Комплексная переработка отходов (ТБО)

Построение технологической схемы любого производственного процесса определяется составом и свойствами исходного сырья, а также задачами производства. Поскольку ТБО представляют собой гетероген­ную смесь сложного морфологического состава, не существует, как пока­зывает анализ, какого-либо одного универсального метода их переработ­ки, удовлетворяющего современным требованиям экологии, экономики, ресурсосбережения и рынка. Этим требованиям, тенденциям развития мировой практики, рекомендациям международных экологических кон­грессов в наибольшей степени отвечает проектирование и строительство комбинированных мусороперерабатывающих заводов, обеспечивающих использование отходов как источника энергии и как вторичного сырья.

Построение промышленной технологии по принципу комбинации раз­личных методов переработки ТБО нивелирует недостатки каждого мето­да, взятого в отдельности. Именно комплексная переработка ТБО, как си­стемная комбинация сортировки, термообработки, ферментации и других процессов, обеспечивает в совокупности малую отходность производ­ства, его максимальную экологичность и экономичность.

Объединяющим процессом в схеме комплексной переработки ТБО является сортировка (в том числе на основе селективного сбора), изме­няющая качественный и количественный состав ТБО. При этом повы­шается не только доля повторного использования ряда компонентов ТБО, но и во многом решаются вопросы удаления опасных бытовых от­ходов и балластных компонентов, оптимальной подготовки тех или иных фракций компонентов ТБО к дальнейшей переработке.

Предварительная сортировка оптимизирует сопряженные произ­водства:

• улучшает и ускоряет процесс ферментации органических ве­ществ ТБО;
• облегчает очистку продукта ферментации от примесей;
• снижает потребную производительность весьма дорогостоящего био- термического и термического оборудования;
• улучшает состав продукта ферментации, шлака и отходящих газов;
• улучшает процесс сжигания;
• упрощает газоочистку, т.е. технология комплексной переработки ТБО повышает экологичность и экономичность традиционной термической и биотермической обработки ТБО.

Преимущества комплексной переработки ТБО выявляет укрупнен­ная эколого-экономическая оценка наиболее распростра-ненных про­мышленных технологий переработки ТБО - слоевого сжигания, фер­ментации, сортировки и их комбинаций.

В качестве исходных данных для анализа технологий переработки ТБО принята условная производительность - 240 тыс. т ТБО в год (за­вод обслуживает около 0,8 млн. жителей).

Некоторые экономические показатели различных технологий пе­реработки ТБО (по данным европейских фирм, дополненным расчет­ными данными по комплексной переработке ТБО и расчетными дан­ными по реализации готовой продукции) приведены в табл. 5.47 и на рис. 5.150.

* Технология «сортировка+компактирование» рассчитана на вовлечение в переработку только отходов нежилого сектора города

** Удельные затраты на захоронение ТБО приняты 30 дол/т.

*** Норма амортизационных отчислений условно принята 10% (для всех технологий).

Сравнительная качественная оценка принципиальных способов переработки ТБО по экономическим критериям (удельные капиталь­ные, эксплуатационные и приведенные затраты, удельные затраты на захоронение неутилизируемой части ТБО, прибыль от реализации продукции из 1 т ТБО) показывает (рис. 5.150), что строительство заводов по технологии прямого сжигания, а также прямого компости­рования ТБО экономически наименее целесообразно (практика СНГ).

В экономическом плане, как следует из рис. 5.150, для переработки не­разделенных потоков ТБО наиболее предпочтительны комбинацион­ные технические решения, в особенности комплексная переработка ТБО (комбинация процессов сортировки, термо- и биообработки). Од­нако без учета тарифов за прием ТБО все эти технологии являются убыточными. Единственной самоокупаемой является технология раз­дельного сбора и сортировки отходов нежилого сектора города и вторсырья (первый этап решения проблемы ТБО).

