Отходами газовыми выбросами водой

Химическая жизнь мусора

Что происходит с отходами, когда они попадают на свалку?

Совсем недалеко от вашего дома — может быть, в паре десятков километров, а может быть и значительно ближе — работает масштабный химический реактор, куда каждый день загружают новые порции ингредиентов, состав которых точно не знает никто, да и результат работы самого реактора не вполне предсказуем. Реактор этот называют свалкой, или, в переводе на бюрократический язык, полигоном твердых бытовых отходов. Все, что выбрасывают жители городов, в конечном счете оказывается здесь. Редакция N+1 решила выяснить, что происходит с мусором, когда он оказывается на свалке.

В 2015 году в России, по данным аналитической компании Frost&Sullivan, было произведено 57 миллионов тонн твердых бытовых отходов, это лишь немногим меньше объема производства стали (71 миллион тонн). В Москве и области бытовой мусор (около 11 миллионов тонн в год) в основном состоит из пищевых отходов (22 процентов), бумаги и картона (17 процентов), стекла (16 процентов) и пластика (13 процентов), на ткань, металл и древесину приходится по 3 процента, еще около 20 процентов — на все остальное. В России на мусорные полигоны попадает до 94 процентов мусора, только 4 процента перерабатывается и 2 процента — сжигается. Для сравнения: в ЕС в переработку идет 45 процентов мусора, 28 процентов — попадает на свалки, а 27 процентов — сжигается.

Российские свалки за год выделяют в атмосферу 1,5 миллиона тонн метана и 21,5 миллиона тонн СО₂. Всего в России на 2015 год было 13,9 тысячи действующих мусорных полигона, из них в Московской области — 14. Только одна московская свалка в Чеховском районе (полигон «Кулаково») за год выдала в атмосферу 2,4 тысячи тонн метана, 39,4 тонны углекислого газа, 1,8 тонны аммиака и 0,028 тонны сероводорода.

Мусорный полигон в разрезе

Химическую жизнь мусора на свалке условно можно разделить на четыре главных фазы. Во время первой фазы аэробные бактерии — бактерии, которые способны жить и развиваться в присутствии кислорода, — расщепляют все длинные молекулярные цепочки углеводов, белков, липидов, из которых состоит органический мусор, то есть, в основном пищевые отходы. Главный продукт этого процесса — углекислый газ, а также азот (количество которого постепенно снижается в течение жизни свалки). Первая фаза продолжается до тех пор, пока в мусоре остается достаточно кислорода, и она может занимать месяцы или даже дни, пока мусор относительно свеж. Содержание кислорода сильно варьируется в зависимости от степени спрессованности мусора и от того, насколько глубоко он захоронен.

Вторая фаза начинается, когда весь кислород в мусоре уже использован. Теперь главную роль играют анаэробные бактерии, которые превращают вещества, созданные их аэробными коллегами, в уксусную, муравьиную и молочную кислоту, а также в спирты — этиловый и метиловый. Среда на свалке становится очень кислотной. По мере того, как кислоты смешиваются с влагой, это высвобождает питательные вещества, делая азот и фосфор доступными для многоликого сообщества бактерий, которые в свою очередь интенсивно вырабатывают углекислый газ и водород. Если свалка будет потревожена или в толщу мусора каким-то образом проникнет кислород, все возвращается к первой фазе.

Третья фаза в жизни свалки начинается с того, что определенные разновидности анаэробных бактерий начинают перерабатывать органические кислоты и формировать ацетаты. Этот процесс делает среду более нейтральной, что создает условия для бактерий, продуцирующих метан. Бактерии-метаногены и бактерии, вырабатывающие кислоты, формируют взаимовыгодные отношения: «кислотные» бактерии вырабатывают вещества, которые потребляют метаногены, — углекислый газ и ацетаты, которые в больших количествах вредны для самих кислотопродуцирующих бактерий.

