Моделирование состава биогаза при анаэробном разложении твердых бытовых отходов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 628.4.08

Моделирование состава биогаза при анаэробном разложении твердых бытовых отходов

О.В. Березюк

Винницкий национальный технический университет, г. Винница, Украина

Предложены необходимые при разработке стратегии, комплекса машин и оборудования для обращения с твердыми бытовыми отходами математические модели состава биогаза при их анаэробном разложении.

Ключевые слова: твердые бытовые отходы, анаэробное разложение, биогаз, математическая модель, регрессионная зависимость, регрессионный анализ.

Modeling of biogas composition during anaerobic decomposition of hard domestic wastes

О.V. Berezjuk

Vinnitsa National Technical University, Vinnitsa, Ukraine

berezyukoleg@yandex.ru

Necessary gets in case of strategy development, complex of machines and equipment for the appeal with the hard domestic wastes a mathematical model of biogas composition during their anaerobic decomposition.

Keywords: hard domestic wastes, anaerobic decomposition, biogas, mathematical model, regressive dependence, regressive analysis.

биогаз бытовой отход захоронение

Общий потенциал биогаза, образующегося на полигонах захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) и свалках, согласно [1] в странах ЕС достигает почти 9 млрд. м3/год, в США - 13 млрд. м3/год и является одной из серьезных проблем охраны окружающей среды. По этой причине во многих развитых странах мира осуществляются специальные мероприятия по минимизации эмиссии биогаза. В последнее время внимание к этому вопросу значительно выросло. Решающее значение имела Киотская международная конференция 1997 г. по проблемам выброса вредных газов в атмосферу. Это фактически привело к возникновению самостоятельной отрасли мировой индустрии, включающей добычу и утилизацию биогаза. Добыча биогаза в заметных объемах распространена в ряде развитых западных стран: США, Германии, Великобритании, Нидерландам, Франции, Италии, Дании, а глобальная его утилизация составляет приблизительно 1,2 млрд. м3/год, что эквивалентно 429 тыс. тонн метана или 1% его глобальной эмиссии [1]. На сегодняшний день в Украине начата добыча биогаза на полигонах ТБО таких городов как Запорожье, Кременчуг и Винница. Биогаз является горючим газом, обладающим довольно большой теплотворной способностью - более 18 МДж/м3. Основную объемную массу биогаза составляет метан, эмиссия которого из территорий захоронения ТБО достигает от 1,5 до 70 млн. т/год [2, 3]. Экологическая опасность метана обусловлена возможностью его горизонтального распространения на прилегающие к местам захоронения ТБО территории, накоплением в подвалах помещений и, как следствие, созданием взрывоопасных газо-воздушных смесей при достижении объемной концентрации от 5 до 15 %. По степени нанесения вреда окружающей среде метан считается вторым после углекислого газа наиболее опасным парниковым газом и составляет 18% от общего количества парниковых газов, выбрасывающихся в атмосферу Земли. Метан по величине потенциала глобального потепления приблизительно в 21 раз более опасен, чем углекислый газ. Потребность в учете валовой эмиссии метана определяется и тем, что этот газ является составной частью национальной квоты веществ, влияющих на изменение озонового слоя планеты и парниковый эффект. Постановление Кабинета Министров Украины 265 [4] заложила основу для разработки Национальной стратегии обращения с ТБО в Украине. В отличии от высокоразвитых стран, где широко распространены современные технологии утилизации и переработки ТБО, в Украине 96,5% отходов захорониваются на полигонах и свалках, и, учитывая сегодняшнее состояние украинской экономики, в краткосрочной перспективе кардинальное изменение этого положения выглядит маловероятным. Именно поэтому рациональная организация полигонов ТБО, обеспечивающих защиту атмосферного воздуха и воды от загрязнения, вместо перегруженных полигонов и свалок, не отвечающих нормам экологической безопасности, одновременно с постепенным внедрением перспективных методов обращения с ТБО не будет терять актуальность в течении некоторого времени. Поэтому построение математических моделей состава биогаза при анаэробном разложении твердых бытовых отходов с целью разработки стратегии, комплекса машин и оборудования для обращения с ними, является актуальной научно-технической задачей.

Анализ публикаций

В работах [5-8] приведен состав и физико-химические свойства биогаза, образующегося в местах захоронения ТБО. В статье [9] опубликован состав биогаза, полученного при анаэробном разложении ТБО для разных соотношений композиционных смесей ТБО-компост и их относительной влажности, и который приведен в табл. 1.

