CC BY
178
УДК 504.064.4
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ПОВЫШАЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТВЕРДЫМИ
БЫТОВЫМИ ОТХОДАМИ
Ирина Геннадиевна Доронкина, преподаватель, [email protected] Оксана Николаевна Борисова, преподаватель, [email protected] Лазарь Яковлевич Шубов, д.т.н., проф., [email protected]
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Предложено решение задачи оптимизации процесса комплексного управления твердыми бытовыми отходами (ТБО) как единой технологической и экономической системы на основе регулирования качества и количества входящих в систему потоков отходов, повышения эффективности функционирования каждого элемента системы и отдельных технологических устройств и аппаратов; разработана технологическая схема малоотходной комплексной переработки ТБО, базирующаяся на управлении потоками отходов по критерию ресурсосбережения и экологической безопасности.
The authors proposed solution to the problem of optimization of the process of integrated management of solid waste (MSW) as single technological and economic systems based on regulatory quality and quantity in the system of waste streams, on increase of efficiency of the functioning of each element of the system and individual technological processes units. The article developed technological scheme of low-waste complex processing of solid waste, based on the management of waste streams on the criterion of resource and environmental safety.
Ключевые слова: управление ТБО, пофракционный сбор, ресурсосбережение.
Keywords: management of solid waste, fractional collection, resource saving.
Введение
Проблема твердых бытовых отходов (ТБО) является остро актуальной, поскольку ее решение связано с необходимостью обеспечения нормальной жизнедеятельности населения, охраны окружающей среды и ресурсосбережения. Вследствие роста численности населения, повышения уровня жизни и соответственного увеличения потребления товаров во всем мире отмечается резкое возрастание количества ТБО. Проблема ТБО - глобальная проблема XXI века. Все, что человек производит для удовлетворения своих бесконечно растущих потребностей, в конечном итоге переходит в категорию отходов [1].
Цель настоящей работы - повышение комплексности использования ТБО на основе оптимизации процесса управления отходами как единой технологической
и экономической системы путем регулирования качества и количества входящих в систему потоков отходов, повышения эффективности функционирования каждого элемента системы и отдельных технологических устройств и аппаратов.
Для достижения поставленной цели рассмотрим решение следующих основных
задач:
• исследование состава отходов и оценка их обогатимости;
• выбор критериев оптимизации (эффективности) сепарационных процессов, влияющих на моделирование и результат оптимизации;
• выявление взаимосвязи параметров в технологической цепи управления ТБО;
• оптимизация технологических процессов и аппаратов и разработка научно обоснованной технологической схемы комплексного управления ТБО.
Анализ ситуации в сфере управления ТБО
Проанализируем ситуацию с ТБО в Москве и Московской области, а также положение, сложившееся в этой сфере в мировой практике.
В Москве образуется 3,8 млн т ТБО в год, в том числе в жилом секторе 2,7 млн т в год. При этом на свалки Подмосковья вывозят 80 - 85% ТБО (как и 30 лет назад) [2]. За последние 10 - 15 лет в Москве ничего реально не сделано для сокращения потока ТБО, направляемых на захоронение в Московскую область (хотя все эти годы проводился ничего не давший «эксперимент» по раздельному сбору вторсырья). Кроме того, в Москве не разработаны стратегические подходы к решению задач управления ТБО, механизм решения этих задач не раскрыт.
Итоговые количественные показатели, характеризующие образование в Москве ТБО в 2009г. и затраты города на их сбор, удаление и переработку, приведены в табл. 1 и на рис. 1.
Таблица 1. Схема управления ТБО в Москве и основные показатели
Вид затрат (без НДС) Объект санитарной очистки Удельные затраты Общая производитель ность Суммарные годовые затраты
Бюджетные дотации Сжигание (три МСЗ) ~1760 руб./т ТБО 730 тыс. т ~1,3 млрд руб.
Мусороперегрузка (пять МПС) 631 руб./т ТБО 1,1 млн т ~694 млн руб.
