Металлургические методы переработки промышленных и бытовых отходов. Часть 1. Образование и проблемы переработки твердых бытовых отходов. Учебное пособ

Свободное распространение СГ в окружающей среде вызывает ряд негативных эффектов как локального, так и глобального масшта- бов, обусловленных его специфическими свойствами. При накопле- нии СГ могут формироваться взрыво- и пожароопасные условия в зданиях и сооружениях, расположенных вблизи захоронений ТБО.

Накопление СГ в замкнутых пространствах также опасно с токси- кологической точки зрения. Известно довольно много случаев отрав- лений при техническом обслуживании заглубленных инженерных коммуникаций, которые сопровождались смертельными исходами. К сожалению, открытая статистика таких инцидентов отсутствует. Вы- сока вероятность того, что причиной несчастий было накопление СГ, источником которого являлись старые насыпные грунты. СГ также оказывает гибельное воздействие на растительный покров. Так, при- чиной подавления растительного покрова, которое регулярно наблю- дается вокруг свалочных тел, является накопление СГ в поровом пространстве почвенного покрова, вызывающее асфиксию корневой системы. Свободное распространение СГ приводит также к загрязне- нию атмосферы прилежащих территорий токсичными и дурно пах- нущими соединениями.

Добиться снижения вышеупомянутых негативных воздействий биогаза можно либо организованно собирая и используя его (на не- санкционированных свалках это невозможно), либо предотвращая образование метана как наиболее опасного компонента.

Технологии дегазации существенно различаются по величине ка- питальных и текущих затрат, наличию блоков для утилизации биога- за (получение тепловой или электрической энергии), факельного хо- зяйства, устройств по рассеянию биогаза в атмосфере. В связи с этим особенно важен строго дифференцированный подход к выбору спо- соба и технологии дегазации полигона.

Вопрос об использовании биогаза в качестве источника энергии решается после тщательного изучения процесса метаногенеза на полигоне. Максимальное выделение газа с оптимальным для ком- мерческого использования соотношением метана и углекислого га- за может продолжаться от 5 до 50 лет. Оценка газоносного потен- циала полигона является первым шагом в решении вопроса об ути- лизации биогаза.

Опыт развитых стран в области утилизации биогаза показал, что положительное решение об использовании полигона в качестве ис-

31

точника энергии принимается в том случае, если выполняются сле- дующие условия:

•полезный потенциал газа составляет не менее 100 млн м3, что соответствует мощности полигона 300…500 тыс. м3;

•период использования полигона как источника биогаза состав- ляет не менее 20 лет;

•содержание метана в биогазе не менее 45 %;

•имеются потребители энергии.

Для работы системы утилизации газа при производстве тепловой и электрической энергии минимальная скорость выделения газа должна быть 60 м3/ч, при более низком значении целесообразно ис- пользовать принудительную дегазацию со сжиганием биогаза или рассеянием его в атмосфере. Такая скорость эмиссии возможна толь- ко при соответствующей мощности полигона, высоком содержании органического углерода в отходах, а также при условии, что с мо- мента закрытия полигона не произошло существенного снижения метанообразования.

Одним из способов снижения отрицательного воздействия на ок- ружающую среду полигонов, утилизация СГ которых по различным причинам невозможна, является разработанная и внедренная специа- листами ГУП «Экотехпром» (г. Москва) технология снижения эколо- гической и пожарной опасности свалок и полигонов захоронения ТБО, которая состоит в том, что преимущественно аэробная фермен- тация твердых бытовых отходов достигается за счет естественной вентиляции свалочного тела путем организации в нем приточно- вытяжной каналовой системы. Направленное движение газов проис- ходит за счет естественной разницы температур и давлений в верх- ней и нижней частях системы.

По мере ферментации отходов в свалочном теле выделяются газо- образные компоненты, которые реагируют с кислородом воздуха, про- текающим по трубам. В результате образуется СО2 и практически пре- кращается образование СН4. Расход воздуха регулируется за счет изме- нения температуры свалочного тела. Таким образом, при естественной вентиляции свалочного тела происходит подавление метаногенеза. Следует отметить, что одновременно образуются пары воды, что, в свою очередь, препятствует образованию сероводорода и меркаптанов.

