1.1. Анализ способов и оборудования утилизации коммунально-бытовых отходов.

Выбор метода переработки отходов потребления определяется для конкретного региона в зависимости от необходимости решения проблем охраны окружающей среды, здоровья населения, а также от экономической эффективности и рационального использования земельных ресурсов. Учет климатических, географических, градостроительных условий, а также численности обслуживаемого населения определяет решение проблемы обезвреживания и утилизации отходов в конкретных условиях. Известно более двадцати методов обезвреживания и утилизации ТБО.

По технологическому принципу методы переработки и обезвреживания ТБО можно разделить на биологические, термические, химические, механические и смешанные. По конечной цели методы переработки и обезвреживания ТБО делятся на ликвидационные и утилизационные (рис. 1.1).

Рисунок. 1.1. Классификация методов обезвреживания и утилизации ТБО

1.2. Переработка твердых бытовых отходов компостированием

Различают компостирование полевое и на специальных заводах. Протекающие при компостировании аэробные биохимические реакции, приводят к окислению целлюлозы до получения углекислого газа и воды, при этом выделяется теплота 2796 кДж на 1 моль глюкозы – составной части целлюлозы.

Суммарная химическая реакция имеет следующий вид:

Переработанные таким образом отходы вступают в естественный круговорот веществ в природе за счет их обезвреживания и превращения в компост – ценное органоминеральное удобрение.

Наиболее совершенным считают непрерывный процесс компостирования с аэробным принудительным окислением органических отходов во вращающемся биотермическом барабане.

1.2.1. Полевое компостирование тбо

Наиболее простым и дешевым методом утилизации ТБО является полевое компостирование. Его целесообразно использовать в городах с населением свыше 50 тыс. жителей. Правильно организованное полевое компостирование обеспечивает защиту почвы, атмосферы, грунтовых и поверхностных вод от загрязнения ТБО. Технология полевого компостирования позволяет производить совместное обезвреживание и переработку ТБО с обезвоженным осадком сточных вод (в соотношении 3:7), получаемый при этом компост содержит больше азота и фосфора[42-44].

Процесс обезвреживания и переработки осуществляется за счет саморазогревания мусора, и поэтому называется биотермическим. Этот процесс происходит в результате роста и развития разнообразных, в основном термофильных, микроорганизмов в аэробных условиях (т.е. при достаточном доступе воздуха).

В ходе процесса мусор разогревается до 60 °С, что губительно действует на болезнетворные микроорганизмы, яйца гельминтов, личинки и куколки мух и обеспечивает надежное обезвреживание мусора. Под действием развивающейся микрофлоры сложные, быстрогниющие органические вещества разлагаются с образованием форм, легко устраиваемых растениями, получается компост.

Схематически основные фазы микробиологического процесса разложения органического вещества отходов можно представить следующим образом. Сначала компостируемая масса имеет температура окружающего воздуха. Затем с ростом микроорганизмов растет и температура компоста. До 40 °С в нем усиленно размножаются мезофильные микроорганизмы (оптимальная температура из развития 25-30 °С). Повышение температуры в компостируемой массе свыше 40 °С приводит к гибели мезофиллов и размножению более теплолюбивых микробов – термофилов. Это наиболее важная стадия в процессе компостирования, так как микроорганизмы проявляются здесь наибольшую активность и окислительные процессы интенсифицируются. Затем температура постепенно снижается, доходит до мезофильной стадии и процесс затухает[49-50].

При компостировании органического вещества существует определенная последовательность в разложении составляющих компонентов отходов микроорганизмами. Сахар и крахмал используются микроорганизмами более активно, чем другие компоненты. Наибольшая потеря водорастворимых веществ происходит за счет высокого потребления сахара; липоиды или жиры тоже не очень стойки к разложению. Целлюлоза и гемицеллюлоза имеют среднюю стойкость, лигнин является наиболее стойким к распаду. Поэтому дерево и бумага, содержащие большое количество лигнина, медленно компостируются.

В результате разложения, количество органических веществ уменьшается, происходит потеря сухой массы, часто доходящая 50 %. Большинство органических азотистых веществ в составе растительных и животных остатков содержится в виде белковых соединений.

