ДЕГАЗАЦИЯ ПОЛИГОНА ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ СПОСОБОМ ЭЖЕКЦИИ
DEGASSING OF THE POLYGON OF SOLID MUNICIPAL WASTE BY THE METHOD FOR EJECTION

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно, к способу отвода биогаза из тела полигона  твердых коммунальных отходов (ТКО), изолированного от окружающей среды.
При эксплуатации закрытых полигонов, активность эндогенных и экзогенных процессов в теле полигона снижаются и носят затухающий характер, а объемы выделяемого биогаза  падают - дегазация  в виде добычи метана существующими  способами (активными, пассивными) становится  нецелесообразной.
Однако процессы метаногенезиса в теле полигона не останавливаются и сопровождаются созданием отдельных очагов для проявления эмиссии газов: метана, оксида углеводорода, а также летучих кислотных соединений воды, которые могут нанести значительный урон природе.
Для решения этих и сопутствующих им задач, для того, чтобы снизить уровень образования углеводородных соединений, скопившихся под защитным экраном, обезвредить пожароопасные участки и  сократить процессы метаногенезиса,  предлагается   дегазация полигона, при котором для удаления излишков газа (биогаза) из тела полигона используется кинетическая энергия воздуха в магистральной трубопроводе. Кроме того, способ  обеспечивает разубоживание газовой смеси из тела полигона до безопасной концентрации в магистральном трубопроводе и его удаление в окружающую среду.
«ОБЩИЙ ПОИСК ПАТЕНТОВ»
частично
Из уровня техники известно лишь несколько решений, в которых решались бы эти задачи. Они описаны ниже.
1. Известен способ сбора и отвода биогаза и фильтрата на полигоне ТБО, который включает подготовку фундаментов, монтаж системы вертикального газового дренажа из скважин с перфорированными стенками, распределенных по площади полигона, формирование горизонтального газового дренажа в виде дрен, расположенных на поверхности каждого завершенного слоя отходов и примыкающих к внешней дренирующей обсыпке скважин, наращивание скважин до отметки, превышающей высоту следующего слоя отходов и далее повторение цикла до достижения полной высоты полигона, установленной проектом, причем в последнем цикле скважины наращивают выше поверхности сформированного полигона и оборудуют их съемным дефлектором. Образующийся в толще отходов биогаз под действием избыточного давления через фильтрующую обсыпку и отверстия в стенках проникает во внутреннюю полость скважины, по которой поднимается вверх и собирается с целью его утилизации или через дефлектор выбрасывается в атмосферу  (патент RU № 2198745, МПК В09В1/00, 2003 г.).
Недостатком этого способа является  не контролируемость концентрации  биогаза,  выбросы биогаза в атмосферу, а также сложная и дорогостоящая конструкция системы, реализующая этот способ.
2. Известен способ стимулирования дегазации полигона захоронения твёрдых коммунальных отходов, включающий установку дренажных труб–дрен в вертикальном направлении в тело полигона отходов. Затем осуществляют соединение указанных дрен через систему труб, расположенную над отходами, размещаемую на поверхности полигона захоронения отходов. Создают изолирующий слой на поверхности полигона захоронения отходов. Установку дрен производят с заданным шагом на плоскости полигона захоронения отходов и на различную глубину, обеспечивая  сохранение максимально возможного уровня сбора полигонного газа. Создание изолирующего слоя  на всей поверхности полигона осуществляют для отсечения возможного попадания естественных осадков в тело полигона и создание газо- водонепроницаемого барьера, препятствующего последующему образованию полигонного фильтрата и выбросу в атмосферу полигонного газа. Дальнейшее возможное использование газа: сжигание на факельной установке при температуре от 1800-2500С, генерация электроэнергии, использование тепла или получение товарных фракций метана и углекислого газа (патент RU № 2696886, МПК В09В1/00, 2019 г.).
Недостатком этого способа является ухудшение экологической обстановки из-за необходимости сжигания газа на факельной установке при температуре от 1800-2500С, а также сложная и дорогостоящая конструкция системы, реализующая способ дегазации ТКО.
