Свалочный газ: состав, добыча и особенности переработки

Ежегодное количество органических отходов на Земле увеличивается на 3-6%, превышая прирост населения.

В биосферу поступает порядка 400 млн. тонн твердых бытовых отходов (ТБО). На одного городского жителя приходится до 250-700 кг ТБО в год.

Самым распространенным способом переработки отходов во всем мире признано захоронение на мусорных полигонах и свалках.

В таких условиях ТБО подвержены усиленному биологическому разложению с выделением свалочного газа (СГ).

Что такое свалочный газ и как он образуется?

Под свалочным газом подразумевается газ, выделяющийся из органических отходов (мусора) — биогаз. Образование СГ происходит вследствие анаэробного разложения ТБО.

Биогаз выделяется в результате гниения мусора (преимущественно пищевых остатков и бумаги, картона), под действием бактерий (ацидогены, метаногены).

Ацидогены способствуют первичному разложению твердых бытовых остатков, а метаногены — превращению летучих жирных кислот в макрокомпоненты свалочного газа, в частности, диоксид углерода (СО₂) и метан (СН₄).

Газогенерация свалочного тела (СТ) продолжается в течение 10-50 лет с удельным выходом биогаза в пределах 120-200 м³ на тонну ТБО.

Газопродуктивность и скорость процесса зависит от условий среды в том или ином СТ, а именно:

• состава органических фракций;
• рН;
• влажности;
• температуры.

В состав органических составляющих ТБО входят быстро-, средне- и медленно разлагаемые фракции, разнящиеся как физико-химическими качествами, так и сроками биологического распада.

Быстро разлагаемые вещества выполняют свою функцию в течение 2-4 лет, а медленные — десятилетиями. Научными исследованиями установлено, что до 50% полного запаса свалочных газов выделяется на протяжении первых пяти лет.

Состав

К основным составляющим СГ относятся:

• метан (СН₄);
• диоксид углерода (СО₂).

Баланс СН₄ и СО₂ может варьировать от 30-60% до 40-70%.

Среди сопутствующих элементов выделяют:

• водород (Н₂);
• кислород (О₂);
• азот (N₂).

К различным органическим соединениям в составе свалочного газа относятся:

• соединения хлора;
• спирты;
• кетоны;
• ароматические углеводороды;
• терпены;
• алканы и другие вещества.

От состава биогаза зависят его специфические свойства, основное из которых — горючесть. При наличии ряда микропримесей, например, сероводорода, свалочный газ токсичен. Характерным признаком СГ является резкий, неприятный запах.

Добыча

Чтобы получить газ из свалки, мусорный полигон должен иметь специальную конструкцию, не только позволяющую собирать свалочный газ, но и не загрязняющую грунтовые воды и почву, то есть соответствующую экологическим нормам.

Для сбора свалочного газа монтируются скважины и вакуумная система, с помощью которой газ подается к месту обработки.

Вертикальные скважины соединяются с газопроводными линиями. С помощью компрессорного устройства в газопроводах создается разрежение, способствующее транспортированию СГ к месту применения. Блоки сбора и утилизации биогаза устраиваются на отдельной площадке, за пределами принимающей емкости (котлована).

Каждая из скважин отвечает за дренаж определенного блока с твердыми бытовыми отходами. Газодренажная система может сооружаться как на всей территории полигона, так и в отдельных зонах.

Добыча свалочного газа производится на организованных и неорганизованных полигонах.

Организованный полигон

Создается котлован, глубиной 80-100 метров, дно которого покрывается гидроизоляционным материалом, защищающим почву и грунтовые воды от проникновения продуктов выщелачивания. Поверх гидроизоляции наносится слой глины толщиной 1 метр.

Мусор вносится ежесуточно, укладывается слоями в специальные ячейки, в конце дня укатывается катками и покрывается глиной слоем 15-30 см (изолируется).

После заполнения котлована устраивается глиняная кровля и защитное накрытие из пленки, земли, травы.

