СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ ПОЛИГОНА ТВЁРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF SOLID MUNICIPAL WASTES POLYGON DEGASSING

Изобретение относится к сооружениям, улучшающим качество жизнедеятельности населения путем ликвидации негативного влияния полигонов твердых коммунальных отходов (ТКО) на окружающую среду. Способ предусматривает устройство газовой ловушки внутри свалочного тела, которая представляет собой совокупность вертикальных и горизонтальных дрен, увязанных между собой по определенному алгоритму. Данная ловушка обеспечивает максимальный сбор (до 95%) свалочного газа (биогаза) на действующем полигоне ТКО без укрытия верхней (постоянно растущей) части «пирамиды» отходов непроницаемой геомембраной и, соответственно, подходит для устройства на действующих полигонах.
Из уровня техники известен способ отбора биогаза путем бурения и обустройства вертикальных скважин с минимальным расстоянием (для обеспечения движения техники) между устьями - 40 метров. Сбор биогаза производится через перфорированные отверстия, сделанные в обсадной колонне каждой скважины, и собирается в единый газосборный коллектор с последующей его транспортировкой на утилизационное (факел) или перерабатывающее (например, газопоршневая электростанция) оборудование.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности устройства системы на действующем полигоне без необходимости регулярного наращивания оголовков скважин в зависимости от увеличения роста «пирамиды» отходов. Также, при незакрытой непроницаемой геомембраной поверхности полигона такая система при минимально-допустимом расстоянии (Технологический регламент получения биогаза с полигонов твердых бытовых отходов, АКХ им. К.Д. Памфилова, 1989 г.) между скважинами способна перехватить менее 60% восходящих потоков биогаза. При этом, слишком частая установка вертикальных скважин будет препятствовать работе техники при складировании и уплотнении отходов.
Увеличение производительности вертикальных скважин при существенном уменьшении их количества (увеличения расстояния между ними) предлагается в системах, где к вертикальным колодцам примыкают горизонтальные трубки или дренажные траншеи заполненные крупно-фракционным материалом, цель которых увеличить охват дренированием свалочного тела (патент России №2198745, 02.20.2003 г., патент России №2242299, 20.12.2004). Горизонтальные трубки присоединяются к вертикальным колодцам ярусами, по мере роста «пирамиды» отходов. При реализации данного способа, несмотря на уменьшение необходимого количества вертикальных скважин, все равно остается необходимость их постоянного наращивания в процессе увеличения объема отходов и сохраняется локальное препятствование работе тяжелой технике, которая планирует поверхность полигона и производит уплотнение отходов. Кроме того, из-за постоянных просадок свалочного грунта, вследствие сбраживания и уменьшения объемов органических отходов, могут нарушаться соединения горизонтальных дрен с вертикальными колодцами, что существенно снижает степень охвата объема свалки дренированием.
Влияние просадок свалочного грунта на нарушение целостности соединения горизонтальных дрен с вертикальными колодцами было решено путем устройства горизонтальных труб в основании полигона (патент России №2320426, В09В 1/00, В09В 3/00 27.03.2008). При такой схеме газ собирается системой вертикальных скважин, а транспортируется до магистрального коллектора и утилизационного оборудования по системе горизонтальных дрен. Решив проблему с надежностью системы, авторы снова вернулись к проблеме размещения большого количества вертикальных скважин в теле полигона для получения нужного охвата дренированием, что, как уже отмечалось выше, сильно осложняет использования системы в период складирования отходов.
В патенте США 10279382, 07.05.2019 предлагается поэтапная система организации системы сбора биогаза. На ранней стадии формирования «пирамиды» полигона на дно карт укладываются горизонтальные перфорированные дрены, которые собирают и отводят биогаз, выделяемый первыми слоями отходов. После полного заполнения полигона устанавливают классическую систему вертикальных скважин и перекрывают поверхность непроницаемым для газа материалом. Недостатком такого способа является слишком большой пространственно-временной разрыв между двумя системами сбора биогаза, приводящий к тому, что горизонтальные скважины на дне карт со временем оказываются в зоне повышенной концентрации углекислого газа, который тяжелее воздуха и оседает в нижней части свалочного тела. В итоге, значительно снижается концентрация метана в общем потоке биогаза, что накладывает ограничения по использованию оборудования для его обработки или утилизации.
