METHODS AND EXPERIENCE OF LANDFILL GAS GENERATION ASSESSMENT AT UKRAINIAN LANDFILLS

МЕТОДЫ И ОПЫТ ОЦЕНКИ ПОТЕНЦИАЛА ГАЗООБРАЗОВАНИЯ НА УКРАИНСКИХ ПОЛИГОНАХ ТБО

Матвеев Ю. Б., Пухнюк А. Ю., Научно-технический центр «Биомасса», Киев, Украина

Полигоны твердых бытовых отходов (ТБО) являются не только источниками загрязнения окружающей природной среды, но и возобновляемыми газовыми месторождениями. Естественный процесс биологического разложения органических отходов в теле полигона приводит к образованию биогаза с содержанием метана около 50%. Именно наличие метана является причиной частых возгораний на полигонах, которые практически не поддаются тушению и приводят к выбросам в атмосферу большого количества токсичных веществ. Кроме того, метан является газом, парниковый эффект которого в 21—23 раза выше, чем двуокиси углерода. Поэтому в развитых странах сбор и сжигание биогаза на полигонах ТБО с полезной утилизацией для производства энергии или без таковой является обязательным требованием.
Реальная возможность строительства таких систем в Украине появилась в связи с ратификацией Киотского протокола, которым предусматривается инвестирование так называемых проектов совместного осуществления, направленных на снижение выбросов парниковых газов.
Одним из факторов, определяющих успех реализации проекта по созданию системы сбора и утилизации биогаза/метана, является предварительная оценка потенциала газообразования на полигоне. От качества проведения такой оценки зависят также экономические показатели проекта.
Для расчета возможного объема сбора метана наиболее часто используется рекомендованная Агентством охраны окружающей среды США математическая модель — так называемая модель разложения первого порядка. Факторами, влияющими на количество образующегося метана, являются график завоза, морфологический состав и возраст отходов, влагосодержание, плотность, температура, кислотность, уровень фильтрата в теле полигона, а также климатические условия региона, в особенности количество атмосферных осадков и температурный режим. Используемые в модели константы — потенциал образования метана (м³ метана/т отходов) и скорость разложения отходов (год^-1) — зависят от указанных выше факторов, характерных для каждого конкретного полигона. К примеру, значение первого коэффициента может изменяться в диапазоне 0—312 м³ метана/т отходов, а второго — 0,001—0,4 год^-1.
Практика эксплуатации полигона также в значительной степени влияет на процесс образования и эмиссии биогаза. Например, пожары на полигоне могут значительно снизить выход метана, уменьшая количество органики и создавая условия для окисления метана в теле полигона. Неоднородность состава мусора (к примеру, наличие строительных отходов) приводит к неодинаковому газообразованию в различных местах полигона. Плохое уплотнение отходов и отсутствие послойной и верхней грунтовой пересыпки создает условия для неконтролирован-ного выхода метана и окисления в поверхностном слое.
Фактическая эффективность сбора биогаза зависит от степени охвата тела полигона системой сбора и ее конструкции, наличия покрытия и состояния поверхности полигона, соотношения горизонтальной и вертикальной газопроницаемости отходов, эффективности сбора газа отдельными скважинами, а также от качества регулирования системы сбора в процессе эксплуатации.
Как видно из вышеописанного, количество образовавшегося и собранного на полигоне метана зависит от множества факторов, которые не могут быть однозначно учтены в теоретических расчетах и моделированием образования биогаза с использованием средних рекомендованных значений расчетных констант. Для более точной оценки потенциала сбора метана, калибровки стандартных моделей газообразования и получения дополнительной информации, необходимой для проектирования системы сбора метана, необходимо проводить полевые исследования непосредственно на полигоне. Это связано с дополнительными, относительно небольшими затратами, однако существенно снижает финансовые риски инвесторов проекта.
Основными задачами полевых исследований являются определение качественного состава биогаза и его количества, измерение физических параметров на разных глубинах в теле полигона, определение уровня фильтрата, а в некоторых случаях — оценка степени газопроницаемости отходов и так называемого «радиуса влияния» газосборных скважин.
Существуют различные варианты проведения полевых исследований. Однако все варианты предусматривают бурение нескольких скважин для сбора биогаза, отбор проб отходов для дальнейшего лабораторного исследования, принудительный газоотбор с помощью газовых насосов в течение определенного периода (от нескольких часов до нескольких недель). В процессе газоотбора проводятся измерение потока биогаза, определение его химического состава (содержания метана, двуокиси углерода, кислорода, азота, сероводорода и, возможно, других примесей) и сжигание биогаза на мобильной факельной установке. В более сложных вариантах в программу измерений может входить мониторинг изменения газового давления (разрежения) в дополнительных контрольных скважинах на разных расстояниях от газоотводящих скважин во время активного отбора биогаза из последних.
