Способ сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов

 

Способ сбора и отвода биогаза может быть использован при обезвреживании твердых бытовых и промышленных отходов путем захоронения их на полигонах. В способе сбора и отвода биогаза на полигоне, включающем подготовку основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из скважин с перфорированными стенками, послойную укладку отходов, монтаж системы горизонтального газового дренажа на поверхности каждого завершенного слоя отходов в виде дрен, изолирующее покрытие поверхности сформированного полигона, отвод биогаза из скважин. При этом на фундаментах, распределенных по площади полигона, оборудуют скважины вертикального газового дренажа на определенную высоту. Затем производят засыпку внутренней полости и обсыпку внешней поверхности каждой скважины. После укладки первого слоя отходов формируют на его поверхности горизонтальные дрены, примыкающие к внешней дренирующей обсыпке скважин. Наращивают перфорированные скважины до определенной высоты. Обсыпают внешнюю поверхность скважин на высоту следующего слоя отходов дренирующим материалом. В последнем цикле наращивания скважины оборудуют стенками без перфораций, выше поверхности сформированного полигона и без обсыпки их внешней поверхности дренирующим материалом. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к обезвреживанию твердых бытовых отходов и допускаемых к размещению совместно с ними промышленных отходов путем захоронения их на полигонах твердых бытовых отходов (полигонах ТБО), а именно к способу сбора и отвода биогаза, образующегося при разложении органической составляющей отходов в толще полигона ТБО.

Известны способы сбора и отвода биогаза, где на подготовленном основании формируется отвал ТБО, покрывается изолирующим покрытием, с поверхности которого затем оборудуется система вертикального газового дренажа в виде сети скважин (колодцев). Образующийся в толще отходов при разложении органики биогаз поступает через фильтровые устройства скважин (например, перфорационные отверстия в стенках обсадных труб) в газосборные устройства, затем направляется для утилизации или на факельную установку [1, 2].

Недостатками этих способов являются а) низкая газодренирующая способность вертикальных скважин малого диаметра, вследствие чего для увеличения отбора газа необходимо оборудовать большое количество скважин.

б) отсутствие средств дегазации, т.е. сбора и отвода биогаза из массива отходов в течение всего срока его формирования до проектных отметок (10 и более лет), вследствие чего не обеспечиваются безопасные условия производства при приемке и складировании отходов на полигоне, существует повышенная опасность возгораний и пожаров.

Известен также способ, где система вертикального газового дренажа в виде скважин, оборудуемых с поверхности сформированного полигона, дополняется системой горизонтального газового дренажа в виде развитой сети горизонтальных дрен, прокладываемых в верхнем слое отходов под изолирующим покрытием [3].

Недостатками способа являются низкая эффективность отбора газа глубоко залегающих слоев отходов и отсутствие средств дегазации массива отходов в течение срока его формирования.

Известен способ, где первоначально мусор (ТБО) укладывают двумя параллельными отвалами, одновременно по линии симметрии между укладываемыми отвалами на подготовленном основании монтируют систему из горизонтальных и вертикальных перфорированных труб, затем по мере накопления мусора в отвалах его перемещают в поперечном направлении навстречу друг другу и засыпают им смонтированную систему [4], т.е. монтаж объединенной системы вертикального и горизонтального газового дренажа ведется от основания к поверхности полигона (по схеме "снизу вверх").

