CC BY
55
СТРОИТЕЛЬСТВО: Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства
D0l.org/10.5281/zenodo.1119167 УДК 55+628.4+504.064.47
К.В. Афонин, Т.С. Жилина, А.А. Загорская
АФОНИН КОНСТАНТИН ВИКТОРОВИЧ - к.т.н., доцент, e-mail: [email protected]
ЖИЛИНА ТАТЬЯНА СЕМЕНОВНА - к.т.н., доцент, e-mail: [email protected]
Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции
ЗАГОРСКАЯ АЛЛА АЛЕКСАНДРОВНА - старший преподаватель,
e-mail: [email protected]
Кафедра техносферной безопасности,
Тюменский индустриальный университет
Володарского ул., 38, Тюмень, 625000
Переработка отходов селитебных территорий с целью получения вторичных энергетических и материальных ресурсов
Аннотация: Рассмотрена возможность снижения нагрузки на полигоны твердых коммунальных отходов города Тюмени. Предложена новая концепция совместной утилизации отходов многоквартирных домов и отбросов, извлекаемых из сточных вод. Определены составы утилизируемых отходов многоквартирных домов и их полезные свойства. Исследованы качественные и количественные характеристики ингредиентного состава биогаза, определены его физико-химические свойства при генерации его в децентрализованных условиях. Произведен расчет удельного выхода биогаза и времени полного разложения отходов при совместном сбраживании твердых коммунальных отходов и отбросов бытовых сточных вод. Определена энергетическая целесообразность использования сгенерированного метана. Установлено, что объемов образующегося биогаза достаточно для компенсации коммунальных нужд многоквартирных домов. Снижение антропогенной нагрузки на полигоны твердых коммунальных отходов возможно при внедрении утилизации и использования биогаза по месту образования отходов, что создает основу для развития производств, использующих вторичные энергетические ресурсы на базе дешевого сырья. Ключевые слова: твердые отходы, метаногенез, биогаз, отходы сточных вод.
Введение
Краткий обзор ситуации, сложившейся в секторе возобновляемых источников энергии [6], показывает, что среди них превалируют гидро- и ветряные электростанции. Производство биотоплива в 2016 г. для нужд электроэнергетики в различных странах составляло от 0,5-20% в среднем (табл. 1).
В мире сырьем для получения различных классов биотоплива служат специально культивируемая растительность; отходы лесной и сельскохозяйственной промышленности; отходы производства и потребления. Последний тип сырья находится на ранних стадиях коммерциализации либо в процессе исследований [6, р. 49].
© Афонин К.В., Жилина Т.С., Загорская А.А., 2017 О статье: поступила: 20.07.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
Предпосылкой для использования твердых коммунальных отходов с целью получения биогаза является устойчивый рост образования отходов на территории Тюменской области [4]. Динамика образования отходов производства и потребления представлена на рис. 1.
Таблица 1
Производство энергии с использованием биотоплива в странах-лидерах альтернативной энергетики
Страна-производитель Общее количество вырабатываемой энергии от альтернативных источников, млрд кВтч Количество энергии, полученной на базе биотоплива
млрд кВтч % от общего количества
Китай 800 4 0,5
США 527 13 2,47
Бразилия 459 7 1,52
Канада 398 2 0,5
Россия 168 2 1,19
Индия 160 36 21,3
Германия 126 1 0,79
Норвегия 121 2 1,65
Япония 116 20 17,24
Испания 87 6 6,9
4000 3000 2000 1000
■ 11
2010 2011 2012 2013 2014
0
■ ' Отходы жилищно-коммунального сектора, тыс. т
■ Количество отходов, образованных предприятиями, тыс. т
Рис. 1. Общее количество твердых промышленных и коммунальных отходов, образующихся на территории Тюменской области, в тысячах тонн (тыс. т) в год.