Известны способы, когда вертикальные скважины полностью заменяют на горизонтальные дрены, выполненные из пластиковой гофрированной (патент России №2127608, 20.03.1999, патент России №2325240, 27.05.2008, патент России №132004, 27.11.2012, патент США №8864413, 21.10.2014) или стальной (патент России №2258535, 20.08.2005) перфорированной трубы. Недостатком в первом случае является низкая сопротивляемость пластикового трубопровода статическим (давление верхних многотонных слоев отходов) и динамическим (движение тяжелой техники) нагрузкам, а во втором - быстрое коррозионное разрушение стальных труб в агрессивной среде. В обоих способах горизонтальные дренажные трубы предлагается укладывать в траншеи и обсыпать по периметру гранулированным материалом для создания фильтра, задерживающего крупные частицы мусора и грунта, которые могут засорить коллектор. Данное решение имеет временный характер, так как при частых и глубоких просадках из-за сбраживания и уменьшения объема органической части отходов значительная часть гранулированного фильтра может провалиться в нижние слои отходов.
Известен способ стимулирования дегазации полигона захоронения отходов (патент России №2696886, В09 В1/00, 19.03.2019), суть которого заключается в погружении в тело полигона большого количества гибких вертикальных скважин, которые на поверхности увязываются между собой газосборными горизонтальными гибкими дренами, транспортирующими собранный газ к системе его утилизации. Данный способ используется в голландской технологии Multriwell (https://www.multriwell.com/).
У данного метода есть четыре недостатка. Во-первых, установка вертикальных гибких скважин производится путем прокалывания стальным «Стичером» толщи отходов, который одновременно устанавливает скважину. Содержание в свалочном массиве крупных частей отходов строительства и сноса может затруднить установку, на что указывают сами авторы технологии, решая задачу дополнительным лидерным бурением, что обуславливает привлечение дополнительной тяжелой специальной техники для решения поставленной задачи и увеличивает объем работ.Во-вторых, гибкие вертикальные дрены легко деформируются в процессе смещения свалочных масс, что приводит к существенному уменьшению их пропускной способности. В третьих, вертикальные дрены погружаются преимущественно на одну и ту же глубину, что не позволяет регулировать отключение части системы, которая оказалась в зоне скопления тяжелого газа (диоксида углерода). В итоге происходит утяжеление биогазовой смеси, что затрудняет транспортировку метана до поверхности. В четвертых, установка вертикальных и горизонтальных дрен на действующем полигоне требует подготовки поверхности для обеспечения работы буровой и погружающей машин, а также перекрытия всей площади полигона после установки скважин газонепроницаемой мембраной. После завершения складирования, в процессе рекультивации полигона весь процесс установки системы необходимо повторить заново для верхних слоев отходов, что утяжеляет экономику проекта.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении вредного воздействия полигона ТКО на окружающую среду за счет отведения из толщи отходов биогаза системой перфорированных кольцевых дрен, которые располагаются на откосах пирамиды на разных уровнях (фиг. 1).
На фиг. 2 представлен разрез части пирамиды отходов с одним уровнем расположения кольцевых дрен. Горизонтальные дрены 2 изготавливаются из полиэтилена повышенной огнестойкости и укладываются по периметру пирамиды отходов 1 примерно в 2-4 метрах от края откоса и прижимается газопроницаемым грунтом 3. Такой способ укладки делает давление свалочного грунта на трубу пренебрежительно низким, что позволяет существенно снизить вероятность ее деформации во время эксплуатации и не предъявляет требования к повышенной кольцевой жесткости трубы.