Платежи населения (ДЕЗы) Объекты захоронения, обработки и переработки ТБО 185,7 руб./т ТБО (жилой сектор) 2,7 млн т (жилой сектор) ~501млн руб.
Вывоз ТБО Платежи отнесены на 1м2 жилой площади 2,7 млн т Более100 млн руб.
Итого: ~3 млрд руб.
Примечание : МСЗ - мусоросжигательный завод; МПС - мусороперегрузочные станции.
Рис. 1. Схема управления ТБО в Москве
На территории Московской области функционируют восемь объектов по сортировке ТБО, где применяемой технологией является ручная сортировка неподготовленной массы исходных ТБО («грязный мусор»). Технология экологически и экономически не обоснована. Технологический процесс сортировки протекает в антисанитарных дискомфортных условиях. Ручная сортировка исходного («грязного») мусора в европейской практике не применяется, вручную сортируют вторсырье [3].
Следует отметить, что в правительстве области не разработаны стратегические подходы к решению задач управления ТБО.
В Московской области нет ни одного завода по промышленной переработке ТБО, хотя образуется до 2,7 млн т ТБО в год, в том числе в жилом секторе около 2 млн т в год. Полигонному захоронению в Московской области подвергается около 97% ТБО.
В ведущих странах ЕС (Германии, Австрии, Швеции, Дании, Нидерландах, Бельгии и др.), по данным Еиго81а1;-2005 (рис. 2), захоронению подвергают менее 20% ТБО, а остальное их количество вовлекают в переработку (в том числе 40 - 65% используют в качестве вторичных материальных ресурсов (ВМР), а 25 - 35% сжигают с утилизацией энергии).
Рис. 2. Характеристика состояния системы санитарной очистки городов в странах Евросоюза (источник данных:Eurostat, диаграмма CEWEP+SNIDE)
По данным Ростехнадзора в Московской области существует 87 объектов для размещения отходов производства и потребления (рис. 3) общей площадью 926,5 га, из них имеют лицензии только 42 объекта (общей площадью 707,2 га).
В РГУТиС разработана и передана в Минэкологии Московской области Концепция оптимизации комплексного управления ТБО в Московской области и создания прогрессивной модели управления отходами, которая предусматривает поэтапное решение проблемы ТБО с учетом перспективной схемы распределения потока ТБО (рис. 4):
н а э т а п е р е с у р с о с б е р е ж е н и я количество захораниваемых отходов снижается на 35 - 40% за счет оптимизации системы сбора и удаления ТБО; здесь же решаются вопросы выделения из ТБО ресурсов, пригодных для вторичного использования - на основе управления потоками отходов по критерию ресурсосбережения;
н а э т а п е к о м п л е к с н о й п е р е р а б о т к и (с применением сортировки и прогрессивных термических технологий) количество захораниваемых ТБО снижается до до 20% (уровень европейских стран).
V - "У ^ "-" --" — —: тЦ
д?МОСКОВСКАЯ ОБЛАСТЬ * С ° ' Существующие обьекіьі
• г ■ Ї ■ ' т ^ * РуС ■ .*••• ГТЬ' гг\т- ^ УШ * 1 < .■.•■■•• '►..... . ' 7 ■ ' ■ ' х • * • * % — ■ \»/Ч ^—‘Ач ь Ч->К ~ 1 X ) \ * . г ^ > • • ■*-■■ •• • л ^ ■™.ТВО п„ - а 'Щ- |
• • • • х "-¿лй • Т*-фії • « •? * 5 .• • 1* • 4 * ;:гг. '-'‘’■Зі ’ V ■ • * * ** . • и # ^ *1— _ • , • . • !*- , •• К ^ ‘
Т -мр ^ ■>’і ¡Н^дз^^' ~ ~~ пі ?^В!5ввИ^ив^я В’ "" • • \ •* ■ у» > • • тО / .. ;
■Г '"' •> -• ч. ■ ^
111 Иди-- ;і 1 1 ■— -- — 1
Рис. 3. Схема расположения официальных свалок ТБО в Московской области
Рис. 4. Перспективная схема распределения потока ТБО
Пути решения проблемы ТБО в странах ЕС:
• управление ТБО по критериям ресурсосбережения и экологической безопасности;
• создание развитой индустрии вторсырья на базе организации селективного сбора ценных компонентов ТБО;
• создание и развитие системы специализированных производств по сортировке, термической и биотермической переработке отходов, по переработке вторсырья.