1 — сжигание; 2 - компостирование; 3 - сортировка + сжигание; 4 - сортировка + компостирование; 5 - комплексная переработка; 6 — сортировка + компактирование

Ниже (табл. 5.48) показано влияние процесса сортировки на перерас­пределение материальных потоков отходов между термическим и био- термическим переделами в случае комбинации технологий (комплексная переработка ТБО), что является технически целесообразным и обеспечи­вает повышение экономической и экологической эффективности произ­водства (технология ферментации условно рассчитана на использование биобарабанов, выпускаемых отечественной промышленностью).

Из табл. 5.48 следует, что в результате механизированной сортиров­ки исходных ТБО выход фракции, направляемой на ферментацию, со­ставляет около 57% от исходного (137140 т/год при работе 305 дней в году), а фракции, направляемой на сжигание, - около 37% (87980 т/год при работе 340 дней в году).

После очистки продукта ферментации от примесей в отходы перей­дет около 25% материала, поступившего на ферментацию, что составит 34285 т за 305 суток работы или 112.4 т/час; эти отходы направляются на сжигание.

Таким образом, в цех термообработки поступает: 87980 т/год (из це­ха сортировки) и 34285 т/год (из цеха ферментации), т.е. суммарно 122265 т/год (359.6 т/сут, или около 15 т/час). Иными словами, в случае комплексной переработки на сжигание направляется около 50% от ис­ходных ТБО (вместо 100% при использовании технологии прямого сжигания исходных ТБО). Это обусловливает сокращение потребности в весьма дорогостоящем термическом оборудовании в два раза.

Аналогично сокращается потребность в биобарабанах для установ­ки в цехе ферментации. Так, при отсутствии сортировки для прямой ферментации исходных ТБО (практика заводов СНГ) в количестве 240 тыс.т/год (786.8 т/сут при работе в три смены 305 дней в году) по­требовалась бы установка 11 биобарабанов марки КМ101А диаметром 4 м и длиной 36 м (полезный объем 300 м3).

При использовании технологии комплексной переработки на фер­ментацию направляется 137140 т/год обогащенной фракции ТБО и к ус­тановке требуется всего 6 биобарабанов (449.6:71=6), т.е. почти в два раза меньше (даже без учета увеличения плотности обогащенной фрак­ции по сравнению с исходными ТБО).

На примере этого простого расчета наглядно выявляется эффектив­ность первичной сортировки как подготовительной операции в процес­се комплексной переработки ТБО (по существу, технология комплекс­ной переработки является универсальной, т.к. мало зависит от состава исходных ТБО).

Перераспределяя материальные потоки отходов, сортировка в 1,5-2 раза сокращает потребность в дорогостоящем термическом и биотерми- ческом оборудовании. В то же время капитальные затраты на саму сор­тировку не превышают 8-15% от затрат на термо- и биообработку.

Для научно обоснованного выбора той или иной технологии необ­ходимо учитывать не только экономические, но и экологические факто­ры, поскольку конечные продукты переработки и отходы производства не должны наносить вред окружающей среде (при этом ценные компо­ненты ТБО должны быть максимально использованы).

Наибольшее экологическое влияние на окружающую среду из рас­сматриваемых технологий оказывают технологии прямой ферментации и прямого сжигания исходных ТБО.

При применении технологии прямого сжигания исходных ТБО без какой-либо их подготовки и обработки с условием соблюдения общеев­ропейских требований по выбросам загрязнений в воздух, годовое ко­личество отходящего газа при сжигании 240 тыс. т/год ТБО составит около 900 млн. м3/год, при этом выбросы пыли не превысят 20 т/год, а общее количество тяжелых металлов - 4.5 т/год.

Выбросы тяжелых металлов как основных токсичных ингредиентов можно уменьшить за счет предварительной сортировки ТБО с извлече­нием черных и цветных металлов. По данным зарубежных исследова­ний, предварительная сортировка ТБО на порядок снижает содержание тяжелых металлов в отходящих газах и является важнейшим первич­ным мероприятием по уменьшению токсичных выбросов.

