книги / Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов

Глобальная утилизация метана составляет около 1,2 млрд м3/год, что эквивалентно 429 тыс. т метана, или 1 % его глобальной эмиссии. Таким образом, объем извлекаемого газа ничтожен по сравнению собъемом его образования [170].

2.4.Технология сбора и утилизации биогаза

2.4.1.Дегазация массива отходов. Системы сбора биогаза

Целью дегазации свалок является: исключение отрицательного воздействия биогаза на окружающую среду, в том числе снижение взрыво-пожароопасности массива отходов полигона ТБО; устранение залповых выбросов биогаза; снижение негативного вредного и опасного воздействия на персонал, население и объекты окружающей среды; утилизация(приэкономической целесообразности) биогаза.

При дегазации свалок используют два основных метода: пассивной дегазации, осуществляемой за счет собственного избыточного давления газа в толще свалки, и активной дегазации, осуществляемой с помощью специальных устройств, создающих градиент давления. Система дегазации массива отходов выполняется дегазационными скважинами – газовыпусками, траншеями и прочими устройствами.

Пассивные системы

Пассивные методы дегазации основываются на природных процессах конвекции и диффузии. Такие системы устанавливаются в местах низкого газообразования и отсутствия перемещения газа.

Системы сбора биогаза подобного типа не могут применяться для полигонов с внутренними изолирующими слоями, так как дегазация будет происходить только в верхнем слое. Давление, которое создается в нижнем слое, может привести к взрыву. Целесообразно применение пассивной дегазации для небольших полигонов, для старых хранилищ ТБО с невысоким уровнем выделения биогаза или для полигонов с высоким уровнем фильтрата.

Наиболее простым способом организации пассивной дегазации являются вертикальные и горизонтальные траншеи.

Вертикальная траншея монтируется в процессе функционирования полигона и представляет собой полость, заполненную гравием, в пределах одной ячейки депонирования отходов.

Вертикальные системы не нашли широкого применения из-за восприимчивости к движениям тела полигона: они легко деформируются и теряют свои функциональные свойства. Ремонт таких систем требует больших затрат.

Горизонтальная траншейная система монтируется после закрытия полигона. Перед установкой верхнего изолирующего слоя на поверхности полигона монтируются траншеи шириной 1 м и глубиной около 1,5 м (рис. 2.20).

201

Рис. 2.20. Устройство горизонтальной траншеи

Расстояние между траншеями определяется по данным мониторинга и расчетным данным участка, но не более 50 м. Чтобы предотвратить засорение проницаемой среды, траншеи должны быть снизу укрытыфильтрующим материалом.

Траншеи заполняются гравием фракцией 16–32 мм (доля карбоната – не более 10 %). В гравийном пакете устанавливаются дренажные перфорированные трубы из поливинилхлорида, полиэтилена высокой плотности, полипропилена, стеклопластика или другого подходящего по прочности непористого материала. Из-за коррозии, возможной в среде биогаза и конденсата, рифленая сталь обычно не используется.

Диаметр газосборной трубы принимается от 8 до 15 см. При отсутствии стандартных труб такого диаметра допускается применение труб диаметром, близким к указанному [182]. Перфорационные отверстия диаметром 1,25 см распределяются по всей поверхности через каждые 15 см по длине трубы; по диаметру трубы располагаются 4 отверстия в шахматном порядке [181].

Трубы соединяются друг с другом c помощью гибких соединений, что позволяет монтировать системы различной конфигурации и делает их менее восприимчивыми к изменению внутренних усилий.

Дренажные трубы должны иметь уклон не менее 2 % внутрь полигона для отвода конденсата, который просачивается через слой гравия в конце дренажных трубопроводах внутрь хранилища [182].

Для обеспечения выхода биогаза на поверхность на траншее монтируются газовыпуски (рис. 2.21).

Расстояние между газовыпусками определяется по расчету прогнозируемого количества биогаза и диаметра трубы газовыпуска. После монтажа траншейной системы монтируется верхний изоляционный слой. Установка портов отбора проб позволяет проводить измерения давления, температуры газа, концентрации и контролировать работу траншейной системы [145].

202

в 10–15 м от края тела полигона отходов и не более двух на гектар. Дополнительные скважины могут быть необходимы, если произойдет изменение конфигурации тела полигона [145].

Для пассивной дегазации пробуриваются колодцы диаметром 60 см до отметки –4 м, в которые помещается перфорированная труба диаметром 8 см с газовыпуском. Трубы изготавливаются из поливинилхлорида, полипропилена, полиэтилена высокой плотности или стеклопластика [182]. Пространство между трубой и стенками скважины послойно заполняется гравием крупностью 20–40 мм, с содержанием карбонатов менее 10 %, до отметки –1,6 м. Затем укладывается слой бетона до отметки –1,3 м и слой песчано-гравийной смеси до отметки –0,3 м. На поверхности монтируется бетонный оголовок.

