На сегодняшний день, несмотря огромный накопленный мировой опыт изучения биохимических процессов, происходящих внутри массивов бытовых отходов, отечественная нормативно-методическая база серьёзно просела в вопросах газогенерации и применения различных технологий по сбору и утилизации биогаза, включая его преобразование в энергию. На большинстве российских полигонов твёрдых коммунальных отходов выделение биогаза происходит стихийно, провоцируя возгорания отходов. Чтобы взять под контроль процессы газогенерации и существенно снизить негативную нагрузку на окружающую среду необходимо иметь, как минимум, базовые знания как о самом биогазе, так и о факторах, влияющих на интенсивность его образования.
Что такое биогаз?
Биогаз, или как его ещё называют свалочный газ (Landfill Gas - LFG), представляет собой смесь газов, которая образуется в результате анаэробного (без доступа кислорода) разложения органической части отходов. Данный процесс при этом сопровождается выделением большого количества тепла, которое создаёт нужный микроклимат для развития микроорганизмов, продуцирующих биогаз.
Основными компонентами биогаза являются: метан (CH4) – 40-60%, диоксид углерода (CO2) - 40-60%), азот (N2) – 2-5%, водород (H2) – 1-3%, а также следы других газов, таких как сероводород (H2S), аммиак (NH3), а также различные летучие соединения.
Считается, что наиболее опасным компонентом в свалочном газе является метан, который влияет на парниковый эффект в 25-30 раз сильнее, чем CO2. Кроме того, главная опасность CH4 кроется в его лёгкой воспламеняемости, что является частой причиной пожаров на полигонах ТКО, в результате которых горят отходы хлорсодержащей пластиковой группы, выделяя при этом высокотоксичные ядовитые вещества, такие как фураны и диоксины. Данные вещества накапливаются в организме человека и фактически из него не выводятся, провоцируя возникновение ряда серьёзных заболеваний, включая различные формы рака, нарушения иммунной системы, а также дисфункции репродуктивной системы.
Сам по себе метан для человека не опасен. Случаи острого отравления метаном редки и в основном связаны не столько с превышением метана в воздухе, сколько с недостатком кислорода. Первые признаки асфиксии у человека начинаются с объёмных концентраций 25-30%, потеря сознания наступает после увеличения объёмной концентрации свыше 95%. Метан не подвергается биотрансформации в тканях живого существа и выводится из организма в неизменном виде. Более того, метан часто образуется в кишечнике человека при микробном разложении клетчатки, после чего диффундирует в кровь и покидает организм через лёгкие и мочу.
На сегодняшний день в РФ нормируется только ориентировочно безопасный уровень концентрации, равный 50 мг/м3 для населённых мест. Максимально разовые и среднесуточные ПДК не нормируются, так как до сих пор не определены чёткие закономерности влияния метана на живые организмы.
Вторым основным компонентом биогаза является диоксид углерода или углекислый газ, который также безвреден для человека, но при этом является полностью негорючим, что не накладывает никаких особых требований к его утилизации.
Из других компонентов, которые содержаться в свалочном газе в виде следов, стоит выделить сероводород, который насыщает свалочный газ неприятными запахами и является очень токсичным. Кроме того, при использовании оборудования для утилизации биогаза (сжигание или переработка), сероводород рекомендуется удалять из общего потока, так как он сильно ускоряет процессы коррозии металла.
Какое количество биогаза выделяется из отходов?
Объём и скорость выделения биогаза из отходов не является постоянными величинами, поскольку зависят от ряда факторов, в числе которых состав, тип, влажность и плотность отходов, температура, возраст полигона, кислотность и другие.
