• Бактериальное разложение. Большая часть свалочного газа образуется в результате бактериального разложения, которое происходит, когда органические отходы разлагаются бактериями, естественным образом присутствующими в отходах и в почве, используемой для покрытия свалки. Органические отходы включают в себя пищевые продукты, садовые отходы, уличный мусор, текстиль, а также изделия из дерева и бумаги. Бактерии разлагают органические отходы в четыре фазы, и состав газа меняется на каждой фазе. В приведенном ниже блоке представлена ​​подробная информация о четырех фазах бактериального разложения и газах, образующихся на каждой фазе. На рисунке 2-1 показано производство газа на каждой из четырех стадий.
• Улетучивание . Газы свалок могут образовываться, когда определенные отходы, в частности органические соединения, переходят из жидкого или твердого состояния в пар. Этот процесс известен как улетучивание. Не метановые органические соединения в газе свалок могут быть результатом улетучивания определенных химикатов, утилизированных на свалке.
• Химические реакции. Газ из свалок, включая не метановые органические соединения, может образовываться в результате реакций определенных химических веществ, присутствующих в отходах. Например, если хлорный отбеливатель и аммиак вступают в контакт друг с другом на свалке, образуется вредный газ.

Типичные компоненты свалочного газа

• Во время первой фазы разложения аэробные бактерии — бактерии, которые живут только в присутствии кислорода — потребляют кислород, разрушая длинные молекулярные цепи сложных углеводов, белков и липидов, которые составляют органические отходы. Основным побочным продуктом этого процесса является углекислый газ. Содержание азота высоко в начале этой фазы, но снижается по мере того, как свалка проходит через четыре фазы. Фаза I продолжается до тех пор, пока не иссякнет доступный кислород. Разложение в фазе I может длиться в течение нескольких дней или месяцев, в зависимости от того, сколько кислорода присутствовало при утилизации отходов на свалке. Уровень кислорода будет варьироваться в зависимости от таких факторов, как то, насколько рыхлыми или сжатыми были отходы при захоронении.
• Фаза II разложения начинается после того, как кислород на свалке был израсходован. Используя анаэробный процесс (процесс, не требующий кислорода), бактерии преобразуют соединения, созданные аэробными бактериями, в уксусную, молочную и муравьиную кислоты и спирты, такие как метанол и этанол. Свалка становится очень кислой. Поскольку кислоты смешиваются с влагой, присутствующей на свалке, они вызывают растворение определенных питательных веществ, делая азот и фосфор доступными для все более разнообразных видов бактерий на свалке. Газообразными побочными продуктами этих процессов являются углекислый газ и водород. Если свалка нарушена или если кислород каким-либо образом попал на свалку, микробные процессы вернутся к фазе I.
• Разложение фазы III начинается, когда определенные виды анаэробных бактерий потребляют органические кислоты, произведенные в фазе II, и образуют ацетат, органическую кислоту. Этот процесс приводит к тому, что свалка становится более нейтральной средой, в которой начинают обосновываться бактерии, производящие метан. Бактерии, производящие метан и кислоту, находятся в симбиотических, или взаимовыгодных, отношениях. Бактерии, производящие кислоту, создают соединения, которые потребляют метаногенные бактерии. Метаногенные бактерии потребляют углекислый газ и ацетат, слишком большое количество которых было бы токсичным для бактерий, производящих кислоту.
• Разложение фазы IV начинается, когда и состав, и скорость производства свалочного газа остаются относительно постоянными. Свалочный газ фазы IV обычно содержит приблизительно от 45% до 60% метана по объему, от 40% до 60% углекислого газа и от 2% до 9% других газов, таких как сульфиды. Газ производится со стабильной скоростью в фазе IV, как правило, в течение около 20 лет; однако газ будет продолжать выделяться в течение 50 или более лет после того, как отходы будут помещены на свалку. Производство газа может продолжаться дольше, например, если в отходах присутствует большее количество органических веществ, например, на свалке, получающей большее, чем в среднем, количество отходов домашних животных.

• Состав отходов. Чем больше органических отходов присутствует на свалке, тем больше свалочного газа (например, углекислого газа, метана, азота и сероводорода) вырабатывается бактериями во время разложения. Чем больше химикатов утилизируется на свалке, тем больше вероятность того, что NMOC и другие газы будут вырабатываться либо путем улетучивания, либо путем химических реакций.
• Возраст мусора. Как правило, недавно захороненные отходы (т. е. отходы, захороненные менее 10 лет назад) производят больше свалочного газа за счет бактериального разложения, испарения и химических реакций, чем старые отходы (захороненные более 10 лет назад). Пиковое производство газа обычно происходит через 5–7 лет после захоронения отходов.
• Наличие кислорода на свалке. Метан будет образовываться только тогда, когда на свалке больше не будет кислорода.
• Содержание влаги. Наличие влаги (ненасыщенных условий) на свалке увеличивает газообразование, поскольку способствует бактериальному разложению. Влага также может способствовать химическим реакциям, в результате которых образуются газы.
• Температура. По мере повышения температуры на свалке увеличивается активность бактерий, что приводит к увеличению выработки газа. Повышение температуры может также увеличить скорость испарения и химических реакций. В блоке на следующей странице представлена ​​более подробная информация о том, как эти переменные влияют на скорость и объем выработки свалочного газа.

