УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ОБЪЕМОВ ИЗВЛЕКАЕМОГО БИОГАЗА С ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
DEVICE FOR INCREASING VOLUMES OF EXTRACTED BIOGAS FROM SOLID HOUSEHOLD WASTE LANDFILLS

Предлагаемое устройство относится к установкам по обезвреживанию полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) и свалок путем создания дополнительных условий по увеличению объемов получаемого биогаза. Площадь полигонов ТБО в Российской Федерации достигла 15 тысяч га. Эксплуатируется около 1300 зарегистрированных полигонов ТБО [1]: «Энергетический потенциал свалочного газа на полигонах ТБО». ЦСИ ТЭК ДВ, 2013 г., с. 37. Фактическое число полигонов и свалок еще больше.
На большинстве из них отсутствуют системы сбора и полезного использования биогаза из-за его низкой рентабельности. Повышение объемов вырабатываемого биогаза в каждой скважине, пробуренной в массиве полигона является важной народнохозяйственной задачей. «Технологический регламент получения биогаза с полигонов ТБО», разработанный в АКХ им. К.Д. Памфилова [2] так же рекомендует только конструкции скважины, но не рассматривает приемы увеличения объемов добываемого биогаза.
Известен [3] «Способ сбора и отвода биогаза на полигонах ТБО с многослойным противофильтрационным экраном» авторов Вострецова С.П. и Преображенского Ю.Б. по патенту РФ №2320426. МПК В09 1/00.
По данному способу производится подготовка основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из сети распределенных по площади полигона скважин, собранных из секций и имеющих перфорированные стенки, причем отвод биогаза из вертикального газового дренажа осуществляют по трубчатым дренам горизонтального дренажа, расположенного в основании полигона.
Недостатками данного способа являются необходимость начала работ еще при создании полигона при послойной укладке отходов, а также отсутствие каких-либо действий по увеличению объемов извлекаемого биогаза.
Известен также [4] «Способ получения биогаза и удобрения из органических отходов» авторов Парахина Ю.А., Седова Ю.А. и др. по патенту РФ №2372155. МПК В09В 1/00.
По данному способу на подготовленном основании устанавливается газодренажная конструкция из жестко связанных труб для вертикального и горизонтального дренажа с послойной укладкой отходов до проектной высоты бурта. Герметизируют слои отходов слоями глины, биогаз отводят через газодренажную конструкцию, а фильтрат - гидродренажной системой.
Недостатками данного изобретения также являются необходимость начала работ еще при закладке полигона и - отсутствие возможности влиять на увеличение объемов вырабатываемого биогаза.
Известен [5] «Способ извлечения биогаза для обезвреживания полигонов хранения твердых отходов и устройства для его осуществления» авторов Гладкова О.А., Лофгрен Каре и Таганова И.Н. по патенту РФ №2127608. МПК A61L 11/00.
Устройство, реализирующее данный способ, содержит горизонтально укладываемые в тело полигона коллекторы, сборники-смесители и транслирующие трубопроводы, соединенные с компрессорной станцией, причем коллекторы выполнены в виде ветвей гофрированных, перфорированных труб, оснащенных кранами и пробоотборниками, а сборник-смеситель соединен с компрессорной станцией транспортирующим трубопроводом.
Недостатками данного способа и устройства являются невозможность добычи биогаза с глубоких слоев полигона, изолированных слоями отходов, через которые не проникает биогаз, а также - отсутствие операций на увеличение объемов вырабатываемого биогаза.
Ближайшим аналогом (прототипом) [6] является «Устройство для извлечения биогаза для обезвреживания полигонов хранения твердых бытовых отходов» авторов Мариненко Е.Е., Ефремова Т.В. и др. по патенту РФ №2258535. МПК A61L 11/00.
Устройство содержит сборный коллектор, газосборные перфорированные тубы, конденсатосборник, пробоотборник, транспортирующий трубопровод, компрессорную станцию, причем газосборные трубы подсоединены к сборному коллектору посредством гибких вставок, на свободных концах труб установлены заглушки, при этом конденсатосборник, расходомер, пробоотборник и отключающее устройство смонтированы на сборном коллекторе, который соединен транспортирующим трубопроводом через компрессорную станцию с когенератором.
