Электростанция на свалке

Print PDF

 Как в Финляндии из мусора научились добывать электроэнергию и тепло

Сейчас в мире существует несколько основных путей дальнейшей жизни мусора: либо его захоранивают на свалочных полигонах, либо он подвергается термической или биологической обработке, в самых же благоприятных случаях отходы удается переработать и получить из них материалы, которые затем можно использовать повторно. У каждого из этих подходов — свои недостатки, и до сих пор нет однозначного мнения, какой из способов переработки наносит меньший вред здоровью людей и окружающей среде. При этом вопросы вызывает не только способ переработки мусора, но и методы его реализации: как правильно организовать свалку, что делать с образующимся газом, а если сжигать мусор — то по какой технологии и что потом делать с продуктами горения.

Соотношение мусора, перерабатываемого различными способами, в разных странах может довольно сильно варьироваться. Например, в России очень мало мусоросжигательных заводов, а больше 90 процентов твердых отходов попадает на свалки. В большинстве европейских стран ситуация обратная — достаточно мало мусорных полигонов, но много электростанций, которые работают на сжигании мусора, и много предприятий для вторичной переработки отходов.

Одно из очевидных отличий этих подходов — время, которое тратится на полное избавление от мусора и любых его остатков. Так, при вторичной переработке или сжигании мусора от него удается избавиться сразу: в первом случае — превратив его в новый материал, а во втором — в углекислый газ и электрическую и тепловую энергию. Переработка же мусора на свалочных полигонах продолжается не один десяток лет после захоронения. Даже после окончательного закрытия свалки и прекращения поступления на нее новых отходов мусор продолжает разлагаться и гнить, производя все больше свалочных газов — в первую очередь, метана и углекислого газа. Более подробно о том, что происходит с мусором, попадающим на свалочные полигоны, вы можете прочитать в нашем материале «Химическая жизнь мусора»

Наиболее опасный и максимальный по объему газ, который производится на свалках, — это метан. Во-первых, он может попадать в атмосферу (а по парниковой активности метан превосходит углекислый газ), а во-вторых — он горюч, поэтому самопроизвольно может начаться медленное горение, которое потом иногда бывает практически невозможно остановить. Кроме того, свалочные полигоны, особенно если их использование начиналось довольно давно, когда технологии построения свалок еще не были отработаны, не всегда хорошо изолированы. Поэтому вопрос, что делать со старой мусорной свалкой, чтобы минимизировать урон окружающей среде и не навредить здоровью рядом с ней людей, — крайне важен, и до сих пор однозначного решения для него в нашей стране не предложено.

Чтобы разобраться, как в других странах работают с закрытыми свалочными полигонами для уменьшения опасного влияния на окружающую среду и какие альтернативные пути обработки отходов уже используются или только разрабатываются, мы съездили в Финляндию. У финских специалистов мы постарались выяснить, как следить за свалочными полигонами, когда свалка только заполняется, и что делать после ее закрытия.

Переработка свалочных газов

В Финляндии все твердые бытовые отходы либо сжигаются, так что из них получается электроэнергия, либо перерабатываются для вторичного использования, как это происходит, например, с пластиковыми отходами. С 2016 года большинство свалочных полигонов в стране полностью закрыты для бытовых отходов, а те несколько полигонов, которые открыты до сих пор, используются только для крупногабаритного и неперерабатываемого строительного мусора. Этот мусор обычно остается при постройке крупных зданий, он содержит, например, асбест и, как правило, его просто физически невозможно разделить на отдельные компоненты.

Тем не менее, закрытых свалок, на которые сравнительно недавно перестали свозить мусор, в Финляндии остается еще довольно много. Чтобы подробнее узнать о том, что сейчас происходит с этими закрытыми свалками, мы поговорили с Тиилой Корхонен (Tiila Korhonen) из Управления по экологическим службам в Хельсинки (HSY), которая работает на крупнейшем свалочном полигоне в Финляндии — Аммясcуо, начавшем свою работу в 1987 году. Сейчас на этом полигоне находятся две свалки: одна старая, которая была закрыта в 2007 году, другая новая, на которую в данный момент поступают только инертные неперерабатываемые отходы и асбест.

По словам Корхонен, основная часть работы с закрытой свалкой — это сбор производимых ею свалочных газов и их дальнейшая переработка. Для этого в 2009 году на территории полигона была установлена газоэлектростанция, которая сжигает собранный газ, превращая его в электроэнергию. Собираемый свалочный газ примерно на 50 процентов состоит из метана, остальные его компоненты — это углекислый газ, кислород и водяной пар. Остальные газы содержатся в смеси в небольшом количестве (это, в основном, летучие органические соединения, в том числе содержащие серу — именно они являются основным источником неприятного запаха газа).