Методология подхода к повышению эффективности комплексного использования ТБО
Для технологических расчетов материальных потоков и массовых балансов ТБО использовались результаты исследований их морфологического и фракционного состава, которые представлены в табл. 2 [1]. Из таблицы видно, что основная масса ТБО приходится на фракцию менее 300 мм (выход 85 - 90%).
Таблица 2. Состав отходов
Компоненты Доля, %, в общем объеме Фракции, мм
+200 -200+80 -80
Содержание, %
Бумага, картон и т.п. 22,0 6,6 11,4 4,0
Пищевые и растительные отходы 35,0 0,0 9,2 25,8
Черные металлы 4,0 1,3 2,5 0,2
Цветные металлы (алюминий) 0,7 0,0 0,7 0,0
Текстиль 5,5 3,3 2,0 0,2
Стекло 7,0 0,0 6,8 0,2
Пластмасса (высокой плотности) 2,0 0,15 1,6 0,25
Полимерная пленка 4,0 1,45 2,5 0,05
Кожа, резина 1,5 0,05 1,45 0,0
Дерево 1,5 1,3 0,2 0,0
Камни, керамика 1,5 0,75 0,55 0,2
Кости 1,0 0,0 0,3 0,7
Прочее (включая отсев -15мм) 14,3 1,0 5,0 8,3
ИТОГО: 100,0 15,9 44,2 39,9
Примечание: 1. Стекло в составе исходных ТБО на 97% представлено целыми бутылками (все в классе -200+80мм).
2. Черный металл на 50% представлен консервными банками (белая жесть); почти все банки находятся в классе -200+80мм (+ более; - менее).
На рис. 5 представлены результаты ситового анализа ТБО и некоторых их компонентов (отходы характерны для жилого сектора города). В результате анализа установлено, что основная часть отходов, образующихся у населения, приходится на класс -150мм (более 80% от массы ТБО); в этом классе концентрируется около 80% черного металла, около 80% луженой тары (по уточненным данным, значительная часть
оловосодержащих компонентов содержится в классе -200+80мм), более 95% лома алюминия, более 60% бумаги (от общего содержания этих компонентов в ТБО).
100
80
" 60
о
Он
40
20
\х-, чч А* X
• ' \\ V \
\ ' ' Л
Л -1 А 'Ч
\ ц _ , 'Ч ,ац^-- • « Ч 1
0 50 100 50 200 250
Крупность материала, мм
Рис. 5. Гранулометрическая характеристика ТБО и некоторых их компонентов: кривая 1-твердые бытовые отходы; кривая 2 - металлолом; кривая 3 - лом оловосодержащих компонентов; кривая 4 - лом алюминия, меди и их сплавов; кривая 5 - бумага (о - содержание при влажности: текстиль - 50%; А - содержание при влажности: текстиль - 50%; картон - 20%, бумага - 50%; х - извлечение при влажности: текстиль - 50%)
В иерархической структуре процесса управления ТБО определены следующие отношения последовательной соподчиненности уровней:
• сбор - транспортировка - переработка - реализация продукции - захоронение
отходов;
• предприятие - технологическая схема - процесс - аппарат.
При этом задачи управления подразделены на три взаимосвязанные части:
1) оптимизация системы сбора отходов;
2) выбор способа подготовки сырья к переработке и его оптимизация;
3) оптимизация работы перерабатывающего комплекса, включая регулирование технологических процессов.
Алгоритм управления на первой (низшей) ступени предусматривает стабилизацию процесса сбора отходов по качеству техногенного сырья. Задача получения оптимальной характеристики техногенного сырья связана с регулированием транспортировки отходов (на основе организации их раздельного пофракционного сбора в жилом и нежилом секторе города).
