Электростанция на свалке

Куда попадает мусор после того, как вы выбрасываете его в мусоропровод или относите в мусорный контейнер? Это зависит от того, какие технологии его переработки используются в вашем городе. Мусор можно сжигать, можно перерабатывать, можно отвозить на свалку — но и в последнем случае из него можно добывать полезную энергию. Чтобы узнать, как это происходит, мы съездили в Финляндию — страну, в которой технологиям обработки отходов уделяется повышенное внимание.

Сейчас в мире существует несколько основных путей дальнейшей жизни мусора: либо его захоранивают на свалочных полигонах, либо он подвергается термической или биологической обработке, в самых же благоприятных случаях отходы удается переработать и получить из них материалы, которые затем можно использовать повторно. У каждого из этих подходов — свои недостатки, и до сих пор нет однозначного мнения, какой из способов переработки наносит меньший вред здоровью людей и окружающей среде. При этом вопросы вызывает не только способ переработки мусора, но и методы его реализации: как правильно организовать свалку, что делать с образующимся газом, а если сжигать мусор — то по какой технологии и что потом делать с продуктами горения.

Соотношение мусора, перерабатываемого различными способами, в разных странах может довольно сильно варьироваться. Например, в России очень мало мусоросжигательных заводов, а больше 90 процентов твердых отходов попадает на свалки. В большинстве европейских стран ситуация обратная — достаточно мало мусорных полигонов, но много электростанций, которые работают на сжигании мусора, и много предприятий для вторичной переработки отходов.

Одно из очевидных отличий этих подходов — время, которое тратится на полное избавление от мусора и любых его остатков. Так, при вторичной переработке или сжигании мусора от него удается избавиться сразу: в первом случае — превратив его в новый материал, а во втором — в углекислый газ и электрическую и тепловую энергию. Переработка же мусора на свалочных полигонах продолжается не один десяток лет после захоронения. Даже после окончательного закрытия свалки и прекращения поступления на нее новых отходов мусор продолжает разлагаться и гнить, производя все больше свалочных газов — в первую очередь, метана и углекислого газа. Более подробно о том, что происходит с мусором, попадающим на свалочные полигоны, вы можете прочитать в нашем материале «Химическая жизнь мусора».

Наиболее опасный и максимальный по объему газ, который производится на свалках, — это метан. Во-первых, он может попадать в атмосферу (а по парниковой активности метан превосходит углекислый газ), а во-вторых — он горюч, поэтому самопроизвольно может начаться медленное горение, которое потом иногда бывает практически невозможно остановить. Кроме того, свалочные полигоны, особенно если их использование начиналось довольно давно, когда технологии построения свалок еще не были отработаны, не всегда хорошо изолированы. Поэтому вопрос, что делать со старой мусорной свалкой, чтобы минимизировать урон окружающей среде и не навредить здоровью рядом с ней людей, — крайне важен, и до сих пор однозначного решения для него в нашей стране не предложено.

Чтобы разобраться, как в других странах работают с закрытыми свалочными полигонами для уменьшения опасного влияния на окружающую среду и какие альтернативные пути обработки отходов уже используются или только разрабатываются, мы съездили в Финляндию. У финских специалистов мы постарались выяснить, как следить за свалочными полигонами, когда свалка только заполняется, и что делать после ее закрытия.

Переработка свалочных газов

В Финляндии все твердые бытовые отходы либо сжигаются, так что из них получается электроэнергия, либо перерабатываются для вторичного использования, как это происходит, например, с пластиковыми отходами. С 2016 года большинство свалочных полигонов в стране полностью закрыты для бытовых отходов, а те несколько полигонов, которые открыты до сих пор, используются только для крупногабаритного и неперерабатываемого строительного мусора. Этот мусор обычно остается при постройке крупных зданий, он содержит, например, асбест и, как правило, его просто физически невозможно разделить на отдельные компоненты.

Тем не менее, закрытых свалок, на которые сравнительно недавно перестали свозить мусор, в Финляндии остается еще довольно много. Чтобы подробнее узнать о том, что сейчас происходит с этими закрытыми свалками, мы поговорили с Тиилой Корхонен (Tiila Korhonen) из Управления по экологическим службам в Хельсинки (HSY), которая работает на крупнейшем свалочном полигоне в Финляндии — Аммясcуо, начавшем свою работу в 1987 году. Сейчас на этом полигоне находятся две свалки: одна старая, которая была закрыта в 2007 году, другая новая, на которую в данный момент поступают только инертные неперерабатываемые отходы и асбест.