В научной литературе можно встретить следующие значения удельных объёмов и скорости выделения биогаза:
• удельный объём: 100-300 м3/тонн;
• максимальная скорость выделения (на пике): 10-30 м3/тонн/год
Причем, скорость производства биогаза для одной и той же порции отходов не постоянная. При прочих неизменных условиях кривые скорости выделения главных компонентов свалочного газа делятся на несколько фаз:
Лаг-фаза (начальная): длится первые несколько месяцев, в которые происходит развитие микрофлоры и гидролиз высокомолекулярных соединений (углеводов, жиров и белков) до простых (сахаров, аминокислот и жирных кислот). Как правило на данной стадии выделяется только CO2. Лаг-фаза протекает в аэробных условиях, когда слои разлагаемых отходов находятся вблизи поверхности свалочного тела;
Фаза кислого брожения: длится 1-2 года после лаг-фазы и характеризуется отмиранием облигатных (строгих) аэробных микроорганизмов и перехода в анаэробное состояние факультативных (условных) аэробных микроорганизмов. Данная фаза протекает в две стадии: ацито- и ацетогенеза. В ходе ацитогенеза под действием анаэробных бактерий происходит образование сложных спиртов и карбоновых кислот, которые на стадии ацетогенеза разлагаются до уксусной и муравьиной кислот, а также метанола с выделением водорода.
Фаза смешанного брожения: длится 2-5 лет и сопровождается непостоянным выделением метана, доля которого в общем объёме биогаза хоть и немонотонно, но увеличивается;
Пиковая фаза: наступает через 5-10 лет после захоронения отходов и характеризуется максимальной скоростью выделения биогаза. На данной стадии образуется основной объём свалочного газа, равный 70-80% от общего потенциала, а в его компонентном составе преобладает метан;
Фаза спада: может длиться 10-20 лет после пиковой фазы. На данной стадии уже разлагается органика, более стойкая к разложению. Соотношение метана и углекислого газа может измениться в пользу последнего;
"Хвостовая" фаза: является самой длительной и может протекать больше 30 лет. Например, в нашем регионе есть полигон ТКО, который эксплуатировался больше 30 лет и уже 10 лет как закрыт для приёма отходов. Замеры газоанализатором в шпуровых скважинах до сих пор фиксируют концентрацию метана от 1 до 10 об%.
Знание того, на какой фазе находится полигон важно для планирования мероприятий по сбору и утилизации биогаза. Как правило геозгеохимические исследования на полигоне проводят разово, отражая лишь срез динамики изменения интенсивности выбросов метана и углекислого газа. Полученные данные используют для обоснования параметров системы дегазация без понимания того, хватит ли производительности оборудования через год или пять лет, или же она окажется избыточной.
На одном из закрытых тюменских полигонов ТКО, который находится на фазе спада выделения свалочного газа, мы провели небольшое исследование, пробурив в разных местах три четырёхметровые скважины, на устье которых в течение года осуществляли замеры концентрации метана, а также температуру выходящего потока. Возраст полигона на момент проведения замеров составил больше 20 лет, объём свалочного тела около 1,5 млн. м3.
Во всех скважинах кривые изменения концентрации метана во времени имели схожую форму. Глядя на динамические показатели, не трудно заметить, что зимой концентрация метана в потоке биогаза увеличивается, так как несмотря на затухающие процессы газообразования при минусовой температуре, свалочное тело в это время года покрывалось ледяным непроницаемым «панцирем», постепенно блокируя выход газа наружу.
После того, как температура наружного воздуха упала ниже -25 градусов, устья скважин затянулись льдом из-за повышенной влажности восходящего потока биогаза. В итоге большую часть зимнего периода проводить замеры не представилось возможным и исследования пришлось отложить до наступления тёплого периода.
Несмотря на зимний простой, нам удалось получить информативные результаты и сделать несколько важных выводов:
1. При отрицательной температуре процессы газообразования замедляются, но не прекращаются, о чем свидетельствует рост концентраций компонентов биогаза внутри свалочного тела, покрытого непроницаемой ледяной коркой;
2. Весной, когда поверхность свалочного тела оттаивает, могут происходить максимальные выбросы биогаза в атмосферу и именно в это время надо осуществлять усиленный контроль за состоянием атмосферного воздуха в районе полигона;
3. Если на полигоне устроена пассивная система дегазации, состоящая из группы открытых вертикальных скважин, то при отрицательной температуре она может не функционировать по причине образования ледяной пробки в выпусках. Поэтому, для сохранения в зимний период постоянного отвода биогаза из тела полигона и предупреждения его залповых выбросов весной, необходимо выполнять регулярные прогревающие мероприятия.