Четвертая фаза — самая длинная — начинается, когда состав и уровень производства газов на свалке становится относительно стабильным. На этой стадии свалочный газ содержит от 45 до 60 процентов метана (по объему), от 40 до 60 процентов — углекислого газа, и от 2 до 9 процентов других газов, в частности, соединений серы. Эта фаза может продолжаться примерно 20 лет, но даже через 50 лет после того, как на свалку перестали привозить мусор, она продолжает выделять газ.

Динамика объема различных газов, выделяемых мусором в зависимости от времени

Что может пойти не так

Завкафедрой экологического мониторинга и прогнозирования РУДН Марианна Харламова объясняет, что точный состав свалочного газа зависит от множества факторов: от времени года, от соблюдения технологий при строительстве и эксплуатации полигона, от возраста свалки, от состава мусора, от климатической зоны, от температуры воздуха и влажности.

«Если это действующий полигон, если продолжаются поступления органического вещества, то состав газа может быть очень разный. Там может идти, например, процесс метанового сбраживания, то есть в атмосферу попадает, в основном, метан, затем углекислый газ, аммиак, сероводород, могут быть меркаптаны, серосодержащие органические соединения», — говорит Харламова.

Самыми токсичными из главных компонентов выбросов являются сероводород и метан — именно они в больших концентрациях могут вызывать отравления. Однако, отмечает она, человек способен чувствовать сероводород в очень небольших концентрациях, которые еще очень далеки от опасных, поэтому если человек чувствует запах сероводорода — это еще не значит, что ему немедленно угрожает отравление. Кроме того, при горении мусора могут выделяться диоксины — значительно более токсичные вещества, которые, однако, не оказывают немедленного действия.

Технология эксплуатации мусорных полигонов предполагает, что свалочный газ собирается с помощью системы дегазации, затем его очищают от примесей и сжигают в факелах, либо используют в качестве топлива. Харламова отмечает, что сжигание неочищенного свалочного газа, как это делалось, например, на полигоне Кучино, может создать множество новых проблем с токсичными продуктами горения.

«В этом случае образуется, например, диоксид серы (при горении сероводорода), и другие токсичные сернистые соединения. При нормальной утилизации газа необходимо сначала очистить его от соединений серы», — говорит она.

Еще одна угроза возникает, когда в толще мусора начинается сильный разогрев, пожар без доступа воздуха, похожий на торфяной. В этом случае свалка резко меняет свой репертуар, в выбросах в большом количестве появляются альдегиды, полиароматические углеводороды, хлорированная полиароматика. «При этом возникает характерный запах. Обычный запах свалки — это запах гниения, который дают сероводород и меркаптаны. В случае пожара начинает пахнуть жареной картошкой — это запах фтороводорода, который образуется при горении», — объясняет Харламова.

По ее словам, иногда пытаются прекратить поступление в атмосферу свалочного газа, закрывая полигон сверху пленкой, а затем слоем земли. Но это создает дополнительные проблемы: «При гниении образуются пустоты и возникают провалы грунта, кроме того, пленка не пропускает воду, а значит сверху будут возникать болота», — говорит она.

Главный источник проблем со свалками, отмечает Харламова — пищевые и органические отходы. Именно они в основном создают условия для «производства» метана и сероводорода. Без пищевых отходов мусор намного лучше поддается сортировке и переработке. «Если бы нам удалось организовать систему сбора мусора так, чтобы органика не попадала на полигоны ТБО, это решило бы большую часть проблем со свалками, которые возникают сегодня», — считает ученый.

Источник

Разливы и отходы газового конденсата и метанола

Специфика работы газовой промышленности не исключает аварийные разливы газового конденсата и метанола, приводящие к значительному загрязнению окружающей среды, а также происходит накопление производственных отходов этих веществ в амбарах и прудах-накопителях, представляющих собой объекты повышенного геоэкологического риска. Последнее связано с возможным испарением газового конденсата и метанола, а также попаданием их массы в окружающую среду при прорывах или разрушении данных объектов вследствие наводнений или землетрясений. Как сегодня решают проблемы разливов и отходов газового конденсата и метанола в газовой промышленности?

