Особенности переработки твердых коммунальных отходов
Введение
В процессе
производства образуется большое количество отходов, которые при соответствующей
обработке могут быть вновь использованы как сырье для производства промышленной
продукции. В будущем большая доля потребностей в сырье будет восполняться
продуктами переработки отходов промышленного производства.
Все, виды
промышленных отходов делятся на твердые и жидкие. К твердым отходам относятся
отходы металлов, дерева, пластмасс и других материалов, пыли минерального и
органического происхождения от очистных сооружений в системах очистки газовых
выбросов промышленных предприятий, а также промышленный мусор, состоящий из
различных органических и минеральных веществ: резины, бумаги, тканей, пескi1
,шлака и т. п. К жидким отходам относятся осадки сточных вод после их
обработки, а также шламы пылей минерального и органического происхождения в
системах мокрой очистки газов.
Для полного
использования отходов в качестве вторичного сырья разработана их промышленная
классификация.
Разработка
мероприятий по обезвреживанию и переработке неутилизируемых промышленных
отходов привела к необходимости дополнительной классификации их по
гигиеническому и технологическому принципам. Классификация по гигиеническому
принципу подразделяет промышленные отходы на 6 категорий, которые приведены в
таблице 1.
Критерием
определения целесообразности переработки отходов в местах их образования является
количество и степень использования отходов в производстве. При термической
обработке отходов пластмасс расходуется большое количество кислорода и
выделяется много высокотоксичных продуктов (углеводороды, хлористый водород и
др.).
Таблица 1-
Классификация отходов
Наиболее
рациональным методом ликвидации пластмассовых отходов служит высокомолекулярный
нагрев без доступа воздуха (пиролиз).
Основными
направлениями ликвидации и переработки твердых промышленных отходов (кроме
металлоотходов) являются вывоз и захоронение на полигонах, сжигание,
складирование и хранение на территории промышленного предприятия до появления
новой технологии переработки их в полезные продукты (сырье).
1. Переработка твердых промышленных отходов
Обработку
целесообразно проводить в местах образования отходов, что сокращает затраты на
погрузочно-разгрузочные работы, снижает безвозвратные потери при их перевалке и
транспортировке и высвобождает транспортные средства. На большинстве химических
предприятий отходы входят в состав промышленного мусора предприятий, при этом
разделение мусора на отдельные его компоненты оказывается экономически
нецелесообразным. В настоящее время разработаны и внедрены в промышленном масштабе
технологии обработки, утилизации и ликвидации промышленного мусора.
Качественный и количественный состав промышленного мусора любого предприятия
примерно стабилен в течение года, поэтому технология переработки мусора
разрабатывается применительно к конкретному предприятию и определяется составом
и количеством промышленного мусора, образующегося на территории.
Например, в
Запорожье разработана система переработки промышленного мусора в строительные
материалы и комбинированные удобрения. Зола становится основным материалом для
изготовления искусственного гравия, из которого создаются стеновые панели и
несущие конструкции жилых и производственных зданий.
В ФРГ
разработан способ безотходной переработки отходов в электродуговой печи. При
высокой температуре (1500—1700С) в печи минеральная часть (силикаты и металл)
плавится и разделяется на металл и шлак. В результате переработки 1 т отходов
образуется около 140 кг феррометалла.
Переработку
твердых бытовых и промышленных отходов в Москве, Санкт-Петербурге и Ереване
производят на специальных заводах. В промышленной зоне Бирюлево (Москва)
работает завод для сжигания более 2 млн. м3 в год твердых отходов. В
Санкт-Петербурге работает завод по обезвреживанию и переработке 400 тыс. м3
в год твердых отходов, который вырабатывает в год тыс. т сельскохозяйственного
компоста широко используемого в теплицах.
Захоронение
отходов - должно проводиться в специально отведенных местах по согласованию с
органами государственного санитарного надзора. Пункт захоронения отходов
необходимо располагать на незатопляемой территории с низким уровнем грунтовых
вод, с наличием водоупорного глинистого слоя. Расстояние от места захоронения
отходов до населенных мест и открытых водоемов рыбохозяйственного назначения
устанавливается в каждом конкретном случае по согласованию с органами
государственного санитарного надзора.
