Курсовая работа (т): Разработка проекта полигона твердых бытовых отходов вместимостью 4637500 кубических метров

. Низкотемпературный пиролиз

Это процесс, при котором размельченный материал мусора подвергается термическому разложению. Преимущество пиролиза по сравнению с непосредственным сжиганием отходов заключается, прежде всего, в его эффективности с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды. С помощью пиролиза можно перерабатывать составляющие отходов, неподдающиеся утилизации, такие как автопокрышки, пластмассы, отработанные масла, отстойные вещества. После пиролиза не остается биологически активных веществ, поэтому подземное складирование пиролизных отходов не наносит вреда природной среде. Образующийся пепел имеет высокую плотность, что резко уменьшает объем отходов, подвергающийся подземному складированию. К преимуществам пиролиза относятся и легкость хранения и транспортировки получаемых продуктов, а, также то, что оборудование имеет небольшую мощность. В целом процесс требует меньших капитальных вложений.

. Высокотемпературный пиролиз.

Этот способ утилизации ТБО, по существу, есть не что иное, как газификация мусора. Технологическая схема этого способа предполагает получение из биологической составляющей (биомассы) отходов вторичного синтез-газа с целью использования его для получения пара, горячей воды, электроэнергии. Составной частью процесса высокотемпературного пиролиза являются твердые продукты в виде шлака, т.е. непиролизуемые остатки. Этот метод высокотемпературного пиролиза переработки отходов основан на комбинации процессов в цепи: сушка-пиролиз-сжигание электрошлаковая обработка. По существу, это и есть вариант комплексной переработки ТБО, их полной экологически чистой утилизации с получением полезных продуктов и тепловой энергии из "бросового" сырья - бытового мусора.

Высокотемпературный пиролиз является одним из самых перспективных направлений переработки твердых бытовых отходов с точки зрения как экологической безопасности, так и получения вторичных полезных продуктов синтез-газа, шлака, металлов и других материалов, которые могут найти широкое применение в народном хозяйстве. Высокотемпературная газификация дает возможность экономически выгодно, экологически чисто и технически относительно просто перерабатывать твердые бытовые отходы без их предварительной подготовки, т.е. сортировки, сушки.

1.3 Устройство полигона и складирование ТБО

В настоящее время во всем мире широко разрабатываются специальные природоохранные сооружения - санитарные полигоны, предназначенные для складирования, изоляции и обезвреживания ТБО. Для строительства полигонов ТБО отводятся отработанные карьеры, овраги, участки лесных массивов, свободные от ценных пород деревьев. Участки для складирования выбираются вдали от населенных пунктов на основании геологических, гидрологических и топографических исследований [6].

По сравнению с обычной свалкой полигон ТБО является современным санитарно-гигиеническим и экологическим объектом. Полигон ТБО - это комплекс инженерных сооружений, предназначенный для складирования, изоляции и обезвреживания твердых бытовых отходов, обеспечивающий защиту от загрязнений атмосферы, почвы, поверхностных и грунтовых вод. На полигоне обеспечивается статистическая устойчивость ТБО с учетом динамики уплотнения, минерализации, газовыделения, максимальной нагрузки на единицу площади, возможности последующего рационального использования участка после закрытия полигона.

Полигон может считаться высоконагружаемым, если его проектная высота не менее 20 м, а нагрузка на использованную площадь превышает 10 т/м².

Основные элементы полигона (рис.1): подъездная дорога (с двусторонним движением), участок складирования ТБО (занимает 95% площади полигона и ограничивается водоотводной канавой), хозяйственная зона (располагается на пересечении подъездной дороги с границей полигона и включает бытовые и производственные помещения), инженерные сооружения и коммуникации (водопровод, канализация, мачты электроосвещения).

Рис. 1. Схема размещения основных сооружений полигона: а - при соотношении длины и ширины полигона 2: 1; б - при соотношении более 3:1; 1 - подъездная дорога; 2 - хозяйственная зона; 3 - нагорная канава; 4 - ограждение; 5 зеленая зона; 6 - кавальер грунта для изоляции слоев; 7-участки складирования ТБО; I, II и III - очереди эксплуатации

Одно из основных сооружений полигона - участок складирования ТБО занимает 85-95% его площади в зависимости от годового объема принимаемых ТБО. Участок складирования разбивается на "очереди эксплуатации - секции, площадью в среднем 5 га. Складирование отходов ведется согласно технологической схеме на высоту в несколько ярусов (до проектной отметки). Участок захоронения должен быть защищен от стока поверхностных вод с вышерасположенных земельных массивов. Для сбора образующегося фильтрата днище котлована запроектировано горизонтальным, с продольным уклоном и внешней границей котлована. По верхней и нижней границе участка складирования предусмотрено устройство защитных валов из суглинков

Сбор фильтрата в высотных полигонах осуществляется с помощью дренажных систем в резервуары (котлованы, накопители фильтрата), расположенные в их основании.

В дренажные канавы, прорезанные в гидроизоляционном экран складываются перфорированные асбоцементные трубы либо задается дренажный материал.