Разливы и отходы

Системный анализ газовой промышленности по установлению структурных связей между ее составляющими, проведенный В.В. Русаковой и соавторами в 2009 г., показал, что риски разливов и отходов газового конденсата и метанола могут проявляться на различных производственно-технологических стадиях данной отрасли топливно-энергетического комплекса:

— при проведении геологоразведочных работ и, в частности при бурении на глубину от 2000 до 5000-6000 м для подтверждения запасов природного газа, когда осуществляют сбор газового конденсата в амбарах;

— при разработке газоконденсатных месторождений могут иметь место случайные разливы конденсата на рельеф местности;

— при доставке газового конденсата потребителю наливным транспортом или с помощью специальных конденсатопроводов под собственным давлением, когда существует вероятность его попадания в окружающую среду в результате аварий;

— при хранении в амбарах отходов газового конденсата, поступающего с линейной части магистральных газопроводов и из сосудов высокого давления компрессорных станций при их продувках;

— в ходе транспортировки метанола в газодобывающие предприятия из завода-изготовителя или баз, что характеризуется кратными его заливами и переливами из цистерн в емкости и наоборот, нередко приводящими к разливу вещества;

— на любом этапе применения метанола в качестве ингибитора гидратообразования существует вероятность его разлива;

— при хранении отходов метанола в виде метанольных вод в прудах-накопителях или амбарах.

Газовый конденсат это смесь жидких углеводородов, которая выделяется из природных газов при эксплуатации газоконденсатной залежи в результате снижения пластовых давлений и температуры. Метанол используется в добыче природного газа, как ингибитор гидратообразования, и чаще всего на газоконденсатных месторождениях.

В литературе описаны случаи аварийных разливов газового конденсата и метанола, происходившие в различных регионах страны за последнее время. Так, максимальное количество выброшенного в окружающую среду газового конденсата, из поврежденного в результате несанкционированной (криминальной) врезки в магистральный конденсатопровод, по данным Г.Л. Генделя и соавторов (2006г.), составило около 145 м 3 с площадью загрязнения почвы 4,5 га, а поверхности водного объекта — 0,7 га. По наблюдениям службы Росгидромета, при разработке газоконденсатного месторождения произошел разлив газового конденсата, что привело к появлению на поверхности реки углеводородной пленки протяженностью до 1,5 км. В другом случае, последствием разгерметизации конденсатопровода явилось загрязнение воздушной среды близлежащих к аварийному участку населенных пунктов углеводородами до 7,8 ПДК (предельно допустимая концентрация максимально разовая). Выброс газового конденсата в результате несанкционированной врезки в конденсатопровод привел к загрязнению воздуха на этот раз сероводородом до 8,5 ПДК в радиусе 1 км от места аварии. Что касается загрязнения окружающей среды метанолом, то здесь отмечались случаи высокого загрязнения данным веществом речной воды до 10,3 ПДК, а воздушной среды населенного пункта – до 39,6 ПДК.

Однако попадание в окружающую среду газового конденсата и метанола чревато негативными последствиями, что выражается в токсическом воздействии данных веществ на человека.

Газовый конденсат представляет значительную опасность для человека, так как это вещество состоит, в основном из бензиновых и керосиновых компонентов, токсическое воздействие которых может быть оценено по их ПДК.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) и предельно допустимый уровень (ПДУ) компонентов газового конденсата (бензина, керосина) и метанола

В воздухе рабочей зоны (в пересчете на углерод)

Максимальная разовая в воздухе населенных мест

Среднесуточная в воздухе населенных мест

В воздухе рабочей зоны (в пересчете на углерод)

В воздухе рабочей зоны

Максимальная разовая в воздухе населенных мест

Среднесуточная в воздухе населенных мест

В сточных водах

Кроме хронической и острой интоксикации человека, вызываемой парами бензина или керосина, порою с летальным исходом, обращает внимание факт влияния этих веществ, при многолетнем контакте, на возникновение рака почки и мочевого пузыря. Вышеупомянутый составляющий газового конденсата — сероводород является раздражающим и удушающим газом. Так, при содержании данного вещества в воздухе в количестве 1500 мг/м 3 может наступить почти мгновенная смерть из-за паралича дыхательного центра.

