СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАНА, СОДЕРЖАЩЕГОСЯ В БИОГАЗЕ, НА ПОЛИГОНЕ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF REDUCING METHANE RECOVERY CONTAINED IN BIOGAS ON A SOLID MUNICIPAL WASTE LANDFILL

Изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано при захоронении промышленных и бытовых отходов на свалках, а именно к способам снижения выделения метана, содержащегося в биогазе, при обработке твердых коммунальных отходов на полигонах. Известен «Способ получения биогаза и удобрения из органических отходов, включающий подготовку основания из гидроизолирующего материала, монтаж системы газового дренажа, послойную укладку отходов, отвод и сбор биогаза и фильтрата, отличающийся тем, что на подготовленном основании устанавливают газодренажную конструкцию из жестко связанных труб, совмещающую функции вертикального и горизонтального газового дренажа; перед укладкой на основание органические отходы сортируют, измельчают, засевают метаногенными микроорганизмами, увлажняют и укладывают их насыпкой с верхней части газодренажной конструкции послойно в несколько этапов до проектной высоты бурта, с пересыпкой каждого слоя отходов слоем глины; для герметизации слоев отходов слои глины орошают обеззараженным фильтратом или водой и подсушивают до образования твердой корки; при достижении проектной высоты бурта последний слой отходов герметизируют глиной как и нижние слои отходов; биогаз отводят через газодренажную конструкцию, а фильтрат - гидродренажной системой, вмонтированной в гидроизолирующее основание, и обеззараживают; после прекращения выделения биогаза переработанную микроорганизмами биомассу удаляют и используют в качестве удобрения; далее цикл переработки органических отходов повторяют. Патент РФ на изобретение №2372155, МПК: В09В 1/00, д. публ. 2009.11.10.
Известен «Способ сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов с многослойным противофильтрационным экраном, включающий подготовку основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из сети распределенных по площади полигона скважин, собранных из секций и имеющих перфорированные стенки, послойную укладку отходов, наращивание скважин на высоту каждого слоя отходов с применением скользящей опалубки, перекрытие заглушками верхних концов скважин вертикального газового дренажа в каждом цикле наращивания, отличающийся тем, что отвод биогаза из вертикального газового дренажа осуществляют по трубчатым дренам горизонтального дренажа, расположенного в основании полигона, при этом нижние секции труб скважин вертикального газового дренажа выполняют сплошными и присоединяют к дренажным колодцам горизонтальных трубчатых дрен, а верхний конец нижней секции скважины вертикального газового дренажа располагают выше уровня фильтрата над противофильтрационным экраном.
Патент РФ на изобретение №2320426, МПК: В09В 3/00; д. публ. 2008.03.27. Исследование процесса выделения биогаза на полигоне показало, что доля метана в биогазе непосредственно в объемах тестовых скважин составляет около 55,7±4%, а в призабойных пространствах около 68,6±1,5%. При этом температурному максимуму на глубине 5 м соответствует и большая доля метана в биогазе. Так, в пробах биогаза, взятых из глубины 5 м, содержание метана составляет 73,6-88,5%, в то время как в скважинах с глубиной 10-15 м доля метана в биогазе находится в пределах 63,2-67,2% (Лыков И.Н. и соавт., 2009, 2011).
13
13
В модельных экспериментах по метанобразованию с чистыми культурами показано, что при росте метаногенов на ацетате изотопный состав углерода метана и углекислоты обеднен С изотопом по отношению к углероду используемого ацетата. При этом изотопный состав углерода используемого ацетата имеет близкое значение δС с органическими продуктами на свалке. Распределение изотопного состава углерода, обнаруженное при анализе метана и углекислоты в теле свалки, является практически идентичным с данными в модельных экспериментах. Следовательно, можно полагать, что процесс метаногенеза в теле свалки связан с активностью метанобразующих бактерий, использующих ацетат как основной их субстрат (Муравьев А.И. и соавт., 2009).
В настоящее время к основным способам утилизации метана относятся (Абрамов Н.Ф., Проскуряков А.Ф., 1989; Лифшиц А.Б., Гурвич В.И., 1999; Energy Sector Methane Recovery and Use, 2009; Садчиков A.B., 2017):
- сжигание в факеле, направленное, прежде всего на уничтожение и ликвидацию метана в целях снижения экологической нагрузки и опасности возгорания полигонов;
- сжигание необработанного метана для получения тепла;
- очистка метана для дальнейшего использования в установках генерации электрической и тепловой энергии;
- очистка метана для дальнейшего использование в качестве газомоторного топлива;
- получение биометана из свалочного газа с содержанием метана свыше 96% для дальнейшего использования в системах газоснабжения.
