CC BY
17УДК 624.131.5; 624.131
Епифанцев К.В.
Епифанцев Кирилл Валерьевич., к. т. н., доцент кафедры метрологического обеспечения инновационных технологий и промышленной безопасности Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 61 к. epifancew@gmail.com.
Мишура Т.П.
Мишура Тамара Прохоровна., к. т. н., доцент кафедры метрологического обеспечения инновационных технологий и промышленной безопасности Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
ПЕРСПЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 1ГОР-СЫРЬЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Epifantsev K.V.
Epifantsev K. Ph.D., Associate Professor of the Chair ofMet-rological Support of Innovative Technologies and Industrial Safety, St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 190000, St. Petersburg, Bolshaya Morskaya str. 61k. epifancew@gmail.com.
Mishura T.P.
Mishura Tamara P., Ph.D., Associate Professor of the Chair of Metrological Support of Innovative Technologies and Industrial Safety, St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation.
THE PROSPECTIVE USE OF RDF RAW MATERIALS IN CONSTRUCTION AND AGRICULTURE
Аннотация. В статье исследованы методы утилизации отходов. Основные выбранные методы -разработка удобрений для почв и создание инновационного строительного материала.
Ключевые слова-, утилизация отходов, торф, сырье из отходов, твердое связующее, композиционное удобрение.
Abstract. The article investigates the methods of waste disposal. The main selected methods are the development of fertilizers for soils and the creation of an innovative construction material.
Keywords: waste disposal, peat, raw materials from waste, solid binder, composite fertilizer.
Введение
В статье исследованы методы утилизации отходов - разработка удобрений для почв и создание инновационного строительного материала. В настоящее время, по данным Жилищного комитета Администрации Санкт-Петербурга, ежегодно на свалки вывозятся 6,5-9 миллионов кубометров отходов в год. Из этого объема только 1,5 млн кубометров (17-23%] направляется на переработку на два полигона («Новоселки» и ОАО «Опытный завод МПБО-2 Янино», проектные хвостохранилища, по приблизительной оценке, имеют 50 ООО тонн 1ШР-сырья].
В Санкт-Петербурге и на прилегающей территории Ленинградской области насчитывается около 250 несанкционированных свалок, на которых размещены, по очень приблизительным оценкам, от 500 тыс. до 1 млн кубометров мусора. Отличительной особенностью несанкционированных свалок является высокая концентрация тяжелых и редких металлов в мусоре.
В статье рассматривается возможность использования аэробного компостирования от-
ходов в качестве удобрения для почвы и твердого строительного материала или альтернативного твердого связующего из высокоабразивных гранул [1]. Методы прикладных исследований показывают, что отходы RDF коммерциализируются и имеют перспективу стать отдельным инновационным продуктом.
Разработка технологий упрочнения материалов
RDF-сырье (материал в виде зерен, полученных из отходов] - это твердый горючий материал или топливо, полученное из отходов. В состав RDF входят высококалорийные компоненты отходов, такие как пластик, бумага, картон, текстиль, резина, кожа, дерево и др.
Теплотворная способность топлива RDF составляет 20 000 ± 2000 кДж/кг. Размер зерна RDF ~20-25 мм. Содержание опасных компонентов в топливе строго контролируется и не превышает допустимых норм. По теплотворной способности 1,7 кг RDF соответствует 1 кубометру газа. RDF представляет собой твердый материал, получаемый путем измельчения и обезвоживания твердых отходов (ТБО) (рис. 1].
Рис. 1. Выбор фракций: >350 мм (больших] и <65 мм (малых] Fig. 1. Choice of fractions: >350 mm (large] and <65 mm (small]
Состав выбранной шихты для формования окатышей:
- бумага и картон 14 %
- ткани и полиэстера 6 %
- смешанная упаковка, полимеры 18 %
- пластиковый 2 %
- пищевые и растительные отходы 60 %.
