Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твер

скольку позволяет минимизировать объемы образующегося фильтрата и биогаза, атакже сокращает длительность периода эмиссий. Она сочетает в себе сортировку, термическую и биологическую переработку отходов. Основной задачей механикобиологической обработки является интенсификация минерализации органического и стабилизация неорганического вещества. Эффективность использования механи- ко-биологической обработки (МБО) оценивается по величине эмиссии биогаза, содержанию летучих веществ (в процентах) и респирационной активности отходов (мг О2/г сух.) В качестве примера эффективности МБО приведены данные полигонав г. Люденбурге. НаполигоневЛюденбургепредварительносортированныеТБО измельчают и подвергают предвари-

метаногенезом на вновь сооружаемых полигонах, так как способствует снижению веса и объема отходов, а следова-

тельно, увеличению срока эксплуатации полигона, снижению количества биоразлагаемых компонентов и газового потенциала отходов.

Механическая обработка отходов может включать сортировку, измельчение отходов и прессование.

При сортировке отделяется утилизируемая фракция отходов, выделяется поток биоразлагаемых пищевых и растительных отходов, направляемых на биологическую обработку. В результате снижается общее количество отходов, направляемых на захоронение, и уменьшается доля органической составляющей отходов, что влияет на количество образующегося биогаза.

191

В табл. 2.11 показано фактическое и расчетное на периоды 2020 года для

г. Tulln, 2039 года – для г. Hohenruppersdorf и 2025 и 2076 – для г. St. Valentin

изменение эмиссий биогаза в результате введения в Германии процесса сорти-

ровки отходов [149, 150, 151].

Как следует из табл. 2.12 при разделении отходов происходит снижение максимального выхода биогаза, а общее его количество сокращается почти в два раза.

Интенсивность и эффективность большинства химических, диффузионных и биохимических процессов, протекающих в теле полигона, возрастает с уменьшением размера частиц складируемых отходов. Поэтому наряду с сортировкой уменьшение размеров отходов имеет важное самостоятельное значение. При измельчении уменьшается объем отходов (до 50 %), увеличивается степень уплотнения. При измельчении ТБО из различных компонентов они преобразуются в относительно однородную массу. Материал становится гумусоподобным, почти без запаха, что не привлекает мух и паразитов, и относительно негорючим.

Органическое вещество в измельченных отходах распределено более равномерно, что увеличивает скорость его аэробного разложения и, как следствие, ускоряет стабилизацию полигона.

В практике утилизации отходов в качестве подготовительной стадии используется метод прессования отходов в брикеты с целью придания им компактности, обеспечивающей лучшие условия транспортирования и хранения отходов. Как правило, брикетирование ТБО осуществляется для захоронения на высоконагружаемых полигонах с небольшой площадью основания. Помимо компактности преимуществом данного метода подготовки отходов является устранение большинства пустот, через которые возможны неорганизованные эмиссии биогаза. Основные затруднения, возникающие в процессе брикетирования ТБО, связаны с тем, что поступающие отходы не гомогенны и их состав

192

нельзя заранее предугадать. Считается, что целесообразно предварительно измельчать отходы перед уплотнением.

Снижение влажности брикетированных отходов замедляет процессы метаногенеза, но не останавливает их. В результате метаногенез брикетированных отходов все же происходит, хотя и в меньшей степени.

Биологическая обработка отходов перед захоронением позволяет существенно снизить эмиссию биогаза. Одним из наиболее известных методов биологической обработки отходов является компостирование. Применяются различные модификации метода – от немеханизированных грунтовых площадок до автоматизированных заводов. При компостировании объем отходов уменьшается на 30–40 %, процесс окисления значительной части органических веществ идет с выделением СО2, NH3, Н2О. Процесс ведется в аэробных условиях, в результате чего снижается метанообразование.