Плановое увеличение количества образующихся отходов в Тюменской области ожидается в размере не более 10% в год, но на практике составляет 18-20% ежегодно. Около 47,7%, в среднем 1378,3 тыс. т в год, размещается на полигонах твердых коммунальных отходов или свалках [2]. Распределение отходов по объектам размещения представлено на рис. 2.
25
■ Полигоны ТКО
■ Санкционированные свалки
70 ■ Несанкционированные свалки
Рис. 2. Территории, занимаемые объектами размещения отходов, %.
5
Общая площадь земель, занятых полигонами и свалками в регионе, составляет около 3880 га.
Учитывая динамику образования отходов производства и потребления, количество отходов, а следовательно и территории, отводимые для их размещения, будут только увеличиваться.
Не стоит забывать, что полигоны твердых коммунальных отходов представляют собой интенсивный источник загрязнения окружающей среды [ 1].
Кроме того, твердые коммунальные отходы имеют огромное ресурсное значение. По данным администраций муниципальных районов и городских округов, сортировка с целью извлечения вторичных материальных ресурсов из твердых коммунальных отходов не осуществляется. По различным оценкам, они содержат в себе от 70 до 80% вторичного сырья (бумага, древесина, пластик, металл и т.д.) [4].
Цель настоящей статьи - определение удельного выхода биогаза и его характеристик при совместном сбраживании отходов, накапливающихся в многоквартирных домах, и отбросов, извлекаемых из бытовых сточных вод.
Материалы и методы исследования
В качестве варианта совместной утилизации рассматривалась схема, приведенная на рис. 3. Предложенная концепция находится в стадии разработки и предполагает сортировку по месту образования отходов, с целью рекуперации металлов, стекла и пластика, составляющих примерно 12,8% образующихся твердых бытовых отходов. Это позволит увеличить выход метана, снизить концентрации нежелательных примесей в полученном биогазе и, в конечном итоге, снизить затраты на подготовку и очистку биогаза.
Рис. 3. Концепция совместной утилизации коммунальных отходов многоквартирных домов.
Кроме того, раздельное накопление отходов на первоначальном этапе имеет огромное социальное значение, поскольку позволяет воспитывать грамотных и ответственных потребителей коммунальных услуг.
Рассмотренная схема утилизации коммунальных отходов также предлагает извлечение отбросов бытовых сточных вод, представляющих определенную проблему для служб эксплуатации сетей водоотведения. Крупногабаритные отбросы с фракционным составом более 16 мм создают условия для засоров сетей, препятствуют нормальной вентиляции, что в общем ухудшает санитарное и техническое состояние внутридомовых сетей водоотведения. Схема предполагает использо-
вание для извлечения и измельчения отбросов бытовых сточных вод современное оборудование (декантаторы и решетки-дробилки), позволяющие диспергировать извлеченные отбросы до крупности, не превышающей 6 мм, и снижать влажность отбросов до 75%. Осветленные сточные воды после извлечения отбросов возвращаются в бытовые системы канализации для дальнейшей очистки и утилизации на городских очистных сооружениях.
Согласно представленной схеме метаногенез осуществляется в подземных реакторах с послойной загрузкой непосредственно по месту образования отходов. На данном этапе произведены предварительные расчеты, обосновывающие выход биогаза в рассмотренных условиях и обусловливающих целесообразность применения децентрализованной схемы утилизации твердых коммунальных отходов.
Распад органической составляющей твердых отходов в реакторе протекает в пять основных фаз:
1 - аэробное разложение;
2 - анаэробное разложение без выделения метана (кислое брожение);
3 - анаэробное разложение с непостоянным выделением метана (смешанное брожение);
4 - анаэробное разложение с постоянным выделением метана;
5 - затухание анаэробных процессов.