Значения измеряемой на устье скважин температуры потока коррелировали с температурой наружного воздуха, но не опускались ниже минус 5 градусов, что с одной стороны подтверждает сопровождение биохимических реакций выделением определённого количества тепла, с другой, свидетельствует о том, что процессы метаногенеза действительно затухают в зимний период вследствие внешнего охлаждения свалочного тела.
При этом, даже в жаркий период температура потока не поднималась выше 40 градусов, что может указывать на наступление «хвостовой» фазы газогенерации на рассматриваемом полигоне ТКО.
В целом на устьях всех скважин наблюдается одинаковый тренд изменения концентрации метана в общем потоке свалочного газа. Если нормализовать (привести к одному масштабу) значения замеров, построить линию тренда и спрогнозировать изменение концентрации CH4 во времени, то можно увидеть, что полная дегазация рассматриваемого полигона наступит примерно через 20 лет, что ещё раз подтверждает справочную статистическую длительность фаз генерации свалочного газа.
Какие факторы влияют на количество и скорость образования метана?
Главным фактором, влияющим на количество выделяемого метана, является морфологический состав отходов. Быстрее всего разлагаются пищевые отходы, в которых наибольшее количество метана получается из жиров, распадающихся на жирные кислоты, а после на метан, воду и диоксид углерода. Белки и углеводы также распадаются на аминокислоты и сахара, которые в свою очередь участвуют в образовании метана, но уже в меньшем количестве. Поэтому, чем больше пищевых отходов с содержанием жиров захоранивается на полигоне, тем больше концентрация метана в составе биогаза.
Следующим важным фактором, определяющим скорость и объём выделения метана, является температурный режим, который создаётся как внешними погодными условиями, так и внутренними биохимическими реакциями.
Образование метана происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов или метанообразующих бактерий. При этом, в диапазоне температур плюс 10-25 градусов метан генерируют психофильные бактерии, 30-40 градусов - мезофильные бактерии, а при температуре плюс 50-60 градусов – термофильные бактерии.
При сильно низких температурах (менее 10 градусов) или сильно высоких (более 80 градусов) процессы метаногенеза замедляются, вплоть до полного их прекращения. Наибольшее количество метана выделяется при термофильном режиме, соответствующего пиковой стадии газогенерации, и обеспечивающего скорость выделения биогаза в 2-3 раза выше, чем при режиме мезофильном. Данный режим сопровождается обеззараживанием отходов или их гигиенизацией, при которой погибают патогены, яйца гельминтов и прочая нечисть, поэтому, с санитарно-эпидемиологической точки зрения наступление термофильной фазы разложения органических отходов даже желательно, несмотря на всплеск выброса биогаза. Однако, термофильный режим является крайне неустойчивым, так как любое изменение температуры на несколько градусов или чрезмерное выделения аммиака (NH3) может погубить часть термофильных микроорганизмов и перевести условия сбраживания органики на мезофильный режим.
Мезофильный режим разложения отходов характерен либо для фазы роста генерации свалочного газа, либо для завершающих фаз спада и «хвостовой» стадии. В отличие от термофильного, мезофильный режим считается наиболее устойчивым к изменению других факторов, таких как кислотность, влажность, колебания температуры внешней среды. По времени выделения метана он является наиболее длительным из всех режимов.
В зимние периоды, когда температура атмосферного воздуха падает ниже ноля градусов, начинает доминировать психофильный режим, при котором разложение органики происходит при температурах 5-30 градусов, а скорость выделения метана минимальная.
По объёму выделения биогаза на различных режимах разложения органики на полигонах ТКО в научных литературных источниках предлагаются следующие соотношения:
• термофильный режим – 50-70%;
• мезофильный режим – 30-40%;
• психофильный режим – 10-20%.
