Изменение качества окружающей среды при механизированной переработке твердых бытовых отходов

В качестве альтернативы сжигания в мировой практике развивались биотермические методы переработки ТБО. Наиболее распространены три метода аэробной ферментации:

• компостирование (ферментация) в биобарабанах;
• туннельное компостирование (ферментация);
• компостирование (ферментация) в бассейне выдержки.

Биотермические методы могут использоваться как для получения отдельных видов продукции (компост), так и для получения полупродуктов (стабилизованная органическая фракция для использования в качестве топлива, сырья для производства спирта, строительных материалов) (Шубов, 1998). Общим для этих методов является использование термогенеза - саморазогревания органических масс, возбудителем которого являются аэробные сапрофитные микроорганизмы (Арзамасова, Рышкова, 1979).

В Западной Европе в компост перерабатывается в среднем 17% ТБО: больше всего - в Австрии (40%), Италии (34%), Нидерландах (27%) и Бельгии (25%) - рисунок 1.1. В Германии с 1999 по 2003 гг. производство компоста из ТБО возросло с 300 тыс. т до 2 млн. т, а количество крупных установок для компостирования - с 25 до 150 (Сапожникова, 2003). В Турции компостируют около 30% отходов. В Китае действуют компостные установки производительностью до 1000 т/сут (Беньямовский, 1994). Расширяется применение компостирования в США: в 1988 г. проектировались, строились и эксплуатировались 219 компостных установок (Левинский и др., 1997).

В республиках бывшего СССР с 1971 по 1994 гг. было построено 9 заводов механизированной переработки твердых бытовых отходов (МПБО) - в городах Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ташкент, Алма-Ата, Баку, Тбилиси, Минск, Могилев (Шубов и др., 1998). В настоящее время в России действуют 3 мусороперерабатывающих завода, один из них находится в Тольятти, а два других - в Санкт-Петербурге (Кадыров, 2006). Завод в Нижнем Новгороде, открытый в 1987 году, сгорел в 1993 г. и до сих пор не восстановлен.

В Санкт-Петербурге примерно 30% ТБО перерабатывается на заводах МПБО-1 и МПБО-2 (Экологическая обстановка..., 1997). Эти заводы работают по технологии аэробного биотермического компостирования и имеют оборудование для трех технологических операций: приема и предварительной подготовки отходов; биотермического аэробного компостирования; окончательной обработки и складирования компоста.

Из отходов извлекают пластик и лом черных и цветных металлов, которые можно использовать в качестве вторичного сырья. На комплексном заводе МПБО-1, кроме того, предусматривается сжигание или пиролиз некомпостируемых фракций, отделившихся при предварительной и окончательной обработке отходов. В 2011 г. Петербург подписал соглашение с консорциумом греческих компаний о строительствемусоропере-рабатывающего завода, мощность которого составит 350 тыс. тонн в год с возможностью увеличения до 460 тыс. тонн. Завод планируется ввести в эксплуатацию весной 2015 года.

В зависимости от размера биобарабана и числа технологических линий, заводы МПБО имеют производительность от 300 тыс. до 1,5 млн. м ТБО в год. На комплексных заводах с предварительным грохочением ТБО 40-50% материала с первичного грохота направляют на сжигание. Выход компоста составляет 35-42% от массы отходов.

Продукты пиролиза - пирокарбон может быть использован в металлургии взамен графита или при производстве асфальта как наполнитель битумных материалов (Крельман, 1993). Цветной металлолом, содержание которого в ТБО до 1990 г. не превышало 0,2-0,3%, а после 1995-1999 гг. увеличилось до 0,5-0,7%, извлекается из компоста и крупного отсева. Производится сепарация стекла и пленки.

Биотермическое разложение органического вещества ТБО происходит в результате жизнедеятельности сапрофитных аэробных микроорганизмов. В биотермическом барабане в течение 2-3 суток компостируемый материал разогревается до 55-60°С. На первой стадии происходит ускоренное размножение неспороносных мезофильных микроорганизмов с температурным оптимумом развития 20-35°С. Источником энергии для бактерий служат легкоразлагаемые органические соединения, содержащиеся в основном в пищевых отходах (углеводы, органические кислоты, белки).

