ТЕХНОЛОГИИ ОТХОДОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СЕРВИСЕ

Раздел: Технологии и производство

Как отмечено, ТБО на 70-80% представлены органическими (горючими, биоразлагаемыми) веществами, поэтому для их переработки в принципе возможно применение термических и биотермических методов.

Из биотермических методов в практике наибольшее распространение получила аэробная ферментация, которую часто называют компостированием (по названию конечного продукта ферментации - компоста, используемого в сельском хозяйстве).

Ферментация - это биохимический процесс разложения органической части отходов микроорганизмами. В биохимических реакциях взаимодействуют органический материал, кислород и бактерии (сапрофитные аэробные микроорганизмы, присутствующие в ТБО в достаточных количествах), а выделяются диоксид углерода, вода и тепло (материал саморазогревается до 60-70°С). Процесс сопровождается синтезом гумуса. Размножение микроорганизмов-деструкторов отходов возможно при определенном соотношении углерода и азота.

Наилучший контакт между органическим веществом и микроорганизмами обеспечивается при перемешивании материала, в результате саморазогрева которого в процессе ферментации происходит уничтожение большинства болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов, личинок мух.

По результатам исследований английских специалистов, на начальной стадии ферментации происходит минерализация смеси, о чем свидетельствует уменьшение общего содержания углерода органического вещества и гуминовых кислот. Образующаяся биомасса обладает высокой степенью полимеризации и характеризуется значительной (по сравнению с почвой) концентрацией азота. В процессе ферментации уменьшается содержание в биомассе фенольных групп и увеличивается содержание групп НООС и С=0.

В итоге законченного процесса ферментации масса биоразлагаемо- го материала уменьшается вдвое и получается твердый стабилизированный продукт.

Компостирование ТБО в мировой практике развивалось как альтернатива сжиганию (первый завод в Европе по компостированию ТБО был построен в 1932 г. в Нидерландах). Экологической задачей компостирования можно считать возвращение части отходов в круговорот природы.

Наиболее интенсивно компостирование ТБО развивалось с конца 60-х до начала 80-х годов преимущественно в странах Западной

Европы (Италия, Франция, Нидерланды). В Германии пик строительства заводов пришелся на вторую половину 80-х годов (в 1985 г. в компост перерабатывали 3% ТБО, в 1988 г. - около 5%). Интерес к компостированию вновь повысился в середине 90-х годов на основе вовлечения в переработку не ТБО, а селективно собранных пищевых и растительных отходов, а также отходов садово-паркового комплекса (термическая переработка этих отходов затруднена из-за большой влажности, а захоронение связано с неконтролируемым образованием фильтрата и биогаза). В европейской практике к 2000 г. с применением аэробной ферментации ежегодно перерабатывали около 4,5 млн. т отходов более чем на 100 заводах (из них в 1992-95 гг. построено 60 заводов).

В странах СНГ прямое компостирование исходных ТБО применяют на девяти заводах: в Санкт-Петербурге (первый завод в бывшем СССР, построен в 1971 г.; в конце 1994 г. в Санкт-Петербурге введен в строй второй завод), Нижнем Новгороде, Минске и Могилеве, Ташкенте, Ал- ма-Ате, Тбилиси и Баку (все заводы запроектированы институтом «Ги- прокоммунстрой», Могилевский - институтом «Белкоммунпроект»), В 1998 г. вошел в строй завод в Тольятти, на котором реализована предварительная, но малоэффективная сортировка ТБО.

Следует отметить, что из-за гетерогенного состава отходов прямое компостирование ТБО нецелесообразно, поскольку получаемый компост загрязняется стеклом и тяжелыми металлами (последние, как отмечено, содержатся в опасных бытовых отходах - отработанных гальванических элементах, люминесцентных лампах).

На первых механизированных промышленных установках ТБО наиболее часто компостировали в штабелях, периодически подвергая материал ворошению.

