CC BY
50
УДК 661.15 Б01: 10.12737/2560
РЕЗЕРВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ САНИТАРНОЙ ОЧИСТКИ РОССИЙСКИХ ГОРОДОВ КАК ПОДОТРАСЛИ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА
Шубов Лазарь Яковлевич, доктор технических наук, профессор, член сообщества экспертов РФ по рациональному природопользованию, [email protected],
Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами, Москва, Российская Федерация
Борисова Оксана Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры физической культуры и безопасности жизнедеятельности, [email protected],
Доронкина Ирина Геннадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры
физической культуры и безопасности жизнедеятельности, [email protected]
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
Москва, Российская Федерация
Отмечено, что полезное использование ценных компонентов твердых бытовых отходов (ТБО) - одно из основных направлений решения проблемы в системе отходов и повышения эффективности функционирования системы жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ).
Разработаны методы извлечения из ТБО пищевых и растительных отходов. Высококачественный продукт, пригодный для производства биогумуса, содержит до 99% полезного компонента (в виде примесей включает мелкие частицы дерева).
Для глубокой очистки пищевых и растительных отходов от механических примесей в процессе сортировки использованы различия разделяемых компонентов в плотности, крупности и способности к избирательному дроблению в различных условиях.
Реализовано направленное регулирование физических свойств разделяемых компонентов.
Ключевые слова: биоразлагаемая фракция, переработка, обогащение, биогумус, вермикомпостирование, дробление, грохочение, термообработка.
Ежегодно у российского жителя образуется около 300 кг твердых бытовых отходов (ТБО), которые в основном попадают на свалки. Решение вопросов утилизации ценных компонентов ТБО - актуальная задача санитарной очистки как подотрасли ЖКХ.
Твердые бытовые отходы по содержанию в них пищевой фракции (25-35% по массе) можно рассматривать как мощный сырьевой источник для получения специфических продуктов, пригодных для использования в сельском хозяйстве, животноводстве и других отраслях. Большое внимание этой проблеме уделяют в Англии, Японии, Германии, Австрии и Нидерландах. Извлечение из ТБО пищевой фракции, ее
переработка и утилизация способствуют решению проблемы ТБО - глобальной проблемы ХХ1 века (сокращается поток отходов на захоронение и сжигание).
В РФ значительная часть пищевых и растительных отходов попадает в ТБО и вывозится на захоронение или сжигание. Например, в Москве при годовом количестве образующихся ТБО около 4 млн.т на долю пищевой фракции приходится до 1 млн.т. Попадая в мусоросжигательную печь, пищевая фракция существенно снижает калорийный потенциал сжигаемых отходов и увеличивает выход недожога; попадая на объекты захоронения, биоразлагаемые отходы увеличивают неконтролируемый выход биогаза, относящегося к парниковым.
Можно отметить пять основных направлений использования пищевых и растительных отходов:
- переработка в компост (биотермическая аэробная ферментация) - исходным сырьём являются либо селективно собранные у населения и в местах общественного питания пищевые и растительные отходы (для использования компоста в сельском хозяйстве), либо ТБО или их обогащенная фракция (для использования компоста в цветоводстве, при озеленении, при рекультивации земель, при полигонном захоронении ТБО); при внесении в почву компост улучшает почвенную структуру, влагосодержание, уменьшает эрозию;
- переработка в биогумус (вермикомпостирование - ускоренное компостирование биоразлагаемых органических отходов с помощью популяции дождевого копостного червя «Старатель», разработка России) - исходным сырьём являются как селективно собранные пищевые и растительные отходы (в любом источнике), так и обогащенная фракция ТБО; биогумус - ценное удобрение, содержит 50% гуминовых кислот, существенно улучшает плодородие почв, повышает содержание в овощах и фруктах витаминов, способствует увеличению урожайности всех культур; стимулирует рост растений, связывает тяжелые металлы в грунте;
- переработка в корм для скота - исходным сырьём являются исключительно собранные у населения и в местах общественного питания пищевые и растительные отходы; по данным практики бывшего СССР, 1 т пищевых отходов дает возможность получить около 50 кг свинины (в жилом секторе Москвы ежегодно собиралось и передавалось свиноводческим совхозам около 250 тыс. т пищевых отходов, в целом в свиноводческие хозяйства Подмосковья ежегодно вывозилось около 800 тыс. т пищевых отходов и откармливалось более 600 тыс. свиней);