В случае комбинации процессов «сортировка + сжигание» в термообработку ориентировочно будет поступать 200 тыс.т/год отходов, при этом в дымовых газах объемом 750 млн. м3/год выбросы пыли не превысят 16 т, а выбросы тяжелых металлов — 500 кг.

При использовании технологии прямого сжигания ТБО наряду с дымовыми газами образуются также шлак (около 55 тыс.т/год) и лету­чая зола (около 8 тыс.т/год); ввиду повышенного содержания в шлаке тяжелых металлов его утилизация весьма затруднительна.

При использовании технологии «сортировка + сжигание» количес­тво шлака снижается до 45 тыс.т/год, а золы - до 6.5 тыс.т/год, причем переработка шлака менее проблематична.

Основной недостаток использования технологии прямой фермен­тации исходных ТБО без их предварительной сортировки и подготов­ки — большое количество (не менее 70 тыс.т/год) отходов, подлежащих складированию на полигоне, и весьма низкое качество готового про­дукта (он имеет плохой товарный вид, сбывается с трудом и отличает­ся, по данным многочисленных исследований, повышенным содержа­нием тяжелых металлов). Улучшение качества продукта ферментации связано с применением технологии сортировки ТБО перед фермента­цией (а также с совершенствованием технологии очистки конечного продукта от примесей).

Недостатки каждого метода переработки ТБО нивелируются, если промышленную технологию строить по принципу комбинации отдель­ных методов переработки ТБО.

При использовании технологии комплексной переработки в тер­мообработку поступают не исходные ТБО, а их обогащенная фрак­ция, из которой в основном удалены металлы, причем масса обога­щенной фракции в два раза меньше, чем исходных ТБО. Отсюда рез­ко снижается экологическое влияние дымовых газов: их объем умень­шается до 450 млн. м³/год, а годовые выбросы пыли не превысят 10 т и тяжелых металлов - 250 кг (фактически выбросы металлов будут значительно циже).

Количество золы, образующейся в процессе комплексной перера­ботки ТБО при очистке дымовых газов, составляет около 4 тыс. т/год. Этот тип отходов является токсичным, но в настоящее время разрабаты­ваются методы его обезвреживания не только с целью захоронения, но и последующей утилизации (например, путем переработки золы в инертный стекловидный остаток, который может использоваться в до­рожном строительстве в качестве добавок к бетону, для струйной очист­ки изделий); кроме того, уже разработаны термические технологии, в которых отсутствует пылевынос (российская технология газификации).

Таким образом, по «экологичности» отходов промышленные техно­логии можно расположить в два параллельных ряда (качественная оценка): технологии с использованием и без использования термичес­ких методов.

Технологии, использующие термические методы, в порядке возрас­тания отрицательного экологического влияния располагаются в ряд:

• комплексная переработка;
• сортировка +- сжигание;
• сжигание.
• Соответственно, технологии, не использующие термические методы, располагаются в ряд:
• ферментация;
• сортировка + ферментация.

Сложнее совместить эти два ряда. Так, технология прямой фермен­тации предпочтительна с точки зрения отсутствия загрязнения атмо­сферы, но она связана с образованием большого количества отходов (30%). В то же время при использовании комплексной переработки ТБО количество вывозимых отходов составляет всего 3-8%, но теоретически существует разовая экологическая опасность от промышленных выбро­сов. Поэтому по воздействию на окружающую среду обе технологии ус­ловно можно расположить в один ряд, тогда все технологии располага­ются следующим образом:

• 1-2) комплексная переработка и ферментация;
• 3-4) сортировка + сжигание и сортировка + ферментация;
• сжигание.

С точки зрения «экологичности» готовой продукции, все технологии, за исключением технологии прямой ферментации исходных ТБО, практически равноценны.

Как отмечено, по технологии прямой ферментации исходных ТБО получается продукт весьма низкого качества, вследствие чего она явля­ется наименее перспективной.

Поскольку по «экологичности» готовой продукции остальные тех­нологии условно можно считать равноценными, все технологии можно расположить в следующий ряд:

• 1-4) комплексная переработка; сортировка + ферментация; сортировка + сжигание; сжигание.
• ферментация.

