Бытовые отходы станут новым топливным ресурсом промышленности

Установка для переработки мусорного топлива. Фото DepositPhotos/PhotoXPress.ru

Ежегодно в России накапливается около 70 млн т отходов. По данным Росприроднадзора, к началу 2018 года в стране насчитывалось более 38 млрд т промышленных и бытовых отходов. Но из них на переработку уходит только 4%, все остальное так и гниет на свалках. О проблемах российских мусорных свалок «НГ-энергия» уже писала довольно подробно в декабре прошлого года. Поэтому одним из нерешенных вопросов является проблема действующих свалок. По данным Минприроды, в России образуется порядка 400 кг твердых коммунальных отходов на человека в год. По прогнозу Международной финансовой корпорации (IFC), к 2025 году данный показатель возрастет до 500 кг на душу населения, что в пересчете на все население составит около 60 млн т мусора. По статистике, органические отходы составляют 35–50% от общего объема ТКО. После размещения отходов на полигонах происходит разложение захороненной органики с выделением в атмосферу загрязняющих веществ (метана, сероводорода, аммиака и т.д.), которые наносят вред окружающей среде и вызывают недовольство населения.

Происхождение сырья

Сейчас уже разработаны технологические условия для их использования. Речь идет о так называемом свалочном газе. Это газ из органических отходов, выделяющийся из мусора – биогаз, образующийся в результате анаэробного разложения органических отходов (пищевые отходы, бумага, картон и т.д.). Гниение мусора происходит под воздействием бактерий, принадлежащих к двум большим семействам: ацидогенов и метаногенов. Ацидогены производят первичное разложение мусора на летучие карбоновые кислоты, метаногены перерабатывают летучие карбоновые кислоты в метан (CH4) и диоксид углерода (CO2). Кроме того, водород поглощается углекислым газом с образованием того же метана. Как известно, именно метан обладает сильным парниковым эффектом. В результате свалочный газ состоит примерно из 50–75% метана, 25–50% CO2 и примесей азота, сероводорода и органических веществ. При исследовании семи свалок в Великобритании в 1997 году было обнаружено около 140 веществ, в том числе алканы, ароматические углеводороды, циклоалканы, терпены, спирты и кетоны, соединения хлора. При обследовании полигона твердых бытовых отходов (ТБО) «Кучино» в 2017 году было идентифицировано, исключая изомеры, около 160 органических соединений.

Известно, что технологии утилизации свалочных газов уже давно разработаны. К примеру, из 6 тыс. свалок, действовавших в США по данным на 2004 год, около 360 собирали и утилизировали свалочный газ. Коммерческое извлечение метана возможно еще на 600 свалках. Полученного из этого газа электричества будет достаточно для снабжения 1 млн домохозяйств. К 2025 году США планируют получать 29 млрд кВт·ч электроэнергии ежегодно из бытового мусора и свалочного газа. В 2002 году в Европе действовало 750 объектов по получению свалочного газа, всего в мире – 1152, общая мощность производства энергии – 3929 МВт, объем обрабатываемых отходов – 4548 млн т.

Ситуация в Европе

Если анализировать ситуацию с отходами в Европе, то в сравнении с 28 государствами – членами ЕС в Дании образуется наибольшее количество коммунальных отходов – 781 кг на человека в год. В то время как в среднем в ЕС 486 кг. В целом кроме Дании наибольшее количество таких отходов производят Германия (свыше 400 млн т), Италия и Франция. В Германии, к примеру, по данным 2017 года, существовало почти 1100 свалок. Из них 777 свалок категории 0 для инертных веществ (материалы, подобные по составу камням). Отходам с минималь ным влиянием на окружающую среду присвоена категория 1. Для коммунальных отходов насчитывалось 144 свалки. По техническим причинам все виды отходов полностью утилизировать невозможно. В ряде случаев те отходы, которые не представляется возможным немедленно подвергнуть утилизации, как раз и размещают на длительное хранение, которое может продолжаться не один год.