• Диффузия (концентрация). Диффузия описывает естественную тенденцию газа достигать однородной концентрации в данном пространстве, будь то комната или атмосфера Земли. Газы на свалке перемещаются из областей с высокой концентрацией газа в области с более низкой концентрацией газа. Поскольку концентрация газа на свалке обычно выше, чем в окружающих районах, свалочные газы диффундируют из свалки в окружающие районы с более низкой концентрацией газа.
• Давление. Газы, накапливающиеся на свалке, создают области высокого давления, в которых движение газа ограничено уплотненным мусором или почвенным покровом, и области низкого давления, в которых движение газа не ограничено. Изменение давления по всей свалке приводит к перемещению газов из областей высокого давления в области низкого давления. Перемещение газов из областей высокого давления в области более низкого давления известно как конвекция. По мере того, как образуется больше газов, давление на свалке увеличивается, обычно в результате чего подповерхностное давление на свалке становится выше, чем атмосферное давление или давление воздуха в помещении. Когда давление на свалке выше, газы имеют тенденцию перемещаться в окружающий или внутренний воздух.
• Проницаемость. Газы также будут мигрировать в соответствии с тем, где находятся пути наименьшего сопротивления. Проницаемость является мерой того, насколько хорошо газы и жидкости протекают через связанные пространства или поры в отходах и почвах. Сухие песчаные почвы обладают высокой проницаемостью (много связанных поровых пространств), в то время как влажная глина имеет тенденцию быть гораздо менее проницаемой (меньше связанных поровых пространств). Газы имеют тенденцию перемещаться через области с высокой проницаемостью (например, области песка или гравия), а не через области с низкой проницаемостью (например, области глины или ила). Покрытия свалок часто изготавливаются из почв с низкой проницаемостью, таких как глина. Поэтому газы на закрытой свалке могут с большей вероятностью перемещаться горизонтально, чем вертикально.

• Состав отходов. Чем больше органических отходов присутствует на свалке, тем больше свалочного газа производится в результате бактериального разложения. Некоторые типы органических отходов содержат питательные вещества, такие как натрий, калий, кальций и магний, которые помогают бактериям процветать. Когда эти питательные вещества присутствуют, увеличивается производство свалочного газа. С другой стороны, некоторые отходы содержат соединения, которые вредят бактериям, вызывая меньшее количество газа. Например, бактерии, вырабатывающие метан, могут быть подавлены, если отходы имеют высокую концентрацию соли.
• Кислород на свалке. Только когда кислород израсходован, бактерии начинают вырабатывать метан. Чем больше кислорода на свалке, тем дольше аэробные бактерии могут разлагать отходы в Фазе I. Если отходы неплотно захоронены или часто тревожатся, кислорода становится больше, поэтому кислородозависимые бактерии живут дольше и производят углекислый газ и воду в течение более длительного времени. Однако если отходы сильно уплотнены, выработка метана начнется раньше, поскольку аэробные бактерии заменяются анаэробными бактериями, вырабатывающими метан, в Фазе III. Метановый газ начинает вырабатываться анаэробными бактериями только тогда, когда кислород на свалке израсходован аэробными бактериями; поэтому любой оставшийся на свалке кислород замедлит выработку метана. Барометрические максимумы будут иметь тенденцию вносить атмосферный кислород в поверхностные почвы в неглубоких частях свалки, возможно, изменяя активность бактерий. В этом сценарии отходы в Фазе IV, например, могут ненадолго вернуться в Фазу I, пока весь кислород не будет снова израсходован.
• Содержание влаги. Наличие определенного количества воды на свалке увеличивает газообразование, поскольку влажность стимулирует рост бактерий и переносит питательные вещества и бактерии во все области свалки. Содержание влаги 40% или выше в расчете на сырой вес отходов способствует максимальному газообразованию (например, на закрытой свалке). Уплотнение отходов замедляет газообразование, поскольку оно увеличивает плотность содержимого свалки, снижая скорость, с которой вода может просачиваться в отходы. Скорость газообразования выше, если сильные дожди и/или проницаемые покрытия свалки вводят дополнительную воду на свалку.
• Температура. Теплые температуры увеличивают активность бактерий, что в свою очередь увеличивает скорость производства свалочного газа. Более низкие температуры подавляют активность бактерий. Обычно активность бактерий резко падает ниже 10° по Цельсию (°C). Изменения погоды оказывают гораздо большее влияние на газообразование на неглубоких свалках. Это связано с тем, что бактерии не так изолированы от изменений температуры, как на глубоких свалках, где отходы покрываются толстым слоем почвы. Закрытых свалок обычно поддерживает стабильную температуру, максимизируя газообразование. Бактериальная активность выделяет тепло, стабилизируя температуру свалки между 25 °С и 45 °С, хотя были отмечены температуры до 70 °С. Повышение температуры также способствует улетучиванию и химическим реакциям. Как правило, выбросы не метановых органических соединений удваиваются с каждым повышением температуры на -8 °С.
• Возраст отходов. Недавно захороненные отходы будут производить больше газа, чем старые отходы. Свалки обычно производят значительные объемы газа в течение 1–3 лет. Пик производства газа обычно происходит через 5–7 лет после захоронения отходов. Почти весь газ производится в течение 20 лет после захоронения отходов; однако небольшие количества газа могут продолжать выделяться со свалки в течение 50 или более лет. Однако сценарий с низким выходом метана предполагает, что медленно разлагающиеся отходы будут производить метан через 5 лет и продолжать выделять газ в течение 40 лет. Различные части свалки могут находиться на разных фазах процесса разложения в одно и то же время, в зависимости от того, когда отходы были изначально размещены на каждой территории. Количество органического материала в отходах является важным фактором того, как долго будет продолжаться производство газа.

Источники: Кроуфорд и Смит, 1985; DOE, 1995; EPA, 1993.