В настоящее время в промышленности наиболее распространены три метода аэробной ферментации:

•          ферментация (компостирование) в биобарабанах;

•          туннельное компостирование (ферментация);

•          ферментация (компостирование) в бассейне выдержки.

В СНГ с 1971 г. практикуется исключительно компостирование в биобарабанах (в режиме загрузки-разгрузки материала частота вращения биобарабана составляет 1,5 мин1, остальное время 0,2 мин1). В России (завод в г. Тольятти) на базе цементных печей выпускаются биобарабаны двух типоразмеров - длиной 36 и 60 м; диаметр биобарабанов - 4 м ( 5.146).

Биобарабан представляет собой сварной стальной цилиндр, установленный на двух (КМ-101 А) или трех (КМ-102Б) роликоопорах с уклоном в сторону разгрузочного устройства. От продольного смещения биобарабан удерживают упорные ролики, установленные на ближайшей к разгрузочному устройству роликоопоре. Разгрузочное устройство оборудовано сегментным затвором с электроприводом (установлен на корпусе биобарабана). Для аэрации компостируемого материала на корпусе биобарабана смонтированы вентиляторы типа ВВД 5 (необходимый расход воздуха для обеспечения жизнедеятельности аэробной микрофлоры составляет, по данным АКХ им. К.Д. Памфилова, 0,2-0,8 м3 на 1 кг отходов). Для сокращения теплопотерь поверхность биобарабанов покрывают теплоизоляцией (пенопласт, минераловатные маты).

Загрузка материала в биобарабан (и соответственно разгрузка) осуществляется в течение 1-1,5 смен (8-12 часов). Время нахождения материала в биобарабанах - около двух суток. За это время процесс ферментации, по существу, только начинается и потеря массы вещества на выходе из биобарабана не превышает 5%. Для дозревания компост размещается в штабелях на открытых площадках; продолжительность процесса дозревания - несколько месяцев.

На всех заводах СНГ (общая характеристика заводов приведена в  5.43), кроме завода в г. Тольятти, реализована практически одна и та же технология прямого компостирования исходных ТБО. Некоторым исключением является Санкт-Петербургский завод №1, на котором реализовано частичное извлечение из исходных ТБО перед компостированием черного металлолома.

Несмотря на то, что Санкт-Петербургский завод был первым, построенным в бывшем СССР, положительный опыт его функционирования не был учтен при проектировании заводов в других городах, на которых ТБО подвергают компостированию без какой-либо первичной обработки. При практически неизменной технологии все действующие в СНГ заводы отличаются лишь схемой цепи аппаратов. Все заводы оснащены оборудованием для трех основных технологических операций, обеспечивающих производство компоста: частичной (в Санкт-Петербурге) предварительной подготовки ТБО, биотермического аэробного компостирования в биобарабанах, очистки компоста от примесей  и складирования компоста; на некоторых заводах, кроме того, предусмотрена термическая обработка (сжигание, пиролиз) неком- постируемой фракции (г.г. Санкт-Петербург, Минск, Тбилиси, Ташкент).

На всех компостных заводах в СНГ получаемый компост имеет весьма плохой товарный вид, характеризуется низким качеством и сбывается с большим трудом. Товарный вид компоста Санкт-Петербургского завода более благоприятен, но, как и на остальных заводах, компост существенно загрязнен тяжелыми металлами.

Исследованиями, проведенными в бывшем СССР ИМГРЭ Мингео СССР, установлено, что применение выпускаемых компостными заводами удобрений (прямое компостирование исходных ТБО) связано с загрязнением почвы тяжелыми цветными металлами. Так, по сравнению с фоновыми почвами компост значительно обогащен ртутью (в 833 раза), сурьмой (в 64 раза), цинком (в 30 раз), кадмием (в 21 раз), свинцом (в 18 раз), медью (в 17 раз). При использовании компоста в сельском хозяйстве цветные металлы в избыточном количестве поступают в почву и на полях, удобренных компостом, содержание металлов оказалось выше, чем на контрольном участке.