Таблица 1 - Зависимость состава биогаза при анаэробном разложении ТБО от параметров влияния [9]

Перспективы и опыт добычи биогаза в местах захоронения ТБО подробно описаны в работах [10-13], а в статьях [14, 15] рассмотрены особенности его образования. Авторами [16] рассмотрены методы использования биомассы для производства тепловой энергии. В работе [17] описаны фазы разложения ТБО, 80% которых являются анаэробными, а также определены факторы, влияющие на процесс биодеструкции отходов. В статье [18] опубликована математическая модель прогнозирования удельного потенциала биогаза, а в роботе [19] предложена математическая модель эффективности добычи биогаза в местах захоронения ТБО, с помощью которой спрогнозированы необходимые для Украины количество и характеристики оборудования для его добычи. Авторами [20] проведен анализ способов утилизации добытого биогаза, а в работе [21] приведена математическая модель распространенности этих способов. Автор [22] опубликовал регрессионные зависимости расходов на управление ТБО от уровня доходов населения. В статье [23] проведено моделирование расходов на анаэробное разложение ТБО. Но конкретных математических моделей состава биогаза при анаэробном разложении ТБО, в результате анализа известных публикаций, нами не выявлено.

Целью исследования является построение математических моделей состава биогаза при анаэробном разложении твердых бытовых отходов с целью разработки стратегии, комплекса машин и оборудования для обращения с ними.

Результаты исследования

На основе данных табл. 1 планировалось получить математические модели в виде парных регрессионных зависимостей основных компонентов биогаза от параметров влияния.

Регрессии проводились на основе линеаризующих преобразований, позволяющих свести нелинейную зависимость к линейной. Определение коэффициентов уравнений регрессии осуществлялось методом наименьших квадратов с помощью разработанной компьютерной программы "RegAnaliz", защищенной свидетельством о регистрации авторского права на произведение и подробно описанной в работе [24].

Результаты регрессионного анализа приведены в табл. 2, где серым цветом обозначены ячейки с максимальным значением коэффициентов корреляции R.

Таблица 2 - Результаты регрессионного анализа

По результатам регрессионного анализа на основе данных табл. 1, как наиболее адекватные, окончательно приняты такие регрессионные модели:

; (1)

, (2)

где , - содержание метана и углекислого газа в биогазе, соответственно, %; щк - содержание компоста в композиционной смеси ТБО-компост, %; ц - относительная влажность, %.

На рис. 1 и рис. 2 показаны фактические и теоретические графические зависимости основных компонентов биогаза от параметров влияния.

Сравнение фактических и теоретических данных показало, что теоретический состав компонентов биогаза при анаэробном разложении ТБО, рассчитанный с помощью регрессий (1) и (2), несущественно отличается от фактических данных, что подтверждает определенную ранее высокую точность полученных зависимостей.

Рис. 1. Зависимость содержания метана в биогазе от содержания компоста в композиционной смеси ТБО-компост щк: фактическая _, теоретическая --

Рис. 2. Зависимость содержания углекислого газа в биогазе от относительной влажности ц: фактическая _, теоретическая --

Как видно из рис. 1, при увеличении содержания компоста в композиционной смеси ТБО-компост содержание метана в биогазе уменьшается по степенной зависимости. Рис. 2 свидетельствует, что при увеличении относительной влажности содержание углекислого газа в биогазе уменьшается также по степенной зависимости.

Выводы

Предложены математические модели состава компонентов биогаза при анаэробном разложении твердых бытовых отходов, которые могут быть использованы при разработке стратегии, комплекса машин и оборудования для обращения с ними.

Установлено, что при увеличении содержания компоста в композиционной смеси ТБО-компост содержание метана в биогазе уменьшается по степенной зависимости, а при увеличении относительной влажности содержание углекислого газа в биогазе уменьшается также по степенной зависимости.

Список литературы

1. Техніко-економічне обґрунтування "Програми утилізації звалищного метану в Луганській області за допомогою механізмів Кіотського протоколу" [Текст]. - Луганськ, 2008. - 124 с.

2. Исидоров, В. А. Органическая химия атмосферы [Текст] / В. А. Исидоров. - СПб.: Химия, 1992. - 288 с.

3. Минько, О. И. Экологические и геохимические характеристики свалок твердых бытовых отходов [Текст] / О. И. Минько, А. Б. Лифшиц // Экологическая химия. - 1992. - № 2. - С. 37-47.

4. Постанова Кабінету Міністрів України від 4 березня 2004 року № 265 «Про затвердження Програми поводження з твердими побутовими відходами» [Електронний ресурс] / Кабінет Міністрів України : http://zakon1.rada.gov.ua/laws/show/265-2004-%D0%BF.

5. Ратушняк, Г. С. Енергозбереження в системах біоконверсії. Навчальний посібник [Текст] / Г. С. Ратушняк, В. В. Джеджула. - Вінниця: ВНТУ, 2006. - 83 с.