Мы исследовали твердые коммунальные отходы (ТКО), образующиеся на селитебной территории города Тюмени, и отбросы бытовых сточных вод. Среднее количество отходов рассчитано на основе норм накопления твердых коммунальных отходов от населения, утвержденных органами местного самоуправления [4]. ^став твердых ТБО определен согласно [1]. Органические вещества, содержащиеся в отходах, обладают различной интенсивностью разложения. Так, резина, кожа, полимерные материалы и т.п. разлагаются микроорганизмами очень медленно, в то время как органические составляющие отходов, содержащие белковые вещества, крахмал, - очень быстро. Таким образом, можно считать, что органическая составляющая отходов состоит из «пассивного» (не генерирующего или очень медленно генерирующего) органического вещества и «активного» (генерирующего) органического вещества. Следовательно, от морфологического состава отходов зависит интенсивность образования и выделения биогаза. Соотношение компонентов, пригодных для генерации метана, приведено на рис. 4.
■ перерабатываемые
■ перерабатываемые при определённых условиях
■ неперерабатываемые
Рис. 4. Содержание утилизируемых компонентов в твердых бытовых отходах, %.
Поскольку, согласно проведенным исследованиям, удельный выход биогаза при сбраживании 1 т ТКО в естественных условиях на полигоне составляет около 88 кг/т, целесообразно использовать перерабатываемую часть отбросов сточных вод для увеличения интенсивности генерации метана. Норма образования отбросов определена в соответствии с [5] и для многоквартирных домов составляет от 1,5 до 25 л/сут на одного жителя. Состав отбросов, сточных вод, приведенный на рис. 5, зависит от степени благоустройства и условий эксплуатации сетей водоотведения. Соотношение перерабатываемой и неперерабатываемой части в них составляет 74,1 и 25,9% соответственно.
0,7
| бумага, картон
дерево I кости I стекло
пищевые отходы I текстиль металлы
I взвешенные вещества
Рис. 5. Качественная и количественная характеристика отбросов бытовых сточных вод.
В пользу использования отбросов бытовых стоков для генерации метана говорит и соотношение образующихся отбросов и ТКО в 1 многоквартирном доме (рис. 6).
8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00
1
■ Кол-во отходов на 1 жителя
■ Кол-во отбросов на 1 жителя
Рис. 6. Удельное образование коммунальных отходов на 1 жителя, тонн в год.
Удельный выход биогаза при метановом брожении смеси измельченных отходов и отбросов сточных вод определялся по уравнению [3]
О* = 10~6Я(100-Ж)(0,92Ж + 0,62У + 0,34Б),
(1)
где
Ом - удельный выход биогаза за период его активной генерации, кг/кг отходов; Я - содержание органической составляющей в отходах, %; Ж - содержание жироподобных веществ в органике отходов, %; У - содержание углеводоподобных веществ в органике отходов, %; Б - содержание белковых веществ в органике отходов, %.
Ж - фактическая влажность смеси отходов, в %, определенная анализами проб отходов. Количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне отходов, определяется по формуле:
Руд ---103кг/т отходов в год,
1сбр
(2)
где Ъф - годы полного сбраживания органической части отходов.
Содержание сбраживаемых компонентов в твердых бытовых отходах и отбросах бытовых сточных вод приведено в табл. 2.
Таблица 2
Состав сбраживаемых компонентов в исходном субстрате
Компонент Влажность, % Содержание, %
Органика Жироподобные вещества Углеводоподобные вещества Белковые вещества
ТБО 58 55 2 83 15
Отбросы БСВ 75 70 15 77 8
В качестве методики определения качественного и количественного состава биогаза была выбрана [3]. Краткая характеристика генерируемого биогаза на 4-й стадии брожения субстрата была определена в рамках исследования [1] и приведена в табл. 3.
Таблица 3
Ингредиентный состав биогаза в период постоянной генерации
Компонент Свесл. %
Метан 52,915
Толуол 0,723
Аммиак 0,533
Ксилол 0,443
Углерода оксид 0,252
Углерода диоксид 44,736
Азота диоксид 0,111
Формальдегид 0,096
Этилбензол 0,095
Ангидрид сернистый 0,070
Сероводород 0,026
Отвод углекислого газа из реактора на мезофильной стадии сбраживания позволяет интенсифицировать выход метана и приводит к снижению содержания С02 и НБ до допустимого для нормальных условий горения 1 и 0,01% соответственно. Состав биогаза после удаления продуктов углекислого сбраживания приведен в табл. 4.