Для получения связующего материала из
1ШР-сырья, методом экструдирования были сформированы гранулы. Рабочим органом экс-трудера является шнек. В канале круглого сечения матрицы (с радиусом Я и длиной /), в котором воздействиями на вход и выход можно пренебречь, равновесные силы, действующие на цилиндрический элемент биомассы с толщиной слоя с?г, движутся со скоростью Р(г) (рис. 2]. Баланс импульса сводится к равновесию сил. Это является следствием несжимаемости сырья и доказывает предположение,
что материал течет по прямолинейным параллельным траекториям с постоянной скоростью [2].
Рис. 2. Равновесие сил, действующих на массовый элемент сырья RDF в матрице
Fig. 2. The balance of forces acting on the mass element of raw materials RDF in the matrix
При моделировании движения массы для слоев были установлены условия плотности, соответствующие составу используемого в экс-трудере сырья.
На рис. 3 представлены слоями материалы: 1 - бумага и картон, 2 - смесь ткани и полиэстера, 3 - смешанная упаковка, полимеры, 4 -пластик, 5 - пищевые и растительные отходы.
Рис. 3. Моделирование взаимодействия в составе RDF-сырья в прямоугольной матрице (обозначения по тексту] Fig. 3. Modeling the interaction in the composition of RDF-raw materials in a rectangular matrix (designation in the text]
Разработанная модель экструдера (рис. 4] включает: загрузочный бункер (1], корпус (2], шнек (4], сменные матрицы (5] и входящие частицы (3], имитирующие частицы сырья. Заложение материала осуществляется равномерно, достаточно для формуемого материала.
На рис. 4 отмечены стрелкой частицы, которые обладают высокой адгезией к стенкам корпуса шнека, а более рыхлые расположены в центре.
Они обладают самой высокой скоростью движения.
Рис. 4. Операция экструзии RDF-сырья (обозначения по тексту]
Fig. 4. The operation of extrusion of RDF raw materials (designation in the text]
Гранулы, полученные из RDF-сырья, были испытаны на одноосное сжатие.
Использовался пресс Tinius Olsen, предназначенный для исследования пределов разрушения. На данном этапе он являлся основным обо-
рудованием для определения деструкции гранул с возможностью их последующего использования в качестве связующей добавки строительных материалов. Сначала гранулы очищали от смеси, образовавшейся внутри экструдера.
Рис. 5. Результаты испытаний на сжатие гранул Fig. 5. The results of compression tests of granules
Результаты испытаний показаны на рис. 6.
Рис. 6. График испытаний пресса на одноосное сжатие гранул Fig. 6. Schedule of press tests for uniaxial compression of granules
Предел разрушения гранул одного из образцов (2) составил 4788 Н, что доказывает возможность его использования в качестве армирующего материала. Так, например, если партия кирпича М-100 по прочности степень сжатия должна быть не менее 100 кг/см2, кирпич марки М-250 способен выдержать 250 кг, в нашем случае с отходами при воздействии пятки пресса на разрушенный образец до его полного разрушения был предел 500 кг, поэтому образец достаточно прочен.
Подготовка смесей и составов удобрений из ЯБР-сырья
За время работы компания МПБО-2 «Янино № 2» делала попытки отдать компост с добавлением ИБР-сырья для использования в качестве удобрения [3], однако были жалобы на отсутствие рекомендаций по дозам на 1 т почвы для клумбы и плодовых растений. Другое замечание было связано с запахом разлагающе-
гося компоста, который является ограничением на хранение сырья RDF вблизи общественных мест. Для борьбы с этими двумя проблемами были выполнены следующие исследования.
Для оценки возможности использования RDF-сырья в качестве удобрения был проведен эксперимент по изменению кислотности и оценке всхожести побегов теневой травы «Шедоу». RDF-сырье добавляли в количестве 7 г в каждую емкость (табл. 1). В каждой емкости была получена субстратная смесь из торфа, опилок и RDF-сырья. Трава проращивалась в полученной смеси в течение 10 дней. Всего было заложено 6 емкостей, соответствующих шести составов субстратных смесей. Каждая смесь характеризуется параметрами, представленными в табл. 2. После 10 дней анализатор рН и влагомер были использованы для того, чтобы измерить эти показатели в каждом из 6 контейнеров.