Противофильтрационный экран устанавливается по площади

днища и на боковых откосах котлованов. Цель создания противофильтрационного экрана - ограничение потока фильтрата к нижележащим грунтовым водам и предотвращение притока грунтовых вод на уровень выше основания полигона. В качестве противофильтрационных экранов в РФ регламентируется использование следующих материалов: однослойный глиняный экран (толщина на менее 0,5 м), поверх которого укладывается защитный слой из местного грунта (толщина 0,2-0,3 м); грунтобитумный экран, обработанный органическими вяжущими или отходами нефтепереработки (толщина 0,2-0,4 м); экран из латекса (двухслойный).

Складируемые на полигоне ТБО подвергаются уплотнению и изоляции.

Складируют ТБО на рабочей карте, отведенной на данные сутки. Размеры рабочей карты: длина 30-150 м, ширина 5 м. Мусоровозы разгружают ТБО у рабочей карты. Бульдозеры сдвигают ТБО на рабочую карту, создавая слой высотой 0,3-0,5 м.

Уплотнение в 3-4 раза достигается четырехкратным проходом бульдозера (катка) по одному месту. Уплотненный слой ТБО высотой 2 м (12-20 слоев) изолируют грунтом, инертными материалами (отходы строительства, шлаки); вместо грунта возможно использование полученного из ТБО компоста. Слой промежуточной изоляции 0,15-0,25 м. В отличие от российской практики, в ряде европейских стран на одном и том же полигоне, помимо ТБО, складируют на специализированных участках промышленные отходы, отходы строительства, осадки сточных вод и пр. Кроме того, на полигонах проектируются участки компостирования растительных и других биоразлагаемых органических отходов, участки сортировки отходов и хранения вторичного сырья [2]. В российской практике на муниципальных полигонах допускается размещение лишь приравненных к ТБО отходов. Промышленные отходы, допускаемые для совместного складирования с ТБО, не должны быть взрывоопасными и самовозгорающимися и не должны иметь влажность более 85%; токсичность смеси отходов не должна превышать токсичность ТБО (по данным анализа водной вытяжки). Промышленные отходы IV класса опасности, принимаемые без ограничений полигонами ТБО, характеризуются содержанием в водной вытяжке (1 л воды на 1 кг отходов) токсичных веществ на уровне фильтрата из ТБО и должны иметь крупность не более 250 мм.

1.4 Гигиенические требования к условиям приема промышленных отходов на полигоны

Основное условие возможности приема промышленных отходов на полигоны твердых бытовых отходов - соблюдение санитарно-гигиенических требований по охране атмосферного воздуха, почвы, грунтовых и поверхностных вод. Основным санитарным условием является требование не превышения токсичности смеси промышленных отходов с бытовыми по сравнению с токсичностью бытовых отходов по данным анализа водной вытяжки. Перечень промышленных отходов III, IV классов опасности, допускаемых для совместного складирования, приводится в табл.3-5.

Таблица 3

Перечень промышленных отходов IV класса опасности, принимаемых на полигоны твердых бытовых отходов без ограничения и используемых в качестве изолирующего материала

Промышленные отходы, допускаемые для совместного складирования с ТБО, должны отвечать следующим требованиям: иметь влажность не более 85%, не быть взрывоопасными, самовоспламеняющимися, самовозгорающимися.

Таблица 4

Перечень промышленных отходов III и IV классов опасности, принимаемых в ограниченных количествах и складируемых с соблюдением особых условий

Промышленные отходы IV класса опасности, принимаемые без ограничений в количественном отношении и используемые в качестве изолирующего материала, характеризуются содержанием в водной вытяжке (1 л воды на 1 кг отходов) токсичных веществ на уровне фильтрата из твердых бытовых отходов, а по интегрирующим показателям - биохимической потребностью в кислороде (БПК_полн) и химической потребностью в кислороде (ХПК) не выше 300 мг/л, имеют однородную структуру с размером фракций менее 250 мм [6].

Промышленные отходы III - IV класса опасности, принимаемые в ограниченном количестве (не более 30 % от массы твердых бытовых отходов) и складируемые совместно с бытовыми, характеризуются содержанием в водной вытяжке токсичных веществ на уровне фильтрата из ТБО и значениями БПК₂₀ и ХПК 3400-5000 мг О₂/л [6].

Таблица 5

Перечень промышленных отходов III и IV классов опасности, принимаемых на полигоны твердых бытовых отходов в ограниченном количестве и складируемых совместно (нормативы на 1000 м³ твердых бытовых отходов)

Вопрос о количестве указанных отходов, принимаемых на полигон твердых бытовых отходов, решается организацией, эксплуатирующей полигон, по согласованию с территориальным ЦГСЭН и утверждается в установленном порядке. Санитарно-эпидемиологическое заключение о совместном хранении и захоронении промышленных отходов и ТБО выдается территориальным ЦГСЭН на основе анализов лабораторий, аккредитованных (аттестованных) в установленном порядке.

1.5 Сбор и обезвреживание фильтрата

Фильтрат, образующийся на полигонах ТБО, содержит продукты выщелачивания водорастворимых соединений и продукты разложения отходов. В среднем годовой объем образующегося фильтрата составляет 2-3 тыс. м³/га.

Состав фильтрата зависит от срока эксплуатации полигона (от стадии разложения отходов), характера складируемых отходов и объема поступления поверхностных и грунтовых вод.

Фильтрат из ТБО характеризуется преимущественно по интегральным показателям - биохимической потребности в кислороде (ВПК) и химической потребности в кислороде (ХПК), а также по содержанию тяжелых металлов, аммонийного азота и некоторых других веществ. После короткой аэробной стадии разложения ТБО (продолжительность - несколько недель) можно выделить две анаэробные стадии.

