Химическая жизнь мусора

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