Однако данный способ имеет существенные недостатки. Вследствие ограниченного радиуса влияния осесимметричной системы в поперечном направлении, сфера применения способа ограничивается небольшими полигонами вытянутой формы. Технологическая схема способа предполагает двойную переработку отходов на полигоне: первоначальную укладку в два параллельных отвала с последующим перемещением в поперечном направлении. Вследствие этого весьма затруднительным становится выполнение нормативных требований о послойной укладке отходов с ежесуточной пересыпкой их грунтовыми изолирующими слоями.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ сбора и отвода биогаза, образующегося при разложении органической составляющей отходов [5], по которому на подготовленном основании рабочих карт полигона оборудуют вертикальные скважины, собираемые из железобетонных колец с перфорированными стенками, внутри колец устанавливают перфорированные асбестоцементные трубы меньшего диаметра, пространство между внутренними стенками колец и перфорированными трубами засыпают щебнем крупных фракций. К скважинам по поверхности каждого рабочего слоя отходов подводят горизонтальные дрены из перфорированных асбестоцементных труб, щебня фракции 30-60 мм или хвороста (пластинчатый дренаж). Наращивание систем газового дренажа ведут параллельно с укладкой отходов, по мере формирования слоев отходов нормативной толщины 2 м [6, 7]. При достижении проектной высоты, устья скважин оборудуются устройствами для отвода биогаза при помощи газовентиляторной установки на утилизацию. Этот способ имеет следующие недостатки: - нижнее железобетонное кольцо обсадной трубы скважины газового дренажа устанавливается непосредственно на основание, что может привести в последующем к развитию крена и искривлению ствола скважины с нарушением стыков ее элементов и герметичности запорной арматуры; кроме того, при такой установке нарушается герметичность противофильтрационного экрана в основании и создается повышенное гидростатическое давление на него от скапливающегося во внутренней полости трубы фильтрата, вследствие чего в местах установки скважин газового дренажа развиваются фильтрационные утечки загрязненных стоков в подземные воды; - внешняя поверхность обсадной трубы контактирует непосредственно с отходами, вследствие чего внутренняя полость скважины заиливается при затекании в нее фильтрата отходов с высоким содержанием взвешенных частиц, с ухудшением параметров газового дренажа; - высокая вероятность обрыва горизонтальных трубчатых дрен на их проходе через отверстия в стенках обсадной трубы с перекрытием подвода газа внутрь полости скважины вследствие большой разности осадок ствола скважины и толщи рыхлых отходов, на которые укладываются горизонтальные дрены; - организованный отвод газа от устья скважины оборудуется только после достижения толщей отходов проектной высоты, вследствие чего в процессе укладки отходов не гарантируется отвод биогаза от открытых стволов скважин вертикального дренажа в безопасном режиме.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности газосборной системы полигона ТБО на протяжении всего срока его эксплуатации и обеспечении выполнения требований безопасности при приемке и размещении отходов на рабочих картах.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов, включающем подготовку основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из скважин (далее - скважин) с перфорированными стенками, послойную укладку отходов с пересыпкой грунтовыми изолирующими слоями, монтаж системы горизонтального газового дренажа в виде дрен на поверхности каждого завершенного слоя отходов, изолирующее покрытие поверхности сформированного полигона и отвод биогаза из скважин, на фундаментах, распределенных по площади полигона, оборудуют скважины вертикального газового дренажа на высоту, превышающую высоту первого снизу слоя отходов, затем производят засыпку внутренней полости и обсыпку внешней поверхности каждой скважины на проектную высоту первого слоя отходов дренирующим материалом, укладывают первый слой отходов, формируют на его поверхности горизонтальные дрены, примыкающие к внешней дренирующей обсыпке скважин, наращивают скважины до отметки, превышающей высоту следующего слоя отходов, обсыпают внешнюю поверхность скважин на высоту следующего слоя отходов дренирующим материалом и далее повторяют этот цикл до достижения полной высоты полигона, установленной проектом, причем в последнем цикле скважины наращивают выше поверхности сформированного полигона и оснащают их сплошными стенками, без обсыпки их внешней поверхности дренирующим материалом.

При этом внешнюю дренирующую обсыпку скважин формируют при помощи скользящей опалубки в виде трубы большего диаметра, которую устанавливают на фундамент соосно скважине, а в каждом цикле наращивания скважины опалубку поднимают и образующееся кольцевое пространство заполняют дренирующей обсыпкой.

Верхний конец каждой скважины в каждом цикле наращивания выводят на высоту, превышающую отметку поверхности завершенного слоя отходов более 2 м и оборудуют съемным дефлектором.

Оборудование каждой скважины осуществляют на фундаменте, благодаря чему обеспечивается ее устойчивость, а также сохранность противофильтрационного экрана, предотвращаются фильтрационные утечки в основание полигона из внутренней полости скважины.

Формирование дренирующей обсыпки по внешней поверхности скважины с применением скользящей опалубки предотвращает заиливание внутренней полости скважины, повышает ее поперечную устойчивость, увеличивает площадь газосборной поверхности по периметру и снижает гидравлические сопротивления на входе газа из массива отходов в скважину. Благодаря этому отпадает необходимость заполнения внутренней полости скважины дренирующей засыпкой на всю высоту массива отходов и обеспечивается максимальная производительность по отбору биогаза из толщи отходов на одну скважину, а наличие хорошо фильтрующей внешней обсыпки обеспечивает эффективный вертикальный дренаж фильтрата из толщи отходов к дренажной системе в основании полигона.