На фиг. 3 представлен фрагмент горизонтальной перфорированной дрены. Перфорация 4 горизонтальных дрен выполняется по периметру трубы 2 таким образом, чтобы на одной орбите располагалось не более четырех отверстий для сохранения кольцевой жесткости. Расстояние между двумя отверстиями на одной продольной оси колеблется от 0.5 до 2 метров, в зависимости от объема отводимого газа и диаметра трубы. Перфорированные трубы зашиваются в прочный тканый геотекстиль 5, характеризующийся высокой проницаемостью для газа и низкой проницаемостью для крупных механических примесей с размером фракций более 1 мм.
Кольца дрен укладываются в несколько ярусов, по мере роста «пирамиды» отходов и независимо друг от друга подключаются к утилизационной установке через коллектор, на которой может производиться индивидуальное отключение от общей системы любого из ярусов. Такой способ укладки и подключения к утилизационному оборудованию позволяет контролировать вертикальное положение зоны максимальной концентрации метана и снизить в общем потоке избыточную долю диоксида углерода, утяжеляющего биогазовую смесь и тормозящего выход метана на поверхность.
Наличие зоны максимальной концентрации метана по вертикали было установлено экспериментальным путем на ряде действующих полигонов ТКО. Было пробурено несколько глубинных скважин, в которых через каждый метр проходки производилось измерение концентрации метана и диоксида углерода. Результаты обработки замеров показали, что первые несколько метров проходки происходит постепенный рост концентрации метана, а уже после 4-6 метров глубины начинается ее довольно резкое снижение (фиг. 4). В среднем, рабочая зона отдающая максимальное количество метана располагается в диапазоне глубин 3-5 метров.
Непрерывный рост пирамиды отходов в процессе эксплуатации полигона, а также неравномерное выделение биогаза влияет на плавающее положение контакта, который постоянно меняет отметку своего положения. В результате этого дрены, установленные ниже отметки контакта, начинают затягивать большое количество диоксида углерода, что негативно сказывается на работе утилизационного оборудования. Многоярусная система с возможностью отключения отдельных дрен позволяет контролировать максимальную концентрацию метана в общем потоке биогаза.
Параметры системы сбора газа, диаметр труб, длина, расстояние между дренами в плане и по вертикали, определяются индивидуально для каждого полигона по результатам полевых исследований и газодинамического моделирования.
Газодинамические расчеты можно проводить с использованием сертифицированных трехмерных симуляторов, используемых для моделирования движения флюидов и газов в пористых средах при разработке нефтяных и газовых месторождений. В основе симулятора лежат законы сохранения массы и движения (закон Дарси), а также уравнения состояния пластовых флюидов (газов). Система дифференциальных уравнений с помощью численных методов преобразуются в конечно-разностную систему алгебраических уравнений, при которой решение ищется не во всех точках, а лишь в узлах (ячейках) сетки модели.
В процессе моделирования создаются цифровые двойники полигонов с воспроизведением процессов и особенностей образования и миграции биогаза, которые использовались для проведения численных экспериментов по обоснованию оптимальных параметров будущей системы дегазации.
Перед тем как проводить численные эксперименты, построенные газодинамические модели должны быть настроены на результаты полевых газогеохимических исследований, в рамках проведения которых определялся фактический выход компонентов биогаза через открытую поверхность полигонов. Настройка модели осуществляется путем подбора проницаемости свалочного грунта, т.е. его способности проводить газ. Критерием качественной настройки является совпадение суточного выхода биогаза в каждой точке замера. На фиг. 5 представлен пример результатов настройки трехмерной газодинамической модели на результаты полевых замеров дебитов газа.
После настройки модели и определения проницаемости грунта проводятся многовариантные расчеты по поиску оптимального расположения кольцевых дрен относительно друг друга.
Анализ результатов проведенных аналогичных расчетов на ряде действующих полигонов показал, что оптимальное расстояние между кольцевыми дренами в плане (горизонтальное направление) может варьировать в диапазоне от 20 до 50 метров -конкретная величина зависит от проницаемости и степени неоднородности свалочного тела и устанавливается индивидуально по результатам газогеохимических исследований и моделирования. В разрезе (вертикальное направление) расстояние между ярусами колец зависит от угла откоса и расстояние в плане: диапазон значений 5-15 метров.