Сейчас на закрытой свалке общей площадью 55 гектаров (на такой площади могли бы уместиться примерно 100 футбольных полей) образуется более 5 тысяч кубометров газа в час, а максимальный объем газа — примерно в два раза больше — свалка производила сразу после закрытия. Чтобы собрать весь этот газ для сжигания, на свалке работает система из 322 газовых скважин и 4 насосных станций.

 Моделирование

Чтобы правильно спроектировать систему сбора газа, рассчитать необходимое количество скважин и насосов, оценить ориентировочную загруженность газоэлектростанции на этапе ее строительства и спрогнозировать эффективность всей этой системы в дальнейшем, объем производимого на закрытой свалке метана оценивается с помощью численного моделирования. На Аммяссуо для этого используются две основные математические модели — это модель баланса массы и модель затухания первого порядка.

Первая модель учитывает массу поступившего на свалку мусора, долю органического углерода в этом мусоре и скорость превращения этого углерода в метан. Поскольку большая часть этих значений известна только приблизительно, то и окончательная оценка оказывается довольно грубой. От реальных показателей она может отличаться примерно на 50 процентов.

Вторая модель — более точная: она учитывает зависимость скорости распада органических компонентов от времени и описывает ее с помощью простой экспоненциальной модели с учетом даты начала использования полигона, времени его функционирования в открытом и закрытом состоянии и скорость образования метана. Несмотря на свою простоту, эта модель позволяет значительно точнее описать полученные таким образом данные. Эти же модели могут использоваться, чтобы спрогнозировать объем метана, который в будущем будет формироваться на тех свалках, мусор на которые сейчас еще продолжают свозить.

Для уточнения прогнозов образования метана рассчитанный объем газа корректируется с учетом текущих измерений. Согласно последним данным, сейчас с помощью газоэлектростанции удается переработать примерно 90 процентов образующегося газа, при этом эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую составляет около 45 процентов, остальная энергия идет на теплоснабжение. Сейчас мощность станции составляет около 11 мегаватт (это примерно 73 процента от максимальной мощности), что позволяет обеспечивать электричеством почти 5 тысяч отдельных домовладений.

Тиила Корхонен отмечает, что скорость образования метана на закрытом свалочном полигоне с течением времени падает и, по прогнозам, через 15 лет на полигоне Аммясуо количество производимого метана сократится примерно в 5 раз. Чтобы эту электростанцию можно было продолжать использовать, сейчас разрабатываются способы усовершенствования технологий сбора свалочного газа, в будущем же основным источником газа для станции станут собираемые сейчас отдельно биоотходы.

 Мониторинг выделяющегося газа

Постоянные измерения концентраций газа производятся не только внутри полигона для оценки объема производимой электроэнергии, но и в окружающей среде — для предотвращения попадания парниковых газов в атмосферу, а также для предупреждения возможного зарождения пожара. Особенно актуальна эта проблема для старых полигонов, которые были построены более 50 лет назад. Если все современные свалочные полигоны построены таким образом, что попадание сточных вод или образующихся газов в почву или атмосферу практически исключено, то при формировании полигонов в первой половине XX века подобные технологии еще не использовались и внимания возможным негативным последствиям для экологии уделялось значительно меньше.

При этом процесс разложения мусора и образования метана и других газов происходит в течение 100–200 лет после закрытия полигона, поэтому на старых свалках вредные вещества продолжают выделяться. Получить какую-то пользу от этих газов, например в виде электроэнергии, сейчас уже не удастся, однако необходимо сократить риск накопления горючих газов и попадания загрязнений в грунт и грунтовые воды. Для этого на самих свалках постоянно проверяется состав выделяемых газов, а в окрестностях старых полигонов продолжается регулярный мониторинг состава почвы и грунтовых вод.

 Мусоросжигательные заводы

Можно сказать, что со свалками в Финляндии научились работать достаточно хорошо, чтобы получать от них максимальную пользу и не наносить вред окружающей среде. Тем не менее, первое, о чем говорят финские эксперты в ответ на вопросы о способах правильного ухода за свалочными полигонами, — это необходимость перехода к современным мусоросжигательным заводам. В Финляндии этот процесс начинался в середине прошлого века, и сегодня сжигание мусора, во-первых, практически не оказывает негативного влияния на окружающую среду, а во-вторых, позволяет с достаточно большим КПД превращать мусор в электрическую энергию и тепло. Конечно, по эффективности мусоросжигательные заводы уступают газоэлектростанциям, но тем не менее около половины всех отходов удается таким образом преобразовать в полезную энергию.