Первая стадия распада органических веществ в анаэробных условиях (включая фазу неустойчивого образования метана) протекает от нескольких месяцев до нескольких лет после депонирования. Фильтрат, образующийся на этой стадии разложения ТБО, характеризуется средним значением рН 6, высоким значением ВПК (13000 мг/л О₂), высоким отношением БПК/ХПК (0,6), высоким содержанием аммонийного азота и железа (в среднем по 750 мг/л).

Вторая стадия (активное образование метана), характерная для старых полигонов, может продолжаться в течение нескольких десятилетий. Фильтрат старых полигонов имеет рН 8, характеризуется низким значением ВПК (180 мг/л О₂), низким отношением БПК/ХПК (0,06), высоким содержанием аммонийного азота (750 мг/л) и низким содержанием железа (15 мг/л). Содержание меди и свинца в фильтрате незначительно зависит от возраста полигона и колеблется в широких пределах, составляя в среднем около 100 мг/л; среднее содержание кадмия 6 мг/л.

Как следует из состава фильтрата, полигонное захоронение ТБО * может оказать негативное влияние на грунтовые воды, в связи с чем в России регламентируется контроль за состоянием грунтовых вод выше и ниже полигона (на расстоянии 50-100 м). Если содержание загрязняющих веществ превысит ПДК грунтовых вод, должны быть приняты меры по ограничению поступления этих веществ в грунтовые воды (до уровня ПДК).

Для предотвращения утечки фильтрата в окружающую среду основание полигона должно иметь противофильтрационный экран (с коэффициентом фильтрации, по европейским нормам, не более 10^-9 м/сек), а для облегчения его сбора поверхность полигона должна быть спланирована с уклоном (по европейским нормам, уклон должен быть не менее 2%).

В систему сбора фильтрата входят:

перфорированные дренажные трубы, размещенные под складируемыми отходами на противофильтрационном экране и обкладываемые щебенкой (фильтрат по трубам отводится на участок его обезвреживания);

насосная станция;

водосборный накопительный пруд (для снятия пиков потоков).

Все новые европейские полигоны запроектированы с донным дренажем. На старых полигонах фильтрат собирается с помощью окружающих дренажных канав или путем откачки из трубных скважин, которые размещают в теле полигона или вокруг него.

Обезвреживание фильтрата можно производить либо в месте его образования, либо на муниципальных очистных сооружениях. К очистным сооружениям фильтрат транспортируется по герметичному трубопроводу, стоимость которого в ряде случаев может быть сопоставима с затратами на строительство самого полигона.

Практически применяют два метода обезвреживания фильтрата (дренажных сточных вод):

биологическая очистка (в присутствии активных бактериальных культур, которые разрушают и используют органические вещества для синтеза своих клеток, например, в установках с активным илом, в аэрационных прудах и др.);

физико-химическая очистка (чаще всего реагентная - для очистки от тяжелых металлов) [2].

Следует отметить, что количество образующегося фильтрата зависит, при прочих равных условиях, от технологии захоронения - степени уплотнения ТБО и высоты их складирования. Высокий полигон является более предпочтительным с точки зрения защиты окружающей среды (уменьшается удельный объем фильтрата). В соответствии с европейской практикой, полигоны высотой менее 10 м проектируют редко.

1.6 Добыча и утилизация богаза

В результате анаэробного разложения органической фракции отходов образуется биогаз. Из общего количества метана, ежегодно поступающего в атмосферу, 40-70% образуется в результате антропогенной деятельности, причем более 20% из них приходятся на объекты захоронения ТБО.

Подсчитано, что из одной тонны ТБО образуется 200-300 м³ биогаза.

Основные компоненты биогаза (%): метан 40-75 (обычно 50-60), диоксид углерода 30-40, азот 5-15, кислород 0-2, сероводород и другие токсичные соединения (в небольших количествах).

В зависимости от содержания метана биогаз имеет теплоту сгорания от 15 до 20 МДж/м³, что соответствует 50% теплоты сгорания природного газа.

Биогаз является одной из причин возгорания ТБО на полигонах и свалках. При содержании в воздухе от 5 до 15% метана и 12% кислорода образуется взрывопожарная смесь [1].

Биогаз оказывает также негативное воздействие на растительный покров, угнетая растительность на примыкающих к полигонам ТБО площадях (механизм влияния связан с насыщением биогазом порового пространства почвы и вытеснением из нее кислорода).

В связи с этим за рубежом в последнее десятилетие получили широкое распространение технологии добычи и утилизации биогаза. В Германии, например, к началу нового тысячелетия добыча биогаза на полигонах ТБО составила около 35 млн. м³/год, что позволяет получать ежегодно 140 млн. кВт-ч электроэнергии и экономить 14 тыс. т/год нефти.

На российских полигонах и свалках биогаз практически не собирается.

Для сбора биогаза используют вертикальные скважины, газопроводы и компрессорные станции, обеспечивающие подачу газа к мотор-генераторам (при использовании биогаза для производства электроэнергии). Компрессор создает необходимое разрежение для сбора биогаза и его транспортировки по газопроводам.

Добыча и утилизация биогаза: Скважины→ Трубопрововоды→ Компрессорное оборудование → Мотор генератор → К потребителю электроэнергии.

