В 2015 году в России, по данным аналитической компании Frost&Sullivan, было произведено 57 миллионов тонн твердых бытовых отходов, это лишь немногим меньше объема производства стали (71 миллион тонн). В Москве и области бытовой мусор (около 11 миллионов тонн в год) в основном состоит из пищевых отходов (22 процентов), бумаги и картона (17 процентов), стекла (16 процентов) и пластика (13 процентов), на ткань, металл и древесину приходится по 3 процента, еще около 20 процентов — на все остальное. В России на мусорные полигоны попадает до 94 процентов мусора, только 4 процента перерабатывается и 2 процента — сжигается. Для сравнения: в ЕС в переработку идет 45 процентов мусора, 28 процентов — попадает на свалки, а 27 процентов — сжигается.

Российские свалки за год выделяют в атмосферу 1,5 миллиона тонн метана и 21,5 миллиона тонн СО2. Всего в России на 2015 год было 13,9 тысячи действующих мусорных полигона, из них в Московской области — 14. Только одна московская свалка в Чеховском районе (полигон «Кулаково») за год выдала в атмосферу 2,4 тысячи тонн метана, 39,4 тонны углекислого газа, 1,8 тонны аммиака и 0,028 тонны сероводорода.
 
Правильно организованный мусорный полигон — сложное высокотехнологичное сооружение. Прежде чем он будет готов к приему мусора необходимо подготовить дно: выложить его слоем глины толщиной около метра, поверх постелить водонепроницаемую геомембрану, слой геотекстиля, 30-сантиметровый слой щебня, в котором нужно уложить систему труб для сбора фильтрата — жидкости, которая будет собираться из мусора, а сверху будет еще защитная проницаемая мембрана. Дно свалки должно быть минимум на полметра выше грунтовых вод. Рядом со свалкой потребуется насосная и очистная станция для откачки и обезвреживания фильтрата, который насыщен органическими кислотами и другой органикой, соединениями тяжелых металлов. Кроме того, в слое мусора, когда он начнет накапливаться, потребуется установить систему труб для сбора и утилизации свалочного газа, станцию для его очистки и сжигания. Когда свалка заполнится (обычно полигон принимает мусор 20-30 лет) нужно сверху закрыть полигон еще одним защитным слоем, сохранив систему сбора свалочного газа — ей предстоит работать еще десятки лет.Жизнь свалки

Химическую жизнь мусора на свалке условно можно разделить на четыре главных фазы. Во время первой фазы аэробные бактерии — бактерии, которые способны жить и развиваться в присутствии кислорода, — расщепляют все длинные молекулярные цепочки углеводов, белков, липидов, из которых состоит органический мусор, то есть, в основном пищевые отходы. Главный продукт этого процесса — углекислый газ, а также азот (количество которого постепенно снижается в течение жизни свалки). Первая фаза продолжается до тех пор, пока в мусоре остается достаточно кислорода, и она может занимать месяцы или даже дни, пока мусор относительно свеж. Содержание кислорода сильно варьируется в зависимости от степени спрессованности мусора и от того, насколько глубоко он захоронен.

Вторая фаза начинается, когда весь кислород в мусоре уже использован. Теперь главную роль играют анаэробные бактерии, которые превращают вещества, созданные их аэробными коллегами, в уксусную, муравьиную и молочную кислоту, а также в спирты — этиловый и метиловый. Среда на свалке становится очень кислотной. По мере того, как кислоты смешиваются с влагой, это высвобождает питательные вещества, делая азот и фосфор доступными для многоликого сообщества бактерий, которые в свою очередь интенсивно вырабатывают углекислый газ и водород. Если свалка будет потревожена или в толщу мусора каким-то образом проникнет кислород, все возвращается к первой фазе.

Третья фаза в жизни свалки начинается с того, что определенные разновидности анаэробных бактерий начинают перерабатывать органические кислоты и формировать ацетаты. Этот процесс делает среду более нейтральной, что создает условия для бактерий, продуцирующих метан. Бактерии-метаногены и бактерии, вырабатывающие кислоты, формируют взаимовыгодные отношения: «кислотные» бактерии вырабатывают вещества, которые потребляют метаногены, — углекислый газ и ацетаты, которые в больших количествах вредны для самих кислотопродуцирующих бактерий.