Формирование горизонтальных газосборных дрен из местных крупнокусковых материалов, в том числе из нетоксичных строительных отходов, с примыканием дрен к внешней дренирующей обсыпке скважины без ввода их внутрь полости скважины, гарантирует работоспособность дрен при укладке вышерасположенных слоев отходов и отвод газа из горизонтальных дрен в вертикальный дренаж через их внешнюю дренирующую обсыпку при любых неравномерных осадках и нагрузках.

Верхний конец скважин при каждом цикле наращивания выводится на отметку, превышающую проектную отметку поверхности изоляции очередного слоя отходов не менее чем на 2 м, и оборудуется съемным дефлектором, создающим дополнительное разрежение и более эффективное смешение биогаза с воздухом на выходе из скважин, благодаря чему обеспечивается снижение концентрации метана в приземном слое атмосферы на территории полигона до уровней, удовлетворяющих нормативным требованиям по взрывобезопасности и санитарно-гигиеническим нормативам, что обосновано соответствующими расчетами.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображено сечение скважины вертикального газового дренажа с примыкающими горизонтальными дренами на момент окончания укладки первого снизу слоя отходов с изолирующим грунтовым слоем; на фиг.2 - то же, в процессе укладки второго слоя отходов; на фиг.3 - сечение толщи отходов с горизонтальной дреной в процессе укладки второго слоя отходов; на фиг.4 - сечение скважины вертикального газового дренажа с примыкающими горизонтальными дренами и слоями отходов по окончании формирования полигона до проектной высоты.

Принцип работы вертикального газового дренажа основан на использовании четырех факторов - меньшей плотности биогаза относительно воздуха; - избыточного давления газа внутри тела полигона за счет его разогрева; - энергии потока воздуха, создающего разрежение по периметру дефлектора; - смешения биогаза с воздухом в дефлекторе, позволяющего снизить объемную концентрацию метана на выбросе до безопасного уровня.

Полигон твердых бытовых и допускаемых для совместного с ними размещения промышленных отходов (полигон ТБО) включает: подготовленное основание 1 с противофильтрационным экраном (например, из полимерной пленки) 2 и дренажной системой 3 для сбора фильтрата, которая является одновременно защитным слоем экрана; систему распределенных по площади полигона фундаментов 4, вертикальных скважин 5, каждая из которых имеет перфорационные отверстия 6 в стенках, кроме звена 17 выше поверхности верхнего слоя отходов, дренирующую засыпку внутренней полости 8, дренирующую обсыпку внешней поверхности 9, формируемую при помощи скользящей опалубки 7, съемный дефлектор 10 на верхнем конце; первый слой отходов 11 и последующие 14; горизонтальные дрены, примыкающие к внешней дренирующей обсыпке скважин на поверхности завершенных слоев отходов: первого - 12, последующих - 15; грунтовые изолирующие слои отходов: первого - 13 и 16 - последующих; наружное изолирующее покрытие полигона 18.

Сбор и отвод биогаза на полигоне ТБО производят следующим образом.

На территории полигона ТБО подготавливают основание 1, которое включает противофильтрационный экран 2 с дренажной системой для сбора сильно загрязненных стоков 3 полигона, которая одновременно является защитным слоем противофильтрационного экрана 2. Монтируют распределенные по площади полигона фундаменты 4 с обеспечением герметичности противофильтрационного экрана.

На каждом фундаменте оборудуют нижнюю секцию вертикального газового дренажа в виде скважины 5 с перфорационными отверстиями 6 в ее стенках, такой высоты, чтобы ее верх возвышался над проектной поверхностью первого изолирующего слоя 13 не менее чем на 2 м. Засыпку внутренней полости 8 скважины до отметки поверхности изолирующего слоя 13 осуществляют хорошо дренирующим материалом, например щебнем крупных фракций.

Соосно скважине 5 на фундамент устанавливают скользящую опалубку 7 высотой, превышающей величину одного слоя отходов и промежуточного грунтового изолирующего слоя, например, в виде металлической трубы большего по сравнению со скважиной диаметра. Осуществляют внешнюю обсыпку 9 скважины до отметки поверхности изолирующего слоя 13 хорошо дренирующим материалом, засыпая образованное кольцевое пространство. На верхнем конце смонтированной секции скважины устанавливают съемный дефлектор. Укладывают первый слой отходов 11, уплотняют и на его поверхности формируют горизонтальные газосборные дрены 12 из крупнообломочных материалов, например нетоксичных строительных отходов, причем горизонтальные дрены примыкают к внешней поверхности скользящей опалубки. Уложенный слой отходов 11 с горизонтальными дренами 12 перекрывают сверху изолирующим грунтовым слоем 13.

