Хажмурадов М.А. и др. (доклад)

ПРОБЛЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ЭМИССИИ МЕТАНА В АТМОСФЕРУ ИЗ СВАЛОК БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

ХАЖМУРАДОВ М.А., КАРНАЦЕВИЧ Л.В., КОЛОБРОДОВ В.Г.

Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-технический институт"

Современные типичные городские свалки твердых бытовых отходов являются значительным источником эмиссии газообразного метана в атмосферу Земли. Этот источник также важен, как и разработка каменного угля, и жизнедеятельность жвачных сельскохозяйственных животных. В последнее десятилетие мировая наука выяснила серьезное экологическое значение такой неконтролируемой эмиссии метана. Выяснилось, что метан, накапливающийся на определенных высотах в атмосфере Земли, приводит к выраженному парниковому эффекту, и, как следствие, к постепенному потеплению климата планеты. Этот эффект известен достаточно давно, но до последнего времени связывался либо с запылением атмосферы, либо с повышением концентрации углекислого газа в ней. Сейчас выяснилось, что молекулы метана обладают в 20 раз более сильным поглощающим эффектом для инфракрасного излучения, чем молекулы углекислого газа. Природные источники выброса метана очень невелики. Залежи природного газа являются закрытыми для выхода метана. Наиболее мощные источники метана образовались в результате хозяйственной деятельности человека, и их роль растет с угрожающей быстротой. В данном сообщении мы остановимся только на таком источнике метана, как свалки твердых бытовых отходов. Такие свалки содержат большое количество органических отходов. Накапливаясь в толще свалки в условиях ограниченного доступа кислорода, органические вещества под действием естественных метанобразующих бактерий подвергаются процессу анаэробной ферментизации с образованием так называемого биогаза (смеси метана и углекислого газа). Биогаз постепенно просачивается через толщу свалки и попадает в атмосферу Земли. Образование биогаза в слое отходов начинается через 4-5 лет после засыпки свалки и может продолжаться десятилетиями. Эмиссия в атмосферу метана c поверхности свалок земного шара составляет ежегодно 10 - 30 млрд. м3. Доля метана со свалок в суммарном потоке метана от всех наземных источников - 4%, что позволяет считать расширение свалок одной из причин увеличения концентрации метана в атмосфере. Еще в начале 80-х годов прошлого столетия выяснилось, что использование свалочного биогаза может иметь серьезное экономическое значение для создания генераторов тепла и электроэнергии. Сейчас в ряде стран (США, Канада, Дания и др.) созданы десятки устройств и агрегатов для использования свалочного газа, как возобновляемого источника энергии. В последнее время внимание к этому источнику энергии значительно выросло. Решающее значение имело Киотское 1997 года международное совещание по проблемам выхода вредных газов в атмосферу. Агентство по охране окружающей среды США (US EPA) регулярно проводит за свой счет международные школы по проблеме сокращения выброса метана в атмосферу. Две последние школы проходили в Киеве (1998 г.) и Новосибирске (2000 г.). Одна из крупнейших секций таких школ - секция освоения свалок для утилизации свалочного метана. Это одна из серьезнейших проблем охраны окружающей среды и самого существования цивилизации на Земле. В ряде случаев (в зависимости от количества биогаза в свалке, его дебита, наличия близко расположенного потребителя и т.д.) использование свалочного газа дает значительный экономический эффект. В США более 150 крупных свалок используются для получения тепла и электроэнергии в ряде хозяйственных и жилых объектов. Украина имеет очень хорошие перспективы для развития технологии добычи свалочного биогаза. Высокий уровень урбанизации страны и относительно теплый климат определяют высокий количественный потенциал свалочного газа в Украине. Сейчас этот потенциал практически не используется. Еще в советское время в 1989 году было принято общесоюзное решение о создании опытного полигона для добычи свалочного газа на основе закрытой городской свалки в Житомире. Участок свалки был закрыт слоем глины, оборудовано 11 скважин и соответствующие трубопроводы для сбора биогаза, определен его ежесуточный дебит. Но с развалом СССР работы были остановлены, и сейчас система не используется. В последние два года на средства одной из американских фирм проводятся работы по созданию опытного участка из трех скважин для добычи биогаза на одной из свалок ТБО в Луганске. Интересные исследовательские работы проводятся в Днепропетровске. Есть проект, разработанный с участием нашего института (ННЦ ХФТИ) для получения биогаза со старой закрытой харьковской городской свалки "Дергачевская". Сейчас в мировой практике закладка новых свалок ТБО сразу увязывается с оборудованием для последующего сбора и утилизации биогаза. Детальный обзор технологий добычи и использования биогаза на свалках твердых бытовых отходов за рубежем и перспективы их развития в Украине сделаны в работе [1].
Основные источники биогаза - такие фракции мусора как бумага, древесина, текстиль, пищевые отходы. Примерный состав биогаза, образующегося при разложении ТБО следующий: 40-60% метана, 30-45% диоксида углерода, а также сероводород, кислород, азот и др. Активное газообразование начитается примерно с третьего года от начала складирования. Первые 15-20 лет 1м3 ТБО при разложении выделяет 1,0-1,5 м3/год биогаза. В дальнейшем интенсивность выделения биогаза резко сокращается. Период полного разложения составляет около 50 лет.