При компостировании сложные белковые соединения легко разлагаются и переходят в более простые соединения – сначала аминокислоты, конечная фаза расщепления которых сопровождается выделением аммиака. Аммиак окисляется сначала в азотистую, а затем в азотную кислоту. Процесс этот называется нитрификацией, так как его вызывают особые нитрифицирующие микроорганизмы.

При ускоренном механизированном компостировании, когда процесс разложения органического вещества в установке длится несколько дней, обычно имеют место процессы аммонификацией. Нитрификация может наступить лишь во время последующего дозревания в штабелях или в почве при соответствующих условиях.

Технология процесса компостирования отходов должна обеспечить создание оптимальных условий, способствующих обезвреживанию отходов в короткие сроки и получению из них высококачественного компоста.

К наиболее важным факторам, влияющим на процесс обезвреживания и компостирования, относятся: влажность компостируемой массы, аэрация, температура и состав исходного мусора.

Влажность. Активность биотермического процесса компостирования во многом зависит от влажности бытового мусора, так как микроорганизмы, участвующие в этом процессе, питаются необходимыми веществами только в виде водных растворов. Недостаточная влажность лишает их воды, необходимой для обмена веществ, и приводит к прекращению биотермического процесса. Излишняя же влага заполняет пустоты между частицами мусора, вытесняя воздух, в результате чего создаются анаэробные условия из-за недостатка кислорода, и процесс компостирования резко затормаживается.

Аэрация. Наличие достаточно количества кислорода является одним из главных условий жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Для начала биотермического процесса достаточно воздуха, содержащегося в массе отходов перед компостированием. В центре компостируемой массы, куда приток воздуха извне затруднен, кислород быстро используется бактериями и повышение температуры в компостируемой массе приостанавливается. Если такую массу оставить без вмешательства, то температура в ней постепенно понизится и процессы разложения вещества замедляется. Поэтому при биотермическом компостировании очень важно равномерное проникновение кислорода во весь объем отходов.

Аэрация компостируемой массы может происходить как за счет естественной циркуляции воздуха, так и за счет искусственной подачи воздуха.

Ускоренное компостирование в специальных установках на мусороперерабатывающих заводах возможно только при использовании принудительной аэрации. Однако избыточная аэрация может усилить теплоотдачу массы отходов и привести к пересыханию и снижению температуры. Поэтому аэрация компостируемой массы осуществляется с регулированием подачи воздуха в зависимости от температуры и влажности.

Отношение углерода к азоту. Большое влияние на процесс компостирования оказывают углерод и азотистые вещества, содержание которых в отходах определяется отношением С:N.

Для роста и развития микроорганизмов требуется в несколько раз больше углерода, чем азота, так как углерод используется и как источник энергии и как питание, а азот необходим только для построения клеток. Микроорганизмы в процессе жизнедеятельности потребляют в среднем около 30 частей углерода на каждую часть азота. Следовательно, для интенсивного хода компостирования желательно, чтобы отношение углерода к азоту в отходах было 30:1 (при этом указанные вещества должны быть в доступных формах).

Если углерода в отходах оказывается больше указанной величины, то разложение органического вещества значительно замедляется и для интенсификации процесса необходимы минеральные формы азота. Если углерода меньше, чем азота, микроорганизмы полностью используют углерод, а излишек азота выделяется в виде аммиака, что часто приводит к обеднению компоста.

Реакция среды (концентрация водородных ионов). Микроорганизмы, находящиеся в твердых бытовых отходах, довольно чувствительны к реакции среды (pH). Нейтральная реакция среды соответствует pH = 7,07. Все значения ниже этой величины указывают на кислую реакцию, а выше – на щелочную.

Разные группы микроорганизмов по-разному реагируют на реакцию среды. Для одних микроорганизмов оптимальная величина pH находится в пределах 6-7,5 (бактерии), для развития других достаточно значения pH = 3,5-5,5 (плесневые грибы).

В начале процесса компостирования бытового мусора основное участие принимают бактерии. Поэтому важно, чтобы исходный материал имел реакцию среды, благоприятную для развития бактерий. Несмотря на то, что бытовой мусор (за некоторым исключением) имеет слабокислую или кислую реакцию среды, процесс компостирования развивается довольно интенсивно. Это связано со значительным образованием аммиака в начале процесса компостирования и усреднения кислой реакции среды отходов.