В российских условиях, как показала практика, наиболее целесообразно шнековое бурение скважин диаметром 250-300 мм. По европейским данным, выход биогаза из пробуренной скважины глубиной 10 м обычно составляет 10-20 м/час. Устойчивая работа скважины обеспечивается, если ее лемит не превышает объема вновь образующегося биогаза. Подсчитано, что для обеспечения мощности 1 МВт требуется 15-20 пробуренных газовых скважин в теле полигона. Регулирование выхода биогаза с полигона осуществляется путем регулирования числа оборотов компрессора.

Расстояние между газовыми скважинами на участке сбора биогаза обычно составляет 50-60 м. Если число газовых скважин на полигоне оптимально, а откосы полигона уплотнены, извлечение биогаза составляет до 80% от его образующегося объема. Если биогаз собирается на так называемых биокартах с однородными отходами (европейские условия), извлечение биогаза повышается до 90% [1].

На рис. 2 показан общий вид скважины для добычи биогаза на подмосковных полигонах.

Рис. 2. Общий вид скважины для добычи биогаза

Температура образующегося биогаза соответствует температуре тела полигона, которая при анаэробном разложении органической фракции ТБО повышается до 25-40°С. Поскольку для отходов характерна высокая влажность, биогаз насыщается парами воды. При снижении температуры биогаза до 10°С в системе газопроводов образуется до 20 г/м³ конденсата. На установке мощностью 1 МВт ежесуточно образуется 100 л конденсата. Этот конденсат необходимо удалять из системы сбора биогаза и направлять на обезвреживание, так как по химическому составу он во многом аналогичен фильтрату. Уклон газопроводных труб в пределах полигона должен обеспечивать сбор конденсата (в соответствии с европейской практикой, уклон труб - не менее 20%). Для удаления влаги из системы устанавливают конденсатоотводчики (стальные резервуары с гидрозатворами).

Биогаз, добываемый на полигонах, наиболее часто используют для производства электроэнергии. В российских условиях из 1м³ биогаза можно получить 1,5 кВт-ч электроэнергии.

В тех случаях, когда возникают сложности с утилизацией биогаза (например, из-за больших расстояний до потребителя), собранный биогаз подвергают факельному сжиганию в специальных газовых горелках. Факельное сжигание биогаза следует рассматривать как вынужденную и промежуточную меру, способствующую снижению поступления биогаза в атмосферу и вероятности возгорания ТБО на полигонах.

2. Расчет проектируемого полигона твердых бытовых отходов

Исходные данные (Вариант 6)

Расчетный срок эксплуатации Т = 20 лет. Годовая удельная ·норма накопления ТБО с учетом жилых зданий и непромышленных объектов на год проектирования У₁ = 1,9 м^э/чел. - год. Количество обслуживаемого населения на год проектирования Н₁ = 200 тыс. чел. прогнозируется через 20 лет Н₂ = 220 тыс. чел. Полигон проектируется на плоском рельефе. Отношение ширины к длине выделенного участка для проектирования полигона ТБО (Ш - Д) составляет 1: 3,4. Грунт в основании полигона на 2 м глубины состоит из легких суглинков, далее идут тяжелые суглинки и грунтовые воды - на глубине 3,5 м. Хозяйственная зона занимает до 5,16 % от всей площади полигона.

Фактическая продолжительность работы бульдозеров на уплотнении отходов на полигоне Тс ⁼ 12 ч; влажность ТБО на полигоне составляет до 32 %.

Преобладающее направление ветра - северно-восточное; направление течения подземных вод - с севера-востока на юго-запад.

Расчет полигона. Определим значения параметров, отсутствующих в исходных данных.

2.1 Расчет проектируемая вместимость полигона ТБО

Вместимость полигона Е_m (м³) на расчетный срок определяется по формуле:

 (1)

где У_1, У₂ - удельные годовые нормы накопления ТБО по объему на первый и последний годы эксплуатации, м³/чел. - год; Н_1, Н₂ - количество обслуживаемого полигоном населения на первый и последний годы эксплуатации, чел.; Т - расчетный срок эксплуатации полигона, годы; К₁ - коэффициент, учитывающий уплотнение ТБО в процессе эксплуатации полигона на весь срок; К₂ - коэффициент, учитывающий объем наружных изолирующих слоев грунтов (промежуточный и окончательный).

Определим значение параметров, отсутствующих в исходных данных. Удельная годовая норма накопления ТБО по объему на второй год эксплуатации определяется из условия ее ежегодного роста по объему на 3% (среднее значение по РФ - 3-5 %):

У₂= У₁ · 1,03^Т, (2)

У₂ = 1,34 · (1,03) 20 = 1,34 · 1,805 = 3,4 м³/чел. год

В соответствии с табл.6 выбирается высота проектируемого полигона (Н_п, м) в зависимости от численности обслуживаемого полигоном населения (показатель Н₁ чел.).

Коэффициент К₁ учитывающий уплотнение ТБО в процессе эксплуатации полигона за весь срок Т, принимаем по табл.5 с учетом применения для уплотнения бульдозера массой 6 т; К₁ = 3 [3].

Таблица 6

Значение коэффициента К_1, учитывающее уплотнение ТБО в процессе эксплуатации полигона

Коэффициент К₂, учитывающий объем изолирующих слоев грунта в зависимости от общей высоты Н_{п -} 9,5м, принимаем по табл.7 - К₂ ⁼ 1,25.