При установке первого яруса кольца на действующем полигоне, заполненном более чем на 50% от проектного объема, для более активного вовлечения в процесс дренирования нижних слоев отходов под кольцевую дрену устанавливается батарея вертикальных перфорированных мини-скважин, газодинамически связанных с кольцевой дреной через седловую муфту-тройник (Фиг. 6). Длина скважины и расстояние между ними в батареи по данным полевых исследований составляет 3-6 м и 20-50 м, соответственно.
Вертикальные мини-скважины (Фиг. 6) устанавливаются в два этапа:
- установка металлической перфорированной обсадной трубы с шурупным наконечником 6;
- установка пластиковой перфорированной трубы 7 с седловой муфтой-тройником 8. Металлические перфорированные обсадные трубы диаметром 100 мм имеют
заостренный наконечник шурупного типа, что позволяет без проблем погружать ее на необходимую глубину установкой для вкручивания винтовых свай, установленную на небольшую самоходную машину. Такой способ позволяет производить установку вертикальных скважин без предварительного лидерного бурения.
На втором этапе в металлические обсадные трубы погружаются пластиковые перфорированные трубки диаметром 60 мм, на которые, посредством электросварных соединений, надеваются седловые муфты-тройники. В эти муфты укладываются горизонтальные перфорированные дрены, в которые через специальные нижние отверстия заводятся перфорированные пластиковые трубы-вставки для подачи свалочного газа.
Такая конструкция позволит сохранить вертикальные скважины в период сильных смещений и просадок грунтов (деформация пластиковой трубы), а также после исчезновения металлической обсадной трубы в результате коррозии металла в агрессивной среде свалочного тела.
Газодинамические расчеты показали, что в случае превышения расстояния между сторонами кольца первого яруса 120 метров и высоте «пирамиды» накопленных отходов более 10 метров целесообразно устанавливать на этом же уровне поперечные горизонтальные дрены с вертикальными мини-скважинами (фиг. 7).
Горизонтальные поперечные дрены берут на себя временную нагрузку по отбору биогаза, на время, пока:
- кольцевые дрены не перекроются слоем мусора, а откосы в их районе не будут перекрыты временной непроницаемой для газа геомембраной до кольцевой дрены следующего уровня.
- не включатся в работу кольцевые дрены следующих уровней.
В первом случае перекрытие кольцевой дрены слоем отходов и временной геомембраной по откосам необходимо для минимизации поступления кислорода в перфорированную трубу. В противном случае может образоваться риск получения взрывоопасной смеси. Именно поэтому, поперечные горизонтальные дрены не перфорируются, а присоединенные к ним мини-скважины перфорируются только в нижней части (1-1,5 метра) от забоя. Такая конструкция, при которой отбор производится только вертикальными скважинами, а транспортировка биогаза осуществляется только по горизонтальным дренам, позволит избежать возгораний, пока система не скроется под толщей отходов, блокирующих подтягивание воздуха в трубу.
Несмотря на то, что поперечные дрены располагаются в зоне максимальных статических (давление верхних слоев отходов) и динамических (активного движения тяжелой техники) нагрузок, дополнительные требования к повышенной кольцевой жесткости трубы не предъявляются, так как после роста свалки и установки следующих ярусов, вся нагрузка по отбору биогаза перейдет только на кольцевые дрены. В этом случае даже полная деформация (выход из строя) поперечных дрен на последней стадии эксплуатации полигона не повлияет на снижение объемов добычи биогаза.
Таким образом, формируется надежная система дегазации, которая может подстраиваться под плавающее положение зоны максимальной концентрации метана в свалочном теле, не потеряет своей эффективности в случае деформации отдельных элементов и позволит без нарушения привычного производственного процесса продолжать эффективно складировать твердые коммунальные отходы.