Размер частиц. Измельчение мусора перед компостированием увеличивает суммарную поверхность компостируемого материала; материал становится более однородным и доступным для бактерий, участвующих в процессе обезвреживания и компостирования. Дробленые отходы равномерно нагреваются и аэрируются, что препятствует их чрезмерному высушиванию. По зарубежным данным, оптимальный размер частиц составляет 25-35 мм.

Таким образом, дробление способствует интенсификации процесса обезвреживания и компостирования.

Существует две принципиальные схемы полевого компостирования [3, 51]:

• с предварительным дроблением ТБО;

• без предварительного дробления.

При использовании схемы с предварительным дроблением ТБО для измельчения отходов используют специальные дробилки.

Во втором случае (без предварительного дробления) измельчение происходит за счет многократного перелопачивания компостируемого материала. Неизмельченные фракции отделяют на контрольном грохоте.

Установки полевого компостирования, оснащенные дробилками для предварительного измельчения ТБО, обеспечивают больший выход компоста и дают меньше отходов производства. ТБО измельчают молотковыми дробилками или небольшими биотермическими барабанами (частота вращения барабана 3,5 мин^–1). Барабан обеспечивает достаточное измельчение ТБО за 800–1200 оборотов (4–6 ч). После такой обработки 60–70 % материала проходит через сито обечайки барабана с отверстиями диаметром 38 мм.

Сооружения и оборудование полевого компостирования должны обеспечить прием и предварительную подготовку ТБО, биотермическое обезвреживание и окончательную обработку компоста. ТБО разгружают в приемный буфер или на выровненную площадку. Бульдозером, грейферным краном или специальным оборудованием формируют штабеля, в которых происходят процессы аэробного биотермического компостирования.

Высота штабелей зависит от метода аэрации материала и при использовании принудительной аэрации может превышать 2,5 м. Ширина штабеля поверху не менее 2 м, длина – 10–50 м, угол заложения откосов равен 45°. Между штабелями оставляют проезды шириной 3–6 м.

Для предотвращения развеивания бумаги, выплода мух, устранения запаха поверхность штабеля покрывают изолирующим слоем торфа, зрелого компоста или земли толщиной 20 см. Выделяющееся под влиянием жизнедеятельности термофильных микроорганизмов тепло приводит к «саморазогреванию» компостируемого материала. При этом наружные слои материала в штабеле служат теплоизоляторами и сами разогреваются меньше, в связи, с чем для надежного обезвреживания всей массы материала штабеля необходимо перелопачивать. Кроме того, перелопачивание способствует лучшей аэрации всей массы компостируемого материала. Продолжительность обезвреживания ТБО на площадках компостирования составляет 1 - 6 мес. в зависимости от используемого оборудования, принятой технологии и сезона закладки штабелей.

При весенне-летней закладке недробленых ТБО температура в штабеля компостируемого материала через 5 дней поднимается до 60–70 °С и удерживается на таком уровне две-три недели, затем снижается до 40–50 °С. В течение следующих 3–4 мес. температура в штабеле уменьшается до 30–35 °С.

Перелопачивание способствует активизации процесса компостирования, через 4–6 дней после перелопачивания температура на несколько дней снова повышается до 60–65 °С.

При осенне-зимней закладке температура в течение первого месяца поднимается только в отдельных очагах, а затем, по мере саморазогрева (1,5–2 мес.) температура штабеля достигает 50 – 60 °С и остается на таком уровне в течение двух недель. Затем в течение 2 – 3 месяцев температура в штабеле удерживается на уровне 20 – 30 °С, а с наступлением лета повышается до 30 – 40 °С.

В процессе компостирования активно снижается влажность материала, поэтому для ускорения биотермического процесса помимо перелопачивания и принудительной аэрации необходимо производить увлажнение материала.

Принципиальные схемы сооружений полевого компостировния ТБО приведены на рис. 1.2.

На рис. 1.2, а, б, в, гпредставлены схемы с предварительным измельчением ТБО, а на рис. 1.2, д обработка перенесена в конец технологической линии. На рис. 1.2, а, б, в ТБО разгружают в приемные бункера, оснащенные пластинчатым питателем, на рис. 1.2, г – в траншеи с последующим извлечением их грейферным краном. На рис. 1.2, а, б, г – измельчение ТБО осуществляют в дробилке с вертикальным валом, на рис. 1.2, в - в горизонтальном вращающемся биобарабане.