На закрытых полигонах, находящихся на рекультивационном или пострекультивационном этапе, могут использоваться системы пас- сивной дегазации на основе газосборных скважин или траншей. Гра- ничные условия применения различных систем пассивной дегазации

32

связаны с величиной избыточного давления внутри свалочного тела, которое, в свою очередь, зависит от времени разложения отходов и скорости эмиссий.

Если избыточное давление менее 0,5 кПа, в горизонтальных траншеях возможны подсосы воздуха с образованием взрывоопас- ных газовоздушных смесей, поэтому в таких случаях целесообразно устраивать вертикальные дегазационные колодцы. При избыточном давлении более 1 кПа во избежание опасных прорывов через изоли- рующее покрытие необходима принудительная откачка газа.

Для небольших «молодых» свалок и свалок промежуточного воз- раста с объемом свалочного тела менее 50 тыс. м3, не имеющих сис- тем дегазации, эффективным средством регулирования эмиссии био- газа является изолирующее покрытие из рыхлого грунта в сочетании с такими относительно недорогими техническими средствами регу- лирования движения биогаза, как дренажные канавы, траншеи и т.п.

Одним из способов дегазации свалочного тела при низких скоро- стях эмиссий является обустройство окончательного покрытия в ви- де окислительного биофильтра, возможность применения которого ограничивается его максимальной окислительной способностью. Ис- следования показали, что эффективно биофильтр работает при ско- ростях эмиссий не более 30 м3/ч. Биосорбционные фильтры на осно- ве таких сорбентов, как опил, кора длительного срока хранения, скоп (отход, образующийся в целлюлозно-бумажной промышленности), эффективны для очистки биогаза от токсичных и дурнопахнущих ве- ществ – одорантов. Они могут применяться и при активной дегазации.

Каждая свалка ТБО является единственной в своем роде, и ло- кальные условия могут в значительной мере осложнить использова- ние того или иного способа дегазации. Надежная работа систем дега- зации, контроль эмиссий, эффективная реализация биогаза как энер- гоносителя возможны в том случае, если способ дегазации подходит не только для стадии метаногенеза, но и для общей концепции экс- плуатации и рекультивации свалки.

Биогаз обладает значительным энергетическим потенциалом и может быть использован в теплосиловых установках, а в очищенном виде – в газовых турбинах. В мире в настоящее время эксплуатиру- ется более 220 установок по извлечению и использованию биогаза, получаемого в результате анаэробного разложения органических ве- ществ на свалках городских отходов.

Сооружение газодренажной системы может осуществляться как целиком на всей территории полигона ТБО после окончания его экс-

33

плуатации, так и на отдельных участках полигона в соответствии с очередностью их загрузки. При этом надо учитывать, что для добычи СГ пригодны свалочные тела мощностью не менее 10 м. Желательно также, чтобы территория полигона ТБО, на которой намечается строительство системы сбора СГ, была рекультивирована, т.е. пере- крыта слоем грунта толщиной не менее 30…40 см. Для добычи СГ на полигонах ТБО применяются вертикальные скважины. Обычно они располагаются равномерно по территории свалочного тела с шагом 50…100 м между соседними скважинами. Их диаметр колеблется в интервале 200…600 мм, а глубина определяется мощностью свалоч- ного тела и может составлять несколько десятков метров.

Инженерное обустройство скважины включает несколько этапов. На первом этапе в скважину опускается перфорированная стальная или пластиковая труба, заглушенная снизу и снабженная фланцевым соединением в приустьевой части. Затем в межтрубное пространство засыпается пористый материал (например, гравий) с послойным уп- лотнением до глубины 3…4 м от устья скважины. На последнем эта- пе сооружается глиняный замок мощностью 3…4 м для предотвра- щения попадания в скважину атмосферного воздуха. После заверше- ния строительства скважины приступают к установке оголовка сква- жины, представляющего собой металлический цилиндр, снабженный газозапорной арматурой для регулировки дебита скважины и кон- троля состава СГ, а также патрубком для присоединения скважины к газопроводу. На заключительной стадии на оголовок скважины уста- навливается металлический или пластмассовый короб для предот- вращения несакционированного доступа к скважине.