Таблица 7

Значение коэффициента К_2, учитывающего объем изолирующих слоев

Е_т = (1,1 + 1,34) - (200 000 + 220000) · 20 ·1,25: (4 ·3) = 4 637 500 м³.

2.2 Расчет требуемой площади земельного участка полигона

Площадь участка складирования ТБО (м²) определяется по формуле

S_у. _с= 3·Е_т: Н_п, (3)

где 3 - коэффициент, учитывающий заложение внешних откосов 1: 4; Ет - вместимость полигона, м³; Н_п - высота проектируемого полигона, м.

Sу. с = 3·4 637 500/9,5 = 1 464 474 м^2,

Требуемая площадь полигона (S, м²) рассчитывается по следующей формуле:

S=1,1·S_у. _с, (4)

где 1,1 - коэффициент, учитывающий полосу вокруг участка складирования; S_доп - площадь участка хозяйственной зоны и площадки мойки контейнеров, м².

Для расчета требуемой площади полигона необходимо найти площадь хозяйственной зоны. Площадь участка хозяйственной зоны S_доп рассчитывается на основании площади участка складирования с учетом (1,1· S_у. _с).

S = 1,1 · 1 464 474 = 1 610 921 м²

2.3 Расчет длины и ширины полигона и участка складирования твердых бытовых отходов

длина полигона (м) определяется по формуле

Д_п=, (5)

Д_п =

где S - площадь проектируемого полигона, м²; п - отношение ширины к длине проектируемого полигона

Ширина полигона (Шп, м) находится как частное от деления всей требуемой площади на длину:

Ш_п= S/ Д_{п, (}6)

Ш_п = 1 610 921/2340 = 688 м

Аналогичным образом рассчитываем длину Д_{у с} и ширину участка складирования Ш_{у. с.} под ТБО (без учета хозяйственной зоны) на основании величины S_{у. с}, которые необходимы в дальнейшем для расчета фактической вместимости полигона.

Д_{у. с.} =, (6)

Д_{у. с.} == 2231м

Ш_{у. с.} = S/ Д_{у. с.,} (7)

Ш_{у. с =} 1464474/2231 = 656м

Полигон должен быть размещен с подветренной стороны, чтобы при эксплуатации в близлежащем населенном пункте не фиксировались превышения ПДК по выделяющимся газам с тела полигона и отсутствовал неприятный запах.

2.4 Расчет фактической вместимости полигона

Высота полигона Н_п определяется из условия заложения внешних откосов 1: 4 и необходимости иметь размеры верхней площадки (Ш^в), обеспечивающие надежную работу мусоровозов и бульдозеров:

Ш^в = Ш_{у. с -} Н_п · 8, (8)

Ш^в = 656 - 9,5 · 8 = 580 м

Длина верхней площадки рассчитывается следующим образом:

Д^в = Ду. с. - Нп · 8, (9)

Д^в = 2231 - 9,5 · 8= 2155 м

Вместимость котлована в основании полигона не учитывается, так как весь грунт из него идет на изоляцию ТБО. В этих условиях Е_ф будет равно объему уплотненных ТБО. Фактическая вместимость полигона Е_ф (м³) с учетом уплотнения рассчитывается по формуле усеченной пирамиды:

Е_ф = , (10)

где S_{у. с} - площадь основания полигона, м², S^В - площадь верхней площадки полигона, м².

S^В = 580 · 2155 = 1249900 м²

Е_{ф =} 12746726 м³

2.5 Потребность в изолирующем материале

По мере необходимости рабочий слой отходов покрывается с последующим уплотнением промежуточным изолирующим слоем высотой 0,25 м, обеспечивающим полное покрытие колющих и выступающих из отходов твердых предметов, незакрытой должна оставаться только минимальная рабочая поверхность. В конце рабочего дня оставшуюся массу отходов необходимо засыпать землей и уплотнить.

Промежуточная и окончательная изоляция уплотненного слоя ТБО осуществляется грунтом. При складировании ТБО на открытых, незаглубленных картах промежуточная изоляция в теплое время года проводится ежесуточно, в холодное время года с интервалом не более 3 сут. Слой промежуточной изоляции составляет 0,25 м, при уплотнении ТБО катками КМ-305 - 0,15 м. Разработка грунта и доставка его на рабочую карту производится скреперами.

В зимний период в качестве изолирующего материала разрешается использовать шлаки ТЭЦ, строительные отходы, отходы производств (отходы извести, мела, соды, гипса, графита, асбестоцемента, шифера, алюмосиликатный шлам). В виде исключения в зимний период допускается применять для изоляции снег, подаваемый бульдозерами с ближайших участков [3].

В весенний период с установлением температуры свыше 5°С площадки, где была применена изоляция снегом, покрываются слоем грунта. Укладка следующего яруса ТБО на изолирующий слой из снега недопустима.

Потребность в изолирующем материале (м³) определяется по формуле

В_г = Е_ф (1 - 1/ К₂₎, (11)

В_г = 12746726 · (1 - 1/1,25) = 2549345 м³

где Е_ф - объем уплотненных ТБО, м³; К₂ - коэффициент, учитывающий объем изолирующих слоев грунта в зависимости от общей высоты

Средняя проектируемая глубина котлована (м) в основании полигона определяется по формуле

Н_К=1,1 · В_Г: S_{у. с}, (12)

Н_К= 1,1 · 2549345/1463536 = 2м

где 1,1 - коэффициент, учитывающий откосы и картовую схему котлована.