Схема скважин пассивной дегазации показана на рис. 2.21. Количество дегазационных скважин (газовыпусков) назначается из расчета 1 скважина на

7500 м3 отходов [145].

Надежная работа системы пассивной дегазации зависит от функционирования скважины, поэтому в случае нарушения режима ее работы, вызванного, например, повышением влагосодержания или замерзанием, выход биогаза может происходить другими путями. По этой причине скважина пассивной дега-

203

зации при некоторых обстоятельствах может считаться источником неконтролируемых эмиссий газа в атмосферу. Кроме того, она не решает проблем с неприятным запахом. Вместе с тем принцип действия пассивных скважин более стабилен и предсказуем, так как создаваемое повышение давления исключает проникновение воздуха в систему сбора и препятствует смешиванию его с биогазом, чего не наблюдается в системах активного сбора.

Активная система дегазации

Система активного сбора биогаза включает в себя устройства, создающие градиент давления (компрессоры, вентиляторы), экстракционные скважины и горизонтальную систему сбора биогаза. Компрессоры (или вентиляторы), подключенные к магистральным газопроводам, обеспечивают эффективное извлечение газа из тела полигона. Система активной дегазации обязательно включает утилизацию извлеченного газа (сжигание, очистка, сжижение и т.д.).

Градиент давления, созданный в скважинах или траншеях, является движущей силой для удаления газа из тела полигона. Газ по трубам коллектора отправляется на переработку.

Эффективность активной дегазации зависит от работы и конструкции систем сбора и утилизации, а также от методов управления этими системами. Эффективная система должна быть ориентирована на максимальный уровень газогенерации и сбор биогаза со всей территории полигона, обеспечение контроля каждого элемента системы дегазации.

Активная система сбора имеет четыре главных компонента: систему газовых скважин (или горизонтальных траншей), газоперемещающее оборудование, оборудование для сушки биогаза и удаление конденсата.

Попадание воздуха – главная опасность в проектировании систем сбора. Воздух может проникать через покрытие полигона, что особенно опасно в засушливых регионах, где сухое покрытие почвы легко проницаемо для воздуха.

Газосборный пункт предназначен для принудительного извлечения биогаза из свалочной толщи. Для этого с помощью вентилятора в системе газопроводов создается небольшое разрежение (около 100 мбар).

Изменение условий (давление, температура) в коллекторной системе способствует образованию конденсата. Температура биогаза в толще отходов может достигать 40–50 ○С, а содержание влаги – 5–7 % об.

После экстракции биогаза из свалочного тела и его поступления в транспортные газопроводы происходит резкое снижение температуры, что приводит к образованию конденсата, который может выделяться в значительных количествах. Ориентировочно при добыче биогаза в объеме 100 м3/ч в сутки образуется около 1 м3 конденсата. Поэтому отвод конденсата с помощью специальных устройств является задачей первостепенной важности, так как его наличие в газопроводе может затруднить или сделать невозможной экстракцию биогаза.

204

Конденсат обычно содержит воду, органические вещества и следовые количества неорганики.

Исследование конденсата, образующегося при охлаждении биогаза на полигоне «Маунтин Вью», показало, что в его составе содержится 94 органических соединения, 15 из которых считаются токсичными [190].

Биогаз конденсируется не только в системе сбора, но и в системах его обработки. Этому способствует как естественное охлаждение, так и искусственное, используемое в процессах очистки биогаза.

Количество образующегося конденсата зависит от генерации биоагаза, возраста свалки, количества влаги на свалке, постоянства температуры в теле полигона, размеров и конфигурации свалки, рельефа местности, типа покрытия, климатических условий.

Свойства и количества конденсата необходимо учитывать при проектировании систем сбора и утилизации биогаза.

Перед поступлением на газосборные станции конденсат отводится через напорные трубопроводы с большим гидравлическим уклоном в гидравлические затворы соответствующих шахтных стволов для просочившейся воды, которые также предотвращают всасывание воздуха в газовую систему.

Количество образующегося конденсата зависит от генерации биогаза, возраста полигона, количества влаги на полигоне, постоянства температуры в теле полигона, размеров и конфигурации полигона, рельефа местности, типа покрытия, климатических условий. Отбираемый конденсат либо сбрасывают на свалку, либо направляют на очистку.

Траншеи для активной дегазации монтируются аналогично траншеям пассивной системы, но без газовыпусков. Конец дренажной трубы соединяется гибким резиновым соединением с трубой магистрального газопровода.

