CC BY
59Зинченко М. Г. канд. техн. наук, доц., Шапорев В. П. д-р техн. наук, проф.
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»
ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЁРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ И ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД В ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ
zinchenko-mg @ yandex.ua
Проблема мусоропереработки в нашей стране стоит достаточно остро и решается преимущественно за счет сооружения вокруг городов полигонов твердых бытовых отходов. При этом происходит уничтожение большей части содержащихся в них ценных вторичных ресурсов. Для успешного решения задачи утилизации бытовых отходов их следует рассматривать как источник местного сырья, которое может быть использовано в первую очередь для нужд сельского хозяйства. С этой целью были проведены исследования и разработана технология химической обработки твердых бытовых отходов и осадков сточных вод с получением органо-минеральных удобрений пролонгированного действия, которые существенно повышают продуктивность агропромышленного производства и обеспечивают условия экологически чистого хозяйствования в различных регионах.
Ключевые слова: твердые бытовые отходы, осадки сточных вод, химическая обработка, ор-гано-минеральные удобрения.
Утилизация отходов, образующихся в процессе деятельности человека, является важнейшей экологической и социальной проблемой. Масса твердых бытовых отходов (ТБО), ежегодно поступающих в биосферу, достигла поистине геологического масштаба. В частности, в Украине годовой объем ТБО составляет около 35 млн. м3, в России - более 1333. Накопление твёрдых бытовых отходов на многочисленных полигонах приводит к загрязнению атмосферы парниковыми газами; земли и грунтовых вод -минерализованными формами азота, тяжёлыми металлами, патогенной микрофлорой и создает реальную угрозу окружающей среде [1].
В мировой практике наиболее распространённым методом переработки ТБО является их фракционная сепарация с выделением вторичных сырьевых ресурсов (пластмассы, стекла, металлов). Масса, остающаяся после сепарации, содержит около 50 % органики (клетчатка, целлюлоза, белки), однако она заражена патогенной микрофлорой, имеет примеси тяжёлых металлов, поэтому не утилизируется, а подвергается захоронению или сжиганию, что приводит к вторичному загрязнению биосферы. Те же проблемы возникают при переработке осадков сточных вод (ОСВ). В то же время органическая масса ТБО и ОСВ содержит биогенные элементы (азот, фосфор, калий), микроэлементы и может служить сырьём для получения органо-минеральных удобрений. Однако ни одна из традиционных технологий переработки ТБО и ОСВ в удобрения (биокомпостирование, верми-компостирование) не избавляет полученный продукт от тяжёлых металлов и патогенной микрофлоры [2].
В сложившейся ситуации важнейшей эко-лого-экономической задачей является разработ-
ка альтернативных методов переработки отходов, основанных на новых идеях и технологиях. К таким методам можно отнести разработанный в ряде стран (Япония, США, Россия) способ обработки ТБО и ОСВ химическими реагентами [3-5]. Однако он не нашел широкого распространения в связи с высокой энергоемкостью, узким спектром перерабатываемых отходов, использованием дорогостоящих реагентов (азотной, фосфорной кислот) и оборудования. В то же время простота технологии и возможность получения экологически чистых удобрений делает его привлекательным для дальнейшей разработки.
С целью оптимизации процесса химической обработки отходов и совершенствования применяемого оборудования были проведены исследования, в результате которых подобраны эффективные и недорогие химические реагенты (серная кислота, карбонат кальция), определены параметры температурного и гидродинамического режима. На основании полученных результатов разработаны реакторные схемы переработки ТБО и ОСВ в органо-минеральные удобрения, получена опытная партия удобрений, произведен их анализ и полевые испытания [6-8]. Физико-химические основы химической обработки отходов разработаны научным коллективом под руководством Ю.Е. Малюги [9].
В соответствии с разработанной технологией органическая масса, оставшаяся после выделения сырьевых фракций из ТБО, и осадки сточных вод подвергаются кислотной обработке в два этапа: вначале - концентрированной (7080%) серной кислотой («мокрое» сжигание») в результате чего происходит деструкция клетчатки с выделением свободной гемицеллюлозы и лигнина. Процесс сопровождается выделением
большого количества тепла, вследствие чего в обрабатываемых отходах полностью уничтожаются возбудители различных инфекционных заболеваний и яйца гельминтов. На втором этапе проходит процесс гидролиза гемицеллюлозы разбавленной серной кислотой концентрацией 10-20 %, который сопровождается выделением газообразных сернистых соединений, оксидов азота, паров кислоты. В технологической схеме предусмотрена очистка выбросных газов известковым молоком в турбулентном газопромывателе.
