Добыча и утилизация биогаза

В результате анаэробного разложения органической фракции отхо­дов образуется биогаз. Из общего количества метана, ежегодно посту­пающего в атмосферу, 40-70% образуется в результате антропогенной деятельности, причем более 20% из них приходятся на объекты захоро­нения ТБО.

Подсчитано, что из одной тонны ТБО образуется около 200 м³ био­газа. При этом первые 15-20 лет при разложении одной тонны ТБО вы­деляется до 7,5 м³ биогаза в год. В дальнейшем интенсивность выделе­ния биогаза резко сокращается.

Основные компоненты биогаза, (%): метан 40-75 (обычно 50-60), диоксид углерода - 30-40, азот - 5-15, кислород - 0-2, сероводород и другие токсичные соединения — в небольших количествах.

В зависимости от содержания метана биогаз имеет теплоту сгора­ния от 15 до 25 МДж/м³ (3600-4800 ккал/м³), что соответствует 50% теп­лоты сгорания природного газа. В среднем теплота сгорания биогаза со­ставляет 4200 ккал/м³.

Биогаз относится к числу газов, создающих «парниковый эф­фект» и влияющих на изменение климата Земли в целом. «Конвенция о предотвращении глобального изменения климата» (ратифицирована Россией в 1992 г.) обязывает страны - участницы минимизировать вы­бросы в атмосферу парниковых газов, таких как метан и диоксид угле­рода (выброс в атмосферу 1 м³ метана по своим губительным послед­ствиям для изменения климата эквивалентен выбросу в атмосферу око­ло 25 м³ диоксида углерода). В этой связи уменьшение выбросов биога­за в атмосферу обеспечивает не только улучшение экологической ситу­ации вокруг полигонов ТБО, но и способствует выполнению Россией своих международных обязательств.

Биогаз является одной из причин возгорания ТБО на полигонах и свалках. При содержании в воздухе от 5 до 15% метана и 12% кислоро­да образуется взрывоопасная смесь.

Биогаз оказывает также негативное воздействие на растительный покров, угнетая растительность на примыкающих к полигонам ТБО площадях (механизм влияния связан с насыщением биогазом порового пространства почвы и вытеснением из нее кислорода).

Негативное воздействие биогаза на окружающую среду привело к тому, что в большинстве развитых стран владельцы полигонов законо­дательно принуждаются к предотвращению его стихийного распростра­нения.

В связи с этим за рубежом в последнее десятилетие получили ши­рокое распространение технологии добычи и утилизации биогаза. В Германии, например, к началу нового тысячелетия добыча биогаза на полигонах ТБО составила около 35 млн. м³/год, что позволяет получать ежегодно 140 млн. кВт-ч электроэнергии и экономить 14 тыс. т/год нефти.

На российских полигонах и свалках биогаз практически не собира­ется. Первые шаги в этом направлении осуществила фирма «Геополис», построившая совместно с фирмой «Гронтмай» (Нидерланды) установ­ки для сбора биогаза на двух подмосковных полигонах ТБО (в Мыти­щах и Серпухове). На каждом из этих полигонов, являющихся достаточ­но типичными для Московской области (площадь — 5-7 га, средняя мощ­ность отходов - 10-12 м), образуется 600-800 м³ биогаза в час.

Для сбора биогаза используют вертикальные скважины, газопрово­ды и компрессорные станции, обеспечивающие подачу газа к мотор-ге­нераторам (при использовании биогаза для производства электроэнер­гии). Компрессор создает необходимое разрежение для сбора биогаза и его транспортировки по газопроводам.

На рис. 3.9 показана блок-схема добычи и утилизации биогаза, реа­лизованная в Московском регионе.

В российских условиях, как показала практика, наиболее целесооб­разно шнековое бурение скважин диаметром 250-300 мм (для сравнения - в Швеции практикуется бурение скважин диаметром 150-200 мм).

По европейским данным, выход биогаза из пробуренной сква­жины глубиной 10 м обычно составляет 10-20 м³/час. Устойчивая рабо­та скважины обеспечивается, если ее дебит не превышает объема вновь образующегося биогаза. Подсчитано, что для обеспечения мощности

МВт требуется 15-20 пробуренных газовых скважин в теле полигона. Регулирование выхода биогаза с полигона осуществляется путем регу­лирования числа оборотов компрессора.

Расстояние между газовыми скважинами на участке сбора биогаза обычно составляет 50-60 м. Если число газовых скважин на полигоне оптимально, а откосы полигона уплотнены, извлечение биогаза состав­ляет до 80% от его образующегося объема. Если биогаз собирается на так называемых биокартах с однородными отходами (европейские ус­ловия), извлечение биогаза повышается до 90%. На рис. ЗЛО показан общий вид скважины для добычи биогаза на подмосковных полигонах.