Недостатками данного устройства - прототипа являются также невозможность извлечения биогаза с глубоких слоев полигона, которые могут быть изолированы непроницаемыми для биогаза слоями отходов, и -отсутствие узлов и приемов по увеличению выхода биогаза из скважин, расположенных в разных местах полигона с отличающимися характеристиками органики в грунтах из отходов.
Задачей предлагаемого изобретения является создание универсального устройства для увеличения объемов извлекаемого биогаза с каждой из скважин и, таким образом, - с полигона в целом.
Технический результат предлагаемого решения заключается в следующем:
-увеличен объем извлекаемого биогаза за счет введения колонны обогащения и электрохимического электролизера, водород с которого поступает в колонну и превращает часть балластного газа CO2 и СО в СН4;
- увеличен объем извлекаемого биогаза за счет создания оптимального температурного режима для сообщества метанообразующих бактерий в скважинах путем подачи в них горячей или холодной воды;
- увеличен объем извлекаемого газа за счет создания в каждой скважине оптимального рН для функционирования бактерий, путем подачи в скважины раствора католита или раствора аналита с выходов электролизера;
-увеличен объем извлекаемого биогаза за счет использования в качестве засыпки в секциях колонны обогащения волокнистого графитового материала, имеющего чрезвычайно развитую поверхность, увеличивающую время взаимодействия газов СО, CO2 с Н2 при образовании СН4.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующих описываемое нами «Устройство для увеличения объемов извлекаемого биогаза с полигонов твердых бытовых отходов» нами не обнаружено. Таким образом, по нашему мнению, предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новое».
На основании сравнительного анализа предложенного решения с известным уровнем техники, можно утверждать, что между совокупностью отличительных признаков, выполняемых ими функций и достигаемой задачи, предложенное техническое решение не следует явным образом из уровня техники и соответствует, по нашему мнению, критерию охраноспособности «изобретательский уровень».
На чертеже изображено «Устройство для увеличения объемов извлекаемого биогаза с полигонов твердых бытовых отходов». Устройство содержит газосборные перфорированные трубы 1, погруженные в скважины полигона вертикально или горизонтально, количество которых определяется размерами полигона, причем газосборные трубы соединены трубопроводами 2 со сборным коллектором 3, а выход последнего также через трубопровод, регулирующий вентиль 4 подключен к входному патрубку 5 колонны 6 обогащения биогаза, выходной патрубок 7 которой через гидравлический затвор 8 выдает биогаз на компрессорную станцию 9 и далее потребителям, например, на когенератор (не показан на чертеже). Электрохимический электролизер 10 имеет камеру 11 аналита с электродом, пористой диафрагмой, верхний патрубок 12 для выхода водорода и нижний патрубок 13 для выхода раствора аналита, а также - камеру 14 католита со своим электродом и патрубком 15 для выхода раствора католита, причем патрубки с растворами аналита и католита через регулирующие вентили 16, 17 подключены к общему трубопроводу 18 подачи растворов в скважины, соединяющим их с входом в соответствующую скважину (показано на чертеже для примера на одну скважину).
Колонна обогащения биогаза содержит секции 19 с размещенной на них зернистой иммобилизирующей бактерии засыпкой: перлит, керамзит или волокнистый графитовый материал, а со стороны дна установлены патрубок 20 подачи необогащенного биогаза в колонну, соединенный через насос 21 с входом компрессорной станции и - патрубок 22 подачи водорода в колонну, соединенный с патрубком выхода водорода с камеры аналита.
Вода поступает с магистрали 23 холодной воды через насос 24 подачи холодной воды и регулирующий вентиль 25, а также горячая вода подключенного к магистрали нагревателя 26, через насос 27 подачи горячей воды и регулирующий вентиль 28 подаются в общий трубопровод и далее в газосборные скважины, в зависимости от условий охлаждения или подогрева температуры в конкретной скважине.