Четвертая фаза — самая длинная — начинается, когда состав и уровень производства газов на свалке становится относительно стабильным. На этой стадии свалочный газ содержит от 45 до 60 процентов метана (по объему), от 40 до 60 процентов — углекислого газа, и от 2 до 9 процентов других газов, в частности, соединений серы. Эта фаза может продолжаться примерно 20 лет, но даже через 50 лет после того, как на свалку перестали привозить мусор, она продолжает выделять газ.

Метан и углекислый газ — главные продукты разложения мусора, но далеко не единственные. В репертуар мусорных полигонов входят сотни разнообразных летучих органических веществ. Ученые, которые обследовали семь свалок в Британии, обнаружили в составе свалочного газа около 140 различных веществ, в том числе алканы, ароматические углеводороды, циклоалканы, терпены, спирты и кетоны, соединения хлора, в том числе хлорорганические соединения, такие как хлорэтилен.Что может пойти не так

Завкафедрой экологического мониторинга и прогнозирования РУДН Марианна Харламова объясняет, что точный состав свалочного газа зависит от множества факторов: от времени года, от соблюдения технологий при строительстве и эксплуатации полигона, от возраста свалки, от состава мусора, от климатической зоны, от температуры воздуха и влажности.

«Если это действующий полигон, если продолжаются поступления органического вещества, то состав газа может быть очень разный. Там может идти, например, процесс метанового сбраживания, то есть в атмосферу попадает, в основном, метан, затем углекислый газ, аммиак, сероводород, могут быть меркаптаны, серосодержащие органические соединения», — говорит Харламова.

Самыми токсичными из главных компонентов выбросов являются сероводород и метан — именно они в больших концентрациях могут вызывать отравления. Однако, отмечает она, человек способен чувствовать сероводород в очень небольших концентрациях, которые еще очень далеки от опасных, поэтому если человек чувствует запах сероводорода — это еще не значит, что ему немедленно угрожает отравление. Кроме того, при горении мусора могут выделяться диоксины — значительно более токсичные вещества, которые, однако, не оказывают немедленного действия.

Технология эксплуатации мусорных полигонов предполагает, что свалочный газ собирается с помощью системы дегазации, затем его очищают от примесей и сжигают в факелах, либо используют в качестве топлива. Харламова отмечает, что сжигание неочищенного свалочного газа, как это делалось, например, на полигоне Кучино, может создать множество новых проблем с токсичными продуктами горения.

«В этом случае образуется, например, диоксид серы (при горении сероводорода), и другие токсичные сернистые соединения. При нормальной утилизации газа необходимо сначала очистить его от соединений серы», — говорит она.

Еще одна угроза возникает, когда в толще мусора начинается сильный разогрев, пожар без доступа воздуха, похожий на торфяной. В этом случае свалка резко меняет свой репертуар, в выбросах в большом количестве появляются альдегиды, полиароматические углеводороды, хлорированная полиароматика. «При этом возникает характерный запах. Обычный запах свалки — это запах гниения, который дают сероводород и меркаптаны. В случае пожара начинает пахнуть жареной картошкой — это запах фтороводорода, который образуется при горении», — объясняет Харламова.

По ее словам, иногда пытаются прекратить поступление в атмосферу свалочного газа, закрывая полигон сверху пленкой, а затем слоем земли. Но это создает дополнительные проблемы: «При гниении образуются пустоты и возникают провалы грунта, кроме того, пленка не пропускает воду, а значит сверху будут возникать болота», — говорит она.

Главный источник проблем со свалками, отмечает Харламова — пищевые и органические отходы. Именно они в основном создают условия для «производства» метана и сероводорода. Без пищевых отходов мусор намного лучше поддается сортировке и переработке. «Если бы нам удалось организовать систему сбора мусора так, чтобы органика не попадала на полигоны ТБО, это решило бы большую часть проблем со свалками, которые возникают сегодня», — считает ученый.  

Свалочный газ: производство, получение, сбор, применение

Бытовые отходы стали использовать в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, хотя самая первая экспериментальная мусорная свалка, на которой использовались специальные инженерные сооружения для сбора свалочного газа появилась еще в 1937 году в американском городе Калифорния. Однако, в то время данная технология не получила особой популярности.

Исследования в области получения и использования свалочного газа активизировалось только после того, как в США был принят закон об утилизации твердых отходов в 1965 году. Переработка ТБО стала особенно прибыльной тогда, когда с 1980 года правительством США началось предоставление налоговых льгот для производителей свалочного газа. Это подстегнуло рост количества подобных предприятий.

