4. Проведение сравнительной оценки вариантов возможных решений исследуемой проблемы

Основная тенденция решения проблемы ТБО в мировой практике - их вовлечение в промышленную переработку.

Несколько причин стимулируют переход к промышлен­ной переработке ТБО:

• наличие постоянной экологической опасности от нако­пления больших объемов отходов;

• сложность выделения и обустройства новых свалочных мест;

• рост затрат на захоронение ТБО и их доставку к местам захоронения, которые все более удаляются от городов;

• экономия земельных ресурсов при отказе от полигонного захоронения;

• возможность масштабной утилизации муниципальных отходов при их вовлечении в промышленную перера­ботку;

• необходимость решения экологических проблем цивили­зованными методами.

В первую очередь ТБО вовлекаются в промышленную переработку в регионах, бедных природными ресурсами и отличающихся малой площадью и высокой плотностью населения.

В мировой практике нашли промышленное применение пять принципиальных методов переработки ТБО:

• термическая обработка (в основном - сжигание);

• биотермическая аэробная ферментация (с получением удобрения, биотоплива, топлива и др.);

• анаэробная ферментация (с получением биогаза);

• сортировка (с извлечением ценных компонентов и фрак­ций отходов для вторичного использования);

• комплексная переработка (комбинация различных мето­дов: ферментация-сортировка, ферментация-сортировка-термообработка, сортировка-ферментация, термо­обработка-сортировка, сортировка-термообработка, сортировка-термообработка-ферментация).

Принципы выбора и создания рациональных методов промышленной переработки ТБО базируются на том, что проблема ТБО - это взаимосвязанная эколого-экономическая и технологическая проблема, а сами ТБО должны рассматриваться как техногенное сырье сложного органоми­нерального состава. Технологию переработки ТБО следует рассматривать как метод инженерной защиты окружающей среды. Задачей любой технологии является:

• уменьшение объема и массы отходов, подлежащих захоронению, с перспективой перехода на безотходное производство;

• обезвреживание отходов;

• рациональная утилизация отходов (материальная и энергетическая, с выделением ценных компонентов, производством новых видов товарной продукции).

Приоритетными при выборе и создании технологии, отвечающей достижениям и тенденциям развития миро­вой практики, являются эколого-экономические критерии (экологическая безопасность технологии, количество и эко­логическая безопасность образующихся отходов, эколо­гическая безопасность новой продукции, экономическая эффективность, капитальные и эксплуатационные затраты).

Промышленную переработку следует рассматривать как конечную операцию в общей схеме управления ТБО, эффективность которой во многом зависит от организации работы на каждой предшествующей стадии - сбора и транспортировки (удаления) муниципальных отходов.

Исходя из гетерогенного состава муниципальных отхо­дов, схемы управления ТБО (включая промышленную пере­работку) должны представлять собой комбинацию техно­логических операций разделения отходов на отдельные фракции и компоненты с последующей их переработкой оптимальным методом. Стремление использовать для переработки всей массы ТБО какой-то один конкретный метод, какую-то монотехнологию (например, сжигание) приводит к неоправданному увеличению затрат и усилению негативного влияния технологии на окружающую среду. В наибольшей степени современным требованиям экологии, экономики и ресурсосбережения отвечает создание комбинированного производства, обеспечивающего обезвреживание отходов, использование отходов как источника энергии и как вто­ричного сырья.

Для практического вовлечения ТБО в комплексную переработку необходим обоснованный выбор комбинационных технических решений (ориентированный на использование наиболее прогрессивных разработок) и их системное объединение (исходя из характера взаимосвязей между отдельными технологическими операциями как элементами общей системы сортировки и переработки ТБО), с детальным анализом.

На рисунках 4.1-4.3 приведены варианты возможных прогрессивных технологических схем комплексной переработки ТБО.

В основе всех схем лежит механизированная сепарация ТБО (возможно применение операции ручной сортировки крупнокусковой фракции, см. рис. 4.3). Отличие технологических схем сортировки связано с реализацией операции вторичного грохочения: в одной из схем эта операция может не использоваться, в двух других она осуществляется по разным классам круп­ности (по классу 60 мм и 100 мм), что объясняется различным целевым назначением комплексной переработки ТБО (в части выпуска готовой продукции) и экономическими соображениями (снижение капитальных затрат на дорогостоящие переделы переработки). Механизированная сортировка исходных ТБО и продуктов ферментации обеспечивает извлечение в самостоятельные продукты черных и цветных металлов, выделение горючей и биоразлагаемой фракции (последняя пригодна для ферментации и для производства строительных материалов), а также удаление опасных компонентов.

