В настоящее время в России производство и накопление твердых бытовых отходов (ТБО) опережает возможности их переработки и захоро-нения на полигонах. По оценкам специалистов [4], ежегодно в нашей стране образуется 150 млн. м3 бытовых отходов, при этом площади отчуждаемых под полигоны и свалки земель составляют более 40 тыс. га. Помимо того, что под размещение отходов выделяются значительные территории, полигоны ТБО являются источником длительного негативного воздействия на окружа- ющую среду, в частности на атмосферу в результате образования биогаза, содержащего парниковые газы и токсичные вещества. Это объясняется тем, что органические вещес- тва, составляющие до 78% твердых бытовых отходов [1], являются идеальной средой для протекания интенсивных биохимических процессов. В анаэробных условиях развиваются метаногенные бактерии [5], в процессе жизнедеятельности которых образуется биогаз.
Улавливание и утилизация биогаза с последующим его использованием для полу- чения тепловой и электрической энергии [8, 9] является перспективным способом улуч- шения экологической обстановки на полигонах ТБО. Для создания эффективной систе- мы сбора и утилизации биогаза необходимо провести предварительную оценку газового потенциала на объектах захоронения отходов и исследовать биохимические процессы его образования. Оценка биогазового потенциала позволит определить участки полиго- нов, наиболее перспективных для использования методики сбора и утилизации биогаза.
Полевые замеры полигона «Самосырово» проводились весной, а «Каргашино» – осенью 2008 г. Газопродуктивность полигонов определялась на глубине 0,6-0,8 метра с помощью газоанализаторов (GA-94.А). Были измерены концентрации (С, г/м3) и ско- рости эмиссии компонентов биогаза (F, м3/час•м2). Скорость эмиссии выражает степень интенсивности поступления газа из свалочного грунта в измерительную камеру прибора объемом 0,07 м3 и площадью основания 0,2 м2 до момента достижения равновесия газо- вого потока (5-7 минут).
С целью определения влажности и органической составляющей отбирались по три пробы свалочного грунта объемом 100 см3 с глубины 1,5 м. Для выявления органического вещества, способного к биодеструкции, исследовался морфологический состав бытовых отходов. С этой целью отбирались четыре образца по 10 кг с каждого полигона, которые затем делились на органические (бумага, картон, пищевые отходы, дерево, текстиль, кос- ти, кожа) и неорганические (черный, цветной металл, пластмасса, стекло, резина, камни, штукатурка, отсев) фракции. Измерение концентрации компонентов и скорости эмиссии биогаза проводилось по квадратной сетке, а расстояние между точками отбора проб оп- ределялось в зависимости от площади объектов и поверхности складируемых участков. На полигоне «Самосырово» было выбрано 25 точек (11– в первой зоне и 14 – во второй) с шагом 60 м, на полигоне «Каргашино» – 65 точек (32 – на первом участке и 33 – на втором) с шагом 50 м.
Полевые исследования позволили выявить разный компонентный состав биогаза на полигонах: СН4, СО2, N2, СО, Н2 («Самосырово») и СН4, СО2, О2 («Каргашино»). Для сравнительной характеристики концентраций газов на двух полигонах были выбраны метан и оксид углерода (IV).
С помощью пакета программы Surfer v. 9.8-2009 [7] построены кон-турные карты рассеяния полей концентраций метана и углекислого газа в приповерхностном слое отхо- дов. Уровневые поверхности полигонов в трехмерном пространстве были выполнены по данным абсолютных отметкок рельефа – 647 и 225 точек для полигонов «Самосырово» и «Каргашино», соответственно.
Статистический анализ характеристик газовых полей [2, 3] позволил дать первич- ную оценку процессов газообразования, протекающих в исследуемых полигонах, и уста- новить газогеохимическую зональность свалочных тел.
На полигоне «Самосырово» отмечены высокие средние содержания СН4 в первой зоне (433 г/м3) по сравнению со второй (396 г/м3). Средняя скорость эмиссии биогаза второй зоны (0,084 м3/час•м2) значительно выше первой (0,001 м3/час•м2). Кроме того, более высокое содержание СО2 во второй зоне (752 г/м3) по сравнению с первой (664 г/м3) говорит о протекании анаэробных процессов в свалочной толще с постепенным перехо- дом биохимических реакций в метановую фазу. На полигоне «Каргашино» разгрузка га- зового потока происходит в тех местах, где отсутствует качественное рекультивационное покрытие. Концентрации газов (СН4=335 г/м3, СО2=726 г/м3) и скорость эмиссии биогаза (0,032 м3/час•м2) во второй зоне выше, чем в первой (СН4=129 г/м3, СО2 =280 г/м3; 0,012 м3/час•м2).
Проведенный анализ распределения потоков газа позволил сделать следующие вы- воды.
1. Выделение метана происходит как в центральной части, так и на склонах, при- чем особенно интенсивно в тех местах, где отсутствует качественное рекультивационное покрытие.
2. На полигоне «Самосырово» максимальные концентрации метана отмечены как на высоких (200 м), так и на низких (195 м) отметках, тогда как на полигоне «Каргашино» – только на низких (158-164 м).
3. Доля органической составляющей в твердых бытовых отходах на полигоне «Са- мосырово» составляет 71,4%, а на полигоне «Каргашино» – 72,7%, что ниже среднеста- тистических данных (79%) по полигонам ТБО умеренной климатической зоны России [6].
4. Особенно высокие значения скорости эмиссии метана и его концентрации на по- лигонах «Самосырово» и «Каргашино» наблюдаются в эксплуатируемых зонах.
Результаты проведенных исследований показывают, что при грамотном использо- вании полигонов ТБО в качестве возобновимых ресурсов биогаза антропогенного происхождения, параллельно решается проблема борьбы с загрязнением атмосферного воздуха от этих полигонов.