Подобные системы могут применяться для полигонов без промежуточных изолирующих слоев, полигонов небольшой глубины, обводненных полигонов (полигонов с высоким уровнем фильтрата).

Размещение газовыпусков

Размещение газоотводных колодцев – это важнейшая составляющая эффективной дегазации отходов. Их размещают таким образом, чтобы зоны влияния этих колодцев перекрывали друг друга. Как показано на рис. 2.22, 27%-ное перекрытие зон достигается при размещении газоотводных колодцев по углам равносторонних треугольников с размером стороны 1,73r, а 100%-ное перекрытие достигается при размещении газоотводных колодцев по углам правильного шестиугольника с размером стороны r. Квадратная схема обеспечивает 60%-ное перекрытие. Таким образом, схему размещения и расстояние между колодцами можно определить по формуле [204]

205

где R = радиус зоны влияния газоотводных колодцев; O1 – необходимая степень перекрытия.

Рис. 2.22. Размещение газоотводных колодцев для обеспечения полного перекрытия: а – треугольная схема; б – шестиугольная схема. Жирными точками обозначены места размещения газоотводных колодцев

Зона влияния системы дегазации определяется строго по фактическим данным исследования в натурных условиях. Газоотводный колодец размещается на территории полигона таким образом, чтобы на определенном расстоянии от колодца находился газовый анализатор. Кратковременный и/или долговременный контроль осуществляется в целях создания эффективной системы дегазации. Кратковременный контроль дегазации обычно занимает от 48 ч до нескольких дней. Кратковременного исследования будет достаточно при намерении создания системы дегазации, обеспечивающей минимизацию миграции биогаза.

В России основные требования к устройству систем дегазации и непосредственно газовыпусков закрытых полигонов изложены в «Технологическом регламенте…» [182]. Основными технологическими характеристиками системы дегазации является расстояние между отдельными дегазационными колодцами, место их установки, их глубина.

По данным «Технологического регламента…» [182] расстояние между скважинами принимают 30–40 м, что позволяет свободно маневрировать мусоровозам, бульдозерам и другой технике. В плане скважины располагают в виде квадратной сетки с минимальным расстоянием друг от друга 30–40 м. Пример выполнения систематической дегазации массива отходов полигона ТБО приведен на рис. 2.23.

206

Рис. 2.23. Пример выполнения систематической дегазации массива отходов полигона ТБО

Существует несколько вариантов конструкций скважин и несколько схем их расположения. Технология получения биогаза различна для закрытых и эксплуатируемых полигонов.

Системы дегазации на эксплуатируемых полигонах. Перед разработкой проекта системы сбора и утилизации биогаза с эксплуатируемого полигона определяют состав и свойства поступающих на него отходов, вместимость и сроки эксплуатации полигона, схему и максимальную высоту складирования отходов, рН-вытяжки из отходов, гидрогеологические условия земельного участка, а также составляют уравнение водного баланса полигона. На основании перечисленных материалов составляется количественный прогноз образования биогаза и делается заключение о целесообразности его утилизации.

В целях получения максимального экологического эффекта полигон разбивают на очереди эксплуатации с учетом обеспечения каждой очередью приема ТБО в течение 3–5 лет. Каждую очередь эксплуатации делят на рабочие кар-

207

ты площадью 8000–10000 м2 и высотой 2 м. По вертикали очередь эксплуатации разбивают на газоносные зоны высотой 8–10 м (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Схема активной дегазации с применением дегазационных скважин [181]: 1 – дегазационные скважины; 2 – конденсатосборник; 3 – факельное устройство; 4 – компрессор

Скважины монтируют из сборных железобетонных колец диаметром 0,7 м типа К-7-10 [182]. На верхний срез нижнего кольца наносят слой цементного раствора и устанавливают следующее кольцо и т.д. Предварительно на железобетонных кольцах делают пропилы или перфорированные отверстия. Внутри колец устанавливают перфорированные асбестоцементные трубы диаметром 100–120 мм. Пространство между внутренними стенками колец и перфорированными трубами засыпают щебнем крупных фракций.

Пропилы и перфорационные отверстия располагают в шахматном порядке. Длину пропила принимают равной половине диаметра трубы или кольца, ширину– 10–12 мм, расстояние между пропилами– 150–200 мм. Перфорационные отверстия сверлятдиаметром16–18 ммнарасстоянии100–150 ммдруготдруга.

К скважинам через каждые 2 м по высоте (толщина рабочего слоя) проводят три-четыре дренажные сети. Длина каждой сети 10–15 м. Дренажную сеть устраивают из перфорированных асбестоцементных труб диаметром 50–60 мм, щебня фракции 30–60 мм или хвороста (пластинчатый дренаж). Сверху дренажную сеть засыпают отходами.