- переработка в строительные материалы - исходным сырьём является обогащенная органическими компонентами фракция ТБО; работы в этом направлении проводятся в Германии и Канаде (технологии БЕКЦРЬАК, Иуёгошех), а также в России под руководством академика М.В. Бирюкова; сущность российской технологии заключается в обработке сухой тонкоизмельченной фракции ТБО, обогащенной органическими веществами, растворами минеральных вяжущих - бишофита и магнезита -и получении формуемой массы для последующего литья под давлением, горячего прессования или штамповки; в итоге производятся экологически чистые стройматериалы, обладающие свойствами огнестойкости и биостойкости;
- переработка в биогаз (анаэробная ферментация) - исходным сырьём является обогащенная органическими компонентами фракция ТБО; обсуждается возможность получения биогаза из собранных у населения и в местах общественного питания пищевых и растительных отходов; анаэробное разложение отходов - процесс весьма дорогой, поэтому большого распространения не получил; в Италии в качестве сырья для анаэробного сбраживания чаще всего используют навоз и биомассу; в Германии, Франции, Бельгии и ряде других стран с относительно теплым климатом реализована технология получения биогаза из органической фракции, выделенной из ТБО при их обогащении.
Анализ направлений утилизации попадающих в ТБО пищевых отходов показывает, что для российских условий весьма перспективна их переработка в востребованный рынком продукт - биогумус. Однако для вермитехнологии требуется глубокая очистка пищевых отходов от примесей.
В соответствии с исследованиями, пищевая фракция концентрируется в нижнем продукте грохочения ТБО (класс -70 ^ -100мм), достигая содержания 60-65%. Основные механические примеси (%) - стекло (12-15), кости (около 2,5), пластмассы (1-3), макулатура (1-2), камни (0,8), черные и цветные металлы (по 0,2), кожа и резина (до 0,2), текстиль (0,2-0,4), дерево; до 15% примесей представлено прочими компонентами и так называемым отсевом (класс -20 мм, состоящий на 30% из биоразлагаемых компонентов).
Сепарация любых поликомпонентных смесей базируется на использовании различий в свойствах разделяемых компонентов. Разработанная инновационная технология извлечения из ТБО биоразлагаемой фракции основана на использовании естественного и искусственно усиленного различия в плотности отходов и в их прочностных свойствах (в частности в сопротивлении пищевой фракции и примесных компонентов механическому разрушению).
Для удаления тяжелых минеральных компонентов (стекла, камней, керамики, костей) использована гравитационная сепарация в водной среде, позволяющая также в значительной степени удалить резину, кожу и металлы. На рисунке 1 показана стендовая лабораторно-укрупненная установка прямоточного гравитационного сепаратора с механизированной загрузкой и выгрузкой материала, в котором использовано различие характера и скорости движения компонентов в водной разделительной среде под действием сил тяжести и сопротивления. Загрузка исходного материала в зону сепарации и быстрое удаление легкой фракции из этой зоны осуществляется с помощью ленточного конвейера с рифлями (скорость конвейера регулируется), удаление тяжелой фракции из донной части сепаратора - с помощью элеватора. В процессе используются два потока воды - вертикальный (обеспечивает кратковременную поддержку на поверхности воды легко тонущих компонентов пищевой фракции и тем самым способствует повышению извлечения) и горизонтальный (повышает эффективность разгрузки легкой фракции и производительность сепаратора).
Рисунок 1 - Стендовая укрупненно-лабораторная установка прямоточного гравитационного сепаратора для извлечения пищевой части из тяжелой фракции ТБО с механизированной загрузкой и выгрузкой: 1 - рама конвейера; 2 - привод конвейера; 3 - конвейер; 4 - приемник легкой фракции; 5 - гравитационный сепаратор; 6 - элеватор; 7 - привод элеватора; 8 - приемник хвостов; 9 - ковш элеватора
Определены оптимальные параметры процесса гравитационной сепарации: - точка загрузки материала (приблизительно в середину разделительной камеры);
- скорость горизонтального потока воды 0,5-0,8 м/с;
- скорость вертикального потока воды 0,7 м/с;
- скорость конвейера 0,1 м/с.