В котловане размещают:

• сооружения для отвода продуктов разложения отходов;
• трубы и скважины;
• насосное оборудование.

Добытый свалочный газ по трубопроводам поступает к месту его использования. Срок добычи СГ от 8 до 12 лет.

Неорганизованный полигон

Отходы сваливаются без закладки труб и часто без выполнения гидроизоляции. Глубина таких полигонов составляет 20-40 метров. Свалочный газ добывают от 3 до 5 лет. После накопления отходов определенной высоты выполняется бурение скважин и закладка вертикальных труб.

Из труб откачивается свалочный газ, который собирается в газовых коллекторах. После прохождения осушки, очистки от примесей СГ сжимается (компримируется) и отправляется на факел или на генератор.

Использование

К основным способам использования СГ относятся следующие:

• сжигание в газоиспользующих установках с целью обеспечения бытовых нужд и теплоснабжения;
• непосредственная выработка тепловой и электрической энергии.

Без проведения предварительной очистки применение свалочного газа подходит для определенного технологического процесса, например, обжига, получения пара, а также для получения тепла, то есть, при поставке СГ непосредственно к потребителю. Такой метод будет эффективным при непрерывном потреблении свалочного газа.

После предварительной очистки СГ, добытый на свалках, используется для получения электроэнергии, используемой на площадке полигона или подаваемой в сеть.

При низком уровне извлечения свалочного газа возможно его использование в непосредственной близости от полигона для разных целей, например:

• питание инфракрасных обогревателей;
• функционирование бойлера;
• работа микротурбины.

Переработка и утилизация

К основным методам утилизации свалочного газа относятся:

1. Факельное сжигание. Назначение — устранение неприятных запахов на полигоне и снижение пожарной опасности.
2. Прямое сжигание. Применяется при производстве тепловой энергии (для котельных, сушильных установок, агрегатов термического обеззараживания ТБО).
3. Получение тепла и электроэнергии посредством использования свалочного газа в качестве топлива для газовых двигателей для транспорта, а также дизельных электростанций, паровых и газовых турбин.
4. Совместное получение тепловой и электрической энергии в когенерационных установках (комбинированных генераторах). Сферы применения — отопление или охлаждение, участие в технологическом процессе.
5. Применение СГ для газовых сетей общего назначения с предварительным обогащением метана до 94-95%.

Помимо популярных технологий утилизации СГ, существуют новые методики, не применяемые широкомасштабно.

К таким способам относятся использование свалочного газа для:

• автомобильного топлива;
• пиролизных печей;
• заправки мусоросжигательных печей, барабанных сушилок в очистных сооружениях сточных вод.

Выбор способа утилизации зависит от типа хозяйственной деятельности, наличия соответствующих условий на полигоне, а также платежеспособного потребителя энергии свалочного газа.

Какие выбросы образуются при сжигании?

Использование высокотемпературного окислительного метода (сжигания) свалочного газа может привести к термическому разложению токсичных составляющих, химическим превращениям, окислению. При этом образуются как газы, так и твердые продукты сжигания.

Так, при неправильной эксплуатации факелов на полигонах ТБО, возможно выделение:

• метана;
• диоксида серы;
• канцерогенов — ароматических углеводородов (ксилолов, толуолов, бензолов), бензоапирена.

К компонентам общего выброса, образующимся в процессе сжигания СГ, относятся:

• оксиды углерода и азота;
• сернистый ангидрид;
• углеводороды;
• диоксид азота.

Заключение

Выбросы в атмосферу одного из основных компонентов свалочного газа (метана) приводят к возникновению «парникового эффекта».

Сокращение выбросов метана путем добычи свалочного газа и его утилизации способствует:

• снижению антропогенного влияния на окружающую среду;
• сокращению риска климатических изменений;
• усилению экологической безопасности;
• обеспечению здоровья населению.

Применение свалочного газа в качестве энергоносителя улучшает экономические результаты предприятия, населенного пункта, повышает энергетическую эффективность страны.