На рис. 1.2, а измельченные ТБО смешиваются с обезвоженным осадком сточных вод и затем направляются в штабеля, где они находятся в течение нескольких месяцев. За время компостирование материал несколько раз перелопачивается.

Технологическая схема компостирования в две стадии представлена на рис. 1.2,б. В течение первых десяти дней биотермический процесс происходит в закрытом помещении, разделенном подпорными продольными стенками на отсеки. Компостируемый материал каждые два дня перегружают специальной подвижной установкой из одного отсека в другой. Для активизации биотермического процесса через отверстия, расположенные в основании отсеков, производят принудительную аэрацию компостируемого материала.

Из закрытых отсеков компостируемый материал после грохочения перегружают на открытую площадку, где он дозревает в штабелях в течение 2 – 3 мес.

Схема, изображенная на рис. 1.2, в, отличается от остальных тем, что в качестве дробилки в ней используют биобарабан.

В схеме, показанной на рис. 1.2, г, используют двойное грохочение материала. Измельченный в дробилке материал при первичном грохочении разделяют на две фракции: крупную, направляемую на сжигание, и мелкую, направляемую на компостирование. Компостирование осуществляют в лотке, расположенном на открытой площадке. Лоток разделен продольными стенками на секции и оснащен установкой для перегрузки компостируемого материала в соседние секции. Зрелый компост подвергают повторному (контрольному) грохочению, после чего отправляют потребителю.

При отсутствии дробилки для ТБО может быть применена схема, изображенная на рис. 1.2, д, в которой грохочение, дробление и магнитная сепарация происходят в конце технологического цикла.

Рисунок. 1.2. Принципиальные схемы сооружений полевого компостирования ТБО[51]: а – совместная переработка ТБО и осадка сточных вод; б – двухстадийное компостирование ТБО; в – схема с предварительной обработкой ТБО в биобарабане; г – схема с компостированием в открытых отсеках и предварительным грохочением ТБО; д – компостирование недробленых ТБО

1 – приемный бункер с пластинчатым питателем; 2 – дробилка для ТБО; 3 – подвесной электромагнитный сепаратор; 4 – подача осадков сточных вод; 5 – смеситель; 6 – штабеля; 7 – грейферный кран; 8 – закрытое помещение для первой стадии компостирования; 9 – подвижная установка для перелопачивания и перегрузки компоста; 10 – продольные подпорные стенки; 11 – аэраторы; 12 – контрольный грохот для компостера; 13 – биобарабан; 14 – первичный грохот для дробленных ТБО; 15 – цилиндрический контрольный грохот; 16 – дробилка для компоста.

Простейшими и наиболее распространенными сооружениями по обезвреживанию ТБО являются полигоны. Современные полигоны ТБО – это комплексные природоохранные сооружения, предназначенные для обезвреживания и захоронения отходов. Полигоны должны обеспечивать защиту от загрязнения отходами атмосферного воздуха, почвы, поверхностных и грунтовых вод, препятствовать распространению грызунов, насекомых и болезнетворных микроорганизмов.

Полигоны строят по проектам в соответствии со СНиП. Схема конструктивных элементов полигона представлена на рис. 1.3.

Рисунок. 1.3. Принципиальная схема устройства полигона ТБО

Дно полигона оборудуется противофильтрационным экраном – подложкой. Он состоит из глины и других водонепроницаемых слоев (битумогрунт, латекс) и предотвращает попадание фильтрата в грунтовые воды.

Компания „ТеМа“ предлагает устройство противофильтрационных экранов состоящих из регулярных слоев природных минеральных и геосинтетических материалов[52].

Фильтрат – жидкость, содержащаяся в отходах, она стекает вниз, на дно полигона, и может просачиваться через его борта. Фильтрат – минерализованная жидкость, содержащая вредные вещества[53]. Собирается фильтрат с помощью дренажных труб и отводится в резервуар для обезвреживания. Ежедневно в конце рабочего дня отходы покрываются специальным материалом и слоями грунта, а затем уплотняются катками. После заполнения секции полигона отходы покрываются верхним перекрытием.

Очистка фильтрационных вод в этой связи является актуальной проблемой. Предлагается следующая технологическая схема очистки фильтрационных вод: сбор→гомогенизация→коагуляция→фильтрация→2-х ступенчатый аэробный биологический пруд→выпуск [53].

