Биогаз или свалочный газ (СГ) - это конечный продукт микробиологического разложения определенных фракций отходов, захороненных на полигоне. К ним относятся: растительные и животные остатки, бумага и древесина.
Скорость процесса распада, его продолжительность, количество образующегося на разных стадиях биогаза, его состав зависят от множества факторов. Главными из них являются:
- климатические и гидрологические условия места расположения полигона;
- инженерная подготовка территории для складирования отходов;
- морфологический и химический состав отходов;
- условия складирования: площадь, глубина (высота), влажность, плотность, условия изоляции от атмосферныхвоздействий.
Биогаз горюч, он состоит на 50 - 60% из метана и на 40 - 50% из двуокиси углерода. В существенно меньших концентрациях, на уровне первых процентов, присутствуют азот (N2), кислород (О2), водород (Н2). В качестве микропримесей в состав СГ могут входят десятки других различных органических соединений.
В определенных концентрациях СГ токсичен. Конкретные показатели токсичности определяются наличием ряда микропримесей, таких, например как сероводород (Н2S). Обычно СГ обладает резким неприятным запахом. Свалочный газ относится к числу так называемых парниковых газов, что делает его объектом пристального внимания мирового сообщества ввиду возможности оказывать воздействие на формирование климата Земли в целом.
Теплотворная способность СГ примерно в два раза ниже, чем у природного газа и составляет около 4500 - 5500 Ккал/м3.
Количество биогаза, которое можно собрать и утилизировать на полигоне ТБО прямо пропорционально массе свалочного тела.
Возможны две основные стадии разложения отходов, определяющими факторами для протекания которых является наличие или отсутствие в толще мусора кислорода. Аэробная стадия при достаточном доступе атмосферного кислорода может продолжаться до полного окисления органических продуктов. Основным продуктом аэробного разложения органических соединений является углекислый газ. При недостаточном количестве кислорода окисление прекращается, аэробные микроорганизмы погибают и разложение переходит во вторую, анаэробную стадию, проходящую с участием анаэробных микроорганизмов. Эта стадия является преобладающей и характеризуется выделением в качестве основного продукта разложения метана. Промежуточными продуктами распада органических веществ являются жирные кислоты, спирты. Выделяются также аммиак, азот, углекислый газ.
При захоронении ТБО быстро формируются анаэробные условия, в которых протекает биоконверсия органического вещества (ОВ) с участием метаногенного сообщества микроорганизмов.
Виды негативного влияния СГ.
Свободное распространение СГ в окружающей среде вызывает ряд негативных эффектов как локального, так и глобального масштабов, обусловленных его специфическими свойствами.
При накоплении СГ могут формироваться взрыво- пожароопасные условия в зданиях и сооружениях, расположенных вблизи захоронений ТБО. Частые пожары на полигонах в основном являются последствием стихийного, бесконтрольного распространения СГ.
Накопление СГ в замкнутых пространствах также опасно с токсикологической точки зрения.
СГ может оказывать негативное воздействие на растительный покров за счет накопления СГ в поровом пространстве почв, что вызывает асфиксию корневой системы растений.
Свободное распространение СГ приводит к загрязнению атмосферного воздуха прилежащих территорий токсичными и дурно пахнущими соединениями. И наконец, как известно, СГ является парниковым газом, который усиливает эффект изменения климата Земли в целом.
Объемы образования свалочного газа
В среднем газогенерация заканчивается в свалочном теле в течение 10-50 лет, при этом удельный выход газа по оценкам различных исследований составляет от 80 до 200 м3 на тонну ТБО.
Для экстракции СГ на полигонах обычно используется следующая принципиальная схема: сеть вертикальных газодренажных скважин соединяют линиями газопроводов, в которых компрессорная установка создает разрежение необходимое для транспортировки СГ до места использования. Установки по сбору и утилизации монтируются на специально подготовленной площадке за пределами свалочного тела.
Каждая скважина осуществляет дренаж конкретного блока ТБО, условно имеющего форму цилиндра. Устойчивость работы скважины может быть обеспечена, если ее дебит не превышает объема вновь образующегося СГ. Оценка газопродуктивности существующей толщи ТБО проводится в ходе предварительных полевых газо-геохимических исследований.
Сооружение газодренажной системы может осуществляться как на всей территории полигона ТБО после окончания его эксплуатации, 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, что бы территория полигона ТБО, на которой намечается строительство системы сбора СГ, была рекультивирована, т.е. перекрыта слоем грунта мощностью не менее 30 - 40 см.
При проектировании технологии сбора и утилизации биогаза особое внимание следует уделять вопросам удаления из системы водного конденсата.
В мировой 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 хозяйственных целях;
- прямое сжигание СГ для производства тепловой энергии;
- использование СГ в качестве топлива для газовых двигателей с целью получения электроэнергии и тепла;
- использование СГ в качестве 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 хозяйственной деятельности на полигоне ТБО и определяется наличием платежеспособного потребителя энергоносителей, полученных на основе использования СГ. В большинстве развитых стран этот процесс стимулируется государством с помощью специальных законов.
Расчеты ожидаемого количества биогаза, которое может быть собрано при 100-процентной эффективности системы сбора выполнены проектным институтом «Гипрокоммунстрой» для площадки «Болдино-1». Результаты свидетельствуют о нецелесообразности выработки из биогаза электроэнергии ввиду небольшого объема образования (от 1085 м3/сут на четвертый год эксплуатации полигона до 5425 м3/сут на восьмой год эксплуатации).
В тоже время эти объемы достаточно велики, чтобы оказать отрицательное воздействие на окружающую атмосферу. В связи с этим в состав проекта целесообразно включить сооружение сети вертикальных газодренажных скважин, располагаемых по поверхности свалочного тела равномерно с шагом 50-100 м, соединительных и магистральных газопроводов и модулей компрессорных установок для последующего сжигания биогаза.