Мировой рост производства и потребления в настоящее время к приводит к резкому возрастанию объемов образования бытовых отходов, которые в соответствии с действующим Федеральным законом Российской Федерации от 29.12.2014 № 458-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» определяются термином «твердые коммунальные отходы» (принятая сокращенная аббревиатура ТКО) [10]. В последние десятилетия годовой выброс ТКО в биосферу достигает объема 400·106 тонн. Это вызывает искажение естественных биогеохимических циклов планеты, и в первую очередь оборота органического углерода. Годовой объем поступления органического углерода в окружающую среду с отходами превышает сегодня 85·106 тонн, это более чем вдвое превышает годовой объем природного притока этого биофильного элемента в биосферу планеты [2].
Актуальность проблемы
Наиболее популярным в настоящее время способом удаления твердых коммунальных отходов в большинстве стран мира является захоронение в верхних слоях геосферы. Здесь отходы разлагаются под действием интенсивных биохимических процессов, в результате которых в больших объемах образуются газовые смеси, объединенные термином «свалочный газ» (принятая сокращенная аббревиатура СГ).
Выбросы свалочных газов в окружающую среду приводят к ряду негативных последствий на всех уровнях локализации. Для их ликвидации и предупреждения в большинстве развитых мировых государств проводятся целенаправленные мероприятия по снижению выбросов СГ в атмосферу. Благодаря этому добыча и утилизация свалочного газа выделяется сегодня в отдельную самостоятельную отрасль мировой индустрии.
Фракционный состав ТКО
Значительная часть фракционных компонентов ТКО представлена большим разнообразием органических и синтетических материалов. Пищевые отходы, бумага и текстиль рассматриваются как основные фракционные группы. Их соотношение зависит от ряда факторов, к которым относятся прежде всего уровень экономического развития государства, его географическое положение и сложившийся менталитет. Так, например, доля органических компонентов ТКО составляет около 56 процентов в развитых странах и около 62 процентов – в развивающихся. Для древесных отходов распределение доли в общем объеме ТКО в развитых и развивающихся странах составляет соответственно 61 процент и 69 процентов.
Процессы, протекающие в теле полигона
В местах сбора и хранения ТКО, где находится свыше 80 процентов общего объема отходов, естественным образом создаются анаэробные условия, в которых происходит биологическая конверсия органики при участии метанобразующего консорциума микроорганизмов, который представляет собой некую трофическую цепочку. В процессе жизнедеятельности бактерий в анаэробных условиях образуется свалочный биогаз, который представляет собой газовую смесь метана, углекислого газа и некоторых других газов.
Факторы, влияющие на интенсивность газообразования
По результатам многочисленных исследований есть основания полагать, что в среднем интенсивное газовыделение наблюдается в теле полигона на протяжении 10÷50 лет, при этом величина газовыделений обычно составляет от 120 до 200 кубометров с одной тонны ТКО. Упрощенное стехиометрическое уравнение реакции процесса анаэробного разложения органики выглядит следующим образом:
n C6H10O5 + n H2O > 3n CH4 + 3n CO2 (1)
Интенсивность процесса и удельный объем газовыделений зависят от условий среды, возраста полигона и фракционного состава отходов. Основыми факторами, влияющими на интенсивность биологической конверсии, являются температура, влажность, величина водородного показателя, содержание органики. Совместное влияние указанных факторов можно выразить с помощью уравнения кинетики реакции газообразования первого порядка:
Q = M*q*e ^ k*t, (2)
где Q – объем СГ (м3), выделившийся за время t (лет);
M – общая масса ТКО (т);
q – удельная величина газовыделений (м3/т);
k – коэффициент скорости реакции (1/год).
При прогнозировании объемов газовыделений и оценке потенциала СГ применяют различные варианты формулы (2). Основная разница заключается в содержании органики в общей массе рассматриваемых отходов. По скорости разложения фракционные компоненты органическго вещества разделяют на быстро разлагаемые, средне разлагаемые и медленно разлагаемые. Их физико-химические свойства оказывают влияние на интенсивность биологической конверсии. Если процесс конверсии быстро разлагаемых фракционных компонентов завершается по истечении двух – четырех лет, то полное разложение медленно разлагаемых может длиться десятилетиями. Количество фракционных компонентов в формуле (2) влияет на выбор типа прогнозной модели. В настоящее время для оценки потенциала газообразования используют однофазные, двух- и трехфазные прогнозные модели.