Рисунок 4.1 - Технологическая схема комплексной безотходной переработки ТБО с извлечением металлов, производством энергии и строительных материалов

Рисунок 4.2 -Технологическая схема комплексной малоотходной переработки ТБО (комбинация процессов сортировки, термо- и биообработки)

Рисунок 4.3 - Технологическая схема комплексной малоотходной переработки ТБО (комбинация процессов сортировки, слоевого сжигания и ферментативной сушки)

При составлении оптимальной комплексной схе­мы переработки коммунальных отходов следует:

• применять в первую очередь технологии с минимальными затратами на единицу снижения объема отходов, и только по­сле их полного внедрения для всего объема городских отходов применять более затратные;

• осуществлять ввод технологий очередями, так, чтобы введенные в строй предприятия могли функционировать самостоятельно, до введения сле­дующих очередей;

• применять технологии в такой последова­тельности, чтобы вводимые на более ран­них этапах не препятствовали внедрению технологий на последующих этапах.

На основе предложенных сравнительных характеристик можно составить оптимальную модель комплексной схемы обращения с от­ходами.

Одновременно с реализацией последовательной схемы (но не до нее) следу­ет внедрять раздельный сбор отходов по трем фракциям:

• “сухие” вторичные материальные ресурсы;

• “влажные” биоразлагаемые отходы;

• прочие отходы, в том числе опасные.

По мере развития этой системы можно частично или полностью перево­дить уже созданные предприятия по сортировке и МБП отходов на прием раздельно собранных отходов.

Некоторые экономические показатели различных тех­нологий переработки ТБО (расчетные данные по комплексной пере­работке ТБО и расчетные данные по реализации готовой продукции, реализованные или планируемые к реализации проектов, а также данные научной литературы с актуализацией с учетом инфляции на 2008 г. [1-19]) приведены в табл. 4.1 и на рис. 4.4.

Таблица 4.1.Экономическая эффективность различных технологий переработки ТБО

Показатели	Технологии
	1	2	3	4	5	6
	Сжигание	Компостирование	Сортировка + сжигание	Сортировка + компостирование	Комплексная переработка	Сортировка + компактирование*
Удельные капитальные вло­жения (на 1 т ТБО), дол./т	280	90	330	100	240	44
Удельные эксплуатационные затраты (на 1 т ТБО), дол./т	9,6	10	12,8	8,7	13,5	3,5
Неутилизируемая фракция (подлежит захоронению),%	30	30	15	55	8	60
Удельные затраты на захоро­нение неутилизируемой фрак­ции, дол./т''	9	9	4,5	16,5	2,4	18
Норма амортизационных отчислений, % ***	10	10	10	10	10	10
Приведенные капитальные затраты, дол/т	28	9	33	10	24	4,4
Общие удельные затраты, дол./т	46,6	28	50,3	35,2	39,9	25,9
Суммарная реализация про­дукции из 1 т ‘ТБО, дол./т	23,7	9,2	33,9	18,7	30,2	34
Экономическая эффектив­ность технологий, дол./т	-22,9	-18,8	-16,4	-16,5	-9,7	8,1

* Технология «сортировка+компактирование» рассчитана на вовлечение в переработку только отходов нежилого сектора города. ** Удельные затраты на захоронение ТБО приняты 30 дол/т.

*** Норма амортизационных отчислений условно принята 10% (для всех технологий).

Рисунок 4.4. Экономическая эффективность различных технологий переработки ТБО

1 - сжигание; 2 - компостирование; 3 - сортировка + сжигание; 4 - сортировка + компостирование; 5 - комплексная переработка; 6 - сортировка + компактирование

Сравнительная качественная оценка принципиальных способов переработки ТБО по экономическим критериям (удельные капитальные, эксплуатационные и приведенные затраты, удельные затраты на захоронение неутилизируемой части ТБО, прибыль от реализации продукции из 1 т ТБО) показывает (рис.4.4), что строительство заводов по технологии прямого сжигания, а также прямого компо­стирования ТБО экономически наименее целесообразно (практика СНГ). В экономическом плане, как следует из рис. 4.4, для переработки неразделенных потоков ТБО наиболее предпочтительны комбинационные технические решения, в особенности комплексная переработка ТБО (комбинация процессов сортировки, термо- и биообработки). Однако, без учета тарифов за прием ТБО все эти технологии являются убыточными. Единственной самоокупаемой является тех­нология раздельного сбора и сортировки отходов нежилого сектора города (первый этап решения проблемы ТБО).

