2
Содержание стр.
Введение................................................................3
Глава 1. Вертикальная зональность геохимических процессов
в газогенерирующих техногенных грунтах..........................7
1.1. Особенности объектов исследований ...........................8
1.2. Геохимическая зональность ................................. 9
1.3. Заключение.........................1........................14
Глава 2. Методика исследования техногенных грунтов ....................15
2.1. Шпуровая съёмка, измерение потоков биогаза
и опробование скважин........................................15
2.2. Определение газогенерирующей и окисляющей
способности грунтов .........................................20
2.3. Исследование органического вещества ........................21
2.4. Определение химического состава биогаза.....................22
2.5. Определение изотопного состава углерода ....................23
2.6. Технология газогеохимических исследований
техногенных грунтов, обработка результатов ..................24
Глава 3. Образование биогаза в анаэробной зоне ........................25
3.1. Образование биогаза в среде сброженного осадка
городских сточных вод........................................28
3.2. Образование биогаза при анаэробной ферментации
«свежих» бытовых отходов ....................................33
3.3. Заключение..................................................35
Глава 4. Окисление биогаза в аэрируемых горизонтах.....................36
4.1. Моделирование изменения компонентного состава
биогаза при окислении .......................................36
4.2. Моделирование изменения изотопных характеристик
биогаза при окислении........................................47
Глава 5. Опробование комплекса изотопных и химических методов
при исследовании конкретных объектов...........................56
5.1. Исследование газогенерирующих техногенных грунтов...........56
5.1.1. Стихийная свалка бытовых отходов «Раменки»..........56
5.1.2. Люблинские поля фильтрации .........................76
5.1.3. Полигон захоронения ТБО «Кучино» ...................82
5.1.4. Свалка на улице Братьев Фонченко ...................83
5.1.5. Мусоросжигательный завод ...........................83
5.2. Совершенствование геохимических методов поисков скопления углеводородов .........................................86
Заключение ............................................................89
Литература.......................................................... 91
3
Введение
Актуальность темы диссертации. В городских агломерациях образуются огромные массы твердых бытовых отходов (ТБО), которые захораняются на специальных полигонах, а также частично на стихийных свалках. В результате этого формируются газогенерирующие техногенные грунты (ГТГ), где в отсутствии свободного кислорода под воздействием анаэробной микрофлоры органические компоненты отходов разлагаются с образованием биогаза, состоящего преимущественно из метана и диоксида углерода.
Территории ГТГ представляют определенную геоэкологическую опасность. Это объясняется тем, что образующийся биогаз загрязняет подземные воды и вмещающие породы, а также выделяется в атмосферу, что может приводить к возникновению пожароопасных и взрывоопасных ситуаций. Особую опасность представляют объекты захоронения органических отходов (стихийные свалки, поля фильтрации осадков сточных вод), расположенные в черте городов. Они не только негативно воздействуют на окружающую среду, но и занимают значительные территории, использование которых для городских нужд требует проведения специальных защитных мероприятий от биогазовой опасности. Для разработки таких мероприятий необходимы знания процессов, протекающих в толще захороненных отходов.
Использование традиционных методов поисковой газогеохимиии, базирующихся, в основном, на изучении химических параметров газов, не позволяет получить достаточно достоверную информацию о характере протекающих в толще отходов процессов и о геохимической истории газовых компонентов. Применение методов геохимии стабильных изотопов (изотопный состав углерода углеродсодержащих газов и органического вещества) дает возможность ответить на вопросы генезиса и проследить геохимическую историю отдельных соединений на различных уровнях разреза толщи отходов.
Изучение протекающих в ГТГ процессов имеет не только геоэкологический интерес. Такие объекты представляют собой техногенные газогенерирующие тела геологических масштабов, поэтому исследование процессов, протекающих в толще органических отходов, способствует пониманию биохимических процессов образования и окисления метана в природных геологических объектах, что представляет несомненный научный и методический интерес для совершенствования геохимических методов поисков залежей нефти и газа.
Использованию комплекса изотопных и химических методов при геоэкологических исследованиях газогенерирующих техногенных грунтов и посвящена данная работа.
Цель и задачи работы. Цель работы состояла в изучении геохимических процессов образования и окисления биогаза на различных
8
1.1. Особенности объектов исследований
Исторически сложились и повсеместно используются два основных способа ликвидации ТБО : сжигание на специальных мусоросжигательных заводах и захоронение на специально подготовленных полигонах или в естественных пониженных формах рельефа [77].