Для суммарной оценки технологий переработки ТБО можно использовать шестибалльную систему (1-е место — 6 баллов, 2-е место - 5 баллов и т.д.) в обоих приведенных рядах. В случае разделения мест сумма баллов за эти места распределяется поровну (например, в случае деления 1-го и 2-го мест обе технологии получают по 5.5 балла). Сум­марная оценка в баллах технологий переработки ТБО приведена на рис. 5.151, из которого следует, что технологии располагаются практически в тот же ряд, что и по экономическим показателям.

Таким образом, анализ показывает, что современным экономи­ческим и экологическим требованиям в наибольшей степени соот­ветствует технология комплексной переработки ТБО. Стремление использовать для переработки всей массы ТБО какой-то один кон­кретный метод, какую-то монотехнологию (например, сжигания) приводит к неоправданному увеличению затрат и усиливает нега­тивное влияние технологии на окружающую среду. При этом неко­торые термические технологии (газификации, сжигания в кипящем слое) могут быть реализованы только в схемах комплексной перера­ботки ТБО, так как предъявляют определенные требования к соста­ву, крупности и теплотворной способности сырья как объекта для переработки.

Для практического вовлечения ТБО в комплексную переработку не­обходим обоснованный выбор комбинационных технических решений, ориентированный на использование наиболее прогрессивных разрабо­ток, и их системное объединение (исходя из характера взаимосвязей между отдельными технологическими операциями как элементами об­щей системы сортировки и переработки ТБО).

Детальный анализ сепарационных, термических и биотермических технологий приведен в 5.2.9, 5.3.6 и 5.4.1.

Твердыми отходами при комплексной переработке ТБО являются: шлак (10-15% от исходного по массе), летучая зола (3-4% от исходного, если применяется слоевое сжигание), отходы сортировки - около 5% от исходного и инертные материалы (10-15% от исходного). Строго гово­ря, отвальными отходами, требующими захоронения, являются летучая зола и мелкая фракция сортировки (суммарно - 8% от исходного), со­держащие токсичные вещества; шлаки и инертные материалы в прин­ципе можно рассматривать как полупродукты и использовать, напри­мер, в дорожном строительстве, при выравнивании поверхности, за­сыпке пустот на местности, в качестве пересыпного материала в техно­логии свалок и т.п. Тем не менее, учитывая все возрастающие и ужесто­чающиеся экологические требования и необходимость создания устой­чивых рынков сбыта, целесообразно переработать технологические от­ходы в сертифицированные продукты, удовлетворяющие самым жест­ким нормам и правилам.

Существует несколько промышленных и близких к промышленно­му применению технологий обезвреживания и переработки образую­щихся отходов, в составе которых преобладают минеральные вещества.

Наиболее универсальным методом, мало- зависящим от состава от­ходов, является электропереплав с последующим остекловыванием. В остеклованной форме токсичные вещества находятся в изолированном состоянии и не вымываются из шлака даже после его измельчения. Электрообогрев обеспечивает простоту поддержания температуры в шлаковой ванне (1400-1500°С). В остеклованном виде материал может найти самое различное применение. По данным ВНИИЭТО, шлаки после электроплавки отходов могут быть переработаны в высококачес­твенный строительный материал, в частности, из шлака можно полу­чить теплоизоляционный засыпной утеплитель с насыпной массой от 180 до 250 кг/м³ или пористый заполнитель конструкционных бетонов плотностью до 900 кг/м³ (технология производства основана на грану­лировании шлакового порошка с добавками и последующем обжиге гранул во вращающейся обжиговой печи).

Традиционный недостаток применения электроплавильной техно­логии - большой расход электроэнергии - в условиях работы комплек­са, производящего энергию из отходов, решающей роли не играет.