Ориентировочный расчет экономических показателей может быть сделан на основании данных таблицы 4.1, с учетом снижения объемов отходов «на вхо­де» на каждой ступени технологического цикла (таблицы 4.2, 4.3).

На рисунках 4.5 и 4.6 представлены снижение объемов захорониваемых отходов и приведенные затраты на переработку при применении комплексной схемы переработки отходов (для раздельного и смешанного сбора). Для сравнения приведены аналогичные показатели для сжигания отходов.

Таблица4.2. Экономические показатели последовательной схемы переработки смешанных отходов

Капитальные вло­жения, смешанный сбор	Объем «на входе» (от исходного), %	Удельные капиталовложения, руб/м^3/год	Итого, капиталовложения, руб/м^3/год*	Приведенные затраты, руб/ м^3	Итого, приведенные затраты, руб/м^3 *
Сортировка	100	173	173	44	44
Механобиологическая переработка	74	1385	1018	198	146
Прессование	33	144	47	98	32
Итого			1238		222

* - в пересчете на 1 м³ «на входе» в комплекс

Рисунок 4.5. Снижение объема захоронения отходов

Рисунок 4.6. Приведенные затраты на переработку отходов

Анализируя таблицы 4.1-4.3 и рисунки 4.5 и 4.6, можно заметить, что переработка отходов, собранных раздельно, даже с учетом дополнительных затрат на организацию раздельного сбора, позволяет, с одной стороны, в три раза снизить объем остаточных отходов (до 4% от исходного), а с другой стороны - вдвое снизить затраты на переработку отходов, сравняв их с современными тарифами на захоронение.

Между тем очевидно, что 100% раздельный сбор, то есть участие в нем всего населения, невозможен. Таким образом, на практике может быть реализован промежуточный вариант, предусматривающий переработку как раздельно собранных, так и смешанных отходов.

Интересно сравнить комплексные методы переработки отходов с наиболее противоречивой технологией, вызывающей бурные дискуссии - со сжига­нием (см. рис. 4.4, 4.7).

Удельные капитальные вложения в эту технологию составляют 3390 руб/м³ годовой мощности, приведенные затраты - 357 руб/м³ при объеме остаточных отходов - 10%. Даже не принимая во внимание токсичность выбросов, сбросов и отходов мусоросжигания, эта технология не имеет перспектив по экономическим показателям, более чем в полтора раза превосходя по затра­там переработку даже смешанных отходов и примерно в 6 раз - раздельно собранных.

Наибольшее экологическое влияние на окружающую среду из рассматриваемых технологий оказывают тех­нологии прямой ферментации и прямого сжигания исхо­дных ТБО.

Выбросы тяжелых металлов как основных токсичных ингредиентов можно уменьшить за счет предварительной сортировки ТБО с извлечением полимерных отходов, чер­ных и цветных металлов. По данным зарубежных иссле­дований, предварительная сортировка ТБО на порядок снижает содержание тяжелых металлов в отходящих газах и является важнейшим первичным мероприятием по уменьшению токсичных выбросов.

Недостатки каждого метода переработки ТБО нивелиру­ются, если промышленную технологию строить по принципу комбинации отдельных методов переработки ТБО.

При использовании технологии комплексной перера­ботки в термообработку поступают не исходные ТБО, а их обогащенная фракция, из которой в основном удалены металлы, полимеры, макулатура, причем масса обогащен­ной фракции в два раза меньше, чем исходных ТБО. Отсюда резко снижается экологическое влияние дымовых газов: их объем значительно уменьшается.

Зола, образующаяся в процессе комплексной переработки ТБО при очистке дымовых газов, является токсичной, но в настоящее время разрабатываются методы ее обезвреживания не только с целью захоронения, но и последующей утилизации (например, путем переработки золы в инертный стекловидный остаток, который может использоваться в дорожном строительстве, в качестве добавок к бетону, для струйной очистки изделий и т.п.); кроме того, уже разработаны термические технологии, в которых отсутствует пылевынос (российская технология газификации).

Таким образом, по «экологичности» отходов промышленные технологии можно расположить в два параллельных ряда (качественная оценка): технологии с использованием термиче­ских методов и без использования термических методов.

Технологии, использующие термические методы, в порядке возрастания отрицательного экологического влияния располагаются в ряд:

• комплексная переработка;

• сортировка + сжигание;

• сжигание.

Соответственно технологии, не использующие термиче­ские методы, располагаются в ряд:

• ферментация;

• сортировка + ферментация.