С учетом рассчитанной площади S_{у. с.} участок складирования необходимо поделить на равноценные очереди складирования (I, II, III, и если необходимо, то и IV очередь складирования). Каждая из этих очередей эксплуатируется с учетом укладки нескольких рабочих слоев ТБО, т.е.2 м ТБО и 0,25 м грунта. Общая высота (м) составит:

Н^/ = 2,25 · n, (13)

где п - число слоев.

n=9,5-1/2,25= 4, (14)

В том числе над поверхностью земли высота насыпи для каждой очереди составит (м)

Н ^// = Н^/ · Н_{к, (}15)

Н ^// = 9,5· 2 = 7,5 м

Объем котлована одной очереди будет равен

Е₀ = В_Г / N, (16)

Е₀ = 2549345/4= 637336 м³

где N - число очередей эксплуатации полигона.

Наращивание высоты с отметки Н ^// до Н_П и окончательная изоляция от 1,0 до 1,5 м составит последнюю очередь эксплуатации. Срок эксплуатации каждой очереди в среднем четыре года.

Грунт из котлована первой очереди складируется в кавальер для использования при окончательной изоляции полигона. Кавальер размещается по внешней границе трех очередей складирования. Длина кавальера (общая протяженность) L_К может быть на 10-30 м больше длины участка складирования ТБО, вдоль которого размещается грунт.

Площадь поперечного сечения (м²) кавальера будет составлять:

S_{П. С.К.} ⁼ Е₀/L_К, (17)

L_{К =} Д _{у. с.} +10 + Ш _{у. с.} +15 = (2231+10) + (656+15) = 2912 м

S_{П. С.К.} ⁼ 637336/2912= 219 м²

Площадь поперечного сечения необходимо уточнить следующими расчетами. Кавальер принимается в форме трапеции с шириной основания (Шок) от 12 до 30 м, шириной по верху (Ш_в. к.) от 3 до 6 м и высотой (Я_к) 6-12 м.

Тогда S_{П. С.К.} будет равна:

S_{П. С.К.} = (Ш_В.К. + Ш_{О. К.)} Н_К: 2, (18)

S_{П.С. К} = (4+17) · 8: 2 = 84 м²

Площадь, занимаемая кавальером грунта, будет равна:

Sк = L_к· Шо. к., (19)

Sк=2912 - 17 = 49504 м²

2.6 Организация рабочей карты (траншеи)

Для одной из очередей складирования (только 1 - го яруса ТБО) произвести расчет числа карт или траншей с учетом площади карты Sр. к. или площадь траншеи S_{Р. Т} (м²). Расчеты основаны на расположении карт и траншей перпендикулярно преобладающему направлению ветра, которое указано по заданию, для исключения разноса ТБО по всей территории полигона.

Вычислим объем ТБО (м³/сут), принимаемых у рабочей карты (траншеи), за рабочий день:

О _Р.Д. = У₁ · Н_1: 365, ₍20)

О _Р.Д. = 1,9 · 210000: 365= 1093 м³/сут

где Н₁ - средняя численность населения на период эксплуатации полигона, чел.; 365 - количество дней в году.

Плотность поступающих на полигон ТБО Р¹¹ = 200 кг/м³ плотность после уплотнения бульдозерами Р¹ = 670 кг/м³, высота уплотненного ТБО Н_{у. с.} на карте 2 м, в траншее 3-6 м.

Расчет потребной площади рабочей карты (траншеи) осуществляется по формуле:

Sр. к. = О _Р.Д. · Р¹¹ /Н_{У. С} · Р¹, (21)

Sр. к. = 1093 · 200/2 · 670=163м²

В дальнейшем должны быть установлены: ширина рабочей карты Шр. к. - постоянная величина, равная 5,0 м; длина рабочей карты Д_Р. _К, которая может варьировать в пределах 20-150 м; ширина оабочей траншеи Ш_Р. _т. - 6-12 м, длина траншеи Д_Р. _Т зависит от времени года (в летние месяцы составляет 40-60 м, в зимние - 80-100 м) [3].

2.7 Организация разгрузки ТБО

ТБО доставляется мусоровозами, вмещающими 24 м³, каждому мусоровозу для разгрузки требуется площадка 50 м².

Объем ТБО, поступающих на полигон одновременно при разгрузке (м³/сут), определяется по формуле:

О_с=0,125 · О_{р. д.,} (22)

О_с=0,125 · 1093=137 м³

где 0,125 - коэффициент, определяющий минимальную площадь площадки разгрузки мусоровозов.

Количество мусоровозов (N_м), которые будут одновременно разгружаться на участке площадки, рассчитывается по формуле:

N_м = О_с: 24, (23)

N_м = 137: 24 = 6

где 24 - объем ТБО в мусоровозе, м³

Площадь участка разгрузки (м²) составит

S_Р = 50 · N_М, (24)

S_Р = 50 · 6=300 м²

где 50 - необходимая площадь для разгрузки мусоровоза, м².

Общая площадь участка (м²) перед рабочей картой, где осуществляется разгрузка, будет равна

S_Р.О. = S_Р · 2, (25)

S_Р.О. = 300 · 2= 600 м²

где 2 - коэффициент, учитывающий временную дорогу и подвоз ТБО.