Выбор и оптимизация способа подготовки техногенного сырья к переработке базируется на использовании обогатительных процессов как наиболее универсальных подготовительных операций в схемах комплексной переработки ТБО и во многом определяется требованиями конкретной технологии.
Третья ступень управления, связанная с оптимизацией работы перерабатывающего комплекса, предусматривает достижение максимального эколого-экономического эффекта при заданной производительности. Основными параметрами процесса на этой ступени являются режимные технологические параметры (скорость, температура, продолжительность процесса).
На различных ступенях иерархии использованы разные критерии оптимальности. В итоге определены организационные условия эффективной технической и экономической политики в сфере управления отходами.
Оптимизация сортировки ТБО как технологической операции в схемах их сбора и транспортировки
Эффективность управления любой системой существенно повышается при регулировании входящих в систему потоков.
Согласно критерию ресурсосбережения, требуется получить такое содержание ценных компонентов в исходном сырье на стадии сбора отходов, чтобы обеспечить максимальный выход полезной продукции на стадии сортировки.
Необходимое условие самоокупаемости сортировочных установок - направление на сортировку отходов, достаточно обогащенных ценными компонентами: по расчетам (рис. 6.), доходы от реализации вторичного сырья начинают превышать расходы на сортировку при выходе полезной продукции более 10% (от исходного).
Рис. 6. Зависимость годовой прибыли сортировочного комплекса от выхода полезной продукции
(с учетом расходов)
-16
-20
-24
1- суммарный продукт
Извлекаемая ценность продукта, выделяемого на стадии сортировки из техногенного сырья, рассчитывается по следующей формуле [4]:
т
Xа.£.Ц
Я
т
где q - коэффициент производительности техногенного сырья; т - число извлекаемых компонентов; а - содержание і-го компонента в сырье; Єі - извлечение і-го компонента при сортировке; Ц - цена 1т і-го компонента.
В качестве обобщенного технологического критерия сепарации ТБО как многокомпонентной смеси удобно использовать формулу на основе известного в обогащении критерия Фоменко:
где Уг - выход 7-ГО ценного компонента при сортировке; $ - содержание г-го
компонента в хвостах.
Вводим в предыдущую формулу коэффициенты ценности аг и получаем обобщенную функцию ценности работы сепарации (по выделению данного компонента):
где 9к - содержание к-го компонента в хвостах; ук - выход хвостов; Ц - цена к-го
продукта; З - затраты.
Себестоимость продукции в значительной степени зависит не только от эксплуатационных затрат, но во многом от расхода ТБО на 1т конечного продукта, т.е. от извлечения и содержания ценного компонента в исходном продукте.
В российских условиях [3] предпочтителен не покомпонентный, а пофракционный сбор вторсырья у населения и в нежилом секторе (рис. 7).
Целью оптимизации процесса является получение максимальной прибыли П:
П = XЦХа,.-Э,г)-3 а
Наиболее экономичный и экологичный вариант раздельного сбора вторсырья у населения заключается в следующем:
• организация разъяснительной работы среди населения;
• организация активного участия населения (пофракционный сбор вторсырья -принцип «делим на два»);
• установка в удобных местах необходимого количества спецконтейнеров для собранных фракций вторсырья;
• создания современных комплексов по сортировке и компактированию ТБО;
• организация централизованного управления потоками отходов и вторсырья;
• задействование в системе раздельного сбора пунктов платной приемки вторсырья;
• создание технопарка для переработки вторсырья.
Рис. 7. Оптимальная схема управления ТБО на этапе ресурсосбережения
Для оптимизации процесса сепарации ТБО по крупности (выделение волокнистых и пленочных компонентов) создана модель аппарата (рис. 8) [5] с целью проведения технологических исследований, в ходе которых на основании регрессионных зависимостей извлечения волокнистых компонентов и их содержания в продуктах сепарации уточнены технологические параметры процесса, а также некоторые параметры аппарата. Выявлено, что наиболее перспективны аппараты с захватывающими элементами (крючья, штыри, штифты и т.п.).
