Существующие полигоны ТКО характеризуются выделением значительного количества биогаза, который образуется в результате протекания анаэробных биохимических процессов при разложении органики. Основными компонентами биогаза являются метан и диоксид углерода. Главным негативным последствием выделения биогаза является возникновение пожаров, связанных с воспламенением газовоздушной смеси в приземном слое. При пожарах часто горят хлорсодержащие группы пластиков, что приводит к выделению ядовитых веществ, таких как диоксины, фураны и прочие. Именно поэтому на полигонах и свалках ТКО в последнее время стали активно внедрять системы дегазации, представляющие собой набор перфорированных вертикальных или горизонтальных трубок, через которые газ контролируемо отводится либо в атмосферу, либо на факельную установку для его сжигания.
Устройство систем дегазации на полигонах ТКО пока является один из самых непроработанных с научно-методической точки зрения вопросов. Во-первых, отсутствует четкая нормативно-методическая база для проведения газогеохимических исследований, во-вторых, нет надёжной и в то же время понятной методики расчета эмиссии биогаза, а в-третьих – отсутствует понимание формализованных с научной точки зрения подходов к обоснованию параметров проектируемой системы организованного отвода свалочного газа. Всё это приводит к тому, что проектировщикам, экспертам и производителям оборудования не на что опираться в доказательствах своих решений. В результате такого положения вещей возникают конфликты мнений всех участников процесса. Одни, перестраховываясь, говорят, что решения ущербны и требуют их усиления, другие, не желая переплачивать, твердят об их избыточности. При этом свою правоту доказать, по сути, не может никто, так как отсутствует научный фундамент, на который можно было бы опереться при проведении интеллектуальных баталий. То небольшое количество требований к проведению исследований и выбору параметров системы дегазации либо научно не обосновано, либо не имеет чёткого определения. Последняя отечественная попытка узаконить какие-то научные достижения в этой области закончились в конце 90-х и до сих существует много белых пятен и вопросов, таких, например, как отсутствие:
- инструментов измерения реальной скорости и длительности выделения биогаза;
- информативных методов определения проницаемости свалочного тела для обоснования наилучших параметров системы дегазации;
- установленных закономерностей изменения скорости выхода биогаза и проницаемости массива отходов со временем, а также в зависимости от сезона;
- формализованного подхода к обоснованию выбора между сжиганием метана и выпуском его в атмосферу;
- методик определения влияния реализации системы компостирования на выход биогаза;
...и многое другое.
В СП320.1325800… есть пункт 7.21, который гласит: «Для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности полигонов ТКО и предупреждения неконтролируемого накопления биогаза в массиве отходов необходимо осуществлять дегазацию массива отходов в соответствии с ГОСТ Р 59417 и ГОСТ Р 59415…..».
Слово «необходимо» делает данный пункт обязательным к применению на полигонах ТКО, на которых в результате проведения газгеохимических исследований был обнаружен биогаз.
Если принципы практической реализации системы дегазации на закрытых полигонах ещё как-то понятны, то на действующих полигонах, где происходит непрерывное накопление и трамбовка мусора, данная система будет мешать существующему технологическому процессу складирования отходов.
В современных проектных решениях при строительстве или реконструкции полигонов ТКО устройство системы дегазации осуществляется в следующих основных вариациях:
- Установка газоотборных скважин на откосах террикона, для чего на склонах планируют устройство террас, позволяющих установить буровую технику.
- Укладка на откосы высокопроницаемого газодренажного слоя из щебня со встроенными в него перфорированными трубками и непроницаемым верхним слоем из геомембраны;
- Устройство на верхней горизонтальной площадке промежуточного газодренажного слоя из щебня, связанного с системой горизонтальных перфорированных дрен, имеющей выпуски вблизи откосов;
- Устройство системы дегазации только на закрытых картах.
Каждый из этих способов обладает как достоинствами, так и недостатками. Так, например, устройство промежуточного слоя из щебня, с монтированием в него перфорированных дрен, обеспечивает больший охват дренированием, но является временным решением, поскольку из-за просадочных процессов и движения тяжёлой техники значительная часть такой системы со временем деформируется до частичной или полной потери своей функций. Устройство системы дегазации только на откосах или (и) закрытых картах с одной стороны не мешает процессу складирования отходов и характеризуется высокой надёжностью, а с другой, не позволяет охватить дренированием весь поровый объём тела отходов и полностью отвести весь свалочный газ.
Учитывая перечисленные недостатки систем, а также отсутствие методик по определению скоростей эмиссии биогаза и фильтрационно-емкостных свойств свалочного тела, большинство проектов ограничиваются лишь рекомендациями по регулярной пересыпке слоёв складируемых отходов инертным грунтом с одновременным их поливом водой в пожароопасный период времени. Такое мероприятие, при ежедневном выполнении проектных рекомендаций с точки зрения профилактики пожаров является вполне эффективным. С одной стороны, минеральный грунт устраняет прямой контакт отходов с источниками воспламенения, с другой, процесс их увлажнения не позволяет образовываться горючей пылегазовоздушной смеси в приземном слое воздуха, что минимизирует пожарные риски.
Другое дело, если компания, эксплуатирующая полигон, хочет использовать биогаз для генерации энергии, то в этом случае конечно же потребуется устройство системы дегазации, не создающей помех для осуществления основного процесса складирования. В этом случае придётся выбирать из перечисленных выше способов или каким-то образом комбинировать их.
Выбор наиболее оптимальных параметров системы дегазации, позволяющей извлечь максимальное количество метана на действующем полигоне при наименьших финансовых затратах, целесообразно осуществлять с применением математического моделирования.
Для моделирования отбора газа применяются модели разной размерности: от ноль- до трёхмерных. Выбор размерности определяется набором исходных данных с их доказанным соответствием к фактическим условиям, а также целями моделирования, которые диктуют свои требования к детальности расчётных результатов.
Любая математическая модель должна пройти процедуру адаптации к натурным замерам показателей выбросов, в результате которых определяются (уточняются) и детализируются фильтрационно-емкостные и геометрические характеристики свалочного тела. В качестве настроечных параметров могут быть показатели эмиссии биогаза, определяемые при проведении газогеохимических исследований, скорость проваливания воды в шурфах, устроенных в теле полигона и другие показатели, дающие прямую или косвенную информацию о динамических свойствах массива отходов.
Созданная и адаптированная к результатам фактических замеров модель по своей сути является цифровым двойником полигона, в котором воспроизведены все значимые динамические процессы, определяющие конечный результат. На таком цифровом двойнике без особых ресурсных затрат можно проводить численные эксперименты и подбирать (обосновывать) наиболее оптимальные параметры системы дегазации.
Таким образом, в период эксплуатации полигонов ТКО, устройство системы дегазации с целью только профилактики возникновения пожаров не имеет смысла, если аккуратно выполняются рекомендации проекта и нормативно-технической документации по своевременной и полной изоляции слоёв отходов с регулярным их увлажнением в пожароопасные периоды. В случае, если имеется желание или необходимость использовать метан для генерации энергии, то подбор наилучшего способа извлечения биогаза и обоснование оптимальных параметров системы дегазации, следует проводить на базе математической модели с обоснованной размерностью и количественно воспроизводящей все основные процессы газогенерации и эмиссии компонентов биогаза. В противном случае риск получить малоэффективную или вовсе бесполезную систему извлечения газа будет очень высоким.