Установлено, что для компоста бумага может являться источником токсичного тяжелого металла — свинца, присутствующего в типографской краске, а также цинка. Высокая концентрация солей, содержащихся в компосте из ТБО, также вредна для чувствительных к ним растений.

требования к компосту российских заводов. Из таблицы следует, что существующие в РФ нормы допускают суммарное содержание тяжелых металлов в компосте не более 1,45 г/кг сухой массы, содержание стекла крупностью -10 +3 мм - не более 1,7% на исходную массу.

Основные недостатки ферментации в биобарабанах:

•          бесконтрольность процесса;

•          плохой товарный вид конечной продукции (сложность очистки материала, выходящего из биобарабана, из-за его большой влажности);

•          эксплуатационные сложности (образование в барабанах «пробок» из текстиля, в весенне-осенний период биобарабаны текут);

•          сильная загрязненность черного металла, выделяемого из компоста (при отсутствии сортировки ТБО перед компостированием);

•          потребность большой площади для дозревания компоста (по существу, за двое суток процесс ферментации, как отмечено, только начинается, и потеря массы биоразлагаемого вещества на выходе из биобарабана не превышает 5%);

•          невозможность, в соответствии с отечественной практикой, эксплуатации завода более 260 дней в году (замедленное дозревание компоста на открытом воздухе в зимний период, сложность сбыта продукции и пр.).

Недостатки, присущие технологии ферментации в биобарабанах, становятся преимуществом альтернативных технологий – ферментации в бассейне выдержки и в туннеле. Отличие этих двух технологий друг от друга состоит в том, что в бассейне выдержки материал находится 4- 6 недель, а в туннеле - 7-10 дней. Соответственно в бассейне выдержки процесс ферментации полностью заканчивается с получением сухого стабилизированного продукта (потеря массы вещества - 50%), а в туннеле получается полупродукт (потеря массы исходного вещества - 20- 30%, влажность - 30%). Вместе с тем во всех случаях, когда не предполагается получение конечного продукта в виде компоста для сельскохозяйственного использования, предпочтительнее применять ферментацию обогащенной органической фракции в туннеле, рассматривая эту технологию как ферментативную сушку, обеспечивающую одновременно обезвреживание, измельчение и гомогенизацию материала. Материал после туннельного компостирования в большей степени обогащен углеродом, чем после ферментации в бассейне выдержки, что предпочтительно для последующих процессов термической переработки (сжигание, газификация и др.).

При сопоставимой производительности капитальные затраты на строительство цеха ферментации в бассейне выдержки в 2-3 раза выше, чем при туннельном компостировании.

Выбор той или иной технологии определяется в каждом конкретном случае и зависит от производительности завода, целей и задач переработки ТБО и ряда других факторов.

тенденция перехода в европейской практике от компостирования в биобарабанах к компостированию в туннеле и бассейне выдержки (доля отходов, переработанная с использованием ферментации в биобарабанах, на заводах, введенных в строй в 1992-95 гг., составляет всего 11,6%; на долю ферментации в бассейне выдержки приходится 56,3%, на долю туннельного компостирования - соответственно 32,1%). Из 60 построенных в 1992-95 гт. заводов (цехов по ферментации) биобарабаны установлены всего на 10.

Целый ряд зарубежных фирм отказался от технологии компостирования в биобарабанах и перешел на новые технологии. В то же время в СНГ, как отмечено, с 1971 г. практикуется компостирование только в биобарабанах.

Ниже практика ферментации в бассейне выдержки и в туннеле рассмотрена более подробно.

На заводе в Перудже (Италия) ферментации в бассейне выдержки (технология фирмы «Buhler», Швейцария) подвергается обогащенная фракция ТБО крупностью -100 +10 мм (фракция -10 мм, выделяемая при сепарации ТБО, является отвальной, так как мелкие частицы адсорбируют токсичные и вредные вещества, которые могут загрязнять компост). Выход обогащенной органической фракции, направляемой на компостирование, - около 25% по массе (от исходного).

