Аэробная ферментация при переработке ТБО

Из биотермических методов в практике наибольшее распростране­ние получила аэробная ферментация, которую часто называют компос­тированием (по названию конечного продукта ферментации - компоста, используемого в сельском хозяйстве).

Ферментация - это биохимический процесс разложения орга­нической части отходов микроорганизмами. В биохимических ре­акциях взаимодействуют органический материал, кислород и бак­терии (сапрофитные аэробные микроорганизмы, присутствующие в ТБО в достаточных количествах), а выделяются диоксид углерода, вода и тепло (материал саморазогревается до 60-70°С). Процесс со­провождается синтезом гумуса. Размножение микроорганизмов-де­структоров отходов возможно при определенном соотношении уг­лерода и азота.

Наилучший контакт между органическим веществом и микроорга­низмами обеспечивается при перемешивании материала, в результате саморазогрева которого в процессе ферментации происходит уничтоже­ние большинства болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов, личинок мух.

По результатам исследований английских специалистов, на началь­ной стадии ферментации происходит минерализация смеси, о чем сви­детельствует уменьшение общего содержания углерода органического вещества и гуминовых кислот. Образующаяся биомасса обладает высо­кой степенью полимеризации и характеризуется значительной (по срав­нению с почвой) концентрацией азота. В процессе ферментации умень­шается содержание в биомассе фенольных групп и увеличивается со­держание групп НООС и С=O.

В итоге законченного процесса ферментации масса биоразлагаемо- го материала уменьшается вдвое и получается твердый стабилизиро­ванный продукт.

Компостирование ТБО в мировой практике развивалось как аль­тернатива сжиганию (первый завод в Европе по компостированию ТБО был построен в 1932 г. в Нидерландах). Экологической задачей компостирования можно считать возвращение части отходов в круговорот природы.

Наиболее интенсивно компостирование ТБО развивалось с кон­ца 60-х до начала 80-х годов преимущественно в странах Западной Европы (Италия, Франция, Нидерланды). В Германии пик строительст­ва заводов пришелся на вторую половину 80-х годов (в 1985 г. в компост перерабатывали 3% ТБО, в 1988 г. - около 5%). Интерес к компостиро­ванию вновь повысился в середине 90-х годов на основе вовлечения в переработку не ТБО, а селективно собранных пищевых и растительных отходов, а также отходов садово-паркового комплекса (термическая пе­реработка этих отходов затруднена из-за большой влажности, а захоро­нение связано с неконтролируемым образованием фильтрата и биогаза). В европейской практике к 2000 г. с применением аэробной фермента­ции ежегодно перерабатывали около 4,5 млн. т отходов более чем на 100 заводах (из них в 1992-95 гг. построено 60 заводов).

В странах СНГ прямое компостирование исходных ТБО применяют на девяти заводах: в Санкт-Петербурге (первый завод в бывшем СССР, построен в 1971 г.; в конце 1994 г. в Санкт-Петербурге введен в строй второй завод), Нижнем Новгороде, Минске и Могилеве, Ташкенте, Ал­ма-Ате, Тбилиси и Баку (все заводы запроектированы институтом «Гипрокоммунстрой», Могилевский - институтом «Белкоммунпроект»). В 1998 г. вошел в строй завод в Тольятти, на котором реализована предва­рительная, но малоэффективная сортировка ТБО.

Следует отметить, что из-за гетерогенного состава отходов прямое компостирование ТБО нецелесообразно, поскольку получаемый ком­пост загрязняется стеклом и тяжелыми металлами (последние, как от­мечено, содержатся в опасных бытовых отходах - отработанных гальва­нических элементах, люминесцентных лампах).

На первых механизированных промышленных установках ТБО на­иболее часто компостировали в штабелях, периодически подвергая ма­териал ворошению.

В настоящее время в промышленности наиболее распространены три метода аэробной ферментации:

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

В СНГ с 1971 г. практикуется исключительно компостирование в биобарабанах (в режиме загрузки-разгрузки материала частота враще­ния биобарабана составляет 1,5 мин^-1, остальное время 0,2 мин^-1). В России (завод в г. Тольятти) на базе цементных печей выпускаются био­барабаны двух типоразмеров - длиной 36 и 60 м; диаметр биобарабанов – 4 м (рис. 5.146).