Один завод может сжигать в год несколько сот тысяч тонн мусора. Например, завод, который несколько лет назад был запущен в Вантаа, одном из пригородов Хельсинки, сжигает около 320 тысяч тонн мусора, в результате чего образуется 920 гигаватт-часов энергии для отопления и 600 гигаватт-часов электроэнергии. Этого хватает для обеспечения примерно 200 тысяч однокомнатных квартир, эффективность преобразования энергии при этом достигает 95 процентов.

Специальные технологии разработаны для обработки золы и пепла, которого с одного завода образуется несколько десятков тысяч тонн в год. Поскольку в этих отходах содержится довольно много хлоридов и других относительно вредных веществ, то после выделения металлов для вторичной переработки зола и пепел становятся компонентами для производства асфальта или бетона, который затем используется для создания искусственных ландшафтов.

Сортировка мусора

Стоит отметить, что несмотря на исключительную (с точки зрения энергетики) пользу от сжигания мусора, далеко не все отходы в Финляндии вообще сжигают. Как и в большинстве европейских стран, уже много десятков лет у финнов существует практика очень тщательной сортировки мусора. Все, что может быть использовано вторично, — используется. В многоквартирных городских домах мусор сортируется на пять основных категорий: пластик, бумага, стекло, биоотходы и несортируемый смешанный мусор, в котором по каким-то причинам одну часть сложно отделить от другой (если мусор не попадает ни в одну из категорий или содержит токсичные вещества, его придется выбрасывать отдельно в специальных местах). В загородных же домах появляется много дополнительных типов отходов. Вокруг Хельсинки, например, для них существуют несколько точек сбора, куда люди приезжают на машине и выкидывают весь крупногабаритный мусор. Чтобы упростить дальнейшую утилизацию, отдельно собираются разные типы пластиковых отходов, крашеная и некрашеная древесина, в отдельную категорию попадают даже яблоки, от избытка которых приходится избавляться после переурожая.

После этого каждый из этих типов мусора попадает на свою станцию переработки. Например, для пластиковых отходов в пригороде Хельсинки построен специальный завод, которые перерабатывает два типа полиэтилена и полипропилен. Все пластиковые отходы, полученные с точек сбора мусора на определенной территории, попадают на этот завод, где происходит его дополнительная сортировка. С помощью ИК-спектрометра из пластика выделяются основные фазы: полиэтилен низкой и высокой плотности, полипропилен, полиэтилентерефталат и смешанный пластик, включающий остальные фракции (например, полистирол), каждой из которых в нем содержится менее одного процента. После этого каждый тип пластика превращается в хлопья, из которых после термической обработки с добавлением кросс-линкеров и катализаторов получается готовый к повторному использованию материал. Из него изготавливают пластиковые пакеты, дачные инструменты, а при добавлении древесины из такого пластика можно, например, получить панели для облицовки фасадов домов. При этом даже без использования метода дополнительной стабилизации пластика с помощью дополнительных веществ пластиковые материалы готовы пережить 8–10 циклов переработки. При дополнительной стабилизации таких циклов может быть бесконечное количество.

По словам специалистов, сейчас на вторичную переработку в Финляндии попадает примерно 22 процента всех пластиковых отходов. Максимальный же процент пластика, который можно переработать, достигает примерно 80 процентов, и к этой цифре они стремятся прийти в ближайшие годы.

Альтернативные способы

Для повышения эффективности переработки отходов финны уделяют особое внимание дальнейшему развитию технологий, связанных со сбором, сортировкой и переработкой мусора. В частности, в новых районах Хельсинки появляются системы подземных вакуумных трубопроводов, благодаря которым мусор практически моментально оказывается в точке сбора, единой для всего района в несколько десятков тысяч жителей. На заводах по переработке пластика внедряются новые системы анализа, которые позволяют уменьшить процент сжигаемого пластика, и новые составы для полимеризации, которые увеличивают число циклов переработки. Для отдельных видов отходов задумываются о введении новых систем утилизации, которые разрабатываются, в том числе, и в России. Это, например, метод сверхкритического водного окисления, с помощью которого можно эффективно обрабатывать мусор в гидротермальных условиях.