Таблица 1. Состав субстратной смеси Table 1. The composition of the substrate mixture
Формула RDF-сырье, г Торф, г Опилки, г Вода, г Общий вес, г
1 53.09 87.7 20 35 195.79
2 30 113 17 35 195
3 75.79 75 10 35 195.79
4 44 102.75 14 35 195.75
5 65 71 24.75 35 195.75
6 80 71.75 9 35 195.75
Таблица 2. Характеристики компонентов и субстратных смесей Table 2. Characteristics of components and substrate mixtures
№ RDF-сырье Опилки Торф Смесь Всходы
Влажность, % рН Влажность, % рН Влажность, % рН Влажность, % рН Площадь, см2 Высота, см
1 98 6 10 8 25 7 5.5 7.8 10 8
2 98 6 10 8 25 7 3.5 8 30,04 11
3 98 6 10 8 25 7 7 7.5 13,53 7
4 98 6 10 8 25 7 5.5 7.5 7,7 12
5 98 6 10 8 25 7 4 7.5 5,25 13
6 98 6 10 8 25 7 3 7.2 3,14 8
Площадь всходов травы «Шедоу» наиболь- пользовании смесей № 2,4 и 5. На рис. 10 гисто-
шая при использовании смесей № 2 и 3, а мак- грамма зависимости влажности и РН-кислотно-
симальная высота побегов достигнута при ис- сти от состава субстратной смеси (рис. 10).
9 8
8 - 7'8 7,5 7,5
hlli,
12 3 4 5 6
№ рецептуры
Рис. 10. Зависимость влажности и Ph от рецептуры смеси Fig. 10. The dependence of humidity and Ph on the formulation of the mixture
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1 2 3 4 5 6
№ рецептур
Рис. 11. Влияние RDF-сырья на площадь всходов Fig. 11. The influence of RDF on the seedling area
По большинству параметров для сель- Наилучшим эффектом влияния на рост обла-
ского хозяйства (декоративные растения) не дает соотношение влажности и рН в смеси
применимы 2 рецептуры смесей (№3 и 6). № 2. Среда в 3-й смеси была щелочной, но это
■ влажность Ph
не мешало давать высокие показатели всходов и высоте ростков. Добавленный в смесь торф повышал кислотность, а опилки, в свою очередь, нейтрализовали вредные примеси силикатов в виде мелкой стеклянной пыли, которой изобилует сырье RDF. Также в смеси № 2 соотношение состава RDF к опилкам 50 на 50. Наихудшей признана 6 рецептура, она имеет максимальное соотношение RDF по отношению к опилкам и торфу.
Вывод
В результате проведенных экспериментов были выявлены предельные пороговые значения армирующих материалов на основе RDF-сырья для создания компонентов строительной продукции из отходов. Разработаны субстратные смеси на основе RDF-сырья как основы для кластера удобрений. Экономическая выгода заключается в дешевых материалах, которые можно продать по более низкой стоимости, разгрузив территорию МПБО от накоп-
ленных отходов биотермического компостирования. Это позволит создать звено торгового оборота при переработке отходов, а также решить задачу охраны окружающей среды городских территорий.
Библиографический список
1. NikulinA., KovshovS., Epifantsev К., Kor-shunov G. Study of the possibility of using a biofuel production machine as a mobile device for processing poultry farm waste/ Nikulin A., Kovshov S., Epifantsev K., Korshunov G. / Life Science Journal, 2013. Vol. 11 (4). P. 464-467.
2. Benbow J., Bridgwater J. Paste flow and extrusion / Benbow J., Bridgwater J. Clarendon Press Oxford: UK, 2003. 425 p.
3. Epifantsev K, Nikulin A., Kovshov S., Moser I. Modeling of peat mass formation process based on 3D analysis of screw machine by code YADE / Epifantsev K., Nikulin A., Kovshov C., Moser I. / American Journal of Mechanical Engineering, 2013. Vol. 1 (3) P. 73-75.
