Способ сбора и отвода биогаза с полигонов твердых коммунальных отходов для его дальнейшего использования
METHOD FOR COLLECTION AND REMOVAL OF BIOGAS FROM SOLID MUNICIPAL WASTE POLYGONS FOR FURTHER USE THEREOF

Изобретение относится к обезвреживанию полигонов хранения твердых коммунальных отходов (ТКО) путем сбора и отвода биогаза для его дальнейшего использования.
В России 95% твердых коммунальных (бытовых) отходов, образующихся в процессе жизнедеятельности человека, размещаются без переработки на полигонах. Полигоны ТКО являются источниками загрязнения не только почвы и поверхностных вод, но и воздушного бассейна. В теле полигона в анаэробных условиях в результате жизнедеятельности метаногенных бактерий образуется свалочный газ (биогаз), состоящий из метана, углекислого газа и азота. Период выхода биогаза составляет от 15 до 25 лет. Парниковый эффект метана сильней, чем от углекислого газа, по разным оценкам на величину от 25 раз до 84 раз. Вклад полигонов ТКО в общую эмиссию метана на Земле составляет около 10%. Выделение биогаза (свалочного газа) создает высокую пожарную опасность на полигонах ТКО, что может привести к неконтролируемому сгоранию отходов с выбросом большого количества вредных веществ, в том числе диоксинов и фуранов. Утилизация биогаза, кроме решения экологических проблем, позволит вырабатывать тепловую и электрическую энергию, снижая использование природного топлива.
Количество биогаза, образующегося на полигоне, зависит от стадии биохимических процессов. Большое влияние на их течение оказывает возраст полигона, виды и методы складирования отходов. Измерения выхода биогаза на действующих российских полигонах установили значительную неравномерность выхода биогаза с тела полигона и большие колебания содержания в нем метана [1].
Известен способ сбора и отвода биогазов на мусорном полигоне, описанный в патенте [2]. Способ включает установленную на гравийном дренажном слое систему вертикальных колодцев, в полости которых размещен крупнофракционный материал и поверх уложена газонепроницаемая пленка, при этом колодцы сообщены с газосборником.
Недостатком известного способа является низкая эффективность сбора и отвода биогазов с полигона ТБО, так как газонепроницаемая пленка перекрывает только стволы вертикальных колодцев, поэтому биогаз имеет возможность проходить через слой ТБО в атмосферу.
Известен способ сбора и отвода биогаза, образующегося при разложении органической составляющей отходов [3], по которому на подготовленном основании рабочих карт полигона оборудуют вертикальные скважины, собираемые из железобетонных колец с перфорированными стенками, внутри колец устанавливают перфорированные асбестоцементные трубы меньшего диаметра, пространство между внутренними стенками колец и перфорированными трубами засыпают щебнем крупных фракций. В плане скважины располагают в виде квадратной сетки с минимальным расстоянием друг от друга 30-40 м и соединяют между собой в прямолинейные батареи промежуточными газопроводами, подключаемыми к магистральному. Наращивание систем газового дренажа ведут параллельно с укладкой отходов, по мере формирования слоев отходов толщины 2 м. Этот способ имеет следующие недостатки:
а) нижнее железобетонное кольцо обсадной трубы скважины газового дренажа устанавливается непосредственно на основание, что под давлением веса обсадной трубы может привести к нарушению герметичности противофильтрационного экрана в основании полигона и развитию фильтрационных утечки загрязненных стоков в подземные воды;
б) организованный отвод газа от устья скважины оборудуется только после достижения толщей отходов проектной высоты;
в) из-за большого расстояние между скважинами откачка газа при наличии значительных неравномерностей слоя захороненных отходов будет неполной.
Известен способ сбора и отвода биогаза, образующегося в толще полигона ТБО [4, 5], отличающийся от способа [3] отсутствием железобетонных перфорированных колец. На полигоне твердых коммунальных и промышленных отходов осуществляют подготовку основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из сети распределенных по площади полигона скважин с перфорированными стенками и наружной фильтрующей обсыпкой, сформированной при помощи скользящей опалубки, послойную укладку отходов с пересыпкой изолирующими слоями, наращивание скважин на высоту каждого слоя отходов, а отвод биогаза из скважин вертикального газового дренажа осуществляют по трубчатым дренам горизонтального дренажа в основании полигона. Способ [5] отличается от способа [4] тем, что соединения между секциями выполняют с возможностью взаимных угловых и линейных перемещений секций и тем, что колодцы, трубы и соединения элементов горизонтального и вертикального дренажа выполняют из антикоррозионных материалов, например из стеклопластика.