Происходит интенсивный распад органического вещества с выделением тепла, СО₂ и Н₂О. При повышении температуры до 42-50°С начинается размножение спороносных бактерий аммонифицирующей группы, разрушающих углеводы, пектиновые вещества и другие соединения. Помимо СО₂ и Н₂О выделяется СН₃. В дальнейшем происходит смена микрофлоры, начинают развиваться термофильные, бактериальные формы микроорганизмов. Процесс аммонификации идет еще интенсивнее. Температура массы повышается, достигая 55-60°С.

Высокая температура, а также выделяемые микроорганизмами антибиотические вещества являются факторами, губительно влияющими на болезнетворные и фитопатогенные бактерии, личинки мух и яйца гельминтов. Потери в сухом весе достигают 3-4% (С0₂ и Н₂0). Дальнейший процесс трансформации органического вещества будет зависеть от условий применения или хранения компоста (Мирный, 1995; Арзамасова, Рышкова, 1979).

Метод компостирования называют наиболее чистым методом переработки отходов (Скорик и др., 1998; Волковинский, 1999; Венцилис и др., 2007), так как он не сопровождается выбросом загрязняющих веществ в атмосферу и сбросом загрязненных сточных вод. Заводы МПБО являются экологически чистыми предприятиями, их выбросы в воздушный бассейн значительно ниже установленных предельно допустимых норм. Проведенные анализы выходящих из биотермического барабана газов показали, что при активном биотермическом процессе превалирующим газом, наряду с парами воды, является СО₂.

При использовании в России и странах СНГ этого метода переработки ТБО отмечается ряд недостатков:

• Поскольку в компост перерабатывается менее половины сухой массы поступающих на завод ТБО, этот метод может использоваться только в сочетании с другими методами обезвреживания отходов (сжигание, захоронение). Не-компостируемые фракции (дерево, пластмасса, резина, камни и др.) либо вывозят на полигоны, либо временно складируют на территории завода. В Санкт-Петербурге проведены опыты по использованию некомпостируемых отходов для заполнения старых карьеров с последующей рекультивацией. (Скорик и др., 1998; Венцилиси др., 2007).
• Основной продукт биотермической переработки твердых бытовых отходов (компост) загрязнен солями тяжелых металлов. Причина – отсутствие системы селективного сбора ТБО и глубокой сортировки. В связи с этим в настоящее время применение компоста для повышения плодородия почв ограничено. Использование компоста для облагораживания свалок нельзя рассматривать как целевое. Имеются сведения (Левинский и др., 1997; Геохимия..., 1990) о загрязнении почв сельхозугодий тяжелыми металлами при использовании компоста из ТБО.
• Невостребованный компост складируют на специально оборудованных площадках на территории завода. Следовательно, при длительном хранении он может рассматриваться как потенциальный источник поступления в атмосферу биогаза.

Однако исследования показывают, что все эти недостатки устраняются при совершенствовании системы сортировки и технологии переработки ТБО. Содержание тяжелых металлов и балластных включений может быть снижено при тщательном сепарировании ТБО перед компостированием и при просеивании готового компоста через сито с ячейками 9,5 мм.

Содержание тяжелых металлов в компосте может быть в десятки раз снижено технологическими мероприятиями (Скворцов и др., 1999; Крельман, 1993). Основная масса цинка и свинца содержится в бумаге, а хрома и меди - в коже и резине. Для снижения их содержания в компосте в проектах заводов МПБО предусматривается второе грохочение через сито с ячейками 12-15 мм (табл. 1.8).

Создана установка по очистке компоста от примесей тяжелых металлов (Крельман, 1993). Опыты дали очень хорошие результаты: содержание цинка уменьшилось в 80 раз, свинца - в 14, кадмия - в 8, меди - в 35 раз и т. д. Начиная с 1992 г. эта установка закладывается в проекты всех новых заводов.

Кроме того, существуют и разрабатываются технологии более совершенные, чем компостирование в биобарабанах. Некоторые авторы (Шубов и др., 1998) утверждают, что из различных технологий биообработки отходов наиболее прогрессивной в настоящее время является технология биотермической аэробной ферментации в бассейне выдержки, разработанная в Швейцарии, при которой процесс ферментации протекает 4 недели и полностью заканчивается с получением сухого стабилизированного продукта (потеря массы вещества -50%).