Технологии прямой ферментации исходных ТБО и «сортировка + ферментация» равноценны по экологическому влиянию отходов лишь при условии реализации легкой фракции и текстильных компонентов как товарной продукции, что весьма затруднено. Применение технологии «сортировка + ферментация» необходимо для существенного улучшения качества конечного продукта (например, для использования в качестве удобрения).

С точки зрения «экологичности» готовой продукции все технологии, за исключением технологии прямой фермента­ции исходных ТБО, практически равноценны.

Как отмечено, по технологии прямой ферментации исходных ТБО получается продукт весьма низкого качества, вследствие чего она является наименее перспективной.

Поскольку по «экологичности» готовой продукции осталь­ные технологии условно можно считать равноценными, все технологии можно расположить в следующий ряд:

1-4) комплексная переработка; сортировка + ферментация; сортировка + сжигание; сжигание.

5) ферментация.

Суммарная оценка технологий переработки ТБО приведена на рис. 4.7, из которого следует, что технологии располагаются практически в тот же ряд, что и по экономическим показателям.

Рисунок 4.7. Экологическая оценка методов переработки ТБО

1 - сжигание; 2 - компостирование; 3 - сортировка + сжигание; 4 - сортировка + компостирование; 5 - комплексная переработка; 6 - сортировка + компактирование.

При сравнении различных вариантов высокотемпературных процессов переработки отходов необходимо учитывать ряд основных факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на вопросы экологической безопасности: 

1) качество получаемого продукта и завершенность процессов технологического передела; 

2) ограничение загрязнения окружающей среды продуктами переработки отходов и воздействия опасных факторов на персонал комплекса и население; 

3) удельные показатели потребления энергетических (электрическая и тепловая энергия) и природных ресурсов (воздух, вода, земля, недра). 

Преимуществом плазменных методов прямой переработки радиоактивных отходов перед обычными методами сжигания являются как повышенные коэффициенты сокращения объема отходов, так и получение продукта в виде плавленого шлакового компаунда, обладающего высокой химической стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды. Плазменные технологии позволяют увеличить объем перерабатываемых отходов в десятки раз по сравнению со сжиганием за счет переработки смешанных, практически не сортированных отходов. 

По своей структуре шлаки близки к вулканическому стеклу, доля кристаллических включений в аморфной матрице не превышает 10-15%. Полученные в плазменном процессе плавленые шлаки являются чрезвычайно устойчивым к химическому воздействию материалом; скорость выщелачивания натрия, одного из самых "подвижных" элементов, из шлака в воду находится на уровне (2-3)*10^-6 г/(см²*сутки), что, в среднем, на порядок ниже подобного показателя для боросиликатных стекол и на 2-3 порядка ниже, чем у цементных матриц. Скорость выщелачивания большинства других элементов, в том числе тяжелых металлов, на 2-3 порядка еще ниже, поэтому подобный шлаковый компаунд можно рассматривать как одно из самых совершенных средств для консервации радиоактивных элементов и неорганических токсикантов. 

Дымовые газы, выходящие из печи сжигания (или другого высокотемпературного устройства для переработки отходов), содержат не только пылевые частицы, но и газообразные вредные химические вещества: оксиды азота, серы и углерода, хлористый и фтористый водород, остатки углеводородов и других органических веществ. Для их улавливания и нейтрализации химически агрессивных компонентов служит набор стандартных или оригинальных методов очистки дымовых газов, включающих, как правило, узлы дожигания горючих компонентов, фильтрации и охлаждения, абсорбции и каталитической очистки газов. 

Сжигание отходов является одним из наиболее опасных вариантов переработки, так как приводит к синтезу ряда классов высокотоксичных веществ, прежде всего, полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов, полициклических ароматических углеводородов и бифенилов, а также их предшественников непосредственно в зоне горения по радикальному механизму. В отличие от сжигания, процесс послоевого пиролиза отходов в условиях недостатка кислорода, организованный в плазменной шахтной печи, приводит, в основном, к разложению сложных и тяжелых органических молекул на более простые фрагменты. 

Основными техническими мерами, призванными выполнить жесткие санитарные нормативы по выбросам диоксинов с дымовыми газами в атмосферу, являются: 

- сжигание пирогаза в камере дожигания при температуре от 1200 до 1350^оС, обеспечивающей глубокое окисление органических компонентов; 

- быстрое охлаждение горячих дымовых газов в испарительном теплообменнике путем впрыска воды в газовый поток, что позволяет подавить образование вторичных диоксинов по конденсационному механизму в диапазоне температур от 600 до 300^оС; 

- применение скруббера с орошением газов щелочным раствором, поглощающим активный хлор и хлористый водород, являющиеся основным "строительным материалом" высокотоксичных органических форм. 