Этот способ имеет следующие недостатки.
Недостатком этого способа является:
а) необходимость устройства твердого основания-фундамента для каждой скважины;
б) необходимость сооружения системы в процессе засыпки полигона, что увеличивает время сооружения системы и не позволяет производить дегазацию уже отсыпанных полигонов (выведенных из эксплуатации и находящихся в стадии рекультивации);
в) биогаз и фильтрат отводят к газосборному и дренажному коллекторам совместно, что требует системы их разделения для дальнейшего использования биогаза;
г) обустройство вертикальных труб включает наружную фильтрующую обсыпку, что требует выполнение скважин большого диаметра.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является изобретение [6]. Система газосбора состоит их ветвей перфорированных газосборных труб, подсоединенных к сборному коллектору посредством гибких вставок, а на свободных концах труб и сборного коллектора установлены заглушки. Газосборные трубы, выполненные в виде ветвей гладких стальных перфорированных труб, соединенные со сборным коллектором, укладывают в объеме хранилища твердых коммунальных отходов на глубине 0,8 м по линиям естественного стока дренажных вод с уклоном 2 градуса в сторону, противоположную их соединениям со сборным коллектором.
Недостатками этого способа являются:
а) использование стальных перфорированных труб, что увеличивает стоимость системы и снижает надежность из-за их коррозии при постоянном нахождении в контакте с агрессивной газо-водяной средой;
б) выполнение горизонтальных коллекторов с наклоном 2° значительно повышает трудоемкость выполнения работ.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности и эффективности работы системы сбора биогаза при упрощении конструкции, что позволяет эффективно отбирать свалочный газ в условиях его неравномерного выхода, снижать стоимость сооружения систем дегазации за счет использования элементов газосборных систем и изоляции, выполненных из вторичного сырья, и снижать вредное воздействие на окружающую среду за счет устранения выбросов биогаза в атмосферу и отвода биогаза на утилизацию.
Задача решается тем, что для обезвреживания полигонов хранения твердых коммунальных отходов в теле полигона устанавливаются несущие нагрузку горизонтальные газотранспортирующие линии, состоящие из газосборных труб и соединительных тройников между ними, укрытые сверху полиэтиленовыми рукавами, с закрепленными в тройниках свободно подвешенными вертикальными перфорированными газосборными трубами, расположенными на расстоянии 3-6 м друг от друга. Горизонтальные газосборные трубы соединяются с газоколлекторной трубой, осуществляющей подачу газа в магистральную линию для транспортирования газа к месту использования. При этом все элементы газосборной системы выполняются из пластика, изготовленного, в том числе, из вторичного сырья. Сверху газосборной системы выполняется многослойный герметизирующий слой, состоящий из выравнивающего слоя грунта толщиной 600-800 мм, газонепроницаемого слоя из сплошной полиэтиленовой пленки и верхнего покрывающего слоя грунта толщиной 300 мм. В процессе отвода собранного биогаза осуществляется влагоудаление, после чего откачанный биогаз подают в распределительный коллектор, затем – в устройства генерации электрической и тепловой энергии и устройство подготовки и компримирования метана, а излишки газа сжигают в горелочном устройстве.
Предложенный способ поясняется рисунками, где:
- на фиг. 1 показан принцип соединения несущих нагрузку горизонтальных газотранспортирующий линий с закрепленными в тройниках свободно подвешенными вертикальными перфорированными газосборными трубами и многослойный герметизирующий слой;
- на фиг. 2 представлена схема газосборной системы, выполненная с боковым расположением газоколлекторной трубы;
- на фиг. 3 представлена схема газосборной системы, выполненная с центральным расположением газоколлекторной трубы;
- на фиг. 4 представлена общая схема отвода биогаза на утилизацию.