Не меньшим токсическим воздействием на человека характеризуется метанол, как вещество, действующее на нервную и сосудистую системы, с резко выраженным кумулятивным эффектом, то есть эффектом, достигаемым за счет постепенного накопления признаков интоксикации, часто заканчивающейся гибелью. Особую токсичность метанола обычно связывают с образованием из него в организме формальдегида и муравьиной кислоты. Отравление человека при попадании на его кожу метанола обычно происходит при одновременном вдыхании паров данного вещества. Однако при любом способе поступления метанола в организм типичны поражения зрительного нерва и сетчатки глаза, отмечаемые как при острых, так и хронических интоксикациях. В связи с отмеченным воздействием метанола на человека, оказалась также не случайной разработка для данного вещества гигиенических нормативов в виде его ПДК и ПДУ (предельно допустимый уровень) соблюдение которых, как и в случае с газовым конденсатом, позволяет обеспечить безопасную трудовую деятельность обслуживающего персонала на объектах газовой промышленности и контролировать геоэкологическую ситуацию на местности.

Как видно из изложенного, существует высокий риск загрязнения окружающей среды газовым конденсатом и метанолом и токсического воздействия данных веществ на человека. В этой связи важно представлять имеющиеся на сегодняшний день способы нейтрализации разливов и отходов газового конденсата и метанола с целью их последующего использования на практике.

Нейтрализация разливов и отходов

Анализ литературы показал существование различных способов нейтрализации разливов и отходов газового конденсата и метанола:

— механических способов, связанных со «срезанием» наиболее загрязненного поверхностного слоя почвы, с экскавированием загрязненных донных отложений или в случае попадания в воду гидрофобного газового конденсата – с установлением боновых заграждений для его сбора, а также закачиванием производственных сточных вод, содержащих газовый конденсат и метанол в глубокие, надежно изолированные водоносные горизонты, не содержащие пресные, бальнеологические и другие воды;

— физико-химических способов, предназначенных для обработки производственных сточных вод, содержащих газовый конденсат и метанол, путем их облучения источниками вакуумного ультрафиолетового света в присутствии окислителя или сжигания на газофакельных установках. При этом под действием ультрафиолетового облучения, в частности метанольных вод происходит фотолиз воды и окислителя с образованием высокореактивных радикалов, вступающих в различные реакции с метанолом и приводящих к таким конечным продуктам, как диоксид углерода и вода. Однако при термическом обезвреживании производственных сточных вод, содержащих газовый конденсат и метанол, помимо обычных продуктов сгорания (оксидов углерода и др.) не исключено образование типичного канцерогенного вещества – бенз(а)пирена в процессе полимеризации относительно простых по структуре осколков молекул, преимущественно свободнорадикального характера;

— микробиологических способов, связанных со стимулированием роста углеводородокисляющих микроорганизмов загрязненных природных сред, а также с внесением в очищаемые среды биопрепаратов, представляющих собой высушенную лиофилизацией, то есть при низкой температуре и в вакууме биомассу углеводородокисляющих бактерий. При этом микробиологическая деструкция углеводородов газового конденсата идет через стадии образования пероксидов, а при разрыве цепей углеродных атомов — смеси предельных кислот и оксикислот, а метанола, как гидроксильного производного углеводородов идет через стадии образования формальдегида и муравьиной кислоты, что приводит к образованию конечных продуктов рассматриваемых веществ в виде диоксида углерода и воды.