Таким образом, биогаз, образующийся при биохимической ферментации органосодержащих отходов на полигонах ТКО, может использоваться как альтернативное местное возобновляемое топливо. Однако, рыночного (бездотационного) использования биогаза, образующегося на полигонах ТБО, в настоящее время в России практически не происходит. Кроме того, в условиях закрытия и рекультивации многих полигонов ТКО остро стоит проблема снижения эмиссии биогаза. Сжигание биогаза ограничено высокой стоимостью природоохранных устройств на энергогенерирующих установках (Елистратов В.В. и соавт., 2001).
2
3
Известен способ снижения эмиссии биогаза с использованием сорбционных загрузочных материалов. В качестве сорбционных материалов использовали отходы целлюлозно-бумажной промышленности: опил, кору, скоп, щепу. Конструкция биофильтра представляет собой корпус цилиндрической формы, выполненный из коррозионно-стойкого материала. Высота корпуса - 1,5 м, высота загрузочных слоев - 1,0 м, диаметр - 0,4 м, площадь биофильтра 0,126 м. На основании сорбционных свойств материалов определен порядок укладки сорбционных материалов и их объемное соотношение: щепа, опил, скоп и кора - 1:1:2:1 соответственно. Подача газовой смеси в биофильтр осуществляется при помощи компрессора с расходом 0,24 м/ч (Нетребин Ю.Я., 2004). Но подобная схема утилизации биогаза требует больших материальных и финансовых затрат.
Известен способ сокращения выбросов метана на полигонах путем его окисления в почвенном покрове (W.  М. Pawowska, 2007). Основная идея технологии заключается в том, что полигон покрывается слоем земли, который служит своеобразным биофильтром. Метанотрофная активность микроорганизмов в почве со временем возрастает в присутствии повышенных концентраций метана и стабилизируется примерно через месяц. Оптимальное значение рН для окисления метана составляет от 6 до 8. При этом авторами утверждается, что окисление метана в почве подчиняется кинетике Михаэлиса-Ментен. Но уравнение Михаэлиса-Ментен предполагает наличие нескольких ограничений, в числе которых важное значение имеет температура (особенно в зимний период) и емкость земляного биофильтра. Кроме того, окисление метана контролируется такими факторами окружающей среды, как текстура почвы, содержание влаги в почве, подача метана и кислорода, содержание питательных веществ в почве. Другим критическим фактором является проницаемость почвенного покрова ниже покрытия, для чего почву заменяют биофильтром с отверстиями (Kjeldsen P., Scheutz С., 2014). Таким образом, перечисленные способы не способны обеспечить долговременный процесс окисления метана.
Наиболее близким аналогом к способу в предложенном в качестве изобретения техническом решении является «Способ обезвреживания токсичных отходов при их захоронении на свалке или специальном полигоне», включающий размещение твердых и жидких отходов органического и неорганического происхождений в ограниченном пространстве свалки или полигона, оборудованном системой отвода газа и дренажной воды, анаэробную обработку, отличающийся тем, что органические и неорганические отходы размещают в виде чередующихся слоев или смеси отходов с соотношением масс органических и неорганических отходов (2:1)-(10:1), вводят метаногенные микроорганизмы и поддерживают содержание воды в массе отходов не менее 0,55%.
Патент РФ на изобретение №2114706, МПК: C02F 1/50, д. публ. 2004.08.10.
Техническим результатом способа является снижения выделения метана, содержащегося в биогазе, на полигоне твердых коммунальных отходов путем использования известнякового отсева для изоляции слоев утилизируемых отходов, что создает условия для размножения анаэробных (метанотрофных) микроорганизмов, использующих метан, содержащийся в биогазе, в качестве источника углерода. Предлагаемый метод позволяет снизить выделение метана в окружающую среду, на 24,5-40,2%, что способствует пожаробезопасности полигона твердых коммунальных отходов (ТКО) и уменьшению выбросов парникового газа.
Технический результат достигается тем, что «Способ снижения выделения метана, содержащегося в биогазе, на полигонах твердых коммунальных отходов, включает размещение твердых коммунальных отходов органического и неорганического происхождений на ограниченной площадке полигона. Органические и неорганические отходы размещают в виде чередующихся слоев смеси отходов, с нейтральным наполнителем. При этом смесь прессованых коммунальных отходов укладывают слоем высотой два метра и засыпают слоем с высотой 25 см известнякового отсева, содержащего 91% углекислого кальция, Время выдержки слоев в таком состоянии составляет 6 месяцев, после чего процедура повторяется, до образования 6-7 слоев. Затем осуществляют отбор проб биогаза, полученных через дренажные скважины 5, 10 и 15 метров глубиной в разных частях ограниченного пространства полигона. Образование биогаза в слоях происходит по типу твердофазной ферментации с четкой биогеохимической зональностью, зависимой от глубины горизонта, в которой изменяется как количественный, так и качественный состав микроорганизмов, окисляющих и использующих метан, содержащийся в биогазе, в качестве источника углерода.