Благодаря многолетним исследованиям, проведенным фирмой «Геополис», было установлено, что наиболее оптимальным средством для оценки потенциала газообразования является обобщенная двухфазная модель, в которой используются коэффициенты скорости реакций газовыделения, полученные на основе данных полевых испытаний. Из графика изменения объемов газовыделений полигона, построенного на основе обобщенной двухфазной модели, видно, что наиболее активная часть процесса газообразования приходится на начальный период длительностью примерно пять лет, при этом конвертируется около половины общего объема СГ.
Основные компоненты свалочного газа
Основными компонентами свалочных газовых смесей являются метан и углекислый газ. Значение их объемных долей соответствует значениям 45÷75 % для метана и 25÷55 % для углекислого газа. В гораздо меньших количествах в составе СГ присутствует азот (до 5 %, часто свыше 10 %), сероводород, кислород, водород, угарный газ.
В настоящее время сведения о составе свалочного газа, приводимые во многих доступных отечественных и зарубежных источниках, сильно отличаются по величине объемной доли азота. Наиболее распространенным заблуждением является утверждение, что типичному составу свалочного газа соответствует значение объемной доли N2 не более 2÷5 %, тогда как, в отличие от биогаза метантенков, в свалочном газе азот может присутствовать в количестве 20 % и выше [5].
Так, по данным исследований ООО «КомплеСУ», проведенных в августе 2015 г., в состав свалочного газа полигона ТБО и ПО ОАО МСК «Водино» Самарской области входят 41 % метана, 24 % азота (!) и 30 % углекислого газа. Полигон котлованного типа.
По данным исследований ООО «ЭкоБиос» (г. Оренбург), в состав свалочного газа полигона ТКО г. Оренбурга входят 46 % метана, 20 % азота и 32 % углекислого газа. Полигон курганного типа.
По данным Министерства экологии Нижегородской области, примерный состав свалочного газа включает азот в количестве от 5 % до 20 % по объему.
Компонентный состав СГ определяет его основные характеристики. В первую очередь к ним относится теплотворная способность, которая составляет в среднем от 4500 до 6500 ккал/м3. Важными являются также факторы, определяющие экологические показатели СГ. Как правило, они зависят от наличия галогеносодержащих примесей, сероводорода и меркаптанов. Большая часть компонентов СГ является парниковыми газами, в связи с чем организация дегазации полигонов ТКО направлена прежде всего на снижение экологической нагрузки на окружающую среду.
Оценка объема глобальной эмиссии СГ
Первые попытки оценки глобального объема эмиссии СГ в атмосферу были проведены в 1980-х гг. По одной из таких оценок, общий годовой объем глобального потока свалочного метана составляет от тридцати до семидесяти миллионов тонн. В настоящее время сведения об объемах годового образования ТКО являются основанием для прогноза выделений свалочного метана в атмосферу.
Затем оценка объемов образования свалочного биометана была проведена экспертной группой Межправительственной комиссии по изменению климата (IPCC), на основании которой была установлена величина годового выброса порядка сорока миллионов тонн. Следует отметить значительный вклад России в мировую эмиссию СГ. Так, по сведениям Межправительственной комиссии по изменению климата российские полигоны ТКО выделяют в окружающую среду свыше 1,1·106 тонн свалочного биогаза, это более двух с половиной процентов от общепланетарного потока.
Негативные свойства СГ
Неконтролируемое выделение СГ представляет серьезную угрозу для окружающей среды. Прежде всего это связано с созданием пожароопасных условий на самих полигонах и в прилегающих сооружениях. Атмосферное электричество, неосторожное обращение с огнем часто вызывают возгорания полигонов, не оборудованных системами сбора и утилизации СГ. Серьезную опасность представляют полигоны ТКО и свалки, расположенные в непосредственной близости от районов жилой застройки.
Миграция СГ в грунте и прилегающих полостях представляет опасность как с технологической, так и с токсикологической точки зрения. Случаи отравлений, сопровождающиеся часто смертельными исходами, наблюдаются при техническом обслуживании инженерных коммуникаций, расположенных вблизи полигонов, не оборудованных системами сбора и утилизации СГ.
Отмечено негативное влияние СГ на местную фауну. Накопление и миграция СГ в полостях и порах верхней части почвенного горизонта приводит к затруднению дыхания корневой системы растений, а затем и к полному подавлению жизнедеятельности растений.
Неконтролируемый выброс СГ является причиной атмосферного загрязнения прилегающих участков экосистемы высокотоксичными компонентами. Метан и диоксид углерода, составляющие основу СГ, являются парниковыми газами, значительно усиливающими эффект глобального изменения климата.