Бассейн выдержки представляет собой закрытую площадку для компостирования размером 70x21 м. Глубина слоя отходов, закладываемых на компостирование, - 2,5 м.

Бассейн выдержки обслуживается мостовым краном с четырьмя шнеками, расположенными под углом к горизонтали. Назначение шнеков — равномерное распределение материала в бассейне с одновременным его перемешиванием. Входя в толщу компостируемых отходов, шнек не доходит до дна бассейна всего на 10-15 см. В процессе перемешивания и перемещения материал хорошо измельчается и гомогенизируется.

Продолжительность компостирования - 28 суток. Температура в бассейне выдержки поддерживается постоянной (50-60°С). Компостируемый материал снизу продувается воздухом (подается по трубам с отверстиями); расход воздуха зависит от окружающей температуры (в частности, летом расход воздуха уменьшается). Через 28 суток компост с помощью шнека подается на систему ленточных конвейеров и транспортируется на линию сортировки для очистки от примесей.

Поскольку продукт ферментации по процессу «Buhler» является сухим, технология имеет существенное преимущество — обеспечивает весьма эффективную последующую очистку стабилизированной органической фракции от механических примесей (применение комбинации процессов грохочения и аэросепарации), см.  5.106.

Линия сортировки включает два барабанных грохота (с отверстиями соответственно 20 мм и 12 мм) и два аэросепаратора для раздельного обогащения классов -12 мм и -20 +12 мм. Легкая фракция аэросепарации является готовым продутом - компостом (в основном для сельскохозяйственного использования, что в 1995г., по итальянским законам от 1982 г., еще допускалось).

Визуально готовый компост представляет собой однородную зернистую массу коричневатого оттенка разных тонов (светлых и более темных), без посторонних примесей.

Время пребывания материала в туннеле, который можно рассматривать как контейнер, - 10 суток (до 14). Габариты одного туннеля: длина -30 м (20+40 м), ширина -5 м, высота - 3+4 м. Загруз- ка-разгрузка материала осуществляется периодически (один раз в 10 суток). Производительность одного туннеля - 15-18 т/сут. Потеря массы биоразлагаемых органических веществ за 10 дней ферментации - 30%. Расход воздуха, подаваемого в процесс - 150 м3/м2 в час. Влажность материала на выходе из туннеля 30%. При производительности по исходному 600 т/сут требуется установка до 40 туннелей. Технологический процесс аэробной ферментации в туннеле, как и в бассейне выдержки, поддается полной автоматизации и непрерывно контролируется (температура, расход аэрируемого воздуха, влажность). Количество подаваемого вентилятором воздуха на входе в туннель коррелируется с содержанием кислорода (или С02) на выходе.

При любом способе компостирования ТБО не удается полностью избежать потенциальной опасности попадания в компост нежелательных для здоровья человека веществ. В  5.46 приведены европейские требования к компосту, полученному из ТБО для сельскохозяйственного использования, и типичные характеристики компоста европейских заводов.

Из данных видно, что при максимально допустимом суммарном содержании тяжелых металлов 752,5 мг/кг сухой массы (почти в два раза ниже допустимого содержания по российским нормам) реальное содержание тяжелых металлов в компосте колеблется в пределах 1,8-3,3 г/кг сухой массы, т.е. превышает нормативные требования в 2-5 раз (механические примеси стекла в компосте европейскими нормами не допускаются). Поэтому компост, полученный из ТБО или из его обогащенных фракций, рекомендуется использовать не в сельском хозяйстве, а в лесных питомниках, при озеленении, рекультивации земель (в том числе после добычи полезных ископаемых), в технологии полигонного захоронения ТБО (в качестве покрывающего материала), в качестве заполнителя для покрытия заболоченных земель, для производства этанола, в качестве подготовленного топлива для производства энергии. Отсюда термин «компостирование» в приложении к ТБО в современных условиях не совсем удачен: по существу, речь идет о ферментации, о стабилизации состава органических компонентов; стабилизированный органический продукт может быть использован не только в сельском хозяйстве (в качестве компоста), но и в других направлениях.