Аэробная стабилизация отходов, как метод управления метаногенезом, сокращает период разложения отходов и может использоваться как на эксплуатируемых, так и на старых полигонах. Аэробная стабилизация заключается в подаче воздуха в тело полигона. Аэробные процессы обычно протекают быстрее, сопровождаются большим количеством выделяемого тепла, идут до образования конечных продуктов разложения органических веществ – СО2, Н2О, NH3, H2S.

Аэробное разложение обеспечивает практически полное обеззараживание отходов, значительное уменьшение объема складированных отходов, а также исключает взрыво- и пожароопасное выделение биогаза.

На рис. 2.18 показана принципиальная схема метода аэробной стабилизации, который был использован в Германии для старого полигона общей площадью 3,2 га и объемом складированных отходов 220 тыс. м3. Были установлены 16 скважин сбора свалочного газа и 7 – аэрационных. Образующиеся в процессе окисления газы по коллектору направлялись на биофильтры.

Исследования свалочного тела подтвердили положительный эффект аэробной среды, которая способствует быстрому росту микроорганизмов, потребляющих клетчатку, и повышению температуры внутри массива отходов, вызывая тем самым увеличение скорости окисления твердых органических отходов.

Одним из методов аэрации и активации окислительных процессов в теле полигона является метод BIO-PUSTER (рис. 2.19). Этот метод также может использоваться перед экскавацией свалочного грунта для предотвращения выхода ядовитых газов и одорантов. Установка состоит из нагнетательных и всасывающих скважин. Метод заключается в том, что воздух, обогащенный кислородом до 20 %, в сжатом виде (2–10 бар) подается в массив отходов. Компрессорная установка состоит из компрессоров и пневматических устройств – пустеров. Процесс аэрации протекает в течение сотых долей секунды с образованием «взрывной» волны, которая способствует проникновению кислорода в глубоко залегающие слои. Выделяемый свалочный газ проходит по трубам

193

через вакуумные насосы, используемые в целях безопасности, в биофильтр, где происходит его биодеградация. Благодаря такой технологии достигается полное удаление потенциально токсичных и практически всех взрывоопасных газов из тела свалки.

Рис. 2.18. Принципиальная схема аэробной стабилизации полигона

Рис. 2.19. Схема метода BIO-PUSTER

194

Всасывающие системы состоят из насосов, водоотделителя, водоохладителя, биофильтров. Свалочные газы при нормальных условиях подводятся к биофильтру, где разлагаются до двуокиси кислорода и водяного пара. Вещества, биологически плохоразлагаемые, улавливаютсявфильтрахизактивированногодревесногоугля.

В целях безопасности всасывающие трубы разработаны таким способом, что могут выдержать любые вспышки газа.

Увлажнение и орошение полигонов. Влажность отходов значительно влияет на скорость их разложения, поэтому для оптимизации процессов биоразложения и ускорения биологической стабилизации полигона, наряду с аэрацией, применяют контролируемое увлажнение отходов. Интенсивное орошение усиливает водооборот и тем самым способствует извлечению загрязняющих веществ. Рядом исследований [178] подтверждено, что периодическое увлажнение полигона с помощью различных систем орошения приводит к увеличению образования газа и скорейшей стабилизации полигона. В результате увлажнения происходит: ускорение процессов стабилизации отходов и последующее снижение потенциала эмиссии биогаза, сокращение пострекультивационной фазы и, как следствие, снижение затрат.

Термическая переработка отходов заключается в тепловом воздействии на отходы, при котором происходит окисление или газификация горючих компонентов. Существует два метода, позволяющие уменьшить объем отходов путем термической обработки и получить практически инертные материалы (зола, шлак), не содержащие органического вещества, – это сжигание и пиролиз.

Сжигание мусора целесообразно в случае, когда содержание активного органического вещества в отходах менее 30 %, при отсутствии потенциальных потребителей компоста и в условиях повышенных санитарных требований к обезвреживанию отходов. Сжигание мусора происходит в основном в мусоросжигательных установках. Поскольку ТБО являются неоднородными по теплотворной способности, их сжигание без предварительной сортировки нецелесообразно. Содержание органического вещества в остатке после сжигания не превышает 4 %. После сжигания объем складируемых отходов сокращается в 3–10 раз.