Объем дымовых газов процесса плазменной переработки отходов перед выбросом в атмосферу достигает 8-11 м³ на 1 кг переработанных отходов, тогда как при сжигании отходов этот показатель достигает значения 19–22 м³/кг отходов. Таким образом, удельный объем дымовых газов процесса сжигания отходов на выходе из системы газоочистки, по крайней мере, в два раза превышает объем отходящих газов плазменного процесса, соответственно, плазменная технология в два и более раз снижает нагрузку по выбросу вредных веществ в атмосферу по сравнению со сжиганием. 

Каждый килограмм вводимого в печь сжигания или камеру дожигания углеводородного топлива увеличивает объем отходящих газов на 12-15 м³, внося также дополнительное количество оксидов серы (за счет содержащейся в топливе серы) и продуктов неполного сгорания, прежде всего, углеводородов и оксида углерода. Напротив, использование воздушно-дугового плазмотрона в качестве источника нагрева эквивалентно замене топливной форсунки производительностью 12-15 кг топлива в час (50-60 м³ воздуха вместо 150-200 м³ дымовых газов в час), а использование тепла сгорания пирогаза в камере дожигания для поддержания необходимой температуры позволяет экономить до 20-30 л топлива в час. 

При оценке внедрения биогазовых технологий с точки зрения государства в целом нужно учитывать следующие эффекты:

• Переработка отходов на биогазовых установках улучшает санитарные и гигиенические условия жизни населения и уменьшает расходы на здравоохранение. Рассматривая эффект биогазовых технологий на энергетический сектор, нужно учитывать, что производство биогаза создает внешнюю экономию платежного баланса страны путем дополнительного экспорта ископаемых источников энергии.

• Использование биоудобрений увеличивает продуктивность сельскохозяйственных земель.

• Использование биогаза снижает стоимость производства сельскохозяйственной продукции.

• Использование биогаза вместо традиционных источников энергии, таких как природный газ и уголь, сохраняет экологический баланс и увеличивает собственную выгоду на величину стоимости энергоносителей.

• Цены на энергию, производимую из биогаза, соперничают с ценами на энергию и топливо на рынке и являются стабильными, децентрализованными и независимыми от монополистических цен, существующих на рынке.

• Выгоды от децентрализованного производства энергии обеспечиваются улучшением безопасности энергетической системы, уменьшением потерь в энергетической системе, уменьшением затрат на сооружение энергопроводящих путей и коммуникаций.

• Децентрализованные биогазовые системы в сельской местности увеличивают занятость населения и снижают разницу между доходами разных слоев населения и разных областей страны.

• Производство биогазовых установок, опирающееся на местные материалы и специалистов, увеличивает доходы в государственный бюджет и снижают безработицу.

На макроэкономическом уровне эти эффекты достаточно значительны и проявляют себя при широком распространении биогазовых технологий.

При увеличении использования биогаза спрос на традиционные источники энергии будет падать. Следовательно, эффект от использования биогаза будет выражен ростом выгод для окружающей среды из-за меньшего количества потребления дров и сокращением незаконной вырубки лесов.

Хорошо функционирующие биогазовые установки могут полностью заменить потребление дров и угля биогазом.

Биогазовые установки обеспечивают утилизацию отходов и сточных вод и прямым образом улучшают санитарную и гигиеническую ситуацию в городе в целом и для индивидуальных потребителей в частности. При переработке сырья также исключается открытое хранение пищевых отходов. Кроме того, во время переработки активно уничтожается патогенная микрофлора. Таким образом, применение биогазовых технологий увеличивает ожидаемую продолжительность жизни для населения, освобождает население от затрат на лекарственные средства и лечение кишечных заболеваний.

При анаэробной переработке пищевых отходов достигается снижение выбросов парниковых газов, влияющих на климат. Использование биогаза уменьшает выбросы углекислого газа благодаря снижению потребления ископаемых видов топлива, таких как природный газ, мазут, уголь, дрова. В то же самое время благодаря сбору и использованию биогаза за счет переработки отходов происходит уменьшение выбросов важнейшего парникового газа - метана.

С помощью анаэробной переработки отходов и использования метана для производства энергии можно добиться глобального снижения выбросов на 13,24 миллиона тонн метана в год. В целом это составляет около 4 % глобальных антропогенных выбросов метана.

Проведенный анализ возможных вариантов решений исследуемой проблемы переработки коммунальных отходов показал, что одним из самых перспективных методов является утилизация пищевых отходов в местах образования биотехнологическим методом анаэробного сбраживания, при отдельном сборе или после отделения этих отходов от остальной массы ТБО.