Инженерное обустройство скважины включает несколько этапов. На первом этапе в скважину опускается перфорированная стальная или пластмассовая труба, затушенная снизу и снабженная фланцевым со­единением в приустьевой части. Затем в межтрубное пространство за­сыпается пористый материал (например, гравий) с послойным уплотне­нием до глубины 3-4 м от устья скважины. На следующем этапе соору­жается глиняный замок для предотвращения попадания в скважину ат­мосферного воздуха. После этого приступают к установке оголовка скважины. Оголовок представляет собой металлический цилиндр, снаб­женный газозапорной арматурой для регулировки дебета скважины и контроля состава биогаза, а также патрубком для присоединения сква­жины к газопроводу.

В шведской практике для крепления буровых скважин используют­ся обсадные трубы (рис. 3.11), которые после установки перфорирован­ного пластмассового фильтра частично вынимаются из тела полигона. Нижняя секция обсадной трубы длиной 3 м остается на уровне 1,5-4,5 м ниже уровня грунта, а над верхней частью фильтра в скважине образу­ется изолирующее покрытие высотой 4,5 м, позволяющее создать отно­сительно большое разрежение вокруг скважины и повысить эффектив­ность сбора биогаза. По данным шведской практики, при сборе биогаза на действующих полигонах возникают эксплуатационные сложности и в течение первых десяти лет часть газовых скважин и фильтров должна быть обновлена (разрушение труб под действием проседания поступа­ющих отходов, закупоривание фильтрующих труб). Схема размещения газовых скважин на высоконагруженном полигоне в Швеции показана на рис. 3.12.

Температура образующегося биогаза соответствует температуре те­ла полигона, которая при анаэробном разложении органической фрак­ции ТБО повышается до 25-40°С. Поскольку для отходов характерна высокая влажность, биогаз насыщается парами воды. При снижении температуры биогаза до 10°С в системе газопроводов образуется до 20 г/м³ конденсата. На установке мощностью 1 МВт ежесуточно обра­зуется 100 л конденсата Этот конденсат необходимо удалять из систе­мы сбора биогаза и направлять на обезвреживание, так как по химиче­скому составу он во многом аналогичен фильтрату. Уклон газопровод­ных труб в пределах полигона должен обеспечивать сбор конденсата (в соответствии с европейской практикой уклон труб - не менее 20%). Для удаления влаги из системы устанавливают конденсатоотводчики (сталь­ные резервуары с гидрозатворами).

Биогаз, добываемый на полигонах, наиболее часто используют для производства электроэнергии. В российских условиях из 1 м³ биогаза можно получить 1,5 кВт-ч электроэнергии. К сожалению, большой энергетический потенциал полигонов в настоящее время не использует­ся. В то же время в большинстве развитых стран производство электро­энергии на основе биогаза стимулируется государством с помощью спе­циальных законов.

Так, в США и странах ЕС существуют законы, обя­зывающие энергетические компании использовать нетрадиционные ис­точники энергии, а потребителей - покупать альтернативную энергию. При этом нормативно определяется стоимость альтернативной энергии, которая, как правило, в 2-2,5 раза выше стоимости энергии, произведен­ной на основе использования традиционных энергоносителей (природ­ный газ, нефтепродукты). В ряде случаев электроэнергия, произведен­ная из биогаза, частично или полностью используется для нужд пред­приятия, эксплуатирующего полигон ТБО.

В отличие от многих европейских стран, в Швеции традиционной формой утилизации биогаза является его сжигание в газовых котлах для производства тепловой энергии. Газовые котлы чаще всего соединяются с местной системой районного теплоснабжения. В Швеции имеется так­же опыт утилизации биогаза для комбинированного производства элек­трической и тепловой энергии на стационарных газовых двигателях.

В тех случаях, когда возникают сложности с утилизацией биогаза (например, из-за больших расстояний до потребителя), собранный био­газ подвергают факельному сжиганию в специальных газовых горелках. Факельное сжигание биогаза следует рассматривать как вынужденную и промежуточную меру, способствующую снижению поступления био­газа в атмосферу и вероятности возгорания ТБО на полигонах.

В соответствии с требованиями к мониторингу полигона должны про­водиться систематические наблюдения за подземными и поверхностными водами, донными отложениями, растительностью, атмосферным воздухом.

Полигон, выведенный из эксплуатации, подлежит рекультивации полигона.

Рекультивация проводится по окончании стабилизации закрытых по­лигонов, когда свалочный грунт достигает устойчивого состояния. После планировки поверхности, укладки плодородного слоя и его выравнива­ния производится посадка многолетних трав, кустарников и деревьев.