Особенности переработки твердых коммунальных отходов

В процессе производства образуется большое количество отходов, которые при соответствующей обработке могут быть вновь использованы как сырье для производства промышленной продукции. В будущем большая доля потребностей в сырье будет восполняться продуктами переработки отходов промышленного производства.

Все, виды промышленных отходов делятся на твердые и жидкие. К твердым отходам относятся отходы металлов, дерева, пластмасс и других материалов, пыли минерального и органического происхождения от очистных сооружений в системах очистки газовых выбросов промышленных предприятий, а также промышленный мусор, состоящий из различных органических и минеральных веществ: резины, бумаги, тканей, пескi1, шлака и т. п. К жидким отходам относятся осадки сточных вод после их обработки, а также шламы пылей минерального и органического происхождения в системах мокрой очистки газов.

Для полного использования отходов в качестве вторичного сырья разработана их промышленная классификация.

Разработка мероприятий по обезвреживанию и переработке неутилизируемых промышленных отходов привела к необходимости дополнительной классификации их по гигиеническому и технологическому принципам. Классификация по гигиеническому принципу подразделяет промышленные отходы на 6 категорий, которые приведены в таблице 1.

Критерием определения целесообразности переработки отходов в местах их образования является количество и степень использования отходов в производстве. При термической обработке отходов пластмасс расходуется большое количество кислорода и выделяется много высокотоксичных продуктов (углеводороды, хлористый водород и др.).

Таблица 1- Классификация отходов Наиболее рациональным методом ликвидации пластмассовых отходов служит высокомолекулярный нагрев без доступа воздуха (пиролиз).

Основными направлениями ликвидации и переработки твердых промышленных отходов (кроме металлоотходов) являются вывоз и захоронение на полигонах, сжигание, складирование и хранение на территории промышленного предприятия до появления новой технологии переработки их в полезные продукты (сырье).

1. Переработка твердых промышленных отходов

Обработку целесообразно проводить в местах образования отходов, что сокращает затраты на погрузочно-разгрузочные работы, снижает безвозвратные потери при их перевалке и транспортировке и высвобождает транспортные средства. На большинстве химических предприятий отходы входят в состав промышленного мусора предприятий, при этом разделение мусора на отдельные его компоненты оказывается экономически нецелесообразным. В настоящее время разработаны и внедрены в промышленном масштабе технологии обработки, утилизации и ликвидации промышленного мусора. Качественный и количественный состав промышленного мусора любого предприятия примерно стабилен в течение года, поэтому технология переработки мусора разрабатывается применительно к конкретному предприятию и определяется составом и количеством промышленного мусора, образующегося на территории.

Например, в Запорожье разработана система переработки промышленного мусора в строительные материалы и комбинированные удобрения. Зола становится основным материалом для изготовления искусственного гравия, из которого создаются стеновые панели и несущие конструкции жилых и производственных зданий.

В ФРГ разработан способ безотходной переработки отходов в электродуговой печи. При высокой температуре (1500—1700С) в печи минеральная часть (силикаты и металл) плавится и разделяется на металл и шлак. В результате переработки 1 т отходов образуется около 140 кг феррометалла.

Переработку твердых бытовых и промышленных отходов в Москве, Санкт-Петербурге и Ереване производят на специальных заводах. В промышленной зоне Бирюлево (Москва) работает завод для сжигания более 2 млн. м³ в год твердых отходов. В Санкт-Петербурге работает завод по обезвреживанию и переработке 400 тыс. м³ в год твердых отходов, который вырабатывает в год тыс. т сельскохозяйственного компоста широко используемого в теплицах.

Захоронение отходов — должно проводиться в специально отведенных местах по согласованию с органами государственного санитарного надзора. Пункт захоронения отходов необходимо располагать на незатопляемой территории с низким уровнем грунтовых вод, с наличием водоупорного глинистого слоя. Расстояние от места захоронения отходов до населенных мест и открытых водоемов рыбохозяйственного назначения устанавливается в каждом конкретном случае по согласованию с органами государственного санитарного надзора.