Все вышесказанное свидетельствует о необходимости организации комплекса высокоэффективных мероприятий по дегазации как существующих, так и проектируемых полигонов ТКО и городских свалок. Основой должна быть законодательная база, формирующая стимулирующее воздействие на владельцев крупных объектов концентрации отходов. К основным технологическим мероприятиям, направленным на организацию дегазации, относятся технологии извлечения, очистки и энергетического использования СГ.
Проблемы утилизации СГ
В настоящее время к основным способам утилизации СГ относятся:
– сжигание в факеле, направленное прежде всего на уничтожение и ликвидацию СГ в целях снижения экологической нагрузки и опасности возгорания полигонов;
– сжигание необработанного СГ для получения тепла;
– очистка СГ для дальнейшего использования в установках генерации электрической и тепловой энергии;
– очистка СГ для дальнейшего использование в качестве газомоторного топлива;
– получение биометана из СГ с содержанием метана свыше 96 % для дальнейшего использования в системах газоснабжения.
Проблема использования свалочного газа для когенерации и тригенерации энергии, связанная с компонентным составом свалочного газа, может быть решена благодаря совместной реализации трех основных направлений:
– высокоэффективного микробиологического воздействия на тело полигона для повышения метаболической активности местного консорциума, а также для снижения объемной доли балластных газовых примесей и повышения его метановой составляющей до систем очистки;
– создания более совершенной и эффективной системы очистки образующейся в результате газовой смеси;
– создания эффективных горелочных устройств, использующих биогаз и свалочный газ.
Исследования по этим трем направлениям отражены в ранее опубликованных работах и патентах на изобретения. Так, благодаря работам в области тригенерации энергии, было отмечено, что преобразовывать энергию газовых смесей (природный газ, свалочный газ, биогаз метантенков) можно при использовании микротурбин, газопоршневых установок и прочих устройств, таких, например, как двигатели внешнего сгорания [8]. Из вышеперечисленных на рынке широко представлены в основном микротурбины и газопоршневые установки.
Было установлено, что при низком содержании метана предпочтительнее использовать газопоршневые генераторы, а в некоторых случаях это единственный возможный вариант [6, 9].
При анализе работы горелочных устройств было выявлено, что использование свалочного газа и биогаза возможно при минимальных затратах на системы очистки (при обязательном отделении влаги, серы и пр.), причем было отмечено некоторое снижение КПД установки [1].
Для повышения эффективности сжигания свалочного газа и биогаза метантенков были предложены технические решения, отраженные в [7], а также в [3, 4].
Выбор конкретного способа утилизации СГ основывается на анализе условий, сложившихся на данном полигоне ТКО, и определяется в первую очередь наличием спроса на энергоресурсы, получаемые в процессе дегазации полигона. В большинстве развитых стран мероприятия по дегазации стимулируются при непосредственном участии заинтересованных госструктур на основании развитой законодательной и налоговой базы. Основу такой базы представляют законы, создающие условия для использования возобновляемых энергоресурсов.
В Российской Федерации законодательная основа, стимулирующая процессы утилизации СГ, находится на ранней стадии развития. Ее основу представляет Энергетическая стратегия развития России на период до 2030 года. Одной из приоритетных задач Энергетической стратегии является увеличение доли энергии, вырабатываемой за счет использования возобновляемых источников. В этом плане дегазация полигонов ТКО и использование СГ в энергетических целях является наиболее перспективным направлением.
Организация мероприятий по дегазации должна быть основана на эффективном создании условий метанобразующих микроорганизмов при использовании метанового эффлюента биогазовых станций; при внесении предпочтительно использование двухкомпонентных препаратов, создавая сухой фракцией изолирующих слоев, снижающих присосы воздуха в систему дегазации; при этом необходимо использовать более совершенные системы очистки метаносодержащих газовых смесей, в когенерационных и тригенерационных циклах отдавая предпочтение газопоршневым установкам.
Заключение
Таким образом, эффективность организации комплекса мероприятий по дегазации полигонов ТКО зависит от ряда факторов, наиболее существенным из которых на сегодняшний день представляется развитие законодательной и налоговой базы, стимулирующей организацию мероприятий дегазации полигонов на государственном уровне. Наиболее эффективным инструментом стимулирования в настоящее время пока остаются программы государственной финансовой поддержки в виде конкурсов и грантов. Использование в дальнейшем большей части потенциала СГ полигонов ТКО при их дегазации позволит существенно повысить эффективность использования энергоресурсов и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Библиографическая ссылка
Садчиков А.В. ДЕГАЗАЦИЯ ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 2. – С. 82-86;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41362 (дата обращения: 20.04.2024).