Другим важным фактором, влияющим на скорость газогенерации, является влажность отходов, необходимая для формирования благоприятной среды жизнедеятельности метанообразующих бактерий. При этом, в разных источниках содержится довольно противоречивая информация о характере изменения интенсивности выделения биогаза в зависимости от содержания влаги в теле отходов.
С одной стороны, «Методика расчета количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых и промышленных отходов» (2004 г), принимаемая в качестве способа обоснования показателей эмиссии биогаза как Государственной экологической экспертизой, при рассмотрении ОВОС, так и Роспотребнадзором, при защите проекта санитарно-защитной зоны (СЗЗ), указывает на то, что скорость газогенерации увеличивается с уменьшением фактической влажности отходов, а сама зависимость скорости газогенерации от влажности имеет монотонный характер. С другой, в различных публикациях можно встретить информацию о том, что имеется некое минимальное граничное значение влажности отходов (от 5 до 20%), выше которого происходит активация процесса метаногенеза. При этом, эти же источники утверждают, что максимум газовыделения наблюдается в диапазоне влажности от 40 до 80%, а при влажности отходов более 80% отходы «затапливаются» и процесс их разложения существенно замедляется, со всеми вытекающими последствиями для скорости выделения метана.
В сети интернет можно встретить публикации и видеоролики, показывающие как в «гаражных» условиях можно получать метан для последующего его использования в бытовых целях. Большинство авторов своих «домашних» экспериментальных установок говорят о том, что при увлажнении субстрата более чем на 90% скорость метаногенеза снижается, а при высушивании того же субстрата возникают области гниения, в которых по большей части выделяется углекислый газ, сероводород, меркаптаны и аммиак. Другими словами, частные исследования подтверждают наличие оптимального диапазона влажности для максимальной газогенерации, что ставит под сомнение корректность использования официальной методики для подсчёта выбросов биогаза.
Процесс метаногенеза очень чувствителен к кислотности среды. Считается, что для обеспечения максимальной скорости выделения свалочного газа среда должна быть нейтральной или слабощелочной (pH=6,5-8,0). Кислая среда (pH ниже 6,0) тормозит образование метана.
Также на замедление биохимических реакций оказывает влияние высокие концентрации солей, тяжёлых металлов, аммония (NH4+), которые в большом количестве могут содержаться, например, в концентрате, образуемом после очистки фильтрата способом обратного осмоса.
Известно, что свод правил СП320.1325800 (пункт 7.17) разрешает сбрасывать концентрат в тело полигона и, если у вас стоит задача усилить выход метана для его переработки в энергию, то от закачки в тело полигона подобных концентрированных соляных растворов стоит воздержаться.
Однако, чаще всего на большинстве полигонов нужно просто организовано отвести метан с целью минимизации рисков возникновения пожаров и в этом случае закачка концентрата в свалочное тело может существенно затормозить развитие метаногенеза, сняв повышенную нагрузку с установленной пассивной системы дегазации.
Как распределяются компоненты биогаза в объёме тела отходов?
Зональность расположения компонентов биогаза по разрезу свалочного тела, с одной стороны, связана со стадиями разложения, с другой, подчиняется эффекту гравитационной сегрегации.
В первом случае можно сказать, что в верхних слоях отходов идёт аэробное окисление, а потому в этой части свалочного тела преобладают диоксид углерода и кислород. Глубже по разрезу, в анаэробных условиях происходит активное выделение CH4 и CO2. У самого основания тела старые отходы могут находится уже на «хвостовой» стадии разложения, когда процессы метанногенеза быстро затухают.
Во втором случае, метан, который легче воздуха, стремиться вверх, в то время как более тяжёлый углекислый газ проваливается и скапливается в основании массива.
В ходе теоретических рассуждений можно сделать вывод о том, что наибольшая концентрация метана должна наблюдаться в центральной части разреза свалочного тела, а в его основании будет происходить наибольшее скопление CO2. В верхних слоях массива отходов концентрация метана упадёт до нескольких об%, а в потоке биогаза будет преобладать кислород.