Этот продукт имеет хороший товарный вид и может использоваться не только в качестве удобрения (практика Италии, Испании и Франции), но и применяться как исходное сырье для производства этилового спирта, как подготовленное топливо для сжигания и т.д. США, Германии, Италии, Японии в настоящее время перешли на эту технологию. Также отмечается (Шубов и др., 1998), что из других новых технологий биотермической аэробной ферментации определенного внимания заслуживает туннельное компостирование. В туннеле материал находится 7-10 дней и получается полупродукт (потеря массы исходного вещества - 20-30%, влажность - 30%). При сопоставимой производительности капитальные затраты при туннельном компостировании в 2-3 раза ниже, чем при строительстве цеха ферментации с бассейном выдержки.

Таким образом, предварительная сортировка ТБО и усовершенствование методов их биотермической переработки может позволить получать экологически чистый компост, который найдет широкое применение в сельском, лесном и садово-парковом хозяйствах.

Основные аргументы в пользу развития методов биотермической переработки ТБО:

• Все перечисленные биотермические методы переработки позволяют превращать самую реакционно-способную часть ТБО - органосодержащие вещества в продукт (компост), использование которого для повышения плодородия почв решает следующие экологические проблемы:
  • a) Снижение негативного воздействия на окружающую среду продуктов трансформации на свалках и полигонах или сжигания органосодержа-щей фракции ТБО. При обезвреживании отходов в биобарабанах потери в сухом весе составляют 3-4%, то есть выбросы в атмосферу (С0₂) - всего 30-40 кг на тонну отходов.
  • b) Возвращение органических и минеральных веществ в биологический круговорот.
  • c) При условии внесения разумных количеств отходов, почвенная микрофлора сможет обеспечить их переработку. Одновременно частично решается проблема производства органических удобрений и мелиорантов.
• На сегодняшний день из широко применяемых методов обезвреживания ТБО метод биотермической переработки является наиболее экологически чистым.
• Поскольку непременным условием биотермической переработки ТБО является выдержка компостируемого материала не менее 12 часов при температуре не менее 50 ⁰С (Мирный, 1995), снижается эпидемиологическая опасность ТБО: уничтожается патогенная микрофлора и яйца гельминтов.
• В процессе биотермического компостирования происходит уменьшение объема органосодержащих отходов более чем в три раза. По данным А. Н. Мирного (1995), при 2-суточной экспозиции в биобарабанах плотность компостируемого материала возрастает со 160-230 до 600-700 кг/м .
• Предварительная сортировка на заводах МПБО позволяет направлять на повторную промышленную переработку ценные утильные фракции ТБО.
• Переработка отходов во вторичное сырье, учитывая средства, вырученные от продажи восстановленных вторичных материалов оказывается в 3 раза дешевле, чем захоронение и сжигание отходов с учетом соблюдения всех экологических норм (Абалкина, 1992).

Приведенные аргументы в пользу развития методов биотермической переработки ТБО согласуются с выводами, представленными K. W. Brown et al. (1997).

Отсутствие широкого развития методов биотермической переработки твердых бытовых отходов связано исключительно с недостатками систем их сбора и сортировки. В развитых странах участие граждан в раздельном сборе бытовых отходов стало нормой их жизни (Сапожникова, 2003). Например, в Израиле на улицах повсеместно установлены контейнеры для сбора пластиковых бутылок и газет (рис. 1.3).

Таким образом, биотермические методы переработки позволяют превращать самую реакционно-способную часть ТБО - органосодержащие вещества в компост, использование которого позволяет возвращать в биологический круговорот органические и минеральные вещества и повышать плодородие почв.

Включение переработанных отходов в биологический круговорот согласуется с общеэкологической задачей - сохранение устойчивости биосферы. Рассеивание органической фракции ТБО, при условии нормирования и контроля, безопасно для окружающей среды в отличие от сжигания или создания техногенных геохимических образований с аномально высокими концентрациями органического вещества, макро- и микроэлементов (свалки, полигоны).

Для эффективного и безопасного использования биотермически переработанных ТБО для повышения плодородия почв необходимо прогнозирование изменения состояния агро-экосистем, исследование процессов распределения химических элементов по структурным компонентам агроценоза в процессе трансформации органического вещества компоста, обоснование подходов к нормированию и контролю при использовании компоста в качестве органического удобрения и мелиоранта кислых почв.