Выделение биогаза зависит от многих параметров: влажности, температуры, плотности, состава, кислотности и т.д.. Метанобразующие микроорганизмы появляются в ТБО при водосодержании >50%, температуре >30°С, значении водородного показателя рН>7. Оптимальные для выделения биогаза температура ТБО - 35-40°С, влажность - 90-96%.
В последние годы проектирование и строительство всех новых свалок ТБО осуществляется с учетом требований по созданию газосборной системы для использования биогаза. Основные положения проектирования газосборной системы и рекомендации по подготовке биогаза к использованию изложены в Руководящих технических материалах [2].
Наиболее распространенная система извлечения биогаза состоит из сети вертикальных скважин, связанных вместе горизонтальными трубами, которые собирают биогаз в коллектор. Существует также система с горизонтальными газоприемными трубами, которую принимают при суммарной толщине отходов менее 8 метров. Применяют две технологии сооружения систем сбора газа: первая - после заполнения свалки, вторая - одновременно с заполнением ее ТБО.
Биогаз, образующийся на свалке, можно без предварительной подготовки использовать как топливо для котлов и печей, а после соответствующей очистки - как топливо для газовых двигателей и турбин. Если биогаз не используется, то для предотвращения эмиссии метана в атмосферу, обычно, предусматривают его факельное сжигание.
Сложность использования биогаза со свалок ТБО заключается в нескольких причинах. Во-первых, биогаз выделяется неравномерно в течение года. Причем его основное количество выделяется летом, а зимой, в период отопительного сезона, биогаз практически не выделяется. Во-вторых, свалка представляет собой биохимический реактор со стенками из уплотненной глины, которые в состоянии выдерживать только незначительный перепад давления. Этот перепад не может обеспечить значительную скорость транспортировки биогаза к коллектору. В-третьих, наличие вредных и балластных примесей в составе биогаза требует его предварительной подготовки перед его использованием в качестве топлива в котельных, газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания. Основные этапы подготовки биогаза к использованию следующее: очистка от взвешенных частиц, удаление сероводорода, отделение влаги и уменьшение количества диоксида углерода. В-четвертых, биогаз выделяется в незначительных (для экономического использования) количествах 1,0-1,5 м3/год с 1м3 отходов, что делает невыгодным использование небольших свалок ТБО.
По нашему мнению, одним из перспективных направлений ограничения эмиссии метана в атмосферу со свалок ТБО, является наиболее полное использование биогаза, путем его разделения на основные компоненты (метан и диоксид углерода) с использованием обеих из них. Вопрос заключается в экономической эффективности использования свалочного газа.
В течение нескольких последних лет в ННЦ ХФТИ разрабатывались различные способы разделения газовой смеси метан-диоксид углерода на основные компоненты. Исследовались методы предварительной подготовки биогаза, включающие в себя, осушку биогаза и очистку его от сероводорода. Были разработаны криоадсорбционный и криодистилляционный методы разделения, на которые получены несколько патентов Украины. Созданы лабораторные разделительные установки, техническая документация на опытно-промышленные установки. В основу конструкции установок положено модульное построение. Разработаны разделительные модули, модуль предварительной подготовки биогаза, влагопоглотитель, модуль очистки биогаза от сернистых соединений, модуль получения твердого диокcида углерода. Эти модули могут компоноваться в различных сочетаниях в зависимости от требований к получаемому продукту. К сожалению эти разделительные установки требуют больших капиталовложений, имеют довольно большие габариты, требуют стационарного размещения, что делает экономически невыгодным их использование. Сейчас в нашем институте ведутся работы по разработке технологии разделения биогаза методом короткоцикловой атермичной адсорбции. Метод основан на разделении компонент смеси газов с различными теплотами адсорбции при изменении давления над адсорбентом (метод качающегося давления).
Предусматривается создание разделительного модуля и питание от него двигатель-генератора, который будет производить электроэнергию для работы разделительной установки. Остальная электроэнергия будет отправляться потребителю.
Предполагается создание макета короткоцикловой адсорбционной разделительной установки производительностью 2-5 м3/час, а также разработка установки большей производительности. По предварительным оценкам короткоцикловая разделительная установка производительностью до 50м3 биогаза в час, сопряженная с двигатель-генератором, будет мобильной, и иметь приемлемые размеры и вес для монтажа и транспортировки на автомобильном прицепе грузоподъемностью 2-3 тонны.
В заключении надо сказать, что в конечном результате проблема ограничения эмиссии метана в атмосферу со свалок ТБО - в максимальном использовании его для получения энергии при окислении
СН₄+2О₂= СО₂+2Н₂О.
В результате реакции одна молекула метана образует одну молекулу диоксида углерода, что, кроме полученной энергии, уменьшает парниковый эффект, вызываемый метаном, примерно в 20 раз. Представляется, что задача использования биогаза свалок ТБО должна стать одной из приоритетных задач при проектировании и эксплуатации этих сооружений в Украине.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гелетуха Г.Г., Марценюк З.А. Обзор технологий добычи и использования биогаза на свалках и полигонах твердых бытовых отходов и перспективы их развития в Украине. Экотехнологии и ресурсосбережение.1999г. №4, с.6-14.
2. РТМ. Проектирование и строительство полигонов ТБО. Госстрой РФ. Санкт-Петербург. 1993г. с.60-70.

Главная страница

Сведения об авторах