По словам Корхонен, основная часть работы с закрытой свалкой — это сбор производимых ею свалочных газов и их дальнейшая переработка. Для этого в 2009 году на территории полигона была установлена газоэлектростанция, которая сжигает собранный газ, превращая его в электроэнергию. Собираемый свалочный газ примерно на 50 процентов состоит из метана, остальные его компоненты — это углекислый газ, кислород и водяной пар. Остальные газы содержатся в смеси в небольшом количестве (это, в основном, летучие органические соединения, в том числе содержащие серу — именно они являются основным источником неприятного запаха газа).

Сейчас на закрытой свалке общей площадью 55 гектаров (на такой площади могли бы уместиться примерно 100 футбольных полей) образуется более 5 тысяч кубометров газа в час, а максимальный объем газа — примерно в два раза больше — свалка производила сразу после закрытия. Чтобы собрать весь этот газ для сжигания, на свалке работает система из 322 газовых скважин и 4 насосных станций.

Моделирование

Чтобы правильно спроектировать систему сбора газа, рассчитать необходимое количество скважин и насосов, оценить ориентировочную загруженность газоэлектростанции на этапе ее строительства и спрогнозировать эффективность всей этой системы в дальнейшем, объем производимого на закрытой свалке метана оценивается с помощью численного моделирования. На Аммяссуо для этого используются две основные математические модели — это модель баланса массы и модель затухания первого порядка.

Первая модель учитывает массу поступившего на свалку мусора, долю органического углерода в этом мусоре и скорость превращения этого углерода в метан. Поскольку большая часть этих значений известна только приблизительно, то и окончательная оценка оказывается довольно грубой. От реальных показателей она может отличаться примерно на 50 процентов.

Вторая модель — более точная: она учитывает зависимость скорости распада органических компонентов от времени и описывает ее с помощью простой экспоненциальной модели с учетом даты начала использования полигона, времени его функционирования в открытом и закрытом состоянии и скорость образования метана. Несмотря на свою простоту, эта модель позволяет значительно точнее описать полученные таким образом данные. Эти же модели могут использоваться, чтобы спрогнозировать объем метана, который в будущем будет формироваться на тех свалках, мусор на которые сейчас еще продолжают свозить.

Для уточнения прогнозов образования метана рассчитанный объем газа корректируется с учетом текущих измерений. Согласно последним данным, сейчас с помощью газоэлектростанции удается переработать примерно 90 процентов образующегося газа, при этом эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую составляет около 45 процентов, остальная энергия идет на теплоснабжение. Сейчас мощность станции составляет около 11 мегаватт (это примерно 73 процента от максимальной мощности), что позволяет обеспечивать электричеством почти 5 тысяч отдельных домовладений.

Тиила Корхонен отмечает, что скорость образования метана на закрытом свалочном полигоне с течением времени падает и, по прогнозам, через 15 лет на полигоне Аммясуо количество производимого метана сократится примерно в 5 раз. Чтобы эту электростанцию можно было продолжать использовать, сейчас разрабатываются способы усовершенствования технологий сбора свалочного газа, в будущем же основным источником газа для станции станут собираемые сейчас отдельно биоотходы.

Мониторинг выделяющегося газа

Постоянные измерения концентраций газа производятся не только внутри полигона для оценки объема производимой электроэнергии, но и в окружающей среде — для предотвращения попадания парниковых газов в атмосферу, а также для предупреждения возможного зарождения пожара. Особенно актуальна эта проблема для старых полигонов, которые были построены более 50 лет назад. Если все современные свалочные полигоны построены таким образом, что попадание сточных вод или образующихся газов в почву или атмосферу практически исключено, то при формировании полигонов в первой половине XX века подобные технологии еще не использовались и внимания возможным негативным последствиям для экологии уделялось значительно меньше.

При этом процесс разложения мусора и образования метана и других газов происходит в течение 100–200 лет после закрытия полигона, поэтому на старых свалках вредные вещества продолжают выделяться. Получить какую-то пользу от этих газов, например в виде электроэнергии, сейчас уже не удастся, однако необходимо сократить риск накопления горючих газов и попадания загрязнений в грунт и грунтовые воды. Для этого на самих свалках постоянно проверяется состав выделяемых газов, а в окрестностях старых полигонов продолжается регулярный мониторинг состава почвы и грунтовых вод.

Мусоросжигательные заводы

Можно сказать, что со свалками в Финляндии научились работать достаточно хорошо, чтобы получать от них максимальную пользу и не наносить вред окружающей среде. Тем не менее, первое, о чем говорят финские эксперты в ответ на вопросы о способах правильного ухода за свалочными полигонами, — это необходимость перехода к современным мусоросжигательным заводам. В Финляндии этот процесс начинался в середине прошлого века, и сегодня сжигание мусора, во-первых, практически не оказывает негативного влияния на окружающую среду, а во-вторых, позволяет с достаточно большим КПД превращать мусор в электрическую энергию и тепло. Конечно, по эффективности мусоросжигательные заводы уступают газоэлектростанциям, но тем не менее около половины всех отходов удается таким образом преобразовать в полезную энергию.