Первый способ наиболее характерен для экономически развитых стран с небольшими территориями (Япония, Швейцария и др.). После предварительной сортировки, извлечения подлежащих вторичному использованию компонентов отходы сжигаются на специальных заводах, а утилизация образующейся при этом золы не представляет особых трудностей. Выделяемое при сжигании тепло используется в теплоцентралях для нагрева воды, что делает этот способ рентабельным и эффективным в условиях территорий с высокой плотностью населения. Однако, большие капиталовложения, требующиеся для его реализации пока не дают возможность строить мусоросжигательные заводы повсеместно.
Второй способ является самым распространенным в мировой практике, как в странах «третьего» мира, так и в крупных развитых станах. Естественно, уровень технологии организации и эксплуатации объектов захоронения ТБО на прямую зависит от уровня развития страны. Если в слаборазвитых странах и в сельской местности на территории России утилизация бытового мусора носит стихийный характер, то в развитых странах и крупных городах России в последние десятилетия сложилась целая индустрия захоронения ТБО. На специально подготовленных карьерах или в естественных пониженных формах рельефа, пригодных для организации полигонов ТБО сначала проводятся работы по гидроизоляции дна и отводу фильтрационных вод. Это позволяет исключить возможность попадания вредных компонентов отходов в грунтовые воды. В процессе накопления мусор постоянно пересыпают слоями грунта для устранения неприятных запахов, сопровождающих процесс первичного разложения. После заполнения объема полигона бытовыми отходами его поверхность запечатывают осадочными породами, проводятся мероприятия препятствующие эрозии верхнего слоя и территория надолго изымается из землепользования.
Осадки городских сточных вод (обогащение органикой сухого вещества достигает 55%), после предварительной ферментации в специальных метантенках и обезвоживания на полях аэрации, также утилизируются на полигонах ТБО [62]. Использование их в качестве органического удобрения для нужд сельского хозяйства как правило невозможно по причине высокого содержания тяжелых металлов.
Объекты захоронения ТБО являются крайне гетерогенными образованиями, что определяется рядом причин, таких как : особенности рельефа, технология складирования, геологическая и гидрогеологическая обстановка, состав ТБО, степень разложения органического вещества и т.п. Морфологический анализ грунтов полигонов ТБО показал [60,63], что
9
верхним горизонтам свалочного тела наиболее присущи крупные фракции, которые составляют неразложившиеся или слабо деструктурированные компоненты ТБО (бумага, картон, древесина, резина, стекло и т.п.). Для нижних горизонтов характерны более мелкие фракции, представляющие собой смесь продуктов разложения ТБО и внесенных в процессе депонирования отходов минеральных компонентов осадочных пород.
Полигоны ТБО и поля фильтрации ОСВ являются концентраторами тяжелых токсичных металлов. Содержания меди, свинца, цинка, серебра и др. превышают кларковые значения в десятки раз [7,60,71]. Кроме того, аномально обогащенные биофильными элементами (С, Н, О, Ы, 8), составляющими органическое вещество отходов, эти объекты весьма благоприятны для развития микробных сообществ, в результате деятельности которых образуются значительные количества биогаза, состоящего в основном из метана - 40-70 об.%, диоксида углерода - 30-40 об.% и других газов.
Внутри свалочного тела имеют место температурные аномалии, мало зависящие от сезонных колебаний температуры. Обычно температура варьирует в пределах от 18 до 35°С, хотя, на некоторых участках может достигать и 50-60°С [63].
Таким образом, в результате человеческой жизнедеятельности на поверхности планеты появились образования, объемы которых достигают сотен миллионов кубометров. Вполне резонно говорить о них как о новых антропогенных объектах геологического масштаба, отличительной чертой которых является аномально высокое содержание в них органического вещества.
1.2. Геохимическая зональность
Взаимосвязь компонентного и изотопного состава газовой фазы грунтов на объектах захоронения органических отходов определяется характером протекающих в толще отходов геохимических процессов. Изучением конкретных объектов захоронения органических отходов установлена геохимическая зональность процессов, проходящих в толще отходов и по разрезу выделены зоны генерации и окисления биогаза. С учетом опубликованных данных и результатов собственных исследований [5,60,63,64] снизу вверх по разрезу выделяется следующая геохимическая зональность, отражающая особенности протекающих процессов:
анаэробная зона, где в условиях отсутствия молекулярного кислорода под воздействием анаэробной газогенерирующей микрофлоры протекают процессы образования биогаза;
переходная подзона, в которой происходит неполное окисление восстановленных компонентов биогаза (СН4, СО, Н2 и др.) в условиях недостаточности свободного кислорода, в анаэробных микрозонах могут протекать процессы метаногенеза;
- Київ+380960830922