Потенциально для переработки летучей золы можно использовать технологию производства безобжиговых огнеупоров. Сущность техно­логии заключается в дроблении, измельчении и смешивании летучей зо­лы мусоросжигательного завода с золой ГРЭС и фосфатными вяжущи­ми (в частности, с ортофосфорной кислотой), формовании кирпичей, их термообработке при температуре 300-400°С и выдерживании при этой температуре в течение 4 часов. Первые опытно-промышленные испыта­ния на заводе огнеупоров в Новомосковске дали обнадеживающие ре­зультаты.

Технология комплексной переработки ТБО может быть практичес­ки безотходной при включении в технологическую схему завода произ­водства строительных материалов. Работы по переработке обогащен­ных фракций ТБО в универсальные, экологически чистые строитель­ные материалы проводятся в Германии и Канаде (технологии SEKUPLAN, Hydromex). Аналогичная технология разработана и апробирова­на в России под руководством академика М.В. Бирюкова.

Применитель­но к ТБО сущность технологии заключается в обработке сухой тонкоиз- мельченной фракции ТБО, обогащенной органическими веществами, растворами минеральных вяжущих - бишофита и магнезита - и полу­чении формуемой массы для последующего литья под давлением, горя­чего прессования или штамповки. Процесс подготовки массы обеспечи­вает капсулирование всех частиц отходов и получение экологически чи­стых стройматериалов, обладающих свойствами огнестойкости и био­стойкости. Получение стройматериалов на органической основе обес­печивает малую отходность (безотходность) мусороперерабатывающе­го комплекса.

В цех переработки отходов в стройматериалы может быть направ­лено около 25% ТБО, поступающих на завод.

На рис. 5.152-5.154 приведены варианты возможных прогрессив­ных технологических схем комплексной переработки ТБО.

В основе всех схем лежит механизированная сепарация ТБО (воз­можно применение операции ручной сортировки крупнокусковой фрак­ции, см. рис. 5.154). Отличие технологических схем сортировки связа­но с реализацией операции вторичного грохочения: в одной из схем эта операция может не использоваться, в двух других она осуществляется по разным классам крупности (по классу 60 мм и 100 мм), что объясня­ется различным целевым назначением комплексной переработки ТБО (в части выпуска готовой продукции) и экономическими соображения­ми (снижение капитальных затрат на дорогостоящие переделы перера­ботки). Механизированная сортировка исходных ТБО и продуктов фер­ментации обеспечивает извлечение в самостоятельные продукты чер­ных и цветных металлов, выделение горючей и биоразлагаемой фрак­ции (последняя пригодна для ферментации и для производства строи­тельных материалов), а также удаление опасных компонентов (фракция -65 +40 мм обогащена отработанными сухими гальваноэлементами).

Изделия строительного назначения (брус, шпалы, плиты, строительные детали, столбы для изгородей)

Состав обогащенных фракций отходов, выделяемых в процессе сепара­ции ТБО и наиболее пригодных для термической переработки, приведен ра­нее в табл. 5.27 и 5.32, для биотермической переработки - в табл. 5.28 и 5.33.

Из термических технологий наиболее рационально включать в схе­му комплексной переработки ТБО отечественную технологию паро­воздушной газификации или слоевое сжигание с использованием обо­рудования германских фирм. По экологическим критериям предпочти­телен выбор российской технологии; германская технология, не требу­ющая предварительного дробления отходов, может иметь преимущест­во в случае строительства завода большой производительности.

Из биотермических технологий предпочтителен выбор фермента­ции (ферментативной сушки) в туннеле. В зависимости от назначения биотермической обработки можно получать готовый для реализации продукт (стабилизированная органическая фракция для использования, например, в цветоводстве, при рекультивации земель и т.п.) или полу­продукт (направляется на термическую переработку). Расчетный со­став выхода продукта и полупродукта ферментации приведен, соответ­ственно, в табл. 5.49 и 5.50.

Весьма важно, что завод, запроектированный по технологии ком­плексной переработки ТБО, может вводиться в строй поэтапно (внача­ле вводятся в действие переделы сортировки и термообработки, затем остальные)