Даны вредные влияния полигонов твердых бытовых отходов к окружающей среде. Проведен обзор технологий по минимизации негативного его воздействия, при этом учитывались возможности использования свалочного газа. На этой основе предложен способ сбора, утилизации газов и удаление фильтрата городских свалок, который позволит увеличить эффективность отвода биогаза и фильтрата образованных в полигонах бытовых и промышленных отходов и обеспечить благоприятную экологическую обстановку. Кроме того, предложенный способ сбора и очистки газов позволит утилизировать свалочный газ, который может быть использван для обогрева жилых и нежилых помещении, a также тепличного хозяйства.
Жизнедеятельность человека тесно связана с появлением большого количества отходов. Рост потребления во всем мире в последние десятилетия привел к значительному увеличению объемов накопления отходов, который достиг почти геологического масштаба.
В настоящее время почти во всех странах мира большая часть ТБО подвергается захоронению на свалках и полигонах: в Республике Казахстан – около 97 %, в России – более 90 %, в США – 54 %, во Франции – 32 %, в Швейцарии – 49 %. Исключение составляют страны с ограниченной территорией и высокой плотностью населения, такие как Япония, Швеция, Германия, Дания, Бельгия, где в свою очередь на полигоны захоронения вывозят от 4 до 18 % твердых бытовых отходов (ТБО) [1].
В Казахстане из-за простоты и низкой затратности складирование и захоронения отходов на полигонах является единственным способом обезвреживания ТБО.
В настоящее время практически все полигоны в Казахстане исчерпали свой срок действия и оказывает вредное воздействие окружающей среде в течение длительного периода времени [2]. При этом, к основным негативным факторам выделение считается свалочный газ, который способствует к всемирному глобальному потеплению. В связи с этим минимизация его воздействия на окружающую среду являются весьма актуальными проблемами. На этой основе добыча и дальнейшее использование газа с полигонов являются наиболее приемлемыми, перспективными и обоснованными решениями с экологической и экономической точки зрения.
Целью исследования являются разработка способа очистки и утилизации газов городских свалок, позволяющий обеспечить снижения загрязнения окружающей среды и утилизация свалочных газов.
Материалы и методы исследования
В последние время во всех странах мира количество образованных твёрдых бытовых отходов резко возросло. На этой основе переработка и утилизация бытовых отходов становятся все более злободневной проблемой. При этом, переполненные и дымящиеся полигоны, a также образованные несанкционированные свалки являются основными источниками загрязнения окружающей среды.
Полигоны ТБО не только вызывают эпидемиологическую опасность, но из-за анаэробного разложения органических отходов вызывающие образование взрывоопасного биогаза, они становятся мощным источником биологического загрязнения. При этом, основной компонент биогаза – метан представляет угрозу для человека и отравляет воду и воздух, и является одним из виновников возникновения парникового эффекта, разрушения озонового слоя атмосферы и прочих бед глобального характера. Қроме того, тепло выделяемое при биохимическом разложении и химическом окислении могут быть источником самовозгорания материалов свалки и источником выброса ядовитого дыма в атмосферу [3].
Приведенный выше перечень негативных факторов влияния полигона на окружающую среду свидетельствует о необходимости разработки, a также использование свалочного газа. В настоящее время существует огромное разнообразие технологий. Среди них «Способ и система аэрации свалок твердых бытовых отходов». В данном способе осуществляется аэрации свалок и полигонов для захоронения ТБО путем организации циркуляции воздуха в свалочном теле. Это обеспечивает по сравнению с неаэрируемыми свалками в 8–10 раз больший выход метана за счет системы труб, что снижает пожароопасность свалок и полигонов [4].
Недостатком данного способа является выброс метана в атмосферу.
«Способ извлечения биогаза для обезвреживания полигонов и хранения твердых бытовых отходов и устройство для его осуществления» позволяет извлечь биогаз с доставкой его потребителю. Извлечение биогаза осуществляются ветвями перфорированных труб, соединенных со сборным коллектором и уложенных по линиям естественного стока с уклоненым дном в сторону, противоположную месту соединения труб со сборным коллектором [5].