1 — загрузочное устройство, 2 - корпус, 3 — бандаж, 4 — ропикоопора, 5 — контактные кольца термодатчиков, 6 - электропривод, 7 - венцовая шестерня, 8 - перфорированная (разгрузочная) обечайка

Биобарабан представляет собой сварной стальной цилиндр, уста­новленный на двух (КМ-101 А) или трех (КМ-102Б) роликоопорах с ук­лоном в сторону разгрузочного устройства. От продольного смещения биобарабан удерживают упорные ролики, установленные на ближайшей к разгрузочному устройству роликоопоре.

Разгрузочное устройство оборудовано сегментным затвором с электроприводом (установлен на корпусе биобарабана). Для аэрации компостируемого материала на кор­пусе биобарабана смонтированы вентиляторы типа ВВД 5 (необходи­мый расход воздуха для обеспечения жизнедеятельности аэробной ми­крофлоры составляет, по данным АКХ им. К.Д. Памфилова, 0,2-0,8 м³ на 1 кг отходов). Для сокращения теплопотерь поверхность биобараба­нов покрывают теплоизоляцией (пенопласт, минераловатные маты).

Загрузка материала в биобарабан (и соответственно разгрузка) осу­ществляется в течение 1-1,5 смен (8-12 часов). Время нахождения ма­териала в биобарабанах - около двух суток. За это время процесс фер­ментации, по существу, только начинается и потеря массы вещества на выходе из биобарабана не превышает 5%. Для дозревания компост раз­мещается в штабелях на открытых площадках; продолжительность про­цесса дозревания - несколько месяцев.

На всех заводах СНГ (общая характеристика заводов приведена в табл. 5.43), кроме завода в г. Тольятти, реализована практически одна и та же тех­нология прямого компостирования исходных ТБО. Некоторым исключением является Санкт-Петербургский завод №1, на котором реализовано частичное извлечение из исходных ТБО перед компостированием черного металлолома.

Несмотря на то, что Санкт-Петербургский завод был первым, построенным в бывшем СССР, положительный опыт его функционирования не был учтен при проектировании заводов в других городах, на которых ТБО подвергают компостированию без какой-либо первичной обработки. При практически неизменной технологии все действующие в СНГ заводы отличаются лишь схемой цепи аппаратов. Все заводы оснащены оборудованием для трех ос­новных технологических операций, обеспечивающих производство компо­ста: частичной (в Санкт-Петербурге) предварительной подготовки ТБО, биотермического аэробного компостирования в биобарабанах, очистки ком­поста от примесей1 и складирования компоста; на некоторых заводах, кро­ме того, предусмотрена термическая обработка (сжигание, пиролиз) некомпостируемой фракции (г.г. Санкт-Петербург, Минск, Тбилиси, Ташкент).

На всех компостных заводах в СНГ получаемый компост имеет весьма плохой товарный вид, характеризуется низким качеством и сбы­вается с большим трудом. Товарный вид компоста Санкт-Петербургско­го завода более благоприятен, но, как и на остальных заводах, компост существенно загрязнен тяжелыми металлами.

Исследованиями, проведенными в бывшем СССР ИМГРЭ Мингео СССР, установлено, что применение выпускаемых компостными заво­дами удобрений (прямое компостирование исходных ТБО) связано с загрязнением почвы тяжелыми цветными металлами. Так, по сравнению с фоновыми почвами компост значительно обогащен ртутью (в 833 ра­за), сурьмой (в 64 раза), цинком (в 30 раз), кадмием (в 21 раз), свинцом (в 18 раз), медью (в 17 раз). При использовании компоста в сельском хо­зяйстве цветные металлы в избыточном количестве поступают в почву и на полях, удобренных компостом, содержание металлов оказалось вы­ше, чем на контрольном участке.

Установлено, что для компоста бумага может являться источником токсичного тяжелого металла — свинца, присутствующего в типограф­ской краске, а также цинка. Высокая концентрация солей, содержащих­ся в компосте из ТБО, также вредна для чувствительных к ним растений.

