Ученые из Карагандинского технического университета имени Абылкаса Сагинова в Казахстане вместе с коллегами из Горнометаллургической академии в Кракове выяснили, что обычный мусорный полигон может стать источником энергии. Изучив состав отходов, климатические условия и объемы образования свалочного газа на полигоне в Карагандинской области, они пришли к выводу, что выделяющийся при разложении мусора метан можно использовать вместо природного газа.
Полигоны отходов являются третьим по величине антропогенным источником метана, способность которого удерживать тепло в атмосфере примерно в 25 раз выше, чем у CO2. Около 90% всех выбросов парниковых газов в секторе отходов приходятся именно на свалки, но метан, который образуется при гниении органики, может быть полезным топливом. Один кубометр свалочного газа по энергетической ценности соответствует примерно половине кубометра природного газа. Его можно использовать для отопления, выработки электроэнергии и даже в качестве автомобильного топлива после дополнительной очистки.
Чтобы оценить этот потенциал, ученые изучили полигон, работающий на месте отработанного карьера с 2015 года. Ежегодно туда отвозят до 4000 тонн мусора, включая пищевые отходы, бумагу и картон. Именно эти материалы, разлагаясь без доступа кислорода, становятся главным источником биогаза.
Серьезное влияние на процесс оказывает климат региона. Карагандинская область отличается резко континентальными условиями. Летом температура может подниматься до +43 oC, а зимой опускается до -48 oC. Из-за этого отходы зимой промерзают, а летом нередко пересыхают, поэтому образование метана происходит неравномерно и заметно меняется от сезона к сезону. В методике расчета, утвержденной казахстанским природоохранным ведомством, это учтено через коэффициент, дающий погрешность ±30%.
Используя данные о составе отходов, климате и объемах накопленного мусора за период с 2020 по 2024 год, ученые спрогнозировали образование биогаза до 2030 года. Расчеты показали, что доля метана в свалочном газе составляет около 53%, приблизительно 45% приходятся на углекислый газ, а остальное составляют различные примеси, включая толуол, аммиак, сероводород, формальдегид и органические соединения.
В период с 2021 по 2025 год валовый выброс метана вырос более чем в пять раз. К концу десятилетия этот показатель может достичь 81,7-92,6 тонны в год. Важно учесть, что газ начинает выделяться не сразу после захоронения мусора, а примерно через два года, когда внутри отходов формируются устойчивые анаэробные условия.
Помимо метана, ученые зафиксировали пятикратный рост выбросов сероводорода. Это свидетельствует о высокой доле разлагающейся органики и одновременно указывает на риск возникновения неприятных запахов и самовозгорания отходов.
Для решения этих проблем была предложена система дегазации и мониторинга, включающая специальные трубы для сбора газа и сеть датчиков для непрерывного контроля его концентрации. Также ученые смоделировали картину распространения метана вокруг полигона с учетом рельефа местности, температуры, влажности и направления ветра.
Эта методика готова к практическому применению при проектировании новых полигонов и рекультивации старых, позволяя превратить мусорный полигон из источника выбросов в источник энергии не только в Казахстане, но и в других странах, где удаленные поселки и промышленные объекты испытывают сложности с доступом к природному газу.