Рис. 1. Способ сбора и отвода биогаза и фильтрата на полигонах ТБО в оврагах и складках местности: 1 – дно; 2 – склоны оврага; 3 – слои гидроизоляционного материала; 4 – водонепроницаемый грунт; 5 – кольцо из полимерной трубы с глухими стенками; 6 – днище; 7 – колодец вертикального газового дренажа; 8 – заглушка; 9 – отходы; 10 – горизонтальные перфорированные трубы; 11 – заглушки; 12 – изолирующий слой; 13 – наружная гидроизоляция; 14 – фильтрат; 15 – полимерный трубопровод; 16 – эрлифт; 17 – газосборник; 18 – дренажная канава
Рис. 2. Способ сбора и отвода биогаза на полигоне твердых отходов с многослойным противофильтрационным экраном: 1 – основание; 2 – многослойный противофильтрационный экран с нижним водоупорным слоем; 3 – дренажный прослой; 4 – фильтрующий слой; 5 – защитный слой; 6 – водонасыщенная зона; 7 – фильтрат; 8 – ненасыщенная зона; 9 – наружная изоляция; 10 – системы распределенных по площади полигона фундаментов; 11 – дренажные колодцы с открытым верхним концом; 12 – горизонтальные трубчатые дрены; 13 – направлении; 14 – герметичное соединения; 15, 17, 18 – трубы скважины вертикального газового дренажа; 16 – фильтрующая обсыпка; 19 – скользящая опалубка; 20 – колпак-заглушка
Недостатком известного способа является отсос свалочного газа осуществляемых только с низу, что не обеспечивает извлечение биогаза из полигона в польном объеме.
В способе сбора и отвода биогаза и фильтрата на полигонах ТБО в оврагах и складках местности, представленным на рис. 1 отвод фильтрата и биогаза производят с помощью установленных внутри колодца эрлифта и газосборника [6].
Недостатком данного способа является удаление метана только утрамобанной части полигона.
Биогаз в способе сбора и отвода биогаза на полигоне твердых отходов с многослойным противофильтрационным экраном под действием избыточного давления в теле полигона через фильтрующую обсыпку 16 и отверстия в стенках труб 15, 18 скважины вертикального газового дренажа проникает в ее внутреннюю полость, затем в дренажный колодец 11, откуда но горизонтальной трубчатой дрене 12 в направлении 13 биогаз отводится к газосборному коллектору и далее для утилизации на газоэнергетическую установку или на факел (рис. 2) [8].
Применение данного способа сбора и отвода биогаза на полигоне ТБО позволяет обеспечить эффективное и безопасное хранение твердых бытовых и промышленных отходов, снижает загрязнение атмосферы за счет постоянного отвода и утилизации биогаза на протяжении всего срока эксплуатации полигона за счет использования для отвода биогаза надэкрановой дренажной системы, предназначенной для сбора и отвода фильтрата.
Недостатками данного способа является удаление биогаза только утрамобанной части полигона и отсутствие отвода фильтрата из дренажного колодца.
Результаты исследования и их обсуждение
На основании известных способов и с целью увеличения эффективности отвода биогаза и фильтрата образованных в полигонах бытовых и промышленных отходов нами разработан эффективный способ сбора, утилизации газов и удаление фильтрата городских свалок (рис. 3).
Рис. 3. Способ сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов: 1 – подготовленную грунтовую основания; 2 – утрамбованная грунтовая основания; 3 – фундаменты; противофильтрационный экран; 4 – дренажный колодец; 5 – горизонтальные трубчатые дренажи для фильтрата; 6 – горизонтальные трубчатые дренажи для биогаза; 7 – звенье труб; 8 – отверстия в стенках труб; 9 – промежуточная грунтовая изоляция; 10 – фильтрующая обсыпка; 11 – отверстия в стенках труб; 12 – трубчатая скользящая опалубка; 13 – дефлектор; 14 – слой наваленных отходов; 15 – перемычки для слива фильтрата из горизонтального трубчатого дренажа
Поставленная цель достигается за счет размещения звеньев труб с отверстиями в стенках, труб горизонтального дренажа для отвода биогаза и фильтрата, причем трубы горизонтального дренажа для отвода биогаза должны быть расположены не выше чем трубы горизонтального дренажа для отвода фильтрата, на расстоянии не менее чем диаметра горизонтального дренажа биогаза и под углом 45° относительно оси х, a также увеличением высоты вертикального газового дренажа до 2 м от утрамбованной поверхности. Помимо этого, для увеличения всасывасывающей способности, на линии отвода биогаза перед утилизацией предусмотрена газодувка.
При разложении органической составляющей отходов образуются фильтрат и биогаз. Фильтрат под действием силы тяжести просачивается к основанию, перехватывается горизонтальными трубчатыми дренажами 5 над противофильтрационным экраном 3, отводится по ним в дренажный коллектор и далее на очистку. Образованный в полигоне биогаз под воздействием разряжения, созданных в скважинах газодувкой и действием избыточного давления в теле полигона через фильтрующую обсыпку 10 и отверстия в стенках труб 7, 11 скважины вертикального газового дренажа проникает в ее внутреннюю полость, затем в дренажный колодец 4, оттуда по горизонтальному трубчатому дренажу 6 отводится к газосборному коллектору. Далее биогаз проходя газодувку направляется для утилизации на газоэнергетическую установку или потребителю.
Выводы
Использование разработанного способа сбора и отвода биогаза на полигоне ТБО позволит обеспечить эффективное и безопасное хранение твердых бытовых и промышленных отходов, снизить загрязнения окружающей среды парниковыми газами и обеспечить народное хозяйство тепловой энергии за счет утилизации биогаза.