В табл. 5.44 приведены требования к компосту российских заводов. Из таблицы следует, что существующие в РФ нормы допускают сум­марное содержание тяжелых металлов в компосте не более 1,45 г/кг су­хой массы, содержание стекла крупностью -10+3 мм — не более 1,7% на исходную массу.

Основные недостатки ферментации в биобарабанах:

• бесконтрольность процесса;
• плохой товарный вид конечной продукции (сложность очистки материала, выходящего из биобарабана, из-за его большой влажности);
• эксплуатационные сложности (образование в барабанах «пробок» из текстиля, в весенне-осенний период биобарабаны текут);
• сильная загрязненность черного металла, выделяемого из компоста (при отсутствии сортировки ТБО перед компостированием);
• потребность большой площади для дозревания компоста (по существу, за двое суток процесс ферментации, как отмечено, только на­чинается, и потеря массы биоразлагаемого вещества на выходе из био­барабана не превышает 5%);
• невозможность, в соответствии с отечественной практикой, эксплуатации завода более 260 дней в году (замедленное дозревание компоста на открытом воздухе в зимний период, сложность сбыта про­дукции и пр.).

Недостатки, присущие технологии ферментации в биобарабанах, становятся преимуществом альтернативных технологий – ферментации в бассейне выдержки и в туннеле. Отличие этих двух технологий друг от друга состоит в том, что в бассейне выдержки материал находится 4­6 недель, а в туннеле - 7-10 дней. Соответственно в бассейне выдержки процесс ферментации полностью заканчивается с получением сухого стабилизированного продукта (потеря массы вещества - 50%), а в тун­неле получается полупродукт (потеря массы исходного вещества - 20­30%, влажность - 30%).

Вместе с тем во всех случаях, когда не предпо­лагается получение конечного продукта в виде компоста для сельскохо­зяйственного использования, предпочтительнее применять фермента­цию обогащенной органической фракции в туннеле, рассматривая эту технологию как ферментативную сушку, обеспечивающую одновремен­но обезвреживание, измельчение и гомогенизацию материала. Матери­ал после туннельного компостирования в большей степени обогащен углеродом, чем после ферментации в бассейне выдержки, что предпо­чтительно для последующих процессов термической переработки (сжи­гание, газификация и др.).

При сопоставимой производительности капитальные затраты на строительство цеха ферментации в бассейне выдержки в 2-3 раза выше, чем при туннельном компостировании.

Выбор той или иной технологии определяется в каждом конкретном случае и зависит от производительности завода, целей и задач перера­ботки ТБО и ряда других факторов.

Из данных табл. 5.45 отчетливо видна тенденция перехода в европей­ской практике от компостирования в биобарабанах к компостированию в туннеле и бассейне выдержки (доля отходов, переработанная с использованием ферментации в биобарабанах, на заводах, введенных в строй в 1992-95 гг., составляет всего 11,6%; на долю ферментации в бассейне вы­держки приходится 56,3%, на долю туннельного компостирования - со­ответственно 32,1%). Из 60 построенных в 1992-95 гг. заводов (цехов по ферментации) биобарабаны установлены всего на 10.

Целый ряд зарубежных фирм отказался от технологии компостиро­вания в биобарабанах и перешел на новые технологии. В то же время в СНГ, как отмечено, с 1971 г. практикуется компостирование только в биобарабанах.

Ниже практика ферментации в бассейне выдержки и в туннеле рассмотрена более подробно.

На заводе в Перудже (Италия) ферментации в бассейне выдержки (технология фирмы «Buhler», Швейцария) подвергается обогащенная фракция ТБО крупностью -100 +10 мм (фракция -10 мм, выделяемая при сепарации ТБО, является отвальной, так как мелкие частицы адсор­бируют токсичные и вредные вещества, которые могут загрязнять ком­пост). Выход обогащенной органической фракции, направляемой на компостирование, - около 25% по массе (от исходного).

Бассейн выдержки представляет собой закрытую площадку для компостирования размером 70x21 м. Глубина слоя отходов, закладыва­емых на компостирование, — 2,5 м.