Один завод может сжигать в год несколько сот тысяч тонн мусора. Например, завод, который несколько лет назад был запущен в Вантаа, одном из пригородов Хельсинки, сжигает около 320 тысяч тонн мусора, в результате чего образуется 920 гигаватт-часов энергии для отопления и 600 гигаватт-часов электроэнергии. Этого хватает для обеспечения примерно 200 тысяч однокомнатных квартир, эффективность преобразования энергии при этом достигает 95 процентов.

Специальные технологии разработаны для обработки золы и пепла, которого с одного завода образуется несколько десятков тысяч тонн в год. Поскольку в этих отходах содержится довольно много хлоридов и других относительно вредных веществ, то после выделения металлов для вторичной переработки зола и пепел становятся компонентами для производства асфальта или бетона, который затем используется для создания искусственных ландшафтов.

Сортировка мусора

Стоит отметить, что несмотря на исключительную (с точки зрения энергетики) пользу от сжигания мусора, далеко не все отходы в Финляндии вообще сжигают. Как и в большинстве европейских стран, уже много десятков лет у финнов существует практика очень тщательной сортировки мусора. Все, что может быть использовано вторично, — используется. В многоквартирных городских домах мусор сортируется на пять основных категорий: пластик, бумага, стекло, биоотходы и несортируемый смешанный мусор, в котором по каким-то причинам одну часть сложно отделить от другой (если мусор не попадает ни в одну из категорий или содержит токсичные вещества, его придется выбрасывать отдельно в специальных местах). В загородных же домах появляется много дополнительных типов отходов. Вокруг Хельсинки, например, для них существуют несколько точек сбора, куда люди приезжают на машине и выкидывают весь крупногабаритный мусор. Чтобы упростить дальнейшую утилизацию, отдельно собираются разные типы пластиковых отходов, крашеная и некрашеная древесина, в отдельную категорию попадают даже яблоки, от избытка которых приходится избавляться после переурожая.

После этого каждый из этих типов мусора попадает на свою станцию переработки. Например, для пластиковых отходов в пригороде Хельсинки построен специальный завод, которые перерабатывает два типа полиэтилена и полипропилен. Все пластиковые отходы, полученные с точек сбора мусора на определенной территории, попадают на этот завод, где происходит его дополнительная сортировка. С помощью ИК-спектрометра из пластика выделяются основные фазы: полиэтилен низкой и высокой плотности, полипропилен, полиэтилентерефталат и смешанный пластик, включающий остальные фракции (например, полистирол), каждой из которых в нем содержится менее одного процента. После этого каждый тип пластика превращается в хлопья, из которых после термической обработки с добавлением кросс-линкеров и катализаторов получается готовый к повторному использованию материал. Из него изготавливают пластиковые пакеты, дачные инструменты, а при добавлении древесины из такого пластика можно, например, получить панели для облицовки фасадов домов. При этом даже без использования метода дополнительной стабилизации пластика с помощью дополнительных веществ пластиковые материалы готовы пережить 8–10 циклов переработки. При дополнительной стабилизации таких циклов может быть бесконечное количество.

По словам специалистов, сейчас на вторичную переработку в Финляндии попадает примерно 22 процента всех пластиковых отходов. Максимальный же процент пластика, который можно переработать, достигает примерно 80 процентов, и к этой цифре они стремятся прийти в ближайшие годы.

Альтернативные способы

Для повышения эффективности переработки отходов финны уделяют особое внимание дальнейшему развитию технологий, связанных со сбором, сортировкой и переработкой мусора. В частности, в новых районах Хельсинки появляются системы подземных вакуумных трубопроводов, благодаря которым мусор практически моментально оказывается в точке сбора, единой для всего района в несколько десятков тысяч жителей. На заводах по переработке пластика внедряются новые системы анализа, которые позволяют уменьшить процент сжигаемого пластика, и новые составы для полимеризации, которые увеличивают число циклов переработки. Для отдельных видов отходов задумываются о введении новых систем утилизации, которые разрабатываются, в том числе, и в России. Это, например, метод сверхкритического водного окисления, с помощью которого можно эффективно обрабатывать мусор в гидротермальных условиях.

Несмотря на все увеличивающуюся эффективность используемых подходов, основная ответственность за безопасную утилизацию, тем не менее, лежит на каждом отдельном человеке. Политика по переработке мусора, выдвигаемая правительствами и частными организациями, будет иметь немного смысла, если не начать дело с малого — сортировки мусора в стенах собственного дома.

Александр Дубов