Температура СГ в толще отходов может достигать 40…50 ºС , а содержание влаги – 5…7 % (объём.). После экстракции СГ из сва- лочного тела и его поступления в транспортные газопроводы проис- ходит резкое снижение температуры, что приводит к образованию конденсата, который может выделяться в значительных количествах. Ориентировочно при добыче СГ в объеме 100 м3/ч образуется около 1 м3 конденсата в сутки. Поэтому отвод конденсата с помощью спе- циальных устройств является задачей первостепенной важности, так как его наличие в газопроводе может затруднить или сделать невоз- можной экстракцию СГ.

По системе трубопроводов свалочный газ поступает на пункт сбо- ра. Газосборный пункт предназначен для принудительного извлече- ния СГ из свалочной толщи. Для этого с помощью специального

34

электровентилятора в системе газопроводов создается небольшое разряжение (около 100 мбар).

Вмировой практике известны следующие способы утилизации СГ: факельное сжигание, обеспечивающее устранение неприятных запахов и снижение пожароопасности на территории полигона ТБО, при этом энергетический потенциал СГ не используется в хозяйст- венных целях; прямое сжигание СГ для производства тепловой энер- гии; использование СГ в качестве топлива для газовых двигателей с целью получения электроэнергии и тепла; использование СГ в каче- стве топлива для газовых турбин с целью получения электрической и тепловой энергии; доведение содержания метана в СГ (обогащение) до 94…95 % с последующим его использованием в газовых сетях общего назначения. Целесообразность применения того или иного способа утилизации СГ зависит от конкретных условий хозяйствен- ной деятельности на полигоне ТБО и определяется наличием плате- жеспособного потребителя энергоносителей, полученных на основе использования СГ. В большинстве развитых стран этот процесс сти- мулируется государством с помощью специальных законов. Так, во многих странах ЕЭС и США существуют законы, обязывающие по- требителей покупать альтернативную энергию. Мало того, норма- тивно определена стоимость такого вида энергии, которая, как пра- вило, в 2…2,5 раза выше стоимости энергии, произведенной на осно- ве традиционных энергоносителей (природный газ, нефтепродукты и пр.). В России подобная нормативно-правовая база отсутствует. Следствием этого являются большие трудности, связанные со сбы- том энергии, полученной из свалочного газа. Такое положение сдер- живает широкое распространение технологии в России.

Взаметных объемах биогаз добывается и утилизируется в ряде

развитых западных стран. К их числу относятся США (500 млн м3/год), Германия (400 млн м3/год), Великобритания (200 млн м3/год), Нидерланды (50 млн м3/год), Франция (40 млн м3/год), Италия (35 млн м3/год), Дания (5 млн м3/год). Глобальная утилиза- ция СГ составляет примерно 1,2 млрд м3/год, что эквивалентно 429 тыс. т метана или 1 % его глобальной эмиссии. Таким образом, объем извлекаемого газа ничтожен по сравнению с объемом его об- разования. Это открывает широкие возможности для развития биога- за как отрасли в целом.

Так, на свалке в Бирмингеме (Великобритания) отходы загружают в отдельно расположенные бункеры, врытые в землю. Выделение био- газа начинается через три месяца и продолжается в течение 15–20 лет.

35

Каждый бункер производит 17 м3/мин биогаза. После очистки биогаза от органических включений и конденсата его подают под давлением 1,75 МПа в газотурбинную установку мощностью 64,5 МВт.