Концентрат гравитационной сепарации содержит ~75% пищевой фракции и должен подвергаться доводке; перешедшие в него примеси (макулатура, дерево, кожа, резина, пластмассы, текстиль) отличаются незначительным различием в плотности, но характеризуются различием в сопротивлении механическому разрушению, в частности примесные компоненты обладают достаточно высокой прочностью на сжатие, а сопротивление компонентов пищевой фракции сжатию, как и другим видам деформации (растяжению, сдвигу, изгибу), невелико. Отсюда вытекает способ доводки: избирательное дробление материала (методом раздавливания, удара или истирания) с последующей классификацией продукта дробления по крупности.
Для направленного регулирования физических свойств компонентов смеси подвергаться механическому разрушению использована термообработка в определенных условиях (процесс, режим), одновременно способствующая обезвреживанию материала и увеличению различия в прочности тех или иных компонентов грубого концентрата как объекта для дробления. Практически задача заключается в выборе надлежащего метода дробления подготовленного материала и наиболее эффективной аппаратуры.
В качестве критерия оптимальности при изыскании наиболее эффективного варианта термообработки использован химический состав продукта термообработки (оценивалось содержание протеина, жира и клетчатки, а также влажность). Оптимальный вариант - двухстадийная сушка (табл. 1).
Таблица 1. Анализ химического состава продуктов термообработки
Химический состав Содержание масс, %
после 1-й сушки (150оС, 90 мин.) и дробления после 1-й сушки (180оС, 90 мин.) и дробления после 1-й сушки (150оС, 90 мин.), дробления и 2-й сушки (100оС, 90 мин.)
Влажность 37,96 25,8 11,31
Сырой протеин 13,94 14,19 15,37
Сырой жир 8,02 5,1 7,33
Сырая клетчатка 6,34 4,5 6,14
Зола 5,25 7,19 7,11
Кальций 1,175 - 1,06
Фосфор 0,375 - 0,48
Азот 2,23 2,27 2,46
Как видно из рисунка 2, при дроблении подсушенной пищевой фракции в дробилке роторного типа ударно-режущего действия она, как материал хрупкий, измельчается в большей степени, чем многие примесные компоненты, являющиеся твердыми материалами. Идентично пищевой части при первичном дроблении ведет себя дерево и, следовательно, освободиться от него на первой стадии доводки не представляется возможным.
О 1 2 5 10 20 40
Крупность, мм
Рисунок 2 - Извлечение в различные классы крупности компонентов грубого концентрата после его первичного дробления в дробилке ударно-режущего действия (решетка 40х60 мм): 1 - пищевая часть, 2 - дерево, 3 - цветной металлолом, 4 - пластмасса, 5 - кожа, 6 - резина, 7 - картон, 8 - текстиль, 9 - газетная бумага
Как показали исследования, после первичного дробления пищевая фракция концентрируется в классе -20 мм, в котором её содержание достигает 90% (зависит от содержания пищевой части в питании операции), а примесные компоненты - в классе +20 мм (в этот класс удаляется 60% всех примесей, по массе). В наибольшей степени в класс +20 мм переходят газетная бумага и текстиль (на 85-90%), картон и резина (на 70%); основное количество пластмассы (свыше 75%) остается в классе -20 мм. Установлена закономерность: каждый компонент смеси измельчается независимо один от другого.
Материал крупностью -20 мм подвергается второй стадии доводки (включает операции сушки, дробления и грохочения). Резина и пластмасса, содержащаяся в этом материале, характеризуются, по сравнению с пищевой частью, повышенным сопротивлением истирающему действию, а металлы, текстиль, а также резина и отчасти дерево - высокой прочностью на сжатие. Исходя из этого, для обеспечения избирательного дробления компонентов во второй стадии дробимый материал подвергали
преимущественно статическому воздействию в аппаратах раздавливающего и истирающего действия. Для практических целей изучено несколько аппаратов: шаровая и стержневая мельницы, щековая и валковая дробилки; в итоге для вторичного дробления выбрана валковая дробилка (обеспечивает более высокое извлечение пищевой фракции в класс -5 мм). Для усиления различия в свойствах компонентов дробимого материала класс -20 мм подвергался перед 2-й стадией дробления операции сушки (до требуемого в готовом продукте содержания влаги 10-12%). В итоге пищевая фракция переходит в класс -5 мм, примесные компоненты - в класс +5 мм.