Между тем в работе Г.Л. Генделя и соавторов (2006 г.), при нейтрализации аварийного разлива газового конденсата, загрязненная почва была «срезана» на глубину до 10 см и вывезена с места инцидента на утилизацию. Часть конденсата, попавшего в воду, была собрана с ее поверхности посредством боновых заграждений и также утилизирована. Загрязненные донные отложения водного объекта были экскавированы, затем подвергнуты термическому обезвреживанию и утилизированы. Кроме того производилась очистка водного объекта путем внесения в него биопрепарата «Деворойл», обладающего способностью к микробиологическому окислению углеводородов газового конденсата. В результате очистки концентрация газового конденсата в водной массе за 1,5 месяца под действием биопрепарата снизилась от 2900 до 1-2 ПДК.

Нейтрализация производственных сточных вод с низким содержанием метанола Ю.В. Медведевым и соавторами (2005г.) осуществлялась с использованием эксиламп, то есть источников вакуумного ультрафиолетового излучения, трансформирующего вещество до диоксида углерода и воды в присутствии окислителя – азотной кислоты. Под действием Xe₂— и KrCl-эксиламп концентрация метанола в сточных водах уменьшилась от 13 до 23 раз.

Б.Г. Мурзаков и соавторы (2004г.) для нейтрализации отходов газового конденсата, накопившихся в двух земляных амбарах и очистки загрязненной почвы внутри и вне этих хранилищ использовали биопрепарат «Валентис». С этой целью специально подготовленную суспензию биопрепарата (с добавлением минерального удобрения) наносили трижды с промежутками в 15 дней на углеводородную пленку, покрывающую амбарную жидкость. В результате содержание углеводородов в различных амбарах снизилось от 175 до 300 и более раз по сравнению с исходными количествами. Между тем почву внутри амбаров и вокруг них экскавировали на глубину загрязнения и складировали слоем 20 см на специальную площадку с водонепроницаемым покрытием и производили обработку суспензией биопрепарата из расчета 5 л на 10 м 2 . При этом до и после обработки почва подвергалась рыхлению с целью ее аэрации. Очистка почвы была признана завершенной по достижению в данной среде содержания углеводородов равного 0,1 г/кг.

Для очистки почв, загрязненных метанолом Б.Г. Мурзаковым и соавторами (2005г.) предлагается использовать биопрепараты в виде биомассы метилотрофных бактерий. Так, при поверхностном (0-5 см) и подповерхностном (5-30 см) загрязнении почвы, рекомендуется ее обрабатывать специально приготовленной суспензией биопрепарата (в растворе минеральных удобрений). При этом до и после обработки биопрепаратом почва подвергается рыхлению. При глубоком загрязнении метанолом почва экскавируется и складируется в виде бурта на специальную площадку с водонепроницаемым основанием и установкой системы перфорированных труб, проходящих через толщу бурта и обеспечивающих интенсивную аэрацию с помощью компрессоров. Почва обрабатывается биопрепаратом, периодически подвергается рыхлению и после очистки возвращается на место выемки. Согласно этим же авторам, нейтрализация вод, содержащих метанол, до их поступления в водоемы, может производиться путем ферментации культур метилотрофных бактерий, то есть под воздействием вырабатываемых ими ферментов или же готовых биопрепаратов в устройствах, оснащенных системой интенсивной аэрации. Очистку воды от метанола можно также выполнять непосредственно в прудах-накопителях, оснащенных системой компрессоров для нагнетания воздуха в объем очищаемой воды и одновременной ее обработки биопрепаратами.

Таким образом, механические способы, связанные с экскавированием почвы, загрязненной газовым конденсатом и метанолом или захоронением производственных сточных вод, содержащих эти вещества, а также физико-химические способы, осуществляемые с использованием источников вакуумного ультрафиолетового света и предназначенные только для нейтрализации низкоконцентрированных метанольных вод или сжигания производственных сточных вод на газофакельных установках с образованием канцерогенного бенз(а)пирена, не позволяют кардинально решить проблему нейтрализации разливов и отходов рассматриваемых веществ. Наиболее приемлемым подходом в этом отношении следует считать микробиологический способ, приводящий к эффективной очистке загрязненных сред путем деструкции газового конденсата и метанола до таких конечных продуктов как диоксида углерода и воды.

Источник