ВГермании неподалеку от г. Эрфурта, в Шверборне, построена промышленная установка по переработке мусора, включающая элек- тростанцию. Она работает на биогазе, который получают здесь ис- кусственно, ускоряя процесс разложения органических веществ. На две трети газ состоит из метана. Используя пятую часть свалки, в Шверборне ежедневно получают 5700 м3 газа. Он идет на обогрев жилых домов. Кроме того, заводы в Нордхаузене и Финстерварде освоили комплексное оборудование, которое, сжигая биогаз, также вырабатывают электроэнергию. Полученное тепло идет на обогрев близлежащих теплиц. Завоз мусора на свалку предлагается прекра- тить в 2030 г., после чего, как считают специалисты, она будет спо- собна давать биогаз еще 20 лет.

Самая крупная из электростанций, работающих на биогазе ТБО, находится в Лос-Анджелесе (США). Эта станция с котлом паропро- изводительностью 200 т/ч и турбиной мощностью 50 МВт эксплуа- тируется с 1986 г. Сопоставление разных вариантов утилизации ТБО показывает, что наиболее бурно развивается и имеет минимальное количество ограничений по экологическим и другим условиям тех- нология получения биогаза на полигонах ТБО.

3.1.4.Изоляция полигонов

Впроцессе разложения ТБО образуются фильтрат и биогаз. Фильтрат при недостаточной изоляции полигона попадает в окру- жающую среду, а именно в почву, а оттуда – в подземные воды или поверхностный сток. Это приводит к загрязнению природной среды такими веществами, как соли тяжелых металлов, различные углево- дороды и др.

Большинство полигонов для захоронения ТБО располагается дос- таточно близко от крупных населенных пунктов (для минимизации транспортных расходов). При этом вопрос защиты окружающей сре- ды становится определяющим, что, в свою очередь, тесно связано с конструкцией полигона, качеством используемых материалов, их монтажом и т.д.

Вначале 1970-х гг. в Германии вышел закон «Об ответственности региональных и местных властей за управление отходами», опреде- ляющий начало перехода от «диких» свалок к централизованным

36

полигонам по захоронению отходов. Административные предписа- ния к Закону по обращению с отходами (ТАА) и Технические руко- водства по переработке и захоронению отходов (TASi) на сегодняш- ний день в Германии предусматривают жесткие требования к систе- ме строительства полигонов.

Обычно при строительстве полигона в основном используются природные материалы, такие как глина и галька. В то же время раз- работаны так называемые геосинтетические материалы, обеспечи- вающие высокоэффективную изоляцию свалочного тела полигона от окружающей среды.

Сравнительная характеристика природных (система I) и геосинте- тических (система II) материалов приведена в табл. 3.1 и на рис. 3.1.

Таблица 3.1

Сравнительные характеристики природных и геосинтетических материалов

37

Рис. 3.1. Принципиальные схемы устройства полигонов, выполненных в соответствии с Директивами ЕС –система I (а) и с применением геосинтетических материалов –система II (б)

Бентофикс – это универсальный изолирующий материал на мине- ральной основе. Синтетическое покрытие на минеральной основе из армированного волокна представляет собой самоизолирующуюся защитную мембрану с комбинированной структурой.

Бентофикс состоит из трех слоев:

•несущая геоткань;

•бентонитовый порошок (изоляционный элемент) толщиной примерно 1 см;

•покрывающий штапельно-волокнистый геотекстиль иглопро- бивного уплотнения.

38

Прочный и износостойкий нетканый геотекстильный материал герметизирует и защищает слой чистого бентонита, обеспечивая его длительную эксплуатацию. Бенто-фикс содержит натуральный на- триевый бентонит самого высокого качества, обладающий высокой степенью водопоглощения. Это означает, что бентонит абсорбирует воду внутрь кристаллов и влагонасыщается (до 90 %), благодаря че- му и закрываются остаточные пространства пор минерала, после чего коэффициент фильтрации составляет 10 –9 м/с. Процесс эффективно- го водопоглощения бентонитом длится примерно сутки. После гид- ратирования бентофикс становится эффективной преградой для жид- костей, паров и газов.