Реакционная смесь, полученная после второго этапа обработки отходов, подвергается разделению путем отстаивания и фильтрования. Твердая фаза (осадок), образовавшаяся после фильтрования, содержит органические компоненты и минеральные соли. Избыток кислоты в ней нейтрализуют соединениями щелочей (известью, отходом производства сахара - дефека-том) с добавлением леса или лессовидного суглинка. Последние кроме карбонатов содержат коллоидно-дисперсные минералы типа монтмориллонита и каолинита, обладающие способно-
стью фиксировать ионы тяжелых металлов в узлах кристаллической решетки и таким образом переводить их в неподвижную форму.
Высушенный до влажности 10-15 % нейтрализованный осадок представляет собой органо-минеральную смесь (ОМС), обладающую свойствами универсального мелиоранта и медленнодействующего удобрения. В состав ОМС в пересчете на сухое вещество входят, % : N - 0,6-1,2; К2О - 0,8-1,0; Р2О5 - 0,5-0,9; Са-СО3 в пересчете на СаО - до 18-20, Н2О - 10-12; органика - 66, в том числе лигнин - 30-40.
Жидкая фаза, полученная после отделения осадка, обрабатывается щелочами (NaOH, KOH) с целью осаждения гидроксидов тяжелых металлов. Отфильтрованные соли перерабатываются в дополнительный продукт - ферриты тяжелых металлов - который используется в производстве радиотехнической аппаратуры, бытовой техники.
Реализация разработанной технологии осуществляется по схеме, приведенной на рисунке 1.
Отсепарированные ТБО после
(СаОСаСО)т
г Т
^ ЛЛМ^ 20
19
ферриты
■ОМС
Рис. 1. Принципиальная реакторная схема переработки сепарированных ТБО на ОМС 1 - транспортер-дозатор; 2 - шнековая машина; 3, 10, 12 - бункеры с ворошителями; 4, 9 - редлеры; 5 - шнек-дозатор; 6, 7 - реакторы идеального смешения; 8, 14 - система отстойник-ленточный фильтр-пресс; 11, 19 -шнековый смеситель; 13 - реактор для приготовления раствора NaOH; 15 - реактор для осаждения гидроксидов тяжелых металлов; 16 - емкость для приготовления суспензии Са(ОН)2; 17 - скруббер для очистки газов; 18 -
емкость для Н2SO4; 20 - вращающаяся печь Сепарированные ТБО поступают в шнеко- влажные ТБО посредством дозатора 5 подаются вую машину 2, где перетираются и сжимаются в реактор 6. При сжатии до Р > 2 МПа обезво-до давления (Р) 0,3 ^ 10 МПа. При Р = 0,3 МПа женные ТБО в виде брикетов поступают в бун-
кер-накопитель 3 для хранения и использования по мере надобности в реакторе 6. Внутри реактора 6 установлены два вала, вращающиеся навстречу друг другу со скоростью 150-200 об/мин. При этом создаются условия идеального смешения, достигаются большие срезывающие усилия, и ТБО измельчаются. В реактор дозируется концентрированная серная кислота, вследствие чего осуществляется первый этап обработки отходов - «мокрое сжигание». По окончании процесса реакционная смесь самотеком перетекает в реактор 7, куда подается вода на разбавление кислоты до концентрации 10-20%. Конструкции реакторов 6 и 7 идентичны: оба реактора имеют рубашки охлаждения и теплоизолированы. Образующиеся в них газы подаются вентилятором в скруббер 17, куда противотоком поступает известковое молоко из емкости 16. Очищенный от примесей воздух выбрасывается в атмосферу, а суспензия, выходящая из 17, используется в схеме (поз. 4, поз. 13).
После реактора 7 реакционная масса подается в систему отстойник - ленточный фильтр-пресс 8. Твердая фаза после фильтр-пресса подается в шнековый смеситель 11, куда также подается смесь СаО и СаСО3 с добавлением леса или лессовидного суглинка. Здесь происходит нейтрализация избытка с одновременной
подсушкой смеси за счет взаимодействия свободной влаги с СаО. Выходящая из 11 органо-
минеральная смесь (ОМС) имеет влажность 1012% и практически стерильна. Ее направляют в бункер 12 для дозревания в течение 12 часов, а далее на упаковку. Фильтрат после фильтр-пресса 8 поступает в реактор 15, куда из 13 подается раствор №0Н для образования гидрок-сидов тяжелых металлов. Из 15 суспензия подается в систему отстойник - ленточный фильтр-пресс 14. После 14 осадок (гидроксиды тяжелых металлов) подается в смеситель 19, а затем во вращающуюся печь 20, где он обжигается при температуре 1200 оС с получением ферритов тяжелых металлов. Газы, образующие при обжиге, поглощаются в скруббере 17.
В схеме использовано стандартное оборудование, выпускаемое машиностроительными заводами Украины и стран СНГ.
По этой технологии могут быть переработаны и другие виды органических отходов, такие как невостребованные побочные продукты сельскохозяйственного производства (солома зерновых культур, стебли подсолнечника, ботва овощей и пр.), опавшие листья, ветхие денежные знаки.