В рамках подготовки проектов совместного осуществления компания НТЦ «Биомасса» (НТЦБ) принимала участие в программах измерений на нескольких украинских полигонах ТБО.
В сентябре 2006 г. компанией Hydro Geo Chem, Inc. (США) совместно с НТЦБ были проведены измерения на полигоне ТБО г. Симферополя. Полигон принимает отходы с 1981 г., занимает площадь около 24 га, объем накопленных отходов составляет примерно 3,5 млн т. Для оценки газообразования и газопроницаемости свалочного тела были реализованы следующие тесты:
а) баропневматический тест, основанный на анализе корреляции изменения давления на разных глубинах в теле полигона и изменения атмосферного давления. Программа работ включала бурение одной газоотводящей и пяти наблюдательных скважин, а также непрерывный мониторинг в течение 4 суток изменения атмосферного давления и давления в наблюдательных скважинах с помощью десяти специальных датчиков, установленных на разной глубине;
б) двухчасовой насосный тест по откачке газа из отдельной газоотводящей скважины. При этом регистрировалось изменение давления в самой скважине и соседних наблюдательных скважинах.
В результате анализа данных тестов с применением численных и аналитических методов были определены объем образования биогаза, а также вертикальная и горизонтальная газопроницаемость отходов. Одним из результатов данных исследований является построение пространственной модели газообразования, учитывающей физические параметры конкретного полигона. Конечным результатом исследований является предложение по проектированию принципиальной схемы газосборной системы для Симферопольского полигона. В частности, тот факт, что горизонтальная газопроницаемость полигона является очень высокой и существенно превышает вертикальную, позволяет сделать вывод о том, что радиус влияния вертикальных газосборных скважин достаточно большой — около 100 м. Данное свойство полигона позволяет реализовать систему сбора газа, обладающую высокой эффективностью (около 94%) при относительно небольшом количестве скважин.
В октябре 2006 г. японской корпорацией Шимидзу совместно с НТЦБ была реализована программа измерений содержания биогаза на полигоне ТБО г. Житомира. Полигон образован в 1957 г., общая площадь — 18,7 га, объем накопленных отходов составляет около 3,5 млн т.
В данном исследовании был применен относительно простой способ, позволяющий определить территориальное распределение образования биогаза. На территории полигона пробурили 25 скважин глубиной около одного метра и измерили содержание метана в них.
В стадии разработки находится проект совместного осуществления по дегазации полигона ТБО г. Полтавы, где инженерно-изыскательные и измерительные работы выполняются совместно с украинской компанией «Гафса-Схид». Полигон работает с 1953 г., общая площадь 17 га, объем накопленных отходов составляет около 2,0 млн т. Исследования газообразования на полигоне выполняли в 6 тестовых скважинах, в процессе прокачки которых измеряли выход биогаза и определяли его состав.
Зарубежная практика показывает, что наиболее достоверные данные об образовании метана можно получить, продлив проведение тестового отбора газа до 2 недель (минимум). В настоящее время планируются полевые исследования еще на нескольких украинских полигонах ТБО при поддержке Агентства защиты окружающей среды США в рамках реализации программы «Метан — на рынок» с участием специалистов американской компании SGS Engineers и украинской компании НТЦ «Биомасса».

Matveev Yu. B., Pukhnyuk A. Yu., Scientific Engineering Centre «Biomass», Kyiv, Ukraine

The preliminary assessment of landfill gas (LFG) generation potential is carried out to justify the feasibility of planning and implementing the landfill gas (LFG) collection and utilisation projects at municipal solid waste landfills. The LFG generation and collection efficiency is affected by many factors that cannot be taken into account in mathematical computations only. In order to provide accurate assessment of LFG generation potential and collect additional information needed for LFG collection system design, field tests at the landfill sites are required. Methods of field testing and practical experience of measurements at several Ukrainian landfills are described in this paper.

Главная страница

Сведения об авторах

Матвеев Юрий Борисович, канд. физ.-мат. наук, зам. директора, Научно-технический центр «Биомасса»; ст. науч. сотр., Институт технической теплофизики НАН Украины. Для переписки: а/я 66, Киев-57, 03057, Украина. Тел./факс (044) 456-94-62. E-mail
Пухнюк Александра Юрьевна, консультант, Научно-технический центр «Биомасса»; инженер І кат., Институт технической теплофизики НАН Украины. Для переписки: а/я 66, Киев-57, 03057, Украина. Тел./факс (044) 453-28-56. E-mail

Последние изменения внесены 10.07.07