Способ осуществляется следующим образом. В теле полигона ТКО 8 выполняются скважины 9, расположенные на расстоянии от 3 до 6 метров друг от друга. В скважины опускаются перфорированные вертикальные свободновисящие газосборные трубы 2 с закрепленным сверху соединительным тройником 3. Тройники соединяются друг с другом с помощью горизонтальных газосборных несущих нагрузку труб 1. Линия горизонтальных газосборных несущих нагрузку труб с одной стороны закрывается заглушкой 4, с другой стороны соединяется с газоколлекторной трубой 5, которая по отношению к газосборной системе 14 может иметь боковое или центральное расположение. Газоколлекторная труба с одной стороны закрывается заглушкой 6, с другой стороны по направлению 7 осуществляется подача газа в магистральную транспортирующую линию к потребителям.
После соединения элементов системы газосбора горизонтальные газосборные несущие нагрузку трубы 1 укрываются сверху полиэтиленовыми рукавами 10, система засыпается слоем выравнивающего грунта 11 толщиной 600…800 мм, поверх выполняется газонепроницаемый слой из сплошной полиэтиленовой пленки 12, который сверху засыпается верхним покрывающим слоем грунта 13 толщиной 300…500 мм.
Общая схема отвода биогаза, отобранного в газосборных системах 14, на утилизацию, включает сборный коллектор 15, устройство влагоудаления 16, устройство откачки биогаза 17, распределительный коллектор 18, горелочное устройство для сжигания излишков газа 19, устройство генерации электрической энергии 20, устройство генерации тепловой энергии 21, устройство подготовки и компримирования метана 22.
Извлечение биогаза для обезвреживания полигонов хранения твердых коммунальных отходов помощью заявляемого способа осуществляется следующим образом.
Газ, образующийся в теле полигона ТКО, под действие разряжения, создаваемого в газосборной системе устройством откачки биогаза, через отверстия в перфорированных вертикальных свободновисящих газосборных труб откачивается в газосборную систему. Из перфорированных вертикальных свободновисящих газосборных труб газ поступает в газоколлекторную трубу, сборный коллектор, магистральную транспортирующую линию, по которой доставляется к месту использования. Из биогаза в устройстве влагоудаления удаляется сконденсировавшееся при остывании газа влага и газ используется для генерации тепловой энергии, генерации электрической энергии и компримируется для дальнейшего использования в качестве топлива. Излишки газа сжигаются в горелочном устройстве для снижения эмиссии метана, органических соединений и сероводорода в атмосферу.
В предлагаемом способе для сооружения газосборной системы применяются пластиковые изделия, что повышает антикоррозионную стойкость и снижает вес газосборной системы. Снижение веса газосборной системы позволяет использовать свободно подвешенные перфорированные газосборные трубы, прикрепленные верхними концами с помощью полиэтиленовых тройников к несущим нагрузку горизонтальным газотранспортирующим линиям. Опорой для газосборной системы являются горизонтальные сборные коллекторы. Таким образом способ не требует сооружения фундамента или бетонного основания для вертикальных газосборных труб, исключает давление вертикальных труб на основание полигона с разрушением противофильтрационного экрана.
По сравнению с известными способами, в которых расстояние между скважинами составляет от 30 метров, в предлагаемом способе скважины располагаются на расстоянии 3-6 м друг от друга, что повышает эффективность отбора биогаза в условиях неравномерности слоя захороненных отходов.
В отличие от известных аналогов способ не требует выполнения фильтрующей обсыпки вертикальных газосборных труб, что позволяет уменьшать диаметр скважин.
Для предотвращения попадания биогаза (свалочного газа) в атмосферу и подсосов атмосферного воздуха в газосборную систему над ней организуется герметизирующее многослойное покрытие, состоящее из следующих элементов:
- укрывного полиэтиленового слоя поверх горизонтальных газосборных труб, которое служит для предотвращения попадания грунта в устья скважины;
- выравнивающего слоя грунта для уменьшения нагрузок на всю газосборную систему и создания ровной основы для настилания полиэтиленовой пленки;
- основного газонепроницаемого слоя, состоящего из сплошной полиэтиленовой пленки;
- верхнего покрывающего слоя грунта, обеспечивающего целостность и долговечность газонепроницаемого слоя в течение жизни системы.