Несмотря на все увеличивающуюся эффективность используемых подходов, основная ответственность за безопасную утилизацию, тем не менее, лежит на каждом отдельном человеке. Политика по переработке мусора, выдвигаемая правительствами и частными организациями, будет иметь немного смысла, если не начать дело с малого — сортировки мусора в стенах собственного дома.

Источник N+1

Химическая жизнь мусора

Что происходит с отходами, когда они попадают на свалку?

Совсем недалеко от вашего дома — может быть, в паре десятков километров, а может быть и значительно ближе — работает масштабный химический реактор, куда каждый день загружают новые порции ингредиентов, состав которых точно не знает никто, да и результат работы самого реактора не вполне предсказуем. Реактор этот называют свалкой, или, в переводе на бюрократический язык, полигоном твердых бытовых отходов. Все, что выбрасывают жители городов, в конечном счете оказывается здесь. Редакция N+1 решила выяснить, что происходит с мусором, когда он оказывается на свалке.

В 2015 году в России, по данным аналитической компании Frost&Sullivan, было произведено 57 миллионов тонн твердых бытовых отходов, это лишь немногим меньше объема производства стали (71 миллион тонн). В Москве и области бытовой мусор (около 11 миллионов тонн в год) в основном состоит из пищевых отходов (22 процентов), бумаги и картона (17 процентов), стекла (16 процентов) и пластика (13 процентов), на ткань, металл и древесину приходится по 3 процента, еще около 20 процентов — на все остальное. В России на мусорные полигоны попадает до 94 процентов мусора, только 4 процента перерабатывается и 2 процента — сжигается. Для сравнения: в ЕС в переработку идет 45 процентов мусора, 28 процентов — попадает на свалки, а 27 процентов — сжигается.

Российские свалки за год выделяют в атмосферу 1,5 миллиона тонн метана и 21,5 миллиона тонн СО₂. Всего в России на 2015 год было 13,9 тысячи действующих мусорных полигона, из них в Московской области — 14. Только одна московская свалка в Чеховском районе (полигон «Кулаково») за год выдала в атмосферу 2,4 тысячи тонн метана, 39,4 тонны углекислого газа, 1,8 тонны аммиака и 0,028 тонны сероводорода.

Правильно организованный мусорный полигон — сложное высокотехнологичное сооружение. Прежде чем он будет готов к приему мусора необходимо подготовить дно: выложить его слоем глины толщиной около метра, поверх постелить водонепроницаемую геомембрану, слой геотекстиля, 30-сантиметровый слой щебня, в котором нужно уложить систему труб для сбора фильтрата — жидкости, которая будет собираться из мусора, а сверху будет еще защитная проницаемая мембрана. Дно свалки должно быть минимум на полметра выше грунтовых вод. Рядом со свалкой потребуется насосная и очистная станция для откачки и обезвреживания фильтрата, который насыщен органическими кислотами и другой органикой, соединениями тяжелых металлов. Кроме того, в слое мусора, когда он начнет накапливаться, потребуется установить систему труб для сбора и утилизации свалочного газа, станцию для его очистки и сжигания. Когда свалка заполнится (обычно полигон принимает мусор 20-30 лет) нужно сверху закрыть полигон еще одним защитным слоем, сохранив систему сбора свалочного газа — ей предстоит работать еще десятки лет.

Жизнь свалки

Химическую жизнь мусора на свалке условно можно разделить на четыре главных фазы. Во время первой фазы аэробные бактерии — бактерии, которые способны жить и развиваться в присутствии кислорода, — расщепляют все длинные молекулярные цепочки углеводов, белков, липидов, из которых состоит органический мусор, то есть, в основном пищевые отходы. Главный продукт этого процесса — углекислый газ, а также азот (количество которого постепенно снижается в течение жизни свалки). Первая фаза продолжается до тех пор, пока в мусоре остается достаточно кислорода, и она может занимать месяцы или даже дни, пока мусор относительно свеж. Содержание кислорода сильно варьируется в зависимости от степени спрессованности мусора и от того, насколько глубоко он захоронен.

Вторая фаза начинается, когда весь кислород в мусоре уже использован. Теперь главную роль играют анаэробные бактерии, которые превращают вещества, созданные их аэробными коллегами, в уксусную, муравьиную и молочную кислоту, а также в спирты — этиловый и метиловый. Среда на свалке становится очень кислотной. По мере того, как кислоты смешиваются с влагой, это высвобождает питательные вещества, делая азот и фосфор доступными для многоликого сообщества бактерий, которые в свою очередь интенсивно вырабатывают углекислый газ и водород. Если свалка будет потревожена или в толщу мусора каким-то образом проникнет кислород, все возвращается к первой фазе.