Уже в 1985 году в США функционировало более 30 установок, позволяющих собирать и сжигать полученный на полигонах отходов газ. Не удивительно, что на данный момент времени именно США является мировым лидером добычи свалочного газа. Сегодня здесь на 427 полигонах твердых бытовых отходов действуют проекты по выработке свалочного газа. В России же подобные технологии появились относительно недавно, и поэтому большинству людей о них ничего не известно. Рассмотрим, что собой представляет свалочный газ и как его добывают.

Свалочный газ выделяется в результате анаэробного ( при полном отсутствии кислорода) отходов органического происхождения на свалках. Гниение мусора происходит благодаря воздействию бактерий, которые принадлежат к двум большим семействам: ацидогены и метаногены.

Ацидогены осуществляют процесс первичного разложения мусора на жирные кислоты, что способствует получению свалочного газа, поскольку именно из жира получается максимально возможный выход метана. Метаногены отвечают за переработку летучих жирных кислот в такие вещества как метан (формула CH4) и диоксид углерода (CO2).

Таким образом, свалочный газ представляет собой смесь из примерно равных по количеству CH4 и CO2. Однако поскольку мусор не является однородным, в состав свалочного газа также входят небольшие примеси других веществ, в частности H2S. Стоит отметить, что ввиду неоднородности мусора, в составе свалочного газа может быть различное соотношение метана и диоксида углерода.

Способы получения свалочного газа

Для того, чтобы начать производство свалочного газа, необходим полигон специальной конструкции, которая бы позволяла собирать газ для его дальнейшего использования в самых различных целях, и отвечала бы всем современным экологическим нормам, не загрязняла почву и грунтовые воды. Поэтому рассмотрим, что именно должен представлять собой подобный полигон.

Дно вырытого котлована застилается специальной геомембраной, а затем накрывается слоем глины, толщиной приблизительно в метр. Геомембрана представляет собой гидроизоляционный материал, который также способен выполнять и дренирующие функции. Подобная надежная защита необходима для предотвращения проникновения продуктов гниения мусора в почву и в грунтовые воды.

Мусор в котлован вносится слоями, затем, в конце каждого рабочего дня он утрамбовывается машинами-катками и засыпается слоем глины толщиной до 30 см. Это нужно для предотвращения рассеивание мусора под воздействием внешних факторов и уменьшения зловония. После заполнения котлована мусором, он накрывается кровлей и защитным покрытием. В данном случае кровлей является толстый слой глины, уложенной поверх мусора и утрамбованной специальными катками и геомембраны. Защитное же покрытие представляет собой тонкий слой почвы с растительным покровом.

Сбор свалочного газа

Если вы прочитали все написанное выше, то могли удивиться – а как же из этого засыпанного глиной котлована может выходить газ? Все дело в том, что котлован оснащается специальными инженерными сооружениями, предназначенными для отвода жидких продуктов разложения мусора и сбора свалочного газа. Для этого в теле котлована делаются скважины, устанавливаются трубы и монтируется насосное оборудование.

Содержащий метан свалочный газ, образующийся в процессе разложения мусора, тщательно собирается, после чего он попадает в скруббер – специальный газоочистительный аппарат, который используется различных химико-технологических процессах для очистки газов от примесей. Здесь газ очищается от частиц пыли и ненужных примесей (например, серы) и попадает на компрессор. После этого газ становится готовым к дальнейшему использованию.

Несмотря на кажущуюся простоту данного процесса, сбор свалочного газа является достаточно ответственным делом, поскольку при условии отсутствия должного управления его сбором внутри полигона накапливается избыточное количество газа. Это приходит к увеличению давления, скопившийся газ ищет выход наружу, в результате чего происходит разрушение тела полигона. А это может привести к достаточно неприятным последствиям, поскольку неочищенный свалочный газ содержит огромное количество вредных и токсичных веществ, которые крайне опасны для здоровья людей.

Применение свалочного газа

Поскольку свалочный газ содержит достаточно большое количество метана, он может использоваться точно так же, как и традиционный биогаз. Как правило, мусороперерабатывающие заводы используют свалочный газ для получения тепловой энергии, которая расходуется на собственные нужды.
Однако, после дополнительной очистки свалочный газ также может быть использован и в качестве автомобильного топлива. Кроме этого, полученный таким образом газ можно использовать и в качестве экологически чистого топлива для производства электроэнергии. В этом случае необходимо использовать различные газотурбинные и газопоршневые установки. Таким образом, свалочный газ можно использовать в самых различных целях, что делает его добычу весьма перспективной.
 
/ Мнение автора может не совпадать с позицией редакции /