг/кг отх.

Период активного выделения биогаза (tср.тепл.=11.67°С; Tтепл. = 244 дня) составит по формуле (3.4):

2. По формуле (3.3) определяем количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне захороненных отходов:

3. По формуле (3.5) определяем плотность биогаза:

Компонент

Сi, мг/м3

Метан

660908

Углерода диоксид

558958

Толуол

9029

Аммиак

6659

Ксилол

5530

Углерода оксид

3148

Азота диоксид

1392

Формальдегид

1204

Этил бензол

1191

Ангидрид сернистый

878

Сероводород

326

ИТОГО:

1249223

4. По формуле (3.6) Определяем весовое процентное содержание компонентов в биогазе (диоксид углерода как ненормируемое вещество из дальнейшего рассмотрения исключается):

Компонент

С вес.i, %

Метан

52,915

Толуол

0,723

Аммиак

0,533

Ксилол

0,443

Углерода оксид

0,252

Азота диоксид

0,111

Формальдегид

0,096

Этил бензол

0,095

Ангидрид сернистый

0,070

Сероводород

0,026

5. По формуле (3.7) определяем удельные массы компонентов биогаза, выбрасываемые за год:

Компонент

rуд., кг/т отходов в год

Метан                           

4,504019

Толуол

0,061540

Аммиак

0,045368

Ксилол

0,037707

Углерода оксид

0,021450

Азота диоксид

0,009448

Формальдегид

0,008171

Этил бензол

0,008086

Ангидрид сернистый

0,005958

Сероводород

0,002213

6. Активно вырабатывают биогаз отходы, завезенные на полигон за период с начала его работы ( 1990 г.) до момента расчета (конец 2005 г.) минус последние два года, т.е. за 14 лет: 208200´14 = 2 914 800 тонн

7. Суммарный максимальный разовый выброс биогаза полигона составит (формула 3.8):

В том числе (формула 3.9) по компонентам (без СО2):

Компонент

Мсек, г/с

Метан

622,738

Толуол

8,508

Аммиак

6,273

Ксилол

5,213

Углерода оксид

2,966

Азота диоксид

1,306

Формальдегид

1,129

Этил бензол

1,118

Ангидрид сернистый

0,824

Сероводород

0,306

8. Суммарный валовый выброс биогаза полигона составит (формула 3.10):

 (a = 5 мес; b = 3 мес.)

В том числе (формула 3.11) по компонентам (без СО2):

Компонент

Мгод, т/год

Метан

11959,445

Толуол

163,407

Аммиак

120,465

Ксилол

100,123

Углерода оксид

56,955

Азота диоксид

25,087

Формальдегид

21,697

Этилбензол

21,471

Ангидрид сернистый

15,821

Сероводород

5,876

А.2 Пример 2

Исходные данные:

1. Результаты анализов проб отходов, отобранных на полигоне:

-    содержание органической составляющей в отходах, R=55%;

-    содержание жироподобных веществ в органике отходов, G=2%;

-    содержание углеводоподобных веществ в органике отходов, U=83%;

-    содержание белковых веществ в органике отходов, B=15%;

-    средняя влажность отходов W=47%.

2. Результаты анализов проб биогаза:

Компонент

Сi, мг/м3

Метан

660908

Углерода диоксид

558958

Толуол

9029

Аммиак

6659

Ксилол

5530

Углерода оксид

3148

Азота диоксид

1392

Формальдегид

1204

Этил бензол

1191

Ангидрид сернистый

878

Сероводород

326

3. Полигон функционирует с 1970 года (более 30 лет)

4. Ежегодно на полигон завозится 20000 тонн отходов.

Расчет:

1. По формуле (3.2) определяем удельный выход биогаза (в кг от одного кг отходов) за период активного его выделения:

Qw =10-6´55´(100-47)´ (0.92´2 + 0.62´83 + 0.34´15)= 0,170236 кг/кг отх.

Период активного выделения биогаза (tср.тепл.=14.11°С; Tтепл. = 365 дней) составит по формуле (3.4):

2. По формуле (3.3) определяем количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне захороненных отходов:

3. По формуле (3.5) определяем плотность биогаза:

Компонент

Сi, мг/м3

Метан

660908

Углерода диоксид

558958

Толуол

9029

Аммиак

6659

Ксилол

5530

Углерода оксид

3148

Азота диоксид

1392

Формальдегид

1204

Этил бензол

1191

Ангидрид сернистый

878

Сероводород

326

ИТОГО:

1249223

4. По формуле (3.6) Определяем весовое процентное содержание компонентов в биогазе (диоксид углерода как ненормируемое вещество из дальнейшего рассмотрения исключается):

Компонент

С вес.i, %

Метан

52,915

Толуол

0,723

Аммиак

0,533

Ксилол

0,443

Углерода оксид

0,252

Азота диоксид

0,111

Формальдегид

0,096

Этил бензол

0,095

Ангидрид сернистый

0,070

Сероводород

0,026

5. По формуле (3.7) определяем удельные массы компонентов биогаза, выбрасываемые за год:

Компонент

rуд., кг/т отходов в год

Метан                           

6,929260

Толуол

0,094677

Аммиак

0,069797

Ксилол

0,058011

Углерода оксид

0,033000

Азота диоксид

0,014536

Формальдегид

0,012571

Этил бензол

0,012440

Ангидрид сернистый

0,009167

Сероводород

0,003405

6. Активно вырабатывают биогаз отходы, завезенные на полигон за последние 13 лет минус последние два года, т.е. за 11 лет: 20000´11 = 220 000 тонн

7. Суммарный максимальный разовый выброс биогаза полигона составит (формула 3.8):

В том числе (формула 3.9) по компонентам (без СО2):

Компонент

Мсек, г/с

Метан

48,339

Толуол

0,660

Аммиак

0,487

Ксилол

0,405

Углерода оксид

0,230

Азота диоксид

0,101

Формальдегид

0,088

Этил бензол

0,087

Ангидрид сернистый

0,064

Сероводород

0,024

8. Суммарный валовый выброс биогаза полигона составит (формула 3.10):

 (a = 10 мес; b = 2 мес.)

В том числе (формула 3.11) по компонентам (без СО2):

Компонент

Мгод, т/год

Метан

1465,805

Толуол

20,028

Аммиак

14,764

Ксилол

12,272

Углерода оксид

6,981

Азота диоксид

3,075

Формальдегид

2,659

Этилбензол

2,631

Ангидрид сернистый

1,939

Сероводород

0,720

Download