Затем наращивают вертикальный газовый дренаж таким образом, чтобы его верх после наращивания возвышался над проектной поверхностью изолирующего слоя 16 очередного слоя отходов 14 не менее чем на 2 м. Одновременно поднимают скользящую опалубку на такую же высоту и заполняют образовавшееся кольцевое пространство дренирующей обсыпкой 9. При подъеме скользящей опалубки горизонтальные дрены 12 смыкаются с внешней дренирующей обсыпкой 9, благодаря чему в дальнейшем обеспечивается разгрузка биогаза с минимальными потерями из горизонтальных дрен через внешнюю дренирующую обсыпку и отверстия в стенках во внутреннюю полость скважины с последующим выбросом в атмосферу через дефлектор. Съемный дефлектор на период наращивания и обсыпки скважины демонтируют. Затем укладывают с уплотнением очередной слой отходов 14, на его поверхности формируют горизонтальные дрены 15 и отсыпают грунтовый изолирующий слой 16.

Далее описанные послойные циклы повторяют до достижения проектной высоты полигона, причем в последнем цикле наращивания скважины 17 оборудуют сплошными стенками (без перфорационных отверстий). Последний верхний слой отходов с горизонтальными газосборными дренами на его поверхности перекрывают слоем наружной изоляции 18. Выходной конец скважин выше поверхности наружной изоляции полигона до окончания монтажа стационарной системы отвода биогаза на утилизацию оборудуют дефлектором.

Таким образом, 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.

Применение предлагаемого способа сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов позволяет обеспечить эффективный и безопасный сбор и хранение твердых бытовых и промышленных отходов на полигоне на протяжении всего срока его эксплуатации.

Источники информации
1. Вайсман Я.И., Петров В.Ю. Полигоны депонирования твердых бытовых отходов (ТБО), с.108.

Пермский государственный технический университет, Пермь, 1996 г.

2. Lambom J. M. Landfill gas generation at the Narre Warren landfill site. Proceedings of the Second International Conference on Environmental Management.

Australia, 10-13 February 1998, p. 757-764.

3. Патент ФРГ 3425785, кл. В 09 В 1/00, 1986.

4. Лукин В.М., Верстов В.В., Когель Л.А. Способ сбора и отвода биогазов на мусорном полигоне.

Патент RU 2002530, кл. В 09 В 1/00, 1993.

5. Технологический регламент получения биогаза с полигонов твердых бытовых отходов.

Академия коммунального хозяйства им. К.Д.Памфилова, М., 1990.

6. Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов.

Академия коммунального хозяйства им. К.Д.Памфилова, М., 1996.

7. СанПиН 2.1.7.722-98. Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов.

Формула изобретения

1. Способ сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов, включающий подготовку основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из сети скважин с перфорированными стенками, послойную укладку отходов с пересыпкой грунтовыми изолирующими слоями, монтаж системы горизонтального газового дренажа в виде дрен на поверхности каждого завершенного слоя отходов, изолирующее покрытие поверхности сформированного полигона, отвода биогаза из скважин, отличающийся тем, что на фундаментах, распределенных по площади полигона, оборудуют скважины вертикального газового дренажа на высоту, превышающую высоту первого снизу слоя отходов, затем производят засыпку внутренней полости и обсыпку внешней поверхности каждой скважины на проектную высоту первого слоя отходов дренирующим материалом, укладывают первый слой отходов, формируют на его поверхности горизонтальные дрены, примыкающие к внешней дренирующей обсыпке скважин, наращивают скважины до отметки, превышающей высоту следующего слоя отходов, обсыпают внешнюю поверхность скважин на высоту следующего слоя отходов дренирующим материалом, и далее повторяют этот цикл до достижения полной высоты полигона, установленной проектом, причем в последнем цикле скважины наращивают выше поверхности сформированного полигона и оснащают их сплошными стенками, без обсыпки их внешней поверхности дренирующим материалом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что внешнюю дренирующую обсыпку скважин формируют при помощи скользящей опалубки в виде трубы большего диаметра, которую устанавливают на фундамент соосно скважине, а в каждом цикле наращивания скважины опалубку поднимают и образующееся кольцевое пространство заполняют дренирующей обсыпкой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что верхний конец каждой скважины в каждом цикле наращивания выводят на высоту, превышающую отметку поверхностности завершенного слоя отходов более 2 м и оборудуют съемным дефлектором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4