Чтобы проверить данное предположение, мы пробурили в теле полигона скважину глубиной 9 метров и через каждый метр измеряли содержание компонентов биогаза. Результаты замеров подтвердили теоретические выводы, показав ожидаемую картину: в разрезе свалочного тела, на глубине 2-6 метров сформировалась метановая «шапка», которая подстилается «подушкой» из диоксида углерода. Сверху, до глубины 2 метра зафиксировано повышенное содержание кислорода.
Понимание пространственного распределения концентрации компонентов биогаза важно для проектирования газоотборных скважин активной системы дегазации, при эксплуатации которой важно минимизировать содержание углекислого газа в потоке, направляемого на факельную установку или газопоршневой электрогенератор. Не следует слепо выполнять рекомендации свода правил и методических указаний по вскрытию вертикальными скважинами тела отходов на всю его толщину, особенно при большой мощности отходов. Чаще всего, вполне достаточно пробурить и обустроить газоотборные скважины длиной всего на 5-8 метров, вскрыв перфорацией только нижние 2-5 метров колонны.
Выводы:
1. Управление газогенерацией на полигоне ТКО должно опираться на понимание физико-химических основ появления биогаза в теле отходов, а также факторов, влияющих на количество и скорость его образования. Определив цель извлечения свалочного газа, можно эффективно использовать полученные знания для её достижения;
2. Если отвод биогаза осуществляется только с целью минимизации рисков возникновения пожаров, то нужно максимально подавить процесс метаногенеза, что можно сделать, например, закачкой холодного соляного раствора для угнетения метанообразующих организмов и охлаждения свалочного тела для купирования термофильного режима газогенерации. Для выполнения данной задачи также будет эффективно внедрение системы компостирования, позволяющей обезвредить значительную часть быстро разлагаемых органических отходов, исключив её из процесса метанообразования;
3. В случае возникновения потребности в увеличении выхода метана с целью его преобразования в энергию, необходимо обеспечить оптимальную влажность отходов (40-80%), закачивая в свалочное тело тёплую пресную воду, стараясь при этом захоранивать на картах складирования как можно больше пищевых отходов, желательно с большим содержанием жиров;
4. При проектировании мероприятий по дегазации полигона ТКО следует правильно оценить фазу газогенерации, чтобы случайно не внедрить активную систему отвода и утилизации свалочного газа на «хвостовой» фазе, заложив избыточную мощность утилизационного или перерабатывающего оборудования. Также, может быть ошибкой устройство пассивной системы дегазации на фазе кислого или смешанного брожения, так как в последующие годы данная система может уже не справится с растущим потоком биогаза, позволив ему бесконтрольно выходить через поверхность тела отходов, повышая риск возникновения пожаров;
5. Реализовывая систему пассивной дегазации в холодных регионах, следует учитывать, что из-за большой влажности восходящего потока устья и выпуски газоотводящих скважин могут перемораживаться, полностью блокируя выход биогаза, который несколько месяцев будет накапливаться в свалочном теле под ледяным «панцирем». Поэтому, для исключения залпового выброса в весенний период, после оттаивания поверхности полигона, нужно прогревать устья до полного исчезновения ледяной пробки в стволах скважин;
6. Для обоснования глубины вскрытия массива отходов газосборными скважинами активной системы дегазации важно знать распределение концентрации компонентов свалочного газа по глубине. Наиболее насыщенные метаном области чаще всего располагаются в центральной части тела отходов, а значит нет необходимости бурить газоотборные скважины на всю толщину свалочного тела и неоправданно увеличивать содержание углекислого газа в извлекаемом потоке биогаза, создавая лишнюю нагрузку на очистительное оборудование;
7. Российская отраслевая нормативно-методическая документация, на основании которой обосновываются мероприятия по сбору и утилизации свалочного газа, морально устарела и не учитывает опыт даже отечественных исследователей, не говоря уже о мировом знании о биогазе. В итоге процесс формирования проектных решений по подбору оборудования и обоснованию его производительности схож с игрой в рулетку.