3. Известен способ сбора и отвода биогаза с полигонов твердых коммунальных отходов для его дальнейшего использования, заключающийся в установке в теле полигона несущих нагрузку горизонтальных газотранспортирующих линий, состоящих из газосборных труб и соединительных тройников между ними, укрытых 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 соединяют с газоколлекторной трубой, осуществляющей подачу газа в магистральную линию для транспортирования газа к месту использования, сверху газосборной системы выполняют 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 осуществляют влагоудаление, после чего откаченный 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 (патент RU № 2740814, МПК В09В1/00, 21.01.2021г.).
Недостатки этого способа заключаются в ухудшении экологической обстановки за счет сжигания газа в горелочном устройстве, а также сложная и дорогостоящая конструкция системы, реализующая данный способ.
4. Известна система активной дегазации полигонов твердых бытовых отходов и твердых коммунальных отходов, содержащая вертикальные дренажные гибкие дрены, соединенные с закрытой системой горизонтальных труб, имеющих возможность выпуска газа наружу, который образуется на площадке по переработке отходов;  указанные вертикальные дренажные гибкие дрены соединены с горизонтальными трубами, образующими отдельные газосборные кластеры, в каждом из которых дрены последующего ряда размещены со смещением относительно дрен предыдущего ряда, а каждый газосборный кластер подключен через горизонтальные отводящие трубы к закрытой системе горизонтальных труб, которые соединены с конденсатосборниками, компрессором, газовым компрессором, факельной системой, при этом система снабжена станцией автоматической регулировки потока биогаза от каждого газосборного кластера и автоматизированной системой управления (патент RU № 2713700, международная заявка WO2020/251407, МПК В09В1/00, 21.01.2021г.)
Недостатком этого способа  является  отключение  сети дренов  в кластере при их прокачке, при этом создаётся избыточное давление газов в самом кластере и при отсутствии выхода биогаза по дренам он начинает мигрировать к бортам тела полигона и там скапливается  в отдельных участках (кавернах),  из которых  газ может переходить из одной полости тела полигона в другую, или собираться в общую полость под защитным экраном полигона, что может привести к выбросу биогаза в атмосферу.
5. Известно устройство для извлечения биогаза из мусорных полигонов, в котором утечку газов разложения предотвращает пластиковый лист, который покрывает все тело мусора и примыкающий к нему сбоку грунт и проходит вертикально в почву. Собирающиеся под листом газы разложения удаляются через систему отвода газа. Прилегающий сбоку грунт дегазируется с помощью газовых шахт и газоотводных трубопроводов.  Это устройство позволяет реализовать способ извлечения биогаза для дальнейшего его использования  (патент ФРГ № 3425785, МПК В09В1/00,1986 г.).
Недостатком этого способа является необходимость возведения системы отбора и хранения биогаза в виде систем поверхностных мембран (пластиковых экранов) трубопроводов и шахт, а также  сложность конструкций  и отсутствие гарантий, что собранный таким способом биогаз не проникнет из «хранилищ»  на поверхность полигона и при взаимодействии с кислородом не создаст гремучую смесь.
«ВЫВОД ПО ОБЩЕМУ ПАТЕНТНОМУ ПОИСКУ:»
Все выше перечисленные способы дегазации полигонов можно отнести к способу  ДОБЫЧИ биогаза, когда технология откачки газа  с применением тягодутьевых машин или без них,  не допускает повышение концентрации кислорода более  5.2% в добываемом биогазе,  при которых могут создаваться  условия образования гремучей смеси.
Технологии для реализации обезвреживания и  дальнейшего использования биогаза требуют  автоматизированные системы регулирования и контроля за процессами, энергетических установок  и установок сжигания газа.
«ПРЕДМЕТНЫЙ ПОИСК ПО СУЩЕСТВУ ЗАЯВЛЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ:»
1. Известен способ аэрации полигонов твердых бытовых отходов путем организации циркуляции воздуха в свалочном теле. Известна также система аэрации полигонов твердых бытовых отходов, содержащая трубы для  подвода воздуха в свалочное тело
( см. патент США № 6024513, МПК В09В1/00, НПК 405/129, 2000г.).
Изобретение по указанному патенту США предназначено для организации преимущественно аэробной ферментации хранящихся на полигонах твердых бытовых отходов путем их принудительной вентиляции. Благодаря этому предотвращается попадание в атмосферу биогаза - продукта анаэробной биохимической ферментации отходов. Биогаз на 44 -50% состоит из метана, выделение которого всегда приводит к возникновению пожаров на свалках и полигонах. Кроме того, биогаз является одним из серьезных факторов парникового эффекта, поглощая тепловое излучение Земли в длинноволновой части спектра.