Результаты испытания ОМС, полученного по разработанной технологии, приведены в табл. 1 и 2. В таблице 1 приведены сравнительные данные о количестве тяжелых металлов в ОМС и исходных ТБО.
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в продуктах переработки твердых бытовых отходов
Металлы Содержание тяжелых металлов в пробах (мг / 1 кг сухого вещества)
Исходные ТБО ОМС
Цинк 700 5
Кадмий 10 Следы
Никель 250 10
Кобальт Не обнаружено Не обнаружено
Железо 20000 500
Марганец 1200 30
Свинец 200 2
Медь 600 40
Хром 700 210
Как было установлено, оставшиеся в ОМС тяжелые металлы хемосорбированы и надежно связаны лигнином; они не диффундируют в почву, но при необходимости могут использоваться растениями в качестве микроэлементов.
Опытная партия ОМС (около 10 тонн) ис-пытывалась как удобрение в полевых условиях на слабосолончаковом черноземе при выращивании озимой пшеницы и кормовой свеклы (табл. 2). Сравнение проводилось с удобрениями на основе карбамида. Испытания показали, что по эффективности эти удобрения не уступают стандартным минеральным удобрениям. При этом внесение ОМС осуществляют один раз в
два - три года, а минеральные удобрения - каждый год.
Реакторная схема комплексной переработки ТБО и ОСВ аналогична схеме переработки ТБО с той разницей, что после позиции 7 устанавливается дополнительный реактор, в который вводится ОСВ.
Таким образом, разработанная технология позволяет создать безотходное производство по переработке ТБО и ОСВ в полезные целевые продукты и резко снизить антропогенную нагрузку на окружающую природную среду.
По предварительной оценке инвестиции на освоение этого производства для города с насе-
лением 500 тыс. человек составят 50-60 млн. изводительностью 100 тыс. тонн ТБО в год со-долл. США. Срок окупаемости установки про- ставит 2,5-3,5 года.
Таблица 2
Вариант исследования Урожай озимой пшеницы Урожай кормовой свеклы
ц/га % к контролю % к гипсу ц/га % к контролю % к гипсу
Чистый контроль 34,5 100 89,66 702 100 89,5
Гипс, 4т/га 38,5 111,6 100 784 111,7 100
ОМС, 4т/га 48,9 141,7 127,0 988 140,7 126,0
МУ на основе карбамида МК50+гипс, 4 т/га 39,7 115,1 103,1 827 117,8 105,5
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Гринин, А. С. Промышленные и бытовые отходы. Хранение, утилизация, переработка. М.: Изд. ФАИР - ПРЕСС, 2002. 336 с.
2. Форстер К., Вейз В. Экологическая биотехнология. М.: Изд. Химия, 1990. 384 с.
3. Патент US 5378257 (A)/03.01.1995 Hi-gashida Shouji. Способ изготовления удобрений // US 19930047404 19.04.93. ИСМ 1996, № 2, вып.37.
4. Патент WO 9529884(A1)/09.11.1995 Con-nell Larry V., Способ обработки органического материала // US 19940234228 28.04.94. ИСМ 1996, №10, вып.37.
5. Патент РФ № 4946683/26, 21.06.91 Петров В.Г., Махнев Е.С., Семакин В.П. Способ получения органо-минерального удобрения Патент России № 2039726. 1995. Бюл. № 20
6. Рециклинг твердых бытовых отходов в органо-минеральное удобрение - мелиорант / Ю.Е. Малюга., И.И Смолянинов .,
А.А.Мастепанюк , В.П. Шапорев, М.Г.Зинченко // Науковий вюник Нацюнального аграрного ушверситету. № 73, ч. I. 2004. С. 62-65.
7 Декларацшний патент Украши на винахщ № 50419А. Малюга Ю.Е., Коршько 1.В., Торосов А.С., Мастепанюк А.А., Зинченко М.Г. Споаб одержання органо-мшерального добрива на ос-новi побутових вiдходiв (твердi побутовi вщхо-ди та осад спчних вод). Заявл. 03.01.2002. Опубл.. 15.10.2002. Бюл. № 10.
8. Патент Украши на корисну модель № 53597. Шапорев В.П., Зшченко М.Г,. Даншов Ю.Б., Харченко А.М., Харченко М.А., Михай-люк В.М., Тинда О.А. Спошб одержання комплексного органо-минерального добрива. За-явл. 19.04. 2010 Опубл. 11.10.2010. Бюл. № 19.
9. Малюга Ю. Е. Теоретическое обоснование эффективности азотних удобрений пролонгированного действия в лесном и сельском хозяйстве Украины. Х.: Изд. ЧПИ «Новое слово», 2006. 438 с.