Содержание пищевой части в классе -5 мм после дробления в валковой дробилке (щель 3 мм) достигает 97%. Из присутствующих в классе -5 мм примесей наибольшее содержание приходится на дерево - около 2,5% (дерево имеет игольчатую форму, что нежелательно); присутствуют примеси пластмассы и текстиля.
Класс -5 мм как полупродукт второй стадии доводки подвергается в третьей стадии доводки дроблению в валковой дробилке с разгрузочной щелью 1 мм. При грохочении продукта дробления по классу 2 мм пищевая часть селективно извлекается в класс -2 мм, а непищевая - в класс +2мм. Содержание пищевой части в классе -2 мм достигает 99,5%; основная примесь дерево (поскольку форма древесных включений уже не игольчатая, их не следует рассматривать как вредные). Избирательность дробления в валковой дробилке обеспечивается, по-видимому, не только истирающим действием, но и однократным раздавливанием материала.
Для повышения извлечения пищевой фракции в готовый продукт (с учетом влияния на показатели процесса состава сырья) в третьей стадии доводки исследована возможность доизвлечения пищевой части из фракции крупностью -10+5 мм (с одновременной очисткой этой фракции от примесей), выделяемой из продукта 2-й стадии дробления; содержание пищевой части в классе -10+5мм - от 65 до 80%. Технологические особенности отражены в технологической схеме (рис. 3).
Построение технологической схемы определяется морфологическим и гранулометрическим составом отходов, их влажностью, задачами и выявленными закономерностями сепарации биоразлагаемой фракции коммунальных отходов.
Рисунок 3 - Технологическая схема извлечения из ТБО пищевой фракции и ее глубокой очистки от примесей
Как видно из рисунка 3, сепарация столь сложного объекта является стадиальной. Готовый продукт содержит 96,5-99% подготовленных для вермикомпостирования пищевых и растительных отходов (примесные компоненты представлены деревом); при сепарации селективно собранных пищевых и растительных отходов готовый продукт целесообразно использовать в качестве корма для скота.
Высокие технологические показатели обеспечены применением комбинации четырех процессов - гравитации, термообработки, избирательного дробления и грохочения.
Отмечено, что полезное использование ценных компонентов твердых бытовых отходов - одно из основных направлений решения их проблемы в системе ЖКХ.
Для глубокой очистки пищевых и растительных отходов от механических примесей использован процесс сортировки, в основе которого лежит различие разделяемых компонентов в плотности, крупности и способности к избирательному дроблению.
В ФГБОУ ВПО «РГУТиС» впервые разработаны методы извлечения из ТБО пищевых и растительных отходов с получением высококачественного продукта для производства биогумуса.
Литература
1. Петруков, О.П., Шубов, Л.Я., Гаев, Ф.Ф. Концепция оптимизации комплексного управления ТБО в Московской области //ТБО (твердые бытовые отходы). -2007. - №9. - С .14-27.
2. Петруков, О.П., Шубов, Л.Я., Гаев, Ф.Ф. Стратегия и тактика решения проблемы твердых бытовых отходов в Московской области // Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. - 2008. - №1. - 123 с.
3. Шубов, Л.Я. Технологии отходов: лабораторный практикум. - М.: ГОУ ВПО «МГУС», 2006. - 82 с.
4. Шубов, Л.Я. Управление ТБО: экологические вопросы - технологические ответы // ТБО (твердые бытовые отходы). - 2007. - №12. - С. 44-49.
5. Шубов, Л.Я., Ставровский, М.Е., Шехирев, Д.В. Технологии отходов (Технологические процессы в сервисе). - М.: ООО «Оптима-Групп», 2006. - 410 с.