В статье [54] проанализирован мировой и отечественный опыт очистки фильтрата полигонов твердых бытовых отходов и предложена новая технология его очистки.

Разработана новая гибридная схема очистки дренажных вод полигонов[55], сочетающая прогрессивную мембранную технологию с эффективными разработками традиционных методов, в том числе электрохимии. Использование данной технологии позволяет резко сократить расход коагулянтов, флокулянтов и дезинфицирующих реагентов, повысить надежность очистки до требований ПДК (в том числе по азотным соединениям), минимизировать габаритные размеры установки и существенно сократить капитальные и эксплуатационные затраты. Технология очистки включает следующие стадии: электрохимическую обработку ДВ; двухступенчатую фильтрацию на фильтрах с песчаной загрузкой; глубокую очистку и обессоливание осветленной воды на двухступенчатом обратноосмотическом мембранном модуле; финишную доочистку от низкомолекулярной органики на сорбенте; возврат концентрата в тело полигона для участия в биохимических реакциях или его выпаривание.

Установка [56] включает последовательно расположенные камеру отдувки аммиака, блок предочистки, аппарат корректировки рН, блок биологической очистки, блок электролитической обработки и блок фильтрования. Блоки фильтрования и предочистки содержат реактор-смеситель, вакуум-фильтр и устройство для диспергирования сорбента, при этом вакуум-фильтр соединен системой транспортирования с устройством для диспергирования сорбента, а устройство для диспергирования сорбента соединено системой транспортирования с реактором-смесителем, причем устройство для диспергирования сорбента блока фильтрования дополнительно соединено системой транспортирования с реактором-смесителем блока предочистки. Использование изобретения обеспечивает сокращение площадей, занимаемых установкой, и повышение степени очистки сточных вод при экономии сорбента.

Исследована [57] возможность использования рециркуляции жидкости, выщелачиваемой из мест свалок муниципальных отходов, для орошения свалок, которое обеспечивает снижение содержания токсичных химических соединений в ТБО, а также повышает их влажность, что приводит к ускорению процессов стабилизации. Как показали выполненные эксперименты, при осуществлении рециркуляции выщелачиваемого раствора, достигается удаление их отходов 99,9% NH₃ и на 80,5% снижается величина химической потребности и в кислороде. При подаче выщелачиваемой жидкости с сорностью 15,92 л/м² в сутки обеспечивается снижение содержания органических соединений в поверхностном слое до концентрации 25,54 г/м² за тот же период времени.

Продуктом анаэробного разложения органических отходов является биогаз, представляющий собой в основном смесь метана и углекислого газа [58-62]. Система сбора биогаза состоит из нескольких рядов вертикальных колодцев или горизонтальных траншей. Последние заполнены песком или щебнем и перфорированными трубами.

Все работы на полигонах по складированию, уплотнению, изоляции ТБО и последующей рекультивации участка должны быть полностью механизированы.

Полигоны ТБО должны обеспечивать охрану окружающей среды по шести показателям вредности:

1. Органолептический показатель вредности характеризует изменение запаха, привкуса и пищевой ценности фитотест-растений на прилегающих участках действующего полигона и территорий закрытого полигона, а также запаха атмосферного воздуха, вкуса, цвета и запаха грунтовых и поверхностных вод.

2. Общесанитарный показатель отражает процессы изменения биологической активности и показателей самоочищения почвы прилегающих участков.

3. Фитоаккумуляционный (транслокационный) показатель характеризует процесс миграции химических веществ из почвы близлежащих участков и территории рекультивированных полигонов в культурные растения, используемые в качестве продуктов питания и фуража (в товарную массу).

4. Миграционно-водный показатель вредности выявляет процессы миграции химических веществ фильтрата ТБО в поверхностные и подземные воды.

5. Миграционно-воздушный показатель отражает процессы поступления выбросов в атмосферный воздух с пылью, испарениями и газами.

6. Санитарно-токсикологический показатель суммарно характеризует эффект влияния факторов, действующих в комплексе.

Недостатком такого способа утилизации отходов является то, что наряду с образующимся в толще полигона фильтратом, являющимся основным загрязнителем природной среды, в атмосферу попадают токсичные газы, которые не только загрязняют воздушное пространство вблизи полигона, но и отрицательно влияет на озоновый слой земли. Кроме того, при захоронении на полигонах теряются все ценные вещества и компоненты ТБО.