Что происходит с отходами, когда они попадают на свалку

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 твёрдых бытовых отходов. Всё, что выбрасывают жители городов, в конечном счёте оказывается здесь. N+1 и Лайфхакер решили 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 твёрдых бытовых отходов, это лишь немногим меньше объёма производства стали (71 миллион тонн). В Москве и области бытовой мусор (около 11 миллионов тонн в год) в основном состоит из пищевых отходов (22 процента), бумаги и картона (17 процентов), стекла (16 процентов) и пластика (13 процентов), на ткань, металл и древесину приходится по 3 процента, ещё около 20 процентов — на всё остальное.

Для сравнения: в ЕС в переработку идёт 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 приёму 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 ещё 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 тяжёлых металлов. Кроме того, в слое мусора, когда он начнёт 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 ещё одним защитным слоем, сохранив систему сбора свалочного газа — ей предстоит работать ещё десятки лет.

Жизнь свалки

Химическую жизнь мусора на свалке условно можно разделить на четыре главные 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 остаётся 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, всё возвращается к первой фазе.

Третья фаза в жизни свалки начинается с того, что определённые разновидности анаэробных бактерий начинают перерабатывать органические кислоты и формировать ацетаты. Этот процесс делает среду более нейтральной, что создаёт 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.

Четвёртая 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 объёму), 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. Учёные, 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.

Однако, отмечает Харламова, человек способен чувствовать сероводород в очень небольших концентрациях, которые ещё очень далеки от опасных, поэтому, если человек чувствует запах сероводорода, это ещё 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.

Марианна Харламова

Ещё 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 её словам, иногда пытаются прекратить поступление в атмосферу свалочного газа, закрывая полигон сверху плёнкой, а затем слоем земли. Но это создаёт 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 поддаётся 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 учёный.