Методы обезвреживания и переработки коммунальных бытовых отходов
Методы обезвреживания и переработки ТБО по конечной цели делятся на ликвидационные (решающие в основном санитарно-гигиенические задачи) и утилизационные (решающие задачи и экономические - использование вторичных ресурсов); по технологическому принципу - на биологические, термические, химические, механические, смешанные. Большинство этих методов не нашли сколько-нибудь значительного распространения в связи с их технологической сложностью и сравнительно высокой себестоимостью переработки ТБО.
Из известных методов обезвреживания и утилизации ТБО промышленное применение нашли преимущественно шесть, наиболее экономически и экологически оправданные:
складирование на полигоне (свалке);
сжигание/термическое обезвреживание;
аэробное биотермическое компостирование;
газификация;
комплексная технология сортировки, компостирования и сжигания (или пиролиза) различных фракций ТБО;
изготовление крупногабаритных блоков.
-
Складирование на полигоне, получение биогаза
В настоящее время большая часть твердых бытовых отходов вывозится на полигоны (свалки), которые представляют собой наиболее простой и дешевый метод обезвреживания отходов. Площади для этих целей практически исчерпаны, что дополнительно приводит к образованию стихийных свалок.
Для сокращения площадей под полигоны разработаны методы многоярусного складирования с многократным уплотнением, что позволяет значительно увеличить нагрузку на единицу площади.
Недостатки:
С экологической точки зрения: в теле полигона образуется фильтрат, загрязняющий водные источники; полигон выбрасывает в атмосферу метан и другие токсичные газы, что не только загрязняет воздух вблизи полигонов, но и отрицательно влияет на озоновый слой земли.
В связи с этим, на современных полигонах необходимо предусматривать комплекс мероприятий по переработке фильтрата и по защите атмосферы от метана и других газов. При захоронении на полигоне теряются все ценные вещества и компоненты ТБО.
При необходимости строительства полигона возможно применение такого технологического подхода к обезвреживанию отходов как санитарная земляная засыпка, обеспечивающая получение биогаза. С этой целью бытовой мусор засыпают по определенной технологии слоем грунта толщиной 0,6 - 0,8 м в уплотненном виде. Биогазовые полигоны снабжаются вентиляционными трубами, газодувками и емкостями для сбора биогаза. Однако использование биогаза возможно, как минимум, только через 5-10 лет после создания полигона, выход его не постоянен, а рентабельность проявляется только при объемах мусора более 1 млн. тонн. В процессе последующего сжигания биогаза происходит разрушение большей части содержащихся в свалочных газах токсичных компонентов за исключением тяжелых металлов, которые сбрасываются затем в окружающую среду. Следует также отметить, что грунтовые и поверхностные воды, проникающие через земляную засыпку, захватывают растворенные и суспензированные твердые вещества и продукты биологического разложения, чем дополнительно загрязняют окружающую среду.
-
Аэробное биотермическое компостирование ТБО
Одним из направлений утилизации ТБО является их переработка в ценное органическое удобрение — компост, используемое, например, для городского озеленения или в качестве биотоплива для теплиц.
На территории России действуют 4 мусороперерабатывающих завода (два в г. Санкт-Петербурге, и по одному в г. Нижний Новгород и г. Тольятти).
Из известных методов переработки (с продувкой воздуха в штабелях, в сетчатых камерах, на жалюзийных полках, в вертикальных башнях) наиболее эффективным и гигиеничным на сегодняшний день является метод биопереработки во вращающихся цилиндрических барабанах. Процесс происходит в полной изоляции от человека. Трудность осуществления данного метода состоит в необходимости сложной сортировки и предварительной переработки отходов, что влечет за собой необходимость строительства дополнительного завода по сортировке мусора. Кроме того, получаемый компост насыщен тяжелыми металлами и другими вредными компонентами, содержащимися в мусоре. Фактически он пригоден только для рекультивации и перекрытия свалок. Большинство этих заводов убыточно. Те же недостатки присущи и способу переработки органических отходов калифорнийскими красными червями, выделяющими ценное органическое удобрение - гумус. К тому же этот метод требует применения ручного труда и для крупных промышленных масштабов малопригоден.