На устье газовой скважины монтируют оголовок, который обеспечивает герметизацию обсадной трубы и является опорой «елки». «Елки» устанавливаются крестовые или тройниковые, в зависимости от применяемой арматуры и места скважины в общем ряду. Пространство между обсадной трубой и оголовком гер-

208

метизируют резиновыми уплотнителями. Газ отбирают через отвод тройника или крестовины и направляют в газосборную сеть.

После покрытия полигона изолирующим слоем монтируют устья скважин, устанавливают запорную арматуру, монтируют промежуточные и магистральные газопроводы. Из скважины биогаз поступает в промежуточный, а затем в магистральный газопровод.

Системы дегазации на полигонах, закрытых для приема ТБО

Длямонтажаскважинвтелезакрытогополигонаобычноприменяютбурение. Для проходки скважин используется как обычное буровое оборудование, так и специализированная техника, позволяющая сооружать скважины большого диаметра. При этом выбор того или иного оборудования обычно обусловлен

экономическими причинами.

При бурении скважин в толще отходов в российских условиях наиболее целесообразно использование шнекового бурения. Оно сравнительно недорого и легкодоступно.

Инженерное обустройство скважины включает несколько этапов. На первом – в скважину опускается перфорированная стальная или пластиковая труба, заглушенная снизу и снабженная фланцевым соединением в приустьевой части. Затем в межтрубное пространство засыпается пористый материал с послойным уплотнением до глубины 3–4 м от устья скважины. На последнем этапе сооружается глиняный замок мощностью 3–4 м для предотвращения попадания в скважину атмосферного воздуха.

Действующие нормативные требования к устройству дгазации полигонов ТБО

ВРоссии нормативными документами, регламентирующими устройство системы дегазации полигонов ТБО, являются:

– Технологический регламент получения биогаза с полигонов твердых бытовых отходов. АКХ им. К.Д. Памфилова (Москва, 1990 год);

– Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации полигонов захоронения твердых бытовых отходов (Москва, 2003 год).

Всоответствии с Технологическим регламентом для устройства системы дегазации на эксплуатируемых полигонах на основании рабочей карты монтируют скважины, конструкция которых представлена на рис. 2.25. Скважины выполняют из сборных железобетонных колец диаметром 0,7 м типа К-7-10 (альбом РК 2.201–82 ( таблица)). На верхний срез нижнего кольца (высота кольца К-7-10 равна 100 см) наносят 2-сантиметровый слой цементного раствора

иустанавливают второе кольцо, на второе – третье и т.д. Предварительно на железобетонных кольцах делают пропилы или перфорационные отверстия. Внутри колец устанавливают перфорированные асбестоцементные трубы диаметром 100–120 мм. Пространство между внутренними стенками колец и перфорированными трубами засыпают щебнем крупных фракций.

209

Рис. 2.25. Конструкция скважины действующего полигона: 1 – асбестоцементные трубы с перфорацией, d = 100; 2 – железобетонное кольцо К-7-10 (альбом РК 2.201–82); 3 – асбестоцементная труба без перфорации, d = 100; 4 – сетка С-1; 5 – стальной футляр d = 200, l = 1000; 6 – просмоленная прядь; 7 – люк чугунный, d = 0,7; 8 – сборная железобетонная плита КП-12 (альбом РК 2.201-82); 9 – железобетонное кольцо К-10-10 (альбом РК 2.201-82); 10 – цементный раствор М-200; 11 – газопровод, d = 100; 12 – цементная стяжка; 13 – монолитный железобетон М-200; 14 – мятая глина;

15 – цементный раствор М-200; 16 – щебень фракцией 15–30

В плане скважины располагают в виде квадратной сетки с минимальным расстоянием друг от друга 30–40 м и соединяют между собой в прямолинейные батареи промежуточными газопроводами, подключаемыми к магистральному.

Пропилы и перфорационные отверстия располагают в шахматном порядке. Длину пропила принимают равной половине диаметра кольца или трубы, ширина 10–12 мм, расстояние между пропилами 150–200 мм. Перфорационные отверстия сверлят диаметром 16–18 мм на расстоянии 100–150 мм друг от друга.

При необходимости (при использовании в качестве изолирующего слоя материалов с низким коэффициентом фильтрации, при наличии широких берм или дамб, препятствующих свободному поступлению биогаза в дегазационную скважину) к скважинам через каждые 2 м по высоте (толщина рабочего слоя) подводят три-четыре дренажные сети (рис. 2.26). Длина каждой сети 10–15 м. Дренаж-

210