Пиролиз – окисление отходов в инертной среде без доступа кислорода воздуха. В результате пиролиза отходов образуется твердый остаток и различные газовые и масляные фракции. Содержание органического вещества в остатке не превышает 2 %. Однако при отсутствии предварительной сортировки и подготовки отходов ТБО имеют высокую влажность и значительное содержание токсичных и негорючих компонентов, что делает процесс термической обработки отходов нерентабельным.

Комплексная предварительная обработка, включающая процедуры меха- нико-биологической обработки и сжигания отходов, позволяет сократить поток отходов, направляемых на захоронение, на 22–30 % от начальной массы. В на-

195

стоящее время, даже при отсутствии раздельного сбора отходов, это один из наиболее простых и дешевых способов управления метаногенезом, позволяющий воздействовать на весь дальнейший жизненный цикл полигона.

2.3.2. Оценка газоносного потенциала полигона ТБО

Для выбора стратегии управления метаногенезом на действующих полигонах и особенно при решении вопросов по определению целесообразности и выбора технологии обезвреживания и утилизации биогаза необходимо проводить оценку газоносного потенциала полигона.

Обычно максимальное выделение газа с оптимальным для коммерческого использования соотношением метана и углекислого газа продолжается в теле полигона от 5 до 50 лет. Проведенная оценка газоносной способности 22 полигонов ТБО в Нижней Австрии [183] выявила целесообразность получения энергии лишь на 8 из них, имеющих полезный объем более 500 тыс. м3 (табл. 2.12),

Таблица 2.12

Оценка газоносной способности полигонов для захоронения ТБО в Нижней Австрии

196

а оценку «высокий потенциал использования» получили лишь четыре: St. Valentin, Hollabrunn, Hohenruppersdorf, St. Polten. Основываясь на опыте развитых стран, можно отметить, что эффективность использования биогаза на энергетические нужды непосредственно на полигоне зависит от газового потенциала: при общем потенциале газа менее 100 млн нм3 – оценка низкая; при более 100 млн нм3 – оценка высокая, при эксплуатации не менее 30 лет [183].

Помимо определения полезного газового потенциала полигона, т.е. количества газа, которое можно переработать в тепловую, электрическую энергию или просто выдавать потребителю, критериями для оценки ресурсного потенциала полигона являются: период использования полигона, мощность полигона, прогнозируемое количество и качество неочищенного газа, наличие потребителей энергии и газа. Полигон имеет низкую оценку газоносного потенциала при сроке эксплуатации менее 10 лет, среднюю – 10–20 лет, высокую – более 20 лет.

Необходимо также изучить перспективы возможности возмещения источника энергии после прекращения образования газа и предусмотреть необходимые капиталовложения в гарантию оптимальной эксплуатационной надежности.

По наличию потребителей полигон может иметь низкую оценку, если поблизости нет потребителей, и высокую, если поблизости находится много потребителей газа. Целесообразно при оценке потребительского спроса на энергоносители выяснить месторасположение потребителя энергии относительно полигона, период энергетической потребности (во время холодного сезона; только в рабочие дни; в течение дня), требуемое количество и вид энергии.

Необходимо также учитывать возмещение источников энергии после завершения газообразования.

Общая оценка эффективности использования полигона как источника энергии складывается из суммы оценок по всем указанным критериям.

Для получения более объективной картины исходная информация о направленияхиспользованияэнергииизбиогазаможетбытьпредставленаввидетабл. 2.13.

Положительное решение об использовании полигона в качестве источника энергии принимается, если выполняются следующие условия:

♦ полезный потенциал газа составляет не менее 90 млн нм3;

♦содержание метана в биогазе – не менее 45–50 %;

♦имеются потребители энергии [145].

2.3.3. Перспективы добычи и утилизации биогаза в России

Российско-голландский проект «Санитарное захоронение с рекуперацией энергии на территории Московской области», выполнявшийся российской компанией «Геополис» и голландской компанией «Гронтмайн», был начат в январе 1994 года и продолжался в течение двух с половиной лет. Одной из целей проекта являлась демонстрация в России возможностей биогазовой технологии.