2. Переработка твердых коммунальных отходов
В настоящее
время весь мир и, в частности, наша страна находится в стадии стремительного
роста городов. Применительно к России урбанизация проходит на фоне
значительного расслоения населения и массовой миграции сельского населения в
крупные города. Рост населения городов сопровождается резким увеличением количества
бытовых отходов. Стабилизация экономической ситуации в стране также ведет к
росту потребления и соответственно увеличению количества твердых коммунальных отходов
(ТКО). Таким образом, всегда существовавшая проблема ТКО становится сегодня еще
более актуальной. Основным способом переработки ТКО является биотехнологические
процессы и сжигание. К сожалению, отсутствие достаточного количества
современных биотехнологических производств приводит к тому, что основная масса
отходов захоранивается на полигонах или сжигается. Сгорание органической части
утверждениям сторонников метода, не сокращает, а увеличивает их массу (на 1 кг углерода расходуется более 2,5 кг кислорода) и переводит в газообразное состояние; при этом
образуется токсичная и супертоксичные диоксины. Происходит потеря органических
веществ, которые можно переработать в удобрения и использовать для озеленения и
сельского хозяйства. Очевидно, что самым экологически и экономически
перспективным является биотехнологический способ переработки, при котором
обеззараживание ТКО происходит без затрат энергоносителей (за счет активности
термофильных микроорганизмов), а органические компоненты перерабатываются в
компост.
2.1 Материалы и методы переработки ТКО
Эксперименты
проводились на базе предприятия «Опытный завод механизированной переработки
бытовых отходов» (ОЗ МПВО) с использованием штатного оборудования. Для
приготовления и внесения в ТКО растворов питательных веществ была разработана и
изготовлена специальная установка. Измерения температуры ТКО в биобарабана
проводили пирометром с учетом поправки (корректировалась раз в смену),
температуру компоста в буртах на глубине 0,5 м — максимальным термометром, физико-химические параметры компоста — по стандартным методикам.
Обычно все 4
фазы протекают в одном реакторе. На заводе МПВО эти стадии разделены. Лаг-фаза
и фаза экспоненциального роста, а также часть стационарной фазы протекает в
биобарабане. По сути дела лаг-фаза и фаза экспоненциального роста — это выход
процесса на температурный режим, а собственно санация ТКО протекает в начале
стационарной фазы. Разумеется, это относится лишь к доминирующей на конечном
этапе биотермической санации, целевой группе микроорганизмов - термофилам.
Микроорганизмы мезофильной группы, которые доминируют на начальном этапе,
обеспечивают разогрев массы ТКО до температур, когда в дело вступают термофилы,
в дальнейшем и гибнут в биобарабане. Роль мезофиллов и скорость выхода процесса
на температурный режим различны в зависимости от исходной температуры ТКО. В
плане отметить, что мезофиллы не успевают перейти в стационарную фазу роста —
при повышении температуры они сразу переходят в фазу лизиса. Численность
микроорганизмов сильно зависит от условий в биореакторе, которые неодинаковы по
его длине. В таблице 2 приведено количество микроорганизмов в различных
участках биореактора.
Таблица 2
В условиях
резкого снижения интенсивности перемешивания и аэрации микроорганизмы
продолжают разрушать остаточные органические субстраты и поддерживать
температуру компоста. Эта стадия называется «дозревание». По мере исчерпания
запасов веществ микроорганизмы переходят в фазу лизиса, что сопровождается
остыванием компоста. Процесс продолжается от 8 месяцев до 1,5 лет. В течение
этого времени завершаются процессы разложения органических веществ, происходит
падение температуры до 300 С и ниже. Микробное число снижается с
9*1010 до 4*107, рН стабилизируется на уровне 8,13-8,17.
По завершении стадии дозревания количество микроорганизмов падает и
стабилизируется к моменту остывания компоста на уровне 107, в
соответствии с таблице 3
Таблица 3 –
Изменение микробиологических показателей компоста при дозревании в штабелях
Ввиду многообразия
микроорганизмов на начальном этапе процесса и смене микробных сообществ по мере
его протекания некорректно использовать содержание микроорганизмов того или
иного вида (или ОМЧ) в качестве параметра, по которому можно судить о кинетике
процесса. Более универсальным параметром, отражающим интенсивность протекания
микробиологических процессов, является температура компостируемого субстрата.