Практикующийся в некоторых странах сбор и использование биогаза в качестве топлива в условиях России нерентабелен ввиду сравнительной дешевизны таких ископаемых углеводородных топлив, как, например, природный газ и т.п. В то же время аэробная ферментация отходов по указанному патенту США также обладает рядом существенных недостатков, связанных в основном с необходимостью применения вентиляционных установок для закачивания  воздуха в тело полигона.
2. Известен способ  и система аэрации свалок твердых бытовых отходов путем циркуляции воздуха. Данным способом циркуляцию воздуха осуществляют через систему последовательно соединенных газопроницаемых приточных, транспортных и вытяжных труб, размещенных в свалочном теле, за счет нагрева выделяющимся в последнем теплом, причем отвод воздуха в атмосферу из вытяжных труб производят на более высоком уровне, чем забор воздуха в приточные трубы; система аэрации свалок твердых бытовых отходов, содержащая трубы для подвода воздуха в свалочное тело, состоит из последовательно соединенных наклонных приточных, горизонтальных транспортных перфорированных и вертикальных вытяжных труб, причем выходное отверстие вытяжных труб расположено на более высоком уровне, чем заборное отверстие приточных труб, транспортные трубы расположены в свалочном теле, по крайней мере, двумя ярусами  (патент RU № 2229950, МПК В09В1/00, 2004г. авт. Гонопольский А.М. и др.).
Техническое решение патент RU № 2229950 является наиболее близким к предложенному устройству, поэтому принято за прототип.
Недостатком этого способа является:
- высокая  трудоемкость  при устройстве системы аэрации (необходимость прокладки в теле полигона в несколько ярусов сложной сети горизонтальных, вертикальных  внутренних газоотводящих трубопроводов);
- высокие  затраты при эксплуатации системы скважин и трубопроводов на действующих полигонах.
-сложная сеть, взаимно пересекающихся трубопроводов с высоким внутренним  сопротивлением для потоков воздуха и биогаза.
Технический результат заявленного способа заключается в повышение надёжности и эффективности работы систем дегазации биогаза заполненных, законсервированных полигонов при упрощённой конструкции устройств, позволяющих реализовать данный способ.
Реализация заявленного способа позволит также:
- уменьшить выброс углеводородных соединений в атмосферу;
- снизить концентрацию биогаза в зонах скопления внутри полигона ТКО;
- снизить уровень пожароопасности и взрывоопасности на полигоне;
- обеспечить, в короткие сроки монтаж и эксплуатацию технических средств оборудования, за счет простоты конструкций и    технических решений, необходимых для реализации заявленного способа;
- сохранить экологическую и климатическую нейтральность полигона;
- обеспечить связывание органических и горючих фракций ТКО в продукте без потребности сжигания;
- сохранить кислородный баланс и благоприятную социальную обстановку вокруг полигона.
Указанный технический результат достигается за счет того, что дегазация полигона твердых коммунальных отходов (ТКО) способом эжекции,  заключается в том, что в тело полигона, изолированного от окружающей среды защитным экраном, устанавливают дренажные трубы и соединяют одни их концы с магистральной трубой,  магистральную трубу устанавливают  на поверхности  полигона, её концы входа и выхода воздуха  располагают в разных горизонтальных по вертикали  плоскостях,  и с возможностью сообщения ее верхнего и нижнего концов с атмосферой  - для создания естественной тяги воздуха в магистральной трубе,  а в зоны присоединения к ней дренажных труб устанавливают эжекторы, активные каналы которых присоединены к магистральной трубе с возможностью поступления в них  за счет естественной тяги атмосферного воздуха с нижнего конца магистральной трубы или за счет принудительной вентиляции, а  пассивные каналы эжекторов размещают в дренажных трубах  с возможностью засасывания и поступления через них из тела полигона ТКО биогазов, увлекаемых затем в магистральную трубу потоками воздуха, проходящего по активным каналам эжекторов, а после смешения воздуха и биогазов в смесительных камерах эжекторов, полученная воздушно-газовая смесь выходит из верхнего, вертикально установленного конца магистральной трубы в атмосферу.