Преимущества:
Возможность утилизации бедных по содержанию органики орг. отходов (ХПК<10 кг/м3) с получением компоста на основе сухой части ТБО, для рекультивации свалок, полигонов, загрязненных почв, в особенности при отсутствии близлежащего источника грунтов из-за неблагоприятных почвенно-геологических условий.
Аутотермичность.
Простота аппаратурного оформления процесса: камерное, тоннельное компостирование, барабанные биотермические реакторы.
Широкий интервал рабочих температур.
Подавление патогенной бактериальной флоры, яиц гельминтов.
Недостатки:
Высокий расход энергии на аэрацию, необходимость газоочистки и дезодорации.
Относительная длительность процесса при камерном, тоннельном варианте (несколько недель, месяцы).
Относительно меньшая ценность получаемого продукта – компоста по сравнению с анаэробной ферментацией.
-
Сжигание / термическое обезвреживание ТБО
В настоящее время в мировой практике реализовано более десятка технологий переработки твердых бытовых и промышленных отходов. Наиболее распространенными среди них являются термические способы - сжигание, газификация и пиролиз.
Сжигание не может рассматриваться как экономически оправданный или ресурсосберегающий метод, поскольку многие органические вещества, которые могли бы быть использованы, сжигаются с дополнительными затратами энергии. К тому же существующие и предлагаемые к использованию мусоросжигающие установки имеют целый ряд недостатков, главным из которых является тот, что они при работе образуют вторичные чрезвычайно токсичные отходы (полихлорированные дибензодиоксины, фураны и бифенилы), выделяемые вместе с тяжелыми металлами в окружающую среду с дымовыми газами, сточными водами и шлаком.
Следует отметить, что хлорорганические отходы, часто называемые словом "диоксины", относятся к группе супертоксикантов, крайне устойчивых и чрезвычайно опасных, поскольку разрушают гормональную систему человека, что приводит к иммунодефициту, особенно к росту женских болезней, детской смертности и инвалидности, снижению рождаемости.
Концентрация оксидов тяжелых металлов в шлаке и золе на 2-3 порядка (а иногда и более) выше, чем в сжигаемых отходах. Поэтому, хотя метод сжигания позволяет значительно сократить объем отходов, при этом образуются еще более опасные для окружающей среды зола и шлак, требующие специальных мер по утилизации или захоронению.
На сегодняшний день даже самые современные технологии не обеспечивают производство экологически чистого, пригодного к дальнейшему использованию шлака, получаемого после сжигания муниципального мусора. При этом следует отметить, что стоимость захоронения опасных отходов (золы и шлака) на порядок выше, чем захоронение мусора.
Другим серьезным недостатком мусоросжигателей является их низкая экономичность - крайне низкий коэффициент полезного использования тепловой энергии, который не превышает 65%, и значительное количество дополнительно используемого жидкого топлива, доходящего до 311 л на тонну сжигаемых отходов.
К модернизированным способам сжигания отходов можно отнести замену воздуха, подаваемого к месту сжигания, на кислород. Это позволяет ускорить процесс, снизить выбросы окислов азота, однако выброс наиболее опасных компонентов - диоксинов, фуранов, бифенилов, тяжелых металлов - остается неизменным. Кроме того, подобная технология требует дополнительно значительных затрат на производство кислорода.
По техническим причинам стоимость электроэнергии, производимой на мусоросжигающих заводах (МСЗ), не может конкурировать со стоимостью электроэнергии на электростанциях. Цена одного киловатт-часа на электростанциях в 4-10 раз ниже стоимости на МСЗ. В условиях установления предельных индексов в сочетании с необходимостью захоронения шлака и золы делает эти заводы абсолютно нерентабельными, финансовые прогнозы для их развития крайне неблагоприятными.