Бассейн выдержки обслуживается мостовым краном с четырьмя шнеками, расположенными под углом к горизонтали. Назначение шнеков - равномерное распределение материала в бассейне с одно­временным его перемешиванием. Входя в толщу компостируемых от­ходов, шнек не доходит до дна бассейна всего на 10-15 см. В процес­се перемешивания и перемещения материал хорошо измельчается и гомогенизируется.

Продолжительность компостирования - 28 суток. Температура в бассейне выдержки поддерживается постоянной (50-60°С). Компости­руемый материал снизу продувается воздухом (подается по трубам с от­верстиями); расход воздуха зависит от окружающей температуры (в ча­стности, летом расход воздуха уменьшается). Через 28 суток компост с помощью шнека подается на систему ленточных конвейеров и транс­портируется на линию сортировки для очистки от примесей.

Поскольку продукт ферментации по процессу «Buhler» является су­хим, технология имеет существенное преимущество — обеспечивает весьма эффективную последующую очистку стабилизированной орга­нической фракции от механических примесей (применение комбинации процессов грохочения и аэросепарации), см. рис. 5.106.

Линия сортировки включает два барабанных грохота (с отверстия­ми соответственно 20 мм и 12 мм) и два аэросепаратора для раздельно­го обогащения классов -12 мм и -20 +12 мм. Легкая фракция аэросепа­рации является готовым продутом — компостом (в основном для сель­скохозяйственного использования, что в 1995г., по итальянским законам от 1982 г., еще допускалось).

Визуально готовый компост представляет собой однородную зерни­стую массу коричневатого оттенка разных тонов (светлых и более тем­ных), без посторонних примесей.

Схема аэробной ферментации отходов в туннеле представлена из рис. 5.147.

Время пребывания материала в туннеле, который можно рас­сматривать как контейнер, — 10 суток (до 14). Габариты одного тун­неля: длина -30 м (20+40 м), ширина -5 м, высота - 3+4 м. Загруз­ка-разгрузка материала осуществляется периодически (один раз в 10 суток). Производительность одного туннеля - 15-18 т/сут, Поте­ря массы биоразлагаемых органических веществ за 10 дней фер­ментации - 30%. Расход воздуха, подаваемого в процесс — 150 м³/м² в час. Влажность материала на выходе из туннеля 30%. При произ­водительности по исходному 600 т/сут требуется установка до 40 туннелей. Технологический процесс аэробной ферментации в тун­неле, как и в бассейне выдержки, поддается полной автоматизации и непрерывно контролируется (температура, расход аэрируемого воздуха, влажность). Количество подаваемого вентилятором возду­ха на входе в туннель коррелируется с содержанием кислорода (или СO₂) на выходе.

При любом способе компостирования ТБО не удается полностью избежать потенциальной опасности попадания в компост нежелатель­ных для здоровья человека веществ. В табл. 5.46 приведены европей­ские требования к компосту, полученному из ТБО для сельскохозяй­ственного использования, и типичные характеристики компоста евро­пейских заводов.

Из данных таблицы видно, что при максимально допустимом суммарном содержании тяжелых металлов 752,5 мг/кг сухой массы (почти в два раза ниже допустимого содержания по российским нор­мам) реальное содержание тяжелых металлов в компосте колеблется в пределах 1,8-3,3 г/кг сухой массы, т.е. превышает нормативные тре­бования в 2-5 раз (механические примеси стекла в компосте европей­скими нормами не допускаются).

Поэтому компост, полученный из ТБО или из его обогащенных фракций, рекомендуется использовать не в сельском хозяйстве, а в лесных питомниках, при озеленении, ре­культивации земель (в том числе после добычи полезных ископае­мых), в технологии полигонного захоронения ТБО (в качестве покры­вающего материала), в качестве заполнителя для покрытия заболо­ченных земель, для производства этанола, в качестве подготовленно­го топлива для производства энергии. Отсюда термин «компостиро­вание» в приложении к ТБО в современных условиях не совсем уда­чен: по существу, речь идет о ферментации, о стабилизации состава органических компонентов; стабилизированный органический про­дукт может быть использован не только в сельском хозяйстве (в каче­стве компоста), но и в других направлениях.