2. Переработка твердых коммунальных отходов

В настоящее время весь мир и, в частности, наша страна находится в стадии стремительного роста городов. Применительно к России урбанизация проходит на фоне значительного расслоения населения и массовой миграции сельского населения в крупные города. Рост населения городов сопровождается резким увеличением количества бытовых отходов. Стабилизация экономической ситуации в стране также ведет к росту потребления и соответственно увеличению количества твердых коммунальных отходов (ТКО). Таким образом, всегда существовавшая проблема ТКО становится сегодня еще более актуальной. Основным способом переработки ТКО является биотехнологические процессы и сжигание. К сожалению, отсутствие достаточного количества современных биотехнологических производств приводит к тому, что основная масса отходов захоранивается на полигонах или сжигается. Сгорание органической части утверждениям сторонников метода, не сокращает, а увеличивает их массу (на 1 кг углерода расходуется более 2,5 кг кислорода) и переводит в газообразное состояние; при этом образуется токсичная и супертоксичные диоксины. Происходит потеря органических веществ, которые можно переработать в удобрения и использовать для озеленения и сельского хозяйства. Очевидно, что самым экологически и экономически перспективным является биотехнологический способ переработки, при котором обеззараживание ТКО происходит без затрат энергоносителей (за счет активности термофильных микроорганизмов), а органические компоненты перерабатываются в компост.

2.1 Материалы и методы переработки ТКО

Эксперименты проводились на базе предприятия «Опытный завод механизированной переработки бытовых отходов» (ОЗ МПВО) с использованием штатного оборудования. Для приготовления и внесения в ТКО растворов питательных веществ была разработана и изготовлена специальная установка. Измерения температуры ТКО в биобарабана проводили пирометром с учетом поправки (корректировалась раз в смену), температуру компоста в буртах на глубине 0,5 м — максимальным термометром, физико-химические параметры компоста — по стандартным методикам.

Если рассмотреть процесс механизированного компостирования с точки зрения кинетики роста микроорганизмов, то становится ясным, что при компостировании отходов — периодическом культивировании микроорганизмов, содержащихся в исходных ТКО — питательной средой выступает органическая часть отходов.

Обычно все 4 фазы протекают в одном реакторе. На заводе МПВО эти стадии разделены. Лаг-фаза и фаза экспоненциального роста, а также часть стационарной фазы протекает в биобарабане. По сути дела лаг-фаза и фаза экспоненциального роста — это выход процесса на температурный режим, а собственно санация ТКО протекает в начале стационарной фазы. Разумеется, это относится лишь к доминирующей на конечном этапе биотермической санации, целевой группе микроорганизмов — термофилам. Микроорганизмы мезофильной группы, которые доминируют на начальном этапе, обеспечивают разогрев массы ТКО до температур, когда в дело вступают термофилы, в дальнейшем и гибнут в биобарабане. Роль мезофиллов и скорость выхода процесса на температурный режим различны в зависимости от исходной температуры ТКО. В плане отметить, что мезофиллы не успевают перейти в стационарную фазу роста — при повышении температуры они сразу переходят в фазу лизиса. Численность микроорганизмов сильно зависит от условий в биореакторе, которые неодинаковы по его длине. В таблице 2 приведено количество микроорганизмов в различных участках биореактора.

Таблица 2

В условиях резкого снижения интенсивности перемешивания и аэрации микроорганизмы продолжают разрушать остаточные органические субстраты и поддерживать температуру компоста. Эта стадия называется «дозревание». По мере исчерпания запасов веществ микроорганизмы переходят в фазу лизиса, что сопровождается остыванием компоста. Процесс продолжается от 8 месяцев до 1,5 лет. В течение этого времени завершаются процессы разложения органических веществ, происходит падение температуры до 30⁰ С и ниже. Микробное число снижается с 9*10¹⁰ до 4*10⁷, рН стабилизируется на уровне 8,13−8,17. По завершении стадии дозревания количество микроорганизмов падает и стабилизируется к моменту остывания компоста на уровне 10⁷, в соответствии с таблице 3

Таблица 3 — Изменение микробиологических показателей компоста при дозревании в штабелях Ввиду многообразия микроорганизмов на начальном этапе процесса и смене микробных сообществ по мере его протекания некорректно использовать содержание микроорганизмов того или иного вида (или ОМЧ) в качестве параметра, по которому можно судить о кинетике процесса. Более универсальным параметром, отражающим интенсивность протекания микробиологических процессов, является температура компостируемого субстрата. График ее изменения повторяет, разумеется, с некоторым временным сдвигом, кривую роста микроорганизмов. Поэтому в качестве основного контрольного параметра мы использовали температуру компоста.