График ее изменения повторяет, разумеется, с некоторым временным сдвигом,
кривую роста микроорганизмов. Поэтому в качестве основного контрольного
параметра мы использовали температуру компоста.
Исследователи данной
проблемы пришли к выводу, что соотношение углерод/азот/фосфор нужно довести до
20/5/1 на всю массу отходов и то, что делать это нужно с помощью других
отходов, главным образом, навоза или илового осадка станций аэрации. Второй
стереотип — для активации нужно вносить извне микроорганизмы деструкторы
(классические дозировки — 106 к.о.е. на г (см3) или 5—15% от объема
инокулируемой среды). Разработанная на основе стереотипного подхода технология
ускорения компостирования ТКО [1, 2], несмотря на хорошие результаты, так и не
была внедрена в производство по экономическим соображениям.
Но, главным препятствием
для роста микроорганизмов, которые в изобилии содержатся в ТКО, является низкая
растворимость питательных веществ субстрата. Этим и объясняется длительная
лаг-фаза процесса и низкая физиологическая активность микрофлоры мусора,
которая и является движущей силой процесса разогрева отходов. Предполагается
следующее:
- необходимо вносить в
качестве активаторов только самые доступные источники питания (сахара и
белковые гидролизаты) в виде водных растворов, что позволит до минимума
сократить лаг-фазу процесса;
- количество питательных
веществ должно быть эквивалентно тому количеству, которое будет затрачено на
приготовление инокулюма, исходя из классических дозировок — 1*106 к.о.е./см3.
Следуя логике, для
экспериментов следовало бы взять стандартный состав среды для определения ОМЧ,
но было создано два варианта среды:
первая — смесь сусла с
пептоном и сахарозой (наиболее легкодоступные источники питания), второй
вариант представлял собой стереотипную питательную среду (углерод/азот/фосфор =
20/5/1) на основе сахарозы и минеральных удобрений; в состав среды был также
включен в качестве активатора лигногумат. Состав сред на одну загрузку
биобарабана (300 тонн ТКО):
Однако физиологическая
активность исходной микрофлоры низка, а ее количество мало, поэтому процесс
переходит в экспоненциальную фазу лишь через 8 ч после разогрева до оптимальных
температур. В случае активатора, созданного на основе сусла и пептона, процесс
начинается сразу после искусственного разогрева.
Физико-химическими
характеристики представлены в таблице 4.
При дозревании в штабелях
показали, что добавки, как и предполагалось, влияют лишь на интенсивность
протекания процессов. Особенности изменения температуры, рН и органического
вещества одинаковы для обеих добавок и контроля, однако скорость протекания
различна. Полученные результаты позволяют говорить о том, что внесение
активаторов сокращает время созревания компоста в буртах в 2 раза, а сроки
пребывания ТКС в биобарабане (за счет сокращения времени выхода на
температурный режим) - на 20—38%.
Таблица 4
Заключение
2. Лимитирующей стадией
процесса биотехнологической переработки твердых коммунальных отходов фаза
адаптации к источникам питания. Эта стадия процесса является лимитирующей
других процессов деструкции трудно растворимых веществ, а, следовательно, метод
предложенный может быть использован и при активации других биотехнологических
процессов.
3. Внедрение метода
позволило без капиталовложений увеличить производительность предприятия на 20
%.
Перечень
ссылок
1. Лекционный материал
2. Синтетические
химико-фармацевтические препараты. / М.В. Рубцов, А.Г. Байчиков. - М.: Химия,
1971.-304с.
3. Вредные вещества в промышленности.
Справочник для химиков, инженеров и врачей. Том II. Органические вещества. / Под ред. Н.В. Лазарева и Э.Н.
Левиной. - Л.: Химия, 1976.-624с.
4. Вредные вещества в промышленности.
Справочник для химиков, инженеров и врачей. Том II. Органические вещества. / Под ред. Н.В. Лазарева и Э.Н.
Левиной. - Л.: Химия, 1976.-592с.
5. Методическое пособие для
самостоятельной работы по «Безопасности жизнедеятельности» для студентов биотехнологического
факультета. / Г.Л. Алексеева, Л.П. Лазурина. - Курск, КГМУ, 2004. – 89 с.
6. Пожарная безопасность веществ и материалов, применяемых в химической
промышленности. Справочник. / Под редакцией И.П. Рябова. - М.: Химия,
1970.-336с.