В результате проведенных испытаний установлено, что основными факторами, влияющими на эффективность сортировки, являются положение разгрузочной и разделительной кромок (рис. 9), скорость питающего конвейера и расстояние от среза конвейера до крючьев.
Кроме того, выполнен анализ технических решений извлечения из потока ТБО волокнистых и пленочных компонентов.
Рис. 8. Стендовая установка для выделения из потока ТБО волокнистых и пленочных компонентов: 1 - корпус; 2 - штанга с крючьями; 3 - гребенка-съемник
і'
Р
м
и
I
S'
-50 0 +50 +100 мм
Положение разделительной кромки, Р
Рис. 9. Влияние положения разделительной кромки на содержание и извлечение текстиля в концентрат: кривая 1 - содержание: текстиль - 50%; кривая 2 - содержание: текстиль - 50%;
картон - 20%; бумага - 50%; кривая 3 - извлечение: текстиль - 50%; кривая 4 - извлечение: текстиль - 50%; картон - 20%; бумага - 50% (о - содержание при влажности: текстиль - 50%; А - содержание при влажности: текстиль - 50%; картон - 20%; бумага - 50%; х - извлечение
при влажности: текстиль - 50%)
Проведенные исследования позволяют обоснованно сформулировать основные принципы построения технологической схемы комплексного управления ТБО и объединения отдельных операций в единую технологию (рис. 10).
Рис. 10. Технологическая схема комплексного управления ТБО
Таким образом, на основе исследования состава ТБО и оптимизации процесса управления отходами разработаны технологические решения, повышающие комплексность использования отходов в качестве ВМР и ВЭР.
Предложено решение задачи оптимизации процесса комплексного управления ТБО как единой технологической и экономической системы на основе регулирования качества и количества входящих в систему потоков отходов, повышения эффективности функционирования каждого элемента системы и отдельных технологических устройств и аппаратов.
Показано, что объединяющим процессом в схемах комплексного управления ТБО является сепарация, изменяющая качественный и количественный состав отходов и решающая задачи рационального использования техногенного сырья и минимизации количества отходов, направляемых на объекты переработки и захоронения.
Также разработана простая и экономически эффективная технология селективного сбора вторсырья, базирующаяся на раздельном пофракционном сборе отходов в жилом и нежилом секторе города, и предложена технологическая схема малоотходной комплексной переработки ТБО на основе управления потоками отходов по критерию ресурсосбережения и экологической безопасности.
Кроме того, обоснована методология подхода к повышению эффективности управления ТБО: все элементы управляемой системы (сбор, удаление, сортировка, переработка, захоронение) рассматриваются во взаимосвязи, все задачи управления решаются на основе системного подхода (при этом на различных ступенях иерархии использованы разные критерии оптимальности - степень утилизации ТБО, экономические критерии, технологические критерии).
Литература
1. Шубов Л.Я., Борисова О.Н. Инновационный пилотный проект комплексного управления коммунальными отходами // Мат. Межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых по экологическим проблемам. Сергиев Посад. 2008. С. 28.
2. Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. Ситуация с отходами в Московском регионе: планы и реалии // Твердые бытовые отходы. Научно-практический журнал. 2010. № 1. С. 16 - 21.
3. Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. Анализ ситуации в сфере обращения с ТБО в Московском регионе (планы и реалии) // Твердые бытовые отходы. Научно-практический журнал. 2010. № 2. С. 27 - 35.
4. Шубов Л.Я., Доронкина И.Г., Борисова О.Н. Оптимизация процессов управления твердыми бытовыми отходами как единая технологическая и экономическая система // Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. 2010. №4 (11). С. 24 - 32.
5. Шубов Л.Я., Борисова О.Н., Доронкина И.Г., Разработка технологических решений, повышающих эффективность сепарации твердых бытовых отходов (ТБО) по крупности. НИР ГБ-ФС-02-10 № гос. рег. 01201063193, 2010. С. 112.
Поступила 07.07.2011 г.