При использовании в топливных элементах газа, полученного в результате сжигания мусора, проблема загрязнения окружающей среды остается абсолютно не решенной, поскольку наиболее опасные токсиканты: диоксины, фураны, бифенилы, тяжелые металлы и т. п. не могут быть задержаны в топливных батареях. Кроме того, шлаки, полученные при сжигании мусора, также опасны и требуют захоронения.
Термическая переработка ТБО
Прямое низкотемпературное мусоросжигание (Т~850°С) является примером гетерофазного горения (твердое горючее + воздух).
В типичной печи для сжигания ТБО мусор передается непосредственно из разгрузочного цеха в накопитель, объем которого должен быть достаточным для непрерывной работы печи (то есть 24 часа в день 7 дней в неделю). Также из накопителя можно удалять крупные несгорающие составляющие мусора. Далее мусор подается в питающее устройство, обеспечивающее постоянную подачу мусора в топку, где на колосниковой решетке и происходит сжигание. Зола и негорючие материалы собираются внизу печи и транспортером передаются в хранилище, откуда затем транспортируются на переработку или захоронение.
Преимущества:
уменьшение объема отходов для захоронения (до 90% объема и 75% по массе);
переработка отходов происходит практически мгновенно, нет необходимости в долгом хранении;
выбросы продуктов сгорания в атмосферу могут контролироваться;
зольный остаток обычно не гниющий и инертный;
требуется относительно небольшая территория для предприятия и захоронения остатка;
стоимость может быть уменьшена за счет утилизации и продажи тепла/энергии;
исключается бактериальное загрязнение среды.
Недостатки:
высокие капитальные затраты;
высокие затраты на оборудование для очистки газовых выбросов;
требуется опытный персонал (в частности для обслуживания котла);
не все материалы подвергаются горению;
некоторые материалы требуют дополнительного топлива;
общество не поддерживает сжигание;
социальные сложности в выборе района для строительства;
проблема обезвреживания экотоксикантов: диоксинов, полиароматических углеводородов, тяжелых металлов в производственных выбросах (газовые выбросы, зола, сточные воды);
высокие удельные энергозатраты 80-100 кВт-час на тонну ТБО;
высокие затраты на захоронение токсичной золы (1/3 эксплуатационных затрат МСЗ).
Следует также отметить, что увеличение содержания в ТБО полимерных материалов приводит к увеличению концентрации вредных выбросов в выходящих газах. Для снижения экологической опасности вновь проектируемых полигонов мусоросжигательных заводов необходимо предусматривать систему предварительного отбора фракций (алюминий, полимерные материалы), усложняющих процесс термического обезвреживания ТБО. Кроме того, на современных мусоросжигательных предприятиях необходимо предусматривать вторую и третью ступень очистки отходящих газов.
Сложной задачей при эксплуатации таких заводов является, наряду с очисткой отходящих газов, утилизация или захоронение остающихся после сжигания (до 30% от сухой массы ТБО) токсичной золы и шлака.
Тем не менее, неоспоримым преимуществом такого метода перед размещением ТБО на полигоне является возможность использования энергетического потенциала отходов. ТБО представляют собой практически неисчерпаемый ресурс, так как они все время воспроизводятся населением, проживающим на данной территории. Кроме того, характеристики ТБО как топлива соответствуют характеристикам природного топлива с большим выходом летучих веществ. Твердые бытовые отходы, тем более сортированные, являются местным энергетическим топливом.
Одним из основных условий эффективной эксплуатации заводов по сжиганию ТБО является то, что экономическая выгода появляется только в условиях непрерывной и относительно равномерной подаче топлива (отходов), и мощности предприятий не менее 100 тыс. тн/год.