Примеры конкретного выполнения способа.
Известняковый отсев образуется при переработке в щебень известняка. Образуемый отсев практически полностью состоит из известняковой муки. Известняковый отсев обладает щелочными свойствами (рН 8), благодаря присутствию углекислого кальция (табл. 1).
Территорию полигона площадью 15 га с твердыми коммунальными отходами (ТКО) разделяли на две ограниченные площадки. На одну из них складировали ТКО методом прессования высотой 2 м. Затем прессованные ТКО засыпали известняковым отсевом высотой 25 см. В таком состоянии выдерживали отходы в течение 6 месяцев, после чего процедура повторяется. Во время «отдыха» первой площадки, заполняется вторая по той же схеме. До образования 6-7 слоев.
Отбор проб биогаза осуществляли через специально пробуренные скважины 5, 10 и 15 метров глубиной в разных частях ограниченных площадок полигона. Образование биогаза на этих площадках полигона происходит по типу твердофазной ферментации с четкой биогеохимической зональностью. В зависимости от глубины горизонта изменяется как количественный, так и качественный состав микроорганизмов. Первый уровень (10 см - 1,0 м.) отличается наиболее интенсивными аэробными процессами и нарастанием микробной биомассы, содержащей ассоциации мезофильных аэробных и факультативных анаэробных микроорганизмов. Он характеризуется первичным разложением, гидролизом белковых соединений и накоплением первичных продуктов их разложения. На этом уровне количество микроорганизмов колеблется от 500 тыс.до 1,5 млн. КОЕ в 1 г отходов. На втором уровне (1 м - 5,0 м.) количество микроорганизмов колеблется от 2,2 млн. до 7,2 млн. КОЕ/г.Происходит накопление органических кислот (масляной, пропионовой, молочной, уксусной), а также низших спиртов, аммиака, нитратов, нитритов и водорода. Третий уровень (5,0 м - 10,0 м) отличается процессами анаэробной ферментации с участием нескольких видов микроорганизмов, в том числе лактобацилл и клостридий. Количество микроорганизмов на этом уровне колеблется от 550 тыс. до 2,0 млн. КОЕ/г. Температура третьего уровня варьирует от 30°С до 50°С, что создает благоприятные условия для развития термофильных микроорганизмов, ускорения процессов разложения сложных органических веществ и интенсификации метанового брожения. Ассоциация термофильных микроорганизмов этого уровня представлена в основном ацетогенами, превращающих органические кислоты в уксусную кислоту, водород и окислы углерода. Четвертый уровень (10,0 м - 15,0 м.) характеризуется значительно меньшим количеством микроорганизмов: от 150 тыс.до 670 тыс.КОЕ/г. Температура этого уровня медленно снижается до 20°С, что свидетельствует об истощении легкоразлагаемых органических соединений (Лыков И.Н. и соавт., 2011). Уменьшается и количество генерируемого метана (табл. 2).
Третий уровень называется ацидогенным или кислотным. Кислая среда и недостаток кислорода угнетают метанотрофную (разрушающую метан) микрофлору. Прослойка известнякового отсева нейтрализует среду, обогащает ее кислородом и создает условия для размножения метанотрофных бактерий, утилизирующих метан. Таким образом, биогаз, образующийся в анаэробной зоне, мигрирует вверх по разрезу и в аэрируемых приповерхностных отложениях под воздействием аэробной микрофлоры окисляется (рис. 1). При этом на глубине 5, 10 и 15 м. биогаз проходит соответственно 2, 5 и 7 прослоек известнякового отсева.
Наряду со снижением выделения метана на 24,5-40,2% изменяется компонентный состав самого биогаза (табл. 3).
Биогаз, образующийся при биохимической ферментации органосодержащих отходов на полигонах ТКО, может использоваться как альтернативное местное возобновляемое топливо. Однако, рыночного (бездотационного) использования биогаза, образующегося на полигонах ТБО, в настоящее время в России практически не осуществляется. Поэтому в условиях закрытия и рекультивации многих полигонов ТКО остро стоит проблема снижении явыделения биогаза. В свою очередь, сжигание биогаза ограничено высокой стоимостью природоохранных устройств на энергогенерирующих установках.
Предлагаемый в качестве изобретения способ позволяет добиться снижения выделения метана, содержащегося в биогазе на 24,5-40,2% (см. таблицу 3 и рис 1) на полигоне твердых коммунальных отходов путем использования известнякового отсева для изоляции слоев утилизируемых отходов, что создает условия для размножения метанотрофных микроорганизмов, использующих метан в качестве источника углерода, следовательно резко снижается выделение метана в окружающую среду, что способствует пожаробезопасности полигона твердых коммунальных отходов и уменьшению выбросов парникового газа.