В настоящее время, отмечает немецкое информационное агентство dpa, проблемой в Германии становится уже... нехватка свалок. Дело в том, что, как правило, все свалки имеют определенный срок длительности, который обусловлен имеющимися техническими и санитарными предписаниями. До 2025 года по этим причинам будут закрыты 500 свалок. По мнению Стефана Шмидмайера из специального объединения Mineralik, которое занимается утилизацией строительного мусора, проблема заключается в том, что в Германии уже больше не выдаются разрешения на создание свалок. А число отходов, во всяком случае строительных, тем не менее возрастает, что во многом вызвано строительным бумом, который до недавнего времени (до пандемии коронавируса) переживала Германия. Это решение обходится отрасли в высокие побочные расходы, которые связаны в том числе и с так называемым мусорным туризмом, другими словами, когда отходы просто вывозятся как в другие немецкие земли, так и (нередко нелегально) в другие страны. Например, из Баварии строительные отходы вывозятся в соседние Тюрингию, Баден-Вюртемберг и даже в Австрию и Чехию, признает Хольгер Зайт в баварской строительной отрасли. Поэтому баварское земельное правительство в марте приняло решение о создании специальных свалок там, где это необходимо. Ведь при строительстве дома для одной семьи возникает объем отходов от 900 до 1300 т. А стоимость их утилизации достигает 30 тыс. евро. Но создание свалок представляет собой длительный процесс. От разработки проекта до введения объекта в строй нередко проходит до 9–10 лет. Много времени отнимает получение разрешений. Как известно, замечают эксперты, мало кто согласен иметь свалку перед своими дверями.

Технология создания подобных управляемых свалок сводится к следующему. На первом этапе строительства создается принимающая емкость (котлован), рассчитанный на 10–20 лет пользования. На дне котлована укладывается слой глины толщиной 1 м (или полиэтиленовая пленка) для предотвращения проникновения загрязненных вод в почву. В процессе строительства мусор вносится в котлован порциями в специальные ячейки, соответствующими суточной норме его поступления на свалку. Каждая такая ячейка высотой от 2 до 4 м изолируется глиной от предшествующих и последующих. После заполнения котлована мусором его закрывают «кровлей» – глиной, пленкой, засыпают землей, сверху высаживают траву. Котлован оснащается инженерными сооружениями для отвода жидких и газообразных продуктов разложения мусора. В теле котлована закладываются скважины, трубы, устанавливается насосное оборудование. Полученный газ передается по трубопроводам на электростанции, котельные, печи обжига, микротурбины и т.д.Первые 2–3 месяца из закрытого котлована с мусором выходит в основном CO2. Затем начинается выделение полноценного свалочного газа, которое продолжается до 30–70 лет. После 25 лет выработка метана начинает медленно сокращаться. После прекращения выработки газа территория, занятая котлованом, может быть вновь использована для переработки муниципального мусора.

В США ведутся разработки новых технологий, применение которых позволит уменьшить время выхода свалки на инертную заключительную стадию развития до всего лишь 10 или даже 5 лет.Их предполагается использовать при переработке мусора на самой крупной мусорной свалке в Латинской Америке – Бордо Поньенте. Власти города Мехико планируют выделить территорию для строительства котлована на юго-востоке города.

Подмосковный вариант

Но как быть с уже действующими мусорными полигонами?

В Московской области планируется разместить генерирующие установки по переработке свалочного газа в электроэнергию на восьми мусорных полигонах. Надо сказать, что такие объекты, функционирующие на основе использования возобновляемых источников энергии, появятся в Подмосковье впервые. «Это позволит получать зеленое электричество и улучшить экологическую обстановку в регионе», – приводятся в сообщении ТАСС слова министра энергетики Московской области Александра Самарина. «По статистике, органические отходы составляют 35–50% от общего объема ТКО. Поэтому появление на полигонах генерирующих установок, работающих на основе ВИЭ – биогаза, – важный шаг к улучшению экологической обстановки в регионе», – отметил Александр Самарин.