Комбинированный метод термической переработки ТБО - «ПИРОКСЕЛ»1
Технология включает следующие основные стадии обработки отходов: сушку, пиролиз (сжигание), обработку твердого остатка горения в шлаковом расплаве, химико-термическое обезвреживание дымовых газов, утилизацию избыточного тепла газовой фазы, ее окончательную очистку. При этом предусмотрена возможность гибко комбинировать указанные стадии (например, сушку и пиролиз или пиролиз и сжигание), добиваясь максимальной эффективности процесса при переработке различных видов отходов. Твердый остаток сжигания, расплавляясь в шлаковой ванне и подвергаясь корректировке путем введения минеральных добавок, образовывает нетоксичный продукт, который может быть использован в строительной промышленности.
Преимущества
Возможность переработки особо токсичных отходов в малых объемах (больничные отходы и т.п.).
Недостатки:
Сложность технологии.
Дополнительная термическая обработка дымового газа (для разложения токсичной органики и диоксинов) и шлака низкотемпературного пиролитического горения.
Относительно громоздкая система очистки газов.
Высокие энергозатраты (150кВт-час на тонну ТБО).
Производимые товарные продукты - малоценные (пирозит, фибра).
Относительно высокие капитальные затраты.
Один из наиболее перспективных методов переработки ТБО, применяемый для переработки отходов с получением горючего газа, смолы и шлака. Газификация является термохимическим высокотемпературным процессом взаимодействия органической массы с газифицирующими агентами, в результате чего органические продукты превращаются в горючие газы. В качестве газифицирующих агентов используют воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода и их смеси.
Газификация осуществляется в механизированных шахтных газогенераторах с применением воздушного, паровоздушного и паро-кислородного дутья. При парокислородной газификации получают газ с теплотой сгорания до 16 МДж/м3, который можно транспортировать на значительные расстояния.
Газификация ТБО является альтернативой процессу пиролиза, проводимый аналогично, но при температуре 800°-1300°С и в присутствии небольшого количества воздуха. В этом случае получаемый газ представляет собой смесь низкомолекулярных углеводородов, которую затем сжигают в топке. Экологическую ситуацию такой процесс не улучшает, так как присутствие воздуха и содержащихся в мусоре хлорорганических соединений в сочетании с высокой температурой приводит к интенсивному образованию диоксинов, фуранов и бифенилов, а соли тяжёлых металлов, как и в других технологиях, из процесса не выводятся и загрязняют окружающую среду. В материалах United States Environmental Protection Agency (U.S. ЕPA) приводятся такие сравнительные характеристики1:
Таблица 8
Наименование загрязнителя
|
Мусоросжигатели, кг/т отходов
|
Газификаторы, кг/т отходов
|
Диоксины и фураны
Ртуть
Свинец
Двуокись серы
Окись азота
Окись углерода
|
0,7 х 10-7
3 х 10-3
14 х 10-4
1,57
1,12
0,21
|
0,6 х 10-6
3 х 10-3
13 х 10-4
1,47
1,43
0,14
|
Наиболее полная деструкция продуктов, содержащихся в мусоре, осуществляется в процессе высокотемпературного пиролиза или газификации при температуре 1650°-1930°С в объеме расплавленного в смеси с минеральными добавками металла, либо при температуре до 1700°С в объеме расплава солей или щелочей в смеси с добавками и в присутствии катализаторов. Указанные способы обеспечивают переработку мусора практически любого состава, так как при такой температуре полностью разрушаются все диоксины, фураны и бифенилы. В результате получается: синтезгаз - смесь водорода, метана, угарного газа, диоксида углерода, водяного пара, оксидов азота и серы; твердый остаток - кокс, куски неорганических материалов, известь, цемент, стекло и шлак, которые предлагается сливать из реактора в герметичные бункеры и формы без указания их дальнейшего использования и отработанные расплавы солей и металла, регенерация которых чрезвычайно сложный и энергоемкий процесс, требующий, кроме того, значительного расхода различных реагентов. Синтезгаз после достаточно сложной очистки от примесей может быть использован в качестве топлива. Следует также отметить, что указанные процессы не обеспечивают выделение тяжелых металлов и их солей из твердого остатка пиролиза, поэтому дальнейшее применение шлаков для производства строительных материалов и конструкций невозможно, необходимы специальные меры по их утилизации или захоронению.