Третья фаза в жизни свалки начинается с того, что определенные разновидности анаэробных бактерий начинают перерабатывать органические кислоты и формировать ацетаты. Этот процесс делает среду более нейтральной, что создает условия для бактерий, продуцирующих метан. Бактерии-метаногены и бактерии, вырабатывающие кислоты, формируют взаимовыгодные отношения: «кислотные» бактерии вырабатывают вещества, которые потребляют метаногены, — углекислый газ и ацетаты, которые в больших количествах вредны для самих кислотопродуцирующих бактерий.

Четвертая фаза — самая длинная — начинается, когда состав и уровень производства газов на свалке становится относительно стабильным. На этой стадии свалочный газ содержит от 45 до 60 процентов метана (по объему), от 40 до 60 процентов — углекислого газа, и от 2 до 9 процентов других газов, в частности, соединений серы. Эта фаза может продолжаться примерно 20 лет, но даже через 50 лет после того, как на свалку перестали привозить мусор, она продолжает выделять газ.

Метан и углекислый газ — главные продукты разложения мусора, но далеко не единственные. В репертуар мусорных полигонов входят сотни разнообразных летучих органических веществ. Ученые, которые обследовали семь свалок в Британии, обнаружили в составе свалочного газа около 140 различных веществ, в том числе алканы, ароматические углеводороды, циклоалканы, терпены, спирты и кетоны, соединения хлора, в том числе хлорорганические соединения, такие как хлорэтилен.

Что может пойти не так

Завкафедрой экологического мониторинга и прогнозирования РУДН Марианна Харламова объясняет, что точный состав свалочного газа зависит от множества факторов: от времени года, от соблюдения технологий при строительстве и эксплуатации полигона, от возраста свалки, от состава мусора, от климатической зоны, от температуры воздуха и влажности.

«Если это действующий полигон, если продолжаются поступления органического вещества, то состав газа может быть очень разный. Там может идти, например, процесс метанового сбраживания, то есть в атмосферу попадает, в основном, метан, затем углекислый газ, аммиак, сероводород, могут быть меркаптаны, серосодержащие органические соединения», — говорит Харламова.

Самыми токсичными из главных компонентов выбросов являются сероводород и метан — именно они в больших концентрациях могут вызывать отравления. Однако, отмечает она, человек способен чувствовать сероводород в очень небольших концентрациях, которые еще очень далеки от опасных, поэтому если человек чувствует запах сероводорода — это еще не значит, что ему немедленно угрожает отравление. Кроме того, при горении мусора могут выделяться диоксины — значительно более токсичные вещества, которые, однако, не оказывают немедленного действия.

Технология эксплуатации мусорных полигонов предполагает, что свалочный газ собирается с помощью системы дегазации, затем его очищают от примесей и сжигают в факелах, либо используют в качестве топлива. Харламова отмечает, что сжигание неочищенного свалочного газа, как это делалось, например, на полигоне Кучино, может создать множество новых проблем с токсичными продуктами горения.

«В этом случае образуется, например, диоксид серы (при горении сероводорода), и другие токсичные сернистые соединения. При нормальной утилизации газа необходимо сначала очистить его от соединений серы», — говорит она.

Еще одна угроза возникает, когда в толще мусора начинается сильный разогрев, пожар без доступа воздуха, похожий на торфяной. В этом случае свалка резко меняет свой репертуар, в выбросах в большом количестве появляются альдегиды, полиароматические углеводороды, хлорированная полиароматика.

«При этом возникает характерный запах. Обычный запах свалки — это запах гниения, который дают сероводород и меркаптаны. В случае пожара начинает пахнуть жареной картошкой — это запах фтороводорода, который образуется при горении»,

— объясняет Харламова.

По ее словам, иногда пытаются прекратить поступление в атмосферу свалочного газа, закрывая полигон сверху пленкой, а затем слоем земли. Но это создает дополнительные проблемы:

«При гниении образуются пустоты и возникают провалы грунта, кроме того, пленка не пропускает воду, а значит сверху будут возникать болота», — говорит она.

Главный источник проблем со свалками, отмечает Харламова — пищевые и органические отходы. Именно они в основном создают условия для «производства» метана и сероводорода. Без пищевых отходов мусор намного лучше поддается сортировке и переработке.

«Если бы нам удалось организовать систему сбора мусора так, чтобы органика не попадала на полигоны ТБО, это решило бы большую часть проблем со свалками, которые возникают сегодня»,

— считает ученый.

Сергей Кузнецов

Источник N+1