При этом магистральную трубу устанавливают в верхней части тела полигона над защитным экраном в зоне скопления биогазов.
На магистральной трубе устанавливают   тягодутьевую машину.
На верхнем конце магистральной трубы устанавливают катализатор метана,  а на выходе из магистральной трубы устанавливают дефлектор.
Дренажные трубы собирают из пластиковых сердечников, с последующим  обертыванием   фильтрующим газо-водопроницаемым нетканым материалом.    Дренажные трубы устанавливают в верхней части тела полигона в зоне скопления биогазов под углом от 20° до 90° к горизонту..
Перед выходом воздушно-газовой смеси из верхнего конца магистральной трубы в атмосферу осуществляют автоматический контроль и регулирование предельно допустимого количества биогаза в воздушно-газовой смеси.
На входе магистральной трубы устанавливают автоматически управляемый шиберный затвор.
«ВЫВОД ПО ПАТЕНТНОМУ ПОИСКУ:»
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники, известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета, не выявило решений, которым присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в заявленной формуле изобретения, т.е., совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное техническое решение не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Т.е. заявленное решение имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование этих признаков  в заявленной совокупности существенных признаков дает возможность получить новый технический результат – повышение надёжности и эффективности работы систем дегазации биогаза заполненных, законсервированных  полигонов при упрощённой конструкции  устройств, позволяющих реализовать данный способ.
Следовательно, предложенное техническое решение получено путем творческого подхода и неочевидно для среднего специалиста в этой области, т.е. имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии указано его назначение, оно может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
В заявленном техническом решении используется кинетическая энергия воздуха в магистральном трубопроводе. Кроме того, способ  обеспечивает разубоживание газовой смеси из тела полигона до безопасной концентрации в магистральном трубопроводе (с содержанием кислорода в ней, более 14,0%) и её удаление в окружающую среду.
Данный способ не влияет на активные эндогенные и экзогенные процессы, происходящие в глубине тела полигона, но он способен сохранить равновесие этих процессов. Предотвращается попадание в атмосферу биогаза - продукта анаэробной биохимической ферментации, отходов, а также  за счёт снижения уровня метана позволяет затормозить  процесс генезиса, погасить очаги эмиссии биогаза, снизить влажность массива, образование сероводородных соединений, а также  карбонизацию – процесс превращения органических веществ, таких как растений и останков мёртвых животных, в углерод,  создать экологическую чистую атмосферу вокруг закрытых, с продолжительным сроками захоронения ТКО полигонов, снизить уровень выбросов  углеводородных соединений в атмосферу.
Установленная на магистральной трубе тягодутьевая машина за счёт принудительной подачи воздуха в магистральный трубопровод позволяет  увеличить кинетическую энергию струи воздуха в магистральном трубопроводе,   увеличить отбор газа из тела полигона, а также  снизить  влажность массива  в зонах у поверхности полигона, при этом кислотно-водные испарения остаются внутри самого тела полигона и не выходят на поверхность, выбросы углеводородных соединений сводятся до минимальных значений, парниковые эффекты локализуются, эндогенные и экзогенные процессы входят в стадию  равновесия.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
на фиг.1 представлена схема устройства, реализующего заявленный способ, общий вид;
на фиг.2 – узел А на фиг. 1, увеличено;
на фиг. 3 – пример реализации способа на полигоне «Анино».
Дегазация полигона твердых коммунальных отходов (ТКО) способом эжекции осуществляется следующим образом.