Впериод с 1995 по 1997 год были построены две пилотные установки по добыче и утилизации биогаза на территории Московской области. В качестве объектов дегазации были выбраны два типичных для территории Московской области полигона – « Дашковка» в Серпуховском и «Каргашино» в Мытищинском районе [167, 171].

Входе реализации проекта были получены технологическая информация

итехнико-экономические оценки, необходимые для расчета эффективности тиражирования систем добычи и утилизации биогаза в российских условиях [171]. Важно подчеркнуть, что при расчете доходов от добычи газа и производства электроэнергии использовались цены ниже существующих сегодня на рынке энергоресурсов.

Рассматривали два варианта технологических схем утилизации газа. Первая включала производство электроэнергии, вторая – подачу сырого биогаза потребителю. Полученные результаты расчетов (табл. 2.14, 2.15) позволяют констатировать, что:

– объекты по производству электроэнергии требуют больших инвестиций

иявляются более прибыльными по абсолютным показателям;

–с ростом массы свалочного тела фактически пропорционально растут все технико-экономические показатели объектов;

–все рассмотренные варианты экономически эффективны.

Однако необходимо отметить, что выполненные расчеты имеют ряд существенных ограничений. Они не учитывают налогообложения и процесса инфляции. Вероятно, их ввод в расчетные алгоритмы существенно понизит величины ожидаемых прибылей.

198

Таблица 2.14

Технико-экономические показатели типовых объектов по производству электроэнергии из свалочного газа

Примечание. * – прибыль рассчитана без учета налогов и коэффициента дисконтирования.

Таблица 2.15 Технико-экономические показатели типовых объектов по добыче биогаза

Примечание. * – прибыль рассчитана без учета налогов и коэффициента дисконтирования.

Для оценки потенциала российской отрасли индустрии по добыче и утилизации биогаза проводили предварительную классификацию существующих российских свалок (табл. 2.16).

На ее основании можно сделать вывод о наличии по крайней мере нескольких сотен объектов, пригодных для осуществления экономически жизнеспособных проектовпоутилизациибиогаза. Такимобразом, имеющийсяпотенциалогромен[166].

В целом в большинстве стран объемы добычи и утилизации биогаза увеличиваются, поскольку экономические показатели проектов по утилизации биогаза могут быть достаточно рентабельными, особенно при наличии вблизи свалки потребителя газа.

199

2.3.4.Оценка масштабов использования биогаза в мире

Взаметных объемах биогаз добывается и утилизируется в ряде развитых западных стран. К их числу относятся США, Германия, Великобритания, Нидерланды, Франция, Италия, Дания.

ВДании биогаз используется на шести полигонах, его выработка составляет порядка 8,5 млн м3/год. В Бельгии один завод работает на биогазе, его производительность составляет 127 тыс. м3/год. В Германии биогаз используется на 98 полигонах с общей производительностью 400 млн м3/год. Основными направлениями его использования являются прямое сжигание (28 %) и выработка электроэнергии (46 %). Во Франции эксплуатируется 9 установок на биогазе суммарной производительностью 50 млн м3/год. При коммерческом использовании всего потенциала биогаза во Франции он способен обеспечить 0,1 % общего энергопотребления страны. В Италии работает 13 установок на биогазе общей производительностью 38 млн м3/год. Согласно законодательству Италии извлечение биогаза является обязательным.

ВНидерландах добыча биогаза внесена в национальную программу по отходам и программу по энергосбережению. Ежегодно добыча биогаза в Нидерландах составляет порядка 200 млн м3/год.

ВВеликобритании биогаз добывается на 33 полигонах общей производительностью 178 млн м3/год.

ВШвеции на биогазе работают 24 установки общей производительностью 60 млн м3/год и общей тепловой мощностью 40 МВт. В Швейцарии эксплуатируются 7 установок, использующих около 9 млн м3/год биогаза.