Таблица 4
Ингредиентный состав биогаза в термофильный период метаногенеза
Компонент Свес.i■., %
Метан 95,75
Аммиак 0,96
Углерода оксид 0,46
Углерода диоксид 1
Азота диоксид 0,2
Ангидрид сернистый 0,13
Сероводород 0,01
Органические примеси 1,49
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно исследованию период полного сбраживания смешанного субстрата составляет приблизительно 546 сут, или 1,497 лет. Удельный выход метана в период постоянной генерации при совместном сбраживании отходов многоквартирных домов составил 245 кг на тонну отходов. Для определения энергетической эффективности и сравнения с нормами газоснабжения в многоквартирных домах было определено количество метана на 1 жителя, образующегося за год в результате совместного сбраживания (табл. 5). Полученная норма образования метана в м /год на 1 жителя позволяет определить, какая часть энергетических затрат может быть компенсирована за счет генерируемого метана, и провести соответствующие мероприятия на стадии проектирования.
Таблица 5
Удельное количество метана в период постоянной генерации
Количество отходов, т/год на 1 жителя Количество отбросов, т/год на 1 жителя Удельный выход метана, кг/т Объемный расход метана, м3/сут на 1 жителя Объемный расход метана м3/год на 1 жителя
1,1 6,8 245,1 1,55 567,11
Удельная теплота сгорания и калорийность полученного биогаза (табл. 2) сравнимы с физико-химическими показателями природного газа, что свидетельствует о пригодности использования биогаза в бытовых и промышленных целях (табл. 6).
Таблица 6
Физико-химические характеристики биогаза
Характеристики Компоненты биогаза Биогаз
Ш4 Ш.2
Объемная доля, % 70-95 1 0,01 100
Объемная теплота сгорания, МДж/м3 35,8 - 22,8 21,5
Предел воспламеняемости (содержание в воздухе), % 5-15 - 4-45 5-12
Температура воспламенения, °С 650-750 - - 650-750
Нормальная плотность, г/л 0,72 1,98 1,54 1,249
В отличие от природных ископаемых биогаз является возобновляемым источником энергии, а использование его в качестве топлива ведет к экономии энергоресурсов. Основной способ применения биогаза - превращение его в источник тепловой, механической и электрической энергии. Эффективность использования биогаза составляет 55% для газовых плит, 24% для двигателей внутреннего сгорания. Наибольшая эффективность использования биогаза (до 88%) достигается при производстве электроэнергии. Кроме того, крупные биогазовые установки можно применять для создания производств по получению ценных химических продуктов народного хозяйства.
Продуцируемый в результате сбраживания углекислый газ в количестве 89,32 кг/сут можно использовать в теплицах для ускорения роста растений. Образующегося количества углекислого газа достаточно, чтобы обеспечить суточную потребность 106 м2 растений. При добавлении углекислоты в воздух и повышении в нем ее концентрации можно повысить интенсивность фотосинтеза в 1,5-3 раза. При достаточной обеспеченности элементами минерального питания такие подкормки всегда повышают общую урожайность этих культур на 15-40%, увеличивая количество и массу плодов и ускоряя их созревание на 5-8 дней.
При совместной переработке твердых бытовых отходов и отбросов бытовых сточных вод многоквартирных домов образуется в среднем 1,64 т гумуса в год на 1 жителя. В состав гумусооб-разного продукта входят органические вещества индивидуальной природы: белки, аминокислоты, углеводы, жиры, воски, дубильные вещества, лигнин и другие соединения. Гуминовые кислоты составляют наиболее ценную часть гумуса, они увеличивают поглотительную способность почвы, способствуют накоплению элементов почвенного плодородия и образованию водопрочной структуры. Полученный в результате анаэробного сбраживания гумусообразный продукт может служить для восстановления техногенно загрязненных территорий, для рекультивации земель и в качестве грунта для посадки растений.