Длина участка перед рабочей картой принимается той же длины, что и рабочая карта, т.е. равна Др. к - Ширина составит соответственно:

Шр. о = Sр, о: Др. к, (26)

Шр. о = 600: 32,6= 18м

Дня полигонов с траншейным типом складирования длина участка разгрузки перед траншеей равна ее длине (Др. к), а ширину Ш_Р.0 рассчитать как частное от деления общей площади участка разгрузки S_Р.0 на Др. т.

2.8 Расчет потребности в бульдозерах

Разгруженные мусоровозами ТБО сдвигают на рабочую карту бульдозеры. Перемещение ТБО осуществляется на расстояние Ш_Р.К. + Шр. о С учетом дополнительных маневров и откоса у рабочей карты принимаем расстояние перемещения с дополнением до 8-10 м. Согласно нормативным документам, норма времени на сдвигание до 100 м³ ТБО будет равна 1,45 ч.

Производительность бульдозера составит 100: 1,45= 69м³/ч. На сдвигание доставляемых за сутки ТБО потребуется рабочее время, ч, в количестве

С=О_Р. _Д.: 69, (27)

С= 1093: 69= 16

При фактическом времени работы за сутки потребность в бульдозерах составит Б_С = С: Т_С, (28)

Б_С = 16: 12=1

где Т_с - фактическое время работы за сутки, ч

На технологической операции по уплотнению ТБО на рабочей карте работает бульдозер массой 14 т с эксплуатационной скоростью С - 3000 м/ч и с шириной гусениц 0,5 м. Уплотнение осуществляется 4-кратным проездом:

У_с = (0,5 + 0,5): 4 = 0,25 м.

Потребность в бульдозерах на технологической операции уплотнения определяется по формуле:

Б_у = , (29)

где Д - длина карты или траншеи, м; Ш - ширина рабочей карты или траншеи, м; Ш₀ - ширина откоса, равная 4 м; Р¹ - плотность до уплотнения бульдозерами, равная 670 кг/м²; Р ^// - плотность после уплотнения бульдозерами, равная 200 кг/м³; С - эксплуатационная скорость бульдозера, равная 3000 м/ч;, 0,65 - коэффициент, учитывающий потери рабочего времени за смену; У_с - высота уплотненного слоя, м; а - толщина слоя, формируемого до уплотнения, равного 0,25 м; Т_с - фактическая продолжительность работы бульдозеров на уплотнении, ч.

Б_у = 32,4 (5+4) 670 · 2/3000 · 065 · 0,25 · 200 · 0,25 · 12=13

Общее количество бульдозеров принимаем как сумму б_с + Б_у (шт.), учитывая также работы на технологической операции по промежуточной изоляции рабочей карты грунтом слоем 0,25 м; полученное число округляем в большую сторону [3].

Б _общ = 13+4 = 17

2.9 Потребности в воде для увлажнения ТБО

Влажность ТБО (W, %) указана в задании, необходимая влажность - 38%. Пример расчета: влажность принимаемых на полигоне ТБО - 33%, их необходимо увлажнить до 38%, т.е. на 5 %. На 1 т, или 1000 кг, ТБО необходимо подать воды 1000 0,05 = 50 л. Необходимое количество дополнительной воды на 1 м³ ТБО плотностью Р = 200 кг/м³ составит: = 50 · 200/1000 = 10л. Общий расход воды на увлажнение ТБО (л/сут) составит

V =О_{р. д}· , (30), V = 1093 · 10= 10930 л/сут

где Ор. д - количество поступающих отходов, м³/сут

2.10 Расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов ТБО

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

1-я фаза - аэробное разложение;

-я фаза - анаэробное разложение без выделения метана (кислое брожение);

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

я фаза - анаэробное разложение с постоянным выделением метана;

-я 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 РФ 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 его общего количества. 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. Поступление биогаза с поверхности полигона в атмосферный воздух идет равномерно, без заметных колебаний его количественных и качественных характеристик. 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 и их влажность;

содержание органической составляющей в отходах;

содержание жироподобных, углеводоподобных и белковых веществ в органике отходов;

технология захоронения отходов.

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

Qw = 10^-6R · (100 - W) · (0,92Ж + 0,62У + 0,34Б), (31)

где R - содержание органической составляющей в отходах, 55%; Ж - содержание жироподобных веществ в органике отходов, 2%; У - содержание углеводоподобных веществ в органике отходов, 83%; Б - содержание белковых веществ в органике отходов, 15%; W - фактическая влажность отходов, 47%.

Qw = 10^-6 ∙ 55 ∙ (100 - 47) ∙ (0,92 ∙ 2 + 0,62 ∙ 83 + 0,34∙15) = 0,170236 кг/кг

. Период полного сбраживания органической части отходов, в годах, определяемый по приближенной эмпирической формуле (t_c6p, годы):

 (32)

где:

t_{cp. тепл} - средняя из среднемесячных температура воздуха в районе полигона ТБО и ПО за теплый период года (t_{ср. мес.} >0), в°С; Т_тепл - продолжительность теплого периода года в районе полигона ТБО и ПО, в днях; 10248 и 0,301966 - удельные коэффициенты, учитывающие биотермическое разложение органики.

