Свалки как источник загрязнения приземного слоя атмосферы

Многочисленные данные свидетельствуют, что одной из основных проблем, связанных с захоронением отходов, является образование биогаза. Мощность слоя отходов, на 50-60% состоящих их органических компонентов, достигает десятков метров. В нижних горизонтах таких отложений анаэробное микробное сообщество разлагает органическое вещество с образованием газовой смеси.

Образующийся газ содержит 45-85% метана, 15-40% диоксида углерода, а также в незначительном количестве азот, кислород, водород, сероводород и диоксид серы. Если не контролировать их образование, то возможны такие последствия как взрывы и подземные пожары. Известно (Небел, 1993; Административная сводка ., 1997), что биогаз может мигрировать на значительные расстояниях от полигона и проникать в подвалы зданий. При определенных условиях метан взрывоопасен и воспламеним. Диоксид углерода и другие газы, такие как сульфид водорода, могут явиться причиной удушья.

Характер и интенсивность протекающих в свалках микробиологических процессов позволяет рассматривать их как своеобразные твердофазные ферментеры геологического масштаба и крупнейшие искусственные системы по производству биогаза (Минько, Лифшиц, 1992). Со свалок земного шара ежегодно выбрасывается в атмосферу 30-70 млн. т биогаза (Федоров, Прохорова, 1997). Скорости эмиссии газов от поверхности свалки ТБО в атмосферу в п10-п100 раз превышают известные величины интенсивности потоков газов от природных экосистем (почва, заболоченные территории). В воздушной среде свалок ТБО обнаружены большие количества патогенных микроорганизмов и высокие концентрации газовых примесей (Минько, Лифшиц, 1992).

При исследовании газовой составляющей свалок обнаружено более 100 компонентов. Установлено присутствие в биогазе тяжелых (в том числе ароматических) углеводородов, хлорированных углеводородов, спиртов, эфиров и других летучих органических веществ. Предполагают, что основная часть углеводородов и хлоруглеводородов имеет небиологическое происхождение, а их присутствие в биогазе есть результат испарения различных видов топлива и растворителей и протекающих в теле свалки химических реакций (деструкции изделий из резины и других синтетических материалов).

Свалочный газ представляет собой уникальную по компонентному составу газовую смесь, не имеющую аналогов среди газовых смесей, образуемых природными биокосными и геологическими телами. В связи с этим, прямым следствием наличия крупной свалки будет возникновение аномалий в прилежащей к ней атмосфере как по количественному содержанию, так и по качественному составу летучих органических соединений.

В составе пылевых и аэрозольныъх факелов со свалок могут также мигрировать экотоксиканты. По результатам вертолетной аэрозольной съемки, выполненной в Санкт-Петербурге летом 1990 г. на высоте полета около 80 м (Амосов и др., 2000), концентрации аэрозолей ТМ в воздухе над действующим полигоном ПТО-3 была выше, чем над прилегающей территорией: Zn - в 8 раз, Cd - в 10,5, Мп - в 20, Pb - в 21, Си - 9,2, Cr - 14 и Ni - в 5 раз, хотя оставалась существенно ниже ПДК этих элементов в воздухе.

Оценки показывают (Абрамов, 1994), что количество образующегося биогаза зависит от содержания органической фракции (пищевые отходы, бумага, древесина). Наибольшую концентрацию метана в биогазе (60% и более) дает процесс разложения пищевых отходов. Органические вещества, содержащиеся в отходах, разделяют на три класса, каждому из которых соответствует определенный выход метана: углеводы - 0,42-0,47 м / кг, белки - 0,45-0,55 м / кг, жиры - до 1 м /кг (Федоров, 2002).

Анаэробное разложение ТБО с выделением биогаза начинается спустя 180-500 дней после захоронения отходов (Игнатович, Рыбальский, 1998 (1); Абрамов, 1994). По данным Н. Ф. Абрамова (1994), из каждой тонны отходов образуется до 250 м биогаза. По некоторым оценкам (Dieter, 1977), 1 т ТБО с содержанием 200 кг органических веществ дает 100 м метана.

Стадию метаногенеза подразделяют на активную фазу (10 - 30 лет) с высокими скоростями выделения метана и стабильную фазу (до 100 и более лет). В активной фазе протекает ферментативное разложение образованных в ацето-генной фазе кислот, при этом содержание метана в биогазе постепенно растет и достигает 50-60% (Максимова и др., 2003). В этот период возможны промышленное получение и утилизация биогаза (Игнатович, Рыбальский, 1998 (1); Абрамов, 1994). В стабильной фазе протекает медленная деструкция целлюлозы, а также трудно разлагаемых фракций отходов - лигнина, некоторых видов пластмасс. Скорость и объем эмиссии метана в этой фазе снижаются (Максимова и др., 2003).

Некоторые авторы утверждают, что выделение газов свалкой длится не менее 75 лет (Скорик и др., 1998). За 30-50 лет трансформируется примерно 30% захороненной органики, остальная часть продолжает разлагаться в течение последующих десятилетий (Вавилин и др., 2003).

Образующийся биогаз мигрирует вверх по разрезу и в поверхностных слоях в аэробных условиях окисляется, а неокисленные компоненты и продукты окисления могут выделяться в атмосферу. Благодаря существованию окислительного биофильтра, верхний слой грунта (от 0 до 1 м) служит геохимическим барьером на пути атмосферного кислорода в нижние слои и биогаза в атмосферу (Лебедев и др., 1993).

В. А. Исидоров (2001) доказывает, что свалки ТБО вносят заметный вклад в глобальный поток метана. Поступление СН₄ от свалок оценивается в пределах 20-70 Мт/год, что составляет от 6 до 8% суммарного поступления метана в атмосферу от всех источников. Роль метана в глобальных процессах не ограничивается его непосредственным участием в поглощении теплового излучения Земли в инфракрасной области спектра (вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой для углекислого газа). Содержание его в значительной мере определяет окислительные свойства атмосферы и, тем самым - судьбу многих других газовых составляющих, в том числе парниковых газов и загрязняющих компонентов.

Во многих странах мира свалки (полигоны) ТБО рассматривают как гигантские биореакторы, загруженные энергетическим сырьем и способные обеспечить существенную экономию традиционных энергетических материалов. Утилизация биогаза может обеспечить оздоровление окружающей среды, снизить опасность возникновения пожаров.

Таким образом, процесс анаэробного разложения органической фракции ТБО является основным фактором загрязнения атмосферного воздуха при захоронении отходов на свалках (полигонах).

В Европейских странах уже приняты законы по значительному сокращению и предотвращению поступления органических отходов на свалки. Согласно Постановлению ЕС все свалки объёмом более 10 тыс. т должны снабжаться системой сбора биогаза (Вандраш, Сергеев, 1999).