За последние десятилетия значительно выросло количество твердых бытовых отходов (ТБО). Ежегодно в биосферу поступает примерно 400 млн. т ТБО, причем это количество ежегодно возрастает на 3-6%, что превышает скорость увеличения населения планеты. Значительное количество ТБО составляют пищевые отходы, бумага, картон, дерево. Часть органических фракций ТБО колеблется от 56% в развитых странах и до 62% в развивающихся странах.

В мировой практике существуют три основных способа утилизации ТБО:

В некоторых развитых странах, особенно в тех, которые имеют большую плотность населения (Швейцария, Япония и др.), ТБО и даже осадки сточных вод преимущественно сжигают.

Сжигание ТБО требует использования сложных и дорогих технологий очистки продуктов сгорания от тяжелых металлов, вредных газов. Проблема очистки дымовых газов от диоксинов до сих пор не решена ни в одной стране.

Скорее всего, компостирование еще долго не будет использоваться, поскольку не решена проблема очистки компоста от солей тяжелых металлов, миграция которых в плодородную почву недопустима.

В настоящее время во многих странах мира захоронение ТБО на специальных полигонах считается самым экономичным способом их утилизации. Количество ТБО, которые вывозят на свалки или полигоны составляет в Нидерландах 45-55%, в США - 62-85%, в Канаде - 93-96%, в России - 97%.

В ТБО без доступа кислорода образуется биогаз. Под действием бактерий часть органических веществ разлагается с образованием метана (50-70%) и углекислого газа (30-50%), смесь которых и образует биогаз, кроме того в нем в небольших количествах присутствуют азот, кислород и водород. Биогаз горючий и имеет большую теплотворную способность более 18 МДж/м3.

Наиболее экономически оправданным является сбор и утилизация биогаза на больших полигонах ТБО и свалках, где размещается более 1 млн. т отходов, слой которых превышает 10 м. Желательно, чтобы большая часть отходов имела "возраст" не более 10 лет. Территория полигона должна быть рекультивирована: перекрыта слоем грунта не менее 30-40 см.

Средний выход биогаза с такого полигона составит не менее 5 м3 на 1 т ТБО на протяжении 20 лет. Большое значение имеет часть органических веществ (строительный мусор не генерирует биогаз).

Общий потенциал биогаза в ЕС доходит до 9 млрд. м3/год, в США - до 13 млрд. м3/год. При утилизации метана со всех полигонов ТБО в США его количество составит 5% общего потребления природного газа в стране. В 1992 г. в мире эксплуатировалась 481 система сбора биогаза (175 - в странах ЕС, 264 - в Америке, по 4 в Азии и Австралии и 2 - в Африке). Но следует заметить, что в коммерческих целях было использовано примерно 25-50% биогаза, остальное сгорало в факелах.

По степени нанесения вреда окружающей среде метан считается вторым вредным газом после углекислого газа. Концентрация метана в атмосфере растет примерно на 0,6% ежегодно и за последние два столетия удвоилась (концентрация углекислого газа растет ежегодно на 0,4%). У метана более короткий срок "жизни" в атмосфере (11 лет), в то время как у углекислого газа -120 лет. Поэтому стабилизация или уменьшение выброса метана в атмосферу приведет к быстрому положительному изменению климата.

Глобальный выброс метана в атмосферу - важный фактор изменения климата. В США введен в действие закон, который обязал оборудовать все без исключения полигоны ТБО системами добычи и утилизации биогаза. Еще в 1987 г. было определено, что общий выброс метана на свалках Земли составляет 30-70 млн. т в год или 6-18% от его общего выброса в атмосферу. Экспертная группа Межправительственной комиссии по изменению климата включила метан свалок в список главных парниковых газов планеты.

Распространение биогаза в окружающей среде вызывает цепь отрицательных явлений. Его скопление может создавать взрыво- и пожароопасные условия в домах и сооружениях, которые стоят неподалеку от свалок ТБО. Скопление биогаза в замкнутом пространстве опасно и с токсикологической стороны. Зарегистрировано много случаев отравления при техническом обслуживании углубленных инженерных коммуникаций. Биогаз также пагубно влияет на растительный слой ("задыхается" корневая система). Все это свидетельствует о необ- ходимости борьбы с его выбросами в атмосферу. Основной метод, которым это можно осуществить - сбор и утилизация биогаза.