Из одного из крупнейших полигонов твердых коммунальных отходов в России и в Европе ТБО «Тимохово» предполагается сделать первый в России объект, функционирующий на основе биогаза, то есть только на продукте брожения органических отходов. Его производственные характеристики следующие: БГС «Тимохово» будет перерабатывать до 200 тыс. т органических отходов в год, сокращение выбросов (объем полученного из отходов биогаза) составит до 30 млн м3/год, объем выработки электрической энергии до 70 млн кВт-ч в год, установленная мощность установки – 10 МВт. Газ будет вырабатываться путем брожения органических отходов, помещенных в четыре металлических резервуара рабочим объемом около 3000 куб. м. Далее биогаз поступает в газгольдеры для промежуточного хранения и накопления, а после очистки будет готов к использованию. Потом он подается на систему подготовки, где происходят очистка биогаза и приведение его в состояние, пригодное для использования в качестве топлива для газопоршневых агрегатов. Очищенный биогаз подается на блочные ТЭЦ, где происходит выработка электрической и тепловой энергии и/или аварийные газовые факелы, работающие для утилизации излишков биогаза или при невозможности работы БТЭЦ.

Биогазовая станция будет не только способствовать переработке органических отходов, поступающих на полигон, но и вырабатывать «зеленую» электрическую, тепловую энергию и готовое, не имеющее запаха биоудобрение. Это позволит значительно снизить объемы захоронения отходов, а в перспективе избавиться от необходимости захоронения органики.

Биоэнергетика – новая отрасль в энергетике региона, которая решает двуединую проблему получения топлива и охраны окружающей среды. Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана – лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

В 2018–2020 годах были проведены конкурсы на строительство девяти генерирующих объектов, функционирующих на основе возобновляемых источников энергии: Торбеево (г. Люберцы), Тимохово (г. Богородский), Царево (Пушкинский район), Кучино (г. Балашиха), Ядрово (Волоколамский район), Непейно (Дмитровский район), Кулаковский (г. Чехов), Съяново (г. Ступино). Их общий прогнозируемый объем вырабатываемой электроэнергии –108,203 млн кВт-ч в год.

Во втором квартале 2020 года планируют ввод в эксплуатацию генерирующей установки, функционирующей на свалочном газе (ВИЭ), на полигоне ТКО «Торбеево» в городском округе Люберцы.

Плановый объем установленной мощности генерирующего объекта – 0,95 МВт с возможностью увеличения мощности генерации до 2,0 МВт при реализации второй очереди постоянной работы газопоршневой электростанции – 7,96 млн кВт-ч. Помимо этого электроустановка будет использоваться и как источник тепловой энергии. Планируется производство порядка 0,95 гигакалории тепловой энергии, которая обеспечит собственные нужды полигона – теплоснабжение административных и производственных помещений.

«Генерирующий объект на полигоне в Торбееве станет первым объектом в Подмосковье, который будет работать на возобновляемом источнике энергии – свалочном газе. Подобные установки появятся в регионе на восьми полигонах, что даст возможность не только получать «зеленое» электричество, но и позволит улучшить экологическую обстановку в регионе», – отметил министр энергетики Московской области Александр Самарин.

Надо сказать, эпидемиологическая ситуация в регионе на данный момент не влияет на проведение конкурсных отборов и проектирование генерирующих установок, работа ведется удаленно.

Зеленое разнообразие

Но, конечно, надо понимать, что использование свалочного газа – лишь один из аспектов большой проблемы, которая называется «биогаз». Свалочный газ – одна из разновидностей биогаза.

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза, весьма велик. Это и навоз, птичий помет, зерновая и мелассная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов – соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля – технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков – жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов – очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа.

Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы, а также водорослей. Выход газа может достигать до 300 м³ из 1 т.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50–65 м³ биогаза с содержанием метана 60%, 150–500 м³ биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза – это 1300 м³ с содержанием метана до 87% – можно получить из жира.

Различают теоретический (физически возможный) и технически реализуемый выход газа. В 1950–1970-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20–30% от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычной установке с 60 до 95%.

В биогазовых расчетах используется понятие сухого вещества или сухого остатка. Вода, содержащаяся в биомассе, не дает газа На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 л биогаза.