«Устройство для увеличения объема извлекаемого биогаза с полигонов твердых бытовых отходов» работает следующим образом.
В книге [7] Вайсман Я.И. и др. «Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходах», Пермский ПТУ, 2003 г., с. 37, отмечается, что «…большое влияние на величину эмиссии в фазе метаногенеза оказывают физические факторы: морфология и влажность отходов, наличие питательной среды для метаногенозного сообщества, температура в теле полигона, рН жидкой фазы свалочного тела…».
Таким образом, только одновременный учет всех указанных факторов, может создать оптимальные условия для увеличения объема извлекаемого биогаза с каждой скважины и с полигона в целом.
Наличие органики в разных частях полигона по объему и составу разные, так как свалки формировались, как правило, без сортировки отходов и в разное время года.
В связи с этим до начала работ на новом полигоне с предлагаемым устройством осуществляется обследование каждой скважины известными в геологии методами и составляются, своего рода, паспорта скважин, в которых указывается температура внутри скважины, влажность, наличие сообщества метанообразующих бактерий и рН жидкости.
Общий трубопровод 18 подачи растворов в скважины подключается к любой из газосборных перфорированных труб 1 во все скважины полигона, объемы которых по выходу биогаза необходимо оптимизировать. Если в конкретной скважине устанавливается, например, термофильный режим, то его температурный диапазон необходимо поддерживать в пределах 52…55 градусов Цельсия.
Если температура превышает заданную, что происходит, когда органика «горит», то через насос 24 от магистрали воды 23 через регулирующий ключ 25 в трубу 1 скважины подается холодная вода в необходимом объеме. При наличии температуры в конкретной скважине ниже термофильного режима подается подогретая вода от нагревателя 26 через насос 27, регулирующий вентиль 28 и общий трубопровод 18.
Суточное изменение температуры раствора, обеспечивающее оптимальное размножение метановых бактерий, должно находиться в пределах 1…3 градуса Цельсия [10].
Метанообразующие бактерии эффективно размножаются и производят биогаз при рН равном 7,0…7,2, при этом генерация газа не должна выходить за пределы рН=6,5…8,0.
Для управления параметрами рН в газосборные трубы 1 скважин подаются с электрохимического электролизера 10 растворы аналита или католита.
Раствор аналита с камеры 11 аналита через нижний патрубок 13, регулирующий вентиль 16 и общий трубопровод 18 поступает в соответствующую газосборную трубу 1, а раствор католита передается с камеры 14 через патрубок 15, регулирующий вентиль 17 также в общий трубопровод 18.
После оптимизации работы газосборных труб 1 в скважинах осуществляется сбор биогаза сборным коллектором 3 и подача его через регулирующий вентиль 4, входной патрубок 5 колонны обогащения биогаза, его выходной патрубок 7, гидравлический затвор 8 на вход компрессорной станции 9 и далее в газохранилище потребителя или на когенератор (не показано на чертеже).
Для увеличения калорийности биогаза за счет увеличения в его составе доли метана и уменьшения долей окиси и двуокиси углерода, биогаз со входа компрессорной станции 9 насосом 21 через патрубок 20 подают в нижнюю часть колонны 6 обогащения биогаза. Также в нижнюю часть колонны 6 через патрубок 22 поступает водород с камеры 11 аналита через его патрубок 12. Секции 19 колонны 6 заполнены иммобилизирующей засыпкой: перлит, керамзит или по предложению авторов - волокнистым графическим материалом. Развитая поверхность засыпки позволяет увеличить время контакта газов при их химической реакции.
В неочищенном биогазе содержится до 45% двуокиси углерода: «Процесс получения биогаза». Информационный материал фирмы ZORG [электронный ресурс] www.zorg-biogas.com [8].
В книге Сассона А. Биотехнология: свершения и надежды [9], с. 276, указывается, что метан образуется при соединении двуокиси углерода с водородом в виде:
3CO2+12Н2=3СН4+6H2O.