Самая распространенная система сбора биогаза состоит из сети вертикальных скважин, соединенных между собой горизонтальными трубами. Посредине вертикальной скважины диаметром 0,6-1,2 м установлена пластиковая труба диаметром 12-25 см, перфорированная отверстиями диаметром 3-6 мм. Глубина скважины составляет как минимум 7 м и соответствует 50-90% толщины слоя ТБО. Объем скважины вокруг перфорированной пластиковой трубы заполнен гравием или галькой. Верхняя часть скважины (приблизительно 0,5 м от верхнего края) уплотняется бетоном или глиной с целью устранения выхода биогаза в атмосферу. Радиус действия скважины в среднем 30-35 м. Среднее количество скважин - 2,5 на 1 гектар полигона. Сооружение газодренажной системы может осуществляться как на всей территории полигона после окончания его эксплуатации, так и на отдельных участках по мере заполнения. На рисунке показана принципиальная схема добычи, сбора и утилизации биогаза.

Существуют два основных способа использования биогаза: использование его для получения тепла на месте добычи и выработка электроэнергии и продажа ее в сеть. Непосредственное использование биогаза в радиусе 3 км от полигона, - как правило, наиболее рентабельный способ его использования.

Газ можно использовать как топливо для котлов сети централизованного теплоснабжения, различных промышленных потребителей (производство цемента, стекла, сушка кирпича). Если потребители находятся дальше 3 км, то рентабельность падает.

Только города Украины генерируют ТБО около 40 млн. м3/год. Более 90% этого количества собирается и вывозится на 655 свалок, расположенных в 10-20 км от городов. Более 500 свалок в Украине не имеют элементарных средств для защиты против загрязнения подземных вод и атмосферного воздуха. Около 140 свалок - полигоны ТБО, которые могут считаться пригодными для добычи и использования биогаза. Из 140 полигонов 90 - очень большие, на них размещается 30% всех ТБО Украины. Именно эти полигоны являются наиболее рентабельными для добычи газа. Внедрение системы сбора и утилизации биогаза на этих 90 полигонах приведет к снижению выбросов углекислого газа на 3,26 млн. т в год.

При достаточно низких тарифах на электроэнергию на внутреннем рынке Украины наиболее рентабельно использовать биогаз для нужд промышленных предприятий, расположенных возле свалок. Если нет такой возможности, то рационально вырабатывать электроэнергию в сеть. В этом случае могут быть использованы электростанции на базе двигателей внутреннего сгорания украинского производства мощностью 1 и 1,6 МВт (ГП завод имени Малышева, г. Харьков) или мощностью 0,40,8 МВт (АОО Первомайскдизельмаш, г. Первомайск).

В таблице приведено технико-экономическое обоснование проекта добычи и использования биогаза для производства электроэнергии на Луганском полигоне ТБО, где находится 1,6 млн. т ТБО. Рассмотрены два варианта оборудования для мини-электростанции мощностью 2 МВт, работающей на биогазе, с двигателями производства Первомайскдизельмаш и с двигателями американского производства Caterpillar. В расчетах использованы такие параметры, как ежегодный выход биогаза 5 м3/т отходов и срок эксплуатации установки - 20 лет.

Себестоимость электроэнергии в обоих случаях ниже, чем оптовая стоимость электроэнергии в Украине (0,021 долл. за 1 кВтч).

Приведенные выше экономические расчеты не учитывают потенциальной возможности "продажи" выбросов углекислого газа, уменьшенных за счет выполнения этого проекта. Количество сниженных выбросов парниковых газов будет "покупаться" по цене от 4,5 до 9 EUR за 1 т. За счет этого экономические показатели биоэнергетических проектов могут существенно улучшиться.

Первым шагом для распространения технологий добычи и использования биогаза в Украине является выполнение хотя бы одного демонстрационного проекта, цель которого - показать технические возможности, экономическую и технологическую целесообразность использования таких технологий.

1. В настоящее время захоронение ТБО на свалках и полигонах остается основным способом их обезвреживания в большинстве стран мира.

2. Выделение метана на свалках оценивается в 6-18% от его общего выброса в атмосферу. Самым эффективным способом сокращения выброса метана является его сбор и использование.

3. Энергетический потенциал биогаза в большинстве стран составляет около 1% потребления энергоносителей.

4. В большинстве стран добыча и использование биогаза увеличивается.

5. Проекты добычи и использования биогаза довольно рентабельны, особенно при наличии поблизости свалки промышленного потребителя газа.

6. Внедрение технологий добычи и использования биогаза очень перспективны в Украине, как с экологической, так и с экономической точки зрения.

7. Имеет смысл финансировать за счет госбюджета или бюджета Министерства экологии хотя бы один демонстрационный проект по добыче и использованию биогаза в Украине.

Авторы: Г. Гелетуха, К. Копейкин, Институт технической теплофизики НАН Украины, НТЦ "Биомасса"