Преимущества:
получаемые горючие газы могут быть использованы в качестве топлива;
получаемая смола может быть использована как топливо или химическое сырье;
уменьшаются выбросы золы и сернистых соединений в атмосферу.
Недостатки:
При газификации с использованием воздушного и паровоздушного дутья получают генераторный газ с низкой теплотой сгорания 3,5 - 6 МДж/м. Такой газ непригоден для транспортировки и может быть использован только на месте получения.
Процесс газификации пригоден для переработки дробленых сыпучих газопроницаемых отходов. Пастообразные и крупногабаритные отходы не могут перерабатываться этим способом.
-
Сортировка ТБО с последующей переработкой вторичных ресурсов
В настоящее время наиболее перспективными представляются комплексные технологии переработки ТБО, предусматривающие предварительный отбор утильных фракций, механическую сортировку ТБО, перегрузку и прессование отходов, промышленную переработку и захоронение остатков на полигоне.
Сортировка бытовых отходов - этот технологический процесс предусматривает разделение твердых бытовых отходов на фракции на мусороперерабатывающих заводах вручную или с помощью автоматизированных конвейеров. Как было отмечено выше, произошедшие в последние годы изменения состава и свойств ТБО (сокращение содержания пищевых отходов, увеличение содержания полимерной и алюминиевой тары, ламинированного картона и др.) усложняют технологию, как сжигания, так и компостирования. Кроме того, увеличение содержания в ТБО вторичного сырья ставит задачу предварительного (до компостирования и/или сжигания) отбора утильных фракций.
Также производится измельчения мусорных компонентов и их просеивание, а также извлечение более или менее крупных металлических предметов, например консервных банок. Отбор наиболее ценного вторичного сырья предшествует дальнейшей утилизации ТБО (например, сжиганию). Обычно выделяют металлы, пластмассы, стекло, кости, бумагу и др. с целью дальнейшей их раздельной переработки.
-
Изготовление крупногабаритных блоков
Основной физический параметр ТБО при определении изменения плотности – это компрессионная характеристика, то есть зависимость степени уплотнения ТБО от давления.
Изготовление крупногабаритных блоков путем прессования ТБО при высоких давлениях - один из способов улучшения условий эксплуатации полигонов. Уплотненные ТБО выделяют меньше фильтрата и газовых выбросов, при этом снижается вероятность пожаров, эффективнее используется площадь полигонов.
По экспериментальным данным, объем отходов (в зависимости от его состава и влажности) в зависимости от нагрузки пресса уменьшается в 5...8 раз, что позволяет довести конечную плотность спрессованного материала в кипе до 0,8...1 т/м3. При повышении давления до 3...5 кг/см2 (0,3...0,5 МПа) происходит ломка различного рода коробок и емкостей. В пределах этой стадии работают прессовые устройства, применяемые при сборе и удалении ТКО. При повышении давления до 100...200 кг/см2 (10...20 МПа) происходит интенсивное выделение влаги (выделяется до 80...90 % всей содержащейся в ТБО воды). Объем ТКО снижается еще в 2...2,5 раза при увеличении плотности в 1,3...1,7 раза. В процессе прессования выдавливается фильтрат, составляющий 2 - 5% массы прессуемых материалов. Спрессованный до такого состояния материал на некоторое время стабилизируется, так как содержащейся в материале влаги недостаточно для активной жизнедеятельности микроорганизмов. Доступ кислорода в массу затруднен. Таким образом, после сортировки и брикетирования биологическая и химическая активность отходов уменьшается. В результате многократно снижается выделение высокотоксичного биогаза - полигоны из прессованных тюков не горят, не дымят.
При повышении давления до 600 кг/см2 (60 МПа) незначительно снижается объем (в основном за счет выдавливания влаги) и практически не возрастает плотность ТБО.
Готовые блоки заключают в проволочную сетку или листовой металл и используют в качестве крупных строительных элементов.