Для эффективного использования стабилизованной органической фракции (в качестве компоста, топлива, сырья для производства новой продукции) важно отделить содержащуюся в ТБО биологически активную фазу от инертной с помощью процессов и методов, применение которых не приводит к изменениям биологического состава отходов. С экологической точки зрения весьма важным при ферментации ТБО (как и при сжигании ТБО) является предварительное удаление опасных бытовых отходов - отработанных батареек, люминесцентных ламп, красок, ядовитых веществ, металлов. Проблема негативного влияния опасных бытовых отходов в настоящее время в основном решается их селективным сбором с последующей переработкой или удалением.

Вследствие ужесточения требований к составу используемого в качестве удобрения компоста почти во всех европейских странах для компостирования используют только получаемые при раздельном сборе фракции с высоким содержанием биоразлагаемых веществ, не содержащие экологически опасных компонентов (прежде всего металлов). Например, в Голландии от 50 до 70% биоразлагаемых отходов (1,8 млн. т/год) собирается отдельно и подвергается компостированию - преимущественно в туннеле и в бассейне выдержки (19 заводов из 26, что составляет более 80% от общего количества селективно собранных отходов).

В некоторых странах (например, в Германии) использование компоста из ТБО в качестве удобрения запрещено законодательно, в других признано нецелесообразным.

Опыт европейских стран по результатам эксплуатации установок по компостированию отходов приводит к следующим выводам:

•          компостирование является приемлемым решением для стабилизации органических веществ, содержащихся в потоках отходов;

•          конечный продукт (компост) хорошего качества может быть получен только в том случае, когда компостированию подвергаются отходы, сепарированные в местах образования, поскольку они не содержат загрязняющих веществ, которые могут присутствовать в исходных ТБО;

•          ТБО, не сепарированные в месте их образования, не пригодны для производства качественного компоста.

К такому же выводу пришли специалисты фирмы Compost Management (США), работающей в области компостирования ТБО.

По мнению фирмы, главными контролируемыми показателями компоста являются тяжелые металлы и патогенные бактерии, причем получение из ТБО компоста без предварительного обогащения не имеет смысла.

К сожалению, в России компост из ТБО часто используется без учета загрязнения окружающей среды, и содержащиеся в нем тяжелые металлы, попадая в почву, могут перейти затем в продукты, потребляемые человеком.

Таким образом, основная тенденция развития практики аэробной ферментации (компостирования) - переход от ферментации в биобарабанах к ферментации в бассейне выдержки и в туннеле (на последних поколениях заводов доля отходов, переработанных с использованием ферментации в биобарабанах, составляет всего 11%); сокращение производства компоста из ТБО как продукта для сельскохозяйственного использования вследствие резкого ужесточения экологических норм; отказ от прямого компостирования исходных ТБО (переход на биообработку фракции, обогащенной пищевыми и растительными отходами); расширение практики компостирования селективно собранных пищевых и растительных отходов (с получением компоста для сельскохозяйственного использования).

Намечается тенденция использования биообработки в качестве процесса ферментативной сушки обогащенной органической фракции ТБО, обеспечивающего одновременно обезвреживание, измельчение и гомогенизацию материала и получение сухого стабилизованного органического полупродукта (для использования в качестве подготовленного топлива, сырья для производства спирта, строительных материалов).

Необходимо отметить, что на европейских заводах, использующих биотермические технологии, принимаются специальные меры по борьбе с распространением запаха. В частности, отработанный воздух после процесса ферментации обязательно подвергается очистке в биофильтрах.' Бункер для приема отходов должен быть закрытого типа, при ферментации в буртах фильтрационные воды должны подвергаться очистке. За счет селективного сбора пищевых и растительных отходов удается локализовать этот сильный источник запахов в составе ТБО. Необходимость борьбы с запахами учитывается уже на стадии проектирования завода.