ТЕХНОЛОГИИ ОТХОДОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СЕРВИСЕ

Раздел: Технологии и производство

В результате анаэробного разложения органической фракции отходов образуется биогаз. Из общего количества метана, ежегодно поступающего в атмосферу, 40-70% образуется в результате антропогенной деятельности, причем более 20% из них приходятся на объекты захоронения ТБО.

Подсчитано, что из одной тонны ТБО образуется около 200 м3 биогаза. При этом первые 15-20 лет при разложении одной тонны ТБО выделяется до 7,5 м3 биогаза в год. В дальнейшем интенсивность выделения биогаза резко сокращается.

Основные компоненты биогаза, (%): метан 40-75 (обычно 50-60), диоксид углерода - 30-40, азот - 5-15, кислород - 0-2, сероводород и другие токсичные соединения — в небольших количествах.

В зависимости от содержания метана биогаз имеет теплоту сгорания от 15 до 25 МДж/м3 (3600-4800 ккал/м3), что соответствует 50% теплоты сгорания природного газа. В среднем теплота сгорания биогаза составляет 4200 ккал/м3.

Биогаз относится к числу газов, создающих «парниковый эффект» и влияющих на изменение климата Земли в целом. «Конвенция о предотвращении глобального изменения климата» (ратифицирована Россией в 1992 г.) обязывает страны - участницы минимизировать выбросы в атмосферу парниковых газов, таких как метан и диоксид углерода (выброс в атмосферу 1 м3 метана по своим губительным последствиям для изменения климата эквивалентен выбросу в атмосферу около 25 м3 диоксида углерода). В этой связи уменьшение выбросов биогаза в атмосферу обеспечивает не только улучшение экологической ситуации вокруг полигонов ТБО, но и способствует выполнению Россией своих международных обязательств.

Биогаз является одной из причин возгорания ТБО на полигонах и свалках. При содержании в воздухе от 5 до 15% метана и 12% кислорода образуется взрывоопасная смесь.

Биогаз оказывает также негативное воздействие на растительный покров, угнетая растительность на примыкающих к полигонам ТБО площадях (механизм влияния связан с насыщением биогазом порового пространства почвы и вытеснением из нее кислорода).

Негативное воздействие биогаза на окружающую среду привело к тому, что в большинстве развитых стран владельцы полигонов законодательно принуждаются к предотвращению его стихийного распространения.

В связи с этим за рубежом в последнее десятилетие получили широкое распространение технологии добычи и утилизации биогаза. В Германии, например, к началу нового тысячелетия добыча биогаза на полигонах ТБО составила около 35 млн. м3/год, что позволяет получать ежегодно 140 млн. кВт-ч электроэнергии и экономить 14 тыс. т/год нефти.

На российских полигонах и свалках биогаз практически не собирается. Первые шаги в этом направлении осуществила фирма «Геополис», построившая совместно с фирмой «Гронтмай» (Нидерланды) установки для сбора биогаза на двух подмосковных полигонах ТБО (в Мытищах и Серпухове). На каждом из этих полигонов, являющихся достаточно типичными для Московской области (площадь - 5-7 га, средняя мощность отходов - 10-12 м), образуется 600- 800 м3 биогаза в час.

Для сбора биогаза используют вертикальные скважины, газопроводы и компрессорные станции, обеспечивающие подачу газа к мотор-генераторам (при использовании биогаза для производства электроэнергии). Компрессор создает необходимое разрежение для сбора биогаза и его транспортировки по газопроводам.

В российских условиях, как показала практика, наиболее целесообразно шнековое бурение скважин диаметром 250-300 мм (для сравнения - в Швеции практикуется бурение скважин диаметром 150-200 мм).

По европейским данным, выход биогаза из пробуренной скважины глубиной 10 м обычно составляет 10-20 м3/час. Устойчивая работа скважины обеспечивается, если ее дебит не превышает объема вновь образующегося биогаза. Подсчитано, что для обеспечения мощности 1 МВт требуется 15-20 пробуренных газовых скважин в теле полигона. Регулирование выхода биогаза с полигона осуществляется путем регулирования числа оборотов компрессора.

Расстояние между газовыми скважинами на участке сбора биогаза обычно составляет 50-60 м. Если число газовых скважин на полигоне оптимально, а откосы полигона уплотнены, извлечение биогаза составляет до 80% от его образующегося объема. Если биогаз собирается на так называемых биокартах с однородными отходами (европейские условия), извлечение биогаза повышается до 90%. На  3.10 показан общий вид скважины для добычи биогаза на подмосковных полигонах.