Тело полигона 1 твердых коммунальных отходов (ТКО) изолировано от окружающей среды защитным экраном 2. На  поверхности  полигона  над защитным экраном в зоне скопления биогазов устанавливают  магистральную трубу 3 таким образом, что ее  концы располагают в разных горизонтальных по вертикали  плоскостях,  и с возможностью сообщения ее верхнего и нижнего концов с атмосферой  - для создания естественной тяги воздуха в магистральной трубе. Верхний конец магистральной трубы 3 располагают вертикально. В  тело полигона 1 в верхней его части в зоне скопления биогазов устанавливают дренажные трубы 4, одну или несколько, под углом от 20° до 90° к горизонту.  Одни концы дренажных труб 4 соединяют с магистральной трубой 3. В магистральную трубу 3, в зоны присоединения к ней дренажных труб, устанавливают эжекторы 5. Активные каналы 6 эжекторов 5 присоединяют к магистральной трубе с возможностью поступления в них  за счет естественной тяги атмосферного воздуха с нижнего конца магистральной трубы 3 или за счет принудительной вентиляции.  Пассивные каналы 7 эжекторов 5 размещают в дренажных трубах 4 с возможностью засасывания и поступления через них из тела полигона ТКО биогазов,  увлекаемых затем в магистральную трубу потоками воздуха, проходящего по активным каналам 6 эжекторов 5. Атмосферный воздух и биогазы смешиваются  в смесительных камерах 8 эжекторов, а после смешения полученная воздушно-газовая смесь выходит из верхнего конца магистральной трубы 3 в атмосферу. На выходе из магистральной трубы могут быть установлены дефлектор 9, катализатор 10 метана, а на  входе магистральной трубы установлен автоматически управляемый шиберный затвор 11.
Перед выходом воздушно-газовой смеси из верхнего конца магистральной трубы в атмосферу осуществляют автоматический контроль и регулирование количества предельно допустимого количества биогаза в воздушно-газовой смеси газоанализатором 12.  Дренажные трубы собирают из пластиковых сердечников, с последующим обертыванием фильтрующим газо-водопроницаемым нетканым материалом. При необходимости (в случае падения атмосферного давления), для усиления тяги воздуха в магистральной трубе может быть  подключена   на верхнем или нижнем  концах магистральной трубы тягодутьевая машина (на чертежах не показана), для увеличения кинетической энергии воздуха.
На одном полигоне может быть установлено одно устройство с одной магистральной трубой, а может быть установлено  несколько таких устройств в разных частях полигона, в зависимости от количества зон скопления биогазов.
Ниже приведен пример осуществления заявленного способа.
Подготовлен проект для реализации заявленного способа на полигоне «Анино» в Московской области, Рузский район, общая схема представлена на фиг. 3. Полигон законсервирован в 2016 году, изолирован от окружающей среды защитным экраном 2 - геомембраной, поверх которой образован глиняный замок, средняя высота которого составляет 1 м. Газо-химический анализ показал скопление под мембраной биогазов с преобладанием метана (в процентном отношении 40/60) в одной из зон полигона, площадью 60м². Расчет показал, что для удаления скопившегося биогаза достаточна установка одной дренажной трубы 4 длиной до 10,0 м под углом 90° к горизонту, соединенной с магистральной трубой 3. В зоне соединения магистральной и дренажной труб установлен эжектор 5. Магистральная труба установлена над мембраной и глиняным замком и оснащена дефлектором 9, газоанализатором 12 и автоматически управляемым шиберным затвором 11. Участок дренажной трубы, проходящей через глиняный замок, выполнен без перфорации. Установка тягодутьевой машины и катализатора в данном проекте не предусмотрена. Перед выходом воздушно-газовой смеси из верхнего конца магистральной трубы 3 в атмосферу осуществляют автоматический контроль состава газоанализатором 12. В случае превышения предельно допустимого количества метана в выходящей из магистральной трубы воздушно-газовой смеси, автоматически срабатывает шиберный затвор 11, перекрывая выход воздушно-газовой смеси из магистральной трубы.
Применение заявленного  способа на старых полигонах, при концентрации  метана на  газоотводящих скважинах  ниже 40%, позволяет, при традиционной технологии дегазации, отказаться от факельного сжигания биогаза.
Использование заявленного технического решения позволит:
- уменьшить выброс углеводородных соединений в атмосферу;
- уменьшить выброс газа в атмосферу, сократить концентрацию биогаза на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ).
- снизить уровень пожароопасности и взрывоопасности на полигоне;
- обеспечить, в короткие сроки монтаж и эксплуатацию технических средств оборудования, за счет простоты конструкций и    технических решений, необходимых для реализации заявленного способа эжекции;
- сохранить экологическую и климатическую нейтральность полигона;
- уменьшить концентрацию вредных газов выбрасываемых в окружающую среду;
- обеспечить консервацию и хранение биогаза в теле полигона;
- сохранить кислородный баланс и благоприятную социальную обстановку вокруг полигона.