Заключение
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Количество коммунальных отходов, образующееся на территории города Тюмени -перспективная база для производства вторичных энергетических ресурсов.
2. При переходе от централизованной схемы к локальной при метановом сбраживании отходов селитебных территорий на 1 жителя многоквартирного дома можно получить 1,55 м3/сут чистого метана, что говорит о возможности его применения по месту образования.
3. Определенные в ходе исследования физико-химические характеристики биогаза аналогичны показателям природного газа, что подтверждает возможность использования продуктов ме-таногенеза для компенсации энергетических затрат многоквартирных домов.
4. Отходы метанового брожения твердых и пастообразных коммунальных отходов, в частности углекислый газ и гумусоподобный грунт, пригодны для рекультивации и озеленения урбанизированных территорий.
5. В масштабах Тюменского региона переработка коммунальных отходов - новая отрасль экономики, создающая основу для развития производств, использующих ВТЭР на базе дешевого сырья.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афонин К.В., Жилина Т.С., Загорская А.А. Расчет выбросов на полигонах твердых бытовых отходов // Фундаментальные исследования. 2014. № 11. С. 987- 990.
2. Доклад об экологической ситуации в Тюменской области в 2015 году / Правительство Тюменской области. Тюмень, 2016.
3. Методические указания по расчету количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых и промышленных отходов. М, 1995.
4. Региональный кадастр отходов Тюменской области. Тюмень, 2015.
5. СП 32.13330.2012. Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85.
6. Renewables 2016. Global status report. URL: http://www.ren21.net/ - 08.08.2017. THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
CONSTRUCTION: Ecological Safety of Construction and Municipal Economy
D0l.org/10.5281/zenodo.1119167
Afonin K., Zhilina T., Zagorskaya A.
KONSTANTIN AFONIN, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, e-mail: [email protected]
TATIANA ZHILINA, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, e-mail: [email protected]
Department of Heat and Gas Supply and Ventilation
ALLA ZAGORSKAYA, Senior Lecturer, e-mail: [email protected]
Department of Technosphere Safety,
Tyumen Industrial University
38 Volodarskogo St., Tyumen, Russia, 625000
Residential waste recycling in order
to obtain secondary energy and material resources
Abstract: The article is concerned with the opportunities to reduce burden on landfill sites of the city of Tyumen. There have been considered the qualitative and quantitative characteristics of the ingredients of biogas as well as its physicochemical properties when generating it in a decentralised environment. The calculation of specific biogas yield has been performed and there has been defined the period of complete decomposition of wastes in the course of joint co-fermentation of municipal solid wastes and sewage water. It has been established that the volumes of the produced methane gas are sufficient to use it in order to meet the communal needs of apartment buildings. The reduction of the anthropogenic burden on landfill sites is possible when recycling and using biogas there where wastes accumulate. It provides the basis to stimulate the industries using secondary energy resources basing on cheap raw materials. Key words: municipal solid waste, methanogenesis, biogas, sewage scum.
REFERENCES
1. Afonin K.V., Zhilina T.S., Zagorskaya A.A. Calculation of emissions at landfills of solid domestic wastes // Fundamental research. 2014;11:987-990.
2. Report on the environmental situation in the Tyumen region in 2015. Government of the Tyumen region. Tyumen, 2016.
3. Methodological guidelines for calculating the quantitative characteristics of pollutant emissions into the atmosphere from solid domestic and industrial waste landfills. M, 1995.
4. Regional cadastre of waste of the Tyumen region. Tyumen, 2015.
5. BR 32.13330.2012 Sewerage. External networks and facilities. The updated version of BR 2.04.03-85.
6. Renewables 2016. Global status report. URL: http://www.ren21.net/ - 08.08.2017.