Для эффективного использования стабилизованной органичес­кой фракции (в качестве компоста, топлива, сырья для производства новой продукции) важно отделить содержащуюся в ТБО биологиче­ски активную фазу от инертной с помощью процессов и методов, применение которых не приводит к изменениям биологического со­става отходов. С экологической точки зрения весьма важным при ферментации ТБО (как и при сжигании ТБО) является предваритель­ное удаление опасных бытовых отходов - отработанных батареек, люминесцентных ламп, красок, ядовитых веществ, металлов. Проб­лема негативного влияния опасных бытовых отходов в настоящее время в основном решается их селективным сбором с последующей переработкой или удалением.

Вследствие ужесточения требований к составу используемого в каче­стве удобрения компоста почти во всех европейских странах для компо­стирования используют только получаемые при раздельном сборе фрак­ции с высоким содержанием биоразлагаемых веществ, не содержащие экологически опасных компонентов (прежде всего металлов). Например, в Голландии от 50 до 70% биоразлагаемых отходов (1,8 млн. т/год) собирается отдельно и подвергается компостированию — преимущественно в туннеле и в бассейне выдержки (19 заводов из 26, что составляет более 80% от общего количества селективно собранных отходов).

В некоторых странах (например, в Германии) использование компо­ста из ТБО в качестве удобрения запрещено законодательно, в других признано нецелесообразным.

Опыт европейских стран по результатам эксплуатации установок по компостированию отходов приводит к следующим выводам:

• компостирование является приемлемым решением для стаби­лизации органических веществ, содержащихся в потоках отходов;
• конечный продукт (компост) хорошего качества может быть получен только в том случае, когда компостированию подвергаются отходы, сепарированные в местах образования, поскольку они не со­держат загрязняющих веществ, которые могут присутствовать в ис­ходных ТБО;
• ТБО, не сепарированные в месте их образования, не пригодны для производства качественного компоста.

К такому же выводу пришли специалисты фирмы Compost Management (США), работающей в области компостирования ТБО.

По мнению фирмы, главными контролируемыми показателями ком­поста являются тяжелые металлы и патогенные бактерии, причем получение из ТБО компоста без предварительного обогащения не имеет смысла.

К сожалению, в России компост из ТБО часто используется без уче­та загрязнения окружающей среды, и содержащиеся в нем тяжелые ме­таллы, попадая в почву, могут перейти затем в продукты, потребляемые человеком.

Таким образом, основная тенденция развития практики аэробной ферментации (компостирования) — переход от ферментации в биобара­банах к ферментации в бассейне выдержки и в туннеле (на последних поколениях заводов доля отходов, переработанных с использованием ферментации в биобарабанах, составляет всего 11%); сокращение про­изводства компоста из ТБО как продукта для сельскохозяйственного использования вследствие резкого ужесточения экологических норм; от­каз от прямого компостирования исходных ТБО (переход на биообработку фракции, обогащенной пищевыми и растительными отходами); расширение практики компостирования селективно собранных пище­вых и растительных отходов (с получением компоста для сельскохозяй­ственного использования).

Намечается тенденция использования биообработки в качестве процесса ферментативной сушки обогащенной органической фрак­ции ТБО, обеспечивающего одновременно обезвреживание, измель­чение и гомогенизацию материала и получение сухого стабилизован­ного органического полупродукта (для использования в качестве подготовленного топлива, сырья для производства спирта, строи­тельных материалов).

Необходимо отметить, что на европейских заводах, использующих биотермические технологии, принимаются специальные меры по борьбе с распространением запаха. В частности, отработанный воздух после процесса ферментации обязательно подвергается очистке в био­фильтрах.1 Бункер для приема отходов должен быть закрытого типа, при ферментации в буртах фильтрационные воды должны подвергать­ся очистке. За счет селективного сбора пищевых и растительных отхо­дов удается локализовать этот сильный источник запахов в составе ТБО. Необходимость борьбы с запахами учитывается уже на стадии проектирования завода.