Также у авторов Янко В.Г., Янко Ю.Г. Обработка сточных вод и осадка в метантенках [10] на с. 10 и 11 указывается, что реакция метанообразования может быть записана как:
CO2+4Н2=СН4+2H2O,
а для реакции восстановления окиси углерода при наличии водорода:
СО+3Н2=СН4+H2O.
Таким образом, добавляя в колонну 6 обогащения неочищенного биогаза, поступающего в колонну с входа компрессорной станции 9, представляется возможность увеличить долю метана за счет уменьшения количества окиси и двуокиси углерода, поступающих с газосборных труб 1 скважин полигона.
Увеличить эффективность реакции взаимодействия этих газов можно за счет увеличения площади их контакта, поэтому предлагается в секциях 19 использовать засыпку из углеродного войлока, имеющего чрезвычайно развитую поверхность. По данным Рязанского военного автомобильного института поверхность одного грамма углеродного волокнистого сорбента составляет 2380 квадратных метра [11], см. журнал «ИР», №6, 2001, с. 13, «Этот многогранный сорбент».
Подобные материалы выпускаются несколькими предприятиями, в том числе, ФГУП НПЦ «Углерод» [12] и РУП СПО «Химволокно» [13], например, углеродный войлок по ТУ 3497-029-11590737-04.
Повышение концентрации метана на выходе выходного патрубка 7 достигается за счет неоднократной продувки колонны насосом 21 и постоянным поступлении водорода с камеры 11 аналита.
Таким образом, оптимизируя режим метанообразования в каждой скважине путем регулирования рН (католит-аналит), температуру (подача холодной или горячей воды), влажность и уменьшая долю CO2 и СО в выходном биогазе, представляется возможность увеличивать объем извлекаемого газа с полигонов твердых бытовых отходов.
Использование предлагаемого изобретения повысит рентабельность процессов получения биогаза и увеличить объемы работ по эффективной переработке отходов на свалках и полигонах.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Энергетический потенциал свалочного газа на полигонах ТБО. ЦСИ ТЭКДВ, 2013 г., с 37.
2. Технологический регламент получения биогаза с полигонов твердых бытовых отходов. Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Панфилова, М., 1989 г.
3. Вострецов С.П., Преображенский Ю.Б. Способ сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых отходов с многослойным противофильтрационным экраном. Патент РФ №2320426. МПК В09 1/00.
4. Парахин Ю.А., Седов Ю.А. и др. Способ получения биогаза из органических отходов. Патент РФ №2372155. МПК В09В 1/00.
5. Гладков О.А., Лофгрен Каре (ЕЕ), Таганов И.Н. Способ извлечения биогаза для обезвреживания полигонов хранения твердых отходов и устройство для его осуществления. Патент РФ №2127608. МПК A61L 11/00.
6. Мариненко Е.Е., Ефремов Т.В. и др. Устройство для извлечения биогаза для обеззараживания полигонов хранения твердых бытовых отходов. Патент РФ №2258535. МПК A61L 11/00.
7. Вайсман Я.И., Вайсман О.Я., Максимова С.В. Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов. Пермский ГТУ, 2003 г.
8. Информационный материал фирмы Zorg [электронный ресурс] www. Zorg-biogas.com.
9. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. Пер. с англ. Под ред. В.Г. Дебабова. М., -Мир, 1987, с. 411.
10. Янко В.Г., Янко Ю.Г. Обработка сточных вод и осадка в метантенках. Киев, 1978, с. 120.
11. Журнал «ИР», №6, 2001, с. 13 «Этот многогранный сорбент».
12. Продукция ФГУП НПЦ «Углерод», 129090, М., Протопоповский пер., д. 9.
13. Ткани углеродные РУП СПО «Химволокно», 247000, г. Светлогорск, ул. Заводская, 5 [электронный ресурс] www.sohim.open.by
14. Виестур У.Э. и др. Системы ферментации. Рига: Зинатне, 1986, 174 с.