Проведенные испытания показали за два года лишь небольшую поверхностную коррозию блоков, покрытых листовым металлом. Аэробного или анаэробного процессов, сопровождающихся повышением температуры или выделением неприятных запахов, не обнаружено.
Применение прессов продлевает жизнь полигонов, однако, в то же время повышает удельную нагрузку на почву. Таким образом, характеристики защитного экрана полигона должны отвечать требования дополнительной нагрузки.
В таблице 9 приведены ориентировочные значения давлений, которые применяются при различных способах прессования ТБО.
Таблица 9
Прессование при сборе, транспорте и переработке ТБО1
Способ прессования
|
Давление, кг/см2
(10 Па)
|
Степень уплотнения
|
При сборе
|
Прессование "сухих" отходов в учреждениях, торговых предприятиях
|
1 - 2
|
3- 6
|
При транспорте
|
Прессование в мусоровозе
|
0,2 - 1
|
1,5 - 3
|
Прессование при перегрузке
|
Прессование при перегрузке
|
0,3 - 0,6
|
2 - 2,5
|
При переработке и захоронению
|
Прессование на специальных прессах при захоронении на полигонах
|
50 - 100
|
8 - 10
|
Послойное уплотнение на полигонах
|
1
|
3 - 4
|
Отсортированные фракции брикетируют, а затем часть их поступает на специальные полигоны для захоронения, а другая часть подвергается промышленной переработке.
Сравнение технологий захоронения балластных фракций с применением спецмашин на участке складирования и прессования балластных фракций на МПК приведены в таблице 10.
Таблица 10
Сравнение вариантов захоронения балластных фракций на полигоне ТКО
Наименование показателя
|
Прессование балластных фракций в прессе
|
Традиционная (уплотнение балластных фракций на полигоне)
|
Описание технологии
|
Прессование балластных фракций в прессе с обмоткой в 4 слоя. Укладка брикетов вилочными погрузчиками на платформу. Транспортировка брикетов на участок складирования. Укладка вилочным погрузчиком брикетов на участок складирования. Уплотнение отходов и изоляция отходов слоем 15 см.
|
Сбор балластных фракций в бункеры. Транспортировка бункеров бункеровозами на полигон и разгрузка на участке складирования. Разравнивание и уплотнение бульдозером, изоляция отходом изоляционным материалом высотой 25 см.
|
Коэффициент уплотнения
|
до 8
|
4
|
Слой изоляции отходов, см
|
15
|
25
|
Количество слоев отходов при высоте складирования - 20 м и высоте слоя ТБО - 2 м
|
9,3
|
8,9
|
Необходимое оборудование
|
|
|
Погрузчик с рулонным захватом на МПК
|
1
|
-
|
Погрузчик с захватом на полигоне
|
1
|
-
|
Бульдозер Т-170
|
1
|
1
|
Пресс производительностью 6-10 т/час
|
1
|
-
|
Бункеровоз
|
-
|
1
|
Бункер
|
-
|
3
|
Автомобиль для перевозки брикетов (тюков) на участок захоронения
|
1
|
-
|
Результат от применения системы
|
|
|
- сокращение расходов на строительство нового объекта захоронения
|
7-8 руб./куб.м ТКО
|
12-13 руб./куб.м ТКО
|
- увеличение эксплуатационных затрат на телескопические погрузчики
|
+
|
-
|
- сокращение расходов на приобретение грунта для изоляции
|
+
|
-
|
- сокращение транспортных расходов по перевозке балластных фракций
|
+
|
-
|
- коэффициент, учитывающий увеличение срока службы полигона ТБО при высоте складирования 20 м
|
1,42
|
1
|
Следует отметить, что стоимость тяжелых катков-уплотнителей находится в пределах 6500 тыс. руб. (с НДС). Данные спецмашины обеспечивают прессование отходов до 5 раз. Общая стоимость брикетирующих прессов, позволяющих довести плотность уплотнения до 1100 кг/м3, при стоимости 6300 тыс. руб.
Применение прессов для брикетирования «хвостов» эффективно при значительном дефиците земель, отводимых под полигоны.
|