Инженерное обустройство скважины включает несколько этапов. На первом этапе в скважину опускается перфорированная стальная или пластмассовая труба, заглушённая снизу и снабженная фланцевым соединением в приустьевой части. Затем в межтрубное пространство засыпается пористый материал (например, гравий) с послойным уплотнением до глубины 3-4 м от устья скважины. На следующем этапе сооружается глиняный замок для предотвращения попадания в скважину атмосферного воздуха. После этого приступают к установке оголовка скважины. Оголовок представляет собой металлический цилиндр, снабженный газозапорной арматурой для регулировки дебета скважины и контроля состава биогаза, а также патрубком для присоединения скважины к газопроводу.

В шведской практике для крепления буровых скважин используются обсадные трубы ( 3.11), которые после установки перфорированного пластмассового фильтра частично вынимаются из тела полигона. Нижняя секция обсадной трубы длиной 3 м остается на уровне 1,5-4,5 м ниже уровня грунта, а над верхней частью фильтра в скважине образуется изолирующее покрытие высотой 4,5 м, позволяющее создать относительно большое разрежение вокруг скважины и повысить эффективность сбора биогаза. По данным шведской практики, при сборе биогаза на действующих полигонах возникают эксплуатационные сложности и в течение первых десяти лет часть газовых скважин и фильтров должна быть обновлена (разрушение труб под действием проседания поступающих отходов, закупоривание фильтрующих труб). Схема размещения газовых скважин на высоконагруженном полигоне в Швеции показана на  3.12.

Температура образующегося биогаза соответствует температуре тела полигона, которая при анаэробном разложении органической фракции ТБО повышается до 25-40°С. Поскольку для отходов характерна высокая влажность, биогаз насыщается парами воды. При снижении температуры биогаза до 10°С в системе газопроводов образуется до 20 г/м3 конденсата. На установке мощностью 1 МВт ежесуточно образуется 100 л конденсата. Этот конденсат необходимо удалять из системы сбора биогаза и направлять на обезвреживание, так как по химическому составу он во многом аналогичен фильтрату. Уклон газопроводных труб в пределах полигона должен обеспечивать сбор конденсата (в соответствии с европейской практикой уклон труб - не менее 20%). Для удаления влаги из системы устанавливают конденсатоотводчики (стальные резервуары с гидрозатворами).

Биогаз, добываемый на полигонах, наиболее часто используют для производства электроэнергии. В российских условиях из 1 м3 биогаза можно получить 1,5 кВт-ч электроэнергии. К сожалению, большой энергетический потенциал полигонов в настоящее время не используется. В то же время в большинстве развитых стран производство электроэнергии на основе биогаза стимулируется государством с помощью специальных законов. Так, в США и странах ЕС существуют законы, обязывающие энергетические компании использовать нетрадиционные источники энергии, а потребителей - покупать альтернативную энергию. При этом нормативно определяется стоимость альтернативной энергии, которая, как правило, в 2-2,5 раза выше стоимости энергии, произведенной на основе использования традиционных энергоносителей (природный газ, нефтепродукты). В ряде случаев электроэнергия, произведенная из биогаза, частично или полностью используется для нужд предприятия, эксплуатирующего полигон ТБО.

В отличие от многих европейских стран, в Швеции традиционной формой утилизации биогаза является его сжигание в газовых котлах для производства тепловой энергии. Газовые котлы чаще всего соединяются с местной системой районного теплоснабжения. В Швеции имеется также опыт утилизации биогаза для комбинированного производства электрической и тепловой энергии на стационарных газовых двигателях.

В тех случаях, когда возникают сложности с утилизацией биогаза (например, из-за больших расстояний до потребителя), собранный биогаз подвергают факельному сжиганию в специальных газовых горелках. Факельное сжигание биогаза следует рассматривать как вынужденную и промежуточную меру, способствующую снижению поступления биогаза в атмосферу и вероятности возгорания ТБО на полигонах.

В соответствии с требованиями к мониторингу полигона должны проводиться систематические наблюдения за подземными и поверхностными водами, донными отложениями, растительностью, атмосферным воздухом.

Полигон, выведенный из эксплуатации, подлежит рекультивации.

Рекультивация проводится по окончании стабилизации закрытых полигонов, когда свалочный грунт достигает устойчивого состояния. После планировки поверхности, укладки плодородного слоя и его выравнивания производится посадка многолетних трав, кустарников и деревьев.