. Количественный выход биогаза за год (Р_уд, кг/т отходов в год), отнесенный к одной тонне отходов, определяется по формуле:

 (33)

. Количество активных стабильно выделяющих биогаз отходов, т:

Σ D = (T_{экс. -} 2) · M, (34)

Σ D= (20-2) ·380000=6840000

где Т_{экс. -} срок функционирования полигона, годы; M - масса завозимых отходов, т в год (М = Н₁ · У_1, М= 20 000 1,9= 380000 т)

5. Определение весового процентного содержания компонентов в биогазе. Средняя плотность биогаза составляет обычно 0,95-0,98 плотности воздуха, т.е. при плотности воздуха 1,2928 кг/м³ средняя плотность биогаза (ρ_бг) будет равна: 1,2928 ∙ 0,965 = 1,24755 кг/м³.

Используя полученные анализами концентрации компонентов в биогазе (табл.1) и рассчитанную его плотность, определяется весовое процентное содержание этих компонентов в биогазе (С_{вес. i}, %):

 (35)

где С_i - концентрации компонентов в биогазе, мг/м³; ρ_бг - плотность биогаза, кг/м³.

При использовании расчетного метода инвентаризации выбросов действующего полигона и при проектировании нового или расширении существующего полигона ТБО принимается среднестатистический состав биогаза, рекомендуемый при проектировании (табл.8):

Таблица 8

Концентрации компонентов и их весовое процентное содержание в биогазе (по результатам анализов проб)

. Максимально разовый выброс всех компонентов биогаза (М_сум, г/сек) с полигона определяются по формуле:

 (36)

где Σ D - количество активных стабильно генерирующих биогаз отходов, т; Т_{тепл -} продолжительность теплого периода года в районе полигона ТБО, в днях.

. Максимальные разовые выбросы i-го компонента биогаза с полигона определяются по формуле (М_i, г/сек):

М_i = 0,01 · С_{вес. i} · М_сум, (37)

где С_{вес. i} - весовое процентное содержание компонентов ЗВ в биогазе, определяемое по табл.6 (графа 3), %.

8. Валовой выброс всех компонентов биогаза (G_сум, т/год). С учетом коэффициента неравномерности суммарный валовой выброс всех компонентов биогаза с полигона определяются по формуле:

 (38)

где а и b - соответственно периоды теплого и холодного времени года в месяцах (а при t_{cp. мес}. > 8°С; b при 0 < t_{cр. мес} ≤ 8°С).

9. Валовой выброс i-го компонента биогаза определяется по формуле:

_i = 0,01C_{вес. i} · G_сум, (39)

2.11 Индивидуальные задания для расчета выбросов загрязняющих веществ

Произвести расчет количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигона твердых бытовых отходов. Исходные данные приведены в табл.9.

Таблица 9

Исходные данные для расчета выбросов от полигона

2.12 Расчет количества фильтрационных вод

Объем поверхностного стока в зависимости от площади полигона составляет 1-5 % от количества атмосферных осадков. Годовой объем фильтрационных вод (тыс. м³/год) вычисляется по расчетной формуле, разработанной В.В. Разнощиком и Н.Ф. Абрамовым. Такая зависимость описывается следующим выражением:

 (40)

где V - годовой объем фильтрационных вод, м³/год;

h - средняя региональная норма стока, мм/год;

- снижение нормы стока за счет испаряющей поверхности полигона, мм/год;

F (Sу. с.) - площадь участка складирования ТБО, га;

Q_ТБО - среднегодовое поступление ТБО, тыс. м³/год;

W - среднегодовая влажность отходов, %.

Расчет: исходные данные

F - площадь полигона - 146 га;

W - среднегодовая влажность отходов, (29%)

Q_ТБО - среднегодовое поступление ТБО, 380 тыс. м³/год;

Q_ТБО= У₁ · Н_1, (41)

Q_ТБО = 1,9· 200000=380000

V = 0,01 · (471 - 100) · 146 + 0,01 · 380· (29 - 52) = 454,26 тыс. м³/год

Рассчитанное количество фильтрата будет образовываться на завершающей стадии эксплуатации полигона.

Библиографическое описание

1.       Артемов, Н.И. Технологии автоматизированного управления полигоном твердых бытовых отходов / Научно-исследовательский институт управляющих машин и систем. / Артемов Н.И., Середа Т.Г., Костарев С.Н., Ниизамутдинов О.Б. Пермь, 2003. - 266 с.

2.      Шубов, Л.Я. Технология отходов мегаполиса. Технологические процессы сервисе / Учебное пособие. Л.Я. Шубов, М.Е. Ставровский, Д.В. Шехирев. М.: 2002. - 376 с.

3.      Свергузова, С.В. Разработка проекта полигона твердых бытовых отходов: Методические указания / С.В. Свергузова, Т.А. Василенко, Н.Н. Василевич. - Белгород: Изд-во БГТУ им В.К. Шухова. - 2004. - 50 с.

4.      Тугов, А.Н. Не превратите планету в свалку / Наука и жизнь / Тугов А.Н. Эскин Н.К. 1998. - №5 - С 2-8.

5.      Шершнев, Е.С. Сжигание ТБО с получением электроэнергии и теплоты / Экология и промышленность России / Шершнев Е.С., Ларионов В.Г., Куркин П.Ю. 1998. - №4. - С. 44-47.

.        Санитарные правила устройства и содержания полигонов для твердых бытовых отходов. №2811-83 от 16.05.83. - М., 1983