Карбофол – это изолирующее покрытие, которое изготавливается из полиэтилена высокой плотности низкого давления (HDPE). Он может производиться различной толщины (от 1 до 3 мм) с гладкой или структурированной поверхностью шириной 5,1 и 9,4 м.

Карбофол в качестве геомембраны обеспечивает полную изоля- цию от различных жидкостей, в том числе токсичных. Его примене- ние в качестве составной части гидроизоляции основания защищает грунтовые воды от загрязнения.

Секутекс представляет собой иглопробивной штапельно- волокнистый нетканый геотекстильный материал, используемый в качестве разделительного, фильтрующего, защитного и дренажного слоев. Он изготовляется из 100 %-го синтетического волокна, обес- печивающего его долговечность. Секутекс применяется в качестве защитного слоя, защищающего геомембрану от механических по- вреждений.

Этот материал применяется во многих областях гражданского строительства, включая гидротехническое, дорожное, строительство полигонов и тоннелей. Использование секутекса в качестве раздели- тельного слоя предотвращает взаимное смешивание слоев разнород- ных материалов. Благодаря этому верхний заполняемый слой и под- стилающий слой сохраняют свою целостность на значительно более долгий период времени, чем это было бы возможно каким-либо дру- гим способом.

Секудрен представляет собой трёхмерную дренажную систему, состоящую из дренажной сердцевины и как минимум одного фильт- ровального слоя из нетканого текстильного материала.

Фильтровальный слой защищает дренажную сердцевину от проник- новения частиц почвы (заиливания), в то же время он не препятствует циркуляции газов и воды. Все слои прочно скрепляются между собой.

39

Секудрен нашел широкое применение в решении проблем, связан- ных с дренажом воды и газов, возникающих при строительстве дорог и полигонов. Если при строительстве полигонов располагать секудрен непосредственно поверх геомембраны, то он сможет одновременно вы- полнять три функции: фильтрование, защиту, дренаж. В зависимости от необходимой пропускной способности и планируемого использования фильтровальному геотекстильному материалу и дренажной сердцевине могут быть приданы оптимальные размеры. Материалы, из которых изготовляются дренажный стержень и геотекстильное полотно, могут подбираться в зависимости от агрессивности среды применения.

3.1.5. Увеличение срока службы полигонов

Срок службы полигона может быть увеличен двумя способами: измельчением или прессованием (брикетированием) отходов до их захоронения. Эти способы могут применяться и вместе: измельчение улучшает качество брикетов. Измельчение достигается растиранием или рубкой, при этом объем материала уменьшается до 50 % и об- легчается депонирование. Материал становится гумусоподобным, запах и пожароопасность резко снижаются. Препятствием измельче- нию является наличие неразмалываемых и крупногабаритных отхо- дов. Поэтому перед измельчением необходима сортировка. Измель- чение осуществляется молотковыми дробилками ударного типа или мельницами с размалывающими колесами или шарами. Срок службы полигона при этом за счет уменьшения начальных объемов и отказа от послойной изоляции может быть увеличен на 50…70 %.

В последние годы большое внимание уделяется брикетированию отходов – прессованию их в крупные блоки, которые затем депони- руются, сжигаются или используются при строительстве.

Наибольший опыт брикетирования накоплен в США (фирмы «Америка Хойст энд Деррик» – Миннесота, «Реклемейшн системс» – Массачусетс и др.), Испании («Имабе Иберика»), а также в Японии. Этот опыт свидетельствует о том, что:

•срок действия полигона (по сравнению с засыпкой) увеличива- ется в 2–3 раза;

•облегчается эксплуатация (брикеты складываются, как кирпичи);

•исключается ветровой разнос мусора;

•исчезают условия для привлечения грызунов, мух, и птиц;

•существенно снижается пожароопасность (брикеты не поджи- гаются паяльной лампой и бензином);

•просачивание воды внутрь брикетов практически отсутствует (в 20 раз меньше, чем для уплотненного грунта).

40