6. Шубов, Л.Я. Технологии отходов: учебно-методический комплекс дисциплины. М,: ФГОУ ВПО «РГУТиС», 2008.
7. Шубов, Л.Я. Залог успешного развития отрасли - квалифицированные специалисты // ТБО (твердые бытовые отходы). - 2008. - № 12. - С. 30-36.
8. Шубов, Л.Я. Технологические процессы управления отходами и ресурсосбережением: тестовый тренинг. - М.: ФГОУ ВПО «РГУТиС»., 2010.
EFFICIENCY ENHANCEMENT POTENTIAL OF URBAN SANITATION AS A PUBLIC UTILITIES SUBSECTOR
Shubov Lazar' Iakovlevich, Doctor of Engineering, Professor, Associate Expert of the RF Association of Environmental Management, Resource Conservation and Waste Management Research Center, Moscow Russia, [email protected],
Borisova Oksana Nikolaevna, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Physical Culture and Vital Functions Safety, Russian State University of Tourism
and Service, Moscow, Russia, [email protected],
Doronkina Irina Gennad'evna, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Physical Culture and Vital Functions Safety, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia, [email protected]
The article identifies the beneficial use of municipal solid waste is a major contributor to the waste problem solution and to the enhancement of the public utility sector operations efficiency.
The articles dwells on the existing methods of extracting food and plant waste out of the municipal solid waste stock, and claims that food and plant waste, with its valuable element proportion of 99% (including the admixture of timber particles), is high-quality raw material for biocompost.
With the purpose of integrated food and plant waste treatment for mechanical admixtures, the process of MSW separation is designed to separate MSW components in accordance with their texture, size and capacity for selective crushing in different conditions. Thus the principle of controlling the physical properties of separated components manifests itself.
Key words: Biodegradable faction, recycling, enrichment, biocompost, worm composting, crushing, sieving, thermal processing.
References
1. Petrukov, O.P., Shubov, L.Ia., & Gaev, F.F. Kontseptsiia optimizatsii kompleksnogo upravleniia TBO v Moskovskoi oblasti [A concept of the complex MSW management optimization in the Moscow region]. TBO [Municipal Solid waste]. - 2007. - №9. - pp.14-27.
2. Petrukov, O.P., Shubov, L.Ia., & Gaev, F.F. Strategiia i taktika resheniia problem tverdykh bytovykh otkhodov v Moskovskoi oblasti [The strategy and tactics in solving the problem of Municipal solid waste in the Moscow region]. Nauchnye i tekhnicheskie aspekty
CTp. 173 H3 210
okhrany okruzhaiushchei sredy [Scientific and technical aspects of Environmental protection]. -2008. - №1. - p.123.
3. Shubov, L.Ia. Tekhnologii otkhodov: laboratornyi praktikum [Waste-related technologies: laboratory course]. Moscow: GOU VPO MGUS, 2006. - p.82.
4. Shubov, L.Ia. Upravlenie TBO: ekologicheskie voprosy - technologicheskie otvety [MSW management: from eco-issues to tech-solutions]. TBO {Municipal solid waste]. - 2007. -№12. - pp. 44-49.
5. Shubov, L.Ia., Stavrovskii, M.E., & Shekhirev, D.V. Tekhnologii otkhodov (Tekhnologicheskie protsessy v servise) [Waste-Related Technologies (Technological Processes in the Service Sector). Moscow: OOO "Optima-Grupp" Publ., 2006. - p. 410.
6. Shubov, L.Ia. Tekhnologii otkhodov: uchebno-metodicheskii kompleks distsipliny [Waste-Related Technologies: teaching materials]. Moscow: FGBOU VPO RGUTiS, 2008.
7. Shubov, L.Ia. Zalog uspeshnogo razvitiia otrasli - kvalifitsirovanye spetsialisty [Qualified Specialists Determining Industrial Success]. TBO {Municipal Solid waste]. - 2008. -№ 12. - C. 30-36.
8. Shubov, L.Ia. Tekhnologicheskie protsessy upravleniia otkhodami i resursosberezheniem: testovyi trening [Technology Processes in Waste Management: pilottraining]. Moscow: FGBOU VPO RGUTiS, 2010.