Исследователи данной проблемы пришли к выводу, что соотношение углерод/азот/фосфор нужно довести до 20/5/1 на всю массу отходов и то, что делать это нужно с помощью других отходов, главным образом, навоза или илового осадка станций аэрации. Второй стереотип — для активации нужно вносить извне микроорганизмы деструкторы (классические дозировки — 106 к.о.е. на г (см3) или 5—15% от объема инокулируемой среды). Разработанная на основе стереотипного подхода технология ускорения компостирования ТКО [1, 2], несмотря на хорошие результаты, так и не была внедрена в производство по экономическим соображениям.

Но, главным препятствием для роста микроорганизмов, которые в изобилии содержатся в ТКО, является низкая растворимость питательных веществ субстрата. Этим и объясняется длительная лаг-фаза процесса и низкая физиологическая активность микрофлоры мусора, которая и является движущей силой процесса разогрева отходов. Предполагается следующее:

— необходимо вносить в качестве активаторов только самые доступные источники питания (сахара и белковые гидролизаты) в виде водных растворов, что позволит до минимума сократить лаг-фазу процесса;

— количество питательных веществ должно быть эквивалентно тому количеству, которое будет затрачено на приготовление инокулюма, исходя из классических дозировок — 1*106 к.о.е./см³.

Следуя логике, для экспериментов следовало бы взять стандартный состав среды для определения ОМЧ, но было создано два варианта среды:

первая — смесь сусла с пептоном и сахарозой (наиболее легкодоступные источники питания), второй вариант представлял собой стереотипную питательную среду (углерод/азот/фосфор = 20/5/1) на основе сахарозы и минеральных удобрений; в состав среды был также включен в качестве активатора лигногумат. Состав сред на одну загрузку биобарабана (300 тонн ТКО):

Однако физиологическая активность исходной микрофлоры низка, а ее количество мало, поэтому процесс переходит в экспоненциальную фазу лишь через 8 ч после разогрева до оптимальных температур. В случае активатора, созданного на основе сусла и пептона, процесс начинается сразу после искусственного разогрева.

Физико-химическими характеристики представлены в таблице 4.

При дозревании в штабелях показали, что добавки, как и предполагалось, влияют лишь на интенсивность протекания процессов. Особенности изменения температуры, рН и органического вещества одинаковы для обеих добавок и контроля, однако скорость протекания различна. Полученные результаты позволяют говорить о том, что внесение активаторов сокращает время созревания компоста в буртах в 2 раза, а сроки пребывания ТКС в биобарабане (за счет сокращения времени выхода на температурный режим) — на 20—38%.

Таблица 4

Заключение

1. При поиске способов оптимизации биотехнологических процессов следует избегать стереотипов и рассматривать протекание процесса с точки зрения фундаментальных основ биотехнологии.

2. Лимитирующей стадией процесса биотехнологической переработки твердых коммунальных отходов фаза адаптации к источникам питания. Эта стадия процесса является лимитирующей других процессов деструкции трудно растворимых веществ, а, следовательно, метод предложенный может быть использован и при активации других биотехнологических процессов.

3. Внедрение метода позволило без капиталовложений увеличить производительность предприятия на 20%.

Перечень ссылок

1. Лекционный материал

2. Синтетические химико-фармацевтические препараты. / М. В. Рубцов, А. Г. Байчиков. — М.: Химия, 1971.-304с.

3. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Том II. Органические вещества. / Под ред. Н. В. Лазарева и Э. Н. Левиной. — Л.: Химия, 1976.-624с.

4. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Том II. Органические вещества. / Под ред. Н. В. Лазарева и Э. Н. Левиной. — Л.: Химия, 1976.-592с.

5. Методическое пособие для самостоятельной работы по «Безопасности жизнедеятельности» для студентов биотехнологического факультета. / Г. Л. Алексеева, Л. П. Лазурина. — Курск, КГМУ, 2004. — 89 с.

6. Пожарная безопасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности. Справочник. / Под редакцией И. П. Рябова. — М.: Химия, 1970.-336с.