6. Управление твёрдыми бытовыми отходами. Раздельный сбор и сортировка отходов [Текст] / Проект Европейского Сообщества INTERREG IIIA «Кооперация в совместном создании системы управления отходами в Псковской области», 2008. - 97 с.

7. Краснянский, М. Е. Экологические угрозы свалок ТБО [Текст] / М. Е. Краснянский, Е. Бельгасем // Спец. информ. бюлл. “Твердые бытовые отходы”. - 2005. - № 5. - С. 12.

8. Пятничко, А. И. Результаты обследования полигонов ТБО Украины для установления объёмов добычи и состава биогаза [Текст] / А. И. Пятничко, Г. В. Жук, В. Е. Баннов // Технические газы. - 2010. - № 2. - С. 63-66.

9. Джамалова, Г. А. Интенсификация анаэробного разложения модельных образцов твердых бытовых отходов в биореакторах [Текст] / Г. А. Джамалова // Известия СПбГТИ(ТУ). - 2014. - № 23. - С. 84-86.

10. Гелетуха, Г. Г. Перспективы производства и использования биометана в Украине [Текст] / Г. Г. Гелетуха, П. П. Кучерук, Ю. Б. Матвеев // Аналитическая записка БАУ. - Биоэнергетическая ассоциация Украины: 2014. - № 11. - 43 с.

11. Маслеева, О. В. Экологическая и экономическая целесообразность использования биотоплива [Текст] / О. В. Маслеева, Г. В. Пачурин // Фундаментальные исследования. - 2012. - № 6. - С. 139-144.

12. Савицкас, Ю. Ю. Опыт эксплуатации биогазовых установок при анаэробной обработке органических отходов [Текст] / Ю. Ю. Савицкас // Промышленная теплотехника. - 2001. - Т. 23. - № 4-5. - С. 128-131.

13. Гелетуха, Г. Г. Обзор технологий добычи и использования биогаза на свалках и полигонах твердых бытовых отходов и перспективы их развития в Украине [Текст] / Г. Г. Гелетуха, З. А. Марценюк // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1999. - № 4. - С. 6-14.

14. Беспалов, В. И. Анализ условий образования биогаза на полигоне по захоронению твердых отходов потребления [электронный ресурс] / В. И. Беспалов, Р. Г. Адамян // Инженерный вестник Дона. - 2013. - № 25.2 (25).

15. Шеина, О. А. Биохимия процесса производства биогаза как альтернативного источника энергии [Текст] / О. А. Шеина, В. А. Сысоев // Вестник ТГУ. - 2009. - Т. 14, Вып. 1. - С. 73-76.

16. Ткаченко, С. Й. Перспективні напрямки використання біомаси як джерела енергії [Текст] / С. Й. Ткаченко, Л. А. Боднар, А. О. Юзюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2011. - № 2. - С. 68-73.

17. Годовська, Т. Б. Критерії індикаторів впливу на агроекосистеми полігону твердих побутових відходів м. Житомир [Текст] / Т. Б. Годовська, В. П. Фещенко // Вісник ЖНАЕУ: науково-теоретичний збірник. - 2011. - № 1 (28), Т. 1. - С. 400-407.

18. Березюк, О. В. Розробка математичної моделі прогнозування питомого потенціалу звалищного газу [Текст] / О. В. Березюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2013. - № 2. - С. 39-42.

19. Березюк, О. В. Моделювання ефективності видобування звалищного газу для розробки обладнання та стратегії поводження з твердими побутовими відходами / О. В. Березюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2013. - № 6. - С. 21-24.

20. Куріс, Ю. В. Способи утилізації біогазу / Ю. В. Куріс, С. Й. Ткаченко, Н. В. Семененко [Текст] // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - НТУ "Харківський політехнічний інститут", 2010. - № 7 (77). - С. 20-30.

21. Березюк, О. В. Моделювання поширеності cпособів утилізації звалищного газу для розробки обладнання та стратегії поводження з твердими побутовими відходами [Текст] / О. В. Березюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2014. - № 5. - С. 65-68.

22. Березюк, О. В. Визначення регресійних залежностей витрат на управління твердими побутовими відходами від рівня доходів населення [Текст] / О. В. Березюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2012. - № 5. - С. 24-26.

23. Березюк, О. В. Моделювання витрат на анаеробне розкладання твердих побутових відходів [Текст] / О. В. Березюк, Л. Л. Березюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2015. - № 3. - С. 57-60.

24. Березюк, О. В. Определение регрессии коэффициента уплотнения твердых бытовых отходов от высоты полигона на основе компьютерной программы "RegAnaliz" [Текст] / О. В. Березюк // Автоматизированные технологии и производства. - 2015. - № 2 (8). - С. 43-45.

Размещено на Allbest.ru