Кроме обеспечения герметизации многослойное покрытие производит распределение вертикальных и горизонтальных нагрузок с поверхности покрытия на газосборную систему, что позволяет осуществлять движение людей и транспорта по поверхности полигона; осуществлять дальнейшее использование участка полигона ТКО с сооруженной газосборной системой для рекультивации полигона ТКО или дальнейшего складирования ТКО поверх системы газосбора, таким образом создавая многоуровневую систему захоронения.
Предлагаемый способ позволяет в качестве элементов газосборных систем и газонепроницаемого слоя использовать трубы и полиэтиленовую пленку, изготавливаемых из вторичного сырья, что уменьшает объем захораниваемых отходов и снижает стоимость газосборной системы.
Предлагаемый способ дегазации предназначен для участков, на которых завершена отсыпка отходов, и позволяет производить дегазацию полигонов, находящихся в следующих стадиях:
а) выведенных из эксплуатации;
б) находящихся в стадии рекультивации;
в) эксплуатируемых полигонов с последующей засыпкой участков с сооруженной газосборной системой новым слоем отходов.
На основании исследования выхода биогаза (свалочного газа) с опытных линий полигонов ТКО, проведенных авторами заявки, установлено, что фактический выход газа с использованием предлагаемого способа с 1 Га составляет 1000 куб. м в час [1]. Согласно методике [3] период активного выделения биогаза (свалочного газа) составляет 25-30 лет. Таким образом свалочный газ, отбираемый с полигона ТКО площадью 1 Га позволяет получать 1,3 МВт электроэнергии или 2,7 Гкал/ч тепловой энергии и предотвратить выброс следующего объема вредных веществ: 3,5 млн куб м метана в год и 0,44 т сероводорода в год, органических соединений, вызывающих неприятные запахи. Кроме этого, преобразование энергии сжигаемого биогаза в тепловую и электрическую способствует снижению самовозгорания твердых коммунальных отходов полигона.
Литература
1. Исследование выхода свалочного газа с тела полигона ТБО / П.А. Трубаев, О.В. Веревкин, Б.М. Гришко и др. // Энергетические системы [Электронный ресурс]: материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., 31 окт. - 1 нояб. 2019 г. / Белгор. гос. технол. ун-т; отв. ред. П.А. Трубаев. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2019. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). ISBN 978-5-361-00766-0. Номер гос. регистрации: 0322000139.
2. Vorrichtung zur Gewinnung der Zersetzungsgase von . Патент ФРГ №3425785, кл. В09В 1/00. Автор, патентообладатель: Schneider R. Опубликовано: 23.01.1986.
3. Технологический регламент получения биогаза с полигонов твердых бытовых отходов. Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, М., 1990.
4. СПОСОБ СБОРА И ОТВОДА БИОГАЗА НА ПОЛИГОНЕ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ. Патент RU 2297287 С2. Класс В09В 1/00, 3/00. Автор: Вострецов Сергей Павлович (RU). Патентообладатель: ОАО "Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии" (ОАО "Галургия") (RU). Опубликовано: 20.04.2007, Бюл. №11.
5. СПОСОБ СБОРА И ОТВОДА БИОГАЗА НА ПОЛИГОНЕ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ С МНОГОСЛОЙНЫМ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫМ ЭКРАНОМ. Патент RU 2320426 С1. Классы В09В 1/00 (2006.01), В09В 3/00 (2006.01). Авторы: Вострецов Сергей Павлович (RU), Преображенский Юрий Борисович (RU). Патентообладатель: ОАО "Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии" (ОАО "Галургия") (RU). Опубликовано: 27.03.2008, Бюл. №9.
6. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОГАЗА ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ПОЛИГОНОВ ХРАНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ. Патент RU 2258535 С2. Классы A61L 11/00, В09В 1/00. Авторы: Мариненко Е.Е. (RU), Ефремова Т.В. (RU), Перфилов Е.В. (RU), Черкасов А.В. (RU), Горбунова М.Е. (RU). Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет" (ВолгГАСУ) (RU). Опубликовано: 20.08.2005.